composants optoélectroniques p. lévêque cnrs-iness, strasbourg
TRANSCRIPT
Composants optoélectroniques
P. Lévêque
CNRS-InESS, Strasbourg
Plan du cours
1 Introduction2 Interaction rayonnement-semiconducteur3 Photodétecteurs4 Emetteurs de rayonnement à semiconducteur
Plan du cours
1 Introduction2 Interaction rayonnement-semiconducteur3 Photodétecteurs4 Emetteurs de rayonnement à semiconducteur
Photoémetteurs
-Diode électroluminescente LED-Laser à semiconducteur-Emetteurs à SC et télecommunications
Photoémetteurs
-Diode électroluminescente LED-Laser à semiconducteur-Emetteurs à SC et télecommunications
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Principe : jonction p-n polarisée en direct
Jonction p-n polarisée en direct
EV
EC
EFp
WdiffusionEF
diffusionEF
p n
E
VF
EFneVF
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Principe : jonction p-n polarisée en direct
Jonction p-n polarisée en direct
W
EV
EC
EFp
EFneVF
n
p
Ln
Lp
h
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Rappel : jonction p-n polarisée en direct
p n
VF W
xdp dn
Ln Lp
pnF x)/L(xkT
eV
nnon e1eppp
Ln(p) << dn(p)
x’c
xp xnxc
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Rappel : jonction p-n polarisée en direct
p n
VF W
xdp dn
Ln Lp
pnF x)/L(xkT
eV
pd
p2i
p e1eLN
Den(x)j
x’c
xp xnxc
x
peD(x)j pp
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Principe : jonction p-n polarisée en direct
Si VF est suffisante W étroite rôle mineur dans émission
Injection de trous dans zone de type n
1e
LN
Den)(xj kT
eV
pd
p2i
npF
Injection d’électrons dans zone de type p
1e
LN
Den)(xj kT
eV
na
n2i
pnF
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Principe : jonction p-n polarisée en direct
Courant total J conservatif (indépendant de x)
)(xj)(xjJ pnnp
na
n2i
pd
p2ikT
eV
LN
Den
LN
Den1eJ
F
JS
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Principe : jonction p-n polarisée en direct
Taux d’injection des porteurs minoritaires
J
)(xjγ;
J
)(xjγ
npp
pnn
1N
N
τμ
τμ
NLD
NLD
γ
γ
a
d
np
pn
anp
dpn
p
n (n >> p)
Recombinaisons essentiellement dans zone p
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Structure LED
n
substrat
pSiO2
Al
Au
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Spectre d’émission
Lié à Eg de SC de type p et au dopant utilisé
III-V miscibles : GaAsxP1-x ; GaxIn1-xP
Eg = Eg (x)
Emission dans le bleu difficile
GaN
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Spectre d’émission
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Spectre d’émission
Matériau Pic (nm) Couleur Rendement (%)
GaAs (Si) 1000 IR 10
GaAs (Zn) 900 IR 0.1
GaP (Zn, O) 699 Rouge 4
GaAs0.6P0.4 (Te) 644 Rouge 0.2
GaAs0.35P0.35 (S, N) 632 Orange 0.2
GaP (N) 690 Jaune 0.1
GaAs0.15P0.85 (S, N) 589 Jaune 0.05
GaP (N) 570 Vert 0.1Gapindirect
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Rendement Rendement quantique interne i
nrr
rri rr
r
r
rη
Taux de recombinaison radiatif
ornr
nrr
r τ
Δnr;
τ
Δnr
1ττ
τη
nrr
nri
(nr >> r SC à gap direct)
Rendement radiatif
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Rendement Rendement optique o
Photons réabsorbés avant sortie de la diode
Réflexion totale
Semiconducteur (n1 ~3.5)
Air (n2 = 1)
1
2
Loi de Snell-Descartes
n1sin1 = n2sin 2
rt 16θ
3.5
π/2sinsinθ rtrt
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Rendement Rendement optique o
Photon réfléchià interface air/SC
Photon sortantde la diode
rt
Angle solide couvrant espace :
4πdθsinθdφΩ2π
0
π
0o
Angle solide sous-tendu par rt :
rt
2π
0
θ
0rt cosθ-12πdθsinθdφΩ
rt
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Rendement Rendement optique o
R)-(1
2
θT
4π
cosθ-12πT
Ω
Ωη
2rtrt
o
rto
n = 3.5 o = 1 %
+ interface transparent en plastique d’indice np = 1.5
o = 4 %
+ interface hémisphérique (incidence normale)
T = 96 %
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Rendement
Rendement quantique externe e
e = i o =
Rendement global
él.
opt.
