l’électronique: La science qui utilise les signaux électriques principalement dans la transmission de l’information dans un câble de cuivre. La photonique: la science qui étudie la transmission d’impulsion lumineuse (photons) dans la fibre optique.

Si on définit un fil électrique de cuivre comme une section métallique conductrice d’électrons

on peut définir la fibre optique comme un fil de verre (aussi mince qu’un cheveu et plus résistante que l’acier) ou autre substance transparente capable de conduire des photons, c’est à dire de la lumière.

les ondes optiques (la lumière) peuvent véhiculer beaucoup plus d’information que le courant électrique se propageant dans des câbles métalliques.

(On a ceci grâce à leur haute fréquence, donc leur très grande vitesse)

Nos sociétés modernes ont de plus en plus besoin de systèmes de télécommunication à grands débits afin de pouvoir transmettre non seulement la voix humaine mais aussi les images.

Les communications par satellite ont été utilisées pour la transmission d’image vidéo à travers toute notre planète.

Cependant, les coûts énormes de mise en orbite et d’entretien des satellites limitent cette technologie aux services publics.

• Les supports de transmission dans le domaine des télécommunications fréquemment utilisés sont le fil de cuivre ou le câble coaxial • Le nombre de communications utilisées par les uns et par les autres fait que les supports traditionnels sont saturés. De plus, ils sont limités en fréquence pour des raisons technologiques.

•L’envoi d’image par téléphone nécessite une capacité de transmission de plusieurs centaines de fois plus importante (impossible avec le système de transmission sur câble) • Il a donc été nécessaire de développer un autre support de transmission : c’est la naissance de la fibre optique. •La découverte de la fibre optique reste l’un des développements les plus récents et intéressants en matière de câblage.

Depuis l’invention des lasers à semi-conducteurs en 1970, des recherches ont permis de réaliser des fibres optiques capables de transmettre un faisceau de lumière à partir de ces lasers sur de très grandes distances Le laser génère une onde optique d’une fréquence 10mille fois plus élevée que celle des générateurs électriques de micro-ondes (1010Hz)

Le laser permet une bande passante énorme (capacité de transfert d’information jusqu’{ 100mille fois par rapport aux autres systèmes. La technologie de communication par fibres optiques est maintenant utilisée par les compagnies de téléphone pour relier non seulement les villes mais aussi les continents. Actuellement la fibre optique remplace le cuivre dans des milliers de réseaux à travers le monde.

Systèmes métropolitains qqs centaines de km max. Echelle d’une ville

Systèmes

d’accés

Systèmes

d’accésSystèmes

d’accès

Systèmes

d’accés

Systèmes

d’accésSystèmes

d’accès

Systèmes longue distance terrestres

~300 km – 3000 km

Echelle d’un continent

Systèmes très longue distance sous-marins

~3000 km – 13000 km

Echelle d’un océan

Fibre optique

Schéma synoptique d’une chaîne de transmission

Signal d'entrée

PhotodiodeDiode laser

Amplificateurde laphotodiode

Signal desortie

Rouleau defibreoptique

Émetteur et récepteur utilisés dans unetransmission par fibre optique

Les trois éléments principaux de la chaîne:

L'émetteur (source de lumière: Laser ou LED)

Le canal de transmission: fibre optique

Le récepteur (photodiode)

La partie émission se compose de: •Un codeur qui adapte l’information numérique { transmettre (modulation). •le module d’émission qui transforment les signaux logiques en impulsions de courant d’injection. •L’émetteur qui convertit les impulsions de courant en puissance lumineuse envoyée { l’entrée de la fibre optique (Laser ou LED).

Le guide d’onde lumineuse : fibre optique La partie réception se compose de:

•le récepteur qui reçoit la puissance lumineuse et le transforme en impulsions de courant (photodiode ou phototransistor). •le module de réception transforme les impulsions de courant en signaux logiques et élimine les distorsions dues à la propagation . •le décodeur reconstitue l’information numérique (démodulation)

Fibre optique Fibre optique

Signal optique

mod

ulat

eur

Dio

de L

aser

Dio

de L

ED

Pho

todi

ode

phot

otra

nsis

tor

dém

odul

ateu

r

Signal

électrique

Signal

électrique

Chaîne d’une transmission téléphonique par fibre optique

1. La parole est convertie en signaux électriques par le microphone (le codeur). 2. Les signaux électriques modulent les ondes optiques générées par le Laser 3. Les signaux optiques sont guidées et transmis par la fibre optique 4. Les signaux optique sont détectés par un photo-détecteur (Photodiode) 5. Le photo-détecteur les convertit en signaux électriques (démodulation) 6. Les signaux électriques sont reconvertis en signaux compréhensibles, ici la

parole: ondes sonores (par le haut parleur)

Exemple de système de télécommunication sur fibre optique

Les données à transmettre se présentent sous forme d'un flux d'informations binaire ou bits, de nature électrique, optique, etc...

La communication de ces données entre un émetteur et un récepteur; nécessite en premier lieu la présence d'une ligne ou support de transmission

Emetteur récepteur

Les différents types de supports: les supports électriques les supports optiques les supports aériens

Les critères de comparaison bande passante Atténuation sensibilités diverses Coût Encombrement poids, etc…

Supports électriques:

câble coaxial ou paire torsadé C’est un lien en cuivre et c'est le moyen

le plus ancien pour transférer des données.

Le signal est de nature électrique.

Exemple : câble dit "téléphonique", FTP cat 5e, 4 paires de fils torsadés.

!!!!

Débits limités de 10 Mbits/s à 100Mbit/s sur de courtes distances.

sensibilité aux perturbations électromagnétiques

atténuation très importante du signal

supports aériens: Les liaisons hertziennes • Systèmes de radio communication • Systèmes de communication par satellites utilisation •des ondes radio électriques diffusion des ondes (10 kHz – 500 kHz) •des micro-ondes : faisceaux hertziens pour les transmissions de données (500 kHz - 40 GHz). 1. Systèmes de radio messagerie

2. Téléphones sans fil à usage domestique et professionnel

3. Radiotéléphones analogiques 4. Radiotéléphones cellulaires

!!!!Ces ondes sont sensibles aux masquages (relief, bâtiments…), aux

précipitations, aux conditions de l'atmosphère, etc…

Support optique: fibre optique • Une fibre optique est un fil de verre transparent très fin qui a la propriété de conduire la lumière

• le signal électrique est converti en signal optique. La fibre est en verre ou en plastique (silice). •Un phénomène optique fait que le signal lumineux est guidé par la fibre. •Elle a un débit d'informations nettement supérieur à celui des câbles coaxiaux (10 Gbits/s) •Elle supporte un réseau large bande par lequel peuvent transiter aussi bien la télévision, le téléphone, la visioconférence ou les données informatiques. •atténuation plus faible •insensibilité aux interférences électromagnétiques • insensibilité aux corrosions chimiques de l'air •faible poids, faible encombrement

Exemple : Fibre à connecteur ST

Fibre optique fil de cuivre

Matériau diélectrique matériau conducteur métallique

Sensibilité nulle aux interférences électromagnétiques aux perturbations radio.. . et non générateur de parasites. Donc grande sûreté de transmission

Grande Sensibilité aux interférences électromagnétiques (milieux industriels)

faible atténuation du signal (0 .1 dB/ km) forte atténuation du signal 20dB/Km et plus

Faible poids, très petite taille (en mm) et le nombre de composants est moins important

Poids lourd et installations plus complexes

Grande durabilité: 20ans et plus Grande résistance aux attaques chimiques et aux variations de température

Dégradation rapide par la corrosion

Très large bande passante (25 THz): grand débit d’information

Largeur de bande limitée (exemple: réseau téléphonique commuté , 1800Hz )

Avantage économique : prix de la fibre pas cher (abondance naturelle de matériaux pour verre ) et entretien presque nul

