Présentation
Auteur(s)
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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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2. Techniques de mesure des paramètres fondamentaux
Dans le paragraphe précédent, nous avons dégagé les trois paramètres fondamentaux en partant de considérations structurelles et technologiques. Ces paramètres sont les suivants.
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L’efficacité quantique ηext est exprimée à l’aide du rapport des paires électrons-trous effectivement collectées sur les électrodes au nombre de photons incidents 2.1.
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La rapidité de réponse du dispositif (associé à un circuit de mesure) à un échelon de lumière de temps de montée très court est liée 2.2 :
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à l’épaisseur de matériau compris entre les deux zones électrodes, par le temps de transit des porteurs dans cette région ;
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à la capacité « électrostatique » de la jonction, dont la vitesse de charge et de décharge dépendra de la valeur de la résistance de charge utilisée pour la mesure.
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Le courant de fuite à l’obscurité est source de bruit de grenaille en l’absence et en présence de signal optique 2.3.
Les dispositifs qui font l’objet de cet article présentent des surfaces sensibles de forme circulaire (diamètres inférieurs ou égaux à 200 µm), dont l’homogénéité spatiale d’efficacité quantique constitue un paramètre important supplémentaire.
Dans les paragraphes suivants, afin de faciliter la compréhension de certaines difficultés, nous nous contenterons de résumer les principes expérimentaux et les conditions dans lesquelles les mesures absolues sont effectuées.
2.1 Efficacité quantique
Le principe de la mesure consiste à comparer les réponses électriques du dispositif à étudier à celles d’un élément étalonné dans...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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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