Brevet FR2046793A1 — publié le 19710312

La présente invention concerne un dispositif à laser à semi-conducteur dans lequel l'énergie de pompage est appliquée à un laser à semi-conducteur afin d'induire un pompage spontané dans le laser. 5 On a observé que les lasers à jonction semi-conductrice fonctionnant de manière continue à des valeurs convenables de température et de courant produisent une séquence d'impulsions de lumière avec une cadence de répétition du domaine des hyperfréquen*-ces. A ce propos le lecteur peut se référer à l'article intitulé 10 "Coupled Longitudinal Mode Pulsing in Semiconductor Lasers", par T. L. Paoli et J.E. Ripper, publié dans Physical Review Letters, 22, 1085, 26 mai 1969. La génération d'impulsions auto-induites par des lasers à semi-conducteur est attribuée au couplage entre les modes longitudinaux du laser et à la dispersion élevée des ma-15 tériaux semi-conducteurs. La théorie indique donc que cette génération se produit dans les lasers à semi-conducteur autres que les lasers à jonction P-N et pour des mécanismes de pompage autres que celui par injection de courant. Une source d'impulsions optiques étroites à des eâdtncêi 20 de répétition hyperfréquences est très utile dans un grand nombre d'applications. Par exemple, dans un certain nombre de procédés de modulation d'impulsions optiques, plus les impulsions sont étroites, plus la source est intéressant® puisqu'un plus grand nombre de voies peuvent être multiplexées dans le temps. De plu3, des sour-25 ces d'impulsions étroites sont potentiellement importantes pour fournir les signaux d'horloge dans les ordinateurs optiques. Le dispositif à laser à semi-conducteur selon l'invention se caractérise par des moyens pour appliquer au laser un signal perturbateur ayant une fréquence liée à la cadence de répé-30 tition des impulsions du laser panne "un rapport de deux nombres entiers, cette fréquence étant déterminée automatiquement par la cadence de répétition du laser de manière â rétrécir la largeur des impulsions et à stabiliser leur cadence de. répétition. La fréquence du signal perturbateur peut être, par exem-35 pie, la cadence de répétition elle-même ou un harmonique de celui-oi. Pour ce faire on peut avantageusement utiliser la cadence de répétition du laser pour déterminer automatiquement la fréquence du signal appliqué. Le signal perturbateur peut être constitué par tout signal qui module soit le champ optique du laser, soit l'inversion de population. 70 21962 2 2046793 L'invention va être décrite plus en détails en se rëféf-rant aux dessins joints sur lesquels: - la figure 1 est une vu© schématique d'une première for» me de réalisation de 1'invention; 5 -la figure 2 est une vue schématique 'd*uhe deuxième forme de réalisation de l'invention; - la' figure 3 est une vue schématique d'une troisième " forme de réalisation de l'invention: - la figure 4 est une vue schématique d'une quatrième 10 forme de réalisation de 19 invention„ La figure 1 montre schématicjuement un dispositif selon l'invention pour rétrécir la largeur des impulsions et stabiliser ' la cadence de répétition d'un laser. Il comprend un laser 10 à jonction P-N couplé de façon convenable à une source de tension 15 continue 11 et à la sortie amplifiée d'une photodiode à vitesse : élevée 14 telle qu'une diode PIM. La tension continu® est choisie en sorte de produire des impulsions spontanées à la sortie du la- : ser 10. Cette tension dépend habituellement du laser particulier et; de la température. Pour des lasers â jonction à bandes d'araêniure 20 de galliuiii,travaillant aux températures de 1®azote liquide, la tension est typiquement celle qui est requise pour produire entre 1,1 et 3 fois le courant de seuil pour obtenir- le fonctionnement du la«; ser « La cadence de répétition des iaipulsiono est typiquement comprisse entre 0,5 et 3 GHz. La garai!e exact© des tensions continues pour ? 25 un laser particulier peut être déterminée empiriquement en faisant varier la tension, en détectant la lumière émise par le laser au moyen d'une photodiode et en examinant le signal de sortie de celle-ci dans un analyseur de spectre hyperfréquence. A titre d'exemple, on a fabriqué un laser à jonction à . ; 30 arséniure de gallium de la manière suivante. On a formé un substrat de type n en faisant croître un cristal d'arséniure de gallium dopé avec du tellure par la méthode de C-zochral ski et en découpant ; ..