Introduction

OPTO-ELECTRONIQUE
Composants photoniques et fibres optiques
Serge MONNERET
Institut Fresnel – CNRS – Marseille
[email protected]
tel : 04 91 28 80 52
Contenu du cours - Plan
1. Fibres optiques
2. Sources lumineuses
Les atomes
Les solides
Processus d'interaction atome / lumière
Le laser
3. Détecteurs de lumière
4. Réseaux de communications optiques
Structure électronique des atomes
Répartition des électrons décrite par 4 nombres quantiques :
n : nbre quantique principal = 1,2,…,7 = K,L,M,…, Q
l : nbre quantique du moment cinétique = 0,1,2,…, n-1 = s,p,d,f,..
ml : nbre quantique magnétique : 0, ±1, ± 2, …, ± l
s : nbre quantique de spin (moment cinétique propre) : + ½ et – ½
Table périodique des éléments
De l'atome au cristal
Les différentes classes de matériaux
typ : 107 e- / m3
dans BC
typ : 1028 e- / m3
dans BC
Porteurs de charges dans un semi-conducteur
Porteurs de charges : électrons, mais aussi trous !
création de paires electron-trou
Recombinaison electron-trou
Choix du matériau
Dopage du silicium
Excès d’électrons
Défaut d’électrons
Arsenic, phosphore
Bore, gallium
dopage N
T° ambiante : tous les électrons issus du dopant sont dans la
bande de conduction : électrons libres
dopage P
T° ambiante : tous les trous issus du dopant sont remplis par
des électrons provenant de la bande de conduction, laissant la
place à des trous libres dans la bande de conduction
Matériaux P et N – niveaux d'énergie
Effets du dopage
jonction P-N
jonction P-N à l'équilibre
jonction P-N
Polarisation des jonctions P-N
Polarisation directe
barrière de potentiel abaissée
on favorise la diffusion naturelle des porteurs
courant direct = courant de diffusion des porteurs majoritaires
Polarisation inverse
barrière de potentiel renforcée
diffusion naturelle des porteurs stoppée
conduction par le champ électrique élevé dû aux ions
courant inverse = courant de conduction des porteurs minoritaires
Effet d'avalanche - claquage
Diode fortement polarisée en inverse
champ électrique intense
Accélération des électrons
générations de paires é/trous par ionisation par impact des atomes sur le cristal
Phénomène d'avalanche si la ZCE est suffisamment large
Seuil de claquage : énergie trop importante, liaisons de valence brisées
Caractéristique courant - tension
Claquage
Tension seuil Vb
courant de fuite
courant d'obscurité
Avalanche
Applications des jonctions P-N
Cellules
photovoltaïques
Diodes
électroluminescentes
Photodiodes
SOURCES et DETECTEURS
Structure d ’une diode
Spectre d ’une LED
Extraction de la lumière d ’une diode
Hétérostructure / guidage de la
lumière / émission par la tranche
Diode laser
Diode laser à homojonction
Diode laser à double hétérojonction
Monochromaticité des diodes laser
La photoconduction
Création des paires électron/trou dans une jonction PN polarisée en inverse
Principe de fonctionnement d'une photodiode
Exemple de diodes
silicium
choix du matériau
Photodiode PIN
Diode à avalanche
Photomultiplicateur
Dispositif extrêmement sensible
Capteur CCD
Prix des composants
Fibres optiques, catalogue général électronique 2005 :
plastique diam 1 mm, gaine 2.2 mm, indice = 1.492, 150 dB/km @650 nm
175 € / 100m
Silice à gradient d'indice, diam gaine ext = 2.8 mm
rayon de courbure dynamique : 50 mm
rayon de courbure statique : 30 mm
50/125, BP > 350 MHz.km : 280 € pour 100 m
62.5/125, BP > 160 MHz.km : 290 € pour 100 m
Module Laser @ 670 nm (fibres plastiques)
1 mW optique, alimentation pile 3V, 60 mA : 17.60 € TTC
5 mW optique, alimentation pile 3V, 60 mA : 18.60 € TTC
durée de vie : 50000 H
diamètre spot : 10 mm à 30 m