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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’Enseignement Sup

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Abou Bekr Belkaid de Tlemcen Faculté de Technologie Département de Télécommunications Polycopié : cours Optoélectronique Hamida DJELTI 2017 i Avant-propos Le présent polycopié est utilisé pour le cours Optoélectronique adressé principalement aux étudiants de la troisième année Licence de la filière Télécommunications. Le contenu de ce polycopié regroupe le programme officiel enseigné dans le département de Télécommunications de l’Université Abou Bekr Belkaid de Tlemcen. Ce polycopié décrit de manière méthodique détaillé les différents éléments constituant les liaisons optiques tels que les émetteurs optiques, les récepteurs optiques ainsi que les différents types de fibres optiques. Il décrit aussi les mécanismes de dégradation du signal lumineux lors de sa propagation dans la fibre optique comme par exemple l’atténuation et la dispersion. Il est donc rédigé sous forme de cours détaillés, avec des exercices résolus. En fait, Il est présenté avec un style très simple qui permet aux étudiants une compréhension très rapide. Table des matières ii Table des matières Chapitre I : La Fibre optique et propagation de la lumière I.1 Introduction ........................................................................................................................... 3 I.2 Description de la fibre optique .............................................................................................. 3 I.3 Avantages des fibres optiques .............................................................................................. 4 I.4 Domaines d’utilisation ........................................................................................................... 5 I.5 Propagation du faisceau lumineux dans une fibre optique .................................................. 6 I.5.1 Indice de réfraction d’un milieu ..................................................................................... 6 I.5.2 Loi de Snell-Descartes ..................................................................................................... 6 I.5.3 Astuce du guidage .......................................................................................................... 7 I.6 Notion de modes ............................................................................................................... 8 I.6.1 Définition de mode ......................................................................................................... 8 1.6.2 Fréquence normalisée ................................................................................................... 9 I.7 Classification des fibres optiques .......................................................................................... 9 I.7.1 La fibre multimode à saut d'indice ............................................................................... 10 I.7.2 La fibre multimode à gradient d'indice ........................................................................ 10 I.7.3 La fibre monomode ...................................................................................................... 10 I.7.4 Fibre active ................................................................................................................... 10 I.8 Caractéristiques des fibres à gradient d'indice ................................................................... 11 I.8.1 Définition ...................................................................................................................... 11 I.8.2 Profil d'indice ................................................................................................................ 11 I.8.3 Ouverture numérique ................................................................................................... 12 Exercices Chapitre I .................................................................................................................. 13 Corrigés exercices du chapitre I ............................................................................................... 15 Chapitre II : L'atténuation la dispersion dans une fibre optique II.1 Définition ............................................................................................................................ 17 II.2 Calcul de l'atténuation linéique ......................................................................................... 17 II.3 Causes de l'atténuation ...................................................................................................... 19 II.3.1 Pertes ou diffusion de Rayleigh ................................................................................... 19 Table des matières iii II.3.2 Pertes par absorption .................................................................................................. 19 II.4 Dispersion de la lumière dans les fibres optiques.............................................................. 21 II.4.1 Dispersion chromatique .............................................................................................. 21 II.4.1.1 Origine de la Dispersion Chromatique .................................................................. 21 II.4.2 Dispersion intermodale ............................................................................................... 22 II.4.2.1 Fibre à saut d’indice .............................................................................................. 22 II.4.2.2 Dispersion dans une fibre à gradient d'indice ...................................................... 23 II.4.3 Calcul de la bande passante d’une liaison à fibre optique .......................................... 24 II.4.3.1 Bande passante des fibres multimodes à saut d’indice........................................ 24 II.4.3.2 Bande passante des fibres multimodes à gradient d’indice ................................. 24 II.4.3.3 Bande passante des fibres monomodes ............................................................... 24 II.4.4 Cas des débits numériques .......................................................................................... 24 II.5 Eléments de connexions entre fibres optiques ................................................................. 