W
Wη
él.
ph
N
N Nb photons émis
Nb porteurs traversant p-n
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Rendement Rendement global
él.
opt.
W
Wη
ds
ge
él.
ph
VIr
/eEη
eVN
hNη
LED AlGaInP (rouge / jaune) > lampe à incandescence
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Temps de réponse, fréquence de coupure
Modulation par courant injecté dans la diode
Fréquence de modulation limitée par diffusion dans jonction
p n
Vo+V1sin(t) W
dp
Ln
- dp >> Ln
- Vo >> V1
- faible injection
~ constant
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Temps de réponse, fréquence de coupure
Distribution des électrons dans zone p :
n2
2
n τ
t)Δn(x,
x
t)n(x,D
t
t)Δn(x,
avec tj1o (x)eΔn(x)Δnt)Δn(x,
Vo V1sin(t)
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Temps de réponse, fréquence de coupure
Distribution des électrons dans zone p :
0L
(x)Δn
x
(x)n2n
o2
o2
0L
(x)Δn
x
(x)n2*
n
12
12
avec
nnn τDL
n
nn*n τj1
τDL
ω
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Temps de réponse, fréquence de coupure
Distribution des électrons dans zone p :
n
p
L
)x-(x-
poo )e(xΔn(x)Δn
*n
p
L
)x-(x-
p11 )e(xΔn(x)Δn
(dp >> Ln)
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Temps de réponse, fréquence de coupure
Courant traversant la jonction :
J = jn(xp) + jp(xn) ~ jn(xp)
tj
x
1n
x
on
xn e
x
ΔneD
x
ΔneD
x
t)Δn(x,eDJ
ppp
ω
soit tjo eωJJJ ω avec )(xΔn
L
eDωJ p1*
n
n
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Temps de réponse, fréquence de coupure
Nombre de photons émis (/cm2 s) : N
e = i o =él.
ph
N
N Nb photons émis
Nb porteurs traversant p-n
dxτ
Δneηdx
τ
Δnηdx
τ
ΔnηN
ppp x n
1tje
x n
oe
x ne
ω
soit tjo eωNNN ω avec )(xΔn
τ
LηωN p1
n
*n
e
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Temps de réponse, fréquence de coupure
)(xΔnτ
LηωN p1
n
*n
e )(xΔnL
eDωJ p1*
n
n et
Efficacité de modulation ωJ
ωNωR
Modulation du rayonnement
Modulation du courantd’excitation
n
e2
n
*ne
τj1
1
e
η
L
L
e
ηωR
ω
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Temps de réponse, fréquence de coupure
Efficacité de modulation n
e
τj1
1
e
ηωR
ω
avece
ηR e
o (efficacité de modulation basse fréquence)
etn
c τ
1ω
2
c
o
ωω
1
RωRR
(passe-bas)
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Temps de réponse, fréquence de coupure
Fréquence de coupure
oro
n Bp
1τ
2π
ωf cc
(B : probabilité de transition radiative)
fc augmente si po (dopage) augmente
Utilisation de forts dopages dans limites de solubilité
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Temps de réponse, fréquence de coupure
Fréquence de coupure2π
Bp
2π
ωf occ
fc = 114 MHz
Ex : GaAs
Limite de solubilité ~ 1018 /cm3 et B = 7.2x10-10 cm3/s
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Temps de réponse, fréquence de coupure
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Brillance : Br (W/sr m2)
Emission dans demi-plan et non isotrope
Bro brillance dans direction axiale ; S surface émettrice
Flux d’énergie t = SBro
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Structure des LEDs usuelles
3 applications usuelles :
- affichage- photocoupleurs- transmission par fibre
Application conditionne la structure
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Structure des LEDs usuelles : affichage
- Emission dans le visible (Eg)
- Surface émettrice suffisante (géométrie)
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Structure des LEDs usuelles : photocoupleurs
LED Photo diode (Si)
Circuit 1 Circuit 2
Transmission de signaux logiques entre 2 circuits isolés
Emission LED compatible avec Si : GaAsP
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Structure des LEDs usuelles : transmission par fibres
- Emission LED compatible avec = 1.3 ou 1.5 µm
- Possibilité de modulation
