Brevet FR2073438A1 — publié le 19711001

la présente invention concerne des appareils et des procédés pour la modulation de lasers à semi-conducteurs dans lesquels la production spontanée des impulsions est induite dans le laser par l'application d'un signal de pompage conve-5 nable. Bans un article intitulé "Ooupled Longitudinal Mode Pulsing in SsmiconcLuctor lasers", Phys. Rev. Letters, 22,1085 (26 mai 1969)* il a été signalé que des lasers à jonction à l'arséniure de gallium fonctionnant de façon continue présen-10 tent, pour des valeurs convenables de la température et du courant d'injection, un effet de production spontanée ou auto-induite d'impulsions? c'est-à-dire qu'ils produisent un train d'impulsions lumineuses à la cadence d'hyperfréquences. On attribue la production auto-induite d'impulsions à 15 l'interaction des modes d'oscillation longitudinaux du laser et de la forte dispersion des matériaux semi-conducteurs.Ainsi, la théorie indique qu'un effet de production d'impulsions semblable existe dans des lasers à semi-conducteurs faits de matériaux autres que l'arséniure de gallium et/ou en utilisant des 20 mécanismes de pompage différents de l'injection à travers une jonction. Un but de la présente invention est de permettre la modulation par position d'impulsions d'un signal de sortie d'un laser à des cadences comparables à la limite théorique pour 25 porter de l'information, à savoir la moitié de la cadence de répétition. Suivant la présente invention, le signal de pompage est modulé en amplitude en réponse à l'information d'entrée, et en même temps la puissance de modulation et la fréquence de mo~ 3C dulation sont maintenues de façon à empêcher un blocage en phase du signal de modulation et du signal de sortie du laser. .Dans une forme de réalisation donnée comme exemple de la présente invention, les impulsions de lumière émises par un laser à semi-conducteur à production spontanée d'impulsions sont 35 modulées en position au moyen d'un signal d'information qui module directement en amplitude le courant d'injection du laser, pourvu cependant que la puissance et la fréquence du signal 70 42596 ? 2073438 d'information soient maintenues de façon à empêcher un blocage en phase du signal de sortie du laser sur le signal d'information. Lorsque l'amplitude du signal d'information change, la cadence de répétition du laser suit. La modulation des impul-5 sions par modulation de leur position à des cadences pouvant atteindre la moitié de la cadence de répétition (typiquement de 250 à 1500 MHz) est possible sans perte d'information. Cette limite est en rapport avec les critères bien connus de capacité maximale de transport d'informations laquelle est obtenue 10 lorsque la fréquence maximale contenue dans le signal modulateur est égale à la moitié de la cadence d'échantillonnage. Cet effet est à mettre en contraste avec la modulation d'amplitude du courant d'injection d'un laser à semi-conducteur classique à onde porteuse ou à impulsions, qui produit une modulation d'am-15 plitude du signal de sortie du laser et non une modulation des impulsions par modulation de leur position. On observera encore que comme le laser produit spontanément des impulsions, le signal hyperfréquence ne doit pas produire les impulsions et peut produire la modulation en position des impulsions pour des ni-20 veaux de puissance hyperfréquence relativement bas. On décrira l'invention en se référant aux dessins joints au présent mémoire, sur lesquels? - Figure 1 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation de l'invention. 2 5 - Figure 2 est un graphique de la cadence de répétition du signal de sortie du laser produisant des impulsions en fonction du courant au-dessus du seuil pour un laser. - Figure 3 est un graphique de la puissance de modulation en fonction de la fréquence, montrant les régions dans les- 30 quelles le signal de sortie du laser .est bloqué en phase sur le signal modulateur. La figure 1 est un schéma d'un appareil utile pour la modulation d'un laser à jonction P-N, comprenant un laser à jonction P-N 10 (avec, si nécessaire, un agencement de refroi-35 dissement, non montré) couplé d'une part à une source de tension continue 14 et d'autre part, à une source de tension alternative de faible puissance 16 (c'est-à-dire une source d'information) 70 42596 y 2073438 pour moduler en