Coûteux et nécessite beaucoup d’entretien

Les avantages des transmissions sur fibre/cuivre

Hz KHz

103

MHz

106

GHz

109

THz

1012

PHz

1015

EHz

1018

ZHz

1021

YHz

1024

300 000 Km

3 108 m

300 Km

3 105 m

300 m

3 102

30 cm

3 10-1

0,3 mm

3 10-4

0,3

microns

3 10-7

0,3 nm

0,3 pm

0,3

am

Jusqu'à 30 MHz

les couches de l'atmosphère sont

un guide d'onde

micro ondes IR visible UV X et gamma

Téléphone fixe

RTC, réseau

téléphonique

commuté 980

à 1800 Hz

radio

Radars, TV, GSM

téléphones mobiles

900 MHz et 1800

MHz

réseaux sans fil :

2,4GHz et 5GHz

boucle locale radio

3,4GHz et 26GHz

Infrarouge lumière

visible

Ultra

Viole

ts

rayons

X

rayons

gamma

Radiocommunications

de 9 KHz à 60 GHz

fibre optique

de400 à750 THz

Désignation

internationale

Fréquence Longueur

d’onde

Autres appellations Exemples d'utilisation

ELF (extremely

low frequency)

3 Hz à 30 Hz 100 000 km

à 10 000 km

Détection de phénomènes

naturels

SLF (super low

frequency)

30 Hz à 300 Hz 10 000 km à

1 000 km

Communication avec les sous-

marins

ULF (ultra low

frequency)

300 Hz à 3 000 Hz 1 000 km à

100 km

Appareil de recherche de

victimes d'avalanche

VLF (very low

frequency)

3 kHz à 30 kHz 100 km à

10 km

Communication avec les sous-

marins, Recherches

scientifiques...

LF (low

frequency)

30 kHz à 300 kHz 10 km à 1 km grandes ondes ou

kilométriques

Radionavigation,

Radiodiffusion GO, Radio-

identification

MF (medium

frequency)

300 kHz à 3 MHz 1 km à 100 m petites ondes ou

ondes moyennes

Radio AM

HF (high

frequency)

3 MHz à 30 MHz 100 m à 10 m ondes courtes Communication pour les vols

long courrier, Radio-

identification...

VHF (very high

frequency)

30 MHz à 300

MHz

10 m à 1 m ondes ultra-courtes Radio FM, Télévision

UHF (ultra high

frequency)

300 MHz à 3 GHz 1 m à 10 cm ondes décimétriques GSM, GPS, Wi-Fi

SHF (super

high frequency)

3 GHz à 30 GHz 10 cm à 1 cm ondes centimétriques Micro-onde

EHF (extremely

high frequency)

30 GHz à 300

GHz

1 cm à 1 mm ondes millimétriques Radars anticollision pour

automobiles, Liaisons vidéo

Terahertz 300 GHz à 3 000

GHz

1 mm à 100 µm ondes submillimétriques Transmission sur fibre optique

Transmettre des signaux lumineux par des fibres en verre remonte { l’époque de la Grèce antique

où débuta la technique de la fabrication du verre on observa que la lumière pouvait être guidée par un tige de verre

1854

démontra le principe de la réflexion interne totale, qui est à la base du fonctionnement de la fibre optique.

John Tyndall

1927

Baird et Hansell tentèrent de mettre au point un dispositif pour le transport d'images de télévision ou de fax à l'aide de fibres.

Hansell a pu faire breveter son

invention, mais elle ne fut jamais vraiment utilisée

1930

Heinrich Lamm, étudiant en médecine réussit à transmettre l'image d'un filament de lampe grâce à un assemblage rudimentaire de fibres de quartz.

Son but était d’observer des parties du

corps inaccessibles. Cependant, il était encore difficile à

cette époque de concevoir que ces fibres de verre puissent trouver une application

1950

Première application fructueuse de la fibre optique

Le fibroscope flexible fut inventé par Van

Heel et Hopkins. Permettait la transmission d'une image le

long de fibres en verre.

Malheureusement, la transmission ne pouvait pas être faite sur une grande distance

1960

invention du laser

Le laser offrit une occasion de transmettre un signal avec assez de puissance sur une grande distance

Theodore Maiman

1964

Kao a émis l’idée de l’amélioration de performances des fibres.

décrivit un système de communication à

longue distance en mettant à profit l'utilisation conjointe du laser et de la fibre optique.

en 1966, il démontra expérimentalement

qu'il était possible de transporter de l'information sur une grande distance sous forme de lumière grâce à la fibre optique.

1970

Trois scientifiques de la compagnie Corning Glass Works de New York, produisirent la première fibre optique qui peunt être utilisée dans les réseaux de télécommunications

Leur fibre optique était en mesure de transporter 65 000 fois plus d'information qu'un simple câble de téléphone

1977

Le premier système de communication téléphonique optique fut installé au centre-ville de Chicago en 1977.

On estime qu'aujourd'hui plus de 80 % des

communications à longue distance sont transportées le long de plus de 25 millions de kilomètres de câbles à fibres optiques partout dans le monde

1973 : la Air Force installe une liaison téléphonique par fibre optique au bord d’un de ses avions:

ceci revient à remplacer 302 câbles de cuivre (longueur totale 1250 m, poids 40 kg)

par 12 fibres (longueur totale 76 m, poids 17 kg).

quand : en 1977

où: à Chicago par la compagnie AT&T

débit : 44.7 Mbits/s = 44.7x106 bits/s

nombre de conversations téléphoniques simultanées

sur la même fibre: 672

Débit de base par canal :

2.5 Gbits/s = 2.5x109 bits/s;

La même fibre optique transporte jusqu’{ 16 canaux:

2.5 Gbits/s x 16 = 40 Gbits/s

Soit 625 000 conversations téléphoniques en même temps sur une seule fibre optique!

Dernier record de vitesse de transmission en fibre optique, fait durant le mois de mars de l’année 2008, est de 2,56 Tbit/s soit 320Go/s ce qui représente un total de 60 DVD /S. Cette vitesse a été réalisé sur une distance de 4000km.

A la mi-2008, les laboratoires de l'opérateur japonais NTT sont parvenus à maintenir un débit de 14 Tbit/s sur une distance de 160 Km. Pour y parvenir, NTT a réuni 140 canaux sur une même fibre, chaque canal étant capable de transporter les informations à un débit de 111 Gbit/s.

Maroc Telecom a mis en service en 2007 un câble sous-marin en fibre optique D'une longueur de 1634 km « câble Atlas Offshore" reliant la ville d'Asila et Marseille pour un investissement global de près de 300 millions de dirhams. Grâce à une capacité initiale de 40Gbps, extensible à 320Gbps, le câble "Atlas Offshore" va permettre la connexion de plus de 500.000 appels simultanés la construction de cette liaison sécurisée vise principalement à répondre aux besoins en capacité internationale des activités d'offshore au Maroc et d'Internet poussé par le haut débit ADSL et satisfaire la demande croissante des centres d'appels téléphoniques.

Les travaux de construction du réseau à fibre optique de Médi-Télécom ont été lancés. Le réseau parcourra la voie ferrée de l'Office national des chemins de fer.

Le partenariat entre l'ONCF et Méditel aura pour conséquence la construction de 1004 km de fibres optiques pour un investissement total de 340 millions de dirhams, reliant les villes de Casablanca, Rabat, Meknès, Fès, Sidi-Kacem, Larache, Tanger, Tétouan et Marrakech.

Il s'agit de construire deux réseaux de fibre optique, un pour Méditel et l'autre pour l'Office national des chemins de fer.

On s'assigne pour objectif de mieux couvrir l'ensemble du territoire marocain.

La fibre optique est entrain de s’imposer dans les domaines suivants: Téléphonie publique et privé (télécommunications, pour la réalisation des réseaux très hauts débit), Réseaux informatiques , les réseaux sous-marins Télédistribution de l’audiovisuel pour la réalisation des réseaux câblés de télévision, La télévision Haute Définition (TVHD), le téléchargement instantané de vidéos sur PC, la musique haute qualité, les blogs vidéos, le stockage sécurisé des données, les jeux en réseaux… La médecine: la fibre optique est notamment utilisée en chirurgie (pour éclairer l’intérieur du corps et transmettre les images jusqu’au médecin). L’armée: missile { fibre optique (Polyphem).

