TECHNOLOGIES OPTO-ELECTRONIQUES Cours électif S8, 2012-2013 Pierre LECOY, Professeur ECP

APPLICATIONS DIVERSES Structures à bande interdite photonique Emission et détection de lumière Afficheurs (LCD, plasma, OLEDs … ) Eclairage et visualisation Cellules photovoltaïques Pierre LECOY, Professeur ECP

Structures optiques à bande interdite photonique APPLICATIONS Structures optiques à bande interdite photonique Pierre LECOY Pierre LECOY, Professeur ECP

Pierre LECOY - Optoélectronique CRISTAUX PHOTONIQUES ou : matériaux à bande interdite photonique (photonic bandgap) Concept : analogie entre … Un cristal semi-conducteur Une structure diélectrique périodique Les électrons Les photons L’équation de Schrödinger L’équation de propagation (scalaire) Les niveaux d’énergie Les modes de propagation La bande interdite Certaines fréquences ne pouvant pas se propager Un puits de potentiel Un guide d’ondes plan Les défauts (dopants) Le guidage dans une zone de rupture de la périodicité Pierre LECOY - Optoélectronique

CRISTAUX PHOTONIQUES ou : matériaux à bande interdite photonique (photonic bandgap) Réalisation : 1D  miroir de Bragg (empilement de couches diélectriques) 2D  guides et fibres « photoniques » 3D  structure « tas de bois » (Yablonovite) Surtout réalisé en micro-ondes Pierre LECOY - Optoélectronique

CRISTAUX PHOTONIQUES k (composante du vecteur d’onde) calculé en fonction de w par résolution de l’équation de propagation Représentation des bandes d’énergie dans un cristal périodique infini (de période L) : w.L/2pc L.k/2p 1 -0,5 +0,5 0,5 Exemple : miroir de Bragg (1D) Bandes interdites photoniques : la lumière ne peut pas se propager dans la structure, elle est réfléchie Proportionnel à l’énergie du photon dw/dk  0 : la lumière est ralentie Une période du réseau réciproque Pierre LECOY - Optoélectronique

CRISTAUX PHOTONIQUES Représentation des bandes d’énergie dans un cristal périodique infini : 2ème exemple : réseau hexagonal (2D) composantes de k calculées (par modélisation numérique) selon les 2 axes principaux de symétrie du cristal réciproque Bande interdite complète: la lumière ne peut se propager dans aucune direction Pierre LECOY - Optoélectronique

CRISTAUX PHOTONIQUES composantes de k calculées (par modélisation numérique) selon les axes de symétrie du cristal réciproque Représentation des bandes d’énergie dans un cristal périodique infini : Exemple plus complexe : Yablonovite (3D) Bande interdite complète: la lumière ne peut se propager dans aucune direction, elle est prisonnière « la lumière en cage » (J.M. Lourtioz) Pierre LECOY - Optoélectronique

GUIDES D’ONDES « PHOTONIQUES » Guides dans un cristal photonique 2D : réalisés par une rupture de la périodicité (absence de trous) équivalent à un défaut du cristal, d’où un niveau autorisé dans la bande interdite, pour une seule direction de propagation La lumière se propage dans le guide ainsi créé Peut coexister avec le guidage réfractif (ex. guide sur membrane : fort confinement vertical) possibilité de couplage vertical avec d’autres guides (structures 2,5 D) Pierre LECOY - Optoélectronique

GUIDES D’ONDES « PHOTONIQUES » Applications en optique intégrée : - Possibilité de courbures brutales - Ralentissement de la lumière  réduction de la taille des circuits Coupleurs, cavités résonnantes, micro-lasers, commutateurs … Doc. Université de Kiel Doc. St Andrews University Pierre LECOY - Optoélectronique

FIBRES « PHOTONIQUES » PCF, Photonic Crystal Fibers Fibres optiques micro-structurées, se comportant comme un cristal photonique 2D la lumière se propage parallèlement aux trous Cœur, où est guidée la lumière Gaine microstructurée (indice effectif beaucoup plus faible) Mesure et simulation du champ (XLIM, Université de Limoges) Pierre LECOY - Optoélectronique

