COURS OptoElectronique Département Mesures Physiques - S4

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

2 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

3 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

4 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

5 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 :

6 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 …

7 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

8 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

9 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

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

11 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 …

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

13 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

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

15 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

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

17 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

18 Emission stimulée : quelques dates essentielles
Contexte 1. LASER 2. Guides d’Onde Optique 3. Détection Optique Emission stimulée : quelques dates essentielles Allemagne : A. Einstein Mise en évidence théorique du principe d’émission stimulée Prix Nobel Physique Effet photoélectrique ≈ FR : A. Kastler* et J. Brossel Principe de l’inversion de population des atomes Pompage optique *Prix Nobel Physique 1966 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

19 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 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

20 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.

21 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+

22 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).

23 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).

24 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 YAG Dr A. Laurain - IES – 2007/2010

25 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

26 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

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

28 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

29 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

30 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

31 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 (champ) ou 1/e2 (intensité) zR délimite 2 zones physiquement bien distinctes : « champ proche » et « champ lointain »

32 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

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

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

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

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

37 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 :

38 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

39 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

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

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

42 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 ≈ pour les diode laser étudiées

43 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)

44 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)

45 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)

46 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

47 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

48 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

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

50 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

51 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

52 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

53 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 :

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

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

56 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

57 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

58 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

59 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

60 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

61 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

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

63 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

64 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

65 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

66 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 …

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