amplitude le courant d'injection suivant l'information d'entrée. Dans un agencement simple, le laser est en parallèle d'une part avec la source de tension continue 14 en série avec une bobine d'induction 12, et d'autre part» avec la 5 source de tension alternative 16 en série avec une capacité 15. les valeurs de l'inductance et de la capacité des éléments 12 et 15 respectivement sont choisies pour isoler l'une de l'autre les deux sources de tension en sorte que la chute de tension totale aux "bornes du laser soit essentiellement égale à la somme 10 des tensions des deux sources. On choisit la valeur de la tension continue pour provoquer la génération d'impulsions auto-induites dans le signal de sortie du laser 10. Cette tension dépend chaque fois du laser particulier envisagé et de la température à laquelle il 15 fonctionne. Pour des lasers à jonction à l'arséniure de gallium aux températures de l'azote liquide, la tension est typiquement c.elle qui est nécessaire pour produire entre 1,1 et 3 fois le courant de seuil pour produire l'effet laser, la cadence de répétition des impulsions est comprise typiquement entre 0,5 et 20 3 GHz. la gamme exacte des tensions continues provoquant la génération d'impulsions pour un laser particulier peut être déterminée empiriquement en faisant varier la tension, en détectant la lumière du laser à l'aide d'une photodiode et en analysant le signal de sortie de la diode dans un analyseur de 25 spectre hyperfréquence. Une fois que la génération spontanée d'impulsions est produite, on règle la source 16 de tension alternative pour empêcher le blocage en phase du signal de sortie du laser générateur d'impulsions sur le signal alternatif modulateur, comme on le décrira dans la suite. 30 la figure 2 montre la variation de la fréquence des im pulsions de sortie du laser en fonction du courant d'injection I (provenant de la source continue 14), au-dessus du courant 1^.^ de seuil. Dans la région 20, la modulation du signal de sortie du laser est induite principalement par le bruit. Au pic 21-35 (courant 1^) la profondeur de modulation commence à augmenter, le signal de sortie du laser"étant modulé de façon essentiellement sinusoïdale dans la partie intermédiaire de la région 22. 70 42596 4 2073438 A peu près au point 23 (courant il^)» la profondeur de modulation atteint 100$, c'est-à-dire que le signal de sortie du laser a un caractère pulsatoire spontané. Au point 24 (courant 1^) la pente du courant change en pass-ant de valeurs négatives dans 5 la région 22 à des valeurs positives dans la région linéaire 26 où le signal de sortie du laser est encore à caractère pulsatoire spontané. C'est dans la région 26 que le point de fonctionnement 25 (courant Ïq = 1,41^, à titre d'exemple)est choisi. Une fois ce point fixé, on fait agir le signal modulateur tO provenant de la source alternative 16, en faisant ainsi que le courant d'injection varie le long de la courbe avec l'amplitude du signal d'information provenant de la source 16. Ces varia- -tions d'amplitude produisent la modulation de la cadence de répétition, comme décrit précédemment. Pour des valeurs rela?-15 tivement petites de la puissance Pm (en l'espèce Pm= 1 mw) on a obtenu des cadences de modulation atteignant jusqu'à la moitié de la cadence de répétition d'impulsions d'environ 1,2 GHz. Le choix du point de fonctionnement 25 dans la région linéaire 26 est avantageux parce que dans cette région, la caden-20 ce de répétition du signal de sortie du laser suit linéairement (sans distorsion par dés harmoniques) les variations d'amplitude du signal d'information. Bien que cela, soit possible, le choix d'un point de fonctionnement dans une région non linéaire engendrerait des fréquences harmoniques et entraînerait la néces-25 sité de l'emploi d'un équipement électronique de compensation (bien connu dans la technique). Un autre avantage s'obtient en augmentant la pente de la région 26. C'est-à-dire que l'on obtient la même grandeur de modulation de la cadence de répétition avec un écart" de courant 30 de modulation plus petit,en réduisant ainsi aussi bien la puissance de modulation requise que les effets d'échauffement produits par un courant.de modulation intense. En plus, l'augmentation de la pente réduit la modulation d'amplitude parasite des impulsions de sortie et également, en réduisant la puissance de 35 