Brevet FR2492995A1 — publié le 19820430

La présente invention a pour objet un dispositif optique bistable. Elle trouve une application en optique et particulièrement en optique intégrée. Un système bistable est un système qui possède deux états stables, le passage d'un état à l'autre steffectuant par modification momentanée des conditions externes appliquées au système. Lorsque ces conditions demeurent inchangées, le système reste indéfiniment dans l'un de ces deux états. Les systèmes bistables sont largement utilisés en électronique dans la mémorisation de signaux binaires, la formation d'impulsions à front raide ou la commutation de signaux. Le développement récent de optique et notamment de l'optique intégrée, a fait naître un besoin en dispositifs de ce genre, mais présentant un caractère optique et non plus électronique. Des systèmes hybrides de caractère optoélectronique ont déjà vu le jour, qui utilisent un processus intermédiaire de nature électronique entre deux processus optiques. Le passage optiqueélectronique s'effectue par exemple au moyen d1un photodétecteur et le retour électronique-optique au moyen d'un système de modulation de la lumière. La fonction de bistabilité est dévolue encore au processus électronique intermédiaire. Naturellement, de tels systèmes sont complexes et en outre ils sont lents. On connaît également quelques dispositifs purement optiques qui présentent la propriété de bistabilité. Il s'agit de systèmes constitués par un résonateur de type Fabry-Pérot dans lequel est inséré un matériau dont l'une des propriétés optiques (absorption, indice de réfraction, etc...) peut être modifiée par un rayonnement lumineux auxiliaire. Les matériaux souvent utilisés à cette fin sont les corps qui présentent une absorption saturable, c'est-à-dire une absorption qui décroît lorsque l'intensité lumineuse du rayonnement qui les traverse augmente. On trouvera une description de ce type de dispositif bistable par exemple dans le brevet américain nO 3 610 731 de H. Seidel, intitulé "Bistable optical circuits using saturable absorber within a resonant cavity". De tels systèmes présentent une bistabiZ lité de transmission, en ce sens que c'est l'intensité lumineuse transmise qui présente deux valeurs différentes, l'une faible lorsque l'absorbant n'est pas saturé, l'autre forte lorsque l'absorbant est saturé par le faisceau auxiliaire. Un dispositif de ce genre présente deux inconvénients majeurs : - l'intensité lumineuse du faisceau de sortie est, pour les deux états, inférieure à l'intensité du faisceau d'entrée ; en outre, les intensités des faisceaux disponibles ne sont pas les mêmes pour les deux-états ; ceci est un obstacle à la mise en série de plusieurs dispositifs bistables, - pour l'un au moins des deux états stables (celui en l'occurrence qui correspond à une intensité transmise forte) il est nécessaire que le dispo sitif soit alimenté en permanence par un faisceau lumineux auxiliaire, ce qui nécessite une source auxiliaire externe, un laser par exemple. La présente invention a justement pour objet un dispositif bistable optique qui évite ces inconvénients. A cette fin, le dispositif de l'invention comprend deux lasers de même type, c'est-à-dire de même conception (par exemple tous deux à semiconducteur) avec des milieux amplificateurs et des résonateurs analogues, l'un des lasers émettant à travers le milieu amplificateur ede l'autre et vice-versa. Les deux lasers se trouvent alors en compétition et l'un seul peut osciller au détriment de l'autre, selon le mécanisme suivant. Chaque milieu amplificateur convenablement excité est le siège d'une inversion de population, ce qui lui confère la faculté d'amplifier le rayonnement qu'il reçoit. Pour qu'un laser oscille, il faut que le gain présenté par son milieu amplificateur l'emporte sur les pertes du résonateur. Lorsqu'un des lasers est dans cette situation, le faisceau lumineux qu'il émet traverse le milieu amplificateur de l'autre. Ce faisceau se trouve donc amplifié et corrélativement, l'inversion de population propre au second laser se trouve réduite et le gain du milieu amplificateur abaissé. Ce gain peut tomber à une valeur insuffisante pour compenser les pertes, de sorte que le second laser se trouve inhibé par le premier. S'il advient que le premier laser cesse d'émettre pendant un intervalle de temps court, soit parce que son gain est abaissé à une valeur inférieure aux pertes, soit que les pertes sont augmentées, le phénomène de saturation du gain du second laser cesse