Brevet FR2046794A1 — 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 remarqué 5 que cet effet de création d'impulsions auto-induites se manifeste dans des lasers à semiconducteurs à jonction fonctionnant de manière continue à des valeurs convenables de la température et du courants c'est-à-dire qu'ils produisent une séquence d'impulsions avec une cadence de répétition du domaine 10 des hyperfréquences (T.L. Paoli et J.E. Ripper "Goupled longitudinal Mode Pulsing in Semiconductor Lasers" 22. Phys. Rev. Letters 1085» 26 mai 1969). La production d'impulsions autoinduites dans des lasers à semiconducteurs est attribuée au couplage entre les modes longitudinaux, du laser et à la forte 15 dispersion des matériaux semiconducteurs. Ainsi, la théorie indique qu'elle se produit poux des lasers à semiconducteurs autres que les lasers à jonctions P-N et pour des mécanismes de pompage autres que l'injection de courant. Le but de la présente invention est de procurer un dis-20 positif à laser à semiconducteur dans lequel on module la largeur d'impulsion du signal de sortie de ces lasers. Suivant la présente invention, on prévoit des moyens pour appliquer au laser un signal perturbateur de faible puissance dont la fréquence se présente par rapport à la cadence de répé-25 tition des impulsions produites spontanément, comme un rapport de deux nombres entiers, et des moyens pour moduler l'amplitude de ce signal perturbateur en réponse à l'information d'entrée, pour moduler la largeur des impulsions. Le signal perturbateur peut être un signal quelconque qui module soit le champ opti-30 que du laser, soit l'inversion de population. On décrira l'invention en se référant aux dessins joints au présent mémoire. On y voit, en t - Figure .1, un schéma d'un modulateur comprenant un la--ser à jonction P-N avec modulation d'amplitude par un signal 35 hyperfréquence engendré à l'extérieur. - Figure 2, un schéma d'un modulateur comprenant un laser à semiconducteur utilisant la modulation du gain du signal 70 21963 2 2046794 de sortie d'une photodiode recevant une partie de la lumière de sortie du laser. - Figure 3» un schéma d'un modulateur comprenant un laser à fonction P-N utilisant la commande de la perte d'une ca- 5 vité résonante hyperfréquence, enfermant le laser. - Figure 4» un sehéae. d'un modulateur comprenant un laser à semiconducteur utilisant la modulation d8amplitude d'un signal de réaction optique. La figure 1 montre un modulateur à laser à jonction P-N 10 comprenant un laser à jonction P-N 10 (avec un dispositif de 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 1? pour moduler en amplitude la source de microondes suivant l'information 15 d'entrée. Sans un agencement simple, la source de tension continu© 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 des éléments en parallèle est en série arec 1® lasar® les valeurs da 1'inductance et de .la capacité des 20 éléments 14 ©t 15 sont choisies pour isoler les deux sources de tgnsion l°ua@ de l'autre pour que la chute de tension total© aux bornes du laser soit essentiellement" égale & la somme des tensions âea deux sourceso La valeur de la tension continue est choisie pour pro-25 duira des impulsions auto-induites à la sortie du laser 10. Ceci-dépend en fait du laser particulier considéré et de la température. Pour des lasers à l'arséniure de gallium à jonction aux températures de l'aaote liquide, la tension est en fait eelle qui est néosssâire pour produire entre 1,1 et 3 fois 30 le courant de seuil pour le fonctionnement du laser. La cadence de répétition fies iapiilsîeas e.it an fait comprise entre . 