3_ del, laser

5/14/2018 3_ DEL, Laser - slidepdf.com

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LED : Light E mitting Diodes

Composants actifs : DEL, Laser

Diodes électroluminescentes



contenu

Introduction• Niveaux d ’énergie

• Absorption et émission de photons

• Emission spontanée

• Emission stimulée

Emetteurs

• Diodes électroluminescentes DEL

• Diodes LASER

Couplage laser-fibre

Adaptation des modes



niveaux d’énergie Chaque atome d ’un cristal est

caractérisé par un niveau d’énergie. Les

niveaux très proches de tous lesatomes d ’un cristal forment desbandes d ’énergie.

Dans les semi-conducteurs, à latempérature du zéro absolu, il existe

une bande, appelée bande de valence,dont tous les états d’énergie sontoccupés par des électrons.

Eg

Toutes les bandessupérieures sont vides, enparticulier la bande deconduction situéeimmédiatement au dessusde la bande de valence.

Ces deux bandes sontséparées par une largeur

Eg (g pour gap= fossé)appelée bande interdite



Absorption

• Sous l ’effet de l ’agitation thermique, ou de tout apport d ’énergieextérieure, par exemple provenant d ’un photon, un électron peuts’arracher à son atome d ’origine pour se déplacer librement dans lecristal. L ’électron passe ainsi de la bande de valence à la bande deconduction.

• Cet électron laisse dans la bande de valence une lacune d ’électron appeléeEmission spontanée qui se déplace aussi lorsqu’un électron voisin leremplit. L ’atome est alors dans un état excité.



Emission spontanée

Un atome dans l ’état fondamental n ’émet pas de lumière. Par contre un

atome excité est dans un état instable. Il tend à revenir spontanémentdans son état fondamental en libérant une quantité (quantum) d ’énergiequ’il a reçue sous la forme d ’une radiation lumineuse (photon).

L ’énergie du photon émis est :

• Cette émission de photon est appelée : Emission spontanée

Avec• h constante de Planck• et v fréquence de la radiation émise.

Les DEL émettent de la lumière incohérente par Emission

spontanée

h E E E 12



Emission stimulée

Un atome dans l ’état excité frappé par un photon peut retomber dansl’état fondamental en émettant un autre photon. Il s ’agit d’ Emission stimulée.

Ce nouveau photon produit par émission stimulée a la même longueur d’onde, la même phase, le même état de polarisation et la même directivité spatiale que le photon incident.

La lumière émise par émission stimulée est Cohérente

Le LASER émet de la lumière cohérente par Emission stimulée



Emission stimulée: conditions

Pour favoriser l’Emission stimulée et obtenir l’effet LASER deuxconditions doivent être réalisées :

Il faut qu’il y ait suffisamment d’atomes dans l’état d ’énergiesupérieure (état excité).

Pour cela il faut créer une inversion de population, qui consiste à

mettre suffisamment d’électrons dans la bande de conduction. Dans les semi-conducteurs, on obtient cette inversion de populationpar pompage optique ou électrique.

Il faut qu’il y ait suffisamment de photons excitateurs. Pour cela onoblige l’énergie lumineuse à s ’accumuler sur place en enfermant le

semi-conducteur dans une cavité résonnante de type Fabry-Perot



Longueurs d’ondes & matériaux

Mettre les abréviations



Résumé niveaux d’énergie



Absorption, Emission spontanée &Emission stimulée



Diode électroluminescente (DEL)

C ’est le composant le plus simple, qui réalise directementl’émission de photons par recombinaison des porteurs dans unehétérojonction polarisée en direct.

Dans une hétérojonction la couche active très mince (moins d’unmicron) est entourée de couches de confinement



Semi-conducteurs jonction PN

Les semi-conducteurs sont des matériaux faiblement conducteurs lorsqu’ils ne sont pas dopés. Le semi-conducteur le plus courammentutilisé est le Silicium.

