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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 1
Optoélectronique 2EN J. Perchoux (contact : [email protected])
9 séances de cours
6 séances de TD – 1séance de TP
Examen : 2h – Sans documents
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 2
Plan du Cours
I. Introduction
II. Éléments de Photométrie et Rayonnement du Corps Noir
III. Les Fibres Optiques
IV. Photoélectricité – Diode ÉlectroLuminescente
V. Diodes Laser
VI. Photodétecteurs
VII. Éléments de Télécoms Optiques
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 3
Historique
Effet Photoélectrique : Découvert : 1887 (Hertz), Expliqué :1917 (Einstein)
DEL : 1ère réalisation : 60's
Lasers : Invention : 1958 (Schawlow et Townes) 1ères réalisations : 1960 (cristaux), 1961 (gaz), 1962 (semiconducteurs),
1966 (liquides)
Fibre Optique Invention : ancestral 1ère expérience : 1966 (Kao et Hockman) 1ère réalisation : 1977 (à Chicago)
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 4
L'angle solide
Cercle :
Sphère :
x= . r
A= .r 2
d=2. . sind
dA=2 . r . dx
dA=2. . D2 .sin . d
d=dA
R2
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La Luminance (L)
L=d2 F
cos dAsd
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 6
L'Éclairement (E)
dE=d2 F
dAR
dE=LdA
Scos
Scos
R
d2
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Unités
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Grandeurs Caractéristiques
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 9
Loi de Planck
= 6,63.1034 W.s2 : Cte de Planck
= 1,38.1023 J.K1 : constante de Bolzmann
=3.108 m.s1 : célérité de la lumière
: température en K
dM ,T
d =
2hc2−5
exp hc
kBT −1
h
kB
c
T
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 10
Loi de Wien
M=
2898
T
dM M
, T
d=1,286.10−5T 5
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 11
Historique Fibre Optique 1960 : 1ère réalisation d'un laser (1962 Diode Laser)
1966 : 1ère expérience de transmission par fibre. Kao & Hockman (qqs cm)
1968 : Découverte de la transparence de la silice pour l'InfraRouge
1970 : 1ère production de FO – Atténuation 20 dB/km
1977 : 1er réseau : réseau téléphonique de Chicago
1984 : Atténuation 0,2 dB/km 100 km sans répéteur
Aujourd'hui : # 80% des communications longues distances => 25.106 km de câbles
à FO Déploiement massif pour des courtes et moyennes distances (FTTx) Nouvelles applications (Fibres plastiques) : automobile, éclairage
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 12
Loi de SnellDescartes – Angle limite
n1sin1=n2sin2
Loi de SnellDescartes
sin2=n1
n2
sin1
Réflexion
Angle limite :
n1
n2
sin11
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 13
Saut d'indice – Gradient d'indice
Saut d'indice
Gradient d'indice
MonomodeØ<quelques µm
nc r =nc 1−2 ra
g
g~2 ,=nc−ng
nc
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 14
Ouverture Numérique (ON)
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 15
Couplage avec une DEL
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 16
Atténuation
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 17
Pertes par épissurage
Pertes par épissurage
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 18
Systèmes d'injection
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 19
Notions de connectique
• PC (Physical Contact): polissage droit.
• APC (Angle Physical Contact): polissage en biais.
• UPC (Ultra Physical Contact): polissage arrondi
Pertes de retour > 30 dB
Pertes de retour > 60 dB
Pertes de retour > 50 dB
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 20
Limitation de la bande passante
Position du problème : transmission de 2 impulsions
Chaque composante chromatique de la lumière est transmise à sa propre vitesse
Étalement des impulsions jusqu'à ce qu'on ne puisse plus les distinguer
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 21
Principe de l'élargissement temporel par la dispersion
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 22
Dispersion chromatique
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 23
Récapitulatif Fibres Télécoms
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 24
Matériaux semiconducteurs IIIV
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 25
Diode ÉlectroLuminescente
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 26
Bilan de pertes dans une DEL
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 27
Absorption dans les matériaux semiconducteurs
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 28
ZCE et bande passante
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 29
Structure d'une APD
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 30
Évolution du gain d'une APD avec la tension inverse
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 31
Bruits de la photodétection
Problème général de la photodétection
Sources de bruits équivalentes
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 32
Principe du laser
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 33
Cavité FabryPérot
2nL = λ
2nL = 2λ
2nL = 4λ
2nL = k λ
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 34
Double hétérojonction
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 35
Fonctionnement statique d'une diode laser
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 36
Spectre d'une DL FabryPérot
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 37
Réflecteurs de Bragg
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 38
Laser DFB
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 39
Laser DBR
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 40
VCSEL
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 41
Matrice de VCSEL
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 42
Récapitulatif LASER
➔ Capteurs, applications domestiques, datacoms : VCSEL, Lasers FabryPérot
➔ Télécoms : DFB, DBR
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 43
Structure d'une liaison optique
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 44
EDFA – Inversion de population
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 45
EDFA Structure
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 46
Gain d'un EDFA
Le gain diminue lorsque la puissance du signal à amplifier augmente.
Puissance du signal incident
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 47
WDM, DWDM
WDM : 8nm entre chaque longueur d'ondeDWDM : 2nm entre chaque longueur d'onde
Wavelength Division Multiplexing (WDM) et le DenseWDM (DWDM)
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 48
Filtrage WDM
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EDFA et WDM
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Interféromètre de Michelson
I PD∝∣E1E 2∣2=2 E 0
2 [1cos12 ]
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J. Perchoux – Optoélectronique 2EN 51
Principe du SelfMixing
F r=F 0[1m cos 2 r⋅2 n Lext] r=0−K⋅sin 2
r2 n Lext
Flux émis : Fréquence optique émise :
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Signaux de selfmixing
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Capteur TwinEye de Philips
Application : souris optique