0,5 et 3 gigalierta. La gamma-®xaote'';des-tensions continues engendrant les impulsions'potir ua ïae©r parëieulier, peut "être déterminée empiriquement en"changeant, la tension, en détectant la lumière 55 du laser à l'aide â*uné photodiode et en examinant le signal &© sortis â© la diode danë un analyseur du spectre hyper fréquence. Une fois que la production spontanée d!impulsions est obtenue, 70 21963 3 2046794 la source de tension hyperfréquence 12 est réglée à une fréquence approximativement égale à la cadence de répétition des impulsions ou à un harmonique proche de cette cadence. Pour des puissances hyperfréquence relativement petites, en fait 5 moindres que quelques milliwattss la phase et la fréquence des impulsions de lumière se bloquent sur celles de -la source de microondes. le blocage a été observé pour des signaux harmoniques, à des niveaux de puissance élevés, jusqu'au cinquième harmonique. , 10 En augmentant ou diminuant l'amplitude du signal hy perfréquence» on peut diminuer ou augmenter la largeur des impulsions. Par exemple, dans un laser donné à l'arséniure de gallium à jonction - qui sera décrit plus en détail dans la suite - à génération d'impulsions à une cadence de répétition 15 de 620 mégahertz, la largeur d'impulsions a été réduite d'environ 390 picosecondes à moins de 200 picosecondes en augmentant la puissance du signal de blocage hyperfréquence, de zéro à 0,5 milliwatt. Des signaux de blocage à puissance plus grande produisent des largeurs d'impulsions moindres. la vitesse de 20 réponse est suffisamment grande pour que l'on puisse s'attendre à des capacités de manipulation d'information de l'ordre de centaines de mégahertz. Comme on l'a dit précédemment, ce comportement du laser en ce qui concerne la production des impulsions est attribuée 2 5 au couplage entre les modes longitudinaux du laser et à la forte dispersion des matières semiconductrices. la théorie indique qu'un comportement semblable, en ce qui concerne la production d'impulsions, existe dans des matières semiconductrices autres que l'arséniure de gallium et/ou en utilisant 30 des mécanismes de pompage autres que l'injection à travers une jonction. La largeur d'impulsions dans les lasers de ce genre peut être modulée par une modulation analogue de la source de pompage. Par exemple, dans un laser à semiconducteur où le pompage est assuré par un faisceau d'électrons* un signal pertur-35 bateur à fréquence constante peut être appliqué au faisceau d'électrons et on pèut faire varier la profondeur de modulation suivant un signal porteur d'information. Dans un laser à pom 70 21963 4 2046794 page optique, la source de pompage optique est modulée de façon semblable à une cadence hyperfréquence constante, et on fait varier la profondeur de modulation. Comme exemple, on a fabriqué un laser à l'arséniure de 5 gallium à jonction, de la façon suivante. On a formé un substrat ou base à dopage n en faisant se développer un cristal d'arséniure de gallium dopé au tellure, par le procédé de Czochralski, et en coupant le cristal en plaquettes. La concentration en électrons libres du substrat était comprise entre *J Q 10 3 et 4,5 x 10 électrons par centimètre cube. On a diffusé une région à dopage p dans le substrat en utilisant le procédé bien connu de la boîte, avec une source constituée d'une solution à 2,0io de zinc dans du gallium saturé d'arséniure de gallium. La durée de diffusion était de 4 heures à 800°C. La 15 profondeur de la jonction ainsi formée était de 1,8 micron. On a alors traité le substrat par voie thermique. Après -7 application d'une couche de SiOg d'environ 950 . 10 mm, on met le substrat, avec quelques milligrammes d'arsenic pur, dans une ampoule de quartz (d'un volume d'environ 7 cm ). On 20 vide d'air l'ampoule jusqu'à y laisser une pression d'environ -7 133,3 . 10 Pa. On chauffe ensuite l'ampoule pendant 4 heures à 850°C et on la refroidit brusquement à 0°C en la plongeant dans l'eau glacée. Après l'étape de traitement thermique, on a formé les 25 contacts électriques aux régions n et p de la diode. On a découpé dans l'oxyde sur la région à dopage p des bandes ayant des dimensions de 25,5 x 380 microns, par des procédés photo- . lithographiques. On a exécuté ensuite une seconde diffusion pour former un bon contact ohmique avec la région à dopage p. 33 (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 fortement 35 dopée dans la région p, d'une épaisseur inférieure à 3000.10 mm. Un contact métallique comprenant 500 . 10 mm de titane, —7 —7 5000 . 