-le cristal en plaquettes» La concentration des électrons libre» ' 8 dans le substrat était comprise entre 3 et 4,5 x -10 électron* • 35 par centimètre cube. Une région de type- p a été .diffusée dans le substrat par le procédé de la boîte bien"connu avec une source' comprenant une solution à 2 $'.â'e • sine dans du gallium saturé aves de 15arséniure de gallium-. Le temps de diffusion était de quatre heures à 800°C. La profondeur de la jonction ainsi formée était d'environ 1,8 micron. .BAD ORIGINAL 70 21962 3 2046793 Le Substrat a ensuite été traité à chaud. Après qu'on ait appliqué une couche de protection de Si02 de 0,095 micron environ d'épaisseur, on a introduit le substrat ainsi que quelques milligrammes d'arsenic pur dans une ampoule de quartz (ayant un vo~ 5 lume d'environ 7 centimètres cubes ). L'ampoule a été évacuée jus- —7 qu'à une pression de 133,3 x 10 ' pascals. L'ampoule a ensuite été chauffée pendant quatre heures à 850°C, puis refroidie jusqu'à 0°C par immersion dans l'eau glacée. Après le traitement thermique on a formé les contacts 1.0 électriques sur les régions de type p et de type n de la diode. Des bandes de 25,5 x 380 microns ont ensuite été découpées dans l'oxyde recouvrant la région de type p par un procédé photolithographique. Une seconde phase de diffusion a été effectuée afin de réaliser un bon contact ohmique sur la région de type p. (Cette phase de 15 diffusion ne modifie pas la diffusion originale et elle ne sert qu'à réaliser de bons contacts). Cette phase de diffusion a été exécutée en utilisant une source d'arséniure de zinc pur et un temps de diffusion de 15 minutes à 650°C. Cette diffusion a formé dans la région de type p une couche fortement dopée ayant une épaisseur 20 inférieure à 0,3 micron. On a ensuite appliqué sur la région de type p, un contact métallique comprenant 0,05 micron de titane, 0,5 micron d'argent et 0,1 micron d'or. La face de type n a été meulée jusqu'à une épaisseur de 105 microns environ et on y a ensuite appliqué un contact consistant en 0,2 micron d'étain, 0,4 micron de 25 nickel et 0,4 micron d'or. On a alors formé dans le substrat- des cavités Fabry-Perot individuelles ayant des dimensions de l'ordre de 100 x 380 x 625 microns. On a alors monté le laser terminé sur un puits de chaleur en cuivre dans un boîtier micro-onde ayant une fenêtre de ma-30 nière à laisser passer la lumière émise par le laser. On a inséré le boîtier comme terminaison d'une ligne de transmission de 50 ohms d'impédance, réalisée selon des procédés bien connus dans le domaine des hyperfréquences afin d'assurer un bon passage des signaux hyperfréquences externes vers le laser. 35 Sur certaines gammes de courant d9injection (comprise entre 1 et 2 fois le courant de seuil) à des températures comprises entre 77°K et 110°K, l'intensité de la lumière émise par le laser consistait en impulsions spontanées ayant des cadences de répétition comprises entre 500 MHz et 1200 MHz. Par exemple, pour un courant de 670mA et une température du puits de chaleur de 9ô°K, 21962 h 2046793 on a obtenu des impulsions «font la largeur totale à mi-puissance était approximativement de 400 ps avec une cadence de répétition de 620 MHz environ. Modulée par mie énergie hyperfréquence d*environ 0,5 mW à cette fréquence, la largeur des impulsions a été ré-5 duite â moina.de 200 piso-secoados (cette mesure, étant limitée £ar le pouvoir, de résolution du système de détection).. . En outres dans .une autre diode fabriquée de la manière décrite ci-dessus s lorsqu?oa lsa fait travailler avec vea. courant • de 394 mA, une température êxi puits de chaleur de 93°£ et une ea--10 dence de répétition des impulsions d'environ 680 MHz j" la largeur d® trait de la cadence de répétition mesurés aux points où la puissance est la moitié, était réduits d'environ 1500 kHz sans ré- • action à moins de 100 kHz avec réaction, assurant ainsi une stabilisation notable des impulsions de sortie. Ces lasers avaient 15 travaillé pendant 200 heures environ sur une période de six semai- | nés sans modification appréciable de leurs caractéristiques. \ La photodiode 14 est disposée sa sorte de recevoir la . j. partie de la lumière émisé par le laser et traversant le diviseur j de faisceau 13 „ Le signal électrique fourni par la diode 14 est- I 2 I • réduction de la largeur des impulsions dépend du gain de la boucle ■" 25 de réaction: plus élevé est le gain, plus les impulsions sont étroites. La réaction se