Optoélectronique
Cours et exercices corrigés
Emmanuel Rosencher/Borge Vinter
Dunod
Avant-proposxiii
Chapitre 1 • Mécanique quantique de l'électron1
1.1 Introduction1
1.2 Postulats de la mécanique quantique1
1.3 Equation de Schrödinger indépendante du temps5
1.4 Le puits quantique7
1.5 Perturbations indépendantes du temps13
1.6 Perturbations dépendantes du temps et probabilités de transition15
1.7 La matrice densité20
Compléments du chapitre 125
1.A Problèmes posés par les continuums : boîte fictive et densité d'états25
1.B Perturbation sur un état dégénéré28
1.C Effets Stark dans les puits quantiques32
1.D L'oscillateur harmonique35
1.E Probabilité de transition et oscillation de Rabi42
Chapitre 2 • Mécanique quantique du photon47
2.1 Introduction47
2.2 Les équations de Maxwell dans l'espace réciproque47
2.3 Propriétés de la transformation de Fourier49
2.4 Quantification des ondes électromagnétiques51
2.5 Le photon54
2.6 L'état cohérent57
2.7 Le spectre du corps noir60
Compléments du chapitre 264
2.A Champ rayonné par une charge oscillante. Jauge de Lorentz64
2.B Eléments de thermographie71
Chapitre 3 • Mécanique quantique de l'interaction électron-photon77
3.1 Introduction77
3.2 Hamiltonien dipolaire d'interaction électron-photon77
3.3 Susceptibilité linéaire optique par la matrice densité79
3.4 Susceptibilité linéaire optique, absorption et gain optique82
3.5 Equations de bilan84
3.6 Emission spontanée et durée de vie radiative88
3.7 Transitions polychromatiques : les équations d'Einstein93
3.8 Les équations de bilan revisitées94
Compléments du chapitre 398
3.A Elargissement homogène et inhomogène. Cohérence de la lumière98
3.B Perturbations dépendantes du temps du second ordre104
3.C Coefficients d'Einstein110
3.D Equivalence des hamiltoniens A.p et D.E112
Chapitre 4 • Oscillations lasers117
4.1 Introduction117
4.2 Inversion de population et amplification optique117
4.3 Systèmes à trois et quatre niveaux121
4.4 Résonateurs optiques. Seuil d'oscillation laser124
4.5 Caractéristiques du laser127
4.6 Equations de bilan d'une cavité. Comportement dynamique des lasers133
Compléments du chapitre 4142
4.A Effet de l'émission spontanée. Condensation photonique142
4.B Saturation dans les amplificateurs lasers145
4.C Equations électrodynamiques du laser.151
4.D Largeur de raie de Schawlow-Townes. Force de Langevin157
4.E Une étude de cas : le laser pompé par diodes163
Chapitre 5 • Structures de bandes des semiconducteurs169
5.1 Introduction169
5.2 Structures cristallines, ondes de Bloch et zone de Brillouin169
5.3 Bandes d'énergie174
5.4 Masses effectives et densité d'états176
5.5 Interprétation dynamique des masses effectives et notion de trous179
5.6 Statistiques de porteurs dans les semiconducteurs183
Compléments du chapitre 5194
5.A Modèle de l'électron quasi libre194
5.B Combinaisons linéaires d'orbitales atomiques. Liaisons fortes197
5.C Théorie k.p de Kane200
5.D Défauts profonds dans les semiconducteurs206
Chapitre 6 • Propriétés électroniques des semiconducteurs209
6.1 Introduction209
6.2 L'équation de Boltzmann209
6.3 Mécanismes de diffusion (scattering)215
6.4 Electrons chauds (hot electrons)219
6.5 Recombinaison224
6.6 Les équations de transport dans un semiconducteur227
Compléments du chapitre 6232
6.A Effet Hall232
6.B Phonons optiques et interaction de Fröhlich234
6.C Avalanche243
6.D Recombinaison Auger246
Chapitre 7 • Propriétés optiques des semiconducteurs253
7.1 Eléments dipolaires dans les semiconducteurs à gap direct253
7.2 Susceptibilité optique d'un semiconducteur257
7.3 Absorption et émission spontanée261
7.4 Coefficient de recombinaison bimoléculaire268
7.5 Conditions d'amplification optique dans les semiconducteurs271
Compléments du chapitre 7276
