Brevet FR2263623A1 — publié le 19751003

L'invention porte sur les lasers à semi-conducteurs. Plus particulièrement, cette invention porte sur des systèmes dans lesquels le laser fonctionne à l'intérieur d'une cavité résonnante pour que soit obtenue une radiation laser à cohérence spatiale. Les lasers à injection à semi-conducteurs tels que celui presenté dans la publication d'IEEE, Journal of Quantum Electronics Vol. QE-8, juillet 1972, pages 632 à 641, par Elisabeth M. Philipp-Rutz, ont éte concus pour être utilisés dans les systèmes optiques de navigation spatiale et dans les systèmes de télé-communication optiques (avec emission guidee dans des fibres diélectriques); dans ces systèmes la radiation est limitée au mode transversal de rang inférieur.Pour la commande de ce mode, la diode laser, dont l'une ou les deux faces du miroir fendue portant un revêtement anti-réfléchissant, fonctionne dans une cavité optique ou une fente de limitation d'ouverture réduit la durée de vie de tous les modes de propagation transversaux à l'exception du mode de rang le plus bas. Pour que la radiation soit efficace, la cavite optique externe doit être couplée étroitement au laser à injection, ce qui nécessite la co7ncidence de la section transversale de mode de champ auto-reproducteur qui se trouve à l'intérieur du résonateur, avec la region de la jonction p-n active du laser à injection. Le laser à injection à mode transversal simple doté d'une cavité optique hémisphérique est présenté dans la publication Rutz de 1972, et il est illustré à la figure 1. Cette cavité est formée d'un miroir réfléchissant entièrement plan 14, d'une lentille sphérique 8 et du miroir réfléchissant fendu 4 de la diode 2 du laser à injection. La face fendue 6 de la diode comporte un revêtement anti-réfléchissant. Dans la cavité, le miroir plan 14 et la face du miroir partiellement réfléchissante 4 de la diode du laser à injection 2 sont placés sur les deux plans focaux de la lentille interne 8. Le laser de la figure I, avec la cavité optique hémisphérique, peut parfaitement être utilise dans les systemes optiques de télécommunication à fibres diélectriques, puisque la fibre optique peut être couplée directement à face 4 de la diode laser 2. La transformation du faisceau dans la cavité optique de la figure 1, a été décrite dans la publication Rutz de 1972, ainsi que les conditions exigées pour un alignement de precision. D'après la théorie de la transformation d'un faisceau lumineux cohérent à travers une lentille, on conclue qu'un front d'onde plan sur un plan focal de la lentille sera transformé en un front d'onde plan sur le second plan focal. Dans la cavité optique de la figure 1, une onde plane issue du laser à injection sera transformee en une onde plane sur le réflecteur. Pour créer un modèle de champ auto reproducteur où la section transversale de mode coïncide avec la largeur et la hauteur de la region 5 active de la jonction p-n du laser à injection 2, il faut faire coïncider le centre de la jonction p-n 5 de la diode laser avec l'axe optique de la lentille interne 8.De plus, les faces fendues du miroir 4 de la diode laser 2 et le miroir plan externe 14 doivent être perpendiculaires à l'axe optique de la lentille Alors, une onde plane issue de la jonction p-n, transformee par la lentille, sera réfléchie par le miroir plan, de telle sorte que l'image de la jonction coincide avec celle-ci. Afin d'evaluer les conditions requises pour obtenir un alignement précis, des èxpériences ont été conduites avec un laser GaAs à structure homogène à une température ambiante. Les résultats de ces expériences publiés par IEE dans le journal of Quantum Electronics, Vol. QE-9, février 1973, pages 282-290 par Elisabeth M. Philipp-Rutz, indiquent que dans la direction-x perpendiculaire au plan y-z de la jonction p-n 5, un déplacement de l'onde transformée par la lentille 8 et réfléchie à partir du miroir 14 dans la cavité optique ne peut être superieur à un micron sans détruire l'action du laser.Un déplacement de cette valeur peut se produire lorsque le miroir plan 14 tourne par rapport à l'axe optique 10 de la lentille interne 8 (distance focale 1cl), de 0,5 x 10 4 radian ou lorsque le centre de la