TP Optoélectronique : Les composants de base en Optoélectronique. Caractérisations et Applications.

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1 1/7 TP Optoélectronique : Les composants de base en Optoélectronique. But : Le but de ce TP est de passer en revue les principaux composants optoélectroniques et, de mesurer leurs caractéristiques électriques et optiques. Leur caractérisation permettra ensuite de réaliser une ligne de transmission optique. Pour chacun des composants on demande : -De tracer point à point les caractéristiques tension-courants (U-I) de chacun des composants (éventuellement en fonction de l éclairement) -De tracer point par point les caractéristiques puissance optique-courants (L-I) -De mesurer les constantes de temps de ces composants (temps de commutation temps de montée, temps de descente), et les gains, et de comparer leurs performances respectives. -D observer les non-linéarités éventuelles : Saturation, seuil. Réaliser ensuite une ligne de transmission à fibre optique contenant une émetteur et un récepteur LISTE DES COMPOSANTS OPTOELECTRONIQUES A ETUDIER -Les LEDS et les LASERS à semiconducteurs. (SFH 750V ou SFH 450V) -Les Photodiodes (SFH 250V)

2 2/7 jeudi 22 août 2002 Les LEDS et les LASERS à semi-conducteurs. Le but de ce TP est d'apprendre à réaliser une liaison optique pour la transmission de signaux. Avant d'accéder à la réalisation même de cette liaison (3 ème partie du TP), il convient de comprendre les composants qui la compose à savoir les diodes émettrices de lumière (1 er partie) et les photodiodes qui détectent un signal lumineux (2 ème partie). Les LEDs (diode electro-luminescente ) comme les LASERS (LIGHT AMPLIFIED SYSTEMS EMITTING RAYS) à semi-conducteur sont des diodes. Elles ont donc des limitations en courant et en tensions. Les LASERS semiconducteurs sont en général beaucoup plus sensible que les LEDS aux décharges électrostatiques et aux surchages de courants qui se traduit géneralement par la destruction des capacités optiques voire électrique. Pour explorer leurs caractéristiques sans les endommager on utilisera une alimentation comportant des limitations réglables en courant et en tension : Alimentations à caractéristique rectangulaire.

3 3/ Caractéristique électrique BUT : On cherche à tracer la caractéristique courant tension de la LED. SFH 750V Tout d abord régler l alimentation en la limitant à 5V et à 50 ma. Vérifiez rapidement sa caractéristique afin de tester vos réglage. Calculer la valeur de la résistance de protection R p du montage ci dessous pour que le courant maximum dans la LED soit limité à 40mA lorsque la tension aux bornes de la LED (V A -V B ) est de 1.2V, et que le générateur délivre 5V. Pour cela écrire l équation de la maille. Réaliser ensuite le montage la borne de la LED étant indiquée par un méplat sur le boitier ou une patte plus courte. Faire varier e entre 4,5V et 5V par pas de 0.5V et mesurer simultanément V A -V B et V B - V C et en déduire le courant I dans la LED. Tracer directement I en fonction de V A -V B (Graphe 1). Très précautionneusement augmenter e au delá de 5V sans détruire la LED et continuer les mesures. Lorsque la pente s infléchit, ne plus augmenter le courant. Rajouter les mesures obtenues sur le graphe.

4 4/ Caractéristique Optique : Pour mesurer la puissance optique émise par la LED on utilise un puissance-mètre optique composé d une photodiode délivrant un courant proportionnel à la puissance optique reçue et calibré par un microprocesseur pour tenir compte de la longueur d onde de la source optique. Pour mesurer la puissance optique émise par la LED, la placer le plus près possible devant le détecteur et lire directement L la puisssance mesurée. Tracer L en fonction de I y compris pour des valeurs de courant élevé ( e > 5 V ) (Graphe 2) Bilan énergétique: Sur un même graphe (graphe 3) calculez et tracez la puissance électrique fourni à la LED, et la portion d énergie transformer en puissance optique. Comparez ces puissances pour les diffèrentes parties de la courbes. Que pouvez-vous en déduire à propos du claquage des LEDS? Calculez la tempature de la jonction pour le sommet de la caractéristique.

5 5/7 2. Les Photodiodes. SFH 250V Les photodiodes sont des élements optoélectroniquez qui convertissent un signal lumineux en un signal électrique. Elles permettent aussi de mesurer des puissances optiques ou des variations de signaux lumineux trés rapides. A la base, toutes les diodes sont sensibles à l éclairement et géneralement seule une couche de peinture autour du boitier les protège des variations lumineuses parasites Photodiode non polarisée Branchez directement une photodiode sur un voltmètre et comparez la tension délivrée par la photodiode avec et sans éclairement en provenance de la LED. Réaliser ensuite le montage çi dessous en testant différentes valeurs de résistance Rm (1kΩ <Rm<1MΩ...) ( Rp=100Ω) lorsque le GBF délivre un signal continu de 3V. Mesurer la tension aux bornes de Rm. Tracer la courbe donnant le courant fournit par la photodiode en fonction de Rm. Quelle est la résistance optimum pour détecter un signal le plus important possible? Que se passe-t-il pour de faible résistance? pour de grandes résistance? Qu en déduisez-vous pour le courant délivré par la photodiode?

6 6/ Photodiode polarisée : Avec l alimentation continue à caractéristique rectangulaire, appliquer maintenant une tension de e p entre A et C. (Rm=1kΩ). Régler le GBF pour qu il délivre une tension continue e 1 =1,2V. Faire varier e p entre 20V et +2V et mesurer la tension V BC correspondante, en déduire le courant de la photodiode Ip. Tracer V AB en fonction de Ip pour e 1 =2V, e 1 =5V et e 1 =0V sur le même graphe. Pour quelle valeur de e p la photodiode est elle la plus sensible?, pour quelles valeurs cela semble-t-il linéaire? Mesurer la puissance optique émise par la LED et reçu par la photodiode, et calculer le gain maximum K (A/W) en Ampére par Watt optique reçu par la photodiode Temps de commutation : Régler le GBF pour qu il délivre un signal créneaux de 0.2V d amplitude avec une composante continue de 1,3V. Régler le générateur pour avoir e p =-10V. Observer la forme des signaux V BC. Augmenter la fréquence jusqu à observer une distorsion et mesurer le temps de montée des signaux. En déduire la bande passante du système.

7 7/7 3. Ligne de transmission Optique. Le but de ce paragraphe est d utiliser une LED, une photodiode et une fibre plastique pour réaliser une ligne de transmission optique, et caractériser le canal de transmission. On étudiera l importance de la linéarité dans la transmission. Réalisez le montage ci dessus. En prenant Rp=200 Ω, e 1 étant un signal créneaux variant entre 0 et 5V. e p =-10V, et Rm=20 à 50 k Ω Observez et relevez, le signal émis et le signal transmis pour une fréquence de 100MHz. Mesurez le temps de montée. Changez e 1 pour avoir une sinusoïde de 5Vpp avec un offset de 2,5V. Observez et relevez, le signal émis et le signal transmis pour une fréquence de 10KHz et 100MHz. Le signal est il déformé? Même chose pour une sinusoïde avec 2V d offset et une amplitude de 0.5Vpp. Même chose pour une sinusoïde avec 4V d offset et une amplitude de 1Vpp. Comparez avec les caractéristiques de la LED et de la photodiode relevées aux paragraphes 1 et 2. Quelles sont les conditions pour avoir une transmission linéaire (signal non déformé).