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

COURS TECHNOLOGIES OPTO-ELECTRONIQUES 15/03/13 14h - 17h15 Pierre Lecoy Introduction. Les fibres optiques, théorie Salle de cours 26/03/13 Technologie et composants pour fibres optiques 28/03/13 8h - 11h15 Composants opto-électroniques 04/04/13 Bureau d'études : systèmes de communication optiques 18/04/13 8h - 12h Visite des laboratoires Alcatel-Thalès III-V lab Palaiseau 22/04/13 Applications diverses (affichage, photovoltaïque … ) 26/04/13 Pierre Lecoy + Bruno Delacressonnière Séance labo : fibres optiques, technologie et mesures, amplification optique, analyse spectrale LISA (D205 + D240) 13/05/13 Pierre Lecoy + Walter Peretti TPs / Miniprojet en labo 17/05/13 23/05/13 03/06/13 Bruno Darracq Capteurs d'images 13/06/13 contrôle : QCM + exposés par les élèves

COMPOSANTS DES SYSTEMES SUR FIBRES OPTIQUES Type Technologie Optique passif actif non réciproque Opto-electronique Verres (fibres assemblées ou substrats de verre) Coupleurs Filtres Atténuateurs Multiplexeurs Commutateurs (lents) Amplificateurs à fibres ou verres dopés Cristaux de type LiNbO3 id. Modulateurs Commutateurs Isolateurs Semi-conducteurs III – V ou Silicium Modulateurs à électro-absorption Amplificateurs à semi-conducteurs Emetteurs Récepteurs Pierre LECOY - Optoélectronique

Cours 3 : LES COMPOSANTS OPTO-ELECTRONIQUES Principes Matériaux et structures Photodétecteurs Emetteurs (DELs et lasers) Amplificateurs optiques Pierre LECOY, Professeur ECP

LES COMPOSANTS OPTO-ELECTRONIQUES Principes Matériaux et structures Pierre LECOY, Professeur ECP

PRINCIPES D’OPTO-ELECTRONIQUE Emission dans un semi-conducteur : émission spontanée ou électroluminescence électron trou Bande de conduction Bande de valence Bande interdite Eg énergie Photon hn = Applications : Transmissions (avec ou sans fibre) Visualisation Eclairage … Emission si transition radiative  semi-conducteur direct Pierre LECOY - Optoélectronique

PRINCIPES D’OPTO-ELECTRONIQUE Détection dans un semi-conducteur : Effets : Photoconductivité (résistance diminuant avec l’éclairement) Photovoltaïque (source d’un photocourant) électron trou énergie Bande de conduction Bande interdite Eg Photon hn Bande de valence Applications : transmissions capteurs d’images mesure cellules solaires lecture optique … Photodétection si hn  Eg soit l  1 µm environ dans le silicium Pierre LECOY - Optoélectronique

PRINCIPES D’OPTO-ELECTRONIQUE Semi-conducteurs directs et indirects : Très faible probabilité d’émission Eg k E Bande de valence Bande de conduction k E Eg émission hn  Eg absorption hn > Eg absorption hn > Eg+ Ef phonon semi-conducteur direct (III-V) semi-conducteur indirect (Si, Ge …) Le silicium n’émet pas de lumière Pierre LECOY - Optoélectronique

MATERIAUX ELECTROLUMINESCENTS Semi-conducteurs III-V : III IV V B C N Al Si P Ga Ge As In Sn Sb lecture de disques optiques, visualisation … GaN/InGaN bleu (l = 440 nm) GaP vert (l = 565 nm) Ga Asx P1-x du jaune au rouge GaAlP rouge à haut rendement GaAs 1ère fenêtre infrarouge (l = 900 nm) Ga1-x Alx As entre 700 et 900 nm en fonction (décroissante) de x Ga1-x Inx Asy P1-y 2ème ou 3ème fenêtre infrarouge (l = 1200 à 1600 nm en fonction croissante de x et y) Ga1-x Inx Asy Sb1-y autour de 2,5 µm Semi-conducteurs II-VI : ZnSe (bleu) et ZnTe (vert-bleu) Pierre LECOY - Optoélectronique

MATERIAUX ELECTROLUMINESCENTS Semi-conducteurs III-V : Compositions en accord de maille In0,53Ga0,47As Pierre LECOY - Optoélectronique