jonction p-n 5 de la diode laser 2 est déplace d'un demimicron par rapport à l'axe optique 10 de la lentille 8. Sur le plan y-z le long de la jonction 5 comme la région active du laser à injection 2 est toujours plus large que haute, des rotations du miroir ou des déplacements de la diode plus importants peuvent être tolérés. Dans le laser à semi-conducteur décrit par Rutz et Kagan, dans la demande de brevet français No. 73 11705 déposee par la demanderesse le 21 mars 1973, il est possible d'obtenir la précision d'alignement requise. Un circuit de reaction électro-optique utilisant des transducteurs piezo- électriques qui commandent l'alignement de precision de la cavité optique par rapport à la diode laser à jonction p-n, est prévu dans le plan perpendiculaire à la jonction. Toutefois, le circuit de commande requis pour maintenir l'alignement du laser, est complexe et coûteux. D'autre part, la gamme des corrections d'alignement est limitée par la gamme d'extension et de contraction des cristaux piezo-electriques, en fonction de la tension, à moins de + 10 microns, sauf si l'on utilise des amplifications mecaniques. Ce dont la technique a besoin est d'un moyen simple et compact permettant d'aligner automatiquement la diode laser dans la cavité. L'invention a donc pour objet un dispositif permettant l'obtention d'une radiation de sortie à brillance élevée et à cohérence spatiale, à partir d'un laser à semi-conducteur utilisé dans un résonateur. Cette invention a pour autre objet d'obtenir une telle radiation, dans des conditions opératoires et dans un système laser plus compact et plus robuste que ceux offerts par les techniques antérieures. Cette invention a également pour objet de maintenir automatiquement l'alignement d'un laser à semi-conducteur par des procédés ameliorés. Ces objets, ainsi que d'autres se trouvent concrétisés par un laser à semi-conducteur avec commande automatique d'alignement de la cavité optique, présenté ici. La diode laser semi-conductrice possède une première face fendue revêtue d'un anti-réfléchissant et proche d'une lentille spheri-que, et une seconde face fendue opposée à la première et partiellement réfléchissante, située au foyer de la lentille. Une grille de diffraction est placée le long de l'axe optique, à une distance focale de la lentille sur le coté oppose à la diode. La correction automatique d'alignement est réalisée en utilisant la variation spatiale en fonction de la longueur d'onde de la propriété rétro-directive du mode de rang non nul d'une grille de diffraction.Dans le laser à semi-conducteur à cohérence spatiale, une diode laser semi-conductrice est utilisée avec une cavité optique externe dans laquelle une fente de limitation d'ouverture sélectionne le mode transverse du rang le plus bas. ta cavité optique externe du laser est formee par une grille de diffraction et une lentille sphérique d'un coté, et par la face de miroir fendue de la diode laser à jonction p n de l'autre côteLa grille de diffraction synthétise un réflecteur plan rétrodirectif, ou la surface rétro-directive synthétisée tourne en fonction de la longueur d'onde.Initialement, la grille de diffraction est alignee pour synthétiser un réflecteur plan perpendiculaire à S'axe optique du résonateur externe, à une longueur d'onde, au centre de la largeur de raie fluorescente du laser à seçni-conducteur. Lorsque les composants optiques du laser cessent d'etre alignés, la surface plane synthétisée de la grille de diffraction tourne automatiquement pour créer un mode de champ autoreproducteur dans le dispositif laser, et la radiation laser sera émise à une longueur d'onde légèrement différente. La gamme de correction automatique d'alignement est limitée par la largeur de raie fluorescente du laser semi-conducteur; par exemple, si l'on utilise une diode laser GaAs, on peut obtenir la correction automatique de déplacements pouvant atteindre + 38 microns. D'autres objéts, caractéristiques et avantages de la presente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1A représente le laser a injection cohérence spatiale, avec cavite hémisphérique optique et commande de mode longitudinal. La figure 1B illustre l'orientation de la diode laser. La figure 