On dope ces semi-conducteurs en leur injectant des corps ayant soit unélectron de plus sur sa couche périphérique ( par exemple l’Arsenic ),soit un électron de moins ( par exemple le Gallium ).

Une zone dopée avec un élément dont la couche externe comporte unélectron de plus porte le nom de zone N ( comme négative ), et une zonedopée avec un élément dont la couche externe comporte un électron demoins porte le nom de zone P ( comme positive ).

Lorsque l’on juxtapose une zone P et une zone N, on réalise une jonctionPN.

Les jonction PN ont la propriété intéressante de n’être pratiquementtraversées par aucun courant lorsqu’elles sont polarisées en inverse et den’offrir qu’une faible résistance lorsqu’elles sont polarisées en direct. Lesdiodes et les transistors sont constituées de jonctions PN.

Si(IV) - B(III)

Impuretéacceptrice

crée des trous

Boreest ajoutée

comme

impuretéSi(IV) - Sb(V)

e- libre

Antimoine est

ajoutée comme

impureté



jonction PN



spectre d ’une DEL

Le spectre d ’une DEL est continu et relativement large, del’ordre de Δλ = 40 à 100 nm à mi hauteur. La lumière émise estincohérente

C té i ti P i



Caractéristique Puissance-courant d’une DEL

Caractéristique Puissance-courant P(I) :

En théorie c’est une droite. En pratique la courbe dévie de ladroite idéale à cause de l ’échauffement.

Pas de courant de seuil. La lumière est émise dès que le courantpasse.

Une diode standard émet typiquement 3mW pour un courant de100 mA. Rendement de l ’ordre de 0.03 mW/mA.. Courant maximum de fonctionnement conseillé : 100 à 200 mA.



Diagramme de rayonnement

Ce type d ’émission n ’est pas bien adapté à l ’injection dans une fibremonomode dont le profil d ’intensité est gaussien.

Les DEL sont donc plutôt utilisées pour des liaisons par fibres multimodes. Pour améliorer l ’injection dans une fibre monomode on utilise des lentilles.

Le temps de réponse des DEL est assez élevé ce qui limite la bandepassante des signaux transmis par les DEL à moins de 100 Mhz.

La largeur spectrale relativement large limite leur utilisation entélécommunications longues distances du fait de la dispersion chromatiquedes fibres monomodes surtout à 1.55 μm. (réseau local)

Les avantages des DEL sont leur faible coût, et leur excellente fiabilité.

.cosPP 0

Le diagramme d ’émission est Lambertien, c ’est à dire que la

puissance rayonnée dans une direction Θ :



Largeur Spectrale d’une LED

Edge emitting LED’s have slightly narrow line width



Efficacité quantique(efficiency Quantum)

• efficacité quantique Interne est le rapportentre le taux de recombinaison radiative et lasomme des taux de recombinaison radiative et

non radiative

• pour une décroissance exponentielle deporteurs excédentaires, durée de vie derecombinaison radiative est n/Rr et la durée devie de recombinaison non radiative est n/Rnr

) /(int nr r r R R R



Internal Efficiency

Si le courant injecté dans la LED est I, alorsle nombre total de recombinaisons parseconde est, Rr +Rnr = I/q où

– q est la charge d’un électron. – Donc on obtient, Rr = int /q.

– Puisque Rr est le nombre total de photonsgénéré par seconde, la puissance optique

générée interne à la LED dépends de l’éfficacitequantique interne.