25 II.5.1 Les connecteurs ........................................................................................................... 25 II.5.2 Les épissures ................................................................................................................ 26 II.6 Défauts de Connexions dans les fibres optiques ............................................................... 26 II.6.1 Connexions entre fibres optiques différentes ............................................................. 26 II.7 Méthode de mesure de liaisons optiques .......................................................................... 27 II.7.1 Réflectométrie optique ............................................................................................... 27 II.7.2 Dispositif expérimental ................................................................................................ 28 II.7.3 Etude d’une courbe de rétrodiffusion ......................................................................... 29 II.7.4 Position des curseurs pour les mesures ...................................................................... 29 II.7.4.1 Mesure des longueurs de fibres ........................................................................... 29 II.7.4.2 Mesures de l’affaiblissement linéique .................................................................. 29 II.7.4.3 Mesure des pertes de connexions ........................................................................ 30 II.7.4.4 Mesure d’atténuation d’une épissure .................................................................. 30 Exercices Chapitre II ................................................................................................................. 31 Corrigés exercices du chapitre II .............................................................................................. 33 Chapitre III : Les sources optiques III.1 Introduction ....................................................................................................................... 35 III.2 Principes généraux ............................................................................................................ 35 III.2.1 Brefs rappels sur les matériaux semi-conducteurs .................................................... 35 Table des matières iv III.2.2 Semiconducteurs à bande directe et indirecte .......................................................... 36 III.2.3 Recombinaison des porteurs ...................................................................................... 37 III.3 Absorption et émission de la radiation ............................................................................. 37 III.3.1 Absorption .................................................................................................................. 37 III.3.2 Emission spontanée .................................................................................................... 38 III.3.3 Emission stimulée ....................................................................................................... 38 III.4 Diode électroluminescente ............................................................................................... 38 III.4.1 Principe de fonctionnement ....................................................................................... 39 III.4.2 Caractéristiques de la DEL .......................................................................................... 39 III.4.2.1 Spectre d'émission .............................................................................................. 39 III.4.2.2 Rendement quantique interne ............................................................................ 40 III.4.2.3 Rendement externe d’une DEL ............................................................................ 40 III.4.2.4 Flux et intensité .................................................................................................... 41 III.4.3 Structure des LEDs ...................................................................................................... 41 III.5 Laser et Diode laser ........................................................................................................... 43 III.5.1 Relation d’Einstein ...................................................................................................... 43 III.5.2 Inversion de population .............................................................................................. 44 III.5.3 Fonctionnement laser ................................................................................................. 45 III.5.4 Cavités optiques ......................................................................................................... 46 III.5.4.1 Configuration ....................................................................................................... 46 III.5.4.2 Modes de la cavité ............................................................................................... 46 III.5.5 Diodes laser (Laser à semiconducteurs) ..................................................................... 48 III.5.5.1 Matériaux utilisés ................................................................................................. 48 III.5.5.2 Condition de seuil d’un laser à semiconducteurs ................................................ 48 III.5.5.3 Caractéristiques d’une diode laser ...................................................................... 49 III.5.5.4 Cavités avec réseau de Bragg DFB et DBR ........................................................... 51 Exercices Chapitre III ................................................................................................................ 53 Corrigés exercices du chapitre III ............................................................................................. 54 Chapitre IV : Les détecteurs Optiques : Photodiode PIN et à Avalanche IV.1 Introduction ...................................................................................................................... 56 VI.2 Principe de fonctionnement ............................................................................................. 56 VI.2.1 Longueur d’onde de seuil ........................................................................................... 