Partie 1: Etude de la fibre optique

Structure d’une fibre optique

Fabrication des fibres optiques

Principe de base de guidage dans une fibre

Types de fibres optiques

Principales caractéristiques des fibres

Technologie WDM (Wavelength Division Multiplexing)

Partie 2: Emetteurs - récepteurs pour fibre optique

Principe de l’émission de lumière

Emetteurs optiques: diodes LED et LASER

Récepteurs optiques (photodiodes, phototransistors)

OBJECTIFS

découvrir les lois physiques permettant de comprendre la transmission de la lumière dans une fibre optique étudier les composants optoélectroniques permettant la transformation réciproque de la lumière en signal électrique (LED, Laser, photodiode…)

définition de la fibre: Un guide d'onde optique de 2 ou plusieurs couches de diélectriques transparents (verre ou plastique) d'indices de réfraction différents

Cœur (10 { 85 um)

Gaine optique (125 um)

Gaine plastique (250 um)

Anatomie d’une fibre

Structure d’une fibre Un cœur : Partie centrale en verre de silice support physique de la lumière. Les diamètres rencontrés varient de qcq mm à qcq dizaines de mm. Une gaine optique: Couche fine en silice (100um) entourant le cœur d’indice de réfraction plus faible permettant la transmission de la lumière par des réflexions totales internes et guidant ainsi l’onde lumineuse dans le cœur: Guide d’ondes diélectrique Un revêtement: Une gaine en plastique (1-2 mm) qui entoure la fibre optique pour la protection mécanique du cœur ( absorbe les chocs, assure protection contre les courbures) Un câble externe : Un revêtement en Nylon renforce la protection mécanique, protège contre les attaques chimiques dues { l’humidité et offre une résistance { l’eau, aux rayons ultraviolets et aux attaques de rongeurs et oiseaux.

un câble de fibres optiques peut contenir plusieurs fibres optiques avec leurs revêtements.

Types de câbles en fibre optique Il existe trois types de câbles en fibre optique: Les fibres en plastique disposent d’un cœur large (1 mm de diamètre)et transmettent une lumière rouge visible (longueur d’onde = 650 nm) { partir de diodes (LED). les fibres multi-modes de diamètre d’environ 62,5 mm et véhiculent une lumière infrarouge (longueur d’onde = 850 à 1300 nm) provenant de diodes lumineuses (LED). Les fibres monomodes disposent de cœurs très fins (environ 9 mm de diamètre) et véhiculent une lumière laser infrarouge (longueur d’onde = 1300{ 1550 nanomètres).

Les connecteurs à fibre optique intègrent un émetteur et un récepteur dans le même composant. Ils sont installés en parallèlede manière à pouvoir fonctionner indépendamment l’un de l’autre. Le récepteur et le transmetteur possèdent leur propre circuit, ce qui leur permet de gérer une transmission bidirectionnelle.

Connexions

Une fibre ne peut pas mesurer plusieurs kilomètres pour relier un réseau de bout en bout.

Exemple: pour relier Europe et USA, plusieurs fibres sous-marines ont été posées et ont du être soudées entre elles.

On appelle les extrémités sectionnées des fibres des épissures.

La fabrication des fibres se déroule en trois étapes qui sont: 1. la réalisation de la préforme,

2. le retreint,

3. le tirage.

La fabrication de la fibre optique

La Préforme: est réalisée { partir d’un assemblage d’un tube creux de silice (SiO2) pur et une barre de verre pour former un barreau de verre plein. On chauffe le tout pour assurer l’homogénéité du barreau de verre. le retreint : consiste { injecter des dopants { l’état gazeux dans la silice pure (des modifications chimiques) afin d’augmenter l’indice de réfraction du cœur de la fibre par rapport à la gaine.

Le tirage : Le barreau obtenu sera installé verticalement dans une tour et chauffé par des rampes à gaz. Le verre va s'étirer et "couler » pour être enroulé sur une bobine. On mesure l'épaisseur de la fibre (~10mm) pour asservir la vitesse du moteur de l'enrouleur, afin d'assurer un diamètre constant.

Un barreau de verre d'une longueur de 1 m et d'un diamètre de 10 cm permet d'obtenir par étirement une fibre d'une longueur de 150 km environ

Chaque bobine de fibre fait l'objet d'un contrôle de qualité effectué au microscope afin de déterminer s’il y a des défaillances dans la fibre et vérifier le diamètre de la fibre.

Enfin, le verre sera enrobé d'un revêtement de protection (~230 mm) et les fibres seront assemblées pour obtenir le câble final à un ou plusieurs brins.

http://www.dailymotion.com/video/k4RBMG8X9Ue1gHBJZp

La fibre optique est un guide lumineux. L’information est portée par la lumière introduite dans la fibre et qui se propage { l’intérieur.

Comment? par les suites de “lumière absente” ou de “lumière présente”, qui correspondent aux “0” et “1” bits traditionnels.

Elle se propage dans le vide avec la vitesse c=3x108m.s-1.

Sa fréquence f est très élevée f~5x1014 Hz.

Donc une longueur d’onde ~600x10-9m (~ 600nm).

Cœur de la fibre

Elle est basée sur le phénomène de réflexion totale de la lumière à la frontière cœur–gaine de la fibre

gaine

Quels sont les paramètres mises en jeu dans le guidage et la propagation de la lumière dans la fibre optique?

1. Indice de réfraction. 2. angle d’acceptance qui définit la cône d’entrée de la

lumière qui va être guidée dans la fibre .

a

L’indice de réfraction n est le reflet de la résistance du milieu à la

pénétration de la lumière.

Il mesure la vitesse de la lumière par rapport à sa vitesse dans le vide

Dans un milieu différent du vide la lumière se déplace à:

n varie donc en fonction du matériau, de la fréquence et de

la longueur d’onde du rayonnement

n=1 pour le vide, n=1,003 pour l’air

n varie de 1,5 à 1,7 pour le verre en fonction de sa pureté

v

F

v

c

matériauledansVitesse

videledansVitessen

La vitesse de la lumière dans le vide est c=300.000Km/s.

Dans un milieu transparent tel le verre ou la silice la vitesse

de la lumière diminue d’un facteur n appelé indice de

réfraction.

m

1v

( n toujours > 1)

Rappel

Loi de Descartes :

Condition de réflexion totale et angle critique c:

c est l’angle d’incidence limite tel que 2=90° pour lequel il n’y a pas de rayon réfracté, seul subsiste le rayon réfléchi.

Au del{ de l’angle critique (i > c) on a une réflexion totale.

n1 sin i =n2 sin 2

n1

n2

i r

n1>n2, i<2

si n1 < n2, i > 2 M2 est plus dense que M1 Pas de réflexion totale.

2

i= r

Sin c = (n2/n1)

Rappel

Guidage de la lumière dans les fibres •Les fibres sont constituées de deux milieux d'indices optiques différents: • D'un cœur d'indice optique n 1 • D'une gaine d'indice optique n 2 tels que: •un rayon peut être guidé par la fibre s'il subit des réflexions totales aux interfaces entre le cœur et la gaine si la condition suivante est satisfaite:

•l’angle d’incidence à l’interface cœur-gaine i supérieur à l’angle limite d’incidence c

guidage

gaine

Cœur

gaine

n 1 > n 2

i > sin (n2/n1) _1

Avec quel angle d’incidence on peut attaquer l’entrée de la fibre pour guider la lumière dans le cœur?

Cône d’entrée de lumière

2n~

2n~

0n~

1n~a

ar

gaine

cœur

Fibre

Fibre à variation brutale d’indice ( { saut d’indice)

•Un rayon lumineux pénètre dans la fibre sous un angle faible(n0<n1). •L’aptitude d’une fibre { recevoir de la lumière est prédéterminée par son ouverture numérique (cône d’acceptance).

