Brevet FR2534746A1 — publié le 19840420

la-présente invention concerne des émetteurs lasers et des procédés pour les faire fonctionner. Dans les émetteurs lasers classiques utilisés dans les communications par ondes lumineuses, on attaque le laser par une combinaison d'un courant de polarisation continue qui est réglé par un circuit d'asservissement, et d'un courant de modulation basé sur le signal de données d'entrée (voir par exemple le brevet US 4 009 385) En fonctionnement, le cou- rant de polarisation continue maintient le laser juste au- dessous de son seuil d'effet laser Le courant de modulation est ajouté à la polarisation continue de façon à faire passer le laser à l'état actif lorsqu'apparait une impulsion corres- pondant au signal de données d'entrée Du fait que le laser est normalement à l'état inactif, la consommation d'énergie est minimale Cependant, à des cadences de bit élevées, des problèmes apparaissent lorsqu'on cherche à obtenir des im - pulsions optiques de forme bien définie avec des circuits d'attaque classiques Par exemple, lorsqu'on débloque des transistors bipolaires au silicium avec des temps de montée inférieurs à la nanoseconde à des cadences de bit élevées (c'est-à-dire de façon caractéristique 90 mégabits/seconde ou plus), le courant qui traverse ces transistors tend à dé- passer la valeur de régime établi désirée, pendant la partie initiale de l'impulsion de modulation Ce dépassement se re- produit dans l'impulsion laser résultante De plus, il y a dans les temps de montée et de descente du courant une dis- symétrie qui se reproduit également dans l'impulsion laser. Selon un aspect de l'invention, un émetteur laser comprend un circuit destiné à fournir à un laser un courant de polarisation continue suffisant pour élever le courant dans le laser au-dessus de son niveau de seuil d'effet laser, et un circuit qui réagit à un signal d'entrée de données en fournissant un courant de modulation qui correspond au signal d'entrée de données, de façon que le courant de modulation soit soustrait du courant de polarisation continue, grâce à quoi l'apparition d'une impulsion dans le courant de modu- lation abaisse le courant dans le laser jusqu'au-dessous de son niveau de seuil d'effet laser. Un autre aspect de l'invention porte sur un procé- dé pour faire fonctionner un émetteur laser de façon à pro- duire des impulsions optiques sous la dépendance d'un signal d'entrée de données, dans lequel on applique à un laser un courant de polarisation continue ayant une valeur qui dépas- se le seuil du laser, et on applique un courant de modula- tion correspondant au signal d'entrée de données de façon que le courant de modulation soit soustrait du courant de polarisation, grâce à quoi le courant résultant dans le la- ser est inférieur au niveau de seuil chaque fois qu'une im- pulsion apparait dans le courant de modulation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: L Ia figure 1 est une représentation d'une caracté- ristique typique donnant l'intensité lumineuse de sortie en fonction du courant; La figure 2 est un schéma du circuit d'un émetteur laser conforme à l'invention; et Les figures 3 et 4 sont des représentations sch 6- matiques montrant respectivement un train d'impulsions de courant de modulation et les impulsions lumineuses de sortie correspondantes. On notera que pour les besoins de l'illustration, ces figures ne sont pas nécessairement dessinées à l'échelle. En considérant maintenant la figure 1, on note qu'à des courants inférieurs au seuil ITH du laser, la puis- sance lumineuse de sortie est extrêmement faible, et le la- ser est dans son état inactif, dans lequel il n'y a pas d'effet laser A des courants supérieurs au seuil, on ob- serve une augmentation brusque de la puissance lumineuse de sortie, et le laser passe à l'état actif Dans des systèmes de l'art antérieur, une polarisation continue maintient le laser à un point situé juste audessous du seuil, et un courant de modulation correspondant au signal de données est superposé sur la polarisation continue Le laser demeu- re ainsi dans son état inactif jusqu'à ce qu'une impulsion correspondant à un " 1 " dans le signal de données soit appli- quée de façon à amener le laser au-dessus du seuil. Dans des modes de réalisation de l'invention, on a trouvé que des avantages importants découlaient de l'ap- plication d'une polarisation continue au-dessus du seuil d'effet laser Un courant de modulation est soustrait du courant de polarisation continue de-façon que le laser soit placé à l'état inactif chaque fois qu'apparatt une impulsion correspondant à un " 1 Il Dans le cas contraire, le laser de- meure à l'état actif. la figure 2 montre un circuit destiné à faire fonctionner un laser dans un tel mode Le circuit est ali- menté par une tension appliquée entre la borne positive 12 et la borne négative 16 et fournie par un régulateur de ten- sion classique (non représenté) Dans-cet exemple, la ten- sion est d'environ 7 volts Le courant de polarisation con- tinue IPOI est appliqué au laser 10 par la