Sources de rayonnement

1ère partie: LEDs

2

Diodes électro-luminescentes (LEDs)

Principe• inverse de la photo-diode• polarisation dans le sens passant

Tension extérieure• passage des porteurs majoritaires

vers l’autre région• injection de porteurs minoritaires

3

Recombinaison

Près de la jonction• concentration de porteurs

- majoritaires (existants)- minoritaires (injectés)

Recombinaison• passage d’un e-

- du bas de la BC- au haut de la BV

Transition• non-radiative: chaleur• radiative: émission d’un photon gE h E

4

Transition radiative ou non ?

Gap direct• photon: pas de quantité

de mouvement• transition radiative• préféré pour LEDs

Gap indirect• transfert de

nécessaire• transition non-radiative (chaleur)• passage par niveau d’une impureté

k

5

Largeur de bande interdite

Longueur d’onde

Semiconducteurs ternaires / quaternaires• GaAs1-xPx (IR / visible)

• AlInGaP (visible)

• In1-xGaxAs1-yPy ( = 0,9 … 1,7 µm)

1,24( )g g

µmhcE E eV

6

Largeur spectrale

Agitation thermique•

Energie des photons

2E kT

g

hcE

2

22

2

d hchc

dE E hc

hc

2 22kTE

hc hc

7

Rendement

Rendement quantique interne• nombre de photons par

recombinaison • très bon dans les sc III-V

Rendement externe• nombre de photons par e- injecté• limité par

- absorbtion dans le matériau couche p très mince- réfraction

8

Emission des photons

Réfraction• indice du sc III-V: 3,5• indice de l’air: 1 réflexion totale pour

i > iC = 17°

98% réfléchi !

Couplage avec la fibre optique• émission proportionnelle à• NA fibre relativement faible

- ex. NA = 0,24 rmax 14°

- perte 12,5 dB (94%)

cos r

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,00

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

F3

9

LED optimisée (Burrus)

Zone active réduite• contact métallique• émission très localisée

Adaptation des indices• résine transparente• n intermédiaire entre GaAs

et fibre optique

Structure multicouche• optimise le rendement

quantique interne

10

Temps de réponse

Tr, Tf

• fonction de la capacité de la jonction• taille

Signalisation• typ. µs

Télécom• qques ns … qques dizaines de ns

Sources de rayonnement

2ème partie: Lasers

12

Emission spontanée

Niveaux d’énergie• E1 E2

- absorption d’un photon h = (E2-E1)

• E2 E1

- émission spontanéeh = (E2-E1)

Equilibre thermique

. . . . . .

. . . . . E2

E1

n2

n1

Absorption Emission

2 1 12

22 1

1

E E hkT kTn

e e n nn

13

Emission stimulée

Passage de E2 E1

• stimulé par photon h = (E2-E1)

• onde de- même fréquence- même phase

que l’onde incidente

Taux d’émission proportionnel• à n2

• à densité de photons (12)

14

Taux de transitions

A21, B12 et B21: coefficients d’Einstein

• B12 = B21

12 1 12 21 2 21 2 12

émission émissionAbsorption

spontanée stimulée

B n A n B n

15

Emission stimulée dominante

Emission spontanée

• grande densité de photons (12)

Absorbtion

• n2 > n1 : inversion de population

21 2 12 2112

21 2 21

Emission stimuléeEmission spontanée

B n BA n A

21 2 12 21 2

21 1 12 12 1

Emission stimuléeAbsorbtion

B n B nB n B n

16

LASER

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Dispositif qui procure• grande densité de

photons (12)

• inversion de population

NOVA (1984)Lawrence Livermore National Laboratory

2×1014 W / 1 ns

17

Augmentation de la densité de h Cavité résonante

• 2 miroirs semi-transparents

Allers-retours• création de nouveaux h• interférences constructives

- ondes en phase après 1 A/R

2 22 2

LL m

m

0

n

18

Inversion de population

Jonction p-n (polarisée sens passant)• injections d’e- dans la BC• injection de trous dans la BV

Situation de non-équilibre• inversion de population• localisée autour de la jonction

- zone active du laser

19

Etablissement du courant dans la jonction

Courant de seuil• d’abord émission spontanée• puis inversion de population• et émission stimulée

Spectre• sous le seuil

- spectre large(= LED)

• au-dessus- 1 mode domine

- satisfait à 2Lm

20

Laser à hétérojonction

Diminution du courant de seuil• réduction de la dissipation• augmentation de puissance• moyen: augmenter la densité

locale de charges

Construction• couche de p-GaAs entre

n-AlGaAs et p-AlGaAs

21

Laser à hétérojonction

Confinement des porteurs• gap GaAs < gap AlGaAs• e- bloqués dans le GaAs

par barrière de potentiel• idem pour les trous• augmentation de densité

Confinement des photons• par un effet de guide d’ondes• indice GaAs > indice AlGaAs

Variantes• GaxIn1-xAs1-yPy : pour = 1,1 … 1,55 µm

22

Construction

Croissance des couchessur un substrat

Clivage du substrat• facettes réfléchissantes• longueur de cavité: ~ mm

Emission• par la tranche• section elliptique, perpendiculaire aux couches

« far field »

23

Laser à cavité verticale (VCSEL)

Miroirs parallèles au substrat• structure multicouche

diffractive (DBR)• Longueur de cavité ~ 1 µm 1 seul mode possible laser monomode

Emission• par la surface• section circulaire étroite

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Avantages / inconvénients

Diode Laser VCSEL

Coût de fabrication élevé bas

Puissance élevée basse

Bande passante 2 GHz 6 GHz

Couplage moyen bon

Test complexe aisé

Possibilités d’intégration non oui