2A represente le laser à injection à cohérence spatiale et la cavite hémispherique optique comportant une grille de diffraction, qui permet les corrections automatiques d'alignement. Cette représentation correspond au plan x-z. Les degrés de la grille de diffraction sont parallèles a la direction y, et sur la figure, elles sont agrandies par rapport aux dimensions des autres composants. La figure 2B represente le systeme laser a injection de la figure 2A suivant le plan y-z. La figure 2C illustre l'orientation relative de la diode laser. La figure 3A illustre le dispositif laser avec la grille de diffraction alignee de façon à créer le mode de champ auto-reproducteur au centre de sla largeur de raie fluorescente Aocv La figure 3B représente le desalignement accidentel de la diode laser par rapport à l'axe optique de l-a lentille, désalignement correspondant à une distance A, qui ramène le mode de champ auto-reproducteur à une longueur d'onde plus courte La figure 4 represente le laser à injection dans sa cavité avec commande automatique d'alignement couplée à une fibre optique. Une technique de commande automatique d'alignement simple pour la cavité optique du laser à semi-conducteur à mode transversal unique est présentée aux figures 2A et 2B, où une grille de diffraction 16 remplace le miroir entièrement réfléchissant 14 des techniques antérieures. La grille de diffraction 16 est une grille à échelons martelés utilisée selon les techniques de Littrou. Pour la commande d'alignement de la cavité optique, l'invention tire parti de la variation spatiale des lobes de la grille d'ordre non nul par rapport à la longueur d'onde. Une grille de diffraction, remplaçant un réflecteur dans la cavite optique d'un laser, est généralement utilisée pour réduire la largeur de bande optique ainsi que pour garantir la capacité d'accord de la radiation laser. La grille de diffraction remplaçant le réflecteur plan dans le laser GaAs, représenté à la figure 2, remplit une fonction différente: en effet, elle assure l'alignement automatique du laser dans le plan perpendiculaire à la jonction p-n. La grille 16 qui se trouve placée sur le plan focal de la lentille interne 8, est formee par des rainures parallèles équidistantes. Dans la cavité optique, les rainures sont alignées de façon à être parallèles a la jonction p-n 5 de la diode laser 2 dans la direction y. Sur le plan x-z perpendiculaire à la jonction p-n, la grille 16 est inclinée selon l'angle de martèlement Q0. Les performances de la grille sont définies par sa fonction d'intensité qui est la fonction dtinterference d'une trame de N rainures parallèles semblables et équidistantes, modulées par la fonction d'intensite représentant lteffet d'une seule rainures (M. Born et E. Wolf, Principles of Optics chez Pergamon, 1965, page 404).Les maxima dans la fonction d'interférence sont fonction de la longueur d'onde, à l'exception du maximum de rang zéro. Dans la grille martelée 16, le maximum de la fonction d'intensite d'une rainure unique coïncide avec l'un des maxima de rang reel dans la fonction d'interférence de la trame. L'angle de martèlement est la direction de ce maximum réel par rapport à la per pendiculaire. Une onde plane incidente à la grille 16 sous un angle e par rapport à la perpendiculaire de la trame 18, sera retransmise suivant un angle par rapport à la trame perpendiculaire 18. Le rapport entre ces angles et les paramètres de la trame est défini par l'équation: où d est la distance entre les rainures, la la longueur d'onde en espace libre et m = # 1, # 2, ... Pour une certaine longueur d'onde lor une onde plane incidente à la grille sous 1 'angle e sera retransmise dans la même direction et 1 'équation 1 deviendra: Si l'onde plane est transmise sous un angle différent, eâ, en raison du mauvais alignement de la diode 6 dans la direction -x, l'équation (2) demeurera valable, mais pour une autre longueur d'onde xO. . Ainsi donc, la grille de diffraction pour m # 0 fonctionne comme un réflecteur plan rétro-directif, en synthétisant une surface rétro-directive qui tourne autour de la direction-y en fonction des variations de la longueur d'onde de la radiation stimulée, lorsque la diode n'est pas alignée