Brevet FR2046795A1 — publié le 19710312

La présente invention concerne un dispositif laser à semiconducteur dans lequel on applique de l'énergie de pompage à un laser à semiconducteur pour induire la production d'impulsions spontanées dans le laser. la demanderesse a observé 5 que cet effet de production d.' impulsions auto-induites se manifeste dans des lasers à semiconducteurs à jonction , de manière continue à des valeurs convènables de la température et du courant, c'est-à-dire qu'ils produisent une séquence d'impulsions de lumière avec une cadence de répétition du do-10 maine des hyperfréquences. (Voir T.L. Paoli et J.E. Ripper, "Coupled longitudinal Mode Pulsing in Semiconductor Lasers", Phys. Rev. Letters, 26 mai 1969). Le but de la présente invention est de procurer un tel dispositif laser à semiconducteur dans lequel la position des 15 impulsions est modulée dans le signal de sortie des lasers à semiconducteurs. Suivant la présente invention, on prévoit des moyens pour appliquer tin signal hyperfréquence de faible puissance au laser pour bloquer la cadence de répétition des impulsions à 20 la fréquence du signal hyperfréquence,et des moyens pour moduler le signal hyperfréquence suivant un signal porteur d'information. Lorsque la fréquence du signal hyperfréquence change, la cadence de répétition du laser suit. Ainsi, la cadence de répétition varie directement comme la fréquence du signal 25 appliqué. Comme le laser produit des impulsions spontanées, le signal hyperfréquence n'a pas besoin de produire les impulsions et peut produire leur modulation avec des niveaux relativement bas de puissance hyperfréquence. On décrira l'invention maintenant en se référant aux 30 dessins joints au présent-mémoire,•sur lesquels? -Figure 1 est un schéma d'un modulateur comprenant un laser à jonction P-N ; et - Figure 2 est un schéma dfun système de communication multiplex utilisant plusieurs modulateurs à laser montrés à 35 la figure 1. La figure 1 montre un modulateur à laser à jonction P-N comprenant un laser 10 à jonction P~ft(avec un dispositif de 70 21964 2 2046795 refroidissement non montré) couplé à la fois à une source de tension continue 11 et à une source de "tension hyperfréquence à faible puissance 12 comprenant un modulateur 13 pour moduler en fréquence la source de microondes suivant l'information 5 d'entrée. Dans un arrangement simple, la source de tension continue 11, en série avec une bobine d'induction. 14, et la source de microondes 12 en série avec une capacité 15, sont en parallèle et le circuit parallèle est en série avec le laser. les valeurs de l'inductance et de la capacité des éléments 14 et 10 15, respectivement, sont choisies pour isoler les deux sources de tension l'une par rapport à l'autre en sorte que la chute de tension totale aux bornes du laser soit essentiellement égale à la somme des tensions des deux sources. La valeur de la tension continue est choisie de manière 15 à provoquer la production d'impulsions auto-induites à la sortie du laser 10* Cette tension dépend en l'espèce du laser particulier et de la température. Pour des lasers à l'arséniure de gallium à jonctions aux températures de l'azote liquide, la tension est en fait celle qui est nécessaire pour produire en-20 tre 1,1 et 3 fois le courant de seuil pour le fonctionnement du laser. La cadence de répétition des impulsions est en fait de 0,5 et de 3 gigahertz. La gamme exacte des tensions continues produisant la génération d'impulsions pour un laser particulier peut être déterminée empiriquement «n faisant varier la 25 tension, en détectant la lumière du laser avec une photodiode et en examinant le signal de sortie de la diode dans un analyseur de spectre hyperfréquence. Une fois que la production spontanée d'impulsions est obtenue, on règle la source de tension de microondes 12 à une fréquence approximativement égale 30 à la cadence de répétition des impulsions ou à un harmonique voisin de celle-ci. Pour des puissances hyperfréquence relativement faibles, en l'espèce moindres que;quelques milliwatts, la phase des impulsions de lumière se bloque sur celle de la source de mioroondes. 