COURS OptoElectronique Département Mesures Physiques - S4 4-5 séances Année universitaire 2016/2017 Département Photoniques & Ondes Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier P. Signoret Enseignant - Chercheur IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 Plan du Cours Introduction : Contexte de l’OptoElectronique – Cours #1 + Vidéo 1) Le LASER : 1917 – 1960 – 2010 1.1 Briques de base d’un émetteur laser – Cours #2 1.2 Conditions sur la cavité – Cours #2 1.3 Notions de faisceaux Gaussiens - Propagation – Transformation – Cours #3 2) Les Guides d’onde Optique – Cours #4 2.1 Fibre optique passive 2.2 Réseau de Bragg et applications capteurs 2.3 Notions de fibre optique active 3) Détection Optique 3.1 Matériaux semi-conducteurs et photodétection 3.2 Instruments de l’OptoElectronique Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 2 Plan du Cours Introduction : Contexte de l’OptoElectronique 1) Le LASER : 1917 – 1960 – 2010 1.1 Briques de base d’un émetteur laser 1.2 Conditions sur la cavité 1.3 Notions de faisceaux Gaussiens - Propagation - Transformation 2) Les Guides d’onde Optique 2.1 Fibre optique passive 2.2 Réseau de Bragg et applications capteurs 2.3 Notions de fibre optique active 3) Détection Optique 3.1 Matériaux semi-conducteurs et photodétection 3.2 Instruments de l’OptoElectronique Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 3 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Spectre Electromagnétique Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 4 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Spectre Electromagnétique : éléments de comparaison Imagerie liée au spectre : Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 5 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Applications des lasers Applications industrielles : Découpe de matériaux Nettoyage de surfaces Médecine : Traitement dentaire, Chirurgie, Dermatologie … Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 6 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Applications des lasers : grand public Affichage / projecteur Lecteur DVD de salon Lecteur code à barres Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 7 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Applications des lasers encore : Métrologie, Spectroscopie … Métrologie : Lune, Satellites … Vélocimètre LIDAR Environnement : mesure de traces de gaz Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 8 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Applications des lasers … et des fibres … Télécommunications spatiales Télécommunications terrestres / sous-marines : fibres passives et fibres actives Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 9 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Applications des fibres optiques Endoscopie, gastroscopie Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 10 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Applications des fibres … BTP – Travaux Publics Capteur de pression, de température … Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 11 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Applications des détecteurs optiques … Lunettes IR : Visualisation nocturne Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 12 Plan du Cours Introduction : Contexte de l’OptoElectronique 1) Le LASER : 1917 – 1960 – 2010 1.1 Briques de base d’un émetteur laser 1.2 Conditions sur la cavité 1.3 Notions de faisceaux Gaussiens - Propagation - Transformation 2) Les Guides d’onde Optique 2.1 Fibre optique passive 2.2 Réseau de Bragg et applications capteurs 2.3 Notions de fibre optique active 3) Détection Optique 3.1 Matériaux semi-conducteurs et photodétection 3.2 Instruments de l’OptoElectronique Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 13 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Définition d’une cavité … divers exemples Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 14 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Milieu à gain et cavité Dl ≈ qq dizaines de nm plage dans laquelle le matériau est susceptible d’émettre de la lumière Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 15 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Emission spontanée – émission stimulée Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 16 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Absorption - Emission spontanée - Emission stimulée Niveau Excité Niveau Fondamental Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 17 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Emission stimulée : quelques dates essentielles 1917 - Allemagne : A. Einstein Mise en évidence théorique du principe d’émission stimulée Prix Nobel Physique 1921 - Effet photoélectrique ≈ 1950 - FR : A. Kastler* et J. Brossel Principe de l’inversion de population des atomes Pompage optique *Prix Nobel Physique 1966 1954 - USA : C. Townes Amplification d’un rayonnement électromagnétique 1er MASER : Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiations Prix Nobel Physique 1964 1960… - USA : T. Maiman 1er LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations 1er laser solide rubis excité par lampe flash // 1961 : 1er laser à gaz He-Ne Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 18 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Notions de pompage optique Pompage à 3 niveaux (en fait ici 2 systèmes à 3 niveaux) Exemple du laser à rubis - 1960 Extrait d’un cours UCC Ireland Remarque : on peut montrer par le calcul que si le milieu actif d’un laser comprenait seulement 2 niveaux, l’inversion de population serait impossible à réaliser par pompage optique Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 19 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Notions de pompage optique Pompage à 4 niveaux Exemple le plus connu : néodyme YAG Nd3+ : Y3Al5O12 Avantage : le niveau bas E1 de la transition laser est très faiblement peuplé à l'équilibre thermodynamique. Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 20 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Notions de pompage optique Pompage à 4 niveaux Laser YAG dopé néodyme : YAG Nd3+ Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 21 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Notions de pompage électrique Laser à gaz Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 22 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Notions de pompage électrique Diode laser à semi-conducteur Faces clivées I Émission laser Guide d’onde P Faisceau elliptique 60°x 30° N Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 23 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Les structures laser Les lasers à colorant Les lasers à gaz Pas de flexibilité de l Durée de vie/fiabilité Encombrants Argon rhodamine 6G Les lasers à semiconducteur Les lasers solides : cristal ou fibre 2 Technologies intéressantes Diode YAG www.crystalaser.com Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier Dr A. Laurain - IES – 2007/2010 IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 24 Plan du Cours Introduction : Contexte de l’OptoElectronique 1) Le LASER : 1917 – 1960 – 2010 1.1 Briques de base d’un émetteur laser 1.2 Conditions sur la cavité 1.3 Notions de faisceaux Gaussiens - Propagation - Transformation 2) Les Guides d’onde Optique 2.1 Fibre optique passive 2.2 Réseau de Bragg et applications capteurs 2.3 Notions de fibre optique active 3) Détection Optique 3.1 Matériaux semi-conducteurs et photodétection 3.2 Instruments de l’OptoElectronique Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 25 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Condition sur le gain P(L) P(0) Après réflexion : R1.P(L) Après 1 aller : P(L) = P(0). exp{(g-ai).L} Après le retour: R1.P(L). exp{(g-ai).L} Après 2ème réflexion: R2.R1.P(L). exp(g-ai).L = R1.R2.P(0). exp2(g-ai).L Démarrage effet laser si : R1.R2.P(0). exp2(g-ai).L ≥ P(0) soit : exp{2(g-ai).L} ≥ 1/(R1.R2) En régime stationnaire : g ≥ ai + amiroir avec amiroir = (-1/2L) . Ln(R1.R2) g = ai + amiroir Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 26 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Condition sur les fréquences Traité en TD n°1 Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 27 Plan du Cours Introduction : Contexte de l’OptoElectronique 1) Le LASER : 1917 – 1960 – 2010 1.1 Briques de base d’un émetteur laser 1.2 Conditions sur la cavité 1.3 Notions de faisceaux Gaussiens - Propagation - Transformation 2) Les Guides d’onde Optique 2.1 Fibre optique passive 2.2 Réseau de Bragg et applications capteurs 2.3 Notions de fibre optique active 3) Détection Optique 3.1 Matériaux semi-conducteurs et photodétection 3.2 Instruments de l’OptoElectronique Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 28 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER Rappels optique ondulatoire Equation de d’ Alembert (France, 18ème S) équation des cordes vibrantes 3D 3. Détection Optique x 1 2E DE = 2 2 v t Equation de propagation d’Helmholtz (Allemagne, 19ème S) k y DE ( x, y, z ) k 2 E ( x, y, z ) = 0 z k = ω/v E(x, y, z) = ε exp( ikz) Onde plane Onde sphérique ε E(x, y, z) = exp( ikz) r r= x y z 2 2 r 2 S Notions de chemin optique et de surface équiphase Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 29 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Rappels optique ondulatoire : n, l Traversée d’un matériau d’indice de réfraction n : n paramètre temporel donc inchangé ; par contre l période spatiale modifiée l0 = c n lmatériau = v n = l0 n l’onde avance moins vite dans le matériau que dans l’air pendant une période temporelle, la distance parcourue est donc + petite k= 2 l = 2 n= v v v : vitesse de l' onde n : fréquence de l' onde Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 30 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Solutions de l’équation de propagation Onde sphérique Gaussienne E(x, y, z) = ε(x, y, z) . exp( ikz) e(x,y,z) fonction d’essai basée sur des observations empiriques : e ( x, y, z) = f r, A( z), R( z), w( z) z R 2 R(z) = z 1 z Rayon de courbure 2 z w(z) = w0 1 zR Waist mesuré @1/e (champ) ou 1/e2 (intensité) zR délimite 2 zones physiquement bien distinctes : « champ proche » et « champ lointain » Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 31 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Onde sphérique Gaussienne : propagation w(z) w0=w(0) Axe longitudinal : z R(z) Axes transverses : x ou y Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 32 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Propriétés d’un faisceau Gaussien z w(z) = w0 1 zR 2 w(z) = w0 quand z = 0 z w(z) w0 quand z zR Ainsi : tg w0 l l = w0 = zR w02 w0 Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 33 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER Waist fonction de z 3. Détection Optique 2 z z w(z) = w0 1 w0 quand z zR zR w(z)/w0 3,0 2,5 2,0 w( z ) z 1,5 2 1,0 0,5 z/zR 0,0 -3 -2 -1 0 1 2 3 Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 34 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Propriétés d’un faisceau Gaussien 2 z z R2 R R(z) = z 1 = z quand z 0 z z R(z) z quand z onde sphérique R(z) = z Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 35 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Rayon de courbure fonction de z 2 zR R(z) = z 1 z quand z z R(z) 2 zR R(z) = z z/zR -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 36 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Propriétés d’un faisceau Gaussien 2r2 2 x2 x2 = I 0 . exp I (r , z ) = I 0 . exp 2 = I 0 . exp 2 2 w ( z) 4 2 r désigne ici la coordonnée transverse radiale : r = x2 y2 w = 2 Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 37 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Propriétés d’un faisceau Gaussien : extraits MathCad Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 38 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Collimation d’un faisceau Gaussien Relation de conjugaison des lentilles minces pour l’optique Gaussienne : 2w1 lf w1 = w0 2w0 Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 39 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Focalisation d’un faisceau Gaussien 2w1 2w0 2w2 l f1 w1 = w0 w2 f 2 = l f 2 w0 f1 w2 = w1 Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 40 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Invariant optique 0 l w0 1 l 2 w1 INVARIANT OPTIQUE : i wi = l w2 l Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 41 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Propriétés d’un faisceau Gaussien réel Faisceau réel : l l.M2, où M2 désigne le facteur de qualité du faisceau 2 z w(z) = wi 1 = wi zR lM2 z 1 2 wi 2 Application en TP - extraction de M2 à l’aide de 2 lentilles : 2 w( z ) lM2 1 = z 2 wi wi Ordre de grandeur : M2 ≈ 1.1 - 1.2 pour les diode laser étudiées Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 42 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Propriétés d’un faisceau Gaussien réel 0.004 Waist / Distance 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005 0 0 0.5 1 1.5 Distance (m) Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 43 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Propriétés d’un faisceau Gaussien réel 1000.00 900.00 Waist (mm) 800.00 700.00 600.00 500.00 400.00 300.00 200.00 100.00 0.00 0 20 Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier 40 60 80 100 120 140 160 Distance (cm) IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 44 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Propriétés d’un faisceau Gaussien réel Focalisation d'un faisceau Gaussien 140 waste w (m) 120 100 80 pratique 60 théorique 40 20 0 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 Distance de mesure z (m) Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 45 Plan du Cours Introduction : Contexte de l’OptoElectronique 1) Le LASER : 1917 – 1960 – 2010 1.1 Briques de base d’un émetteur laser 1.2 Conditions sur la cavité 1.3 Notions de faisceaux Gaussiens - Propagation - Transformation 2) Les Guides d’onde Optique 2.1 Fibre optique passive 2.2 Réseau de Bragg et applications capteurs 2.3 Notions de fibre optique active 3) Détection Optique 3.1 Matériaux semi-conducteurs et photodétection 3.2 Instruments de l’OptoElectronique Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 46 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Approche géométrique de la propagation : fibre optique Propagation souhaitée par réflexion totale nc ng : angle d’acceptance ≈ 8° pour fibre télécom Corning Ouverture numérique : ON = n0 sin = nc2 ng2 Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 47 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Approche géométrique de la propagation : guide plan Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 48 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Notions de mode optique Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 49 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique x Approche ondulatoire de la propagation k Equation de propagation pour la composante longitudinale du champ : DAz ( x, y, z ) (k n ) Az ( x, y, z ) = 0 2 0 i 2 z y Az : Ez ou H z Solutions appelés modes : TEmn / TMmn / TEM / hybrides EH-HE (dans guide circulaire) Définition indice effectif propre à un mode donné : neff = avec k et constantes de propagation resp. dans