FIBRES « PHOTONIQUES » PCF, Photonic Crystal Fibers Fabrication : étirage d’une préforme faite d’assemblage de tubes creux étirage (procédé classique) tubes préforme Pierre LECOY - Optoélectronique

FIBRES « PHOTONIQUES » PCF, Photonic Crystal Fibers Avantages et applications : fibres monomodes à toutes les longueurs d’onde (applications en instrumentation) fibres à très forte dispersion chromatique négative fibres amplificatrices (dopées) fibres à forte biréfringence http://www.mrc.utexas.edu/Chen/optic-inter/yongqiang.htm doc. University of Strathclyde Pierre LECOY - Optoélectronique

FIBRES « PHOTONIQUES » PCF, Photonic Crystal Fibers Avantages et applications (suite) : Effets non-linéaires réduits, fortes puissances transmises fibres à grand diamètre de mode ou au contraire fibres à très faible diamètre de mode fibres à « barrière » micro-structurée dans la gaine doc. Newport Effets non-linéaires élevés Empêche les pertes sous courbures (norme G657 pour le FTTH) Difficultés : raccordements atténuation plus élevée exigent une haute précision Pierre LECOY - Optoélectronique

FIBRES « PHOTONIQUES » CREUSES Hollow core Fibers Fibres optiques microstructurées dont le cœur est creux (air, gaz, ou même vide … ) Champ dans la fibre Guidage par bande interdite à certaines longueurs d’ondes doc. Université de Bath Pas d’absorption ni d’effets non-linéaires  possibilité de très fortes puissances ou de longueurs d’ondes inhabituelles (ex. lasers CO2 à 10,6 µm) Possibilité de transporter dans le cœur un fluide (gaz, cristal liquide … ) ou des nano-objets Pas de réflexion de Fresnel aux extrémités Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY, Professeur ECP APPLICATIONS Emission de lumière Caractérisation lumière/couleur Pierre LECOY, Professeur ECP

EMISSION DE LUMIERE Par effet thermique : rayonnement du corps noir Matériau idéal, totalement absorbant visible Spectre d’émission en fonction de la température : se décale vers les courtes longueurs d’onde ne dépend pas du matériau apparaît blanc vers 4000 à 5000 °K  lampes à incandescence Voir http://hypo.ge-dip.etat-ge.ch/www/physic/simulations/corpsnoir/corpsnoir.html Pierre LECOY - Optoélectronique

EMISSION DE LUMIERE 2. Par effets de luminescence : « lumière froide » = émission d’énergie lumineuse après une excitation électroluminescence décharge électrique, faisceau d’électrons, courant dans un semi conducteur … photoluminescence chimioluminescence …. Spectre relativement étroit (lumière colorée) Applications … peut se poursuivre plus ou moins longtemps après l’excitation (fluorescence ou phosphorescence ) rapide lente Pierre LECOY - Optoélectronique

NOTIONS DE PHOTOMETRIE Caractérisation de la source de lumière : Grandeurs énergétiques … … et visuelles Flux = puissance totale émise en watts (W) Intensité = puissance émise par unité d’angle solide, en watts par stéradian (W/st) Luminance = puissance émise par unité d’angle solide et de surface de la source en W/st/m2 Lumen (lm) 1 W  683 lm à 555 nm Candela (lm/st) Candela/m2 pondéré par la sensibilité de l’œil coefficient dépendant de la couleur, et du type de vision (diurne ou nocturne)  environ 250 lm/W en lumière blanche Pierre LECOY - Optoélectronique

NOTIONS DE PHOTOMETRIE (nm) Sensibilité de l’œil Ultraviolet Infrarouge Bleu Cyan Vert Jaune Rouge orange Pierre LECOY - Optoélectronique

