Qu'est-ce que l'optoélectronique ?

Loin d'être une simple sous-discipline de la photonique, l'optoélectronique (également appelée optronique) est une discipline clé à la croisée de l'optique et de l'électronique, à l'origine d' innovations majeurs dans les domaines de la communication, de l'imagerie, de la détection et de l'énergie. L'optoélectronique se trouve à la frontière de ces deux domaines, mais constitue une catégorie de dispositifs unique, impliqués soit dans l'émission, soit dans la détection de la lumière.

À cet égard, les dispositifs optoélectroniques exploitent soit la lumière en la convertissant en un signal électronique, soit un signal électronique qu'ils convertissent en lumière. Les dispositifs optoélectroniques peuvent également être classés comme des transducteurs, car ils transforment un type d'énergie en un autre.

Les dispositifs optoélectroniques sont essentiels pour un certain nombre d'industries de haute technologie, notamment les secteurs de l'automobile, de l'armée et de la défense, de l'aérospatiale, de l'énergie, du médical, de l'électronique grand public et des télécommunications. Voici quelques-uns des principaux composants optoélectroniques utilisés aujourd'hui :

• Photodiodes
• Diodes laser
• Diodes électroluminescentes (LED) et micro-LED
• Photorésistances
• Cellules solaires (photovoltaïques)
• Câbles à fibres optiques
• Phototransistors
• Photodétecteurs

Au sein de ces industries, les dispositifs optoélectroniques sont utilisés dans une large gamme d'applications, notamment :

• Caméras
• Imagerie médicale/capteurs médicaux (endoscopes, etc.)
• Diagnostics médicaux (moniteurs de fréquence cardiaque, etc.)
• LiDAR et autres capteurs automobiles
• Écrans
• Systèmes de guidage à distance
• Lasers
• Appareils électroniques courants, des smartphones et montres connectées aux éclairages LED, machines à café et appareils électroménagers modernes
• Dispositifs de commutation sensibles à la lumière
• Imprimantes laser

L'électronique et l'optique à semi-conducteurs classiques transmettent des signaux d'information électromagnétiques au moyen d'électrons. L'optoélectronique diffère de l'électronique classique, car elle contient également des informations provenant de la lumière, y compris les longueurs d'onde ultraviolettes, visibles et infrarouges.

Contrairement aux systèmes purement optiques (tels que les miroirs, les lentilles et les filtres) qui modulent passivement la lumière, les dispositifs optoélectroniques convertissent activement la lumière et les signaux électriques, alimentant des technologies telles que les caméras, la fibre optique, les lasers et les photodétecteurs. Ces dispositifs interagissent de manière plus directe avec le champ électromagnétique des ondes lumineuses qui traversent les composants optiques, comme la polarisation.

L'optoélectronique est également liée aux dispositifs électro-optiques, mais il existe des différences qui distinguent ces deux catégories de dispositifs hybrides optiques-électroniques.

Les dispositifs optoélectroniques et électro-optiques interagissent tous deux avec les ondes lumineuses et les champs électriques, mais ils diffèrent dans la manière dont ces interactions ont lieu. Les dispositifs optoélectroniques convertissent les signaux électriques en signaux optiques et vice versa, tandis que les dispositifs électro-optiques sont axés sur la manière dont les champs électriques peuvent contrôler, moduler et manipuler la lumière en utilisant les propriétés optiques des matériaux présents dans le dispositif. Parmi les exemples de dispositifs électro-optiques, on peut citer les commutateurs optiques, les modulateurs et les amplificateurs haute fréquence.

Plusieurs mécanismes fondamentaux sous-tendent les dispositifs optoélectroniques : l'effet photoélectrique, l'effet photovoltaïque, l'électroluminescence et l'émission stimulée.

Effet photoélectrique

L'effet photoélectrique correspond à l'éjection d'électrons d'un matériau lorsqu'il est exposé à la lumière. L'énergie du photon est directement liée à sa fréquence et, si elle dépasse la fonction de travail du matériau, l'énergie transférée est suffisante pour que les électrons soient éjectés du matériau.

Un certain nombre de dispositifs optoélectroniques reposent sur l'effet photoélectrique. Par exemple, les photodiodes l'utilisent pour détecter et convertir la lumière en un signal électrique, les phototransistors utilisent l'effet photoélectrique pour amplifier les signaux lumineux dans les capteurs et les commutateurs, tandis que les cellules solaires utilisent cet effet dans le cadre de la conversion directe de la lumière solaire en électricité.