source de courant de polarisation 11, qui est branchée entre la borne positive 12 et la borne positive (c 8 té p) du laser la source de cou- rant de polarisation peut 4 tre n'importe quelle source de courant constant de type classique, et dans cet exemple, elle consiste en un transistor p-n-p, 24, dont le collecteur est connecté en série avec une inductance 14 ayant une valeur d'environ 30 p H Dans cet exemple, la valeur du courant de polarisation est d'environ -60 m A L'inductance est conçue de façon à ne présenter une impédance élevée qu'aux fréquen- ces élevées, dans le but d'éviter toute perte de composantes de haute fréquence du courant de modulation destiné au laser. la bobine minimise ainsi la distorsion du courant de modula- tion, mais elle peut 4 tre supprimée si le transistor 24 a une impédance suffisamment élevée. Le laser particulier qui est employé est un laser à hétérostructure enterrée, avec une structure mésa formée par attaque, de type classique, qui comprend un substrat de type N en In P, une région active en In Ga As P et une couche de recouvrement de type p en In Ga As P L'invention doit être applicable à n'importe quel laser à semiconducteur. Comme il est connu dans la technique, un circuit d'asservissement 13 peut être connecté à la source de cou- rant de polarisation pour régler la polarisation continue de façon à compenser des changements dans la valeur de seuil pendant le fonctionnement du laser Le circuit particulier qui est employé ici mesure la puissance lumineuse de sortie provenant de la face arrière du laser et la compare avec la puissance d'entrée de données La différence entre la puis- sance de sortie moyenne du laser et la moyenne de la puis- sance d'entrée de données sur une période sélectionnée dé- termine la valeur de la compensation (Voir le brevet US 4 009 385 pour une description détaillée d'un circuit d'asservissement classique) On considère que le type de circuit d'asservissement utilisé n'est pas critique en ce qui concerne l'emploi de l'invention. Le courant de modulation IMOD est fourni par une autre source de courant constant 15 qui est branchée entre la borne négative 16 et les émetteurs de transistors n-p-n 17 et 18 Ici encore, la source de courant peut être cons- tituée par n'importe quels moyens classiques disponibles dans la technique Dans cet exemple, on utilise un transis- tor n-p-n 25 dont l'émetteur est connecté en série avec une résistance R 2, et ce transistor fournit un courant d'envi- ron 40 m A Ce courant est commandé par le potentiel continu qui est appliqué par la borne 26 à la base du transistor. Dans cet exemple, la résistance R 2 a une valeur de 20 ohms et le potentiel est d'environ 1,5 volt. le collecteur du transistor 18 est connecté au c 8 té p du laser, et le collecteur du transistor 17 est con- necté par la résistance R 1 à la borne positive 12 Le train d'impulsions d'entrée de données est appliqué par la borne 19 à la base du transistor 18, tandis que le signal complé- mentaire (DONNBES) est appliqué à la borne 20 qui estcon- nectée à la base de l'autre transistor, 17. Le côté N du laser est connecté à une source de tension constante 27 Dans cet exemple, la source de ten- sion constante comprend un transistor p-n-p 21 dont l'émet- teur est connecté au laser, dont la base est connectée à la borne 22 et dont le collecteur est connecté par la résistan- ce R 3 à la borne négative 16 Une tension de référence con- tinue d'environ 2,5 volts est appliquée à la base, dans cet exemple, pour maintenir le côté N du laser à une tension constante d'environ 3,3 volts la résistance R 3 est utilisée par commodité pour contr Sler le-courant continu total qui traverse le laser, et on peut la supprimer Dans eet exem- ple, R 3 a une valeur d'environ 5 ohms Une électrode d'un condensateur 23 est également connectée au c Sté N du laser. L'autre électrode du condensateur est connectée à la masse, comme il est représenté Get élément a pour but d'établir une dérivation pour les composantes RF. Pendant le fonctionnement, le courant de polarisa- tion Ipo L qui est appliqué au ó 8 té p du laser a une valeur suffisante, environ 60 m A dans cet exemple, pour amener le laser au-dessus du seuil et pour le maintenir dans son état aetif, sans aucun signal provenant de la source de courant de modulation Dans la plupart des applications, il est souhaitable de polariser le laser à au moins 10 m A au-dessus du seuil, et de préférence à 30-40 m A au-dessus du seuil. Lorsque le signal d'entrée de données est appliquée, aussi longtemps que seule des zéros apparaissent le transistor 18 demeure bloqué, ce qui fait qu'aucun courant de modula- tion n'est appliqué au laser, comme il est représenté sur la figure 3, jusqu'à l'instant TO D'autre part, du fait que le signal complémentaire est appliqué au transistor 17, ce transistor est placé à l'état conducteur sous l'effet du potentiel haut qui est appliqué à sa base, et le courant de modulation circulede la borne 12 vers la borne 16 en tra- versant R 1 Chaque fois qu'un " 1 " 1 apparaît dans les