modulation Pffi , maintient le fonctionnement du laser plus écarté des régions où se produirait le blocage en phase. Comme la région 26 dépend de la température, on peut 70 42596 b 2073438 changer aisément la pente, en changeant la température du puits de chaleur. On détermine le sens dit changement empiriquement puisque l'augmentation de la température entraîne l'augmentation de la pente dans certaines diodes, tandis que la diminu-5 tion de la température fait croître la pente dans d'autres diodes. La façon dont on empêche le blocage se comprend le mieux en se référant à la figure 3 qui est un graphique de la puis- -sance Pffi du signal modulateur, en fonction de la fréquence a/ m 10 du signal modulateur et qui montre les régions dans lesquelles la phase du signal de sortie du laser( à cadence de répétition V g) se bloque sur le signal modulateur. Oes régions de blocage en phase sont situées à l'intérieur des sones hachurées des JT courbes 30 à 37. Le blocage en phase se produit lorsque 15 où H et M sont des entiers et où dépasse une certaine puissance minimale à cette fréquence. Par exemple, pourVm= ? P^ doit être au moins aussi grand que P^ pour que le blocage en phase se produise. SiVffi = , il faut que Pffi > pour que le blocage en phase se produise. Ainsi, la combinaison de 20 valeurs (V , Pffl ) définit un paramètre de modulation, un point sur le graphique de la figure 3, qui doit se trouver à l'extérieur des régions hachurées pour empêcher le blocage en phase. Dans le cas d'un signal d'information de largeur de bande allant de^àV^ et centré surVQ, on peut empêcher le blocage 25 en phase en assurant que la puissance Pffi soit inférieure à celle requise pour la fréquence la plus élevée de la forme contenue dans Av. Ainsi, pour l'exemple montré, les fréquences de la 1 111 forme dans sont ^ M R , 4vr e_fc 3^R* Plus élevée de celles-ci est jv Par conséquent, pour empêcher le blocage 30 en phase, on maintient Pffl en dessous de P^ • On observera que le principe bien connu d'après lequel on obtient' la capacité de transport d'information maximale lorsque la fréquence de modulation est égale à la moitié de la cadence d'échantillonnage, dicte que la fréquence maximale -u ^ conte-35 nue dans la bande d'information doit être inférieure à Siv k était supérieur à ,par exemple, le système d'échan tillonnage serait incapable de distinguer un échantillon à 70 42596 6 2073438 1 2 d'un échantillon à ? et par suite 9 on n* obtient pas 3 Jtl, p j.t de capacité d'information supplémentaire en faisantV-^ . Un graphique tel que celui de la figure 3 peut être tracé pour chaque point de fonctionnement 25 (figure 2, où la ca-5 dence de répétition est portée en ordonnées et où les abscisses désignent des valeurs de -.f~ ), Ainsi, le procédé pour em-pêcher le blocage en phase consiste à choisir un point de fonctionnements à faire varier la pxiissance et la fréquence du signal modulateur pour produire l'information de la figure 3 10 (ordonnées P , abscisses V_ ) ? à déterminer la fréquence ma- ili XXX «j ximalev^ dans le signal d'information de la forme jjjV ^ , à mesurer la puissance de blocage à cette fréquence et à maintenir inférieur à cette puissance de blocage. Gomme on l'a mentionné précédemment, la théorie indique 15 que la production spontanée d'impulsions existe dans des lasers à semi-conducteurs faits de matériaux autres que l'arséniure de gallium et/ou en utilisant des mécanismes de pompage autres que l'injection à travers une jonction. On peut aussi moduler la cadence de répétition dans ces lasers en modulant la source 20 de pompage. Par exemple » dans un laser à semi-conducteur pompé par un faisceau d'électrons, on applique un signal d'information au faisceau, et dans un laser pompé optiquement, on module l'intensité de la source de pompage optique aux cadences du signal d'information. 