Illustration des interactions lumière

École Normale Supérieure de Cachan — Département EEA
Illustration des interactions lumière-matière dans les composants
optoélectroniques : source de lumière (DEL, diode laser, etc.) et
récepteurs de lumière (photo-diode, photo-transistor, photo-résistance,
etc.) ; application à une transmission par fibre optique
Julien Gori & Rémy Gonin
ENS de Cachan
Département EEA
[email protected], [email protected]
8 avril 2014
Table des matières
0.1 Intérêt de la transmission optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1 Émetteurs 2
1.1 Les diodes électroluminescentes (DEL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Structure ............................................. 2
Fonctionnement.......................................... 2
Présentation du montage d’émission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Spectred’émission ........................................ 3
Caractéristique courant - puissance optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Vers la transmission d’informations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Comportementdynamique ................................... 5
Application à la transmission d’informations par fibre optique . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Conclusion pour l’utilisation pratique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 Diodelaser ................................................ 6
Principedefonctionnement ................................... 6
Spectredeladiodelaser..................................... 6
Caractéristique courant - flux optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Dynamique ............................................ 7
Conclusion pour l’utilisation pratique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Récepteurs 8
2.1 Photo-diode................................................ 8
Structure ............................................. 8
Caractéristique courant/tension de la photo-diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Courantdephoto-diode ..................................... 9
Sensibilité............................................. 10
Dynamiquedurécepteur..................................... 11
Applicationàlafibreoptique.................................. 13
3 Transmission par fibre optique 13
1

ENS-Cachan Montage Gori-Gonin
0.1 Intérêt de la transmission optique
La fin des années 70 démontre la faisabilité des systèmes de transmission par fibre optique. L’intérêt se trouve
dans les taux élevés de transmission que l’on peut atteindre et la faible atténuation. A titre de comparaison
le câble trans-atlantique 14, composé de 4 fibres fait transiter des informations à un débit de 640 Gbit/s.
L’atténuation dans une fibre peut atteindre 0.1484dB/km alors que pour un câble coaxial RG−5/U l’atténuation
est de 19.4dB/100mà400 M Hz et les débits sont de l’ordre de quelques dizaines de MHz. On va faire une
étude des différents émetteurs et récepteurs optiques à notre disposition et voire lesquels sont susceptibles d’être
utilisés lors d’une transmission optique. Toutes les mesures effectuées et toutes les conclusions tirées seront donc
en rapport avec les systèmes de transmission par fibre optique.
1 Émetteurs
La famille des émetteurs optiques se divise en deux : on sépare d’un côté les émetteurs à émission spontanée,
de l’autre les émetteurs à émission stimulée. On va étudier un représentant de chaque famille.
1.1 Les diodes électroluminescentes (DEL)
Structure Jonction PN polarisée en direct. La recombinaison des porteurs minoritaires peut être radiative
ou non. La ZCE est de taille négligeable puisque la jonction est polarisée en direct. La mobilité des électrons
est plus grande que celle des trous, donc pour des même dopages il y aura plus de recombinaisons dans la zone
p. C’est de cette zone que partira le rayonnement.
Fonctionnement On fait passer du courant à travers une jonction PN. Les porteurs apportés se recombinent
et les recombinaisons des paire électron-trous peuvent être radiatives ou non. Entre le courant émis et les
photons émis hors de la jonction, il faut définir deux grandeurs qui sont à même de traduire les deux principaux
phénomènes :
– Le rendement quantique est le rapport entre le nombre de photons émis dans le matériau et le nombre de
porteurs qui traversent la jonction. En effet, une recombinaison ne donne pas forcément lieu à l’émission
d’un photon ; si on se place dans une vision corpusculaire une recombinaison peut donner naissance à un
phonon par exemple. Il existe une condition sur l’énergie du photon ; l’énergie du photon émis doit être
supérieure à l’énergie de gap du matériau. Il n’est pas aisé de prévoir de manière théorique ce rendement,
mais il est lié au matériau utilisé. Il n’y a aucune raison que ce rendement soit le même pour deux
matériaux semi-conducteurs différents.
– Le rendement optique qui traduit le fait que lors des recombinaisons qui donnent bien lieu à une émission
de photons, tous les photons ne sont pas forcément transmis hors le semi-conducteur. Il peut en effet y
avoir des réflexions à l’interface air / semi-conducteur. La proportion de photons traversant la jonction
est donc liée au matériau via son indice mais aussi à la direction d’émission et de manière générale à la
géométrie de la diode. En pratique on peut atteindre des rendements optiques de l’ordre de 4%.
Présentation du montage d’émission Le montage utilisé pour alimenter les différentes diodes d’émission
(aussi bien LED que laser), sera le suivant :
Électronique 2 Interaction lumière-matière