dans la direction -x.Dans le laser où la grille de diffraction remplace un réflecteur plan, un modèle de champ auto-reproducteur est créé, lorsque l'onde incidente à la grille de diffraction sous l'angle e est réfléchie sous le même angle 0. Toutefois, cela n'est possible que lorsque le rapport entre la longueur d'onde xor et l'angle e, défini par l'équation 2, se trouve dans les limites de la ligne de fluorescence du générateur laser.Si les composantes optiques du laser cessent d'être alignées, le front d'onde plan issu de la jonction p-n, transformé par la lentille, sera incident à la grille sous un angle différent e . Un modele de champ auto-reproducteur peut être également crée en réfléchissant l'onde sous le même angle oA, mais l'oscillateur du laser se trouvera à une longueur d'onde différente, fournie par l'équation 2. La gamme de rotation de la surface plane rétro-directive synthétisée, et par voie de conséquence, de correction automatique d'alignement, sera limitée par la largeur de la ligne fluorescente de la diode laser GaAs. Lorsqu'on utilise une grille martelée dans la cavité optique, ou le maximum de la fonction d'intensité d'une seule rainure coïncide avec le maximum mième de la fonction de la trame, il faut incliner la grille selon un angle ic dans le plan x-z perpendiculaire à la jonction p-n 5, ou e c est fourni par l'équation et où Xoc est une longueur d'onde au centre de la largeur de raie fluorescente du laser à injection 2.Pour cet angle d'inclinaison e c de la grille, un modèle de champ auto-reproducteur est établi dans le laser avec la cavité hémisphérique à une longueur d'onde Roc On suppose qu'en cas de choc et de vibrations, le centre de la jonction p-n 5 de la diode laser 2 se déplace par rapport à l'axe optique 10 de la lentille interne 8 de la cavité otpique, sur une distance A, comme le montre la figure 3b. Dans ces conditions, l'angle e que l'onde incidente à la grille de diffraction 16 forme avec la perpendiculaire 18 a la grille, devient e = e c + Q x f, où f est la distance focale de la lentille interne 8. Des equations 1 et 2 on peut conclure qu'un modele de champ auto-reproducteur, où l'onde est renvoyée dans la direction de l'onde incidente peut encore être établi, mais a une longueur d'onde différente, X , qui est fonction du déplacement A selon l'équation Il est possible de simplifier l'équation (3) de la façon suivante: pour e c A On peut conclure qu'en cas de rotation de la surface plane synthétisée de la grille, la longueur d'onde x0 peut compenser automatiquement un non-alignement accidentel A du laser. Mais la gamme de compensation d'alignement du laser utilisant une grille de diffration est limité? par la largeur de raie fluorescente du laser à injection.Pour déterminer la gamme de non alignement susceptible d'être compensée par l'emploi d'une grille de diffraction dans la cavité optique, on a procédé à une évaluation pour un laser GaAs à structure homogène, fonctionnant a la température ambiante dans la cavité optique. Le spectre d'émission spontanée du laser à injection GaAs à la température ambiante est d'environ 125A (G.k. Gooch, Gallium Arsenide Lasers, Wiley - Inter Sciences, 1969, page 102), puisque la recombinaison des radiations se produit entre des bandes d'energie étendues plutôt qu'entre des niveaux discrets.En outre, dans une matière semi-conductrice fortement dopee, se produiront des collisions électrons- électrons, et trous-trous, d'où tendent des électrons et des trous à se chauffer mutuellement et très rapidement. Les lignes thermiques élargies peuvent être considérées corme élargies de façon homogène, de sorte que la combustion des trous peut être ignorée. Pour la vérification expérimentale, on a utilisé une grille de diffraction 16 avec 600 rainures par mm, martelée dans le second rang pour 9000A. La grille était montée dans le second plan focal de la lentille interne 8 de la cavité optique de la figure 2a et inclinée selon un angle de 32 42', créant un modèle de champ auto-reproducteur centrée à xOc=9OOOA a bande passante de la radiation laser stimulée était: équation ou N g est le nombre de rainures sur la grille de diffraction 16 qui sont illuminées par le faisceau d'ondes dans la