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Structure des LEDs usuelles : caractéristique commune
Fort rendement quantique interne i
Matériaux purs (chimique et cristallographique)
(nr >> r)
Réalisations de couches épitaxiées
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Structure des LEDs usuelles : Molecular Beam Epitaxy (MBE)
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Structure des LEDs usuelles : Molecular Beam Epitaxy (MBE)
Ga
As
P
dopants
Ultravide (10-10 Torr)Dopage durant croissanceNettoyage substrat in-situTsubstrat ~ 400-900 °CVitessedépôt ~ 10-3-0.3 µm/min
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Structure des LEDs usuelles : GaAs0.35P0.65 (orange)
GaP n+
isolant
contact
GaAsxP1-x (0<x<0.35)
GaAs0.35P0.65
GaAs0.35P0.65 nGaAs0.35P0.65 p
contact
Germe (cristal) + conductivité
Couche tamponaccord du paramètre de maille
Couche activeinjection des électrons (n)
Recombinaison (p)gap direct pour x = 0.35
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Structure des LEDs usuelles : GaAs0.35P0.65 (orange)
Encapsulation
- Protection de LED et contacts- Augmente rendement (discontinuité d’indices,
diminution de réflexion : incidence normale)
PhotoémetteursDiode électroluminescente LED
Exemple de LEDs usuelles
Photoémetteurs
-Diode électroluminescente LED-Laser à semiconducteur-Emetteurs à SC et télecommunications
Photoémetteurs
-Diode électroluminescente LED-Laser à semiconducteur-Emetteurs à SC et télecommunications
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Principe
LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
- 1917 : découverte de l’émission stimulée (Einstein)- 1960 : premier LASER à rubis (Maiman)- 1958 : théorie de LASER à semiconducteur (Aigrain)- 1962 : premier LASER à semiconducteur (AsGa)
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Principe : Laser E
0
Pompage(excitation externe)
1
23
Durée de vie dans état 2 >> durées de vie transitions (3 → 2) et (1 → 0)
N2 > N1 : inversion de population
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Principe : Spécificité des lasers à semiconducteur
Niveaux discrets remplacés par bandes d’énergie
N2 > N1 EFn-EFp > Eg (condition d’inversion)
Rayonnement amplifié réabsorbé par transitions intrabandes
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Principe : Spécificité des lasers à semiconducteur
EFn-EFp > Eg (condition d’inversion)
E
EV
EC
EF
Eg
N(E)
E
EV
EC
EFp
Eg
N(E)
EFn
E
EV
EC
EFp
Eg
N(E)
EFn
Équilibre thermodynamique Inversion (0 K) Inversion (RT)
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Principe : Spécificité des lasers à semiconducteur
Rayonnement réabsorbé par transitions intrabandes
h
E = h
E = h
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Principe : Jonction p-n dégénérée polarisée en direct
Régions n et p très fortement dopées ; régime de forte injection
Extréma BV et BC perturbés
Gap effectif E’g < Eg
Laser à injection ou diodes lasers
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Principe : Jonction p-n dégénérée polarisée en direct
p n
Eg
Ec
EF
Ev
Equilibre thermique
p n
Eg
Ec
EFv
Ev
Polarisation directe
EFc
VF
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Principe : Jonction p-n dégénérée polarisée en direct
p n
Eg
Ec
EF
Ev
Equilibre thermique
p n
Eg
Ec
EFv
Ev
Forte injection
EFc
VF
d
Zone d’inversion
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Principe : caractéristiques communes
- faibles dimensions (~ µm)- puissance et cohérence spatiale << lasers conventionnels - rendement >> lasers conventionnels (conversion efficace)- grande facilité de modulation (transmission par fibres)- spectre couvert visible proche IR (III-V ; II-VI)
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Gain : g(E)
(E) : flux de photons dans le matériau
dx
Ed
(E)
1g(E)
