IV Les composants optoélectroniques d émission

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1 Limite de perception du rouge 750 nm Rouge 700 nm Orangé 650 nm Jaune 600 nm Vert 500 nm Bleu 450 nm Violet 400 nm Limite de perception du violet 380 nm NAJJAR M. 1

2 IV Les composants optoélectroniques d émission Le retour de l électron de la bande de conduction à la bande de valence correspond à la recombinaison (électron-trou), cette recombinaison est radiative (émission d un photon) dans le cas d un semi-conducteur Direct, par contre, dans un semi-conducteur indirect tel que le silicium ou germanium,, la recombinaison fait intervenir un photon, et l énergie est dissipée dans le matériau sous forme de chaleur. NAJJAR M. 2

3 Avec E g h E2 E1 Econduction Evalence E g h hc / *10 J.s IV.1 Diodes électroluminescentes Le moyen le plus simple pour obtenir une grande quantité de recombinaisons radiatives dans un faible volume est de réaliser une jonction PN polarisée en direct dans un semi-conducteur direct, autrement dit une diode. Le spectre de cette émission spontanée n est pas une raie, mais présente une certaine largeur autour d une longueur d onde centrale : h c. E g Constant de Planck 1,24 Eg Semi-conducteur de bande indirecte E g en c 3*10 en ev µm Les semi-conducteurs sont classifiés en deux types : Semi-conducteur de bande directe NAJJAR M. 3 8 m s -1

4 Semi-conducteur de bande directe Semi-conducteur de bande indirecte Donc pour réaliser un émetteur optique il faut que : Le semi-conducteur de bande directe Injecter de porteurs dans une jonction PN La jonction doit être polarisée en sens passant. NAJJAR M. 4

5 Les semi-conducteurs utilisés sont des composés III-V, c est-à-dire des composés d un élément de la 3 eme colonne du tableau périodique des éléments (aluminium Al, gallium Ga, et indium In) et d un élément de la 5 eme colonne (phosphore P, arsenic As, etc). On utilise le plus souvent des alliages de ces composés, d où des systèmes ternaires (Ga x Al 1-x As) ou quaternaires (Ga x In 1-x As y P 1-y ). NAJJAR M. 5

6 La longueur d onde d un composé peut être déterminé à partir de la figure suivante: NAJJAR M. 6

7 Une jonction PN est caractérisée par le rendement quantique interne : i nombre de photons créés i nombre de recombinaisons électron trou atteint 90% dans le cas semi-conducteurs directs, et il n est pas nul, mais de l ordre de 10-5 semi-conducteurs indirects. IV.2 Les émetteurs électro-optiques Les composants optoélectroniques d émission sont classifiés en deux types : Diode LED Diode LASER. IV.2.1 Diode électroluminescente DEL Principe LED «Light Emitting Diode» Le même principe que la recombinaison radiative des porteurs minoritaires dans une jonction PN polarisée en direct. Pour obtenir un bon rendement on réalise une double hétérojonction. NAJJAR M. 7

8 hétérojonction homo-jonction Caractéristiques des DEL La caractéristique puissance- courant P(I) présente une bonne linéarité jusqu à une puissance de quelques milliwatts, avec une pente de l ordre de 10mw/A. La caractéristique courant tension est celle d une diode semiconductrice avec une tension de coude voisine de 1,5V. NAJJAR M. 8

9 I q. V I sexp 1 n kt avec n facteur d idéalité 1 n 2 T température absolue. K B =1,38*10-23 J/K Constante de Boltzman 1 La bande passante ( BP ) est limitée à cause du temps de transit 2 des porteurs, elle varie entre 30 à 100MHz, c est un des principaux handicaps des LED en télécommunication. Le diagramme d émission P P 0 cos (n est pas directif), il n est pas très adapté au couplage dans une fibre optique. NAJJAR M. 9

10 IV.2.2 Diode ALESR LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Principe des LASER à semi-conducteurs : L émission stimulée a lieu lorsque la densité de porteurs injectés est assez forte pour provoquer l inversion de population entre bande de conduction et bande de valence. La densité de courant J doit dépasser une valeur de seuils J s très élevée. Il faut compenser les portes dans la cavité et l émission vers l extérieur. NAJJAR M. 10

