École de technologie supérieure Département de génie électrique Responsable(s) du cours : Véronique François Crédits : 3 ELE771 DISPOSITIFS PHOTONIQUES Préalable(s) : ELE412 PLAN DE COURS – SESSION AUTOMNE 2013 1. Coordonnées de l’enseignant Groupe 01 : Véronique François ([email protected]) 2. Descriptif officiel du cours S’initier aux principes fondamentaux et aux applications des fibres optiques, des dispositifs optoélectroniques actifs et des dispositifs passifs, avec accent sur les applications. Propagation de la lumière dans l’espace libre et les fibres optiques. Principes de l’amplification stimulée et des lasers : diodes électroluminescentes, diodes lasers à semi-conducteurs, fibre optique amplificatrice. Dispositifs actifs : photodétecteurs, moduleurs, commutateurs. Dispositifs à fibre passifs : connecteurs, coupleurs, multiplexeurs de longueurs d’onde, isolateurs, réseaux de Bragg, capteurs. Séances de laboratoire portant sur un projet visant la réalisation d’un dispositif photonique avancé : l’amplificateur à fibre dopée à l’erbium. 3. Objectifs spécifiques du cours À travers les applications qui guident le cours et les laboratoires, ce cours a pour objectif d’introduire les composants photoniques parmi les outils de conceptions de l’ingénieur électrique. À la fin de ce cours, l’étudiant(e) devra être en mesure de : − connaître et identifier les composants optiques et optoélectroniques de dispositifs photoniques avancés; − comprendre les principes de propagation guidée de la lumière, d’émission laser et d’imagerie et appliquer ces notions au calcul des paramètres importants; − expliquer le fonctionnement de différents lasers et photodétecteurs à semi-conducteurs et de leurs circuits; − choisir le dispositif approprié à une situation de conception donnée. Session automne 2013 ELE771 – DISPOSITIFS PHOTONIQUES 1 4. Stratégies pédagogiques utilisées Les principaux moyens pédagogiques envisagés sont : − Cours magistraux (un cours par semaine) L’enseignement théorique est présenté durant les heures de cours magistraux à partir d’exemples concrets. L’acquisition des connaissances est renforcée par les travaux dirigés et les laboratoires. L’évaluation globale se compose de devoirs, rapports de laboratoires et examens de contrôle. − Travaux dirigés (cinq séances de deux heures, en alternance avec les laboratoires) Ces séances servent à la résolution des exercices proposés aux étudiant(e)s afin de leur permettre de mieux comprendre les notions présentées dans le cours. Les diverses relations démontrées dans le cours sont appliquées pour résoudre des problèmes concrets. Les étudiant(e)s sont invités à tenter de résoudre les problèmes avant la séance de travaux dirigés afin de rendre celle-ci interactive. Ils peuvent également poser des questions portant sur la matière du cours. − Laboratoires (cinq séances de deux heures et une séance de quatre heures, en alternance avec les travaux dirigés) Les séances de laboratoire sont arrangées autour du projet de la réalisation d’un dispositif photonique avancé : l’amplificateur à fibre dopée à l’erbium. L’étudiant(e) y fait l’apprentissage pratique de l’épissure de fibres optiques, des tests de composants optiques fibrés et manipule diode laser et phototodétecteur pour ensuite assembler le tout et tester et évaluer le dispositif complexe réalisé. Session automne 2013 ELE771 – DISPOSITIFS PHOTONIQUES 2 5. Contenu du cours Date Contenus traités dans le cours 1. Introduction − Définitions de termes clés de la photonique − Description d’un système photonique; exemples − La sécurité dans un laboratoire de photonique 2. La nature de la lumière − Relation rayon / onde / photon − Onde plane, champs et intensité lumineuse − Modèle classique de l'atome, absorption et émission spontanée − Durée de vie de radiation, cohérence et longueur de cohérence 3. Propagation, imagerie et guidage − Ondes EM : indice de réfraction, vitesse, propagation, atténuation, absorption réflexion, transmission et polarisation − Optique géométrique : miroir, lentilles et grandissement, systèmes d'imagerie − Guidage par cascade de lentilles − Fibre optique : guidage diélectrique, modes de propagation, ouverture numérique et diamètre modal − Types de fibres, fibres dopées, fabrication, épissure et connectique − Composants à fibre optique : coupleurs de puissance de longueur d’onde, interféromètres, commutateurs optiques et isolateurs 4. Les lasers − Émission stimulée, milieux de gain, 3 et 4 niveaux, types de lasers (gaz, solides, semi-conducteurs) − Cavités, modes longitudinaux, transverses et sauts de modes − Largeur de raie, rapport SSE 5. Les composants optoélectroniques − Matériaux semi-conducteurs : diagramme de bandes d'énergie, jonction pn et