Gain
(gain ↔ coefficient d’absorption (E) si g(E) < 0)
xEgo (E)eΦΦ(E)
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Gain : g(E)
rst(E) : taux d’émission stimulée
Φ(E)
(E)rg(E) st
rst(E) = (Nb photons créés par stimulation) / V t
Injection donnée, g = g(E)
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Gain : g(E)
Condition d’émission stimulée :
g(E) > 0 (inversion de population)et
g(E) supérieur aux pertes (transitions intrabandes)
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Gain : g(E)
h
E = h
E = h
Transitions intrabandes
Absorption par porteurs libres (Auger)
Coefficient d’absorptionpar porteurs libres p(E)
Coefficient net d’absorptionA(E) = g(E) - p(E)
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Gain net : A(E) = g(E) - p(E)
Condition d’émission stimulée : A(E) > 0
- augmentation de l’intensité du signal lumineux émis- directivité de l’émission (direction la + grande de diode)
Diode superradiante
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Gain
Electrodes métalliques
p
n
Zone active
L
d
L : longueur de la diode ~ 300 µmd : épaisseur de zone active ~ 0.2 µm
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Gain
Semiconducteur, n ~ 3.5
Réflexion (~ 30 %) interface air / SC
Cavité résonante (Fabry-Pérot)
p
n
L
Photon stimuléémis
Photons transmis
d
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Gainp
n
L
Photon stimuléémis
d
M1 M2/3
M4/5
Flux en M1 : (E) flux (E)eA(E)L en M2 (avant réflexion)
flux R(E)eA(E)L en M3 (après réflexion)
flux R(E)e2A(E)L en M4 (avant réflexion)
flux R2(E)e2A(E)L en M5 (après réflexion)
Résonance si R2(E)e2A(E)L > (E)
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Gain Condition de résonance : R2(E)e2A(E)L > (E)
R
1Ln
L
1(E)αg(E) p
Avec p(E) ~ 70 cm-1 ; n = 3.6 ; R ~ 30 % ; L = 300 µm
g(E) > 100 cm-1
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Gain
E
g(E) (cm-1)
50
100
150
p
p+ (1/L)Ln(1/R)
E’g E1 E2 E’2 E’1
E0
Pas de photonémis
E < E’g
Pas d’inversionémission
spontanée
E > E0
A(E) < 0émission
spontanée
A(E) < 0émission
spontanée
résonanceémissionstimulée
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Distribution spectrale du rayonnement sans résonance
kT
ΔF)-(E
spst e-1(E)r(E)r où F = EFn - EFp
Position de raie stimulée : 0dE
(E)drst
1e
1(E)r
kT
1
dE
(E)dr/kTEΔFsp
maxr
sp
st
> 0 (inversion)
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Distribution spectrale du rayonnement sans résonance
0dE
(E)drst 1e
1(E)r
kT
1
dE
(E)dr/kTEΔFsp
maxr
sp
st
0dE
(E)drlim
maxr
sp
ΔFst
Raie d’émission stimulée sur flancmontant de rsp(E) = f(E)
0dE
(E)dr
maxr
sp
st
Forte injection (F grand)raie d’émission stimulée
au maximum du spectre d’émissionspontanée
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Distribution spectrale du rayonnement sans résonance
(E)
EFaible injection
pas d’émission stimulée
Forte injectionémission stimulée
Très forte injectionémission stimulée
Pic d’émissionstimulée sur le flanc
montant de rsp(E)
Pic d’émissionstimulée au maximum de rsp(E) à très forte
injection
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Distribution spectrale du rayonnement avec résonance
L
k = 1 k = 2 k = 3 d
Résonance possible pour k modes avec 2nL = k
milieu d’indice n
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Distribution spectrale du rayonnement avec résonance
2nL = k
1λ
n
n
λ
λ
2nL
λ
k2
entre 2 modes, k = -1
distance intermode2nL
λ
λ
nλn
2L
λλ
212
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Distribution spectrale du rayonnement avec résonance
E (eV)
E (eV)
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Distribution spatiale du rayonnement
l ~ 10 µm
d < 1 µm
L ~300 µm
n
1 %
d
Variation d’indice (~ 1 %) dans zone de forte injection
Guide d’onde (confinement)