11 La cavité résonante la plus utilisée est la cavité Fabry-Perot qui est une boite rectangulaire où deux faces parallèles sont réservées au contact électrique, deux autres polies réfléchissent le rayonnement émis, les deux dernières laissent passer le faisceau laser. NAJJAR M. 11

12 Spectre des diodes LASER Le spectre présente un certain nombre de raies, correspondante aux Modes longitudinaux de la cavité, c est-à-dire à ses fréquences de résonances d où : p p c p 2. n. L p Avec L : la longueur de cavité P : l ordre du mode. L espacement entre ces raies vaut. 2 2.N.L Avec N : indice de groupe N n dn d NAJJAR M. 12

13 Caractéristique de diodes LASER - La caractéristique tension-courant est la même que pour une diode LED - La caractéristique puissance optique-courant est remarquable : une première partie de faible pente, correspond à l émission spontanée (quelques fractions de milliwatt) ; l apparition de l émission stimulée est marquée par un fort coude dans la caractéristique, dit courant de seuil I J. S il vaut : th s A Avec S A : la surface de la zone active, qui devra plus petite possible, d où l importance du confinement latéral. J S : densité du courant. NAJJAR M. 13

14 Le courant de seuil dépend fortement de la température : I th T T 2 1 T 2 I th T1 exp T0 Avec T0 : coefficient de température, qui vaut environ 150 k pour GaAlAs, et 70 k pour GaInAsP. De plus, le courant de seuil augmente irréversiblement avec l âge du laser. Dans la zone d émission stimulée, on a une pente élevée : dp 100 à 200mw/ A di 2q dp Ce qui correspond à un rendement quantique différentiel externe D., hv di il vaut de 25 à 50%, la pente est beaucoup moins sensible à la température que la courbe de seuil. Diagramme d émission Le guide d onde qui consiste la cavité est en général suffisamment étroit Pour être monomode, sauf pour certains laser, dits multimodes transverses, ce qui n est pas favorable à leur utilisation sur fibre optique (il y a plusieurs lobes dans leur diagramme d émission). NAJJAR M. 14

15 Le guide étant rectangulaire et de très petites dimensions, on observe un champ proche elliptique (dimensions typiques : 1*5µm) et un champ lointain fortement divergent et elliptique IV.3 Comparaison des composants optiques d émission : Elle est résumée dans le tableau ci-dessous. Bien entendu, on donne de valeurs typiques : NAJJAR M. 15

16 NAJJAR M. 16

17 Les diodes électroluminescentes ont des performances limitées en Puissance couplées dans les fibres, en bande passante et en pureté spectrale. Par contre, ce sont des composants simples, fiable, peu Bruyants et peu coûteux. Aussi trouvent-elle de nombreuses applications sur fibres multimodes : liaisons industrielles réseaux locaux, transmission analogiques (mesures, vidéo). Le s diodes LASER, sont plus complexes et plus coûteuses, ont des performances de transmission bien plus élevées, parmi elle, les Structures à guidage par l indice sont les meilleures, notamment en rendement, en bruit et en fiabilité ; ces composants très coûteux se trouvent surtout en transmission à longue distance sur fibres monomodes. NAJJAR M. 17

18 V. Composantes et interfaces optoélectroniques de réception L absorption d un photon par un semi-conducteur donne naissance à une paire électron-trou, à condition que l énergie du photon soit supérieur à E g, largeur de bande interdite du matériau : hc hv donc longueur d onde de coupure. E g E g c Lorsque, c les photons ne sont plus absorbés, et les matériaux deviennent transparents à ces longueurs d ondes. L augmentation du nombre de paires électron-trou augmente, la conductivité du matériau. Il existe plusieurs types de dispositifs de réception photodiode PIN, Photodiode à avalanche, Phototransistor etc. Photodiode PIN Photodiode à avalanche Phototransistor NAJJAR M. 18