35 Lorsqu'on-module la fréquence de la source de micro- ondes, la cadence de répétition, est entraînée avec elle à au moins .50 mégahertz de part et d'autre de la-valeur bloquée, à 70 21964 5 2046795 des cadences dépassant 10 mégahertz. On pense qu'on peut atteindre des cadences aussi élevées que la fréquence des impulsions elles-mêmes» avec un matériel hyperfréquence convenable. Ainsi, un laser modulé unique a au moins la capacité de porter 5 de l'information d'un câble coaxial. La production d'impulsions auto-induites est attribuée au couplage entre les modes longitudinaux du laser et à la forte dispersion des matières semiconductrices. Ainsi, la théorie indique qu'un comportement de production d'impulsions sembla-10 ble existe dans des lasers à semiconducteurs faits de matières autres que l'arséniure de gallium et/ou lorsqu'on utilise des mécanismes de pompage autres que l'injection à travers une jonction. La cadence de répétition des pics dans ces lasers peut être modulée par une modulation analogue de la source de 15 pompage. Par exemple, dans un laser à semiconducteur à pompage par faisceau d'électrons, le signal hyperfréquence modulé est appliqué au faisceau, et dans un laser à pompage optique, l'intensité de la source de pompage optique est modulée à des cadences de répétition du domaine des hyperfréquences. 2) Comme exemple, on a fabriqué un laser à l'arséniure de gallium à jonction , en procédant comme suit. On a formé une base ou substrat à dopage n en laissant croître un cristal d'arséniure de gallium dopé au tellure, suivant le procédé de Czochralski et en divisant le cristal en plaquettes. La concen- 25 tration en électrons libres de la base ou substrat était com- 18 prise entre 3 et 4,5 x 10 électrons par centimètre cube. Une région à dopage p a été créée par diffusion dans le substrat en utilisant le procédé bien connu de la boîte. Avec une source comprenant une solution à 2,0$ de zinc dans du gallium saturé 30 d'arséniure de gallium, la durée de diffusion a été de 4 heures à. 800°C. La profondeur de la jonction ainsi formée était de 1,8micron . On a ensuite soumis le substrat à un traitement thermique. Après application d'une couche protectrice d'environ _7 35 950 .10 mm de Si02» on a introduit le substrat avec quelques milligrammes d'arsenic pur dans une ampoule de quartz (d'un volume d'environ 7 cm ).0n a vidé d'air l'ampoule jusqu'à y 70 21964 4 2046795 -7 laisser subsister une pression de 133s3 * 10 Pa. Puis, on a chauffé l'ampoule pendant 4 heures à 85P°C et on l'a refroidie brusquement à 0°C par immersion dans de l'eau glacée. Après l'étape de traitement thermique» on a formé les 5 contacts électriques aux'régions n et p de la diode. On a découpé dans l'oxyde sur la région à dopage p des ba.ndes ayant' des dimensions de 25,5 x 380 microns, par des procédés photolithographiques. On a exécuté ensuite une seconde diffusion pour former un bon contact ohmique avec la région à dopage p. 10 (Cette diffusion n'altère pas la diffusion originelle et on l'utilise seulement pour faire de bons contacts). On a exécuté cette étape par le "procédé de la boîte", en utilisant une source d'arséniure de zinc pur et une durée de diffusion de 15 minutes à 650°C;. Cette diffusion a formé une couche forte- 15 ment dopée dans la région p, d'une épaisseur inférieure à -7 —7 3000 . 10 mm. Un contact métallique comprenant 500 . 10 mm de titane, 5000 . 10 7 mm d'argent et 1000 « 10"^ mm d'or a été appliqué ensuite à la région p. On a meulé le côté à dopage n jusqu'à lui laisser une épaisseur d'environ 105 microns et on -7 20 lui a appliqué un contact comprenant 2000 . 10 mm d'étain, 4000 . 10"7 mm de nickel et 4000 . 10~7 mm d'or. On a ensuite taillé le substrat pour former des cavités de Pabry-Perot individuelles ayant des dimensions finales de l'ordre de 100x380x 625 microns. 