Sources de rayonnement 1ère partie: LEDs

Diodes électro-luminescentes (LEDs) Principe inverse de la photo-diode polarisation dans le sens passant Tension extérieure passage des porteurs majoritaires vers l’autre région injection de porteurs minoritaires

Recombinaison Près de la jonction Recombinaison Transition concentration de porteurs majoritaires (existants) minoritaires (injectés) Recombinaison passage d’un e- du bas de la BC au haut de la BV Transition non-radiative: chaleur radiative: émission d’un photon

Transition radiative ou non ? Gap direct photon: pas de quantité de mouvement transition radiative préféré pour LEDs Gap indirect transfert de nécessaire transition non-radiative (chaleur) passage par niveau d’une impureté

Largeur de bande interdite Longueur d’onde Semiconducteurs ternaires / quaternaires GaAs1-xPx (IR / visible) AlInGaP (visible) In1-xGaxAs1-yPy (l = 0,9 … 1,7 µm)

Largeur spectrale Agitation thermique Energie des photons

Rendement Rendement quantique interne Rendement externe nombre de photons par recombinaison très bon dans les sc III-V Rendement externe nombre de photons par e- injecté limité par absorbtion dans le matériau couche p très mince réfraction

Emission des photons Réfraction Couplage avec la fibre optique indice du sc III-V: 3,5 indice de l’air: 1 réflexion totale pour i > iC = 17° 98% réfléchi ! Couplage avec la fibre optique émission proportionnelle à NA fibre relativement faible ex. NA = 0,24  rmax  14° perte  12,5 dB (94%)

LED optimisée (Burrus) Zone active réduite contact métallique émission très localisée Adaptation des indices résine transparente n intermédiaire entre GaAs et fibre optique Structure multicouche optimise le rendement quantique interne

Temps de réponse Tr, Tf Signalisation Télécom fonction de la capacité de la jonction taille Signalisation typ. µs Télécom qques ns … qques dizaines de ns

Sources de rayonnement 2ème partie: Lasers

Emission spontanée Niveaux d’énergie . . . . . Equilibre thermique absorption d’un photon hn12 = (E2-E1) E2  E1 émission spontanée hn12 = (E2-E1) Equilibre thermique . . . . . . . . . . . E2 E1 n2 n1 Absorption Emission

Emission stimulée Passage de E2  E1 Taux d’émission proportionnel stimulé par photon hn = (E2-E1) onde de même fréquence même phase que l’onde incidente Taux d’émission proportionnel à n2 à densité de photons r(n12)

Taux de transitions A21, B12 et B21: coefficients d’Einstein B12 = B21

Emission stimulée dominante Emission spontanée grande densité de photons r(n12) Absorbtion n2 > n1 : inversion de population

LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Dispositif qui procure grande densité de photons r(n12) inversion de population NOVA (1984) Lawrence Livermore National Laboratory 2×1014 W / 1 ns

Augmentation de la densité de hn Cavité résonante 2 miroirs semi-transparents Allers-retours création de nouveaux hn interférences constructives ondes en phase après 1 A/R

Inversion de population Jonction p-n (polarisée sens passant) injections d’e- dans la BC injection de trous dans la BV Situation de non-équilibre inversion de population localisée autour de la jonction zone active du laser

Etablissement du courant dans la jonction Courant de seuil d’abord émission spontanée puis inversion de population et émission stimulée Spectre sous le seuil spectre large (= LED) au-dessus 1 mode domine satisfait à

Laser à hétérojonction Diminution du courant de seuil réduction de la dissipation augmentation de puissance moyen: augmenter la densité locale de charges Construction couche de p-GaAs entre n-AlGaAs et p-AlGaAs

Laser à hétérojonction Confinement des porteurs gap GaAs < gap AlGaAs e- bloqués dans le GaAs par barrière de potentiel idem pour les trous augmentation de densité Confinement des photons par un effet de guide d’ondes indice GaAs > indice AlGaAs Variantes GaxIn1-xAs1-yPy : pour l = 1,1 … 1,55 µm

Construction Croissance des couches sur un substrat Clivage du substrat facettes réfléchissantes longueur de cavité: ~ mm Emission par la tranche section elliptique, perpendiculaire aux couches « far field »

Laser à cavité verticale (VCSEL) Miroirs parallèles au substrat structure multicouche diffractive (DBR) Longueur de cavité ~ 1 µm 1 seul mode possible laser monomode Emission par la surface section circulaire étroite

Avantages / inconvénients Diode Laser VCSEL Coût de fabrication élevé bas Puissance élevée basse Bande passante 2 GHz 6 GHz Couplage moyen bon Test complexe aisé Possibilités d’intégration non oui