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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE DJILLALI LIABES, FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE DEPARTEMENT D’ELECTRONIQUE, LABORATOIRE RCAM SIDI BEL ABBES THESE Pour l’obtention du diplôme de Doctorat 3ème cycle LMD Option : Réseaux Architecture et Multimédia Par : Mlle. Wassila BERROUANE Etude de conception d’une chaine de transmission optique à très haut débit à base de semi-conducteur du type III-Nitrures. Thèse dirigée par : Pr. M. ANANI Année Universitaire : 2017/2018 Etude de conception d’une chaine de transmission optique à très haut débit à base de semi-conducteur du type III-nitrures. Wassila BERROUANE- Thèse de doctorat- Réseaux Architecture et Multimédia-UDL-2018 ii Dédicace A mes parents A Mallo Etude de conception d’une chaine de transmission optique à très haut débit à base de semi-conducteur du type III-nitrures. Wassila BERROUANE- Thèse de doctorat- Réseaux Architecture et Multimédia-UDL-2018 iii Remerciements Enfin, nous y voici… En tout premier lieu, je remercie le bon dieu, tout puissant, de m’avoir donné la volonté et le courage pour la réalisation de ce travail. Je tiens à remercier mon encadreur Mr. M. ANANI, pour le soin et l’attention avec lesquels il a suivi mon travail. Je le remercie infiniment pour son apport scientifique, ses qualités humaines et sa disponibilité tout au long de ces années, malgré ses nombreuses et lourdes obligations et responsabilités. J’exprime toute ma gratitude à Mr. H. ABID qui m’a fait l’honneur de présider mon jury de thèse. Je remercie de même MM. B. MERABET, M. KHADRAOUI et H. CHAKER de m’avoir fait l’honneur d’accepter d’être examinateurs de ce travail. Je tiens également à remercier Mr. Z. CHAMA d’avoir accepté l’invitation au jury. Je n’oublierai pas de remercier mon cher ami Seddik, pour le précieux soutien qu’il m’a apporté. Enfin, je dois à mes parents beaucoup de ce que je suis devenue. Je les remercie infiniment. Etude de conception d’une chaine de transmission optique à très haut débit à base de semi-conducteur du type III-nitrures. Wassila BERROUANE- Thèse de doctorat- Réseaux Architecture et Multimédia-UDL-2018 iv Sommaire Dédicace ...............................................................................................................................................ii Remerciements ................................................................................................................................. iii Introduction générale ............................................................................................................................... 1 Chapitre 1 Le Guidage Optique. .............................................................................................................. 3 Introduction ............................................................................................................................................. 4 I. La lumière : propriétés fondamentales ............................................................................................ 6 1. La nature de la lumière est elle ondulatoire ou corpusculaire ? ...................................................... 6 1.1. Modèle ondulatoire ...................................................................................................................... 6 1.2. Modèle corpusculaire .................................................................................................................. 7 2. Mesure des propriétés de la lumière ................................................................................................ 8 II. Les guides d’ondes optiques .......................................................................................................... 10 1. Généralités ..................................................................................................................................... 10 2. Phénomène de propagation guidée ................................................................................................ 12 2.1. L’approche géométrique ............................................................................................................ 12 2.1.1. Lois de réflexion et de réfraction........................................................................................... 12 2.2. L’approche ondulatoire ............................................................................................................. 13 3. Guide plan à saut d’indice ............................................................................................................. 15 4. Méthodes de calcul des indices effectifs et des champs électromagnétiques ................................ 18 4.1. Méthode de l’indice effectif ...................................................................................................... 19 III. La fibre optique : principes de fonctionnement et différents types ........................................... 21 1. La fibre optique standard ............................................................................................................... 21 1.1. Caractère monomode/ multimode ............................................................................................. 21 2. De la fibre optique conventionnelle à la fibre optique microstructurée ........................................ 24 2.1. Généralités ................................................................................................................................. 24 2.2. Types des FOM ......................................................................................................................... 27 2.3. Applications des FOM ............................................................................................................... 29 3. Principe de guidage de la lumière ................................................................................................. 29 3.1. Dans une fibre optique standard ................................................................................................ 29 3.2. Dans les fibres microstructurées ................................................................................................ 32 3.2.1. Guidage par réflexion totale interne modifiée...................................................................... 32 3.2.2. Guidage par bande interdite photonique ................................................................................ 33 Conclusion ............................................................................................................................................. 36 Etude de conception d’une chaine de transmission optique à très haut débit à base de semi-conducteur du type III-nitrures. Wassila BERROUANE- Thèse de doctorat- Réseaux Architecture et Multimédia-UDL-2018 v Références chapitre 1 ............................................................................................................................ 37 Chapitre 2 Les Systèmes de Transmissions Optiques. .......................................................................... 39 Introduction ........................................................................................................................................... 40 I. Généralités ..................................................................................................................................... 42 1. Les réseaux et les supports ............................................................................................................ 43 1.1. Caractéristiques globales des supports de transmission ............................................................ 43 1.2. Différents types des supports de transmission ........................................................................... 44 1.2.1. Le cuivre ................................................................................................................................ 44 1.2.1.1. Le câble coaxial ................................................................................................................. 45 1.2.1.2. La paire torsadée ............................................................................................................... 45 1.2.2. La fibre optique ..................................................................................................................... 46 1.2.3. Le faisceau hertzien ............................................................................................................... 