2n~

2n~

0n~

1n~a

ar

Ouverture numérique de la fibre

r1o sinαn~sinαn~

Réflexion totale dans le cœur

1

2c

n~n~

sinθ sinθ

Angle d’incidence maximal am = a ↔c

a angle d’acceptance

2

2

2

1a n~n~Arcsin Ouverture Numérique: ON

ar = /2 – et sin ar = sin(/2 – )cos et n0=1 (air)

sin θa= n1 cos θc =n1 1 - sin θc = n1 1 – (n2/n1) = n1 2 Avec est la différence d’indice normalisée (cœur/gaine)

2 2

2

2

2

1a n~n~sin ON

Pour qu'un rayon soit guidé, il faut que celui-ci soit totalement réfléchi à l'interface cœur /gaine de la fibre, ce qui impose une condition sur l'angle d'incidence du rayon à l’interface cœur-gaine et à la surface d'entrée de la fibre. 1. Condition de guidage dans le coeur: i > c=arcsin(n2/n1)

2. A l’entrée de la fibre : • Si l'angle d'incidence θ est inférieur { l'angle critique θa , le rayon est guidé dans la fibre

• si l'angle θ est supérieur { l'angle d'acceptance θa, le rayon n'est pas guidé (le rayon sera perdu car il engendre un rayon réfracté dans la gaine et s’éteigne au bout de quelques rebonds).

2n~

2n~

0n~

1n~a

ar

Ex1 : 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 a = 18°

Ex2 Soit une fibre dont l'indice optique du cœur est n1 =1.451 et dont l'indice optique de la gaine est n2=1.45, son angle d’acceptance θa est alors: θa = Arcsin(0.05386)=3.087 °

Possibilité d’utilisation d’une source de lumière divergente (LED)

Utilisation d’une source de lumière convergente (Laser)

1. Source de lumière divergente (lampe, LED) 2. Source de lumière monochromatique (Laser)

La fibre

Multi-mode (V> 2,4) Monomode (V< 2,4)

A gradient d’indice

A saut d’indices

V: fréquence normalisée

: longueur d’onde

a: rayon du cœur , nc indice du cœur et ng indice de la gaine

le nombre de modes que peut contenir une fibre est N=V2/2

A saut d’indices

Suivant les dimensions du cœur et les valeurs des indices , on classe les fibres en

deux catégories selon un facteur : V = (2a/) (nc2- ng

2)

En optique, le mot “mode” définit le nombre de chemins possibles empruntables par les rayons lumineux.

Un mode de propagation correspond à un rayon lumineux possédant une inclinaison donnée (angle d’incidence donné). Dans une fibre multi-mode, la lumière peut emprunter un grand nombre de chemins (utilisation d’une source de lumière LED) Dans une fibre monomode, la lumière emprunte un trajet direct (utilisation d’une source de lumière: Laser)

• c’est la première fibre commercialisée. • Elle est appelée ainsi car le changement d’indice de réfraction, donc de milieu, est brusque. • L’indice de réfraction du cœur est constant •Leur principale caractéristique est un diamètre du cœur important par rapport { la longueur d’onde du signal: 50 { 62,5 μm). •Cette fibre accepte une source de lumière divergente (diode LED) • le guidage de la lumière se fait suivant des lignes brisées en zigzag.

Cœur de la fibre : 50 μm.

le trajet du rayon s’incurve progressivement sous forme d’un signal sinusoïdal

Fenêtre spectrale d’utilisation : 850nm 1330 nm

La gaine possède un indice de réfraction progressif, le faisceau lumineux suit une trajectoire d’allure curviligne

Ce type de fibre accepte une source de lumière divergente (LED)

http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/optiqueGeo/dioptres/fibre_optique.html

•Cœur de la fibre : 2 { 10 μm.!!!(le rayon du cœur est quasiment de

l'ordre de grandeur de la longueur d'onde).

Le parcours de la lumière devient presque longitudinal.

Fenêtre spectrale d’utilisation : 1300nm 1550nm

Propagation axiale

•Ce type de fibre nécessite une source de lumière monochromatique (diode Laser)

•la propagation dans une fibre multi-mode suit plusieurs chemins, appelés modes. • Le nombre de modes N est donné par : N=V2/2 Avec :

• chaque mode ayant une vitesse de propagation propre (vitesse suivant l’axe de propagation)

!!!!! Une dispersion dans le signal lumineux

Le dessin indique comment se produit la réflexion des signaux lumineux en fonction de leur angle d'émission. Ce qui démontre que le chemin parcouru n'a pas la même longueur pour tous les rayons. C'est ce que l'on appelle la dispersion modale.

Dispersion

θc (l’angle critique)

i=90°

Explication:

Pour la fibre optique multi-modes { saut d’indice : •le rayon incident parallèle { l’axe optique (oz) parcourt la fibre optique par le trajet le plus court

•Le rayon incident correspondant { l’angle d’acceptance de l’ouverture numérique parcourt le trajet le plus long.

De ce fait il y a dans la fibre optique une dispersion des rayonnements et donc des vitesses des rayons: c’est la dispersion modale. D’où l’idée de réaliser des fibres { gradient d’indice pour rendre homogènes les vitesses de rayons parcourant la fibre et minimiser ainsi la dispersion; mieux encore réaliser les fibres monomodes.

Dispersion Intermodales

Plusieurs modes se propagent à des vitesses différentes

Impulsion à l’entrée

Sortie de fibre

Différences de temps d’arrivé

Fibres multi-modes { saut d’indice

Elargissement de l’impulsion

Atténuation

• Cette dispersion peut être définie comme l’écart entre les différents temps de propagation du groupe des différents rayons présents dans l’ouverture numérique et qui a pour effet d’élargir les impulsions véhiculées dans la fibre.

•Deux impulsions distinctes en entrée de fibre se répartissent sur des chemins différents et donc des temps de parcours différents. • En sortie de fibre, les deux impulsions sont mélangées. • Pour éviter que les impulsions ne se mélangent, il faut les espacer en entrée de fibre.

•En effet la différence de temps entre deux modes proches est plus faible que le temps de réponse d’un photo-détecteur, aussi celui-ci ne reproduira que l’enveloppe des impulsions reçues, et par conséquent un élargissement de l’impulsion initiale.

Si on envoie dans la fibre des impulsions lumineuses qui correspondent { la transmission d’un signal numérique, (ex :101), en sortie de la fibre ces impulsions vont se déformer.

Si la durée Tb séparant 2 impulsions est suffisamment brève, les signaux se recouvrent en sortie rendant le décodage impossible. Il faut augmenter la période du signal numérique.

Expliquons physiquement la dispersion modale :

Le plus court chemin est sur l'axe optique parcouru par le rayon // { l’axe de la fibre :

d: chemin parcouru par le rayon lumineux L: longueur de la fibre

Pour L=1 km, nc=1.43, ng=1.42, Δτ=33 ns, ce qui n'est pas négligeable . On voit que déjà sur 1 km , la dispersion modale introduit un retard notable , c'est pourquoi les fibres multi-modes ne sont utilisées que pour des réseaux locaux à courte distance.

•Le plus long chemin est réalisépar le rayon qui fait l'angle incident limite au-delà duquel il n'y a plus réflexion :

Si on injecte en entrée d'une fibre optique une impulsion lumineuse de couleur blanche, son spectre contient toutes les lumières allant de l'infrarouge à l'ultraviolet. Hypothèse : On suppose que le milieu n'est pas linéaire et que son indice optique n1 varie en fonction de la longueur d'onde. (n1 augmente quand λ diminue) Rouge (650nm)=grande longueur d'onde devant bleu (470nm), En sortie, on constate que l'impulsion s'étale, c'est le phénomène de dispersion chromatique.