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Distribution spatiale du rayonnement
l ~ 10 µm
d < 1 µm
L ~300 µm
Amplification maximaledans la direction la plus
grande (L)
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Distribution spatiale du rayonnement
l ~ 10 µm
d < 1 µm
L ~300 µm
1
2
= 1 µm ~ d ~ l
Ouverture faisceauconditionnée par
diffraction
6l
λθ1
60d
λθ2
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Courant de seuil : Jo
Courant excitateur JFlux (E)
J
Jo
Emission spontanée ~ J
Emission stimulée ~ J
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Courant de seuil : Jo
J = jn(xp) + jp(xn) ~ jn(xp) (n >> p)
Hypothèses : - zone active homogène
- e- injectés recombinés dans zone active
d
Δj
x
j nn
0dxj pn
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Courant de seuil : Jo
d
J
d
xj
d
dxjxj
d
Δj
x
j pnpnpnnn
red
J
dt
dn (équation de continuité)
i
stn
stsp iR
τ
nRRr
Durée de vie des e- en régime d’émission spontanée
Taux de recombinaison des e- stimulés dans mode i
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Courant de seuil : Jo
Taux de recombinaison des e- stimulés dans mode i
Taux d’émission de photons stimulés dans mode i
L
i = 1 i = 2 i = 3 d
milieu d’indice n~
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Courant de seuil : Jo
Taux de recombinaison des e- stimulés dans mode i
Taux d’émission de photons stimulés dans mode i
iist (n)NARi
Densité de photons sur le mode i
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Courant de seuil : Jo
iist (n)NARi où Ai(n) ~ gain du laser
On stipule Ai(n) = Ain avec Ai (cm3/s)
i
iin
nNAτ
n
ed
Jr
ed
J
dt
dn
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Courant de seuil : Jo
iii rg
dt
dN
Génération de photon dans mode i
Recombinaison de photon dans mode i
niiii τ
nγnNAg
Probabilité de génération spontanée d’un photon dans mode i
N
ii τ
Nr
Durée de vie d’un photon dans mode idans la cavité
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Courant de seuil : Jo
N : Durée de vie d’un photon du mode i dans la cavité
R
1Ln
L
1α
n~c
τ
1p
N
Vitesse du photon dans cavité d’indice n~
Pertes dans la cavité
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Courant de seuil : Jo
N
i
niii
i
τ
N
τ
nγnNA
dt
dN
i
iin
nNAτ
n
ed
J
dt
dn
Hypothèses : - diode monomode
- i ~ 0
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Courant de seuil : Jo
Nτ
NAnN
dt
dN
AnNτ
n
ed
J
dt
dn
n
En régime stationnaire, J constant n et N constants
ed
J
τ
n
τ
N
nN
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Courant de seuil : Jo
ed
Jτn n
Si J < Jo, N négligeable(rayonnement spontané seulement)
ed
J
τ
n
τ
N
nN
eted
J
τ
nR
nsp
J
Jo
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Courant de seuil : Jo
ed
τJn no
o Si J = Jo
ed
J
τ
n
τ
N
nN
et
J
Jo
0τ
NAnN
dt
dN
N
No Aτ
1n
R
1Ln
L
1α
n~c
Aτ
ed
τAτ
edJ p
nnNo
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Courant de seuil : Jo
ed
τJnn no
o Si J > Jo
ed
J
τ
n
τ
N
nN
J
Jo
(n diminue car émission stimulée → n sature)
0NAnτ
n
ed
Jo
n
o
oN
onJJ
ed
τ1
J
J
Aτ
1N
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Courant de seuil : Jo
E (eV)
Comportement réel
diodes multimodeszone active non homogène
(comportement filamentaire)
Mode plus intense peut changer au cours du temps
(influence dans communication par fibres)
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Fréquence de coupure
J
Jo
Variation linéaire = f(J)
Modulation d’amplitude pour communication par fibre
Fréquence de coupure fc conditionnée par n
LED émission spontanée, n ~ 1 nsDiode laser, n plus faible (émission stimulée) fc plus grande
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Fréquence de coupure
J’ = J + Jejt avec J > Jo ; J << J – Jo
n’ = n + nejt
N’ = N + Nejt
tjtj
n
tjtjNeNnenA
τ
nen
ed