25 Alors que presque chaque laser à jonction essayé pré sentait une production d'impulsions spontanée pour une certaine région de courant et de température, l'invention deviendra plus claire en se référant à l'exemple spécifique suivant. Exemple 1 30 Un laser à jonction à l'arséniure de gallium a été fa briqué comme suit. On a formé un substrat à dopage n en développant par le procédé de Czochralski un cristal d'arséniure de gallium dopé au tellure, et en divisant le cristal en pastilles. La concentration en électrons libres du substrat était comprise 18 35 entre 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 comprenant une 70 it$596 7 2073438 solution à 2,0$ de zinc dans le gallium saturé d'arséniure de gallium, la durée de diffusion a été de 4 heures à 800°C. la _7 profondeur de la jonction ainsi formée était d'environ 1,8.10 mm. 5 On a traité alors le substrat. Après application d'une =3 couche protectrice de 0,095 .10 mm de SiOg» on a mis le substrat avec quelques milligrammes d'arsenic pur dans une ampoule de quartz ( d'un volume de 7 cm environ). On a vidé d'air —7 l'ampoule jusqu'à atteindre un vide de 133,3 . 10 Pa. Puis, 10 on a chauffé l'ampoule pendant 4 heures à 850°C et on l'a refroidie brusquement à 0°C en la trempant dans de l'eau glacée. Après l'étape de traitement à chaud, on a formé les contacts électriques des régions n et p de la diode. A l'aide de procédés photolithographiquee, on a découpé des bandes de 15 0,0254 x 0,380 mm dans l'oxyde sur la région à dopage p. On a exécuté une seconde diffusion pour faire un bon contact ohmi-qiue avec la région de dopage p. (Cette diffusion n'altère pas la diffusion originelle'et on ne l'utilise que pour faire de bons contacts). On a exécuté cette opération par le procédé 20 de la boîte, en utilisant une source d'arséniure de zinc pur et un temps de diffusion de 15 minutes à 650°C. Cette diffusion a formé une couche à fort dopage dans la région p, d'une épais- _3 seur inférieure à 0,3 . 10 mm. Un contact métallique à 0,05 . 10"3 mm de titane, 0,5 . 10~3 mm d'argent et 0,1 . 10~'mm 25 d'or a été appliqué ensuite à la région p. On a meulé le côté à dopage n jusqu'à obtenir une épaisseur d'environ 0,105 mm et —3 on a appliqué un contact comprenant 0,2 . 10 mm d'étain, 7 7 0,4 . 10 mm de nickel et 0,4 . 10 mm d'or. Puis, on a gravé et on a taillé le substrat pour former des cavités de Pabry-30 Perot à dimensions finales de 0,100 x 0,380 x 0,625 mm. On a monté le laser terminé sur un puits de chaleur en zinc dans un bloc hyperfréquence ayant une fenêtre pour que la lumière du laser puisse sortir.On a inséré le bloc comme terminaison d'une ligne de transmission de 50 ohms, conçue suivant 35 les techniques bien connues des hyperfréquences pour assurer un bon passage au laser des signaux hyperfréquence extérieurs. Pour certaines régions du courant d'injection (entre une 70 42596 8 2073438 et deux fois la valeur de seuil), à des températures du puits de chaleur comprises entre 77°K et 110°K, la lumière émise par le laser était à impulsions engendrées spontanément, à des cadences de répétition comprises entre 500 MHz et 1200 MHz. Par 5 exemple, pour un courant total de 670 mA et une température du puits de chaleur de 96°K, des impulsions dont la largeur totale à mi-puissance était d'environ 400 picosecondes,ont été engendrées à 620 MHz. Dans ces conditions, on obtenait la cadence utile maximale de la modulation des impulsions par modulation 10 de leur position (c'est-à-dire de 310 MHz). Gomme on l'a dit 1 précédemment, des cadences supérieures à ^ , bien que l'on puisse les obtenir, n'ajoutent rien à la capacité de transport d'information. On peut facilement combiner la forme de réalisation de 15 la figure 1 avec des moyens à réaction électro-optiques purement optiques ou purement électriques pour réduire la largeur des impulsions et stabiliser la cadence de répétition du signal de sortie du laser engendrant spontanément des impulsions. Par exemple, en utilisant une réaction électro-optique (c'est-à-dire 20 que le signal de sortie d'une photodiode qui détecte les impulsions du laser est amplifié et renvoyé dans le courant d'injection du laser) appliquée à un laser engendrant spontanément des impulsions (courant 489 mA, température du puits de chaleur 95°K et cadence de répétition 790 MHz), a réduit la largeur 25 d'impulsions de 400 picosecondes à moins de 200 picosecondes, et a réduit la largeur de ligne de 1500 kHz à moins de 100 kHz. Au surplus, on peut introduire plusieurs lasers dans un système de communication multiplex en bloquant la phase moyenne de la modulation d'intensité des signaux de sortie optiques de 30 chaque laser l'une par rapport à l'autre, et en produisant alors une imbrication des impulsions optiques des canaux distincts à l'aide de moyens bien connus dans la technique. Un récepteur optique à utiliser dans un système de ce genre pourrait comprendre une photodiode très rapide ou une sé~ 35 rie de telles photodiodes. Les diodes pourraient être avantageusement des photodiodes P-I-N ou des photodiodes à barrière de Schottky. 