Paramètre de dispersion chromatique Δt = K.Δλ.L où : Δt s'exprime en picosecondes K = coefficient dépendant du matériau, Δλ = largeur spectrale équivalente de la source en nm L = longueur de la fibre en km

Spectre d'émission de la source de lumière

Dispersion Chromatique

!! Une vitesse de propagation différente pour chaque longueur d’onde

Différences de temps d’arrivée

Impulsion à l’entrée

Sortie de fibre

Elargissement de l’impulsion

Atténuation

Evolution de l’indice du milieu en fonction de la distance par rapport au centre

Gaine (n2)

Cœur (n1)

r

n1

n2

Le profil d’indice définit différents types de fibres. - Saut d’indice - Gradient d’indice - monomode

2n~

2n~

0n~

1n~a

ar

sin θa= n1 cos θc =n1 1 - sin θc = n1 1 – (n2/n1) = n1 2 ON= n1 2 Avec est la différence d’indice normalisée (cœur/gaine)

L'ouverture numérique traduit l'angle d'entrée des faisceaux lumineux dans la fibre .

2 2

(Δ donnée fabricant) pour n1 ≈ n2 Comme ON = , on peut écrire : ON = n1 Remarque : Δ s'exprime en %, soit : Δ% ≈ .100, en général: Δ% < 1%

C’est la rapidité avec laquelle l’énergie lumineuse se propage d’une extrémité { l’autre du guide d’onde (fibre optique) Vg = Vφ. cos (θ) avec 0 < θ < θL Vf= C/n1 Vg = C.cos (θ)/n1 Vg mini = C.cos (θL)/n1 = C .(n2/n1)/n1 = C n2/n1² Vg maxi = C/n1

Soit une fibre optique de longueur L Le mode le plus rapide se déplace à la vitesse Soit un temps de déplacement mini : tmin= L/Vgmax= Ln1/C Le mode le moins rapide se déplace à la vitesse : Soit un temps de déplacement maxi: tmaxi= L/Vgmin = Ln1/n2 C Soit Δt =tmaxi-tmin soit soit : Δt ≈ Δt représente l’écart de temps entre le mode le plus rapide et le plus lent.

2

Vg maxi = C/n1

la bande passante d'une fibre s'écrit : B.P=

Soit B.P = Produit Bande Passante*Longueur BP*L = = constante Ce produit étant constant, l’usage veut qu’on exprime la bande passante en MHz.km. !!! la dispersion limite la bande passante d’où l’utilisation des fibres multi-modes pour les courtes distances.

Δt représente l’écart de temps entre le mode le plus rapide et le plus lent.

la bande passante d'une fibre s'écrit : B.P=

Soit B.P = 1 / K.Δλ.L K = coefficient dépendant du matériau, Δλ = largeur spectrale équivalente de la source en nm

Produit Bande Passante*Longueur BP*L = 1/ K.Δλ la bande passante en MHz.km. La dispersion chromatique reste très faible , d’où l’utilisation des fibres monomodes pour les longues distances.

Δt représente l’écart de temps introduit par dispersion chromatique

•Au cours de la propagation dans la fibre, la puissance décroît selon la loi : α : est le coefficient d’atténuation en Neper/m. 'α' dépend du matériau (plastique, silice,...) et de la longueur d'onde λ.

On définit plutôt l’atténuation a en dB/km avec L longueur de la fibre.

a

a

dB/Km

Le dessin montre que l'affaiblissement dans la fibre est fonction de la longueur d'onde de la source; il est plus important dans le rouge (850nm diode DEL) que dans l'infrarouge (1300-1550nm diode Laser).

•L'atténuation est constante pour toutes les fréquences du signal utile transmis

•Seule la dispersion lumineuse limite la largeur de la bande passante.

dû à la courbure

Plusieurs sources d’affaiblissement.

Impuretés OH

Pertes liées aux défauts de positionnement lorsqu'on raccorde deux fibres:

Un écart longitudinal , un écart axial , un écart angulaire , ces défauts de positionnement provoquent: une excentricité des cœurs , une ellipticité des cœurs .

Le positionnement idéal coïncide évidemment avec un maximum de lumière transmise.

Plusieurs paramètres, autre la dispersion modale, contribuent à faire perdre de la puissance au signal optique: - l'effet des impuretés , des imperfections , des variations d'indice, les connexions, courbures… - les effets de vibration des liaisons hydroxyde (OH) très difficile à supprimer et qui présentent un pic de forte atténuation autour de 1400 nm , etc… En superposant ces profils d'atténuation , on remarque trois fenêtres spectrales à l'atténuation assez faible - Autour de 900 nm - Autour de 1300 nm - Et autour de 1550 nm Ces trois fenêtres sont celles que l'on utilise couramment pour la transmission.

On montre expérimentalement que les fibres présentent une atténuation minimale (environ 0.2dB/km) pour une longueur d'onde optique de 1550nm. (cela correspond à un minimum d'absorption d'énergie par le matériau de la fibre)

En transmission optique on définit 3 fenêtres de transmission qui correspondent { minimum d’atténuation.

Fibre monomode Ions OH

A l'heure actuelle , le besoin en bande passante est une réalité effective . Mais poser une fibre a un coût non négligeable et on ne peut pas se permettre de poser plusieurs fibres pour augmenter la quantité d'informations transmises. Il est donc nécessaire de faire en sorte d'exploiter au maximum les fibres existantes déjà installées . D'où l'idée du:

Multiplexage: transmettre plusieurs signaux simultanément dans la même fibre.

C’est la combinaison de signaux indépendants en un seul signal composite destiné à être transmis sur une seule fibre optique.

On existe deux types de multiplexage:

Multiplexage temporel (TDM)ou

(multiplexage à répartition dans le temps (MRT)

Multiplexage en longueur d’onde (WDM)

(Multiplexage fréquentiel ou spatial)

A

B

C

D

Multiplexeur

A

B

C

D

Dé-multiplexeur

Diode laser (DL): convertit

le signal électrique en

lumière

Photodiode (PD): convertit la

lumière en signal électrique

Transmission à

1550 nm

Réception à

1550 nm

!! TDM n’utilise qu’une seule longueur d’onde par fibre optique Donc la fibre optique n’est pas exploitée au maximum

Lignes à faible débit (640Kbits/s)

Ligne à débit élevé (64 Mbits/s)

Fibre optique

la technologie WDM (Wavelength Division Multiplexing) met en œuvre un multiplexage de longueurs d’onde ou dans un espace de fréquences.

Cette technique alloue des fractions de la bande passante à chaque communication

L’idée est d’injecter simultanément dans une fibre optique plusieurs trains de signaux numériques sur des longueurs d’ondes distinctes.

Rendu à la réception, on fait le contraire pour router chaque signal { la destination qui lui est propre { l’aide d’un démultiplexeur.

•WDM combine les signaux de différentes longueurs d’ondes pour les faire voyager à travers la même fibre optique. •WDM permet d’exploiter au maximum la capacité de la fibre sans augmenter sa bande passante.

Lasers à spectres fin

•On réalise le multiplexage à partir de plusieurs lasers à spectres fin ou D’un seul laser { spectre large avec un échantillonnage de longueurs d’ondes de l’ordre du 20 nm à 0,2 nm. •Actuellement, on est parvenu à réaliser 256 canaux sur une seule fibre.

L’intérêt de la fibre est que les signaux ne se confondent pas et sont distingués à la réception grâce à des filtres optiques.

Circulation de plusieurs longueurs d’ondes sur une même fibre et au même temps.

Chaque longueur d’onde est représenté par une couleur

Chaque couleur est transmise sur un canal différent

D’où un nombre de canaux exploité qui ne cesse d’augmenter

Le WDM sépare chaque canal de 0.8nm et le DWDM de 0.2nm .

Technologie sans concurrence du point de vue de la capacité.