19 V.1 Photodiode PIN Pour effectuer la photo détection en évitant les recombinaisons des paires électron- trou, il faut que les photons soient absorbés dans une zone vide de porteur mobiles, par exemple la zone déplétée (ou zone de charge d espace) d une jonction PN. Afin de recueillir les porteurs il faut les séparer et les diriger vers la zone où ils sont majoritaires à l aide d un champ électrique assez fort, d où la nécessité de polariser la jonction en inverse. Dans le cas photodiode PIN: la majorité des photons est absorbée dans la zone intrinsèque (i). NAJJAR M. 19

20 La zone P ou N traversée par la lumière doit être de faible épaisseur, et recouverte d une couche antireflets (matériau tel que SiN4) qui améliore le rendement. Les paramètres qui caractérisent une photodiode PIN, dépendent du matériau et de la structure. Sensibilité (S) Elle relie la puissance lumineuse P au photo-courant is : Avec e s.q h i s s. p q : est la charge de l électron e : rendement quantique externe e nombre de charg e nombre de photons recuperées incidents/ s in nombre de charg e nombre de photons recuperées absorbés/ s NAJJAR M. 20

21 Courant d obscurité Le courant d obscurité i D qui circule dans la jonction en l absence d éclairement a des origines multiples : génération thermique dans la zone i, courant de fuite. Donc le courant totale dans la photodiode : i s. p i D i D : ne dépend pas de la tension de polarisation, par contre pour quelques composants, il augmente avec elle. NAJJAR M. 21

22 Temps de réponse : Le temps de réponse doit être très bref ( 0,5ns), il est dû au temps de transite et à la zone d absorption. On améliore le temps de réponse en augmentant la tension de polarisation inverse, ce qui réduit la capacité et le temps de transite. V.2 Photodiodes à avalanche Le signal reçu étant souvent très faible, donc il est nécessaire d amplifier le photo-courant. On fait suivre photodiode d un préamplificateur mais il a beaucoup de bruit. Donc il est intéressant d utiliser un composant à gain interne, la photodiode à avalanche ou PDA (en anglais APD). Son principe est l ionisation en chaîne, par impact des porteurs, sous l effet d un champ électrique très intense. C est l effet d avalanche qui, s il n est pas contrôlé, aboutit au claquage de la jonction. NAJJAR M. 22

23 La photodiode est caractérisée par les paramètres suivants: Tension de claquage (VB) Elle dépend du matériau aussi de la structure de la photodiode puisque c e une valeur du champ électrique qui provoque le claquage (130 à 300V) dans le silicium et beaucoup plus faible dans le germanium. NAJJAR M. 23

24 Coefficient de multiplication (gain) (M) C est le rapport entre le nombre moyen de porteurs secondaires crées par ionisation et le nombre de porteurs primaires provenant de la photo détection. M 1 1 V V B m avec typiquement 3<m <6 Avec V : la tension de polarisation. NAJJAR M. 24

25 Courant d obscurité Lorsque la photodiode est en régime d avalanche, on observe un courant d obscurité multiple i D, donc le courant totale i M. S. P Le courant d obscurité augmente avec l augmentation de température. i D NAJJAR M. 25

26 V.3 Le phototransistor C est un transistor dont la base est éclairée. La jonction collecteur-base, polarisée en inverse, joue le rôle de photodiode, et le photo courant est amplifié par le gain en courant du transistor. Le gain varie entre 30 à 100. La caractéristique courant tension fait apparaître un courant collecteur proportionnel à l éclairement. NAJJAR M. 26

27 Le phototransistor silicium n est pas très performant car la base doit être relativement épaisse, à cause de la grande profondeur d absorption du matériau. Le phototransistor a un gain et une fréquence de transition assez faible. Pour les télécommunications optiques, on développe des phototransistors en semi-conducteurs (Ga AlAs/GaAs) sensible jusqu à 900nm, et GaInAs/InP jusqu à 1600nm. Ces phototransistors plus performants ont un gain de 100 à 150 et une fréquence de transition de 1 à 2GHZ. NAJJAR M. 27