2 5 On a monté ensuite le laser terminé sur un puits de chaleur en cuivre, dans un boîtier d'appareil hyperfréquence ayant une fenêtre permettant la sortie de la lumière partant du . laser. On a inséré le boîtier comme terminaison d'une ligne de transmission à impédance de 50 ohms conçue suivant la techni- 30 que bien connue des hyperfréquences pour assurer.un bon passage au laser des signaux hyperfréquence extérieurs. Pour certaines gammes de courant d'injection (entre 1 et 2 fois le seuil) à des températures du puits de chaleur comprises entre 77°K et 110°K, l'intensité lumineuse du laser 35 se manifestait par des impulsions engendrées à des cadences comprises entre 500 MHz et 1200 MHz. Par exemple, pour un courant de 670 mA et une température du puits de chaleur de 96°K, 70 21964 5 2046795 des impulsions dont la largeur totale, à l'instant où leur puissance , à la moitié de sa valeur, était d'environ 400 ps, étaient engendrées à 620 MHz. Lorsqu'intervenait un blocage .par une puissance extérieure de 0,5 mW environ à la fréquence 5 des impulsions, la largeur des impulsions était réduite à moins de 200 picosecondes (cette mesure étant limitée par le pouvoir de résolution du système de détection). Dans ces conditions, la cadence minimale de modulation en position des impulsions obtenue était supérieure à 10 MHz et n'était limitée 10 que par l'équipement hyperfréquence dont on pouvait disposer. la figure 2 est un schéma d'un système de communications multiplex utilisant plusieurs modulateurs à lasers. Dans cet arrangement, plusieurs lasers 10 sont bloqués sur une cadence de répétition.commune. Cependant, chaque laser est blo-15 qué à une phase légèrement différente de celle des autres par des dispositifs de blocage différentiel en phase couplant les différentes sources de microondes 12. Les différences de phase sont choisies telles que les impulsions modulées ne se recouvrent pas. A une "cadence de répétition d'impulsions d'un giga-20 hertz et avec des largeurs d'impulsions maximales d'environ 200 picosecondes,, on peut créer cinq canaux en multiplex de cette manière. Le récepteur 21 est avantageusement une photodiode très rapide, ou un arrangement de telles diodes. Les diodes sont 25 avantageusement des photodiodes P-I-S ou des photodiodes à barrière de Schottky. En dehors du multiplexage obtenu de cette manière, il est clair aussi qu'une seconde dimension de multiplexage peut être introduite en utilisant des lasers ayant des fréquences 30 lumineuses différentes. Au récepteur, les différentes fréquences peuvent être séparées par des techniques de spectrographie, et les impulsions peuvent être détectées par des photodiodes. 70 21964 2046795 KETEMICATIOHS . 1Dispositif laser à semiconducteur comprenant des moyens pour appliquer.de l'énergie de pompage à un laser pour y produire la génération d'impulsions spontanées, caractérisé 5 en ce qu'il comprend des moyens pour appliquer un signal hyperfréquence de faible énergie pour bloquer la cadence de répétition des impulsions à la fréquence du signal hyperfréquence, et des moyens pour moduler le signal hyperfréquence par un signal porteur d'information. 10 2.- Dispositif laser à semiconducteur suivant la reven dication 1, caractérisé en ce que le laser est un laser à jonction P-N. 3.- Dispositif laser à semiconducteur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le laser est un laser à 15 l'arséniure de gallium à jonction. 4»- Dispositif laser à semiconducteur suivant l'une quelconque des revendications 1,2 et 3, caractérisé en ce que les moyens modulateurs modulent la fréquence du signal hyperfréquence . 20 5.- Dispositif laser à semiconducteur suivant une quelconque des revendications 1,2,3 et 4, caractérisé en ce que plusieurs lasers ont tous leurs cadences de répétition des impulsions bloquées à la même valeur par des signaux hyperfréquence appliqués, eeux-ei étant modulés séparément, des moyens 25 de blocage en phase existant pour maintenir des différences de phase suffisantes entre les impulsions engendrées par le laser modulé séparément, de sorte que les impulsions modulées ne se recouvrent pas. 60- Dispositif laser à semiconducteur suivant une 50 queleonqtaa des revendications 1,2,3*4 et 5» caractérisé en ce que plusieurs groupes de lasers émettent de la lumière de fréquences différentes séparables»