70 42596 y 2073438 En plus d'un multiplexage obtenu de cette manière, il est clair aussi que l'on peut introduire une seconde dimension de multiplexage en utilisant des lasers à fréquences lumineuses différentes. Au récepteurs les différentes fréquences peuvent être séparées par des techniques spectrographiques et les impulsions peuvent être détectées par des photodiodes. 70 42596 2073438 REVENDICATIONS 1«" Procédé de modulation d'un laser à semi»conducteur, dans lequel la génération spontanée d'impulsions est induite dans le laser par l'application d'un signal de pompage conve-5 nable, caractérisé en ce que le signal de pompage est modulé en amplitude en réponse à une information d'entrée, et en ce qu'en même temps, la puissance de modulation et la fréquence de modulâtior sont maintenues de façon à empêcher le blocage en phase du signal de modulation et du signal de sortie du laser. 10 2.» Procédé suivant la revendication 1, dans lequel le laser est un laser à jonction P~N, caractérisé en ce que la production simultanée d'impulsions est induite par l'application d'une tension continue et en ce que la modulation d'amplitude est produite par une source de tension alternative. 15 3.- Procédé suivant une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le laser est un laser à jonction à l'arséniure de gallium. 4." Procédé suivant une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'on maintient la puissance 20 de modulation pour qu'elle soit inférieure à la puissance minimale pour que le blocage en phase se produise à la fréquence la -j plus élevée'de la forme contenue dans la largeur de bande du signal d'information, où. M est un nombre entier et oùi/^est la cadence de répétition des impulsions. 25 5.- Procédé suivant la revendication 4, dans lequel le point de fonctionnement en courant continu du laser est fixé, caractérisé en ce qu'on mesure la réponse du laser aux variations en puissance de modulation par rapport à la fréquence de modulation pour déterminer les régions de fonctionnement du la-30 ser dans lesquelles le signal de sortie des impulsions du laser se bloque sur le signal modulateur, en ce qu'on détermine la fréquence la plus élevée de la forme s en ce qu'on mesure la puissance de modulation minimale nécessaire pour produire ce blocage en phase à cette fréquence la plus élevée, et en ce 35 que l'on maintient la puissance de modulation pour qu'elle soit maintenue à une valeur inférieure à celle de cette puissance minimale. 70 42596 n 2073438 6.- Procédé suivant la revendication 5 s caractérisé en ce que le point de fonctionnement en courant continu du laser est fixé dans une portion linéaire de la caractéristique du laser quant à la fréquence de sortie en fonction du signal 5 de pompage. 7.- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'on règle la température du laser pour diminuer la puissance de modulation requise. 8.- Modulateur optique caractérisé en ce qu'il comprend 10 un laser à semi-conducteur, des moyens pour engendrer dans le laser la génération spontanée d'impulsions, une source de courant d'injection pour appliquer au laser une tension continue d'une valeur suffisante pour produire cette génération d'impulsions auto-induite 9 et des moyens pour appliquer un signal 15 d'information de faible amplitude au laser pour moduler en amplitude le courant d'injection» la puissance et la fréquence du signal d'information étant telles que le blocage en phase du signal d'information et du signal de sortie du laser soit empêché. 20 9«- Modulateur optique suivant la revendication 8S carac térisé en ce que la puissance de modulation est inférieure à la puissance minimale requise pour que le blocage en phase se -| produise à la fréquence la plus élevée de la forme contenue dans la largeur de bande du signal d'informations où M 25 est un nombre entier et °ù-V^ est la cadence de répétition des impulsions. 10.- Modulateur optique suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le point de fonctionnement du laser est maintenu dans une partie linéaire de la caractéristique du la-30 ser quant à la fréquence de sortie en fonction du courant d'injection.