Brevet FR2526237A1 — publié le 19831104

Dispositif de régulation thermique d'un laser à semi-conducteur La présente invention se rapporte aux lasers à semi-conducteur, et plus particulièrement aux dispositifs de régulation thermique associés aux lasers à semi-conducteur utilisés dans les équipements de liaisons à fibres optiques. D'une manière courante, les lasers à semi-conducteur nécessitent une alimentation en courant supérieure à une valeur de seuil Is pour l'obtention d'une émission en lumière cohérente Cette alimentation est réalisée par asservissement d'une source de courant de seuil à la puis- sance lumineuse émise, au moyen d'une boucle de régulation électrique comprenant essentiellement une photodiode et un amplificateur différen- tiel commandant ladite source en fonction de l'écart entre la valeur du signal électrique issu de la photodiode et celle d'un signal de référence qu'il reçoit. Il est également connu qu'à puissance lumineuse émise constante, un laser à semi-conducteur doit être alimenté par un courant supérieur à une valeur de seuil variable en fonction de la température de fonctionne- ment du laser La boucle de régulation électrique commandant la source de courant de seuil assure le maintien du courant d'alimentation à une valeur demeurant supérieure à la valeur du courant de seuil variable avec la température de fonctionnement du laser Le fonctionnement du laser doit cependant être limité en température, au risque d'une détériorisa- tion directe de celui-ci. En pratique, en particulier pour des lasers à semi-conducteur sus- ceptibles de fonctionner dans des gammes de température importantes, on associe au laser, en plus de la boucle d'asservissement électrique de son courant d'alimentation, un dispositif de régulation thermique agissant sur sa température au moyen d'un module réfrigérateur qui le maintient à une température suffisamment basse à laquelle les risques de détériori- sation sont limités. Un tel dispositif de régulation thermique comporte de manière connue un senseur thermique constitué par une thermistance montée avec le laser dans une enceinte, et un amplificateur différentiel Cet ampli- ficateur commande le module réfrigérateur en fonction de l'écart entre le signal électrique issu de la thermistance et traduisant la tempéra- 2 - ture de l'enceinte, et donc du laser, et un signal de référence tradui- sant la température souhaitée de l'enceinte, et donc du laser Le module réfrigérateur utilisé classiquement sera un module Peltier alimenté à partir de l'amplificateur de ce dispositif de régulation pour assurer le pompage thermique nécessaire au maintien de l'enceinte et du laser à la température souhaitée. Si cette régulation thermique des lasers à semi-conducteur peut convenir aux applications o la puissance électrique et la fiabilité notamment demeurent sans inconvénients majeurs, il en est d'autres, en particulier les répéteurs téléalimentés de liaisons optiques o ces mêmes paramètres sont d'importance primordiale En effet, dans ces der- nières applications, parmi les inconvénients de ce dispositif de régula- tion thermique on peut citer: la nécessité de fournir une puissance électrique propre à ce dispositif de régulation thermique, entralnant un accroissement correspondant de la puissance à fournir aux répéteurs téléalimentés, le manque de fiabilité propre au module Peltier, en particulier lors d'un pompage thermique élevé pour la basse température souhaitée de l'enceinte, dans lequel les contraintes mécaniques crées par la diffé- rence de température entre la face chaude et la face froide peuvent conduire à des cassures de jonction et, en conséquence, à une défaillance du module entraînant alors la destruction du laser par emballement ther- mique. De plus, dans ce mode de régulation thermique du laser, l'enceinte régulée à température définie doit présenter une résistance thermique importante conduisant à un encombrement prohibitif incompatible avec les possibilités dans certaines applications telles qu'équipements de ligne envisagés. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients cités, en particulier elle a pour but de bénéficier dans les meilleures conditions de fiabilité de l'absorption thermique qu'effectue le module réfrigérateur utilisé. Elle a donc pour objet un dispositif de régulation thermique d'un laser à semi-conducteur alimenté par une source électrique régulée par un signal caractéristique de la puissance émise par le laser, comportant 3- un module réfrigérateur commandé par un senseur thermique, caractérisé par le fait que ledit module réfrigérateur est commandé par le courant électrique qui traverse le laser alors directement utilisé comme senseur thermique unique. Ainsi selon l'invention, c'est le courant laser qui constitue le signal indicateur de température et qui est utilisé pour commander le refroidissement donné par le module réfrigérateur. Par les moyens de l'invention, le refroidissement du laser est limité à son maintien à la température ambiante, ceci n'entrainant que des contraintes réduites au niveau du module réfrigérateur et évitant, en conséquence, un fonctionnement dans des conditions limites pour les- quelles une défaillance est possible. Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressor- tiront de la description donnée ci-après de modes de réalisation illus- trés dans le dessin ci-annexé Dans ce dessin la figure 1 illustre un dispositif de régulation thermique d'un laser à semi conducteur, selon la technique connue, la figure 2 illustre un premier mode de réalisation d'un dispositif de régulation thermique selon l'invention, la figure 3 illustre un second mode de réalisation d'un dispositif de régulation thermique selon l'invention, mettant en oeuvre le mode de régulation utilisé dans le dispositif selon la figure 2. La figure 1 représente un dispositif de régulation d'une source laser 1, de type connu Le laser 1, symbolisé sous forme d'une diode émettrice, est alimenté à partir d'une source de courant de seuil 20 asservi à partir de la puissance lumineuse émise par le laser, pour son émission en lumière cohérente. On a illustré en 2 une fibre optique de ligne recevant cette lumière cohérente transmise tandis qu'on a illustré en 3 une fibre opti- que annexée transmettant la lumière émise à une cellule photoélectri- que 4. La boucle électrique de régulation du courant d'alimentation du laser 1 comporte cette diode photoélectrique 4 et un amplificateur différentiel 5 relié à cette diode et recevant 'un signal de référence VA L'écart entre la puissance lumineuse émise par le laser, _ 4 _ filtrée par la fibre optique 3 et traduite par un signal de tension, et la puissance lumineuse émise requise pour une émission en lumière cohé- rente traduite par le signal de référence VA, asservit la source de courant de seuil pour l'alimentation convenable du laser. Le courant asservi d'alimentation du laser sera en outre modulé pour la transmission de données, à partir d'un modulateur, ainsi que symbolisé par la commande M. A cette boucle électrique de régulation d'alimentation du laser on associe une boucle de régulation thermique tendant à maintenir le laser dans des conditions définies de température pour lesquelles son courant d'alimentation fourni par la source 20 varie peu Cette boucle de régu- lation thermique comporte un senseur thermique 6 monté avec le laser 1 et la diode photoélectrique 4 dans une enceinte 7 Ce senseur thermique constitué par une thermistance est relié à un amplificateur différen- tiel 8 recevant également un signal de référence VT traduisant la tempé- rature souhaitée de l'enceintes donc notamment du laser Le signal déli- vré par l'amplificateur différentiel 8 est utilisé pour commander un module réfrigérateur 9 monté dans l'enceinte 7 Ce module réfrigéra- teur 9 est constitué de manière classique par un module Peltier alimenté par l'amplificateur différentiel 8 pour assurer le pompage thermique nécessaire au maintien de l'enceinte à la température souhaitée définie par le signal de référence VT. Dans les figures 2 et 3, on a illustré deux modes de réalisation du dispositif de régulation thermique selon l'invention Dans ces deux fi- gures, le laser est toujours alimenté en courant dont la valeur est asservie par une boucle de régulation électrique et modulée Les circuits correspondants déjà mentionnés en regard de la figure 1 sont donc désignés par les mêmes références et ne seront pas décrits plus amplement. Dans ces deux modes de réalisation conformément à la présente invention, on utilise le courant du laser 1 comme indicateur de tempéra- ture sans assurer, en conséquence, un asservissement de sa température à une basse température fixée mais seulement une régulation ou compensa- tion de température par rapport à la température ambiante d'utilisation du laser, au moyen d'un module réfrigérateur désigné sous la référence 10 -5dans la figure 2 et sous la référence 11 dans la figure 3 et constitué comme précédemment par un module Peltier. Selon la réalisation de la figure 2, la représentation du courant laser est prélevée aux bornes d'une résistance 12 montée en série sur la sortie de la source de courant d'alimentation 2 Un amplificateur diffé- rentiel 13 relié aux bornes de cette résistance 12 alimente le module Peltier 10 monté avec le laser 1 et la diode photoélectrique 4 dans une enceinte 14 C'est la représentation du courant laser amplifié qui contrôle le refroidissement réalisé