47 1.3. Avantages des fibres optiques par rapport aux autres supports ................................................. 47 II. Les systèmes de transmissions optiques ........................................................................................ 48 1. Généralités ..................................................................................................................................... 48 2. Effets de propagation et limitations des systèmes de transmission optique ................................. 49 2.1. Effets linéaires ........................................................................................................................... 49 2.1.1. Atténuation ............................................................................................................................ 49 2.1.2. La dispersion ......................................................................................................................... 52 2.2. Les effets non linéaires .............................................................................................................. 53 2.2.1. Effet Kerr ............................................................................................................................... 54 2.2.2. Effet Raman et Brillouin ....................................................................................................... 54 2.2.3. Super continuum.................................................................................................................... 55 III. Différents composants d’un système de transmission optique .................................................. 56 1. Composants d’émission ................................................................................................................. 56 1.1. Les sources optiques .................................................................................................................. 57 1.1.1. La diode électroluminescente ................................................................................................ 57 1.1.2. La diode laser ........................................................................................................................ 57 1.2. Les modulateurs ........................................................................................................................ 58 1.2.1. Modulation directe ................................................................................................................ 58 1.2.2. Modulation externe ................................................................................................................ 59 2. Composants de la ligne de transmission ........................................................................................ 60 2.1. Les amplificateurs ..................................................................................................................... 60 2.1.1. Amplificateur optique à semi conducteur (AOSC) ............................................................... 61 Etude de conception d’une chaine de transmission optique à très haut débit à base de semi-conducteur du type III-nitrures. Wassila BERROUANE- Thèse de doctorat- Réseaux Architecture et Multimédia-UDL-2018 vi 2.1.2. Amplificateur optique à fibre dopée Erbium (EDFA) ........................................................... 62 2.1.3. Amplificateur Raman ............................................................................................................ 64 3. Composants de détection ............................................................................................................... 64 3.1. La photodiode ............................................................................................................................ 65 3.1.1. Principe de la photodétection ................................................................................................ 65 3.1.2. Différents types de photodétecteurs ...................................................................................... 66 3.1.2.1. Photodiode PIN ................................................................................................................. 66 3.1.2.2. Photodiode à Avalanche (PDA) ........................................................................................ 66 IV. Techniques de transmission et multiplexage ............................................................................. 68 1. Techniques de multiplexage en optique ........................................................................................ 68 1.1. Le multiplexage dans le domaine temporel ............................................................................... 68 1.2. Le multiplexage en longueurs d’onde ....................................................................................... 69 1.3. Le multiplexage par répartition de code .................................................................................... 71 Conclusion ............................................................................................................................................. 73 Références chapitre 2 ............................................................................................................................ 74 Chapitre3 Le Haut Débit : du réseau d’accès au réseau cœur. ............................................................. 76 Introduction ........................................................................................................................................... 77 I. Les systèmes de transmissions optiques ........................................................................................ 78 1. Les réseaux dorsaux (Backbone) ................................................................................................... 79 2. Les réseaux WAN ......................................................................................................................... 79 3. Les réseaux métropolitains MAN ................................................................................................. 79 4. Les réseaux LAN ( d’accès) .......................................................................................................... 80 4.1. Description des réseaux d’accès ................................................................................................ 80 4.2. Architecture des réseaux d’accès ............................................................................................... 81 4.2.1. L’architecture point à point ................................................................................................... 83 4.2.2. Point-Multipoint passif .......................................................................................................... 84 4.3. Les réseaux optiques passifs ...................................................................................................... 84 4.3.1. Les classes des PONs ............................................................................................................ 85 4.3.2. Les technologies pour le NG-PON ........................................................................................ 87 4.3.2.1. TDM-PON ......................................................................................................................... 88 4.3.2.2. PON avec multiplexage WDM .......................................................................................... 88 a. PON WDM Broadcast and select .................................................................................................. 90 b. Architecture à démultiplexage spatial ........................................................................................... 91 c. Architecture hybride ...................................................................................................................... 91 Etude de conception d’une chaine de transmission optique à très haut débit à base de semi-conducteur du type III-nitrures. Wassila BERROUANE- Thèse de doctorat- Réseaux Architecture et Multimédia-UDL-2018 vii 4.3.2.3. OFDM-PON ...................................................................................................................... 92 II. Critères de qualité d’une transmission par fibre optique ............................................................... 94 1. Le diagramme de l’œil .................................................................................................................. 