immédiatement et ce dernier retrouve des conditions favorables à son entre en oscillation.La situation du dispositif se trouve alors inversée : c'est le second laser qui émet un faisceau lumineux à travers le milieu amplificateur du premier, lequel voit alors son gain tomber en-dessous du seuil, ce qui lui inter dit d'entrer en oscillation à son tour. Un tel dispositif peut donc être indifféremment dans l'un ou l'autre de deux états selon que l'un des lasers est émetteur ou non. Le dispositif de j'invention présente ainsi une bistabilité d'émission et non plus d'absorption. En outre, il présente une symétrie parfaite, de sorte que les deux faisceaux lumineux correspondants aux deux états du dispositif sont de même intensité, ce qui évite le premier inconvénient souligné plus haut. Par ailleurs, le basculement entre états est obtenu par une action très brève sur l'un des lasers et ne nécessite pas de source auxiliaire permanente. Le second inconvénient mentionné plus haut est donc bien lui aussi évité. De façon plus précise, l'invention a pour objet un dispositif optique bistable qui est caractérisé en ce qu'il comprend deux lasers de même type constitués chacun d'un milieu amplificateur disposé dans un résonateur, un moyen de couplage mutuel apte à diriger le faisceau lumineux susceptible d'être émis par chacun des lasers à travers le milieu amplificateur de l'autre, et des moyens pour modifier momentanément les caractéristiques de l'un au moins des deux lasers. Le moyen de couplage mutuel peut être une lentille, un objectif de microscope, un jeu de miroirs, etc... Les moyens pour modifier momentanément les caractéristiques de l'un au moins des lasers, pour provoquer le basculement du dispositif d'un état à l'autre, peuvent agir - soit sur les résonateurs des lasers pour modifier leurs pertes (diminution des pertes du laser qui n'émet pas ou augmentation des pertes du laser qui émet) ; il peut s'agir de modulateurs élec trooptiques ou acoustooptiques, comme ceux qui sont utilisés dans les lasers déclenchés ; - soit sur les milieux amplificateurs pour modifier leur gain (diminution du gain du laser qui émet ow augmentation du gain du laser qui n'émet pas) ; une telle action peut aisément être obte nue en modifiant l'alimentation électrique des moyens de pompage (intensité du courant de dé charge pour les lasers à gaz, intensité du cou rant d'injection dans les lasers à semiconduc teurs) ; il est également possible de diminuer le gain d'un des milieux amplificateurs à l'aide d'un faisceau lumineux auxiliaire dirigé à tra vers lui selon le principe meme du dispositif de l'invention, ce faisceau auxiliaire provenant par exemple d'un autre dispositif optique bista ble de même type, ce qui permet une mise en cas cade de dispositifs bistables, permettant de réaliser une channe "tout-optique" de bistables. Naturellement, le dispositif de l'invention ne se limite pas à des états du genre tout ou rien (émission, non-émission). Il est possible de régler les lasers pour que, même en présence d'un faisceau lumineux traversant leur milieu amplificateur, ils conservent un gain supérieur au seuil d'oscillation, de sorte que les lasers sont toujours émetteurs, mais avec des intensités qui prennent deux valeurs différentes. Les lasers utilisables dans l'invention peuvent être de tout type connu : à gaz, à solide, à liquide ou à semiconducteur. Mais une préférence semble pouvoir être donnée au dernier type du fait de son importance en optique intégrée, où la fonc tion de bistabilité est le plus souvent employée. Quant aux deux faisceaux qui peuvent être émis par le dispositif, selon l'état dans lequel il se trouve, il faut naturellement qu'ils puissent être aisément distingués l'un de l'autre afin que l'état dans lequel se trouve le dispositif soit facilement identifiable. Ceci est obtenu en donnant aux deux faisceaux émis par les deux lasers composant le dispositif au moins une caractéristique qui diffère d'un faisceau à l'autre.Cette caractéristique peut entre - la direction de propagation, la différence de di rection étant obtenue par décalage angulaire des deux faisceaux, - la longueur d'onde, la différence étant obtenue par utilisation de résonateurs centrés sur des longueurs d'onde différentes, - la polarisation, la différence étant obtenue par usage de dispositifs favorisant une polarisation particulière. Naturellement, des combinaisons de ces moyens sont possibles. Enfin, le faisceau lumineux émanant d'un des lasers peut n'interagir qu'avec une partie