Effet photovoltaïque

L'effet photovoltaïque se produit lorsque les électrons restent piégés dans le matériau, mais avec un état énergétique plus élevé que les électrons dans leur état naturel, après avoir été irradiés par la lumière. L'énergie de la lumière provoque le mouvement des porteurs de charge (électrons et trous) à travers une jonction semi-conductrice, ce qui entraîne la génération d'un courant électrique qui est transféré à un circuit externe. Cet effet est utilisé dans les cellules solaires pour générer du courant et de la tension à partir de la lumière du soleil, mais il est également utilisé dans les photodiodes et les phototransistors.

Électroluminescence

L'électroluminescence est un phénomène optique qui se produit lorsqu'un matériau solide interagit avec un champ électrique ou un courant électrique, entraînant l'émission de lumière. Ce phénomène provoque l'excitation des électrons et la libération de leur énergie lors de la recombinaison radiative des porteurs de charge (électrons et trous), où les électrons libèrent leur énergie sous forme de lumière. L'électroluminescence est observée dans les matériaux semi-conducteurs et est utilisée dans les technologies d'affichage.

Émission stimulée

L'émission stimulée est un processus optique qui provoque l'interaction des électrons d'un atome excité avec des photons à des fréquences spécifiques. L'électron excité abaisse son niveau d'énergie et transfère son énergie au champ électromagnétique local. Cela crée un nouveau photon qui présente la même polarisation et la même fréquence que l'onde lumineuse incidente, rendant les deux photons cohérents. Ce processus amplifie les signaux optiques et est souvent utilisé pour créer une lumière laser.

Les dispositifs optoélectroniques sont associés à de nombreuses applications et sont présents dans les appareils électroniques courants que nous avons chez nous, ainsi que dans les industries de haute technologie. Nous allons examiner quelques exemples plus en détail.

Capteurs automobiles

Un certain nombre de capteurs sont intégrés dans les véhicules qui utilisent des composants optoélectroniques, notamment :

• Capteurs à semi-conducteurs à oxyde de métal complémentaire (CMOS) : utilisés pour percevoir l'environnement local dans les véhicules autonomes et les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS)
• Caméras à dispositif à couplage de charge (CCD) : autre type de caméra d'imagerie utilisé dans les opérations autonomes, mais particulièrement utile dans des conditions de faible luminosité
• LiDAR : suit les obstacles et les véhicules afin de créer une carte 3D de l'environnement local autour du véhicule ; largement utilisé dans les véhicules autonomes ainsi que dans les systèmes ADAS

Des capteurs optiques beaucoup plus avancés sont désormais intégrés dans les véhicules, à mesure qu'ils commencent à disposer de fonctionnalités plus autonomes comme les systèmes ADAS, les caméras de recul et le pilote automatique. Certains d'entre eux fonctionnent avec la lumière visible, d'autres avec la transmission et la réception de signaux infrarouges. De nos jours, les véhicules sont équipés de capteurs passifs et actifs afin de mieux appréhender leur environnement. À mesure que l'industrie automobile évolue vers des véhicules autonomes de niveau supérieur, davantage de capteurs basés sur l'optoélectronique seront intégrés afin d'offrir une perception plus avancée de l'environnement local autour du véhicule.

Télécommunications

L'optoélectronique est essentielle aux télécommunications modernes, non seulement grâce aux fibres optiques, mais également grâce aux lasers et aux circuits intégrés photoniques (PIC).

Dans ces systèmes, des diodes laser à semi-conducteurs transforment les données électroniques en lumière, qui est introduite dans la fibre optique sous forme d'impulsion et parcourt de longues distances. Les signaux sont transmis le long de la fibre en utilisant la différence d'indice de réfraction entre le cœur et la gaine de la fibre optique comme guide (guide d'ondes). À l'autre extrémité, un émetteur-récepteur composé de photodétecteurs reconvertit la lumière en signaux électriques. Ce processus permet de transférer des données électroniques d'un endroit à un autre en utilisant la lumière, car celle-ci peut se déplacer sur de longues distances beaucoup plus rapidement que les électrons.

De plus en plus, ces composants (lasers, modulateurs et détecteurs) sont combinés dans de minuscules puces, les PIC susmentionnés, rendant les réseaux plus rapides, plus petits et plus efficaces. L'ensemble de cette configuration permet à Internet et aux réseaux mobiles de traiter d'énormes quantités de données à des vitesses élevées.