NOTIONS DE PHOTOMETRIE Caractérisation de la surface éclairée : Grandeurs énergétiques … … et visuelles éclairement = puissance reçue par unité de surface éclairée en W/m2 Lux (lm/m2) pondéré par la sensibilité de l’œil typ. 1 kW/m2 ciel nocturne 0,0003 pleine Lune 0,2 lampe de 75 W à 4 m 10 lampe de 75 W à 2 m 40 éclairage public 50 éclairage artificiel correct 100 très bon éclairage artificiel 500 extérieur, temps nuageux 15 000 rue par temps clair 25 000 plein Soleil, en été, à midi 100 000 Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique ANALYSE DE LA COULEUR Décomposition en 3 couleurs primaires RVB (RGB) Bleu blue Rouge red Vert green Pierre LECOY - Optoélectronique

SYNTHESE ADDITIVE Rouge Vert Bleu Blanc Jaune Cyan Magenta écrans TV/informatique, afficheurs Pierre LECOY - Optoélectronique

SYNTHESE SOUSTRACTIVE Cyan Magenta Bleu Jaune Vert Rouge Noir imprimantes Pierre LECOY - Optoélectronique

DIAGRAMME DES COULEURS Y X Coordonnées CIE V B R Couleurs primaires NTSC ligne des pourpres couleurs monochromatiques coefficients trichromatiques : r = R/E ; v = V/E ; b = B/E avec : r + v + b = 1 = coordonnées barycentriques du point dans le triangle R, V, B Pierre LECOY - Optoélectronique

(dit aussi YC = luminance/ Système YUV (dit aussi YC = luminance/ chrominance) Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY, Professeur ECP APPLICATIONS Afficheurs LCD, plasma, OLEDs … (displays) Pierre LECOY, Professeur ECP

ECRANS A CRISTAUX LIQUIDES LCD, liquid crystal display fonctionnement : point transparent ou opaque en réflexion (avec miroir arrière : montres … ) ou en transmission (avec éclairage arrière, ou dans les vidéoprojecteurs) Électrodes transparentes Polariseurs croisés lumière Principe : V = 0 cristal liquide nématique en hélice (twisted nematic)‏ fait tourner la polarisation  point transparent Pierre LECOY - Optoélectronique

ECRANS A CRISTAUX LIQUIDES LCD, liquid crystal display fonctionnement : point transparent ou opaque en réflexion (avec miroir arrière : montres … )‏ ou en transmission (avec éclairage arrière, ou dans les vidéoprojecteurs)‏ Électrodes transparentes Polariseurs croisés lumière Signe alterné à chaque trame (pour éviter la dégradation du cristal liquide)‏ Principe : V non nulle (typ. 12 à 24 V)‏ cristal liquide aligné ou dispositif inverse (polariseurs parallèles)‏ ne change pas la polarisation  point opaque Pierre LECOY - Optoélectronique

ECRANS A CRISTAUX LIQUIDES Inconvénients classiques : assez lents, niveaux intermédiaires limités, angle de vue limité, mauvais contraste si forte lumière ambiante, coût élevé des écrans de grandes surfaces Correspond aux applications « bas coût » (petits afficheurs) TFT, Thin Film Transistor Progrès : - technologie des matrices actives (intégration d'un transistor MOS avec chaque pixel) - écrans couleurs avec films minces R,V,B - contrôle des niveaux de gris / couleurs par modulation en largeur d’impulsion du signal de commande Surtout due au rétro-éclairage (fluorescent, plus récemment LED) Avantages : faible poids, faible consommation luminosité : 300 à 500 cd/m2 Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique ECRANS A PLASMA Principe (PDP, Plasma Display Panels) : utilisent une décharge dans un gaz ionisé (mélange de gaz rares) émission de lumière UV, convertie en couleurs RVB par des luminophores Avantages : forte luminosité >1000 cd/m2 angle de vue 180° contraste élevé grandes surfaces bonne qualité d’image (adressage) (affichage) gaz mais coût élevé Applications : professionnelles (industrie, aéronautique) audiovisuel haut de gamme (vieillissement ??) Pierre LECOY - Optoélectronique

