Institut Fresnel – CNRS – Marseille OPTO-ELECTRONIQUE Composants photoniques et fibres optiques Serge MONNERET Institut Fresnel – CNRS – Marseille serge.monneret@fresnel.fr tel : 04 91 28 80 52

4. Réseaux de communications optiques 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

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

Table périodique des éléments

De l'atome au cristal

Les différentes classes de matériaux typ : 107 e- / m3 dans BC typ : 1028 e- / m3 dans BC

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

création de paires electron-trou

Recombinaison electron-trou

Choix du matériau

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

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

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

Matériaux P et N – niveaux d'énergie

Effets du dopage

jonction P-N

jonction P-N à l'équilibre

jonction P-N

Polarisation des jonctions P-N

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

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

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

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

Applications des jonctions P-N Cellules photovoltaïques Diodes électroluminescentes Photodiodes

SOURCES et DETECTEURS

Structure d ’une diode Extraction de la lumière d ’une diode Spectre d ’une LED

Hétérostructure / guidage de la lumière / émission par la tranche

Diode laser

Diode laser à homojonction

Diode laser à double hétérojonction

Monochromaticité des diodes laser

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

Principe de fonctionnement d'une photodiode Exemple de diodes silicium

choix du matériau

Photodiode PIN

Diode à avalanche

Photomultiplicateur Dispositif extrêmement sensible

Capteur CCD

Prix des composants Fibres optiques, catalogue général électronique 2005 : plastique diam 1 mm, gaine 2.2 mm, indice = 1.492, 150 dB/km @650 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 Laser @ 670 nm (fibres plastiques) 1 mW optique, alimentation pile 3V, 60 mA : 17.60 € TTC 5 mW optique, alimentation pile 3V, 60 mA : 18.60 € TTC durée de vie : 50000 H diamètre spot : 10 mm à 30 m