Diagramme des bandes d’énergie Confinement électrique HETEROJONCTIONS Principe (1970) : jonction entre s.c. de gaps différents fonctionnement d’une double hétérojonction : n p p+ Couche : confinement active (mince) Bande de conduction Diagramme des bandes d’énergie (jonction polarisée en direct) Eg1 Niveau de Fermi Eg1 Eg2 Bande de valence Régions transparentes aux photons Confinement électrique Indice Effet de guide d’ondes Intensité lumineuse Pierre LECOY - Optoélectronique

PUITS QUANTIQUES QW, quantum wells Principe (1978) : confinement électrique dans une couche très mince distincte du confinement optique dans une couche plus épaisse Eg Profondeur de la zone active Confinement optique 0,4 à 0,5 µm n Puits quantiques multiples (MQW) Confinement électrique < 0,01 µm Avantages : - réduction du courant de seuil (<100 A/cm2) - quantification des niveaux d’énergie  l discrétisées, accordables, transitions intrabandes - possibilité de « couches contraintes » Lasers à cascades quantiques Pierre LECOY - Optoélectronique

COUCHES CONTRAINTES Principe : possibilité de désaccord de maille dans une couche très fine … Matériau A Matériau B, contraint Matériau A intérêt : utilisation de nouvelles compositions (ex. diodes de pompe à 980 nm en InAlAs sur InP, diodes bleues en InGaN sur GaN, transistors en SiGe sur Si, émetteurs InAs sur Si … ) maîtrise de la longueur d’onde (puits quantique) fortes puissances possibles Matériau B, en désaccord Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique EPITAXIE Principe : croissance de couches cristallines de semi-conducteur sur un substrat Techniques : epitaxie en phase liquide (LPE) epitaxie en phase vapeur à partir de composés organo-métalliques (MOCVD) epitaxie par jets moléculaires (MBE) Bâti MOCVD (CEA) Pierre LECOY - Optoélectronique

LES COMPOSANTS OPTO-ELECTRONIQUES Détection de lumière Photodiodes, PIN et avalanche Pierre LECOY, Professeur ECP

Profondeur d’absorption PHOTODETECTION Coefficient d’absorption a (en m-1) : a.dx = probabilité pour le photon d’être absorbé sur une épaisseur dx d’où : F(x) = F(0).e-ax flux de photons à la profondeur x F (x) x F0 1/a a (cm-1) 10 2 0,5 1 1,5 µm l 4 3 Si Ge GaAs GaInAs Profondeur d’absorption Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique PHOTODIODES Modes de fonctionnement : V i P +V RP i<0 iD obscurité éclairement P croissant VB avalanche Droite de charge Pente –1/R P R i V Régime photovoltaïque iS Régime photodiode Pierre LECOY - Optoélectronique

Sensibilité spectrale : PHOTODIODE PIN Principe : Sensibilité spectrale : l S 1 mm non dopée (i = intrinsèque) Photons GaInAs Si Couche anti-reflets Zone d'absorption Substrat p+ i n R V E trous électrons i = iS + iD h : rendement quantique iS = S.P photocourant S sensibilité de la photodiode (en A/W) = hq/hn iD courant d'obscurité responsivity Bruit quantique : <iq2> = 2q.i.DF dark current Pierre LECOY - Optoélectronique

PHOTODIODE A AVALANCHE Photons n Zone de multiplication (jonction abrupte) Zone d'absorption Substrat p + électrons secondaires E (champ électrique interne) Bruit quantique : <iq2> = 2q.i.DF.M2.F(M) électron primaire Facteur d’excès de bruit : F(M)  Mx Applications : mesure faibles niveaux de lumière instrumentation (fluorescence, réflectométrie .. ) récepteur télécom optiques V 0 50 100 150 200 V M (échelle log) 100 50 20 10 5 2 1 PDA Ge T = 0°C T = 60°C PDA Si p pn mais en recul, car bruit élevé et besoin d’une forte tension inverse Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique PHOTODETECTEURS Comparaison des matériaux : Fenêtre Première Deuxième et troisième Matériau Si Ge GaInAs llim (µm) 1,0 1,6 1,7 Smax (A/W) 0,6 0,7 0,8 iD (nA) 1 à 5 500 En avalanche: VB (V) 100 à 200 25 100 à 160 gain max. 100 10 20 exposant x 0,5 1 Pierre LECOY - Optoélectronique