Imagerie médicale/caméras

Dans le secteur médical, les dispositifs optoélectroniques sont utilisés dans les endoscopes. L'optoélectronique permet de réduire la taille des endoscopes, ce qui signifie que la procédure devient moins invasive à mesure que les technologies optoélectroniques continuent de se miniaturiser.

Outre les procédures d'endoscopie classiques, l'optoélectronique contribue également au développement de nouvelles approches plus avancées. Par exemple, la caméra-pilule que le patient peut avaler. Elle prend ensuite des photos tout en traversant le système gastro-intestinal, ce qui rend le processus plus confortable que la procédure d'endoscopie classique.

Électronique grand public

L'optoélectronique est présente dans de nombreux appareils électroniques grand public. Presque tous les appareils modernes équipés de voyants lumineux et d'écrans intégrés utilisent l'optoélectronique pour émettre de la lumière. Par exemple :

• LED : Les LED sont largement utilisées dans les produits d'éclairage de tous les jours, comme sources d'éclairage sur les biens de consommation dotés d'un éclairage esthétique, ainsi que dans les téléviseurs, smartphones, ordinateurs portables et écrans d'ordinateur à LED et à diodes électroluminescentes organiques (OLED) pour leur haute qualité d'image et leur faible consommation d'énergie.
• Capteurs d'image (CCD, capteurs CMOS) : Ces capteurs sont utilisés dans de nombreux biens de consommation liés à l'imagerie et à la vidéo, tels que les caméras numériques et les webcams.
• Autres capteurs : Il existe une large gamme d'autres capteurs optoélectroniques utilisés dans l'électronique grand public. Parmi les exemples les plus importants, on peut citer les capteurs infrarouges pour les télécommandes, les capteurs de profondeur pour les casques AR/VR et les capteurs de mouvement optiques pour la domotique intelligente.
• Diodes laser : Elles sont utilisées dans les technologies de communication, les technologies de stockage optique et les lecteurs de codes-barres.
• Optocoupleurs (opto-isolateurs) : Ces dispositifs d'interconnexion optiques utilisent la lumière pour transférer des signaux électroniques entre des circuits intégrés tout en restant isolés électroniquement les uns des autres. Ils sont largement utilisés dans les alimentations électriques, les moteurs, les systèmes d'acquisition de données et les interfaces de communication.

Cellules solaires

Une cellule solaire est un dispositif optoélectronique en soi, mais elle représente également un domaine d'application très vaste, en particulier à l'heure actuelle où de nombreux panneaux solaires sont installés et ajoutés au réseau afin d'augmenter le niveau d'énergie décarbonée. Les panneaux solaires peuvent être installés dans les maisons et les entreprises, ainsi que dans les grandes exploitations sous forme de réseaux de panneaux solaires.

Il existe de nombreux types de cellules solaires, des cellules solaires classiques au silicium aux cellules solaires améliorées au graphène, en passant par les cellules solaires à pérovskite, les cellules solaires organiques, les cellules solaires flexibles et transparentes et les cellules solaires à colorant (DSSC). Les cellules solaires utilisent également une seule jonction p-n ou plusieurs jonctions et sont disponibles dans le commerce sous forme de panneaux simples ou de modules bifaciaux.

Il existe de nombreux types de dispositifs optoélectroniques, et la plupart des avantages dépendent à la fois du dispositif individuel et de l'application dans laquelle il est intégré. Voici quelques exemples des avantages de l'optoélectronique :

• Les caméras peuvent clairement reconnaître et identifier les objets qui se trouvent devant elles, tandis que les systèmes purement électroniques comme les radars ne font que détecter les objets sans les identifier.
• En termes d'efficacité énergétique, de luminosité et de qualité d'image, les LED n'ont pas d'équivalent dans le domaine de l'éclairage.
• L'optoélectronique offre une bande passante plus élevée pour les technologies de communication.
• L'optoélectronique consomme moins d'énergie que de nombreux dispositifs électroniques.
• L'optoélectronique peut transmettre des informations et des données sur des distances beaucoup plus longues que les systèmes électroniques.
• L'optoélectronique est plus rentable que bon nombre de dispositifs électroniques.