le vide et dans le milieu étudié: nG neff nC neff nG neff nC : condition de guidage d ’un mode k0 2 k = 0 c = l 0 = 2 lmatériau : mode radiatif : pas de solution Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 50 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Approche ondulatoire de la propagation : 1D Solutions d’une équation différentielle du 2nd degré à coeff. constants : d x E z ( x) = A cos(a x) B sin( a x) a 2 d x E z ( x) = D exp( x) 2 d x E z ( x) = C exp( x) 2 Illustration - en champ - pour un guide plan : d Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 51 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Approche ondulatoire de la propagation : 2D Solutions d’une équation différentielle du 2nd degré à coeff. non constants : R(r) composante radiale du champ : Fonctions de Bessel r R(r ) = J u a Cœur de la fibre : fonction de Bessel de première espèce -fonction oscillante amortie r = x2 y2 r R(r ) = K q a Gaine de la fibre : fonction de Bessel modifiée de première espèce Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 52 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Notions de mode optique Profil transverse des modes, en intensité, pour une fibre optique : Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 53 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Etude des paramètres clés Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 54 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Comparaison fonction trigo - Gaussienne Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 55 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Effet de la largeur du guide – autres paramètres fixes – illustration : Rayon de cœur a Confinement dans le cœur Indice effectif Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 56 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Comparaison cos 2(t) et cos 2(2t) – cf next slide : cos 2 2x = cos 2 2.( x T) = cos( 2x ) cos( 2T) sin( 2x ) sin( 2T) 2 cos 2 2T = 1 cos2T = 1 T = / 2 Alors que la période de cos2(x) est Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 57 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Effet de la longueur d’onde – autres paramètres fixes : Ecriture du mode TE0 dans le cœur d’un guide plan : 2 A cos(ux ) avec u = n12 k 02 2 = k 0 n12 n eff Rappel : = n eff .k 0 Longueur d’onde dans le vide l0 Période du cosinus u Hypothèse : neff varie peu Confinement dans le coeur Indice effectif Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 58 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Effet de la longueur d’onde – autres paramètres fixes – illustration : Longueur d’onde dans le vide l0 Indice effectif Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 59 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Les 3 paramètres clés V paramètre de fréquence spatiale normalisée : caractérise la capacité d’un guide à propager différents modes Choix de la longueur d’onde, du matériau et de la géométrie du guide Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 60 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Paramètre de fréquence normalisée : 2a V= n12 n 22 l ON = n12 n 22 cf TD2 Réseau de courbes précédent fonctionnement monomode si V < 2,405 Application numérique avec fibre Corning SMF28 : ON = 0,14 l = 1,55 μm 2a < 8,5 μm Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 61 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique Paramètre de fréquence normalisée, approche graphique : V1 = 2 V2 = 5 V3 = 10 6 V1 2 2 V2 2 2 V3 2 2 u tan( u) 2 4 u 2 2 u 2 0 u 2 u tan( u) 4 6 0 1 2 3 4 5 6 7 u Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 62 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Constante de propagation normalisée b : 2 n eff n 22 b= 2 n1 n 22 La condition de couplage d’un mode s’écrit : 0 b 1 Ainsi un mode est guidé si sa constante b est comprise entre 0 et 1 ; la valeur b=0 correspond à la fréquence de coupure de ce mode. Travail sur réseau de courbes neff(V) et b(V) : cf TD2 Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 63 Contexte 2. Guides d’Onde Optique 1. LASER 3. Détection Optique QUIZZ : Synthèse de l’influence des différents paramètres PARAMETRES PHYSIQUES NOMBRE de MODES de PROPAGATION n1 n2 2a l0 Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 64 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Mise en évidence dispersion modale Fibre à saut d’indice : monomode : réseaux mondiaux multimode : réseaux locaux LAN Fibre monomode : propagation en ligne droite - Portée : 100km - Débit : 100 Gbits/s Fibre multimode : propagation en dents de scie - Portée : 2km - Débit : 100 Mbit/s Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Mise en évidence dispersion modale Fibre à gradient d’indice Fibre multimode à gradient d’indice : Portée : 2km - Débit : 1 Gbits/s suite … Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 66 Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Atténuation de la silice Intérêt à développer des sources @ 1.55 mm Institut d’Electronique et des Systèmes Université Montpellier IUT Mesures Physiques – Année Universitaire 2016/2017 67