AFFICHEURS ELECTROLUMINESCENTS à 7 segments (chiffres) : Doc. Agilent + - exemple (afficheur à cathode commune) : affichage de « 3 » à 3x5 points (alphanumérique) Pierre LECOY - Optoélectronique

La couleur dépend de la molécule OLED Kodak, 1987 Organic Light Emitting Diodes pour affichage, éclairage … Voir http://electronics.howstuffworks.com/oled.htm Principe : diode en matériaux organiques semi-conducteurs électroluminescents « petites molécules »  (OLED) ou polymères (PLED) ex. polyfluorene La couleur dépend de la molécule afficheurs RVB Large choix ! la puissance lumineuse est proportionnelle au courant tension 2 à 3 V typ. Pierre LECOY - Optoélectronique

OLED Différentes technologies d’afficheurs : Pour téléphones, baladeurs, e-books, petits écrans de contrôle … Différentes technologies d’afficheurs : matrices passives (PMOLED) peu coûteuses matrices actives (AMOLED) plus efficaces (rapidité, précision des couleurs, consommation) Voir http://electronics.howstuffworks.com/oled.htm Pour tablettes, (futurs ?) écrans TV OLED en lumière blanche pour rétroéclairage LCD, haute luminosité (1000 cd/m2) , éclairage « par zones » afficheurs OLED transparents, souples …. Pierre LECOY - Optoélectronique

OLED Avantages (par rapport aux LCD) : Problèmes : faible consommation excellent contraste (vrai noir) très large angle de vue très mince, très léger, peut être souple émissifs  rendement maximal Problèmes : encore coûteux (actuellement utilisé en petites surfaces) Durée de vie limitée et dégradation des couleurs dans produits à durée de vie limitée (téléphones portables … ) Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY, Professeur ECP APPLICATIONS Eclairage Pierre LECOY, Professeur ECP

DEL « BLANCHES » Principe : phosphorescence d’un matériau excité dans le bleu développé au Japon (Nichia) à la fin des années 1990 Matériau de base : GaN/InGaN (l = 405 ou 440 nm) à puits quantiques Laurent MASSOL (LED Engineering Development) très haute efficacité énergétique (120 lm/W) puissance: qq W/puce très longue durée de vie (100 000 h)  énorme marché en éclairage et visualisation Pierre LECOY - Optoélectronique

DEL « BLANCHES » Spectre : dépend du matériau phosphorescent … Plus proche de la lumière du jour blanc plus « froid » (bleuté) blanc plus « chaud » (jaune) autre procédé : mélange de 3 sources rouge, vert, bleu intéressant uniquement pour commander la couleur Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique DEL « BLANCHES » Comparaison avec d’autres sources d’éclairage soleil incandescence  15 lm/W fluorescence  75 lm/W halogène  25 lm/W Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique ECLAIRAGE A OLED OSRAM OLED en lumière blanche : Obtention en multicouches (R, V, B) Éclairage surfacique, non ponctuel Haute luminosité  1000 cd/m2 … Meilleur rendu des couleurs Rendement élevé : 25 100 lm/W ? surface diffusante (microstructurée) spectre Univ. Michigan éclairage dans les bâtiments (intégration à l’architecture) peuvent être transparents à l’état éteint Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY, Professeur ECP APPLICATIONS Détection de lumière Cellules photovoltaïques Pierre LECOY, Professeur ECP

 énergie solaire « thermique » Détecteurs thermiques : ABSORPTION DE LUMIERE Par effet thermique (corps noir)  énergie solaire « thermique » Aucune ré-émission, l’énergie lumineuse est intégralement transformée en chaleur Détecteurs thermiques : mesurent l’échauffement du à l’éclairement, indépendamment de la longueur d’onde (mais, lents) bolométriques : mesure par l’intermédiaire d’une résistance pyro-électriques : mesure par l’intermédiaire d’une capacité Pierre LECOY - Optoélectronique