ENS-Cachan Montage Gori-Gonin
Figure 1 – Montage d’émission
En entrée, on peut appliquer une tension d’entrée continue de valeur réglable avec le potentiomètre, et
on peut y ajouter une entrée modulante grâce au premier amplificateur opérationnel câblé en sommateur. Le
deuxième AOP, en suiveur, permet d’imposer V2=V1et de s’assurer que le transistor (qui sert juste à amplifier
le signal qui alimente la diode) soit toujours passant.
De plus, on utilise un banc d’optique pour placer les différents éléments du montage de transmission : les diodes
émettrices, la photodiode réceptrice et entre les deux une lentille convergente pour s’assurer qu’un maximum
de la lumière émise par une LED se concentre au niveau de la photodiode. Le tout est recouvert par un voile
noir pour avoir un minimum de perturbations extérieures.
Spectre d’émission Le spectre d’émission de la LED dépend principalement du gap du matériau semi-
conducteur utilisé lors de la fabrication de la diode. Il faut au moins que le photon émis soit d’énergie supérieure
à l’énergie de gap du matériau (transition la moins énergétique qui donne lieu à l’émission d’un photon), i.e. :
E≥Eg
λ0≤hc0
Eg
De plus, il faut que pour le matériau considéré, le gap soit direct. C’est pourquoi on ne retrouve pas de diodes
au silicium. On dispose de trois LEDs composées de trois matériaux différents dans les salles d’électronique,
passons les en revue :
– LED rouge : la datasheet annonce un rayonnement à 660 nm. On peut trouver sur internet la composition
des LEDs à cette longueur d’onde. Le matériau qui correspond est un mélange Al0.33 GaAs0.67 pour un
gap de 1.88 eV
– LED verte : la longueur d’onde émise est 525 nm. On sait que le matériau utilisé est InGaN.
– LED bleue : λ= 470 nm, le matériau est du GaN ou du ZnSe.
Pour relever les spectres d’émissions suivants (figure 3), on utilise un spectroscope. Le principe de fonction-
nement est résumé sur ce schéma :
Figure 2 – Principe de fonctionnement du spectroscope
Électronique 3 Interaction lumière-matière