données, comme par exemple à T 1, la polarisation appliquée à la base du transistor 18 est suffisante pour rendre ce transistor t conducteur, ce qui fait que le courant IMOD est absorbé à partir du laser en traversant le transistor 18 vers la borne 16 Le sens de circulation du courant est tel que le courant de modulation se soustrait du courant de polarisation, comme le montre la figure 3 Du fait que le courant résultant dans le laser est inférieur au seuil, le laser est commuté vers son état inactif à faible puissance de sortie, comme le mon- tre la figure 4 Chaque fois que l'impulsion de modulation est supprimée, le laser retourne à son état actif, comme par exemple à l'instant T 4 (Dans un but d'illustration, on a représenté une série de uns et de zéros alternés sur les figures 3 et 4 o) Comme le montre la figure 3, lorsque le transistor 18 est débloqué rapidement, l'impulsion Imo D a tendance à dépasser initialement son amplitude désirée (de façon carac- téristique d'une valeur d'environ 10 à 30 0) et elle prend un certain temps (environ 3 ns) pour se stabiliser à sa va- leur de régime établi Dans des configurations d'attaque caractéristiques de l'art antérieur, ce dépassement appara t également de façon générale dans l'impulsion lumineuse ré- sultante Cependant, comme le montre la figure 4, il n'ap- paraît ici aucune distorsion notable de l'impulsion lumîneu- se, du fait que le laser est commuté vers son état inactif à faible niveau lorsque l'impulsion de modulation est appli- quée On a découvert que le dépassement n'apparaft pas dans les impulsions lumineuses aussi longtemps que l'impulsion de modulation amène le courant dans le laser à une valeur inférieure au seuil, qui est de 23 m A dans cet exemple. Un résultat avantageux supplémentaire de la tech- nique d'attaque décrite consiste dans le fait que le S temps de coupure et d'établissement de la lumière (t 2 t 1 et t 4- t 3) sont essentiellement égaux (c'est-à-dire que leur diffé- rence n'est pas supérieure à 0,2 ns) o Dans une technique caractéristique de l'art antérieur, le temps d'établissement est plus court que le temps de coupure (c'est-à-dire qu'il y a une différence d'une valeur caractéristique de 0,7 ns). On peut expliquer ceci par le fait que l'établissement du courant de modulation tend à 8 tre plus rapide que la coupu- re, et que l'établissement de la lumière d'un laser à partir d'un point situé au-dessous du seuil tend également à être plus rapide que la décroissance de la lumière Dans la technique de l'invention, l'établissement rapide du courant de modulation est associé au passage à l'état inactif du laser, qui est plus lent, tandis que la coupure du courant, plus lente, est associée au passage du laser à l'état actif, qui est plus rapide Les impulsions lumineuses tendent done à 4 tre plus symétriques. L'invention doit 4 tre avantageuse dans des émet- teurs dans lesquels le laser fonctionne à des cadences de bit de 90 mégabits/seconde, ou plus Elle est particulière- ment avantageuse à des cadences de bit de 274 mégabits/se- conde ou plus l'invention peut également 8 tre utile à des cadences de bit inférieures à 90 mégabits/secondev lorsque le niveau d'amplitude du courant de modulation présente une dépendance vis-à-vis de la configuration de mots, ou des ondulations. Il faut noter que l'invention est tout aussi avan- tageuse si le signal d'entrée DUN= est appliqué à la borne 19 tandis que le signal d'entrée DONNEES est appliqué à la borne 20 Ceci produirait des impulsions lumineuses de sortie chaque fois qu'un "un" est présent dans les don- nées d'entrée, avec une absence de lumière-de sortie chaque fois qu'un "zéro" est présent dans les données d'entrée. Dans un tel exemple, le courant de modulation ferait encore passer le laser d'un niveau supérieur au seuil vers un ni- veau inférieur au seuil, chaque fois qu'il est appliqué, mais le courant de modulation serait commandé par DONNEES. Il faut donc comprendre que l'expression "un courant de mo- dulation correspondant au signal d'entrée de données", peut désigner un courant de modulation proportionnel au signal de données lui-m 4 me ou à une certaine'fonction du signal de données, comme DONNEES. Un inconvénient de l'invention réside dans la puissance consommée plus élevée qui est associée au fait que le laser est de façon générale maintenu à l'état actif. Cependant, en supposant un rapport cyclique de 50 %, ceci signifie qu'un courant supplémentaire de 1/2 IMOD seulement est nécessaire Dans cet exemple, avec une source d'alimen- tation de 7 volts et I Mo D = 40 MA, ceci se traduit par en- viron 140 m W de consommation de puissance supplémentaire, ce qu'on considère comme négligeable par rapport à la puis- sance consommée totale (environ 800 m W). On notera que l'utilisation de bornes comme celles représentées sur la figure 2 est faite essentiellement pour les besoins de la représentation schématique, du fait que le circuit de l'invention sera dans la plupart des cas in- corporé dans un circuit intégré Les bornes indiquent donc des connexions électriques