du milieu amplificateur de l'autre laser. Quelques modes particuliers de réalisation vont maintenant être décrits à titre explicatif, en référence à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente un schéma synoptique du dispositif de l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement un mode particulier de réalisation dans lequel le moyen de couplage est un système optique à lentille(s) ; - la figure 3 représente schématiquement un mode particulier de réalisation dans lequel le moyen de couplage est constitué par deux miroirs ; - la figure 4 illustre le cas d'un dispositif bistable à deux lasers émettant dans des directions rectangulaires ; - la figure 5 illustre un dispositif dans lequel une partie seulement des milieux amplificateurs est soumise au rayonnement de saturation ;; - la figure 6 illustre schématiquement un dispositif bistable à deux lasers décalés en longueur d'onde, - la figure 7 représente un mode particulier de réalisation du dispositif précédent dans le cas d'un laser à semiconducteur, - la figure 8 représente un dispositif bis table à deux lasers à polarisations croisées ; - la figure 9 illustre schématiquement un dispositif bistable à deux lasers en anneaux ; - la figure 10 illustre une chaîne de dispositifs bistables selon l'invention. Le dispositif de la figure 1 est représenté sous une forme générale, les figures suivantes étant consacrées à des modes particuliers de réalisation. Le dispositif représenté sur cette première figure comprend essentiellement deux lasers 1 et 2 et un moyen de couplage mutuel 20. Les éléments constituant les deux lasers sont repérés par des références affectées d'un indice 1 ou 2 selon leur appartenance au laser 1 ou au laser 2, cette convention étant valable pour les figures suivantes. Chaque laser comprend un milieu amplificateur 101, 102, disposé dans un résonateur formé par deux miroirs 121, 141, respectivement 122, 142. Les miroirs 141, 142 sont semi-transparents. Le faisceau lumineux 161, 162 émis par chaque laser à travers les miroirs semi-transparents 141, 142 est dirigé par le moyen 20 à travers le milieu amplificateur du laser associé, respectivement 102, 101, ce qui est représenté schématiquement par des flèches en traits interrompus. Si le miroir 121, 122 n'est pas parfaitement réfléchissant, un faisceau 171, 172 est émis également par le laser. C'est le cas notamment des lasers à semiconducteur pour lesquels les miroirs sont constitués par les faces clivées du milieu actif et présentent donc des coefficients de réflexion égaux.Chaque laser se complète éventuellement par des moyens 221, 22 aptes à agir sur les pertes de résonateurs et/ou par des moyens 241, 242 aptes à agir sur les milieux amplificateurs. Les premiers moyens peuvent être, comme indiqué plus haut, de nature électrooptique ou électroacoustique. Les seconds sont de préférence constitués par le système d'excitation du milieu amplificateur. Naturellement, il n'est pas nécessaire d'utiliser la totalité de ces moyens 221, 241, 222 et 242, l'essentiel étant qu'il soit possible, à tout instant, d'interrompre le laser émetteur ou au contraire de provoquer l'émission du laser qui n 'émet pas.Eventuellement, les moyens 24riz 242 sont constitués par un autre bistable dont l'un des faisceaux de sortie est dirigé à travers le milieu amplificateur, comme il sera décrit à propos de la figure 10. Sur les figures qui suivent, et sauf exception, les différents éléments constituant les lasers ne sont pas représentés en détail. Sur la figure 2, les lasers 1 et 2 sont couplés par une lentille convergente 20 qui dirige chaque faisceau 161, 162 émis par un des lasers dans le milieu amplificateur de l'autre. Une lentille convergente dont la distance focale est égale au quart de la distance séparant les lasers peut convenir, de façon à ce que les deux milieux actifs soient l'image l'un de l'autre dans la lentille. Un objectif de microscope peut également être utilisé. Le dispositif de la figure 3 diffère de celui de la figure précédente par le fait que le moyen de couplage est constitué par deux miroirs plans 201 et 202. C'est le cas encore pour le dispositif de la figure 4, mais les miroirs de renvoi sont inclinés à 450 sur les faisceaux, lesquels traversent alors les milieux amplificateurs transversalement et non plus sensiblement longitudinalement comme sur les figures 2 et 3. Le dispositif de la figure 5 présente la particularité de comprendre des lasers en anneaux dont les milieux amplificateurs sont décomposés en deux