94 2. Le taux d’erreur binaire TEB (BER Bit Error Rate) .................................................................... 95 3. Facteur de qualité Q ...................................................................................................................... 96 Conclusion ............................................................................................................................................. 97 Références chapitre 3 ............................................................................................................................ 98 Chapitre 4 Les Semi-Conducteurs du Type III-Nitrures. ...................................................................... 99 Introduction ......................................................................................................................................... 100 I. Paramètres fondamentaux des Nitrures-III .................................................................................. 102 1. Propriétés structurales ................................................................................................................. 102 2. Les propriétés électriques ............................................................................................................ 103 2.1. La polarité ............................................................................................................................... 103 2.2. La polarisation spontanée ........................................................................................................ 104 2.3. La polarisation piézoélectrique................................................................................................ 104 2.4. Le champ de claquage ............................................................................................................. 104 3. Propriétés électroniques .............................................................................................................. 105 3.1. Concentration des porteurs libres ............................................................................................ 105 3.2. Dopage des nitrures ................................................................................................................. 105 3.3. La mobilité .............................................................................................................................. 106 3.4. Les défauts structuraux ............................................................................................................ 109 3.4.1. Les défauts ponctuels .......................................................................................................... 109 3.4.2. Les défauts étendus ............................................................................................................. 110 4. Les propriétés thermiques ........................................................................................................... 111 5. Les propriétés optoélectroniques ................................................................................................. 112 5.1. Structure de bande ................................................................................................................... 112 5.2. Bande interdite (gap) ............................................................................................................... 113 5.3. Les masses effectives .............................................................................................................. 115 6. Propriétés optiques ...................................................................................................................... 116 6.1. Constante diélectrique et indice de réfraction ......................................................................... 116 6.2. Coefficient d’absorption .......................................................................................................... 118 II. Théorie des Alliages .................................................................................................................... 121 1. Propriétés des ternaires AlGaN et InGaN .................................................................................... 122 1.3. Evolution du gap d’énergie ..................................................................................................... 122 Etude de conception d’une chaine de transmission optique à très haut débit à base de semi-conducteur du type III-nitrures. Wassila BERROUANE- Thèse de doctorat- Réseaux Architecture et Multimédia-UDL-2018 viii 1.2. Concentration d’électrons en fonction de la température dans In1-xGaxN .............................. 124 1.3. Vitesse de saturation des alliages ............................................................................................ 124 1.4. Mobilité ................................................................................................................................... 125 1.5. Indice de réfraction .................................................................................................................. 126 1.6. Variation de la longueur d’onde émise par InxGa1-xN en fonction de x .................................. 128 2. Hétérostructures en phase hexagonale......................................................................................... 128 III. Elaboration des nitrures-III ..................................................................................................... 130 IV. Applications............................................................................................................................. 132 Conclusion ........................................................................................................................................... 137 Références chapitre 4 .......................................................................................................................... 138 Chapitre 5 Calcul des indices effectifs. ............................................................................................... 140 Introduction ......................................................................................................................................... 141 1. Principe de la méthode de l’indice effectif .................................................................................. 142 2. Programme de calcul de l’indice effectif ..................................................................................... 147 3. Résultats ...................................................................................................................................... 151 Conclusion ........................................................................................................................................... 155 Conclusion générale ............................................................................................................................ 156 Annexes. .............................................................................................................................................. 157 Annexe 1 Processus d’interactions matière- rayonnement dans les semi-conducteurs. ...................... 158 Annexe 2 Principales structures de diodes lasers. ............................................................................... 161 Glossaire ................................................................................................................................................ xiv Liste des figures .................................................................................................................................... xvi Chapitre1 ............................................................................................................................................... xvi Chapitre 2 ............................................................................................................................................. xvii Chapitre3 ............................................................................................................................................. xviii Chapitre4 ............................................................................................................................................... xix Chapitre 5 .............................................................................................................................................. uploads/Ingenierie_Lourd/ d3c-eln-berrouane-meriemwassila.pdf