Questions simples sur les semi-conducteurs et l'émission spontanée/stimulée

[LesNuitsParisiennes]

Bonjour/soir.

1) Est-on d'accord pour dire que le dopage d'un milieu semi-conducteur ne change pas le gap? Une connaissance me dit que si en se référant au graphe de la longueur d'onde/de la bande interdite en fonction du paramètre de maille.

2) Je m'emmêle les pinceaux en essayant de (re-)comprendre les régimes d'émission d'une fibre qu'on pompe avec un laser (à l'entrée de la fibre). Pour le régime linéaire, ça va à peu près, le système lase. Mais en-dessous du seuil, il existe un régime appelé ASE (amplificated spontaneous emission) que je comprends mal : je comprends que l'émission spontanée l'emporte encore sur l'émission stimulée, donc qu'on a des photons émis un peu partout dans la fibre dans avec des directions, phases et polarisations aléatoires, ce qui donne une émission finale en sortie de fibre qui est incohérente. Comment l'émission stimulée va-t-elle amplifier l'émission spontanée? Pourquoi doper cette fibre? La longueur d'onde d'émission est-elle fixe?
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[Sethy]

Bonjour/soir.

1) Est-on d'accord pour dire que le dopage d'un milieu semi-conducteur ne change pas le gap? Une connaissance me dit que si en se référant au graphe de la longueur d'onde/de la bande interdite en fonction du paramètre de maille.

Pour moi, la réponse est clairement oui. C'est justement le principe du dopage ( = très faible teneur de dopant) que de ne pas altérer l'ordre cristallin et donc la structure de bandes du semi-conducteur et les zones de Brillouin.

Maintenant comme toujours, le modèle est un modèle simple. Personnellement, je n'ai jamais poussé au delà de ce modèle simple. Je ne serais pas surpris que dans la réalité (surtout celles des puces actuelles) il y ait des différences dont il faille tenir compte.

[LesNuitsParisiennes]

Merci de votre réponse, je pense comme vous, en tout cas pour les faibles dopages.
Quelqu'un pour la 2e question svp ?? Pas trouvé grand-chose sur le net.

[B4lbu]

Bonjour,

Pour le régime linéaire, ça va à peu près, le système lase.

Si je comprends, on s'intéresse seulement au régime linéaire (laser IR avec fibre dopée), pas un éventuel régime non linéaire (laser blanc supercontinuum avec fibre microstructurée) ?

Comment l'émission stimulée va-t-elle amplifier l'émission spontanée? Pourquoi doper cette fibre? La longueur d'onde d'émission est-elle fixe?

Au lieu d'amplifier le laser, l'ASE c'est quand les ions (= le dopage) excités amplifient (émission stimulée) l'émission spontanée d'autres ions, les photons ainsi créés n'ont donc pas la même phase, direction, polarisation que les photons laser à amplifier

la longueur d'onde est en théorie fixe, mais il y a des phénomènes d'élargissement, par exemple https://en.wikipedia.org/wiki/Stark_effect

[A voir en vidéo sur Futura]

[LesNuitsParisiennes]

Bonsoir/jour,

Si je comprends, on s'intéresse seulement au régime linéaire (laser IR avec fibre dopée), pas un éventuel régime non linéaire (laser blanc supercontinuum avec fibre microstructurée) ?

Non, il ne s'agit pas de laser blanc, et pas du régime linéaire non plus, vu que le régime ASE se trouve juste avant le seuil. Je peux vous renvoyer à la figure III-1.4 page 24 de ce document (paginaton lecteur pdf) : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00984686/document , même si là c'est pour une diode laser et non une fibre (c'est ce dernier système qui m'intéresse).

Au lieu d'amplifier le laser, l'ASE c'est quand les ions (= le dopage) excités amplifient (émission stimulée) l'émission spontanée d'autres ions, les photons ainsi créés n'ont donc pas la même phase, direction, polarisation que les photons laser à amplifier

J'y réfléchis mais ça n'est encore complètement clair pour moi, j'ai encore du mal à voir l'intérêt du dopage. Pour l'erbium, j'imagine que l'intérêt vient de sa structure électronique, je dois revoir ces choses-là.

[B4lbu]

Non, il ne s'agit pas de laser blanc, et pas du régime linéaire non plus, vu que le régime ASE se trouve juste avant le seuil.

Je pensais que vous utilisiez le terme régime linéaire par opposition à l'optique non linéaire https://fr.m.wikipedia.org/wiki/Opti..._lin%C3%A9aire

Le régime ASE existe également au dessus du seuil, en dessous du seuil c'est juste qu'il n'y a pas amplification du signal/laser

j'ai encore du mal à voir l'intérêt du dopage. Pour l'erbium, j'imagine que l'intérêt vient de sa structure électronique, je dois revoir ces choses-là.

c'est le dopage qui apporte les niveaux électroniques permettant une inversion de population et donc l'amplification optique, mais depuis le début je pense que vous confondez fibre dopée et semi-conducteur, qui n'ont rien à voir hormis que ce sont deux types d'amplificateurs optiques : par exemple ça n'a pas de sens de parler du gap d'une fibre optique, même si elle est dopée à quelque chose

[LesNuitsParisiennes]

Je pensais que vous utilisiez le terme régime linéaire par opposition à l'optique non linéaire https://fr.m.wikipedia.org/wiki/Opti..._lin%C3%A9aire