JeJ
dt
dn'
ΔΔΔΔ
AnNτ
n
ed
J
dt
dn
n tjnetj
dt
dn
dt
dn' Δ
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Fréquence de coupure
En régime stationnaire, 0AnNτ
n
ed
J0
dt
dn
n
ed
ΔJNAnjωAN
τ
1n
n
ΔΔ
tjtj
n
tjtjNeNnenA
τ
nen
ed
JeJ
dt
dn'
ΔΔΔΔ
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Fréquence de coupure
De même,
0NjωAnτ
1-nAN
N
ΔΔ
Nτ
NAnN
dt
dN
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Fréquence de coupure
0NjωAnτ
1-nAN
N
ΔΔ
ed
JNAnjωAN
τ
1n
n
ΔΔΔ
et
oN
onJJ
ed
τ1
J
J
Aτ
1N
(J > Jo)
No Aτ
1nn (n sature car émission stimulée)
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Fréquence de coupure
0τ
njω-n1
J
J
ττ
1
NonN
ΔΔ
ed
J
τ
Njω
J
J
τ
1n
Non
ΔΔΔ
On pose
1
J
J
ττ
1ω
onN
20 et
on J
J
τ
1
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Fréquence de coupure
0τ
njω-nω
No
ΔΔ
ed
J
τ
Njωβn
N
ΔΔΔ
/ωωω/ωjβ/ω
1
ω
1
ed
Jn
oooo
ΔΔ
jβωω
1τ
ed
JN
22o
N
Δ
Δ
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Fréquence de coupure
jβωω
J/J
ττ
1
N
N22
o
o
nN
ΔΔmodulation
On poseoω
βγ et 2
o
o
nNo
ω
J/J
ττ
1A
Δ
Amplitude de modulation2/1
2o
22
2
2o
2
o
ω
ωγ
ω
ω1
A
N
NA
Δ
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Fréquence de coupure
2/1
2o
22
2
2o
2
o
ω
ωγ
ω
ω1
A
N
NA
Δ
A ~ Ao si << o
A ~ Aoo2/2
si >> o
A = Amax = Ao/si >> o
Fréquence de résonance
2/1
onN
oo 1
J
J
ττ
1
π2
1
π2
ωf
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Fréquence de coupure
0.01
0.1
1
10
100
0.01 0.1 1 10
n
N1/2
A/A
o
fo
Amax
J=1.01Jo
J=1.1Jo
J=1.5Jofo augmente
avec J
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Fréquence de coupure
Ordres de grandeur
n ~ 10-9 s (LED émission spontanée)
R
1Ln
L
1α
n~c
τ
1p
N
avec p ~ 60cm-1, L ~ 300 µmR ~ 30 % et ~ 3.5n~
N ~ 10-12 s
Pour J = 1.1Jo GHz6.11J
J
ττ
1
π2
1f
2/1
onNo
10 x supérieure à fc pour LED
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Structure réelle des diodes lasers : double hétérojonction (DH)
l ~ 10 µm
d ~ 0.1 µm
L ~300 µm
p GaAs1 µm
Confinement des électrons et des photons dans zone active
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Structure réelle des diodes lasers
Confinement des photons dans zone active par variationimportante d’indice entre AlGaAs et GaAs (~ 5 %)
Meilleur confinement que dans homojonction ( )%1~
~
n
n
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Structure réelle des diodes lasers
Confinement des électrons dans zone active par variation
du gap entre Al0.7Ga0.3As (1.9 eV)et GaAs (1.4 eV)
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Structure réelle des diodes lasers
Confinement supplémentaire des électrons dans zone active par irradiation
sélective aux protons
zones fortement résistives
Irradiation aux protons
Zones résistives
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Structure réelle des diodes lasers : double hétérojonction (DH)
Confinement des électrons et des photons dans zone activelimite le courant de seuil Jo
Utilisation de puits quantiques (hétérostructures qqs 10 nm)augmente encore confinement des électrons
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Structures verticales (VCSEL)
Vertical Cavity Surface Emitting Laser
Emission de lumière ┴ zone active
- Nombreux lasers sur même substrat- Connexion plus simple avec fibres optiques
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Structures verticales (VCSEL)
Mais un seul passagedes photons dans zone active
résonance
Puissance faible
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Structures verticales (VCSEL)
Distributed Bragg Reflectors
+ confinement
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Structures verticales (VCSEL)
Distributed Bragg Reflectors :
multicouches de semiconducteurd’indice différent
Réflectivité ~ 99.9 % (/ 30 % pour miroirs classiques)
PhotoémetteursLaser à semiconducteur