57 Table des matières v IV.2.2 Coefficient d’absorption ............................................................................................. 57 IV.3 Caractéristiques d’une photodiode .................................................................................. 58 IV.3.1 Efficacité quantique.................................................................................................... 58 IV.3.2 Sensibilité spectrale .................................................................................................... 59 IV.4 Photodiode PIN ................................................................................................................. 60 IV.4.1 Temps de réponse d’une photodiode PIN ................................................................. 60 IV.4.2 Capacité d’une photodiode PIN ................................................................................. 61 IV.5 Photodiode à avalanche .................................................................................................... 61 IV.5.1 Caractéristiques d’une photodiode PDA .................................................................... 63 IV.5.1.1 Temps de réponses d’une photodiode PDA ........................................................ 63 I.5.1.2 Facteur de bruit d’une PDA .................................................................................... 63 IV.6 Sources de bruit des photodiodes .................................................................................... 64 IV.6.1 Bruit quantique ou photonique ................................................................................. 64 IV.6.2 Bruit d’obscurité ......................................................................................................... 64 IV.6.3 Bruit thermique .......................................................................................................... 64 IV.7 Montages électroniques préamplificateurs pour photodiodes ........................................ 64 IV.7.1 Montage haute impédance (HZ) ................................................................................ 65 IV.7.1 Montage trans-impédance (TZ) .................................................................................. 65 Exercices Chapitre IV ................................................................................................................ 67 Corrigés exercices du chapitre IV ............................................................................................. 68 Références bibliographiques ........................................................................................... 70 Introduction générale 1 Introduction générale Le domaine de télécommunications est en pleine expansion sous l’effet de l’explosion de l’utilisation d’Internet. Il constitue aujourd’hui une alternative rentable pour les transmissions de longue portée ou de portée moyenne. En fait, C’est en 1966 que fut lancée l’idée de transporter sur de grandes distances des signaux optiques sur une fibre optique, mais il faudra des années pour maîtriser les procédés de fabrication et contrôler la composition des matériaux qui influe de manière décisive sur les pertes. On parviendra alors à obtenir des atténuations assez faibles pour que devienne possible la transmission des signaux sur des distances suffisamment grandes pour présenter un intérêt pratique et rendre la technique optique compétitive. Partie en 1960 de 1 000 dB/km, l'atténuation est descendue à 20 dB/km en 1975, puis 0,2 dB/km en 1984. Les améliorations qui sont apportées à la technologie des transmissions par fibre optique sont telles que la communication par fibre optique n’est plus désormais le privilège des seules grandes entreprises transmettant des débits d’information très élevés mais aussi et surtout, le privilège du simple consommateur. Les systèmes de télécommunication optiques mettent en jeu un ensemble d'éléments, à commencer par les composants d'émission/réception de la lumière, le média de propagation qu'est la fibre optique, les amplificateurs optiques, ainsi que les composants spécifiques pour le multiplexage en longueur d’onde. À ces fonctions purement optiques et/ou optoélectroniques s'ajoutent des circuits électroniques rapides permettant de moduler et d'amplifier les signaux émis et recueillis, de récupérer les signaux de référence, ainsi que des organes de haut niveau de gestion du réseau. Ce cours s'articule autour de quatre chapitres. Le premier chapitre concerne les astuces de propagation de la lumière dans la fibre optique, il concerne aussi les principaux caractéristiques de différents types de fibres optiques. Le second chapitre traite en détail les distorsions qu’il subisse un signal lumineux dans la fibre optique, autrement dit, les causes de dégradations du signal lumineux comme par exemple l’atténuation ou encore la dispersion. Il traite aussi les éléments de raccordement Introduction générale 2 entre fibres optiques (connecteurs et épissures) et la méthode de mesure d’atténuations dans les liaisons optiques. Le troisième chapitre est dédié à l’étude des sources optiques telles que le laser à semiconducteurs et la diode électroluminescente, leurs caractéristiques en termes d’efficacité quantique, puissance et spectre d’émission ont été examinés. Enfin, le quatrième chapitre entame les détecteurs optiques tels que les photodiodes PIN et à avalanche (PDA) ainsi que les montages électroniques préamplificateurs pour photodiodes. Afin de faciliter la tâche aux étudiants et à consolider ses connaissances, des exercices résolus seront donnés à la fin de chaque chapitre. 3 Chapitre I La Fibre optique et propagation de la lumière I.1 Introduction Les télécommunications optiques constituent un domaine multidisciplinaire. Elles mettent en jeu des composants et des circuits d'émission et de réception, un support de transmission aux propriétés bien particulières et des techniques appropriées de codage, de modulation et de récupération des informations. Ce chapitre présente les notions fondamentales de la propagation de la lumière dans les fibres optiques. En fait, il discute les conditions de propagation d’un tel signal lumineux le long de la fibre optique et les atouts des différents types des fibres. I.2 Description de la fibre optique Les fibres optiques jouent un rôle majeur dans les uploads/Ingenierie_Lourd/ polycopie-djelti-hamida 1 .pdf