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B33 - Liaison par fibre optique. Émetteurs et récepteurs de lumière. Photocoupl

B33 - Liaison par fibre optique. Émetteurs et récepteurs de lumière. Photocoupleur. • Spectre des ondes électromagnétiques → • Intérêt des transmissions optiques : - très grande bande passante (théoriquement 10 14 à 10 15 Hz) autorisant un débit d'information très élevé. - immunité aux perturbations électromagnétiques usuelles (10 2 à 10 11 Hz) - isolation galvanique (pas de connexion électrique) - utilisable en milieu explosif • Émetteurs de lumière - Diode électroluminescente (DEL) Light Emitting Diode (LED) matériau Vd (V) couleur Arséniure de gallium GaAs 2 IR Phosphorure d'ars. de gal. GaAsP 2 rouge-jaune Phosphure de gallium GaP 2 vert Nitrure de gallium GaN 4 bleu 3 DEL (rouge+jaune+bleu) 5 blanc VD : tension directe - Diode laser Sécurité : - diode laser émettant des radiations visibles (rayonnement rouge le plus souvent) : ne pas regarder directement le flux lumineux sortant de la diode (risque de lésion de la rétine). - diode laser IR : ne pas regarder dans la direction du composant. Port de lunettes de protection obligatoire. Les lasers sont étiquetés en 5 classes selon le niveau de risque qu'ils représentent : - classe 1 : sans danger - classe 2 (1 mW) : émet uniquement dans le visible, puissance suffiamment faible pour que le réflexe palpébral (fermeture des paupières) protège l'œil. Exemple : pointeur laser. - classe 3A : lasers à rayonnement visible de puissance n'excédant pas 5 fois la puissance d'un laser de classe 2 (5 mW), de sorte que l'œil soit encore protégé par le réflexe palpébral. Exemple : mini-laser de spectacle. Ou lasers à rayonnement non visible de puissance n'excédant pas 5 fois la puissance d'un laser de classe 1. - classe 3B (15 mW) : lasers dangereux pour la vue en rayonnement direct, mais non pour la peau et non en rayonnement indirect. Exemple : laser de spectacle. - classe 4 : laser dangereux pour l'œil et pour la peau. G. Pinson - Physique Appliquée Optoélectronique - B33 / 1 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ISBN 2-9520781-0-6 http://www.syscope.net/elec/ 3.10 8 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 10 12 10 13 10 14 10 15 10 16 10 17 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10 –1 10 –2 10 –3 10 –4 10 –5 10 –6 10 –7 10 –8 10 –9 ondes longues (GO) ondes moyennes (PO) ondes courtes (OC) VHF (TV, radio FM) radar, UHF (TV) radar, TV satellite, téléphonie mobile micro-ondes Infrarouge (IR) visible [0,4 - 0,8 µm] Ultraviolet (UV) rayons X 10 4 f (Hz) λ (m) € = cT = c f Mhz GHz • Récepteurs de lumière - Photodiodes - Matériau : Si, Ge ou InGaAs (Arséniure de gallium et d'indium) - Spectre de sensibilité : Si : visible + proche IR (400 à 1200 nm). Maximum vers 850 nm Ge et InGaAs : 800 à 1800 nm (il existe également des photodiodes UV) - Sensibilité : ≈ mA/W à 100 mA/W pour une puissance lumineuse incidente mesurée à la longueur d'onde de sensibilité maximale - Courant d'obscurité : ≈ nA - Vitesse de commutation (rapidité) : ≈ ns ⇒ bande passante jusqu'au GHz - Tension inverse maxi : ≈ 10 V ⇒ protection nécessaire par une diode connectée en inverse en parallèle avec la photodiode - Directivité (ou angle de détection ou réponse angulaire) : ≈ 10° à plus de 120° - Phototransistors Sensibilité très élevée, courant de sortie plusieurs centaines de fois supérieur à celui d'une photodiode, mais rapidité moindre. IC VCE éclairement en lux ou en W/m 2 0 • Optocoupleurs Il en existe de deux types : numérique ou analogique. Dans ce dernier cas, le courant de sortie du photorécepteur est proportionnel au courant d'entrée du photoémetteur. - Optocoupleur à sortie transistor NPN : Caractéristiques : - Tension d'isolement entrée/sortie : ≥ 2,5 kV - Gain en courant : ≈ gain d'un transistor ordinaire - Bande passante : ≈ MHz (analogique) ou ≈ Mbits/s (numérique) - Application typique : Ue Us +Vcc - Opto-triac : Exemple d'application, pour commande de chauffage par trains d'onde (doc. MOTOROLA circuit MOC 3040) : 180Ω charge Uc 10nF G. Pinson - Physique Appliquée Optoélectronique - B33 / 2 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ISBN 2-9520781-0-6 http://www.syscope.net/elec/ • Fibres optiques - loi de Descartes : réfraction et réflexion de la lumière à l'interface entre deux milieux. Indice de réfraction d'un milieu diélectrique transparent : n = c v avec : c = 3.10 8 m/s, célérité de la lumière dans le vide ; v célérité de la lumière dans le milieu ( n toujours > 1). P rayon réfracté milieu plus dense indice n1 (n1 > n2) milieu moins dense indice n2 (S) : surface de séparation rayon incident N’ plan d’incidence et de réfraction P i1 i2 n1 n2 N’ P il i2 N n1 n2 N’ i1 r2 = i1 N N réflexion partielle loi de la réfraction : réfraction limite réflexion totale n1 sin i1 = n2 sin i2 sin il = n2 n1 i1 > il - profils d'indice et types de fibres Matériaux : verre optique : > 1000 dB/km ! Inutilisable... silice pure : 2 à 5 dB/km polymère : 150 à 200 dB/km (PMMA : polyméthylmétacrylate) cœur gaine optique gaine mécanique Types : fibre monomode fibre multimode fibre multimode à saut d'indice à saut d'indice à gradient d'indice n x G. Pinson - Physique Appliquée Optoélectronique - B33 / 3 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ISBN 2-9520781-0-6 http://www.syscope.net/elec/ - Fibre monomode (silice dopée) : cœur ≈ λ ⇒ propagation rectiligne de la lumière, au centre. Problème : raccord entre fibres ou entre fibre et connecteur difficile à réaliser (nécessite un alignement parfait). Ø du cœur : 9 µm Ø de la gaine optique : 125 µm Bande passante : 10 GHz/km Affaiblissement à 850 nm : 2 dB/km Utilisation : liaisons très longues distances à haut débit - Fibre multimode (silice dopée) : cœur plus large ⇒ propagation de la lumière selon des milliers de modes grâce à la réflexion totale sur la surface de séparation cœur-gaine. Problème : aucun des modes n'arrive au même moment en bout de fibre ⇒ dispersion modale (donc élargissement des impulsions lumineuses émises). Solution : variation d'indice entre les deux milieux limitée à quelques pour mille ⇒ angle de réfraction limite proche de 90° (sin il = n2/n1 voisin de 1) . Ø du cœur : qq 100 µm Bande passante : 10 à 50 MHz/km Affaiblissement à 850 nm : ≤ 5 dB/km Utilisation : liaisons ≤ 2 km, débit ≤ 50 Mbit/s - Fibre à gradient d'indice (silice dopée) : profil d'indice parabolique ⇒ trajectoires courbes parcourues par la lumière dans le même temps que la trajectoire rectiligne centrale (plus on s'éloigne du centre, plus l'indice diminue, donc plus la célérité augmente). Ø du cœur : 50 ou 62,5 µm Ø de la gaine optique : 125 µm Bande passante : 100 à 1000 MHz/km Affaiblissement à 850 nm : ≤ 5 dB/km Utilisation : liaison longue ou à grand débit. - Fibre polymère à saut d'indice : Ø du cœur : 1 mm Ø de la gaine optique : 2,2 mm Bande passante : 25 MHz (par ex : 10 Mbits/s en NRZ sur une distance ≤ 100 m) Affaiblissement à 600 nm :150 à 200 dB/km Utilisation : pour liaisons jusqu'à 150 m. Utiles dans les milieux perturbés électro- magnétiquement ou explosifs, ou pour l'affichage. Coût réduit. Connectique aisée. - Défauts de connectique Il existe des connecteurs spéciaux pour raccorder les fibres entre elles ou aux éléments d'extrémité (diode laser / photodiode). Les principaux défauts de connexion sont les suivants : - déplacement axial : D S pertes (dB) S/D 4 3 2 1 0 .1 .2 .3 .4 G. Pinson - Physique Appliquée Optoélectronique - B33 / 4 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ISBN 2-9520781-0-6 http://www.syscope.net/elec/ - séparation des extrémités : D e pertes (dB) e/D 4 3 2 1 0 .1 .2 .3 .4 - défaut d'alignement D α pertes (dB) α 4 3 2 1 0 1° 2° 3° 4° - Bilan énergétique d'une liaison à fibre optique Le diagramme des pertes d'une liaison à fibre optique s'établit ainsi : puissance émise par la source pertes de couplage source-fibre pertes de propagation (dB/km) pertes de connexion entre fibres marge de bruit sensibilité du récepteur atténuation (dB) 0 distance (m ou km) * * * * * * * * * * * * * * * * * COMPLEMENTS * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * • Autres récepteurs de lumière - Photorésistance (Light Dependant Resistor - LDR) Applications : Alarme, commande d'éclairage, photographie matériau sensibilité max à R obscurité R à 1000 lux temps de réponse Sulfure de cadmium CdS 575 nm (≈ œil) 100 MΩ 0,3 kΩ 10 à 30 ms Séléniure de cadmium CdSe 730 nm (rouge) 100 MΩ 0,3 kΩ 1 à 3 ms Sulfoséléniure de cadmium CdSSe 600 nm 100 MΩ 0,3 kΩ uploads/Geographie/ b33.pdf