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École de technologie supérieure

Responsable(s) de cours : Bora Ung


PLAN DE COURS

Automne 2021
ELE771 : Dispositifs photoniques (3 crédits)





Préalables
Programme(s) : 7483,7694,7883
             
  Profils(s) : Tous profils  
             
    ELE413    
             
Unités d'agrément
Total d'unités d'agrément : 58,8 66,7 % 33,3 %




Qualités de l'ingénieur

Qn
Qualité visée dans ce cours  
Qn
  Qualité visée dans un autre cours  
  Indicateur enseigné
  Indicateur évalué
  Indicateur enseigné et évalué



Descriptif du cours

Au terme de ce cours, l'étudiant aura été initié aux principes fondamentaux et aux applications des fibres optiques, des dispositifs optoélectroniques actifs et des dispositifs passifs, avec accent sur les applications.

Propagation de la lumière dans les fibres optiques. Principes de l’amplification stimulée dans une fibre optique amplificatrice Dispositifs à fibre passifs : connecteurs, coupleurs, multiplexeurs de longueurs d’onde, isolateurs, réseaux de Bragg, capteurs à fibre optique et leurs applications.

Séances de laboratoire portant sur un projet visant la réalisation d’un dispositif photonique avancé : amplificateur à fibre dopée et caractérisation d'un capteur à fibre optique.




Objectifs du cours

À travers les applications qui guident le cours et les laboratoires, ce cours a pour objectif d’introduire les composants photoniques parmi les outils de conceptions de l’ingénieur électrique. À la fin de ce cours, l’étudiant(e) devra être en mesure de :

  • connaître et identifier les composants optiques et optoélectroniques de dispositifs photoniques avancés;
  • comprendre les principes de propagation guidée de la lumière, d’émission laser et de photodétection et appliquer ces notions au calcul des paramètres importants;
  • expliquer le fonctionnement de différents lasers et photodétecteurs à semi-conducteurs et de leurs circuits;
  • manipuler adéquatement des composants photoniques de base et les instruments de mesure d'un labo de photonique;
  • choisir le dispositif approprié à une situation de conception donnée.



Stratégies pédagogiques

Les principaux moyens pédagogiques envisagés sont :

 

Cours magistraux  (un cours par semaine)

L’enseignement théorique est présenté durant les heures de cours magistraux à partir d’exemples concrets. L’acquisition des connaissances est renforcée par les travaux dirigés et les laboratoires. L’évaluation globale se compose de devoirs, rapports de laboratoires et examens de contrôle.

 

Travaux dirigés  (5 séances de deux heures en alternance avec les laboratoires)

Ces séances servent à la résolution des exercices proposés aux étudiant(e)s afin d'approfondir les notions présentées dans le cours. Les diverses relations démontrées dans le cours sont appliquées pour résoudre des problèmes concrets. Les étudiant(e)s sont invités à tenter de résoudre les problèmes avant la séance de travaux dirigés afin de rendre celle-ci interactive. Ils peuvent également poser des questions portant sur la matière du cours.

 

Laboratoires  (4 séances de trois heures et 1 séance de 2 heures, en alternance avec les travaux dirigés)

Les séances de laboratoire portent sur la manipulation et l'utilisation de fibres optiques standards en lien avec des instruments photoniques avancés : source optique laser, amplificateur optique, source large bande, spectromètre, photomètre, fusionneuse à arc électrique, microscope à fibre, etc. L’étudiant(e) y fait l’apprentissage pratique de l’épissure de fibres optiques, des tests de composants optiques fibrés et manipule diode laser et phototodétecteur pour ensuite assembler un montage et tester et évaluer le dispositif photonique réalisé. L'étudiant(e) aura aussi l'occasion de manipuler et caractériser un capteur de température à fibre optique, caractériser les propriétés optiques de liquides semi-transparents, ainsi que fabriquer un réseau de diffraction dans une fibre.




Utilisation d’appareils électroniques

Calculatrice TI




Horaire
Groupe Jour Heure Activité
01 Mercredi 13:30 - 17:30 Travaux pratiques et laboratoire
Jeudi 13:30 - 17:00 Activité de cours



Coordonnées de l’enseignant
Groupe Nom Activité Courriel Local Disponibilité
01 Bora Ung Activité de cours Bora.Ung@etsmtl.ca A-2481
01 Dipankar Sengupta Travaux pratiques et laboratoire dipankar.sengupta@etsmtl.ca
01 Mariia Zhuldybina Travaux pratiques et laboratoire mariia.zhuldybina@lacime.etsmtl.ca A03320