Accroissement de la capacité obtenu de deux façons :

•Augmentation du nombre de canaux dans la fibre

•Augmentation du débit par canal { l’émission

Technologie à faible coût (l’exploitation des fibres déj{ installées)

Une augmentation de la capacité de 120% par an

Les nouvelles technologies utilisées avec WDM et DWDM:

Fibres amplificatrices dopées à l’erbium (EDFA)

Le répéteur cède la place { l’amplificateur optique (EDFA)

Grand gain au niveau du coût

transmission d’une grande quantité de données sur des canaux de faible capacité

Le signal atténué est mélangé à un signal de pompe de forte puissance (de 10 à 200 mW) grâce à un multiplexeur de longueurs d'onde, et le signal résultant est injecté dans la fibre dopée Er3+. Ceci provoque une amplification du signal à la sortie de la fibre dopée.

Alcatel a établi en laboratoire un nouveau record du monde en transportant une capacité de 5 Tbit/s (125 canaux DWDM à 40 Gbits/s) sur une distance de 1 500 kilomètres de sa fibre optique TeraLight(TM)Ultra. La performance ainsi réalisée permet de transporter simultanément, sur une seule fibre optique, 78 millions d'appels téléphoniques ou plus de 500 000 connexions Internet ADSL. Des liaisons sans répéteur peuvent comporter jusqu'à 48 paires de fibres, l'ensemble acheminant plus de 15 Tb/s sur une distance de 200 km

Variation du coefficient de dispersion chromatique Kmat en fonction de

Signal d'entrée

PhotodiodeDiode laser

Amplificateurde laphotodiode

Signal desortie

Rouleau defibreoptique

Émetteur et récepteur utilisés dans unetransmission par fibre optique

On a besoin de trois éléments principaux:

L'émetteur (source de lumière: Laser ou LED)

Le canal de transmission: fibre optique

Le récepteur (photodiode)

- Spectre d’émission compatible avec fibres optiques

- Bonne Modulation

- Bon Couplage émetteur / fibre

Fibres optiques : - transparence et faible dispersion - diamètres qqs µm → qqs 100 µm

Emetteurs : - rayonnement modulable (choix de longueur d’onde) - surface active de faibles dimensions (fibre est de faible dimensions)

LED’s et diodes lasers assez particulières

1) Ondes électromagnétiques

- Longueur d’onde λ

- Fréquence f = c/ λ

- Célérité c = 300 000 km/s

2) Photons (grains de lumière)

- Énergie E = hf (Einstein 1905) - h : constante de Planck

la lumière cède de l'énergie: cette énergie provient d'une particule appelée PHOTON deux phénomènes distincts. L'effet photoélectrique (photodiode, phototransistor) Lorsqu'un atome est bombardé par des photons, il peut en absorber (il emmagasine leur énergie). Si cette énergie est suffisante, des électrons peuvent passer dans la bande de conduction de l'atome, devenir électrons libres et donner naissance à un courant électrique. C'est la transformation Lumière → Electricité. L'effet photoémissif (LEDs, LASERs) Un électron d'un atome peut quitter la bande de conduction pour descendre dans une bande plus proche du noyau. Dans ce cas il cède de l'énergie. Cette énergie peut apparaître sous forme de lumière: il y a alors photoémission (émission de photons). La couleur émise n'est pas due au hasard, la longueur d'onde dépend étroitement des atomes libérant les photons. Ce phénomène peut apparaître lors du passage d'un courant électrique. C'est la transformation Electricité → Lumière.

Principe

Énergie électrique Énergie lumineuse

Émission spontanée Émission stimulée

Diodes électroluminescentes Diode LASER

•Dans un semi-conducteur, il y a des électrons qui ne peuvent pas bouger (électrons liés). Ainsi que quelques électrons qui sont libres. •Dans l'ensemble des électrons qui ne peuvent pas bouger, il y a parfois des places libres qu’on appelle des trous. •Quand un électron lié reçoit de la lumière (de l’énergie), il peut se libérer, en laissant un trou. • Inversement, quand un électron libre "se range" et comble un trou, il émet de la lumière.

Dans la matière, la production d'énergie lumineuse se fait grâce aux électrons. Ces derniers occupent des orbitales très précises au sein de l'atome, mais si on excite l'atome par un apport d'énergie, par exemple de la chaleur, les électrons absorbent cette énergie et sautent sur des orbitales supérieures.

Les positions d'excitation sont très instables, et dès que l'apport d'énergie cesse, les électrons ont tendance à reprendre spontanément leurs positions d'origine, en restituant leur surplus d'énergie sous la forme de photons. L'énergie des photons ainsi émis, donc leurs longueurs d'ondes, varie en fonction de l'importance "saut" effectué par l'électron pour rejoindre son orbitale stable. Comme chaque électron possède de nombreuses orbitales d'excitation, un même atome peut émettre des photons de longueurs d'ondes très différentes les uns des autres et d’où chaque atome est caractérisée par un spectre propre à elle.

Les électrons ne euvent se trouver que sur des orbites précises (donc des niveaux d’énergie bien quantifiés.)

Les atomes « s’arrangent » en une structure bien déterminée

On définit alors des bandes d’énergie.

3 bandes sont particulièrement intéressantes:

Bande de conduction

Bande de valence

Bande interdite (Wg : gap)

Pour les SC: Wg de l’ordre de 1eV

On distingue deux types de SC:

Intrinsèque: constitué d’un matériau unique (Si ou Ge par exemple)

Extrinsèques: on ajoute une impureté: le passage d’un électron sur la bande de conduction est facilitée par le dopage.

Relation fondamentale: Changement de niveau d’un électron <-> Transfert d’énergie

On définit deux types de transfert d’énergie:

Transition radiative (émission ou absorption d’un photon)

Transition non radiative: (émission d’un phonon: échauffement)

pour les composants opto, le constructeur cherchera à favoriser les transitions radiatives (matériaux de bon rendement quantique ou rendement lumineux)

Un matériau donné ne peut émettre de rayonnement que sur une seule fréquence, correspondant à son énergie de Gap.

En opto, on favorisera les matériaux de type Ga As pour leur plus grande mobilité électronique (5 fois supérieure à celle du Si) et leur possibilité de gap direct

E = hn

Phénomène de l’électroluminescence = émission d’un photon par recombinaison d’une paire électron-trou

Deux principes interviennent : • conservation de l’énergie: Energie du photon = Energie de gap du matériau •conservation du moment : lors d’une recombinaison ou absorption D’où l’utilisation des matériaux { gap direct: le minimum de la bande de conduction est à la verticale du maximum de la bande de valence dans l’espace des moments. •L’Arséniure de Gallium (Ga As) est un semi-conducteur qui possède cette propriété . •Ga As est un composé binaire III-V •La largeur de la bande interdite Eg =1,424 eV donc génère une longueur d’onde 870nm

•La matière peut absorber ou émettre des rayonnements électromagnétiques.

•Au niveau microscopique et quantique, cela correspond à l’absorption ou l’émission de photons par les atomes. •Les atomes changent d’état d’énergie (des niveaux d’énergie électroniques): transition électrique •On distingue trois mécanismes de base : L’absorption

l’émission spontanée

l’émission stimulée

Quand un électron absorbe un photon de lumière, il devient libre et change de niveau d'énergie. Il laisse, à sa place, un trou - susceptible lui aussi de se déplacer.

Remarque: Mais comme l'électron ne peut avoir que des valeurs discrètes d'énergie il ne peut pas absorber n'importe quel longueur d'onde. Un photon avec une énergie trop faible ne sera pas absorbé

Inversement, l'électron peut restituer l'énergie qu'il a prise sous forme de lumière en reprenant sa place. C'est l'émission spontanée.

Quand l'électron se recombine avec le trou, un photon est émis avec une longueur d'onde correspondant à l'énergie de la bande interdite. On va donc pouvoir adapter notre semi conducteur à nos besoins. (pour faciliter cette émission on pourra doper GaAs avec du AlAs car la distance entre leurs différents atomes est à peu près la même.)

"Émission spontanée"

Bohr : hf = E2E1 ►Luminescence

Fluorescence Phosphorescence

►Raies spectrales

Une raie spectrale déterminée correspond à la transition radiative d'un électron entre 2 niveaux d'un système donné (atome, molécule, cristal semi-conducteurs etc…)

Mais un électron ne se range pas toujours très vite, même si il y a des trous. Sauf si... un photon (un grain de lumière) passe. Si ce photon a la même couleur que celui que l'électron devrait émettre pour se ranger, cela provoque le "rangement" de l'électron et l'émission d'un deuxième photon exactement identique.