External Efficiency

Fresnel Transmission Coefficient

24)0(

21

21

nnnnT

External Efficiency for airn2=1, n1 = n

2)1(

1

nnext

n1

n2

Cone

D’émission de

la Lumiére



Largeur de bande à 3dB

Puissance Optique I(f); Puissance électrique I2(f)

2)2(1 / )( f P f P o

Perte électrique = 2 x pertes Optique



Inconvénients des LED Grande Largeur de bande Spectrale (30-40 nm)

Grande Largeur de faisceaux (faible couplage à la

fibre)

Puissance de sortie faible

Faible efficacité de conversion Electrique/Optique

Avantages

Robuste Lineaire



LASER :

LASER :

• Guide optique

• Émission spontanée dans la couche active

• Amplification par émission stimulée

• Sélection par résonance dans la cavité

• LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation•

lumière cohérente



LASER : Emission Stimulée, Amplification



Fabry-Perot Laser (resonator)

cavity



Mirror Reflections



How a Laser Works



Condition de résonnance de la cavité

Cavité formée de deux miroirs

Résonnance de l’onde

Destruction de l’onde

Ln p ).(.2

Ln p ).(.2



Caractéristiques LASER

Les lasers se caractérisent par l’étroitesse de la longueur d ’onde qu’ilsémettent. Le spectre émis se compose de plusieurs raies centrées autour

de la longueur d ’onde principale.

La longueur d ’onde centrale est donnée par la composition du matériau.

Pour les télécommunications on choisit une composition de GaInAsP qui

émet à 1.3 ou 1.55 μm.

L ’espacement des raies appelé Intervalle Spectral Libre (ISL) est donné

par la longueur L de la cavité Fabry- Pérot, l’indice n de la couche active

du laser, et la longueur d ’onde centrale λ . L’ISL est de l ’ordre du

nanomètre

Exemple : laser émettant à 1.55 μm, de 300 μm de long et d’indice n=3.2

Ln...2

2

6

122

103002,32

1055,1



Spectre d’un LASER Fabry-Pérot

La cavité résonnante Fabry-Pérot donne un spectre en forme de

peigne. On observe un pic chaque fois qu’il est possible de mettre unnombre entier de demi longueurs d ’onde dans la cavité.

La longueur d ’onde centrale est donnée par le matériau de la

couche active.

Seules les longueurs d ’onde du peigne situées autour de cette

longueur d ’onde centrale sont amplifiées par le matériau (sur une

plage typique de 30 nm). On obtient ainsi le spectre suivant :



On observe une raie chaque fois qu’on met une 1/2 longueur d’onde

dans la cavité : Ln p p ).(.2

c

c

ISL en fréquence

Lnc pc

p..2

.

2c

c

2

Ln

c p p

..21

Ln Ln

c

c ..2..2

22

ISL en fréquence



Caractéristique puissance-courant

Lorsqu’un faible courant lui est appliqué, une diode laserémet de la même manière qu’une LED par émissionspontanée.

Pour obtenir une émission laser, il faut dépasser un certainseuil de courant nécessaire à créer l’inversion depopulation qui consiste à faire passer suffisammentd’électrons dans la bande de conduction.

Certains photons émis vont alors générer des photonscohérents qui vont atteindre les faces clivées du laser en semultipliant. Une partie des photons est transmise àl’extérieur du laser, les autres sont réfléchis dans la cavité

Fabry-Pérot en générant de nouveaux photons. Le nombrede photons va se multiplier. On obtient ainsi le phénomèneLASER.

En régime laser la caractéristique de puissance émis enfonction du courant est quasiment droite. A fort courant la

courbe s’éloigne de la droite à cause de l ’échauffement.



Caractéristique puissance-courant

Les courants de seuils typiques vontde 1 à 20-25 mA.

La puissance émise est de l ’ordrede 15 à 25 mW pour typiquement100 mA.

Lorsque l ’on fait varier le courantdu laser entre deux valeurs Imin etImax , la puissance varie entre Pmin et Pmax.

Cette modulation en courantpermet de transmettre un signal entélécommunications optiques.

Exemple de mesure de P(I)



Exemple de mesure de P(I)du Laser BRS 1.3 μm

P(I) du laser F348



Schéma d’une puce LASER



Double hétérojonction

Double hétérojonction (1970)



Vue au MEB d’un laser

Métal

Implantation

Ruban



Laser mono-longueur d’onde

Les réseaux WDM nécessitent des sources mono-longueur d ’onde appeléesources monomodes.