parties, respectivement 101, 10i et 102, 102, seules les parties 10; et 10: faisant l'objet d'une saturation par faisceau lumineux. Dans tous les dispositifs des figures 2 à 5, les faisceaux complémentaires caractérisant les deux états stables du système ont même longueur d'onde et se distinguent par leur direction. Dans le dispositif de la figure 6, les deux faisceaux sont confondus sur l'axe du dispositif, mais présentent des longueurs d'onde différentes X1 et B2 Ceci est obtenu par l'utilisation, pour constituer les miroirs 121 et 122, de réseaux de diffraction fonctionnant en autocollimation et orientés de manière légèrement différente ou présentant des pas différents. Cette variante est reprise dans la figure 7, qui correspond à un dispositif à semiconducteur intégré dans lequel chaque laser est à réseau distribué, les pas des réseaux étant différents. Les deux lasers sont couplés par un guide d'onde 30, l'ensemble étant déposé sur un substrat 32 dont les faces clivées 33 et 34 peuvent être inclinées pour éviter les réflexions parasites. Les sorties complémentaires 161, 172 ou 162, 171 se distinguent alors par leurs longueurs d'onde X 2 Dans le dispositif de la figure 8, la discrimination entre les deux faisceaux s'effectue par le biais de la polarisation. A cette fin, chaque laser comprend, dans son résonateur, un polariseur 361, 362, les directions de polarisation étant angulairement décalées pour les deux lasers, par exemple de 900.Dans ces conditions, les faisceaux émis par ces lasers sont polarisés rectilignement dans des directions perpendiculaires. On peut également effectuer une discrimination en forçant un des lasers sur une polarisation circulaire droite et l'autre sur une pâlarisation circulaire gauche. Dans les exemples précédents, les résonateurs des lasers sont de type à deux miroirs (ou plus). Naturellement, ceci n'est pas limitatif et tout autre type de résonateur peut être utilisé. SurSla figure 9, est illustré, par exemple, un dispositif à lasers en anneaux circulaires. De tels lasers sont décrits par exemple dans "Applied Physics Lettes 15 mai 1980, vol. 36, p. 801. Dans ce cas, les deux faisceaux complémentaires sont colinéaires et peuvent présenter des longueurs d'onde légèrement différentes, si les longueurs des résonateurs sont également différentes. Naturellement, dans tout ce qui précède, les deux lasers peuvent posséder en commun certains éléments, comme un miroir, ou une partie du milieu amplificateur. Enfin, la figure 10 illustre une channe de dispositifs optiques bistables 40, 41, 42,.. - conformes à l'invention, chaque dispositif émettant l'un ou l'autre de deux faisceaux 161 et 162, le second étant utilisé pour commander le dispositif qui suit, c'est-à-dire dirigé à travers le milieu amplificateur d'un des lasers pour provoquer le basculement du dispositif, selon une entrée de type 241 ou 242. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique bistable, caractérisé en ce qu'il comprend : deux lasers (1, 2) de même type constitués chacun d'un milieu amplificateur (101, 102) disposé dans un résonateur (121, 141 ; l22r 142), un moyen (20) de couplage mutuel apte à diriger le faisceau lumineux susceptible d'être émis par chacun des lasers (161, 162) à travers le milieu amplificateur de l'autre (101, 102) et des moyens (221, 241, 222, 242) pour modifier momentanément les caractéristiques de l'un au moins des deux lasers. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (221, 222) pour modifier momentanément les caractéristiques de l'un au moins des lasers, sont aptes à modifier les pertes de l'un au moins des résonateurs. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (241, 242) pour modifier momentanément les caractéristiques de l'un au moins des lasers, sont aptes à modifier le gain de l'un au moins des milieux amplificateurs. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la direction du faisceau lumineux (161) provenant d'un des lasers (1) et traversant le milieu amplificateur (102) de l'autre (2) est inclinée sur la direction du faisceau lumineux (162) émanant de cet autre laser (2), et viceversa. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les résonateurs des deux lasers sont centrés sur des longueurs d'onde légèrement différentes. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (361, 362) pour que les faisceaux lumineux émis par les deux lasers présentent des polarisations différentes. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux lasers sont de type à semiconducteur.