Ce processus, qui permet d’amplifier une onde lumineuse, est { la base du fonctionnement des lasers.

EINSTEIN

1917

L’amplification de la lumière est possible !

Comparaison de la lumière émise par émission

spontanée (haut) et par émission stimulée (bas).

Ce composant est un émetteur de lumière, il transforme le courant électrique en lumière Son appellation courante LED vient de la contraction de la dénomination américaine Light Emitting Diode. Le silicium et le germanium ne sont pas en mesure de produire des fréquences du domaine de la lumière visible. On utilise alors l'arséniure de Gallium (Ga As) et le phosphore de Gallium (Ga P). Par un dopage approprié de ces composés intermétalliques, on peut obtenir différentes couleurs.

p

n

I (Courrant)

Trous

électrons

Photons Ec

Ev

Eg hn > Eg

E

les photons sont indépendants les uns des autres (différentes phases , directions et fréquences). La longueur d’onde dépend de l’énergie de gap du matériau utilisé

Pour les LED, la circulation d’un courant dans le sens direct produit l’émission spontanée de la lumière (photons) dans la jonction

Principe

Jonction PN dont on a favorisé les combinaisons radiatives

Des électrons atteignent la zone P et se recombinent en émettant un photon de longueur d’onde correspondant { l’énergie de gap du matériau SC ( polarisation directe)

Remarque Favoriser les recombinaisons radiatives imposent un fort dopage

Les photons générés sont centrés sur une gamme de fréquence, leur phase respective est aléatoire et des impuretés dans le matériaux

conduisent à des énergies de gap proches mais différents rayonnement non monochromatique ou non cohérente.

Hétérojonction (constitué { base d’alliages)

Matériau Dopant Longueur

onde (um)

Couleur Rendement

lumineux (%)

Temps de

réponse (ns)

GaAs Si 1 IR 10 10

Ga P Zn O,7 Rouge 5 100

Ga P N 0,59 Jaune 0,1 100

• Cette diode se connecte en direct: (polarisation directe) • Courant direct: 10 { 50 mA selon modèles • La chute de tension directe n'est plus de 0,7 V, les composés intermétalliques n'ayant pas le même seuil de tension que le silicium, on va donc trouver en fonction des couleurs: Infrarouge: Ga As (seuil 1 ... 1,2 V) Rouge: Ga As P (seuil 1,5 ... 2 V), Vert: Ga P (seuil 2 V) .

« Light Amplification by

Stimulated Emission of Radiation »

AMPLIFICATION DE LUMIÈRE PAR ÉMISSION STIMULÉE DE

RAYONNEMENT

Principe de base: LASER: Emission Stimulée par Amplification de la Lumière

L’émission stimulée nécessite une inversion de population

nécessité d’un processus de pompage (excitation extérieure)

L’amplification de la lumière est effectuée par une cavité optique

résonnante (Fabry Perrot) miroirs parallèles

Résultat: Rayonnement monochromatique

Une mise en forme optique est nécessaire pour l’obtention d’un faisceau

Laser = Oscillateur Optique Cohérent

Oscillateur=Amplificateur+Contre-réaction

Amplification: une inversion de la population

Contre-réaction : deux miroirs (TR, PR)

. .

Un milieu actif

Un miroir totalement

réfléchissant

Un miroir partiellement réfléchissant

Faisceau de sortie

Si les miroirs sont parallèles, on peut obtenir l’effet "laser"

"Cavité linéaire"

Un dispositif de pompage

Amplificateur

Émission stimulée par certains photons d’émission spontanée !

pompage pompage

pompage

miroir

totalement réfléchissa

nt

miroir partiellemen

t réfléchissant

Faisceau laser de sortie

amplification

Voir vidéo laser

La puissance optique P(x) du rayonnement : densité de photons (n) d’énergie (hn) traversant un volume V par unité de temps. le milieu où se propage le rayonnement est le siège d’absorption et d’émission stimulée ; (on néglige l’effet de l’émission spontanée) Lors des échanges d’énergie du rayonnement avec le milieu: La puissance perdue par absorption : P12= - hn (n) B N1 La puissance gagnée par émission stimulée : P21= hn (n) B N2 La variation de la puissance du rayonnement dans sa traversée du milieu est: P= P21 - P12= hn (n) B {N2 - N1}

À l’équilibre thermodynamique , on a: N1 >> N2 et donc P < 0 l’absorption est prédominante et le rayonnement est atténué. Pour que le rayonnement soit puissant P> 0 (amplification) il faut : N2>>N1 donc il faut une inversion de population Cette inversion ne peut être assurée que par un processus de pompage extérieur: le pompage consiste à transférer aux particules du milieu l’énergie nécessaire pour faire passer le plus grand nombre de particules de l’état fondamentale { l’état excité

•L’inversion de population étant réalisée pompage optique ou électrique

•l’un des atomes excités émet un photon de fréquence n = (E2 – E1)/h par émission spontanée.

• le photon émis arrivant sur un autre atome excité, va déclencher une émission stimulée, { l’issue de laquelle on obtient deux photons identiques et en phase.

•Ces deux photons vont à leur tour donner lieu à deux émissions stimulées, d’où deux nouveaux photons.

•Et ainsi de suite : le nombre de photons identiques et en phase qui traversent le milieu se multiplie très rapidement. C’est l’effet laser, c’est-à-dire l’amplification du rayonnement.

Les lasers : même principes de base, mais caractérisés par la nature du milieu amplificateur , le type de pompage, longueurs d’ondes de fonctionnement , caractéristique d’émissions(puissance, mode: pulsé ou continu…) et domaine d’applications. Différents types de milieux amplificateurs : - lasers à gaz (télecom, ophtalmologie, chirurgie, industrie, etc … - lasers solides(soudure, spectroscopie, fusion contrôlée, télémétrie) - lasers à semi-conducteurs (télécommunication sur fibre optique) Différentes sources de pompage : - pompage électrique (injection de courant) - pompage optique (cohérent ou incohérent par un laser à gaz) - réaction chimique

Ondes lumineuses dans toutes les directions

Ondes lumineuses désordonnées

Une seule couleur

Ondes lumineuses dans la même direction

Ondes lumineuses « cohérentes » (ordonnées)

Plusieurs couleurs

Impulsions très brèves possibles

Le courant électrique de P vers N est concentré sur une bande de 10 mm de large, pour augmenter la densité de courant dans la partie active.

La cavité optique est réalisée grâce à une métallisation sur les deux faces avant et arrière.

Puissance fournie : quelques mW

Laser diode GaAs

L'endroit qui émet de la lumière, c'est une jonction (zone active): un endroit où arrivent des électrons d'un côté, et des trous de l'autre par polarisation directe de la structure. (les électrons produisent l’excitation des atomes de la jonction). si on augmente la tension l'injection de porteurs dans la zone active, on trouve une importante concentration d'électrons dans la BC et de trous dans la BV, ce qui est la condition pour une inversion de population.

Les sources Lasers appelés diodes lasers sont réalisées selon la structure de la double hétérojonction (DH).

(DH) consiste à placer une couche SC à faible gap entre deux SC à gap plus large. L’inversion de population se fait par pompage électrique. Le pompage par injection s’effectue par polarisation directe de la structure. Le pompage par injection de courant produit un excès d’électrons dans la BC et un excès de trous dans la BV .

Quand un électron et un trous se recombinent, il y a émission d'un photon (émission spontanée). Le photon produit par émission spontanée, en passant dans la zone active(jonction), déclenche des recombinaisons en chaîne, avec émission de photons identiques (émission stimulée) la lumière est donc fortement amplifiée. .