Photodiode à illumination par le substrat PHOTODETECTEURS Photodiodes GaInAs (hétérojonctions): Photodiode à illumination par le substrat Photons Photodiode à illumination par la tranche très rapide (> 10 GHz) Zone active = guide de très faible épaisseur Zone active GaInAs-n Substrat transparent aux photons n+ p+ n Contact Couche antireflets Mesa (réduit la largeur de la couche active) Photons Pierre LECOY - Optoélectronique

PHOTOTRANSISTOR Principe : phototransistors bipolaires à hétérojunction (HPT) ? transistor bipolaire dont la jonction collecteur-base est éclairée joue le rôle de photodiode amplification du photocourant sous basse tension phototransistor Si : peu coûteux mais performances limitées (lent) Caractéristique en fonction de la puissance optique I c VCE 2P P Photons I C V CE P Schéma équivalent n p n+ Emetteur Base Collecteur Structure Pierre LECOY - Optoélectronique

LES COMPOSANTS OPTO-ELECTRONIQUES Diodes électro-luminescentes Diodes laser Modules d’émission Pierre LECOY, Professeur ECP

D.E.L. : DIODE ELECTROLUMINESCENTE Principe de l’hétérojonction LED, Light Emitting Diode Photons émis Photons émis première fenêtre (850 nm) Couches de Couche active substrat Emission dans la confinement GaAs Ga0,7Al0,3As p n + - Ga0,9 Al0,1As - Emission dans la deuxième ou troisième fenêtre (suivant composition de la couche active) InP n p + GaInAsP Pierre LECOY - Optoélectronique

DIODES ELECTROLUMINESCENTES Caractéristiques : Surface émissive la puissance est proportionnelle à la surface Diagramme de rayonnement : La DEL doit être alimentée en courant avec lentille I (courant) P (puissance lumineuse émise) V (tension aux bornes) spontané se prête bien aux transmissions analogiques Pierre LECOY - Optoélectronique

DIODES ELECTROLUMINESCENTES Spectre : assez large Exemple : émission à 850 nm Largeur spectrale : environ 50 nm Rapidité : limitée (centaine de Mbit/s) Pierre LECOY - Optoélectronique

PRINCIPES D’OPTO-ELECTRONIQUE Amplification : (dans les semi-conducteurs, les gaz rares, les terres rares) état excité Bandes d’énergie Transition radiative énergie état au repos 2 photons hn Nécessité d’un pompage (électrique, optique … ) Photon hn Applications : sources laser amplificateurs Amplification (émission stimulée) si inversion de population = une majorité d’atomes dans l’état excité Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique DIODES LASER Equations de base Coefficient de gain g (défini par : dP/dz = g.P) g = b (hiJ/d - J0) b coefficient caractéristique du matériau hi rendement quantique de l'émission spontanée d épaisseur de la zone active J0 densité (volumique) de courant seuil doit être très faible  puits quantiques F2 Eg k E BV BC F1 Amplification si : g > a dans une « bande de gain » telle que Eg < hn < F2-F1 (niveaux de Fermi) émission stimulée hn  Eg excitation Condition de Bernard-Duraffourg, vérifiée dans une bande plus étroite que l’émission spontanée (qq. nm) Pierre LECOY - Optoélectronique

DIODE LASER FABRY-PEROT Structure : Emission face arrière Couches de confinement L Isolant Ruban Contact conducteur Couche active GaAlAs Substrat courant Emission face avant diverge du fait de la diffraction (faisceau gaussien) Courant supérieur à un seuil Condition sur le gain : e2gL.e-2aL.R2 > 1 soit g - a > |Ln R|/L Coefficient de réflexion aux faces : R = (n-1)2/(n+1)2 Pierre LECOY - Optoélectronique

DIODE LASER FABRY-PEROT Spectres « multimodes » : résonance pour lp = 2Ln/p modulée + CW Pierre LECOY - Optoélectronique

d’une seule longueur d’onde Spectre monochromatique DIODE LASER D.F.B. Structure DFB (distributed feed-back) Composant coûteux ! Ruban enterré (couche active) GaInAsP p Substrat (InP) n Réseau de diffraction intégré sur le guide Réflexion distribuée d’une seule longueur d’onde l = 2L.n coupe du coin Spectre monochromatique Pierre LECOY - Optoélectronique

DIODE LASER D.F.B. Spectre : Une seule raie, même en modulation mais : chirp (élargissement de la raie) si l’indice n varie (effet de la température ou de la modulation du courant) Pierre LECOY - Optoélectronique

