COURS OptoElectronique Département Mesures Physiques - S4 4-5 séances Année universitaire 2016/2017 P. Signoret Enseignant - Chercheur Département Photoniques & Ondes

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

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

Spectre Electromagnétique Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Spectre Electromagnétique “Ondes millimétriques” : 1cm-1mm soit 30 GHz-300GHz “TeraHerz” : 100GHz – 30THz, soit lontain IR Proche IR : 750nm  1,5 microns Moyen IR : 1,5 microns  3 microns Lointain IR : 3 microns  1 mm, soit 100 THz  300 GHz

Spectre Electromagnétique : éléments de comparaison Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Spectre Electromagnétique : éléments de comparaison Imagerie liée au spectre :

Applications des lasers 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 …

Applications des lasers : grand public Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Applications des lasers : grand public Lecteur DVD de salon Affichage / projecteur Lecteur code à barres

Applications des lasers encore : Métrologie, Spectroscopie … Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Applications des lasers encore : Métrologie, Spectroscopie … Vélocimètre LIDAR Métrologie : Lune, Satellites … Environnement : mesure de traces de gaz

Applications des lasers … et des fibres … Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Applications des lasers … et des fibres … Télécommunications spatiales Télécommunications terrestres / sous-marines : fibres passives et fibres actives

Applications des fibres optiques Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Applications des fibres optiques Endoscopie, gastroscopie

Applications des fibres … Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Applications des fibres … BTP – Travaux Publics Capteur de pression, de température …

Applications des détecteurs optiques … Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Applications des détecteurs optiques … Lunettes IR : Visualisation nocturne

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

Définition d’une cavité … divers exemples Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Définition d’une cavité … divers exemples

Milieu à gain et cavité Dl ≈ qq dizaines de nm Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 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

Emission spontanée – émission stimulée Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Emission spontanée – émission stimulée

Absorption - Emission spontanée - Emission stimulée Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Absorption - Emission spontanée - Emission stimulée Niveau Excité Niveau Fondamental

Emission stimulée : quelques dates essentielles Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 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

Notions de pompage optique 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

Notions de pompage optique Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 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.

Notions de pompage optique Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Notions de pompage optique Pompage à 4 niveaux Laser YAG dopé néodyme : YAG Nd3+

Notions de pompage électrique Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Notions de pompage électrique Laser à gaz Un système est dit en équilibre thermodynamique lorsque les grandeurs macroscopiques (pression, température,...) qui le caractérisent, prennent la même valeur quelque soit l'endroit considéré. Ces grandeurs macroscopiques ne varient pas dans le temps, même si au niveau microscopique on peut observer des fluctuations (par exemple la vitesse d'une particule de gaz varie en fonction du temps).

Notions de pompage électrique Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Notions de pompage électrique Diode laser à semi-conducteur I Guide d’onde Émission laser Faisceau elliptique 60°x 30° Faces clivées P N Un système est dit en équilibre thermodynamique lorsque les grandeurs macroscopiques (pression, température,...) qui le caractérisent, prennent la même valeur quelque soit l'endroit considéré. Ces grandeurs macroscopiques ne varient pas dans le temps, même si au niveau microscopique on peut observer des fluctuations (par exemple la vitesse d'une particule de gaz varie en fonction du temps).

Les structures laser Les lasers à colorant Les lasers à gaz Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 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 Un système est dit en équilibre thermodynamique lorsque les grandeurs macroscopiques (pression, température,...) qui le caractérisent, prennent la même valeur quelque soit l'endroit considéré. Ces grandeurs macroscopiques ne varient pas dans le temps, même si au niveau microscopique on peut observer des fluctuations (par exemple la vitesse d'une particule de gaz varie en fonction du temps). 2 Technologies intéressantes Diode www.crystalaser.com YAG Dr A. Laurain - IES – 2007/2010

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

Condition sur le gain P(0) P(L) Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Condition sur le gain P(0) P(L) Après 1 aller : P(L) = P(0). exp{(g-ai).L} Après réflexion : R1.P(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) g ≥ ai + amiroir avec amiroir = (-1/2L) . Ln(R1.R2) En régime stationnaire : g = ai + amiroir

Condition sur les fréquences Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Condition sur les fréquences Traité en TD n°1

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

Rappels optique ondulatoire Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Rappels optique ondulatoire x y z Equation de d’ Alembert (France, 18ème S) équation des cordes vibrantes  3D Equation de propagation d’Helmholtz (Allemagne, 19ème S) Onde plane Onde sphérique r S  Notions de chemin optique et de surface équiphase

Rappels optique ondulatoire : n, l Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 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 l’onde avance moins vite dans le matériau que dans l’air  pendant une période temporelle, la distance parcourue est donc + petite

