Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
L'optoélectronique-hyperfréquence impose de disposer de photodétecteurs et de commutateurs optiques à hautes performances. En effet, les photodétecteurs rapides de forte puissance optique et les commutateurs optiques directionnels, c'est-à-dire jouant le rôle d'aiguillage optique, sont susceptibles d'être des dispositifs de base pour les systèmes opto-hyperfréquences. Le but de cet article est de présenter les avancées récentes dans le domaine des photodétecteurs rapides susceptibles d'être utilisés en opto-hyperfréquences, d'en donner leur principe de fonctionnement et les performances maximales avec les limitations fondamentales dans le contexte opto-hyperfréquence, ainsi que les différentes technologies de commutateur, en évaluant à chaque fois leur adéquation aux applications opto-hyperfréquences.
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For microwave photonics applications, high performances photodetectors and optical switches are required. High power, high speed photo-detectors and optical switching, for routing optical signal, appear, indeed, as basic devices for microwave-photonic systems. The aim of this paper is to present recent advances in the field of main high speed photodetectors useable for microwave applications, and the different optical switching technologies, and discuss their ability to fulfill the microwave photonic applications requirements.
Auteur(s)
-
Didier DECOSTER : Professeur IEMN, CNRS & Université de Lille 1, France
INTRODUCTION
Les photodiodes classiques, à structure PIN, sont les composants les plus courants. Cependant, l'exigence de la montée en fréquence, notamment pour un fonctionnement dans le domaine millimétrique, implique des photodiodes petites, pour réduire les limitations dues à la capacité et au temps de transit des photoporteurs. Il en résulte, pour les photodiodes PIN ultrarapides, une diminution du rendement quantique et de la puissance optique acceptable par la photodiode. C'est pourquoi des solutions alternatives ont été étudiées. Parmi celles-ci, on peut citer les photodiodes MSM pour leur fréquence de coupure élevée, les PIN de type guide d'onde pour le compromis fréquence élevée/rendement quantique, les photodiodes UTC pour la puissance et les phototransistors à hétérojonction pour leur gain à fréquence élevée, mieux adaptés aux liaisons analogiques que les photodiodes à avalanche. Dans ce qui suit, nous présentons successivement ces différents types de photodétecteurs en commençant par les structures PIN.
Nous nous intéressons aussi à la commutation optique directionnelle, c'est-à-dire au contrôle de la direction d'une onde optique. En terme de dispositif, le commutateur ou la matrice de commutation implique qu'un signal optique injecté à une entrée sera dirigé vers l'une ou l'autre des sorties selon les besoins. C'est en fait une espèce « d'aiguillage » optique. Les technologies permettant ce changement de direction peuvent être classées selon deux catégories : les microsystèmes et la commutation fondée sur la variation d'indice des matériaux. Nous présentons successivement les deux approches, et nous précisons les différents phénomènes physiques permettant de moduler l'indice de réfraction d'un matériau : thermique, acousto-optique, magnéto-optique, électro-optique. Nous explicitons les principales structures de commutateur à onde guidée : réflexion totale, couplage de mode, transformation adiabatique de mode, puis nous expliquons les différentes topologies de matrice de commutation. Nous terminons par l'amplification optique, les cristaux liquides et le tout optique, qui sont des technologies différentes des précédentes.
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KEYWORDS
photodetectors | optical switches | microwave photonics | semiconductors
VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 2003 par Béatrice CABON, Jean CHAZELAS, Daniel DOLFI
DOI (Digital Object Identifier)
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Commutation optique1. Photodétection hyperfréquence
1.1 Photodiodes PIN
La photodiode PIN est constituée de trois sections de semi-conducteurs : une couche intrinsèque, ou faiblement dopée, intercalée entre une couche p et une autre n, toutes deux fortement dopées. L'absorption interbande est responsable du courant de détection : un photon est absorbé si son énergie est supérieure à la valeur de l'énergie de la bande interdite de la couche semiconductrice considérée. Pour une utilisation aux longueurs d'onde télécom 1,3 et 1,55 μm, le matériau utilisé pour la couche absorbante est le GaInAs en accord de maille sur substrat InP. L'InP ou le GaInAsP sont transparents et peuvent jouer le rôle de couche fenêtre. C'est pourquoi les photodiodes PIN modernes sont à double hétérostructure InP/GaInAs/InP (ou GaInAsP) pour éviter de créer des paires électron-trou dans les régions dopées (figure 1). Sous polarisation inverse, la zone de déplétion s'étend à travers toute la couche intrinsèque et une petite partie des couches adjacentes. C'est cette propriété qui assure à ces photodiodes PIN leur grande efficacité : par fabrication, la zone d'absorption des photons n'est autre que la couche intrinsèque et la présence d'un champ important dans cette zone sépare efficacement les paires électron-trou.
L'efficacité quantique de la diode PIN est gouvernée par la réflexion à la surface du semi-conducteur et par l'épaisseur de la zone d'absorption. La traversée de la zone de déplétion par les porteurs définit le temps de transit et la capacité de la jonction dépend de la permittivité relative du semi-conducteur, de la surface et de l'épaisseur de la zone déserte. Puisque la capacité, le temps de transit et le rendement quantique d'une photodiode PIN sont interdépendants, la réalisation d'un tel composant à large bande passante est sujette à compromis. Une augmentation de l'épaisseur de la zone active améliore le rendement quantique et diminue la capacité ce qui tend à augmenter la bande passante, mais le temps de transit augmente, ce qui à l'inverse tend à diminuer la bande passante. L'obtention...
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Photodétection hyperfréquence
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DECOSTER (D.), HARARI (J.) - Optoelectronics sensors - . Edition ISTE Ltd. and John Wiley & son, Inc. (2009).
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(2) - GOUY (J.P.) - Étude comparative de la photodiode PIN, de la photodiode à avalanche et du photoconducteur sur matériaux III-V. - Thèse de l'université des Sciences et Technologies de Lille en Électronique (1989).
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(3) - ASHOUR (I.S.), El KADY (H.), SHERIF (K.), VILCOT (J.P.), DECOSTER (D.) - Cutoff frequency and responsivity limitation of AlInAs/GaInAs MSM PD using a two dimensional bipolar physical model - . IEEE Transactions on Electronics Devices, vol. 42, p. 2285-2291, nov. 1995.
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(4) - DECOSTER (D.), HARARI (J.), VILCOT (J.P.) - Metal semiconductor metal photodetector. - Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, vol. 12, p. 561-577.
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Optoélectronique-hyperfréquence. Composants : laser, modulation et liaisons optiques.
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Optoélectronique-hyperfréquence. Fibres optiques et amplification optique.
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Optoélectronique-hyperfréquence. Traitement optique des signaux micro-ondes.
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Optoélectronique-hyperfréquence. Contrôle optique de fonctions électroniques.
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Optoélectronique-hyperfréquence. Marché des composants et fonctions (comparatif).
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