ENS-Cachan Montage Gori-Gonin
On éclaire à l’aide de la source à étudier une fente étroite, une première lentille collimatrice rend parallèle
le faisceau lumineux tombant sur la face d’entrée du prisme, après dispersion de la lumière une seconde lentille
donne sur un écran une suite d’images juxtaposées de la fente, chacune correspond à une longueur d’onde. Cette
série d’images, les raies, constitue le spectre de la source lumineuse.
Figure 3 – Spectre d’émission pour une LED bleue, verte, rouge
On peut grâce à ces mesures vérifier les données fournies par le constructeur. On peut déjà remarquer
que le rayonnement est loin d’être monochromatique, si on devait le qualifier on dirait que la distribution
en longueur d’onde des photons est une gaussienne. On peut quantifier cette poly-chromaticité de plusieurs
manières différentes, par exemple la largeur à mi-hauteur du lobe :
– LED rouge : 20 nm
– LED verte : 45 nm
– LED bleue :25 nm
Il faut avouer que ces mesures pour être plus parlantes doivent être effectuées à puissance optique constante.
Toutefois, le dispositif ne permet pas de faire des mesures précises puisque la connectique du capteur n’est
pas adaptée à celle de la maquette. Par contre on peut tirer deux conclusions importantes : l’étalement du
rayonnement est un fait ; on l’estime pouvoir s’étendre de 20 nm à45 nm sur nos mesures et il peut certainement
s’étaler encore plus. De plus, cet étalement n’est pas constant parmi les diodes, il est intrinsèquement lié au
matériau utilisé.
Caractéristique courant - puissance optique On peut relier directement le courant qui traverse la
jonction au flux optique émis. La relation est linéaire, c’est dû à la définition même des grandeurs courant et
puissance optique. On rappelle ces dernières :
– Courant : quantité de charges qui traverse une surface pendant un intervalle de temps
– Puissance optique : Énergie lumineuse qui tombe sur une surface donnée pendant un intervalle de temps.
Or l’énergie lumineuse est celle de l’ensemble des photons, puisque chaque photon transporte une énergie
hν. Le nombre de porteurs de charges étant proportionnel au nombre de photons émis (revoir les considérations
précédentes sur le rendement quantique et optique), la relation courant/puissance optique est directement
linéaire. De plus, comme la conversion porteurs de charge/photons n’est pas la même pour chaque matériau, le
coefficient de proportionnalité n’est pas le même suivant les diodes.
On trace alors pour les 3 LED la caractéristique puissance optique - courant, à l’aide du capteur THORLABST M .
Pour cela, on indique au capteur la longueur d’onde principale d’émission de la LED (le capteur a une sensibi-
lité, donc il faut la lui préciser). Pour mesurer le courant dans la LED, on mesure la tension aux bornes d’une
résistance en série avec celle-ci :
Électronique 4 Interaction lumière-matière

ENS-Cachan Montage Gori-Gonin
Figure 4 – Caractéristique puissance optique-courant pour chaque LED
On détermine ainsi le coefficient qui relie la puissance optique au courant. Pour la LED bleue on trouve
220mW.A−1, pour la LED verte on trouve 50mW.A−1, pour la LED rouge on trouve 35mW.A−1.
Vers la transmission d’informations La diode à un comportement intéressant pour la transmission d’in-
formations dans le sens où la puissance optique est directement proportionnelle au courant qui traverse la diode.
On peut donc faire facilement de la modulation d’amplitude grâce à ce composant. Par contre, les modulations
angulaires sont proscrites avec les DEL puisque la lumière émise n’est pas cohérente. Les notions de phase et
de fréquence sont donc liées à chaque photon, et non pas à l’ensemble de photons. Si on prend une vue plus
ondulatoire, on peut dire que le train d’onde n’a pas de fréquence ou de phase bien définie.
Comportement dynamique Comme la zone de charge d’espace est très petite, la capacité équivalente est
très petite donc la fréquence de coupure de la diode en émission est haute. C’est le montage avec amplificateur
opérationnel qui limite la bande passante en émission. Si on veut chiffrer la bande passante d’une DEL, on doit
se rappeler de la constante de temps caractéristique de la diffusion, environ 10−8s, donc la fréquence haute
d’utilisation se situe autour de 100 MHz. Cette limite en fréquence n’est bien sûr que réelle si on cherche à
moduler directement avec l’émetteur
Application à la transmission d’informations par fibre optique Nous avons parlé de l’inconvénient
que représentait une émission incohérente de lumière. Plus dérangeant encore est l’étalement spectral que nous
avons observé avec le spectromètre. En effet, la polychromaticité présente des défauts certains :
– L’atténuation dans une fibre peut varier très rapidement comme le montre le graphe ci-dessous, on a donc
intérêt à rester mono-chromatique.
Figure 5 – Atténuation d’une certaine fibre optique en fonction de la longueur d’onde
– Le phénomène de dispersion est aussi important dans une fibre. Si on émet avec une DEL, le train d’onde
émis va se déformer puisque certaines fréquences se propageront plus vite. On rappelle que dans un milieu
dispersif, la vitesse de propagation d’une onde est liée à sa longueur d’onde.
Électronique 5 Interaction lumière-matière