vers d'autres parties du circuit qui fournissent les potentiels appropriés aux éléments du circuit de l'invention qui sont ainsi identifiés. On notera également qu'en inversant toutes les polarités indiquées sur la figure 2, on peut également con- necter la source de courant de modulation et la source de courant de polarisation au c 8 té N du laser le critère im- portant consiste en ce que les courants Ipo I et IMOD ont des sens différents dans le laser, de façon que le second se soustraie du premier. Il faut également noter qu'on pourrait remplacer par des transistors à effet de champ classiques les tran- sistors bipolaires qui sont utilisés dans les sources de courant et de tension décrites On pourrait également uti- liser un circuit d'asservissement supplémentaire pour com- mander IMOD aussi bien que Ipo L, si on le désirait En ou- tre, on utilise ici le terme "circuit" dans un sens suffi- samment large pour ne nécessiter aucune source d'alimenta- tion. Il va de soi que de nombreuses autres modifica- tions peuvent être apportées au dispositif décrit et re- présenté, sans sortir du cadre de l'invention, REVENDICATIONS 1 Emetteur laser comprenant un premier circuit destiné à appliquer un courant de polarisation continue à un laser, et un second circuit qui réagit à un signal d'en- trée de données en fournissant un courant de modulation, grâce à quoi le laser produit un signal de sortie modulé,- caractérisé en ce que le courant de polarisation continue (I Pol) est suffisant pour élever le courant traversant le laser au-dessus de son niveau de seuil d'effet laser, et le second circuit ( 15, 17, -18) fournit un courant de modu- lation (Iiîo D) correspondant au signal d'entrée de données, de façon que le courant de modulation se soustraie du cou- rant de polarisation continue, grace à quoi l'apparition d'une impulsion dans le courant de modulation abaisse le courant traversant le laser jusqu'à un niveau inférieur à son niveau de seuil d'effet laser. 2 Emetteur laser selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le premier circuit comprend une source de courant constant ( 11) qui comporte un transistor ( 24) et une inductance ( 14) en série. 3 Emetteur laser selon l'une quelconque des re- vendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier cir- cuit comprend un circuit d'asservissement ( 13) destiné à régler le niveau du courant de polarisation pendant le fonctionnement du laser. 4 Emetteur laser selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que le second circuit comprend une source de courant constant ( 15) connectée en commun aux émetteurs d'une paire de transistors bipolaires ( 17, 18), et en ce que le collecteur de l'un des transis- tors est connecté au laser ( 10), la base de l'un des tran- sistors est destinée à recevoir le signal d'entrée de don- nées (DOMEES), et la base de l'autre transistor est des- tinée à recevoir le complément (DONNEES) du signal d'entrée de données. 1 1 Emetteur laser selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une source de ten- sion constante ( 27) est connectée au c 8 té du laser qui est opposé à celui auquel est connecté le circuit appliquant un courant de polarisation continue. 6 Emetteur laser selon la revendication 5, ca- ractérisé en ce que la source de tension constante comprend un transistor ( 21), et ce transistor est connecté en série avec une résistance (R). 7 Emetteur laser selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un condensateur ( 23) est connecté au laser dans le but de dériver des com- posantes de courant RF. 8 Emetteur laser selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 7, caractérisé en ce que le second circuit est capable de fonctionner à une cadence de bit d'au moins mégabits/seconde. 9 Procédé pour faire fonctionner un émetteur laser, dans lequel on applique un courant de polarisation continue à un laser, et on lui applique un courant de modu- lation sous la dépendance d'un signal d'entrée de données, grace à quoi le laser produit un signal de sortie modulé, caractérisé en ce que le courant de polarisation continue (Ipo L) a une valeur qui-dépasse le seuil du laser, et le courant de modulation (I^DD) correspondant au signal d'en- trée de données, est soustrait du courant de polarisation, grace à quoi le courant résultant traversant le laser est inférieur au niveau de seuil chaque fois qu'une impulsion appara t dans le courant de modulation. 10 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on fait fonctionner le laser à une cadence de bit d'au moins 90 mégabits/seconde. 11 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 9 ou 10, caractérisé en ce que les fronts avant des impulsions de courant de modulation dépassent l'amplitude de régime établi des impulsions, mais les impulsions de sor- tie optiques sont pratiquement exemptes de toute variation de l'amplitude en régime établi. 12 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 9, 10 ou 11, caractérisé en ce que les temps de montée et de descente des impulsions optiques sont pratiquement égaux.