7.A Electromodulateur à effet Franz-Keldysh276
7.B Indice optique des semiconducteurs282
7.C Absorption par porteurs libres286
Chapitre 8 • Hétérostructures semiconductrices et puits quantiques295
8.1 Le formalisme de la fonction enveloppe297
8.2 Puits quantique302
8.3 Densité d'états et statistique dans un puits quantique306
8.4 Transitions optiques interbande dans un puits quantique309
8.5 Transitions optiques intersousbande dans un puits quantique316
8.6 Absorption optique et angle d'incidence319
Compléments du chapitre 8326
8.A Fils et boîtes quantiques326
8.B Les excitons328
8.C Effet Stark confiné. L'électromodulateur SEED334
8.D Sousbandes de valence337
Chapitre 9 • Guides d'onde341
9.1 Introduction341
9.2 Approche géométrique des guides d'onde342
9.3 Approche ondulatoire des guides d'onde344
9.4 Confinement optique352
9.5 Couplage entre modes guidés. Théorie des modes couplés354
Compléments du chapitre 9358
9.A Couplage optique entre guides. Commutateurs électro-optiques358
9.B Guide de Bragg363
9.C Conversion de fréquence dans les guides non linéaires368
9.D Cavité Fabry-Pérot. Miroirs de Bragg374
Chapitre 10 • Quelques concepts des composants à semiconducteurs385
10.1 Les phénomènes de surface386
10.2 La jonction Schottky389
10.3 La jonction p-n393
Compléments du chapitre 10403
10.A Quelques variantes de diodes403
10.B Courants de fuite dans les diodes407
Chapitre 11 • Photodétecteurs à semiconducteurs411
11.1 Distribution de porteurs dans un semiconducteur photoexcité412
11.2 Photoconducteurs417
11.3 Détecteur photovoltaïque422
11.4 Photodétecteur à émission interne431
11.5 Photodétecteur à puits quantiques434
11.6 Photodétecteur à avalanche441
Compléments du chapitre 11445
11.A Bruit dans les détecteurs445
11.B Détectivité limite. Performance limitée par le fond (BLIP)459
Chapitre 12 • Conversion de fréquences optiques465
12.1 Description mécanique de la génération de seconde harmonique466
12.2 Description électromagnétique de l'interaction optique non linéaire quadratique470
12.3 Génération de seconde harmonique optique473
12.4 Relations de Manley-Rowe475
12.5 L'amplification paramétrique478
12.6 Oscillateurs Paramétriques Optiques (OPO)479
12.7 Somme de fréquences, différence de fréquences et oscillation paramétrique484
Compléments du chapitre 12489
12.A Modèle quantique de susceptibilité non linéaire quadratique489
12.B Scenarii d'accord de phase dans les semiconducteurs495
12.C Déplétion de la pompe dans l'interaction paramétrique503
12.D Caractéristiques spectrales et temporelles des oscillateurs paramétriques optiques507
12.E Interactions paramétriques en cavité laser515
12.F Puissances de sortie des oscillateurs paramétriques optiques en régime continu519
Chapitre 13 • Diodes électroluminescentes et diodes laser527
13.1 Introduction527
13.2 Injection électrique et densités de porteurs hors d'équilibre528
13.3 Diodes électroluminescentes531
13.4 Amplification optique dans des diodes à hétérojonctions537
13.5 Diodes laser à double hétérojonction541
13.6 Diodes laser à puits quantiques548
13.7 Comportement temporel des diodes laser561
13.8 Quelques caractéristiques du rayonnement des diodes laser564
Compléments du chapitre 13568
13.A Laser à contre-réaction répartie568
13.B Lasers à puits quantiques contraints572
13.C Lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL)576
13.D Aspects thermiques des diodes laser. Diodes laser de puissance581
13.E Emission spontanée dans les lasers à semiconducteurs586
13.F Effet de saturation du gain. Facteur K591
13.G Bruit et largeur de raie d'une diode laser598
13.H Lasers unipolaires à cascade quantique604
13.I Compétition de modes. Transmodulateur à saturation de gain croisé607
Annexe611
Index613