Les dispositifs optoélectroniques présentent toutefois certains inconvénients :

• Les radars peuvent fonctionner dans de nombreux environnements, y compris dans le brouillard, tandis que les caméras et les capteurs LiDAR déclenchent de fausses alarmes dans des conditions environnementales défavorables.
• Les caméras sont plus chères que les radars.
• De petites variations ou de petits défauts de production peuvent avoir un impact important sur les performances des dispositifs.
• En fonction de l'application, il peut être difficile d'intégrer des dispositifs optoélectroniques dans une architecture existante.
• La chaleur peut être un problème majeur dans les dispositifs optoélectroniques. À mesure que les composants optoélectroniques deviennent encore plus petits et nécessitent une puissance plus élevée, de nouvelles options de gestion thermique sont nécessaires pour éviter qu'ils ne surchauffent et ne tombent en panne.

La fabrication de dispositifs optoélectroniques est essentielle. La moindre poussière sur les composants optiques peut empêcher les capteurs de détecter leur environnement et la moindre imperfection dans les composants électroniques à semi-conducteurs peut entraîner des erreurs de traitement lors de la conversion entre les signaux optiques et électroniques.

Pour éviter d'avoir à réaliser des prototypes en continu, les simulations peuvent permettre de :

• Créer des produits intégrant des composants optoélectroniques et valider leurs fonctions
• Déterminer le meilleur choix de matériaux
• Simuler l'interaction des ondes lumineuses avec le dispositif
• Voir comment les composants optiques s'intègrent dans le système électronique global
• Concevoir des composants optiques et voir les effets mécaniques, tels que la biréfringence, qui se produisent lorsque les composants optiques sont intégrés dans des supports mécaniques
• Voir l'impact des stimuli environnementaux comme la chaleur, le flux d'air ou le flux de liquide sur le dispositif optoélectronique
• Économiser du temps et de l'argent pour les ingénieurs qui conçoivent et fabriquent des dispositifs optoélectroniques
• Découvrir des comportements qui ne pourraient pas être déduits uniquement à partir d'approches expérimentales

Ansys propose les outils suivants pour la simulation de dispositifs optoélectroniques :

Logiciel Ansys Lumerical : Le logiciel Lumerical se concentre sur le comportement nanophotonique des dispositifs optoélectroniques. Il étudie comment les longueurs d'onde de la lumière sont absorbées et interagissent avec les composants optiques.

Logiciel de conception et d'analyse de systèmes optiques Ansys Zemax OpticStudio : Le logiciel OpticStudio permet de concevoir et d'analyser des systèmes optiques, notamment des lentilles, des guides d'ondes et des circuits photoniques, afin de contrôler et de diriger la lumière. Il est largement utilisé dans le cadre des communications optiques et des PIC.

Logiciel de simulation optique et d'éclairage intégré CAD Ansys Speos : Le logiciel Speos simule le comportement de la lumière dans des environnements réels, ce qui permet d'évaluer les performances optiques au niveau du système. Il utilise les informations générées par le logiciel OpticStudio pour observer les effets et les comportements du dispositif optoélectronique dans des scénarios d'application complexes, tels qu'une caméra intégrée à une voiture ou un écran de réalité augmentée dans un cockpit.

Logiciel d'analyse structurelle par éléments finis Ansys Mechanical : Le logiciel Mechanical examine les propriétés des matériaux utilisés dans les dispositifs optoélectroniques, les informations thermiques du système et les éventuels problèmes mécaniques.

Les fabricants d'équipements d'origine (OEM) continuent de développer des composants optoélectroniques nouveaux et plus avancés pour divers secteurs industriels. L'optoélectronique continuera à se miniaturiser et, à l'avenir, de nombreux dispositifs seront probablement des systèmes 100 % photoniques, capables de répondre aux exigences de taille de la technologie moderne. L'optoélectronique quantique est un autre domaine qui pourrait émerger dans les années à venir, s'appuyant sur les succès actuels dans les domaines de l'électronique quantique et de l'optique quantique.

Un autre domaine qui continuera à se développer est l'amélioration de la durabilité dans la conception optoélectronique. Étant donné que de nombreux matériaux naturels finis deviennent plus difficiles à obtenir, il sera de plus en plus important de se tourner vers des matériaux plus écologiques ou recyclés. Cependant, la principale considération sera d'obtenir la même précision et/ou les mêmes performances avec moins de matières premières ou des matériaux plus récents et plus durables.

Si vous souhaitez découvrir comment les approches basées sur la simulation peuvent vous aider à concevoir des dispositifs optoélectroniques plus robustes et plus performants, contactez notre équipe technique.

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