règle automatiquement d'après la cadence de répétition des impulsions. La partie utile de la lumière émise est celle qui est réfléchie par le séparateur de faisceau 13. La sortie peut être utilisée, par exemple, en la dirigeant sur un 30 modulateur extérieur 16 tel que l'un des modulateurs connus à impulsions optiques. Des montages similaires peuvent être utilisés pour des lasers à semi-conducteurs autres que les lasers à jonction . P-N en utilisant le signal de réaction amplifié pour moduler la 3ource de pompage. Par exemple, le signal de réaction amplifié peut 35 être utilisé pour moduler un faisceau d'électrons ou une source lumineuse. La figure 2 est une vue schématique d'un dispositif pour réduire la largeur des impulsions et pour stabiliser la cadence de répétition d'un laser dans lequel les impulsions sont engendrées par auto-induction à l'aide d'une réaction optique. Sur cette fi-:. 70 21962 5 2046793 gure on voit que la lumière émise par le laser 20 traverse une lentille de collimation 21 et une partie traverse également le diviseur de faisceau 22 pour atteindre le miroir 23. Après avoir été réfléchie par celui-ci, une partie de la lumière est reconcentrée 5 dans la région active du laser. On obtient la réduction de la largeur des impulsions èt la stabilisation de la cadence de répétition lorsque W " S 10 où N et M sont des entiers, F est la cadence de répétition des impulsions, C est la vitesse de la lumière et L est la longueur du parcours optique entre le laser et le miroir. Comme on peut le voir par la formule ci-dessus, la fréquence du signal perturbateur est liée à la cadence de répétition des impulsions comme un rapport 15 de deux nombres entiers. Un des avantages de ce procédé est qu'il peut être aisément utilisé avec des lasers à semi-conducteurs qui sont pompés par des moyens autres que par injection de courant. La figure 3 est une vue schématique d'un dispos'itif pour réduire la largeur des impulsions auto-induites et pour stabiliser 20 leur cadence de répétition par couplage du laser à une cavité hyperf réquenc e extérieure. Le laser 30 est disposé à l'intérieur de la cavité hyperfréquence 31 ayant une fréquence de résonance égale approximativement à la cadence de répétition du laser ou à un multiple de cette cadence. Lorsque le laser engendre des impulsions 25 spontanées, il apparaît une faible modulation de même fréquence' dans le courant d'injection. Cette modulation du courant d'injec-tion se crée suffisamment lorsqu'on place le laser dans la cavité résonante en sorte que la largeur des impulsions soit notablement réduite. La cavité 31 peut comporter une petite ouverture 32 par 30 laquelle peut passer la lumière émise par le laser. La figure 4 est une vue schématique d'un montage de réaction purement électrique permettant de réduire la largeur des impulsions et de stabiliser la cadence de répétition d'une diode laser 40 engendrant des impulsions spontanées. Cette forme de réa-35 lisation, tout comme celle de la figure 3, élimine avantageusement la nécessité de l'alignement optique inhérent aux formes de réalisation des figures 1 et 2. Comme précédemment, le laser est pompé par un courant continu fourni par la source 41, représentée à titre d'exemple par une batterie, qui polarise la diode P-N 40 dans le sens direct. Une bobine d'amortissement 42 est placée én série 70 21962 6 2046793 avec la batterie pour empêcher l'énergie hyperfréquence de pénétrer dans la source. De plus, la diode 40 est connectée à l'accès 45a du circulateur hyperfréquence 45 par l'intermédiaire de deux capacités 43 et 44. Les deux autres accès 45b et 45c sont connectés en série 5 avec un amplificateur hyperfréquence 46 et un déphaseur réglable 47 qui est excité par une source d'information 48» Pour le moment, on négligera le déphaseur 47 et sa source d'excitation 48. En fonctionnements, l'énergie hyperfréquence engendrée à la cadence de répétition des impulsions (ou à un harmonique de cet-10 cadence) de la diode laser 40 est appliquée à l'accès 45a, sort par l'accès 45b, est amplifiée par l'amplificateur 46 et réinjectée par les accès 45c et 45a vërs la diode, modulant ainsi le courant d'injection et assurant, comme on l'a décrit plus haut, la réduction de la largeur des impulsions et la stabilisation de la ca- } 15denee de répétition. Par exemple, lorsque le montage travaille à une cadence de répétition de 540 MHz, il permet de réduire la largeur des impulsions de 400 