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Cours Optoélectronique Faculté des sciences Kénitra 1 Optoélectronique ST& EE A

Cours Optoélectronique Faculté des sciences Kénitra 1 Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 Présenté par: Pr. A. Bendali 2 •Chapitre 1: Généralités-Lumière et propagation sur les fibres optiques •Chapitre 2: Sources de lumière (LED, Photodiode et Diodes LASER) •Chapitre 3: Théorie et caractéristiques des fibres optiques •Chapitre 4: Méthodes d’inscription et de détection de données Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 Cours Optoélectronique 3 Chapitre 1 : Généralités Lumière et propagation sur les fibres optiques Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 4 Plan 1. Introduction générale 2. Propagation de la lumière 3. Principes de propagation 4. Lois de réﬂexion et de réfraction 5. Discussion autour des lois de Descartes 6. Définition et structure générale de la fibre optique 7. Classification des fibres optiques Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 5 Introduction Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 L'association des termes «électronique» et «optique» est à l'origine de divers vocables : on dit d'un matériau qu'il est «électro-optique» si ses propriétés optiques (transmission, indice de réfraction, biréfringence,...) sont modifiables sous l'action d'un champ électrique. «L'optoélectronique» désigne les composants qui transforment les photons en électrons, ou vice-versa (détecteurs, lasers, diodes électroluminescentes ou laser), ceux qui transportent la lumière (fibres optiques), l'amplifient, ou la modulent. Quant au terme «optronique», il a une connotation « système », et désigne les capteurs, dispositifs, instruments, appareils, équipements, systèmes,...(dénomination variable suivant la complexité) qui, combinant optique et électronique, sont utilisés dans de nombreux domaines, parmi lesquels : Médical : Le domaine médical utilise un nombre grandissant de dispositifs optroniques, aussi bien pour les diagnostics (thermographie, imagerie laser) que pour les soins eux- mêmes (chirurgie, épilation laser). 6 Introduction Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 Recherche scientifique : Beaucoup de capteurs optroniques sont impliqués dans les projets scientifiques de grande envergure, tels que celui du Laser Mégajoule au CEA, en astronomie, de même que dans les laboratoires de recherche, universitaires et industriels. Industrie : En fabrication industrielle, on trouve de plus en plus d'équipements laser pour la découpe, la soudure, le marquage. L'optronique intervient aussi en contrôle industriel, pour les mesures de : température, débit (fluides), déplacement, vitesse, accélération, pression (fluides, acoustiques), humidité, contraintes, forces, charges, gaz, pollution, niveau (liquides), vibrations, chocs, couples, formes de surfaces...Ces capteurs sans contact ne perturbent pas les phénomènes observés, et peuvent fonctionner en présence d'agressions chimiques (corrosion), mécaniques (vibrations, pression, choc), thermiques, électriques, magnétiques ou radiatives (milieu nucléaire)… 7 Introduction Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 Défense : Souvent associés au radar, omniprésents en défense, les équipements optroniques apportent leurs avantages en discrétion (quand ils émettent, leur émission est plus directive que celle du radar) et en précision angulaire, qualité traditionnelle de l'optique. L'optronique permet d'améliorer l'observation sur le champ de bataille, pour l'aide à la navigation, le pilotage, la reconnaissance et l'identification de cibles, le guidage d'armement. Pour neutraliser ces équipements très efficaces, les contre-mesures optroniques sont en très fort développement. Spatial : L'optronique spatiale intervient dans l'aide à la navigation des satellites (senseurs d'horizon ou d'étoiles), l'observation de la terre et de l'espace, le suivi des ressources terrestres, l'astronomie,...Il existe aussi des programmes de recherche en télécommunications spatiales par laser, destinés aux transmissions à très grandes distances, par exemple entre satellites géostationnaires et satellites à orbites basses. 8 Introduction Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 Télécommunications : Parmi les raisons qui expliquent l'emploi croissant des fibres optiques en télécommunications, on peut citer : faibles pertes, bandes passantes élevées, légèreté, encombrement réduit, possibilité d'exposition à des tensions élevées, absence d'étincelles, de conduction, de boucles de masse, de rayonnement, insensibilité aux perturbations optiques ou électromagnétiques, .... Des terminaux à fibre optique de hautes capacités sont maintenant disponibles à coûts compétitifs. 9 Introduction Le but de ce cours est de décrire les composants d’émission et de réception des photons (lumière) et leurs applications (Télécommunication). Ces composants sont très utilisés dans les produits électroniques. On peut citer les photodiodes, les diodes laser en particulier dans les lecteurs optiques et la transmission des données, les diodes LED amenées à jouer un rôle de plus en plus important pour l’éclairage et l’affichage, les cellules photovoltaïques pour capter l’énergie solaire. Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 10 Introduction Première distinction : Transmission et Communication •La transmission ne s'occupe que du transfert de l'information de l'expéditeur vers le destinataire. •La communication suppose la compréhension et l'exploitation du contenu de l'information. (les deux termes sont parfois utilisés indifféremment) Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 11 Introduction Pour être transmise une information doit être transcrite, "matérialisée" sur un support. Matérialisation obtenue généralement avec la transformation d'une caractéristique de ce support. Pierre + Gravure Papier + Écriture Air + Onde Fil métallique + Courant électrique Fil de verre + Lumière (Cas étudié ici) Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 12 Introduction La transmission des données suppose donc : D'utiliser un support (Lumière et Fibre Optique) 1ère Partie De transmettre un signal (Chaine de Transmission) 2ème Partie Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 13 Introduction Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 14 Introduction 1958 : Invention du laser 1962 : Effet laser dans les semi-conducteurs (mais courte durée de vie) 1966 : Premières expériences de C. Kao (U.K.) sur les guides d’ondes optiques en silice (atténuation: 1000 dB/km) 1970 : Diodes laser en semi-conducteur GaAs fonctionnant à température ambiante ( atténuation de la lumière dans la silice : 20 dB/km à λ=0.85 μm (Corning)) 1972 : 4 dB/km 1973 : 2 dB/km. Diode laser, durée de vie > 10,000 heures 1977 : 0.5 dB/km Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 15 Introduction 1979 : 0.2 dB/km à λ=1.55 μm Fin des 1970s Démonstration des systèmes de transmission par fibre optique 1980 Premier système commercial à fibre optique (fibres multimodes) Débit : 45 Mbit/s, distance entre répéteurs ~10 km, λ =0.85 μm (1ère génération) Début des 1980s Système commercial de 2ème génération à 1.3 μm (pertes plus faibles) La dispersion dans les fibres multimodes limite le débit et la distance entre répéteurs Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 16 Introduction 1987 Systèmes à fibres monomodes (3ème génération ) Débit: jusqu’à 1.7 Gbit/s , distance entre répéteurs ~ 50 km, λ = 1.3 μm 1988 TAT-8 Première liaison optique transatlantique (2 x 280 Mbit/s à 1.3 μm) Fin des 1980s Invention de l’amplificateur à fibre dopée erbium (EDFA) (simultanément à Bell Labs & University of Southampton) 1990 Systèmes à 2.5 Gbit/s à 1.55 μm disponibles commercialement Faibles pertes @ 1.55 μm mais limitations dues à la dispersion chromatique Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 17 Introduction Début des 1990s Démonstration du multiplexage en longueur d’onde (WDM) 1995 TAT-12/13 (5 Gbit/s & EDFA) Installation de systèmes terrestres WDM avec 4 à 8 λ (4ème génération) Fin des 1990s SEA-ME-WE3: premier réseau optique sous-marin WDM 2001 TAT 14: 4 x 16 λ x 10 Gbit/s = 640 Gbit/s opérationnel Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 18 Propagation La lumière Dans un milieu homogène et transparent (tel que l’eau, l’air … ) la lumière se propage toujours en ligne droite. – Un rayon lumineux est un trajet rectiligne suivi par la lumière. – Un faisceau lumineux est un ensemble de rayons lumineux. Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 19 Propagation Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 20 Spectre de la lumière Propagation Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 21 Les sources lumineuses Ce sont des corps qui produisent la lumière qu’ils émettent. Propagation On trouve dans cette catégorie des corps ayant une température très élevée comme le Soleil, les flammes, Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 22 Propagation Pour la transmission optique Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 23 Propagation Comment fait-on la différence entre une lumière classique issue d'une lampe ou du soleil et une lumière issue d'un laser? •Caractéristiques de la lumière laser Par sa couleur La lumière issue d'un laser est de couleur vive rouge, verte, bleue, orange. C'est le signe du caractère monochromatique de la lumière laser. La couleur définit le type de laser, par exemple, le laser vert est souvent un laser à Gaz Argon, le laser rouge peut être un laser solide Titane-Saphire ou à Gaz Hélium-Néon. Par son aspect directif, en forme de rayon, alors que la lumière émise par une lampe rayonne dans toutes les directions, la lumière issue d'un laser est très directive, elle prend l'aspect d'un rayon. Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 24 Propagation Par sa densité spectrale d'énergie : L'énergie du faisceau laser est beaucoup plus élevée que celle de n'importe quelle source classique. Une lampe peut être aussi lumineuse qu'un laser mais contrairement au laser elle émet sur toutes les longueurs d'ondes. Par la cohérence de son rayonnement : En plus des trois points évoqués précédemment, le laser est une source de lumière cohérente c'est à dire que l'émission des photons ne se fait pas de façon aléatoire comme dans le cas d'une lampe classique mais selon un processus d'émission plus régulier. Optoélectronique ST& EE A.U: 2021/2022 25  Dans un milieu transparent, isotrope et homogène, la lumière se propage en ligne droite. Principes de propagation 1. Principe de propagation rectiligne: Milieu Homogène (même composition chimique en chacun de ses points) Milieu Isotrope (milieu dans lequel toutes uploads/Sante/ telecommunication-optique-chapitre-i.pdf