DIODES LASER DBR Structure DBR (distributed Bragg Reflector) accordable en longueur d’onde I1 Section de gain Section de phase Section d'accord Couche active Substrat Guide Réseau de Bragg I2 I3 Commande P Commande l (fonction de n) Variation typique : -0,1 nm/mA Applications : Réseaux WDM Instrumentation Pierre LECOY - Optoélectronique

DIODE LASER VCSEL Structure VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) Emission de lumière Couche active (puits quantiques) Miroir de Bragg inférieur supérieur Substrat Contacts électriques Test possible sur wafer Composant de hautes performances mais économique à fabriquer Applications à 850 nm : courte distance et très hauts débits (jusqu’à 10 Gbit/s) lecture optique, impression ….. Pierre LECOY - Optoélectronique

MODULATION Réponse en fréquence d’une diode laser : Zone de résonance (va et vient de l’énergie entre les électrons et les photons) f 0,1 1 10 GHz (échelle log) H(f) 10 Modulation externe nécessaire (modulateur Mach-Zehnder ou électroabsorption) Modulation interne possible Pierre LECOY - Optoélectronique

MODULE EMETTEUR Modulation d’une diode laser : Caractéristique Nécessite un asservissement Température : Ith2 T2 > T1 I P Pm P1 P0 Caractéristique T1 Ith1 V = R.S.Pm + Tête optique Vréf - R I Fibre amorce Entrée signal Régulation et commande du courant Circuit de contrôle t Seuil Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique MODULE EMETTEUR Intérieur de la tête optique à diode laser : Régulation du courant Régulation thermique Extrémité de la fibre optique Pierre LECOY - Optoélectronique

Pic d’absorption excitonique MODULATEUR OPTIQUE à électroabsorption (EAM) : utilise la variation du gap d’un semi-conducteur sous l’effet d’un champ électrique dans une structure à puits quantiques E g = hc/ l (meV) Absorption (cm-1) 10 000 850 900 1 V 2 V - 10 - 20 - 30 - 40 dB par 100 µm atténuation non nulle dans l’état passant (on) E = 0 opaque Pic d’absorption excitonique E = 5.104 V/cm Opaque (off) transparent Absorption fonction du champ électrique Transmission fonction de la tension de commande Moins performant, mais moins coûteux que le MZM, et plus facilement intégrable (même matériau que l’émetteur) Pierre LECOY - Optoélectronique

BRUIT DES DIODES LASER Bruit relatif d’intensité de la source : la puissance P émise par le laser fluctue de <DP> avec = RIN.DF ceci entraîne à la réception un courant de bruit : = RIN.DF.<i(t)2> RIN = Relative Intensity Noise, de l’ordre de 10-14 Hz-1 i = photocourant = S.Preçue le RIN augmente près du courant de seuil, et vers la fréquence de résonance Le bruit du laser peut être limitant pour des transmissions analogiques exigeant un fort RSB (déport vidéo, micro-ondes sur fibre optique … ) + bruit en 1/f Pierre LECOY - Optoélectronique

EMETTEURS Différents boîtiers : Module à diode laser à fibre amorce Doc. NORTEL en embase de connecteur pour espace libre Pierre LECOY - Optoélectronique

COMPARAISON DES EMETTEURS Type DEL Laser VCSEL Laser FP Laser DFB Puissance couplée 10 à 100 µW qq. mW Emission par la surface, divergente par la surface, peu divergente par la tranche, assez divergente Longueurs d’onde 0,85 et 1,3 µm 0,85 µm 1,3 µm 1,3 et 1,55 µm Spectre large très étroit (une raie) assez large (plusieurs raies) Caract. P(i) linéaire seuil, 5 à 10 mA seuil, 10 à 30 mA Fréquence max. de modulation 100 à 200 MHz 10 Gbit/s plusieurs GHz Coût très faible faible moyen élevé Utilisations transmission à courte distance sur fibres multimodes haut débit (typ. GE) à courte distance, fibres multimodes lecture optique, imprimantes … haut débit sur fibres monomodes à 1,3 µm, FTTH sens montant très haut débit sur fibres monomodes surtout à 1,55 µm, systèmes WDM Pierre LECOY - Optoélectronique

AMPLIFICATEURS OPTIQUES à semi-conducteurs (SCOA) à fibres dopées Erbium (EDFA) Pierre LECOY, Professeur ECP