On obtient de telles sources en sélectionnant une raie du spectre Fabry-Pérotà l ’aide d ’un réseau de diffraction. Lorsque le réseau est gravé en dessousou au-dessus de la couche active, le laser s ’appelle DFB (DistributedFeedBack).

Lorsque le réseau est gravé en dehors de la zone de gain on l ’appelleDBR (Distributed Bragg Reflector)

S d’ L DFB



Spectre d’un Laser DFB

Seule la longueur d ’onde de Bragg est réfléchie et amplifiée dansle laser. On obtient ainsi un spectre mono longueur d ’onde.

Les DFB ont des largeurs de raietypiques de 30 MHz. (de l ’ordre dupm)



Laser à cavité externe photoinscritedans une fibre

On peut aussi sélectionner une longueur d ’onde du peigne Fabry Pérot àl’aide d ’un réseau de diffraction (réflecteur de Bragg) situé en dehors dela zone de gain. Ce réseau peut être photo-inscrit dans une fibre optiquemonomode placée devant laser.



performances

Les performances des lasers varient en fonction de

la température.

z Le courant de seuil du laser augmente avec la

température. Il passe typiquement de 15 mA à 20°C

à 23 mA à 50°C

La pente de la caractéristique de puissance enfonction du courant est plus faible, le rendement de

puissance en fonction du courant est moindre.

La longueur d ’onde d ’émission augmente avec la

température. Valeur typique de la variation de l :

pour un DFB 0.1 nm.°C-1.

pour un laser à cavité externe 0.015 nm°.C-1. Il est souvent nécessaire de réguler la

températuredes lasers.



La tache lumineuse à la sortie du laserest appelée champ proche. Sa largeurest et sa hauteur , dans lesplans parallèle et perpendiculaire auplan de la couche active.

2

// 2

La répartition de l ’intensité enfonction de x et de y est quasigaussienne.

Ce spot elliptique en champ proche donneen champ lointain une ouverture angulaireelliptique telle que :

Valeurs typiques à λ = 1.55 μm :

Diagramme de rayonnement d’un laser

//

// .2

tg

tg.2

m 1 //

m 8,0

26 //

6,31

Cohérence spatiale et Incohérence



Cohérence spatiale et IncohérenceCohérence spatiale

• Les ondes ont également une cohérence spatiale ; c'est la capacité de chacun des points du

front d'onde à interférer avec n'importe quel autre point. En effet, si la source est étendue, il

y aura addition d'ondes incohérentes émises par chaque point source, ce qui peut brouiller

par interférences.• La largeur de cohérence de la source donne la taille maximale permise pour qu'il y ait

interférences. Dans le cas des fentes de Young, la largeur de cohérence est l s = λ.D / ΔS (λ est

la longueur d'onde de la source, ΔS la largeur de la distribution spatiale d'intensité et D la

distance où l'on se place) : la largeur de cohérence dépend donc à la fois de caractéristiques

intrinsèques à la source (λ et ΔS) et de la distance à laquelle on se trouve : plus on s'éloigne,

plus la source se rapproche d'une source ponctuelle.

Incohérence

• Par opposition, incohérent qualifie un faisceau qui ne dispose pas de ces caractéristiques. Les

ondes incohérentes, lorsqu'elles sont combinées, ne produisent pas d' interférence. Un

détecteur va alors faire la moyenne de l'intensité reçue, et il n'y aura pas d'interférences : les

intensités s'ajoutent.

Exemples

• Exemples de faisceau cohérent

– la lumière laser

– le rayonnement synchrotron généré par un onduleur

• Exemples de faisceau, ou de source, incohérent

– la lumière solaire

http://fr.wikipedia.org/wiki/Intensit%C3%A9_lumineuse

http://fr.wikipedia.org/wiki/Intensit%C3%A9_lumineuse

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