picosecondes à moins de 180 picosecondes et de réduire la cadence de répétition de 600 kHz à moins de 30 kHz» Le fait d'insérer le déphaseur 47 et la source 48 dans 20 la boucle de réaction formée par le circulateur 45, l'amplificateur 46 et le déphaseur, a pour effet de moduler aisément par position des impulsions le signal de la diode 40 puisque, comme mentionné précédemment, le signal de réaction ou signal perturbateur doit être en phase avec la cadence de répétition» Aussi en modifiant la 25 phase du signal de réaction fait-on varier les positions des impulsions. Cette variation se fait suivant l'information fournie par la source 48» * Le dispositif à laser décrit plus haut avec largeur d'impulsion réduite et cadence de répétition stabilisée, peut être 30 utilisé comme source de lumière dans les systèmes optiques de modulation par impulsions codées, la lumière provenant d'une ou plusieurs sources étant dirigée sur un modulateur de code optique. 21962 i 2046793 REVENSI CATION 3. 1Dispositif à laser à semi-conducteur comportant des' moyens pour appliquer une énergie de pompage afin d'induire des impulsions spontanées dans un laser, caractérisé en ce qu'il comporte 5 en outre des moyens pour appliquer au laser un signal perturbateur ayant une fréquence liée à la cadence de répétition des impulsions du laser ««une un rapport de deux nombres entiers, cette fréquence étant déterminée automatiquement par la cadence de répétition du laser de manière à rétrécir la largeur des impulsions et à stabi-10 liser leur cadence de répétition» 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser est un laser à jonction P-N; 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le laser est un laser à jonction à arséniùre de gallium. 15 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le laser à semi-conducteur est pompé par un courant d'injection,le signal perturbateur étant introduit dans le courant d'injection. 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 20 1 à 3, caractérisé en ce qu'une photodiode reçoit une partie de la lumière émise par le laser et en ce que le signal de sortie de la photodiode traverse un amplificateur et est appliqué comme signal perturbateur à la source d'énergie de pompage. 6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 25 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour appliquer une partie de l'énergie optique émise par le laser à la région active du laser comme signal perturbateur. 7o- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le laser est enfermé à l'intérieur 30 d'une cavité hyperfréquence ayant une fréquence de résonance naturelle sensiblement égale à la cadence de répétition des impulsions du laser ou à un multiple de cette cadence, une faible-modulation de cette fréquénce étant appliquée au laser. 8.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 35 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour extraire l'énergie hyperfréquence produite par le laser à sa cadence de ré-1 pétition d'impulsion ou à un harmonique de cette cadence, des moyens pour amplifier l'énergie extraite et des moyens pour renvoyer l'énergie amplifiée au laser. 70 21962 2046793 9.- Dispositif s©Ioh la reveimiieation 89 caractérisé en 9 3 0 que la source de pompage comprend une source de tension continue sonnectée aux faces opposées du laser et «ne bobine d'induction connectée en série avec la source-, e& e;~ que les tcoyens d'extrac-5 tion comprennent un souplag® pas5 capacité entre le laser et un premier accès d'un circulateur hyperf ré quene e â trois accès, et en ce -que les moyens d*asplificafcioa eoiaprsnnsnt un amplificateur hyperfréquence connecté entre les deux autres accès du circulateur de telle e@rte que les signaux saplifiés pas» ledit amplificateur sont' 10 appliquée audit ppaalgr accès à trava&x 1g circulateur et, de cet seeôs, rimrmyêa m I&qqv» 10.- -Dispositif selon l'une quelesnque des revendications 8 et 9S caractérisé en ce qu*il comprend des moyens pour faire varier la phase de l'énergie hyperfréquence réinjectée en sorte de 15 "BOduler les impulsions de sortie du laser par modification de la position des impulsions. 1.1.° Systèa® de modulât ion optique par impulsions codées comprenant un modulateur de code optique et un dispositif à laser à semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications précé-20 dentes, agencé en sorte de transmettre de la lumière au modulateur. r BAD ORIGINAL