Solutions de l’équation de propagation Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Solutions de l’équation de propagation Onde sphérique Gaussienne e(x,y,z) fonction d’essai basée sur des observations empiriques : Rayon de courbure Waist mesuré @1/e (champ) ou 1/e2 (intensité) zR délimite 2 zones physiquement bien distinctes : « champ proche » et « champ lointain »

Onde sphérique Gaussienne : propagation 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

Propriétés d’un faisceau Gaussien Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Propriétés d’un faisceau Gaussien Ainsi :

Waist fonction de z Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Waist fonction de z

Propriétés d’un faisceau Gaussien Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Propriétés d’un faisceau Gaussien R(z) = z

Rayon de courbure fonction de z Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Rayon de courbure fonction de z

Propriétés d’un faisceau Gaussien Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Propriétés d’un faisceau Gaussien r désigne ici la coordonnée transverse radiale :

Propriétés d’un faisceau Gaussien : extraits MathCad Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Propriétés d’un faisceau Gaussien : extraits MathCad

Collimation d’un faisceau Gaussien Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Collimation d’un faisceau Gaussien Relation de conjugaison des lentilles minces pour l’optique Gaussienne : 2w1 2w0

Focalisation d’un faisceau Gaussien Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Focalisation d’un faisceau Gaussien 2w2 2w1 2w0

Invariant optique Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Invariant optique

Propriétés d’un faisceau Gaussien réel 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 Application en TP - extraction de M2 à l’aide de 2 lentilles : Ordre de grandeur : M2 ≈ 1.1 - 1.2 pour les diode laser étudiées

Propriétés d’un faisceau Gaussien réel Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Propriétés d’un faisceau Gaussien réel Waist / Distance Distance (m)

Propriétés d’un faisceau Gaussien réel Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Propriétés d’un faisceau Gaussien réel Waist (mm) Distance (cm)

Propriétés d’un faisceau Gaussien réel Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Propriétés d’un faisceau Gaussien réel Distance (m)

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

Approche géométrique de la propagation : fibre optique Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Approche géométrique de la propagation : fibre optique Propagation souhaitée par réflexion totale q : angle d’acceptance ≈ 8° pour fibre télécom Corning

Approche géométrique de la propagation : guide plan Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Approche géométrique de la propagation : guide plan

Notions de mode optique Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Notions de mode optique

Approche ondulatoire de la propagation Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique x y z Approche ondulatoire de la propagation Equation de propagation pour la composante longitudinale du champ : Solutions appelés modes : TEmn / TMmn / TEM / hybrides EH-HE (dans guide circulaire) Définition indice effectif propre à un mode donné : avec k et b constantes de propagation resp. dans le vide et dans le milieu étudié: : condition de guidage d ’un mode : mode radiatif : pas de solution

Approche ondulatoire de la propagation : 1D 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 : Illustration - en champ - pour un guide plan : d

Approche ondulatoire de la propagation : 2D Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 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 Cœur de la fibre : fonction de Bessel de première espèce -fonction oscillante amortie Gaine de la fibre : fonction de Bessel modifiée de première espèce

Notions de mode optique 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 :

Etude des paramètres clés Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Etude des paramètres clés

Comparaison fonction trigo - Gaussienne Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Comparaison fonction trigo - Gaussienne

Confinement dans le cœur Indice effectif 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

Comparaison cos 2(t) et cos 2(2t) – cf next slide : Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Comparaison cos 2(t) et cos 2(2t) – cf next slide : Alors que la période de cos2(x) est p

Effet de la longueur d’onde – autres paramètres fixes : Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Effet de la longueur d’onde – autres paramètres fixes : Ecriture du mode TE0 dans le cœur d’un guide plan : Rappel : Longueur d’onde dans le vide l0 u Hypothèse : neff varie peu Période du cosinus Confinement dans le coeur Indice effectif

Effet de la longueur d’onde – autres paramètres fixes – illustration : Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Effet de la longueur d’onde – autres paramètres fixes – illustration : Longueur d’onde dans le vide l0 Indice effectif

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

Paramètre de fréquence normalisée : Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Paramètre de fréquence normalisée : 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

Paramètre de fréquence normalisée, approche graphique : Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Paramètre de fréquence normalisée, approche graphique :

Constante de propagation normalisée b : Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Constante de propagation normalisée b : La condition de couplage d’un mode s’écrit : 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

NOMBRE de MODES de PROPAGATION Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique QUIZZ : Synthèse de l’influence des différents paramètres PARAMETRES PHYSIQUES NOMBRE de MODES de PROPAGATION n1 n2 2a l0

Mise en évidence dispersion modale 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

Mise en évidence dispersion modale 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 …

Atténuation de la silice Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Atténuation de la silice Intérêt à développer des sources @ 1.55 mm