par le module Peltier Dans cette réalisation, selon le module Peltier 10 retenu, on choisira le gain G de l'amplificateur 13 pour obtenir un pompage thermique désiré correspon- dant sensiblement à la chaleur dégagée par le laser. Selon la réalisation de la figure 3, c'est le courant laser qui traverse directement le module Peltier 11 monté avec le laser 1 et la photodiode 4 dans une enceinte 15 Le module Peltier 11 est électrique- ment monté en série sur la sortie de la source de courant asservi d'ali- mentation du laser Dans cette réalisation, on choisira le nombre de couples semi-conducteurs du module Peltier pour obtenir un pompage ther- mique désiré correspondant, sensiblement à la chaleur dégagée par le laser, ce dimensionnement convenable possible du module Peltier étant alors l'équivalent du gain G de l'amplificateur de commande 13 de la réalisation selon la figure 2. Dans ces deux montages, le pompage thermique effectué par le module Peltier utilisé est limité à la chaleur dégagée par le laser, ceci en acceptant donc de ne pas le faire fonctionner à une basse température constante, mais à une température voisine de la température ambiante d'utilisation Plusieurs avantages résultent en conséquence des réalisa- tions conformes à l'invention, en particulier par rapport au montage, connu illustré: on obtient une indication de température à partir du courant d'alimen- tation du laser plus rigoureuse que celle donnée par la thermistance du fait du manque de fiabilité de cet élément, on obtient un gain de consommation par la suppression de l'amplifica- teur de la boucle de régulation thermique dont le signal d'alimenta- tion VT constituait la référence de température souhaitée, un gain d'en- 6 - combrement du fait que l'enceinte actuellement utilisée demeurant à la température ambiante n'a pas à présenter une résistance thermique impor- tante, on obtient un fonctionnement du module Peltier dans des conditions de grande fiabilité': en effet, par le seul pompage thermique de la chaleur dégagée par le laser, on réduit l'absorption demandée à ses valeurs minimales En conséquence, le module Peltier fonctionnera en ne présen- tant qu'un écart limité entre la température de sa face froide et de sa face chaude pour lequel les contraintes mécaniques sur le module sont faibles et lui sont nullement préjudiciables. La présente invention a été décrite en regard des deux modes de réalisation illustrés dans le dessin ci-annexé; il est évident que l'on pourra, sans sortir du cadre de cette invention, y remplacer certains moyens par d'autres moyens équivalents et/ou y apporter des modifica- tions de détail. 7 - REVENDICATIONS 1/ Dispositif de régulation thermique d'un laser à semi-conducteur ali- menté par une source électrique régulée par un signal caractéristique de la puissance émise par le laser, comportant un module réfrigérateur commandé par un senseur thermique, caractérisé par le fait que ledit module réfrigérateur est commandé par le courant électrique qui traverse le laser alors directement utilisé comme senseur thermique unique. 2/ Dispositif de régulation thermique selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comporte une résistance reliée en série avec le laser à la source électrique d'alimentation et un amplificateur différentiel monté aux bornes de ladite résistance et commandant ledit module réfri- gérateur. 3/ Dispositif de régulation thermique selon la revendication 2, caracté- risé en ce que ledit amplificateur différentiel est de gain choisi en fonction dudit module réfrigérateur pour qu'il ne réalise qu'un pompage thermique limité à un refroidissement défini initialement du laser. 4/ Dispositif de régulation thermique selon la revendication 3, caracté- risé par le fait que le gain dudit amplificateur est choisi pour que le pompage thermique soit sensiblement équivalent à la chaleur dégagée par le laser fonctionnant à une température voisine de la température ambiante d'utilisation. / Dispositif de régulation thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit module réfrigérateur est monté électriquement en série avec le laser à la source électrique d'alimentation. 6/ Dispositif de régulation thermique selon la revendication 5, caracté- risé en ce que ledit module réfrigérateur traversé par le courant laser est dimensionné pour obtenir un pompage thermique limité à un refroidis- sement défini initialement du laser. 7/ Dispositif de régulation thermique selon la revendication 6, carac- térisé par le fait que ledit module réfrigérateur est dimensionné pour que le pompage thermique soit sensiblement équivalent à la chaleur déga- gée par le laser fonctionnant à une température voisine de la température ambiante d'utilisation.