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Sources de rayonnement

Sources de rayonnement. 1ère partie: LEDs. Diodes électro-luminescentes (LEDs). Principe inverse de la photo-diode polarisation dans le sens passant Tension extérieure passage des porteurs majoritaires vers l’autre région injection de porteurs minoritaires. Recombinaison.

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Sources de rayonnement

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Presentation Transcript

  1. Sources de rayonnement 1ère partie: LEDs

  2. Diodes électro-luminescentes (LEDs) • Principe • inverse de la photo-diode • polarisation dans le sens passant • Tension extérieure • passage des porteurs majoritairesvers l’autre région • injection de porteurs minoritaires

  3. Recombinaison • Près de la jonction • concentration de porteurs • majoritaires (existants) • minoritaires (injectés) • Recombinaison • passage d’un e- • du bas de la BC • au haut de la BV • Transition • non-radiative: chaleur • radiative: émission d’un photon

  4. Transition radiative ou non ? • Gap direct • photon: pas de quantitéde mouvement • transition radiative • préféré pour LEDs • Gap indirect • transfert denécessaire • transition non-radiative (chaleur) • passage par niveau d’une impureté

  5. Largeur de bande interdite • Longueur d’onde • Semiconducteurs ternaires / quaternaires • GaAs1-xPx (IR / visible) • AlInGaP (visible) • In1-xGaxAs1-yPy (l = 0,9 … 1,7 µm)

  6. Largeur spectrale • Agitation thermique • Energie des photons

  7. Rendement • Rendement quantique interne • nombre de photons parrecombinaison • très bon dans les sc III-V • Rendement externe • nombre de photons par e- injecté • limité par • absorbtion dans le matériau • couche p très mince • réfraction

  8. Emission des photons • Réfraction • indice du sc III-V: 3,5 • indice de l’air: 1 • réflexion totale pour i > iC = 17° • 98% réfléchi ! • Couplage avec la fibre optique • émission proportionnelle à • NA fibre relativement faible • ex. NA = 0,24  rmax  14° • perte  12,5 dB (94%)

  9. LED optimisée (Burrus) • Zone active réduite • contact métallique • émission très localisée • Adaptation des indices • résine transparente • n intermédiaire entre GaAset fibre optique • Structure multicouche • optimise le rendement quantique interne

  10. Temps de réponse • Tr, Tf • fonction de la capacité de la jonction • taille • Signalisation • typ. µs • Télécom • qques ns … qques dizaines de ns

  11. Sources de rayonnement 2ème partie: Lasers

  12. n2 . . . . . E2 Absorption Emission n1 . . . . . . E1 Emission spontanée • Niveaux d’énergie • E1 E2 • absorption d’un photon hn12 = (E2-E1) • E2 E1 • émission spontanéehn12 = (E2-E1) • Equilibre thermique

  13. Emission stimulée • Passage de E2 E1 • stimulé par photon hn = (E2-E1) • onde de • même fréquence • même phase que l’onde incidente • Taux d’émission proportionnel • à n2 • à densité de photons r(n12)

  14. Taux de transitions • A21, B12 et B21: coefficients d’Einstein • B12 = B21

  15. Emission stimulée dominante • Emission spontanée • grande densité de photons r(n12) • Absorbtion • n2 > n1 : inversion de population

  16. LASER • Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation • Dispositif qui procure • grande densité de photons r(n12) • inversion de population NOVA (1984) Lawrence Livermore National Laboratory 2×1014 W / 1 ns

  17. Augmentation de la densité de hn • Cavité résonante • 2 miroirs semi-transparents • Allers-retours • création de nouveaux hn • interférences constructives • ondes en phase après 1 A/R

  18. Inversion de population • Jonction p-n (polarisée sens passant) • injections d’e- dans la BC • injection de trous dans la BV • Situation de non-équilibre • inversion de population • localisée autour de la jonction • zone active du laser

  19. Etablissement du courant dans la jonction • Courant de seuil • d’abord émission spontanée • puis inversion de population • et émission stimulée • Spectre • sous le seuil • spectre large(= LED) • au-dessus • 1 mode domine • satisfait à

  20. Laser à hétérojonction • Diminution du courant de seuil • réduction de la dissipation • augmentation de puissance • moyen: augmenter la densité locale de charges • Construction • couche de p-GaAs entre n-AlGaAs et p-AlGaAs

  21. Laser à hétérojonction • Confinement des porteurs • gap GaAs < gap AlGaAs • e- bloqués dans le GaAspar barrière de potentiel • idem pour les trous • augmentation de densité • Confinement des photons • par un effet de guide d’ondes • indice GaAs > indice AlGaAs • Variantes • GaxIn1-xAs1-yPy : pour l = 1,1 … 1,55 µm

  22. Construction • Croissance des couchessur un substrat • Clivage du substrat • facettes réfléchissantes • longueur de cavité: ~ mm • Emission • par la tranche • section elliptique, perpendiculaire aux couches« far field »

  23. Laser à cavité verticale (VCSEL) • Miroirs parallèles au substrat • structure multicouchediffractive (DBR) • Longueur de cavité ~ 1 µm • 1 seul mode possible • laser monomode • Emission • par la surface • section circulaire étroite

  24. Avantages / inconvénients

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