Cours
Date Contenus traités dans le cours Heures
  1.  Introduction
  • Définitions de termes clés de la photonique
  • Description d’un système photonique; exemples
  • La sécurité dans un laboratoire de photonique
3 heures
  2.  La nature de la lumière
  • Relation rayon / onde / photon
  • Onde plane, champs et intensité lumineuse
  • Modèle classique de l'atome, absorption et émission spontanée
  • Durée de vie de radiation, cohérence et longueur de cohérence
3 heures
  3.  Propagation, imagerie et guidage
  • Ondes EM : indice de réfraction, vitesse, propagation, atténuation, absorption et polarisation
  • Phénomènes de réflexion, transmission, réfraction et diffraction
  • Composants diélectriques: mirroir de Bragg, cristaux photoniques, couches anti-reflets, réseaux de diffraction
  • Fibre optique : guidage diélectrique, modes de propagation, ouverture numérique, diamètre modal, phénomènes de dispersion, sources de pertes
  • Types de fibres, fibres dopées, fabrication, épissure et connectique
  • Composants à fibre optique : réseau de Bragg à fibre, capteur de température, coupleurs de puissance, interféromètres, commutateurs optiques et isolateurs
15 heures
  4.  Les lasers
  • Résonateur Fabry-Pérot
  • Émission stimulée, milieux de gain, 3 et 4 niveaux, types de lasers (gaz, solides, semi-conducteurs) 
  • Cavités, modes longitudinaux, transverses et sauts de modes
  • Largeur de raie, rapport SSE
6 heures
  5.  Les composants optoélectroniques
  • Matériaux semi-conducteurs : diagramme de bandes d'énergie, jonction pn et polarisation
  • Lasers à gas: fonctionnement de base, gain, élargissement spectral via effet Doppler
  • Lasers à semi-conducteurs : FP, DFB, à cavité externe, stabilisation modale, circuits d'alimentation et codage
  • Photodétecteurs : phototransistor, pin, avalanche, photopiles solaires, circuits d'alimentation, bruit 
12 heures
  Total 39



Laboratoires et travaux pratiques
Date Description Heures
  Laboratoires 
  • Sécurité et manipulation des composants photoniques (1 hre)
  • Épissure et caractérisation de fibres optiques (1 hre)
  • Caractérisation de composants optiques passifs (3 hres)
  • Calibration d'un capteur de température à fibre optique (3 hres)
  • Fabrication d'un réseau à long pas dans une fibre optique monomode (3 hres)
  • Mesure des propriétés optiques de liquides communs semi-transparents (3 hres)
14 heures
  Travaux pratiques 
  • Principes de base en optique-photonique (1hres)
  • Nature de la lumière, propagation, imagerie et guidage (1 hres)
  • Polarisation et modulation de la lumière  (2 hres)
  • Composants photoniques et optoélectroniques  (2 hres)
  • Lasers et amplificateurs optiques (2 hres)
  • Photodétecteurs et révision matière (2 hres)
  10 heures
  Total 24



Utilisation d'outils d'ingénierie

Programmation Matlab pour certains numéros de devoirs. Un support aux étudiants sera fournie à cet égard.




Évaluation

 

Activité Description % Date
  Examen intra *                    25 % voir agenda de session
  Deux devoirs 12 % voir agenda de session
  Cinq laboratoires 25 % voir agenda de session
  Examen final * 38 % à déterminer

                 * Examen à livre ouvert d'une durée de 3 heures. Seule les calculatrices autorisées par l'école sont permises.

Note :   La note de passage est de 50 %.




Dates des examens intra
Groupe(s) Date
1 21 octobre 2021



Date de l'examen final
Votre examen final aura lieu pendant la période des examens finaux, veuillez consulter l'horaire à l'adresse suivante : http://etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Examens-finaux


Politique de retard des travaux
Tout travail (devoir pratique, rapport de laboratoire, rapport de projet, etc.) remis en retard sans motif valable, c’est-à-dire autre que ceux mentionnés dans le Règlement des études (1er cycle, article 7.2.7 b / cycles supérieurs, article 6.5.4 b) se verra attribuer la note zéro, à moins que d’autres dispositions ne soient communiquées par écrit par l’enseignant dans les consignes de chaque travail à remettre ou dans le plan de cours pour l’ensemble des travaux.

Dispositions additionnelles

- 20 % par journée de retard.




Absence à un examen
Dans les cinq (5) jours ouvrables suivants, la tenue de son examen, l’étudiant devra justifier son absence d’un examen durant le trimestre auprès de la coordonnatrice – Affaires départementales qui en référera au directeur du département ou du SEG. Pour un examen final, l’étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau du registraire. Dans tous les cas, l’étudiant doit effectuer sa demande en complétant le formulaire prévu à cet effet qui se trouve dans son portail Mon ÉTS/Formulaires. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parent immédiat, Activité compétitive d’un étudiant appartenant à un club scientifique ou un club sportif d’élite de l’ÉTS ou au programme « Alliance sport étude » ou autre) à un examen entraînera l’attribution de la note zéro (0).



Plagiat et fraude
Les clauses du « Règlement sur les infractions de nature académique de l’ÉTS » s’appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département. Les étudiants doivent consulter le Règlement sur les infractions de nature académique (https://www.etsmtl.ca/docs/ETS/Gouvernance/Secretariat-general/Cadre-reglementaire/Documents/Infractions-nature-academique ) pour identifier les actes considérés comme étant des infractions de nature académique ainsi que prendre connaissance des sanctions prévues à cet effet.  À l’ÉTS, le respect de la propriété intellectuelle est une valeur essentielle et les étudiants sont invités à consulter la page Citer, pas plagier ! (https://www.etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Citer-pas-plagier).



Documentation obligatoire

Toute la matière sera disponible sur diapositives en format PDF (via Moodle). Toutefois, il est recommandé de se procurer le livre suivant sur lequel la matière du cours se base:

KASAP, S.O., Optoelectronics and Photonics: Principles and practice, Prentice-Hall, 2ème édition (2013).




Ouvrages de références

SALEH, B.E.A., Teich, MC, Fundamentals of Photonics, New York, Wiley-Interscience, 2e édition (2007).

DESMARAIS, L., Applied Electro-Optics. Upper Saddle River, NJ, Prentice Hall, (1998).




Adresse internet du site de cours et autres liens utiles

https://ena.etsmtl.ca/