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OPTO-ELECTRONIQUE Composants photoniques et fibres optiques Serge MONNERET Institut Fresnel – CNRS – Marseille tel : 04 91 28.

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1 OPTO-ELECTRONIQUE Composants photoniques et fibres optiques Serge MONNERET Institut Fresnel – CNRS – Marseille tel :

2 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

3 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,.. m l : nbre quantique magnétique : 0, ±1, ± 2, …, ± l s : nbre quantique de spin (moment cinétique propre) : + ½ et – ½

4 Table périodique des éléments

5 De l'atome au cristal

6 Les différentes classes de matériaux typ : 10 7 e - / m 3 dans BC typ : e - / m 3 dans BC

7 Porteurs de charges dans un semi-conducteur Porteurs de charges : électrons, mais aussi trous !

8 création de paires electron-trou

9 Recombinaison electron-trou

10 Choix du matériau

11 Excès d’électronsDéfaut d’électrons Dopage du silicium Arsenic, phosphore Bore, gallium

12 dopage N T° ambiante : tous les électrons issus du dopant sont dans la bande de conduction : électrons libres

13 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

14 Matériaux P et N – niveaux d'énergie

15 Effets du dopage

16 jonction P-N

17 jonction P-N à l'équilibre

18 jonction P-N

19 Polarisation des jonctions P-N

20 Polarisation directe barrière de potentiel abaissée on favorise la diffusion naturelle des porteurs courant direct = courant de diffusion des porteurs majoritaires

21 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

22 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

23 Caractéristique courant - tension courant de fuite courant d'obscurité Avalanche Claquage Tension seuil Vb

24

25 Applications des jonctions P-N Cellules photovoltaïques Diodes électroluminescentes Photodiodes

26 SOURCES et DETECTEURS

27 Structure d ’une diodeExtraction de la lumière d ’une diode Spectre d ’une LED

28 Hétérostructure / guidage de la lumière / émission par la tranche

29

30

31 Diode laser

32 Diode laser à homojonction

33 Diode laser à double hétérojonction

34 Monochromaticité des diodes laser

35 Création des paires électron/trou dans une jonction PN polarisée en inverse La photoconduction

36 Principe de fonctionnement d'une photodiode Exemple de diodes silicium

37 choix du matériau

38 Photodiode PIN

39 Diode à avalanche

40 Photomultiplicateur Dispositif extrêmement sensible

41 Capteur CCD

42 Prix des composants Fibres optiques, catalogue général électronique 2005 : plastique diam 1 mm, gaine 2.2 mm, indice = 1.492, 150 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 670 nm (fibres plastiques) 1 mW optique, alimentation pile 3V, 60 mA : € TTC 5 mW optique, alimentation pile 3V, 60 mA : € TTC durée de vie : H diamètre spot : 10 mm à 30 m


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