ABSORPTION DE LUMIERE autres effets : Absorption chimique Réduction de sels d’argent en photographie classique Absorption chimique Absorption électrochimique Effet photoélectrique dans des tubes à vide Photodétection dans les semi-conducteurs Vision (rétine + nerf optique) Cellules photoélectriques Photorésistances, caméras à tubes et à CCD, photodiodes, cellules photovoltaïques … Pierre LECOY - Optoélectronique

MATERIAUX PHOTODETECTEURS Sensibilité spectrale : Transmissions longue distance sur fibres optiques Transmissions courte distance et espace libre, capteurs d’image, cellules solaires … Imagerie infrarouge Cellules solaires haut rendement GaInAs Si l 1 mm 0,5 mm 2 mm 3 mm 5 mm 10 mm Ge HgCdZnTe refroidi (Hg)CdTe PbS refroidi Pierre LECOY - Optoélectronique

PHOTOCONDUCTIVITE Principe : l’absorption de photons augmente le nombre de charges donc la conductivité s du semi-conducteur Photons V L w h J = s.E = s.V/L avec s = q(µn.n + µp.p) trous électrons Mobilités des électrons (µn) et des trous (µp) Densités de porteurs : varient de dp = dn = G0.tn tn durée de vie, assez longue ( ms)  sensibilité et temps de réponse élevés G0 = densité de porteurs créés par photodétection = (par unité de temps) G0 , donc s, proportionnel à l’éclairement P/wL hi : rendement quantique Pierre LECOY - Optoélectronique

PHOTODETECTEURS Mode photovoltaïque : convertit l’énergie lumineuse en courant électrique temps de réponse important (trop élevé pour télécom) mesure de très faibles niveaux (pas de courant d’obscurité) Applications : Cellules solaires Mesure de puissance optique Pierre LECOY - Optoélectronique

CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES Principe : jonctions PN de grande surface réalisées en … silicium monocristallin : bon rendement ( 20 %), très coûteux silicium amorphe : coût et rendement faibles (< 10 %) silicium polycristallin : bon compromis (rendement  10 à 15 %) Panneaux solaires : de l’ordre de 100 W/m2 Production équivalent à pleine puissance 800 à 1500 h/an Les cellules produisent du courant continu, elles sont mises en série (typ. 36 pour 12 V) Ce courant doit être alterné et en général stocké Pierre LECOY - Optoélectronique

CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES Matériaux III-V : haut rendement (26% dans GaAs simple jonction) très chers  applications spatiales Structures multi-jonctions : efficacité spectrale maximale (s’adapte au spectre solaire) rendement  40% Exemple : GaInP/GaInAs/Ge également : GaInP/GaAs/GaInAs Pierre LECOY - Optoélectronique

CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES Progrès technologiques : surface augmentant la puissance captée et empêchant les réflexions (microcônes … ) miroir en face arrière couches minces (réduisent le coût) en : Silicium amorphe ou nanostructuré CdTe (mais pb toxicité) alliage CIGS (Cu, In, Ga, Se) ou CIS (Cu, In, Se) Rendements 13 à 20% selon techno de fabrication Pierre LECOY - Optoélectronique

CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES Matériaux organiques : forts coefficients d’absorption, mais faible mobilité  couches très minces sélectifs en longueur d’onde  nécessité d’empiler des couches différentes optimisation : nanostructuration Université d’Aix en Provence Question : durée de vie ? (cf. OLEDs) … Cellules à colorants : colorants organo-métalliques, dans un électrolyte entre électrodes de ZnO nanoporeux (techno IRDEP) réponse très rapide, rendements : 11% en laboratoire Pierre LECOY - Optoélectronique

CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES Caractéristique I(V) : V I I # P # éclairement x surface du panneau V 0,5 V (pour le silicium) Droite de charge (pente 1/R) Problème : échauffement de la cellule … Le rendement baisse avec l’éclairement Pierre LECOY - Optoélectronique