10 mm d'argent et-1000 . 10 mm d'or a été appliqué 70 21963 5 2046794 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 lui a . .7 appliqué un contact comprenant 2000 « 10 mm d'étain, -7 • -7 4000 . 10 mm de nickel et 4000 „ 10 mm d'or. On a ensuite 5 taillé le substrat pour former des cavités de Fabry-Perot individuelles ayant des dimensions finales de l'ordre de 100 x 380 x 625 microns» On a monté ensuite le laser terminé sur un puits de chaleur en cuivre, dans un boîtier d'appareil hyperfréquence 10 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 technique bien connue des hyperfréquences, pour assurer un bon passage au laser des signaux hyperfréquence extérieurs. 15 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°KS l'intensité lumineuse du laser se manifestait par des impulsions engendrées à des cadences comprises entre 500 MHz et 1200 MHz» Par exemple9 pour un cou-20 rant de 670 mA et une température du puits de chaleur de 96°K, des impulsions dont la largeur totale, à l'instant où leur puissance est à la moitié de sa valeur, était d'environ 400 ps, étaient engendrées à 620 MHz. Lorsqu'intervenait un blocage par une puissance extérieure d'environ 0,5 mw à la fréquence 25 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). On a fait fonctionner le laser pendant une durée de 200 heures environ sur une période de six semaines, sans constater un changement notable des 30 caractéristiques. .la figure 2 est une vue schématique du dispositif pour .la modulation en largeur d'impulsions d'un laser à semiconducteur .manifestant une génération d'impulsions auto-induites, .comprenant un laser à semiconducteur 20 tel qu'un laser à .jonc-35 tion P-îî et des moyens de pompage 11 tels qu'une,source de courant continue, Le signal de sortie amplifié d'une photodiode à .grande vitesse 24 telle qu'une diode PIN est appliqué pour mo~ 70 21963 6 2046794 duler la source de pompage « On choisit la source de pompage pour produire des impulsions auto-induites dans la sortie du laser 20. La photodiode 24 est disposée pour recevoir la partie de la lumière du laser qui passe à travers im diviseur de fais-5 ceau 23. Le signal électrique de la diode 24 est aaplifié par l'amplificateur hyperfréquence -25, et ajouté à la tension appliquée au laser. Lé gain de 1'amplificateur 25 est modulé suivant un signal porteur d®information. En fonctionnement, la cadence ds répétition des impulsions du laser se règle d'elle-10 même jusqu'à ce que la boucle de réaction produise un signal en phase avec les impulsions auto-induites. Le degré de rétrécissement des impulsions dépend du gain dans la boucle de réaction. Ainsi, la modulation du gain par le modulateur de gain 26 module la largeur des impulsions à la sortie du laser. La 15 lumière de sortie utile est celle qui est réfléchie par le diviseur de bande 23. On peut utiliser des arrangements semblables pour des lasers à semiconducteur autres que des lasers à jonction P-N en utilisant le signal de réaction amplifié pour moduler la source de pompage et pour faire varier la profondeur 20 de modulation auivant un signal porteur d'information. La figure 3 est une vue schématique d'un dispositif pour la modulation d® la largeur des impulsions d'un laser à jonction en modulant la perte d4une ca?ité résonante hyperfréquence, oosprenant un laser à jonction 30 disposé dans, une cavité réso-25 nante hyperfréquence 31 comprenant un disque de ferrite 33 et une ouverture 32 à travers laquelle la lumière du laser peut passer, le disque de ferrite 33.est couplé électriquement à un® source de tension 34 qui peut être modulée suivant l'information d'entrée par le modulateur 35 pour changer l'absorption clu 30 disque de ferrite 33. On a prévu aussi des moyens pour appliquer au laser 10 une tension suffisante pour provoquer la pro- . d'action d'impulsions auto-induites. Les dimensions de la cavité hyperfréquence 31 sont choisies pour produire la résonance à une fréquence égale 35 approximativement à la cadence de répétition des impulsions du laser» La petite modulation