polarisation − LED: principe, structure et caractéristiques − Lasers à semi-conducteurs : FP, DFB, à cavité externe, stabilisation modale, circuits d'alimentation et codage − Photodétecteurs : phototransistor, pn, pin, avalanche, photopiles solaires, circuits d'alimentation Total NOTE : Tous les cours sont d'une durée de 3 heures 30 minutes par semaine. Session automne 2013 ELE771 – DISPOSITIFS PHOTONIQUES Heures 3 heures 3 heures 15 heures 6 heures 12 heures 39 3 6. Laboratoires ou travaux pratiques Date Description LABORATOIRES (14 HEURES) − Sécurité et manipulation des composants photoniques − Épissure et caractérisation de fibres optiques − Caractérisation de composants optiques passifs − Diode laser − Photodétecteur PIN − Montage et caractérisation d’un amplificateur à fibre dopée à l’erbium TRAVAUX PRATIQUES (10 HEURES) − Nature de la lumière, propagation, imagerie et guidage − Lasers (2 heures) − Composants optoélectroniques (4 heures) Total 7. Utilisation d’outils d’ingénierie 8. Évaluation L'évaluation de l'étudiant(e) est composée de : Activité Description Examen de mi-session (Note 1) Deux devoirs Six laboratoires Examen final (Notes 2 & 3) % 25 % 10 % 30 % 35 % Heures 2 heures 4 heures 2 heures 2 heures 2 heures 2 heures 4 heures 2 heures 4 heures 24 Date 31 octobre Note 1 : Style classique avec certains documents permis : Seules trois feuilles de formules de format 8½ X 11 recto verso, manuscrites, préparées par l’étudiant sont autorisées lors des examens. Durée de deux (2) heures. Note 2 : Type synthèse avec certains documents permis : Seules six feuilles de formules de format 8½ X 11 recto verso, manuscrites, préparées par l’étudiant sont autorisées lors des examens. Durée de trois (3) heures. Note 3 : La note de passage est de 50 %. Une période de deux (2) semaines de délai est allouée pour la consultation des cahiers d’examen après la communication des résultats. Retard de remise d’un travail -20 % par journée de retard. Utilisation d’appareils électroniques 9. Documentation obligatoire KASAP, S.O., Optoelectronics and Photonics: Principles and practice, Prentice-Hall, 2001 ou 2ème édition 2013. Session automne 2013 ELE771 – DISPOSITIFS PHOTONIQUES 4 10. Ouvrages complémentaires de référence DESMARAIS, L., Applied Electro-Optics. Upper Saddle River, NJ, Prentice Hall, 1998. SALEH, B.E.A., Teich, MC, Fundamentals of Photonics, New York, Wiley-Interscience, 1991. Session automne 2013 ELE771 – DISPOSITIFS PHOTONIQUES 5 ELE771 – DISPOSITIFS PHOTONIQUES ANNEXE I 1. Caractéristiques du cours • Responsable(s) du cours : Véronique Francois • Coordonnées de l’enseignant : Groupe 01: Véronique Francois ([email protected]) • Préalables : ELE412 • Crédits : 3 2. Descriptif officiel du cours S’initier aux principes fondamentaux et aux applications des fibres optiques, des dispositifs optoélectroniques actifs et des dispositifs passifs, avec accent sur les applications. Propagation de la lumière dans l’espace libre et les fibres optiques. Principes de l’amplification stimulée et des lasers : diodes électroluminescentes, diodes lasers à semi-conducteurs, fibre optique amplificatrice. Dispositifs actifs : photodétecteurs, moduleurs, commutateurs. Dispositifs à fibre passifs : connecteurs, coupleurs, multiplexeurs de longueurs d’onde, isolateurs, réseaux de Bragg, capteurs. Séances de laboratoire portant sur un projet visant la réalisation d’un dispositif photonique avancé : l’amplificateur à fibre dopée à l’erbium. 3. Répartition des unités d’agrément du BCAPG Maths Sciences naturelles Études complémentaires 0,0 0,0 0,0 Science du génie Conception en ingénierie Total 39,2 19,6 58,8 4. Qualités (Qx) et compétences (Cy) enseignées et ou évaluées 5. Évaluation Absence à un examen Dans les cinq (5) jours ouvrables suivant la tenue de son examen, l’étudiant devra justifier son absence d’un examen durant le trimestre auprès de la coordonnatrice – Affaires départementales qui en référera au directeur du département. Pour un examen final, l’étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau du registraire. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parent immédiat ou autre) à un examen entraînera l’attribution de la note zéro (0). Session automne 2013 ELE771 – DISPOSITIFS PHOTONIQUES 6 Plagiat et fraude Les clauses du « Chapitre 10 : Plagiat et fraude » du « Règlement des études de 1er cycle » s’appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département. Afin de se sensibiliser au respect de la propriété intellectuelle, tous les étudiants doivent consulter la page Citer, pas plagier ! http://www.etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Cycles-sup/Realisationetudes/Citer-pas-plagier Session automne 2013 ELE771 – DISPOSITIFS PHOTONIQUES 7