Structures verticales (VCSEL)
Photoémetteurs
-Diode électroluminescente LED-Laser à semiconducteur-Emetteurs à SC et télecommunications
Photoémetteurs
-Diode électroluminescente LED-Laser à semiconducteur-Emetteurs à SC et télecommunications
PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications
Choix de l’émetteur
- Spectre d’émission compatible avec fibres optiques- Modulation- Couplage émetteur / fibre
PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications
Choix de l’émetteur
Fibres optiques :- transparence et faible dispersion = 1.3 - 1.5 µm- diamètres qqs µm → qqs 100 µm
Emetteurs :- rayonnement modulable = 1.3 - 1.5 µm- surface active de faibles dimensions
LED’s et diodes lasers
PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications
Choix de l’émetteur
LED’s :
moins chères meilleure durée de vie facilement modulables
Diodes laser :
surface active plus faible rayonnement + monochromatique rayonnement + puissant et directif
Diminue dispersion intermodeFavorise couplage
PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications
Ouverture numérique de la fibre
2n~
2n~
0n~
1n~
r
gaine
cœur
Fibre
Fibre à variation brutale d’indice
PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications
2n~
2n~
0n~
1n~
r
Ouverture numérique de la fibre
r1o sinαn~sinαn~
Réflexion totale
1
2c n~
n~sinθ
Angle d’incidence maximal m ↔ c
0
22
21
m n~n~n~
ArcsinαOuverture Numérique ON
PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications
2n~
2n~
0n~
1n~
r
Ouverture numérique de la fibre
0
22
21
m n~n~n~
Arcsinα
Ex : Cœur en silice dopée (SiO2-GeO2) :Gaine en silice pure (SiO2) :Fibre dans l’air :
53.1n~1 5.1n~2
1n~0
ON = 0.3 et m = 18° (fibres à gradient d’indice moins tolérantes)
PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications
Couplage émetteur-fibre
mΩ
rf dΩBS
LED de surface émettrice S ↔ fibre de section de cœur > S
Flux d’énergie transmis par la fibre :
2n~
2n~
0n~
1n~m
LED
S
m mm cosα-12πΩ
PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications
Couplage émetteur-fibre
mΩ
rf dΩBS mα
0rf sinαB2πΦ dS où Br : brillance
or Br = Bro cos (Bro : brillance dans direction axiale)
20
2
rom2
rofn~
ONπSBαsinπSBΦ
PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications
Couplage émetteur-fibre
20
2
rofn~
ONπSBΦ : flux transmis par fibre
: flux total émis par la dioderot πSBΦ
Rendement de couplage c
20
22
21
20
2
t
fc
n~n~n~
n~ON
Φ
Φη
c ~ 10 % pour ON = 0.3
PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications
Couplage émetteur-fibre
Rendement de couplage : 20
22
21
20
2
t
fc
n~n~n~
n~ON
Φ
Φη
Si surface de la fibre Sf < S c réduit de Sf / S
Couplage optimal si ON maximal et Sf > S
PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications
Couplages LED-fibre
PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications
Couplages LED-fibre
PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications
Couplages LED-fibre
PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications
Couplages diode laser-fibre
PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications
Couplages diode laser-fibre
PhotoémetteursEmetteurs à SC et télécommunications
Couplages diode laser-fibre
Composants Optoélectroniques
Références
H. Mathieu : Physique des semiconducteurs et des composants électroniquesMasson
S.M. Sze : Semiconductor devicesWiley
http://britneyspears.ac/lasers.htmhttp://www.arcelect.com/fibercable.htmhttp://www.lanshack.com/fiber-optic-tutorial-fiber.asphttp://www.nepcorp.com/http://www.rohm.com/products/shortform/18led/led_index.htmlhttp://micro.magnet.fsu.edu/primer/lightandcolor/ledsintro.htmlhttp://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diodehttp://www.ecse.rpi.edu/~schubert/Light-Emitting-Diodes-dot-org/