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Auteur(s)
-
Christian BOISROBERT : Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité - Master of Sciences de l’Université du Colorado (États‐Unis) - Chargé des études de composants optoélectroniques pour transmissions par fibres optiques au Centre National d’Études des Télécommunications (CNET – Lannion)
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Lire l’articleINTRODUCTION
La disponibilité, au niveau industriel, de fibres optiques à très faibles pertes dans le domaine spectral compris entre 0,8 et 2 µm de longueur d’onde a déclenché de nouvelles activités de recherche et de développement sur les matériaux, et sur les composants issus de ces matériaux, susceptibles d’émettre et de détecter les radiations de ce domaine spectral.
Au niveau des sources de lumière raisonnablement utilisables dans les systèmes de transmission par fibres, les matériaux issus d’éléments des colonnes III et V de la classification de Mendeleïev connaissent un essor technologique considérable : les transitions électroniques qui prennent naissance dans ces semiconducteurs sont directes, donc très probables, et les différentes compositions permettent une grande variété de bandes d’énergie interdites, donc de longueurs d’onde d’utilisation.
La situation est assez claire en ce qui concerne les matériaux et les dispositifs photodétecteurs utilisables aux longueurs d’onde comprises entre 0,8 et
. L’effort technologique de recherche sur le silicium se maintient depuis plusieurs années sur des applications nombreuses et diverses, ce qui explique que ce matériau soit très bien connu, en comparaison de matériaux III‐V et II‐VI susceptibles de résoudre la même fonction dans les mêmes domaines spectraux. Les structures actuellement élaborées sur le silicium ont atteint un degré de complexité assez élevé.
La première partie de cet article traite du mode de fonctionnement de la jonction PN en compteur de photons, dont l’optimisation en sensibilité, rapidité et valeur de capacité de jonction conduit à la structure PIN.
Les techniques de mesure de paramètres fondamentaux sont décrites en paragraphe 2, au terme duquel quelques résultats expérimentaux seront présentés.
La troisième partie contient les bases théoriques et la description de la structure de la jonction à multiplication interne par avalanche, élaborée sur silicium. Ce modèle structural est utilisé par les chercheurs et les techniciens qui se penchent actuellement sur les jonctions à avalanche dans les matériaux adaptés à la photodétection aux longueurs d’onde plus grandes. Les techniques de mesure de gain et du bruit associé y seront également développées 3.2.
En conclusion 4, nous soulignerons les aspects difficiles de métrologie (photométrie, étalons, etc.), avant de résumer les conditions d’utilisation de ces deux types de composants dans les sous‐ensembles constitutifs des systèmes.
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- Version courante de déc. 2012 par Christian BOISROBERT
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3. Jonction photodétectrice à gain interne
L’adaptation de la photodiode PIN à l’amplification à faible bruit devient plus délicate et sans intérêt si la bande de fréquence (ou le débit d’information à transmettre) devient plus grande. La puissance de bruit ramenée à l’entrée du premier étage d’amplification et de conversion courant‐tension est alors beaucoup plus importante que celle accompagnant le passage d’un photocourant primaire.
En raison de ces difficultés, de nombreux laboratoires et sociétés ont entrepris l’étude, la conception et la réalisation de structures plus compliquées présentant l’avantage d’un apport de gain d’amplification.
3.1 Théorie du processus de multiplication
Les photodiodes à avalanche à semiconducteurs, telles que celles envisagées dans les liaisons par fibres optiques, sont des structures plus élaborées que les structures PIN parce qu’elles remplissent deux fonctions :
-
la fonction fondamentale de comptage de photons, comme dans les structures PIN ;
-
la fonction multiplication interne par phénomène d’avalanche contrôlée, au niveau de la jonction PN [6].
Lorsque nous appliquons une tension inverse croissante aux bornes d’une jonction, le champ électrique qui y règne croît pour atteindre une valeur critique E c . À partir de cette valeur, les porteurs qui circulent ont suffisamment d’énergie pour ioniser par choc les atomes avoisinants. Ils libèrent ainsi en chaîne des porteurs pouvant être mille fois plus nombreux.
Le courant résultant de ce phénomène de multiplication interne peut atteindre des valeurs très élevées par rapport au courant dit primaire, obtenu à des tensions de polarisation inférieures à la tension critique. Le facteur de multiplication M, rapport de ces deux courants, peut s’exprimer de la façon suivante :
avec :
- VB :
- tension de claquage
- V :
- tension appliquée
- Vo et n :
- constantes,...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BERTH (M.), VENGER (C.) - Photodétecteurs rapides à état solide - . Acta Electronica (F) 15 no 4 1972 p. 231-308.
-
(2) - MELCHIOR (H.), FISHER (M.B.), ARAMS (F.R.) - Photodetector for optical communications systems - . Proceedings IEEE (USA) 58 1970 p. 1466-86.
-
(3) - BOISROBERT (C.) - La photodiode PIN au silicium : structure, élaboration, utilisation - . Acta Electronica (F) 22 no 4 1979 p. 311-22.
-
(4) - DECROISETTE (M.) - Méthodes de mesure d’impulsions lumineuses ultra-brèves - . Onde Électrique (F) 56 no 1 1976 p. 1-4.
-
(5) - DUMANT (J.M.), BOISROBERT (C.), DEBEAU (J.) - Modulation rapide d’une diode laser GaAlAs en bande de base. Caractérisation du circuit de détection à diode PIN - . 2e Colloque Européen sur les transmissions par fibres optiques Paris 1976 Onde Électrique (F) 56 1976 p. 609-12.
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...
ANNEXES
Microscope et objectifs de microscope :
Nachet (Microscopes) http://www.nachet.com
Leica Microsystems http://www.leica-microsystems.com
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Détection synchrone :
Princeton Applied Research Corp.
Analyseur de réseau :
Agilent http://www.agilent.com
Oscilloscope à échantillonnage :
Tektronix http://www.tektronix.com
Agilent
Photodiode étalon :
Perkin Elmer http://www.perkinelmer.com
Banc de mesure de sensibilité :
Photodyne Inc.
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