Le régime ASE existe également au dessus du seuil, en dessous du seuil c'est juste qu'il n'y a pas amplification du signal/laser

Je vous confirme que j'entendais "régime ASE" comme étant le régime indique sur le lien donné (je me suis trompé d'ailleurs, la figure est page 85 pagination lecteur pdf, enfin vous avez dû la voir).

c'est le dopage qui apporte les niveaux électroniques permettant une inversion de population et donc l'amplification optique, mais depuis le début je pense que vous confondez fibre dopée et semi-conducteur, qui n'ont rien à voir hormis que ce sont deux types d'amplificateurs optiques : par exemple ça n'a pas de sens de parler du gap d'une fibre optique, même si elle est dopée à quelque chose

D'accord... Je me disais que la fibre était en verre, donc potentiellement un cristal, au moins une structure de bande.

Je recherche de la doc sur tout ça, si jamais vous avez des suggestions (émission ASE en particulier).

[B4lbu]

Je me disais que la fibre était en verre, donc potentiellement un cristal, au moins une structure de bande.

Je recherche de la doc sur tout ça, si jamais vous avez des suggestions (émission ASE en particulier).

Mais on n'applique pas une différence de potentiel à la fibre optique, on y fait passer de la lumière

Par exemple https://www.rp-photonics.com/amplifi..._emission.html

[John Bobovitch Bobstein]

Bonjour,

1) Si, le bandgap diminue lorsque l'on dope un semi-conducteur. On parle de "bandgap shrinkage" dans la littérature, et c'est un phénomène bien connu depuis le début des années 90. Ceci n'a rien à voir avec le paramètre de maille du semi-conducteur en question, mais du type de dopant et de sa concentration. Cependant, dans un laser à semi-conducteur, on ne dope que les contacts car les dopants induisent de fortes pertes par absorption.

2) Vous parlez d'un amplificateur optique fibré, pas d'un laser. Dans le cas de l'ASE, il n'y pas de rétro-action, ce que veut dire qu'il y a pas de verrouillage du gain (je ne suis pas sûr des termes, j'ai perdu l'habitude de travailler en français) mais il y a bien de l’émission stimulée. Le plus commun est l'EDFA ('Erbium Doped Fiber Amplifier'), couramment utilisé dans les applications télécoms, soit une fibre dopée à l'erbium. Ce n'est pas un semi-conducteur, il s'agit d'un matériau isolant amorphe (le verre) dopé à l'Erbium (Er3+), et l’émission spontanée provient d'une inversion de population par pompage optique. Le spectre d’émission spontanée est fixe car il est défini par les transitions électroniques dans les ions Er3+. Pas d'erbium ni de pompage optique => pas d'amplification. Le signal amplifié conserve la cohérence du signal optique d'entrée (encore heureux, car sinon il n'y aurait pas d'internet), et le champ électromagnétique émis conserve la polarisation et les modes guidés par la fibre, mais l'EDFA amplifie également le bruit provenant du laser qui émet le signal à amplifier (un laser émet toujours de la lumière avec un certain bruit de phase et d'amplitude).

Une fibre dopée peut servir de laser à condition qu'il y ait un miroir (par exemple, en bouclant la fibre sur elle-même en en faisant un résonateur et en la couplant à une autre fibre), que l'on y injecte un signal de pompe optique qui va exciter les ions Er3+, et que les pertes optiques sont exactement compensées par le gain optique. Pour finir, un laser à semi-conducteur fonctionne différemment, car il est basé sur un pompage électrique (le pompage optique existe mais est moins intéressant dans la plupart des cas). Dans ce cas, les électrons et les trous sont injectés de chaque côté de la jonction p-i-n et se recombinent en émettant des photons à l'énergie de transition entre la bande de conduction et celle de valence (pour simplifier, c'est plus complexe que cela en réalité).

[LesNuitsParisiennes]

Merci de votre réponse JBB, très claire. Je continue mais il y a quelques points que je pense que je ne comprends pas complètement :

Le signal amplifié conserve la cohérence du signal optique d'entrée (encore heureux, car sinon il n'y aurait pas d'internet),

le champ électromagnétique émis conserve la polarisation et les modes guidés par la fibre

les pertes optiques sont exactement compensées par le gain optique

[LesNuitsParisiennes]

J'aimerais aussi rembobiner le film du début : on envoie des photons de pompage sur une fibre. Dans cette fibre, a priori, avant envoi des photons tous les électrons (venant du dopage) sont à l'état fondamental. Ils sont excités par les photons de pompage, passent de E0 à un niveau E1 (transition de pompage). Certains se désexcitent selon le processus d'émission spontanée, d'autres selon l'émission stimulée via les photons de pompage. Là c'est moins clair déjà : les photons de pompage mettent t = d/v(lumière) = 3.10^(-9) s à parcourir une fibre d'un mètre, donc je me dis que si on envoie "beaucoup" de photons de pompage (ça dépend?), l'émission stimulée doit prédominer, bref mes raisonnements sont encore confus, si je pouvais avoir quelques éléments avant de me replonger vraiment dans une longue étude physique.

[LesNuitsParisiennes]

Up svp. Ca m'intéresse beaucoup et je progresse mais je pense que je loupe des choses.