cavité optique. Le diamètre du faisceau 2Wîx sur le plan x-z perpendiculaire à la jonction pn dans le second plan focal de la lentille interne 8, est fonction de la hauteur du mode de guide d'ondes diélectriques 2Wox dans la diode laser, ce qui s'exprime par le rapport: Pour f=lcm et si l'on suppose que 2Wox=3 microns, dans la publication d'IEEE Journal of Quantum Electronics Vol .QE-9, février 1973, page 28290, 2W1x-0,38cm, le nombre de rainures éclairées est Ng=2280; on obtient une bande passante de radiations de tl=2R. La variation spatiale du lobe de la grille de second rang sur une largeur de bande de 125 (centree à 9000A) represente + 0,0038 radian ce qui donne une gamme de correction de + 38 microns (soit + 1,5 x 10 3 pouce) pour les non-alignements accidentels de la jonction p-n 5 de la diode laser 2, par rapport à l'axe optique 10 de la lentille spherique interne 8 (équation 4). (La variation spatiale du lobe de premier rang produirait la moitie de la gamme de correction). On a mesuré la radiation dans le laser GaAs à coherence spatiale lorsque la grille de diffraction se trouvait dans le second plan focal de la lentille interne. La bande passante etait proche de 2A, la radiation presentait une polarisation linéaire. On peut faire subir a la surface plane synthétisée une rotation de e = + 0,0038 radian correspondant a une largeur de raie fluorescente de 125A. Aucune dégradation de la puissance du laser n'a été observee sur cette gamme. Ces résultats expérimentaux nous permettent de conclure qu'en utilisant une grille de diffraction 16. dans le second plan focal de la lentille interne 8 dans la cavité optique de la figure 2, il est possible de réaliser une correction automatique d'alignement sur une gamme de non-alignement de + 38 microns. La correction automatique de l'alignement de la cavité optique d'un laser par rapport à son support actif, au moyen d'une grille de diffraction, n'est possible que pour le laser semi-conducteur à jonction p-n en raison de l'asymétrie inhérente de la région active qui est très étroite perpendiculairement à la jonction, et beaucoup plus large le long de la jonction. En raison de cette asymétrie, l'alignement perpendiculaire à la jonction p-n doit être réalisé et maintenu avec une précision beaucoup plus grande que l'alignement le long de la jonction p-n. De- par sa nature, la grille de diffraction ne permet une correction d'alignement que dans un plan; elle se prête donc parfaitement aux corrections automatiques d'alignement dans le laser semi-conducteur à jonction p-n a mode longitudinal unique, et notamment a la correction de l'alignement dans le plan perpendiculaire à la jonction p-n. En outre, la largeur de raie fluorescente relativement importante de semi-conducteur offre une gamme relativement étendue de corrections d'alignement. L'utilisation d'une grille de diffraction sera importante notamment pour le laser semi-conducteur à. mode transverse unique utilisant des d iodes laser à structure hétérogène simple, ou double, où la hauteur du guide d'onde diélectrique est plus petite que dans le laser a structure homogene. En raison de cette hauteur de mode inférieure des lasers étroitement confinés, la correction automatique de l'alignement est plus importante encore que lorsqu'on utilise des diodes laser à structure homogène dans la cavite optique. La surface 4 de la diode 2 dans le laser a injection à cavité externe avec commande automatique d'alignement, est représentée à la figure 4, couplée à la fibre optique 22 au moyen d'un ciment 24 à indice de réfraction correspondant dont l'épaisseur représente le quart de la longueur d'onde Cette combinaison laser fibre se comporte comme une unité d'émission dans un systeme de transmission optique. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et representé sur les dessins les caractéristiques essentielles de llinvention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est evident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. REVENDICATIONS 1.