Les seuls photons qui seront émis sont ceux qui ont pour direction celle de la zone active et une phase nulle { l’extrémité (miroir ST semi-transparent) par laquelle seront émis. En effet , la structure DH: Ga As entre Ga Al As(N) et Ga Al As (P) permet un guidage des ondes dans le laser SC par indice de réfraction L’indice de réfraction de la zone active (Ga As) est supérieur Il a y donc guidage par réflexion totale Les seuls modes qui se propagent sont suivant l’axe entre les deux miroirs.

Caractéristiques de la Diode Laser

P=h(I-Is)+Psp

Ith= Courant de seuil Psp=Puissance spontanée

Le phénomène laser dans un SC n’apparaît que si le courant injecté est supérieur ou égal à une valeur de seuil Is (on augmente la tension appliquée en directe et donc le courant pour atteindre l’inversion de population) Pour un courant faible dans la zone active deplétée, la BV est pleine d’électrons et la BC est pratiquement vide le phénomène d’absorption l’emporte donc sur l’émission la puissance optique est donc faible

Caractéristiques d’un Laser à semi-conducteur(diodes laser) Milieu amplificateur : jonction p-n pompé électriquement AlGaAs --> vers 780 - 850 nm InGaAs --> vers 900 - 980 nm AlGaInP --> vers 630 - 680 nm Cavité monolithique, compacte, auto-alignée Miroirs : facettes clivées du semi-conducteur Surface émettrice : 1 μm x 3 μm sur qq centaines de microns --> divergence de 10° par 30° Rendement électrique-optique : 50% Durée de vie : > 100 000 heures

LED Laser

Avantages - Simple

- Faible coût

- Durée de vie (105 heures)

- Grande diversité de formes

et de couleurs

- Rayonnement quasi

monochromatique

- Grande directivité (intense)

- Durée de vie 10ans sur terre

et 100ans sous mer.

Inconvénient - Spectre large Coût

Applications - Affichage

- Emetteur IR

- Réseaux locaux

-Télécom faible débit

- éclairage automobile

-Nouveaux modes d'éclairage

- Télécom haut débit

- Lecteur code barre

- Capteur

- Lecture d’info (CD ou

DVD)

- …….

Principe:

les photorécepteurs assurent la conversion de la lumière en courant électrique.

Un photon incident apporte une énergie permettant de faire passer un électron de la bande de valence à la bande de conduction possibilité de création d’un courant.

Différents types de composants

Photo diode (classique ou avalanche)

Photo transistor

x xp xn

type n type p ZCE

E

contacts

ohmiques

I II III

E = hn > Eg

Principe : augmentation du courant inverse sous éclairement

0 xc

ZCE

P N

Xp-Wp Xp+Wn Xp 0

: Electron

: Trou

Contact ohmique

E

hn

Courant de

génération (Idr) Courant de

diffusion Idiffn

Courant de

diffusion Idiffp

Photocourant de génération

Photocourant de diffusion

Photocourant Iph

La photodiode fonctionne si elle est polarisée en inverse (Vo < 0)

( ) ph/kTeV

s I1eII o

Vo

I

A

- Vo >> kT/e

( ) phphs IIII

I mesurée ~ intensité rayonnement

Principe : augmentation du courant inverse sous éclairement

( ) pheV/kT

s I1eII

V

I

obscurité

éclairement

Vo

Po

P

Is

Iph

Pour V<0: Id ≈ Iph

Le courant Id mesure la lumière

Pour V>0:

Id >0: diode classique inutile en

opto

Id<0: Photo-générateur

avoir la meilleur efficacité quantique augmenter le nombre de photoélectrons Or la majorité des photoporteurs devra être créés dans la ZCE car dans cette zone il n’y a pratiquement pas de recombinaison augmenter W la largeur de cette ZCE D’où l’idée de fabriquer la photodiode PIN

Cellules usuelles

Photodiode PIN

type n p ZCE

E

E = hn > Eg EF

Photoporteurs générés par photons

E

Intense et W grande

Génération des

photoélectrons

Communication par

fibres optiques

L’utilisation d’une diode dite PIN au lieu de PN (I: intrinsèque) permet une grande absorption des photons incidents La PIN possède une zone de déplétion plus grande qu’une diode PN normale. Donc créer une zone déserte en porteurs de charges revient à polariser la diode en inverse : ( un champ électrique intense qui va repousser les électrons vers N et les trous vers P) L’absorption d’un photon au niveau de la jonction (région intrinsèque) permet La génération d’une paire électron- trou. Seuls les photons d’énergie supérieurs { la largeur du gap du SC sont absorbés Et créent des paires électron-trou Les électrons sous l’effet du champ électrique se déplacent de P vers N et donnent naissance à un courant photonique Ip .

Cellules usuelles

type n p ZCE

E

E = hn > Eg EF

Photoporteurs générés par photons Photoporteurs générés par photoporteurs

E

proche du claquage

photomultiplication

(gain sensible à T et Vp)

Communication par

fibres optiques

•Principe de fonctionnement : Le photo-courant est amplifié par un effet avalanche dans la région où le champ E dépasse le champ critique d'ionisation (La largeur de la zone de charge d’espace s’élargit). •Intérêt : grande sensibilité amplification de courant 100; •Inconvénients : Influence de la température et de la tension de polarisation ; bruit dû à la nature aléatoire du processus de multiplication des charges.

Largeur effective de la ZCE

Varie avec l’intensité du champ électrique E=f(Na, Nd)

E avec aussi avec la polarisation de la jonction

Efficacité quantique

Représente le nombre de photons participant réellement à la génération des photos-porteurs

Le rendement quantique est donc : h = n/N = (I/F).( h c/q )

)).(11

.(..2

pnbpnro

PN VVVNdNaq

xxW

incidents photons de nombre

créés électronsd' nombre)( h

Sensibilité spectrale Représente la mesure de la sensibilité du photo-détecteur à la

lumière

Peut être exprimée en fonction de l’efficacité quantique

Spectre en courant Le photo-courant se déduit de la sensibilité spectrale par

Iph () = h.q.F() / h u

P

IS

ph )()(

)().(

.

.).()(

h

h

E

q

ch

qS

•Un phototransistor, composant non symétrique, comporte 3 bornes (E,B,C) •La base B n’est pas connectée mais est commandée par l’éclairement. •cette borne est munie d’une fenêtre transparente qui joue le rôle d’une lentille afin d’y concentrer la lumière. •Quand les rayons lumineux atteignent la surface de base, un courant inverse dû { l’effet photoélectrique s’écoule dans la jonction base collecteur. •Ce courant est amplifié par le transistor (effet transistor).

•La base est flottante, son courant est donc nul. Lorsqu'on la soumet à un rayonnement, le courant de l’émetteur s’écrit

Avec Ico est le courant de saturation de la jonction collecteur-base et Iph est le photocourant créés par les photoporteur. •Le courant est ainsi multiplié par le facteur β qui n’est autre que le gain en émetteur commun du transistor. •La sensibilité du phototransistor est situé entre celle de la photodiode PIN et celle de la photodiode à avalanche.

F

mΩrf dΩBS

LED de surface émettrice S ↔ fibre de section de cœur > S

Flux d’énergie transmis par la fibre :

2n~

2n~

0n~

1n~am

LED

S

Wm ( )mm cosα-12πΩ

F

mΩrf dΩBS

mα

0rf sinαB2πΦ adS où Br : brillance

or Br = Bro cosa (Bro : brillance dans direction axiale)

20

2

rom2

rofn~

ONπSBαsinπSBΦ

20

2

rofn~

ONπSBΦ : flux transmis par fibre

: flux total émis par la diode rot πSBΦ

Rendement de couplage hc

20

22

21

20

2

t

fc

n~

n~n~

n~

ON

Φ

Φη

hc ~ 10 % pour ON = 0.3

Rendement de couplage : 20

22

21

20

2

t

fc

n~

n~n~

n~

ON

Φ

Φη

Si surface de la fibre Sf < S hc réduit de Sf / S

Couplage optimal si ON maximal et Sf > S

Couplages LED-fibre

Couplages diode laser-fibre