E 20 – INTRODUCTION A L’OPTOELECTRONIQUE

PROGRAMME

1er jour

9h-9h30               Présentation générale Optoélectronique

Séance 1 :Corps noir, Eléments de photométrie

Outre le rappel des différentes définitions des unités photométriques, on présente les propriétés du corps noir, avec les points de vue du physicien et de l'ingénieur électronicien. La préoccupation est de dimensionner un dispositif photonique par l'établissement d'un bilan de liaison radiométrique.

• Photométrie géométrique, répartition spectrale,
• Absorption, réflexion, diffusion,
• Sources et lois du rayonnement du corps noir, lois de Planck, Wien, Stéfan,
• Photométrie, spectrométrie (définition et méthode).

Séance 2 : Les fibres optiques

Parmi les fibres multimodes, on distingue les fibres à saut d'indice et celles à gradient d'indice. L'ouverture numérique permet de déterminer le rendement de couplage avec une source de lumière divergente. A partir du modèle classique du guide diélectrique planaire, on établi le nombre de modes possibles qui peuvent se propager dans le coeur d'une fibre. On en déduit aussi la condition pour que la fibre soit monomode. Pour établir un bilan de liaison (bande passante et rapport signal sur bruit à la sortie du photorécepteur, ce qui donne le taux d'erreur de bit), on établi la dispersion des temps de propagation par unité de longueur de fibre. Elle est donnée par les contributions de la dispersion modale (pour les fibres multimodes) et de la dispersion chromatique. L'atténuation spectrales est aussi présentée.

Ces propriétés intrinsèques des fibres silice justifient en grande partie les efforts de développement des sources de lumière modulée à des longueurs d'onde précises, en particulier des diodes laser. Les fibres optiques plastiques sont également présentées.

Les propriétés des faisceaux gaussiens sont présentées. Le modèle proposé trouve son utilité pour caractériser une onde qui se propage dans le coeur d'une fibre monomode et pour représenter le comportement spatial de certains faisceaux laser.

• Fibres optiques multimodes à saut d'indice et à gradient d'indice, ouverture numérique, couplage avec une source lambertienne, propagation dans les fibres à gradient d'indice
• Modes dans les fibres, guide planaire diélectrique, fréquence normalisée
• Fibre monomode, propriétés des faisceaux gaussiens

2ème jour

Séance 3 : Diodes électroluminescentes et Diodes Laser

Les DEL permettent d'obtenir "facilement" une lumière quasi monochromatique dans les domaines du proche Infrarouge et de Visible. La longueur d'onde d'émission est donnée par la largeur de la bande interdite (band gap), c'est à dire par la nature du semiconducteur utilisé. Le "band gap" peut être ajusté à partir du tirage de l'alliage des composés III-V qui constituent le cristal semiconducteur. Les principaux matériaux sont passés en revue. Le calcul du rendement de sortie (nombre de photons émis sur nombre d'électron injectés) permet à l'utilisateur de mieux comprendre les différentes structures disponibles, du type à simple homojonction à la structure de type double hétérojonction. Leur analyse de fonctionnement prépare à la présentation des diodes laser.

• Filière d’alliages pour DEL et lasers à semiconducteurs
• Diodes électroluminescentes, rendements, spectre, rendement visuel, diagrammes de rayonnement,

Séance 4 : Les fibres optiques (suite)

• Dispersions intermodales et chromatiques, bande passante
• Atténuations intrinsèques, diffusion de Rayleigh, absorption, fenêtres de transmission
• Fibres optiques plastiques
• Bilan de liaison
• Introduction aux capteurs à fibres

3ème jour

Séance 5 : Diodes Laser monofréquence

Les diodes laser à double hétérojonction (DH) et pouvant fonctionner en continu ("continu wave" ou CW) y sont étudiées. Ces structures sont actuellement les plus courantes car on les retrouve dans les dispositifs de transmission par fibres optiques et dans les dispositifs de lecture/enregistrement de données de type "Compact Disc". Le premier effort des concepteurs a été de réduire l'intensité du courant de polarisation au seuil du laser pour que la température de la jonction PN ne soit pas excessive. Ceci est obtenu au moyen d'une double hétérojonction. Ceci permet d'obtenir le régime d'inversion de population avec un faible intensité du courant de polarisation. Des structures dites à "puits quantiques" permettent encore davantage la réduction du courant du seuil.

Les principales longueurs d'onde d'émission correspondent aux fenêtres autorisées pas les fibres optiques de type télécom et aux applications dans le domaine du visible. Les alliages des matériaux semiconducteurs retenus sont aussi imposés par l'accord de maille cristalline qui existe entre le semiconducteur substrat et celui de la zone active. Les propriétés optiques dépendent fortement de celles du résonateur utilisé (Fabry-Pérot). Ce dernier a pour but de sélectionner un seul mode longitudinal si possible, afin de fournir un faisceau monofréquence.

• Gain optique dans les semiconducteurs
• Performances caractéristiques, puissance, spectre, diagramme de rayonnement, modulation, effets thermiques...)
• Structure de base des diodes laser, double hétérojonction, confinements électrique transverse et latéral,
• Guidage par le gain, par l’indice, confinements optique transverse et latéral, cavité Pérot Fabry,
• Modes longitudinaux.
• Structures avancées, structures à puits quantiques (simples, multiples, contrains),
• Cavités optiques de type DFB, DBR, contrôle du mode longitudinal (émission monofréquence, accordabilité),
• Diodes laser à émission par la surface : VCSELS, matrices,
• Exemples d’intégration de diodes laser dans des systèmes optiques, tête optique fibrée, diode à cavité étendue, microsystèmes optiques.

Séance 6 : Les photorécepteurs

On passe en revue les propriétés des différents types de photorécepteur. On distingue deux classes : les "thermiques" et les les quantiques.

La 1ière catégorie concerne les dispositifs à très large bande spectrale, car la présence du flux lumineux incident ne se manifeste que par une variation locale de la température. On distingue en particulier les bolomètres, les thermopiles et les composants pyroélectriques. Ces derniers, à bas coût, sont souvent mis en œuvre dans les dispositifs d’alarme pour la détection de présence. Ces dispositifs sont cependant beaucoup moins sensibles que les détecteurs quantiques.

Dans la deuxième catégorie, on développe principalement les détecteurs semiconducteurs de type photoconducteurs et à jonction (photodiodes PIN et à avalanche). L'établissement de l'expression du courant photoélectrique de court-circuit permet de mieux définir la structure "idéale" et la réponse spectrale qui lui correspond.

• Détecteurs thermiques : thermoélectriques et pyroélectriques
• Dispositifs photoémissifs : photodiode à vide, tube photomultiplicateur, gain, temps de transit, courant d’obscurité, bruit
• Détecteurs photoconductifs et MSM, bruits, bande passante
• Structures à jonction, Détection idéale, Réponse spectrale et rendement,
• Photodiodes PIN et à Avalanche, Phototransistors, Structures, Schéma équivalent

4ème jour

Séance 7 : Les photorécepteurs, Electronique associée

Les différentes sources de bruit permettent d'évaluer la puissance équivalente de bruit ramenée à l'entrée du composant. Dans les dispositifs photoniques, le circuit de pré-amplification du signal fourni par le photorécepteur est souvent le point faible de la chaîne. En effet, le circuit résultant doit répondre à un certain nombre de contraintes qui sont souvent contradictoires à satisfaire. C'est le cas, par exemple, du convertisseur courant-tension ou circuit transimpédance

• Bruits dans les photorécepteurs
• Principe de la détection cohérente
• Amplificateur de tension et transimpédance, bande passante et rapport signal sur bruit