AMPLIFICATEUR OPTIQUE A SEMI-CONDUCTEURS Lumière incidente Courant de pompe Principe : Diode laser de type à émission par la tranche avec faces traitées anti-reflets Caractéristiques : bande de gain relativement large puissance de saturation limitée bruit (ASE) relativement élevé une certaine sensibilité à la polarisation de la lumière pertes de raccordement avec la fibre optique non négligeables faible durée de vie des porteurs, d’où réponse de type passe-haut Lumière amplifiée (fonctionnement en ondes progressives) Pierre LECOY - Optoélectronique

AMPLIFICATEUR OPTIQUE à semi-conducteur (SCOA, semi-conductor optical amplifier) Doc. NORTEL Pierre LECOY - Optoélectronique

DISPOSITIFS A PUITS QUANTIQUES Amplificateurs optiques semi-conducteurs (SOA) Haute linéarité Rendement élevé Intégrable avec une source type DFB ou DBR (accordable) : Alcatel-Thalès III-V lab Zone d’accord Peut être utilisé en porte optique Pierre LECOY - Optoélectronique

AMPLIFICATEUR OPTIQUE A SEMI-CONDUCTEURS Applications : Compense les pertes de composants passifs amplification en optique intégrée commutation de longueur d’onde Utilise la saturation du gain par le signal à l1 Signal entrant modulé à l1 Courant de pompe Filtre Ampli optique à semi - conducteur Signal sortant (inversé) modulé à l2 Onde continue à l2 Portes optiques commutation spatiale régénération optique (expérimentale) Le dispositif absorbe la lumière si ipompe < seuil Pierre LECOY - Optoélectronique

AMPLIFICATEUR OPTIQUE A SEMI-CONDUCTEURS Commutateur 32 x 32 : Utilise une matrice d’amplificateurs optiques à semi-conducteurs Université de Cambridge et INTEL, ECOC 2007 Pierre LECOY - Optoélectronique

AMPLIFICATION OPTIQUE DANS LES FIBRES DOPEES Principe dans une fibre dopée Erbium : (EDFA, erbium doped fiber amplifier) Amplifie autour de 1,5 mm Autres matériaux : Neodyme (Nd) à 1,06 mm niveaux d'énergie niveaux élargis par effet Stark à 0,8 µm Absorption : à 0,98 µm à 1,48 µm transitions non radiatives transition radiative à 1,536 µm E Pierre LECOY - Optoélectronique

AMPLIFICATION OPTIQUE Amplifie de nombreuses longueurs d’onde Spectre dans l’Erbium : gain par unité de longueur : g(n) = se(n).x.nt se(n) section efficace d'émission absorption : a(n) = sa(n).(1-x) nt sa(n) section efficace d'absorption nt concentration en erbium x fraction d’ions excités l 1,45 1,50 1,55 1,60 µm Section efficace (10-25 m2) 6 4 2 amplification Spectre d'émission (fluorescence) Spectre d'absorption pompage varient le long de la fibre ! dP/dz = P(z) [g(z) - a(z)] Pierre LECOY - Optoélectronique

AMPLIFICATION OPTIQUE Bruit : dû à l’émission spontanée amplifiée (ASE) densité spectrale : Nase = 2 Nsp (G-1).hn G est le gain Nsp est le facteur d'inversion de population Spectres : Bruit (ASE) seul (fluorescence) Signal + bruit Pierre LECOY - Optoélectronique

AMPLIFICATEUR OPTIQUE A FIBRE DOPEE ERBIUM Schéma (amplificateur unidirectionnel, pompage vers l'aval) : fibres adaptatrices isolateur entrée Multiplexeur filtre isolateur sortie fibre amplificatrice Photodiode de contrôle diode laser de pompe = soudure avantages : amplifie un grand nombre de longueurs d’ondes simple et moins coûteux car pas d’électronique haut débit mais … pas de régénération  ne compense pas la dispersion  accumulation du bruit et des effets non linéaires Pierre LECOY - Optoélectronique

AMPLIFICATEURS OPTIQUES Principales caractéristiques : Resté expérimental Fibre dopée Er silice verres fluorés Semi-conducteurs pompage à 980 nm 1480 nm électrique gain 30 à 40 dB 20 à 30 dB 40 dB rapport gain à puissance de pompe 10 dB/mW 4 dB/mW 6 dB/mW puissance de saturation 20 à 30 dBm 10 à 15 dBm 17 à 20 dBm 10 dBm rendement quantique 80 % largeur de bande amplifiée 20 à 30 nm 10 à 20 nm 30 nm 30 à 40 nm facteur de bruit 3 dB 6 à 9 dB 6 dB 12 dB Pierre LECOY - Optoélectronique