- Dispositif laser à semi-conducteur avec commande automatique d'alignement à l'intérieur d'une cavité résonnante externe, et caractérisé en ce qu'il comprend: une lentille sphérique possédant un axe optique, une diode laser semi-conductrice dont une première face fendue comporte un revêtement anti-réfléchissant et proche de cette lentille, et une seconde face fendue opposee a ladite première face, partiellement réfléchissante et située sur l'axe optique à une distance focale de ladite lentille, une grille de diffraction sur ledit axe optique situee à une distance focale de ladite lentille sur le côte opposé à ladite diode, ladite grille de diffraction se comportant comme un réflecteur de plan rétrodirectif en synthétisant une face virtuelle rétro-directive qui tourne en fonction des modifications de la longueur d'onde de la radiation stimulé, une fibre optique présentant un couplage optique avec ladite seconde face fendue de ladite diode, pour transmettre une radiation electromagnétique générée par ladite diode, à un dispositif d'utilisation. 2.- Dispositif laser à semi-conducteur avec commande automatique d'alignement conforme à la revendication 1, dans lequel ladite diode laser est une diode laser GaAs. a 3.- Dispositif laser/semi-conducteur avec commande automatique d'alignement de la revendication 1 qui comporte en outre une fente limitatrice d'ouverture adjacente à ladite grille de diffraction, et proche de ladite lentille. 4.- Dispositif laser à semi-conducteur avec commande automatique d'alignement de la revendication 1, dans lequel ledit non-alignement de ladite diode est orienté perpendiculairement au plan de la jonction de la diode. 5.- Dispositif laser à semi-conducteur avec commande automatique d'alignement de la revendication 1, dans lequel ladite grille de diffraction comprend en outre: une grille à echelons martelés dont les rainures sont alignées paral lèlement au plan de la jonction p-n de ladite diode. 6.- Système laser à semi-conducteur avec commande automatique d'alignement de la revendication 5, dans lequel ladite grille de diffraction comporte en outre: une trame de N rainures semblables parallèles et équidistantes, modulees par la fonction d'intensité représentant l'effet d'une seule rainure, de sorte que le maximum de la fonction d'intensité d'une seule rainure coTncide avec l'un des maxima d'ordre non nul dans la fonction d'interférence de la trame. 7.- Dispositif laser à semi-conducteur avec commande automatique d'alignement de la revendication 6, dans lequel ladite grille de diffraction possède en outre les caracteristiques suivantes: la perpendiculaire à ladite grille est orientée selon un angle e c par rapport à l'axe optique de ladite lentille où où est est la longueur d'onde au centre de la largeur de raie fluores- cente de ladite diode, d la distance entre les rainures de ladite grille, et où m = + 1, + 2 > 8.- Procede de commande automatique d'alignement d'un dispositif laser semi-conducteur à l'interieur d'une cavité resonnante externe qui comporte une lentille sphérique possédant un axe optique, et une diode laser semiconductrice dont une premiere face fendue comporte un revêtement antiréfléchissant et se trouve à proximité de ladite lentille, et une seconde face fendue est opposée a ladite première face, partiellement antiréfléchissante, et qui se trouve à une distance focale sur l'axe optique de ladite lentille; ledit procede comprenant les phases suivantes: placement d'une grille de diffraction sur ledit axe optique à une distance focale de ladite lentille, sur le coté opposé d ladite diode, réglage de ladite grille de diffraction de maniere à ce qu'elle se comporte comme un réflecteur plan rétro-directif, en synthétisant une surface virtuelle rétro-directive qui tourne en fonction des variations de la longueur d'onde de la radiation stimulée, grâce à quoi, l'effet d'un non-alignement de~ladite diode laser sera compensé par une modification de la longueur d'onde de la radiation stimulee. 9.- Procédé de commande automatique d'alignement du dispositif laser semiconducteur de la revendication 8, où ladite diode laser est une diode laser GaAs. 10.- Procédé de commande automatique d'alignement d'un dispositif laser semi-conducteur conforme a la revendication 8 qui comprend également la phase de positionnement d'une fente de limitation d'ouverture adjacente à ladite grille de diffraction et à proximité de ladite lentille.