J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 1

Optoélectronique 2EN  J. Perchoux  (contact : julien.perchoux@n7.fr)

9 séances de cours

6 séances de TD – 1séance de TP

Examen : 2h – Sans documents

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Plan du Cours

I.   Introduction

II.  Éléments de Photométrie et Rayonnement du Corps Noir

III.  Les Fibres Optiques

IV.  Photoélectricité – Diode Électro­Luminescente

V.   Diodes Laser

VI.  Photodétecteurs

VII. Éléments de Télécoms Optiques

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Historique

Effet Photoélectrique :  Découvert : 1887 (Hertz),  Expliqué :1917 (Einstein)

DEL : 1ère réalisation : 60's

Lasers :  Invention : 1958 (Schawlow et Townes) 1ères réalisations : 1960 (cristaux), 1961 (gaz), 1962 (semi­conducteurs), 

1966 (liquides)

Fibre Optique Invention : ancestral 1ère expérience : 1966 (Kao et Hockman) 1ère réalisation : 1977 (à Chicago)

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L'angle solide

Cercle :

Sphère : 

x= . r

A= .r 2

d=2. . sind

dA=2 . r . dx

dA=2. . D2 .sin . d

d=dA

R2

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La Luminance (L)

L=d2 F

cos dAsd

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L'Éclairement (E)

dE=d2 F

dAR

dE=LdA

Scos

Scos

R

d2

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Unités

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Grandeurs Caractéristiques

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Loi de Planck

 = 6,63.10­34 W.s2 : Cte de Planck

 = 1,38.10­23 J.K­1 : constante de Bolzmann

=3.108 m.s­1 : célérité de la lumière

 : température en K

dM ,T

d =

2hc2−5

exp hc

kBT −1

h

kB

c

T

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Loi de Wien

M=

2898

T

dM M

, T

d=1,286.10−5T 5

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Historique Fibre Optique 1960 : 1ère réalisation d'un laser (1962 Diode Laser)

1966 : 1ère expérience de transmission par fibre. Kao & Hockman (qqs cm)

1968 : Découverte de la transparence de la silice pour l'Infra­Rouge

1970 : 1ère production de FO – Atténuation 20 dB/km

1977 : 1er réseau : réseau téléphonique de Chicago

1984 : Atténuation 0,2 dB/km 100 km sans répéteur

Aujourd'hui :  # 80% des communications longues distances => 25.106 km de câbles 

à FO Déploiement massif pour des courtes et moyennes distances (FTTx) Nouvelles applications (Fibres plastiques) : automobile, éclairage 

  

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Loi de Snell­Descartes – Angle limite

n1sin1=n2sin2

Loi de Snell­Descartes

sin2=n1

n2

sin1

Réflexion

Angle limite :

n1

n2

sin11

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Saut d'indice – Gradient d'indice

Saut d'indice

Gradient d'indice

MonomodeØ<quelques µm

nc r =nc 1−2 ra

g

g~2 ,=nc−ng

nc

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Ouverture Numérique (ON)

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Couplage avec une DEL

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Atténuation

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Pertes par épissurage

Pertes par épissurage

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Systèmes d'injection

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Notions de connectique

• PC (Physical Contact): polissage droit.

• APC (Angle Physical Contact): polissage en biais.

• UPC (Ultra Physical Contact): polissage arrondi

Pertes de retour > 30 dB

Pertes de retour > 60 dB

Pertes de retour > 50 dB

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Limitation de la bande passante

Position du problème : transmission de 2 impulsions

Chaque composante chromatique de la lumière est transmise à sa propre vitesse

Étalement des impulsions jusqu'à ce qu'on ne puisse plus les distinguer

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Principe de l'élargissement temporel par la dispersion

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Dispersion chromatique

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Récapitulatif Fibres Télécoms

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Matériaux semi­conducteurs III­V

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Diode ÉlectroLuminescente

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Bilan de pertes dans une DEL

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Absorption dans les matériaux semi­conducteurs

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ZCE et bande passante

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Structure d'une APD

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Évolution du gain d'une APD avec la tension inverse

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Bruits de la photodétection

Problème général de la photodétection

Sources de bruits équivalentes

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Principe du laser

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Cavité Fabry­Pérot

2nL  =  λ

2nL  =   2λ

2nL  =  4λ

2nL  =  k λ

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Double hétérojonction

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Fonctionnement statique d'une diode laser

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Spectre d'une DL Fabry­Pérot

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Réflecteurs de Bragg

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Laser DFB

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Laser DBR

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VCSEL

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Matrice de VCSEL

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Récapitulatif LASER

➔ Capteurs, applications domestiques, datacoms :  VCSEL, Lasers Fabry­Pérot

➔ Télécoms : DFB, DBR

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Structure d'une liaison optique

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EDFA – Inversion de population

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EDFA ­ Structure

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Gain d'un EDFA

Le gain diminue lorsque la puissance du signal à amplifier augmente.

Puissance du signal incident

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WDM, DWDM

WDM : 8nm entre chaque longueur d'ondeDWDM : 2nm entre chaque longueur d'onde

 Wavelength Division Multiplexing (WDM) et le DenseWDM (DWDM)

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Filtrage WDM

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EDFA et WDM

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Interféromètre de Michelson

I PD∝∣E1E 2∣2=2 E 0

2 [1cos12 ]

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Principe du Self­Mixing

F r=F 0[1m cos 2 r⋅2 n Lext] r=0−K⋅sin 2

r2 n Lext

Flux émis : Fréquence optique émise :

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Signaux de self­mixing

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Capteur Twin­Eye de Philips

Application : souris optique