COMPOSANTS OPTOELECTRONIQUES

L’optoélectroniqueestunediscipline
émergentequiutiliseconjointement
l’électroniqueetl’optique.Elleadesportées
importantesdansdiversdomaines,en
particuliereninformatique,enélectronique
médicaleetentélécommunicationsLebutde
cecoursestdepermettreauxétudiantsde
connaitrelesprincipesdefonctionnementet
lescaractéristiquesdesdifférentséléments
d’unechaînedetransmissionparfibres
optiquesàtraversl’étudedescomposants
capablesd’émettre,detransmettreetde
recevoirunsignallumineux
COMPOSANTS
OPTOELECTRONIQUES
Pr.REBIAI‐BENAHMEDSaïda

Composantsoptoélectroniques
S.REBIAI1
Tabledesmatières
Chapitre0:Introductionàl’optoélectronique.....................................................................................4
0.1Introduction...........................................................................................................................4
0.2Latransmissionparfibreoptiquefonctionnelle...................................................................6
0.3Pourquoiunetransmissionparfibreoptique?....................................................................7
Chapitre1.Matériauxpourl’optoélectronique.................................................................................9
1.1Introduction...........................................................................................................................9
1.2Absorptiondelalumièreparlessemi‐conducteurs...........................................................12
1.2.1Choixdumatériau.......................................................................................................12
1.2.2Coefficientd’absorption..............................................................................................13
1.2.3Rendementquantiqueetsensibilitéspectrale...........................................................17
1.3Emissiondelalumièreparlessemi‐conducteurs...............................................................19
1.3.1Structuredebandesd’énergie....................................................................................20
1.3.2Typesderecombinaisons............................................................................................22
1.3.3Rendementd’électroluminescence............................................................................24
Chapitre2:Lesémetteursdelumière.............................................................................................29
2.1Généralitéssurlesémetteursdelumières.........................................................................29
Chapitre2.Leçon1:Lesdiodesélectroluminescentes"LED"............................................................30
2.2Structuredebaseetfonctionnement.................................................................................30
2.3Lestypesdesubstratspossibles..........................................................................................32
2.4Lespectred’émissiondelaLED..........................................................................................33
2.5Rendementsdeladiodeélectroluminescente...................................................................35
2.5.1Lerendementquantiqueinternei............................................................................35
2.5.2Lerendementoptiqueo............................................................................................36
2.5.3Lerendementquantiqueexternee...........................................................................39
2.5.4Lerendementglobal................................................................................................39
2.6BrillancedelaLEDetdistributionspatialedurayonnement..............................................41
2.7Lesmatériauxutilisés..........................................................................................................44
2.7.1Emissiondanslevisible...............................................................................................44
2.7.2Emissiondansl’infrarouge..........................................................................................46
2.7.3Emissiondansl’ultraviolet...........................................................................................46
2.7.4LesLEDblanches.........................................................................................................46
Chapitre2.Leçon2:Lesdiodeslaseroulaseràsemi‐conducteu......................................................47

Composantsoptoélectroniques
S.REBIAI2
2.8Définition.............................................................................................................................47
2.9Matériauxutiliséspourlesdiodeslaser..............................................................................48
2.10Inversiondepopulationdansleslasersàsemi‐conducteurs..............................................49
2.11L’amplificationdelalumière...............................................................................................52
2.12Lelaseràdoublehétérojonction.........................................................................................54
2.13Lescaractéristiquesdeladiodelaser..................................................................................57
2.13.1Lacaractéristiquepuissance‐courant..........................................................................57
2.13.2Distributionspatialedurayonnementdeladiodelaser.............................................60
2.13.3Distributionspectraledurayonnement......................................................................60
Chapitre3:LESFIBRESOPTIQUES.....................................................................................................64
3.1Définition.............................................................................................................................64
3.2Leprofild’indicederéfraction............................................................................................65
3.2.1Lafibreoptiquemultimodaleàsautd’indice.............................................................65
3.2.2Lafibreoptiquemultimodaleàgradientd'indice.......................................................66
3.2.3Lafibreoptiquemonomode........................................................................................66
3.2.4Dimensions..................................................................................................................67
3.3Lesfibresoptiquesàsautd'indice......................................................................................67
3.3.1Ouverturenumérique.................................................................................................68
3.3.2Propagationdel’ondedanslafibreoptique...............................................................70
3.4Lesfibresoptiquesàgradientd'indice................................................................................72
3.5Lesproblèmesdetransmission...........................................................................................74
3.5.1L’Affaiblissement.........................................................................................................74
3.5.2Lespertesliéesauxdéfautsdeconnections...............................................................78
3.5.3Lesdispersionsdusignal.............................................................................................79
3.5.4Bandepassanteetfréquencedecoupure..................................................................83
3.6Calculdespertesdansuneliaisonparfibreoptique..........................................................85
3.7LesSolutionspourcompenserlespertes............................................................................88
3.7.1CorrectiondeladispersiondusignalOptique............................................................88
3.7.2L'amplificationdusignalOptique................................................................................89
3.7.3LeMultiplexage...........................................................................................................92
3.8Fabricationdesfibresoptiques...........................................................................................94
Chapitre4.LESPHOTORECEPTEURS(DiodesPIN,Phototransistors,..).............................................
97
4.1Définition.............................................................................................................................97

Composantsoptoélectroniques
S.REBIAI3
4.2Principedefonctionnementdesphotodiodes....................................................................99
4.3Tempsderéponsedelaphotodiode.................................................................................103
4.4Schémaéquivalentdelaphotodiode................................................................................104
4.5Efficacitéquantiquedelaphotodiode..............................................................................105
4.6Structuresdérivées............................................................................................................108
4.6.1PhotodiodePIN.........................................................................................................108
4.6.2PhotodiodeàavalancheAPD....................................................................................108
4.7BruitsetDétectivité...........................................................................................................111
4.7.1Sourcesdebruit.........................................................................................................111
4.7.2NEP(puissancelumineuseéquivalentedebruit)etdétectivité...............................113
REFERENCESBIBLIOGRAPHIQUES:..........................................................................................................115
Sitesweb.......................................................................................................................................115
Livres..............................................................................................................................................115

Composantsoptoélectroniques
S.REBIAI4
Chapitre0:Introductionàl’optoélectronique
L’objectif de ce chapitre est de familiariser l’étudiant avec les propriétés des matériaux
semi-conducteurs utilisés dans le domaine de l’optoélectronique :
- Matériaux pour la photo-détection ; coefficient d’absorption et taux de génération
- Matériaux pour l’émission de lumière- ; structure de bandes
0.1 Introduction
L'Optoélectronique est l'étude des composants qui interagissent avec de la lumière. Elle est
généralement considérée comme une sous branche de la photonique.
Les interactions rayonnement électromagnétique – semi-conducteurs sont le principe des
composants optoélectroniques dont le rôle est la conversion d’un signal optique en un signal
électrique ou réciproquement. Ce sont donc des transducteurs électronique vers optique ou
optique vers électrique.
La conversion :
 Photon – électron donne le principe des photorécepteurs (figure 1)
 Électron - photon donne le principe des émetteurs de lumière (figure 2)
L'électroluminescence, phénomène par lequel une excitation électrique donne lieu à
l'émission d'une radiation électromagnétique, est expliquée par la théorie des semi-
Figure 1 : Photodiodes,
[ref : http://img.directindustry.com/images_di/photo-
g/photodiode-array-36430-2337329.jpg]
Figure 2 : Diodes Electroluminescentes, [ref :
http://www.gizmodo.fr/wp-
content/uploads/2010/05/500x_leds.jpg]