du courant d'injection qui a lieu lorsque le laser engendre dgs impulsions entraîne l'établisse 70 21963 7 2046794 ment d'une onde stationnaire, dans le résonateur, qui, à son tour, réduit la largeur des impulsions. la modulation de l'absorption du disque de ferrite 33,cependant, peut commander la perte de la cavité et ainsi commander la largeur des impul-5 sions. Par conséquent, la modulation de la tension de polarisation du ferrite produit la modulation de la largeur d'impulsion du signal de sortie du laser. la figure 4 est un schéma d'un modulateur à laser utilisant la modulation d'amplitude par un signal de réaction opti-10 que. la figure montre un laser à semiconducteur 40 et un agence-ment pour le couplage en réaction, avec le laser, d'une partie de sa lumière de sortie,comprenant une lentille collimatrice 41, un diviseur de faisceau 42 et un miroir 43, le tout disposé pour recevoir de la lumière du laser. Un modulateur d'amplitu-15 de optique 44, tel qu'une cellule de Kerr, est également disposé dans le trajet de réaction pour régler le degré de réaction. Après avoir été réfléchie par le miroir 43, la partie de la lumière qui passe par l'agencement de réaction est reconcentrée dans la région active du laser. Lorsque le laser est 20 soumis à un pompage convenable pour produire des impulsions auto-induites à une fréquence relativement constante, le ré- MC trécissement des impulsions est obtenu lorsque NP= ^ où. N et H sont des entiers, C la vitesse de la lumière et L la longueur du trajet optique entre le laser et le miroir. Comme on peut 25 le voir d'après la formule précédente, la fréquence du signal perturbateur est liée à la cadence de répétition des impulsions par le rapport de deux nombres entiers. L'un des avantages de cette technique pour la modulation de la largeur d'impulsions est qu'on peut l'utiliser avec des lasers à semi-30 conducteurs auxquels on applique un pompage par des moyens distincts de l'injection de courant. ■ 70 21963 8 204679^ REVENDICATIONS 1.- Dispositif laser à semiconducteur comprenant des moyens pour appliquer de l'énergie de pompage au laser pour y induire la production spontanée d'impulsions, caractérisé en 5 ce qu'il comporte des moyens pour appliquer au laser tin signal perturbateur de faible puissance ayant une fréquence liée à la cadence de répétition des impulsions par un rapport de deux nombres entiers, et des moyens pour moduler l'amplitude du signal perturbateur en réponse à l'information d'entrée pour mo- 10 duler la largeur des impulsions. 2.- Dispositif laser à semiconducteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le laser est un laser à jonction P-N. 3.- Dispositif laser à semiconducteur suivant la reven- 15 dication 2, caractérisé en ce que le laser est un laser à jonction à l'arséniure de gallium. 4.- Dispositif laser à semiconducteur suivant une quelconque des revendications 1,2 et 3, caractérisé en ce que la production spontanée d'impulsions dans le laser est induite 2C par l'application d'une tension à partir d'une source de courant continu et en ce que le signal perturbateur à faible puissance est appliqué par une source de tension hyperfréquence. 5.- Dispositif laser à semiconducteur suivant une quelconque des revendications 1,2,3 et 4, caractérisé en ce 25 qu'une photodiode est montée pour recevoir un signal de sortie du laser et en ce qu'un amplificateur est couplé de façon à amplifier le signal de sortie de la photodiode et l'ajouter à 1' énergie de pompage appliquée au laser. 6.- Dispositif laser à semiconducteur suivant une 30 quelconque des revendications 1,2,3 et 4,caractérisé en ce qu'une cavité résonante pour microonçles entoure le laser pour appliquer ledit signal perturbateur à la cavité et en ce que la source de l'information d'entrée est agencée pour moduler la perte de la cavité. 35 7.- Dispositif laser à semiconducteur suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce qu'une réaction optique applique une partie du signal de sortie . que du laser à la région active du laser, en tant/signal perturbateur.