Brevet FR2538917A1 — publié le 19840706

La présente invention concerne une source optique qu'on peut décrire plus particulièrement comme étant une source optique à deux longueurs d'onde, pour le multiplexage temporel de signaux lumineux de longueurs d'onde différentes dans une fibre unimodale. Les systèmes de transmission à fibres optiques offrent une grande capacité pour la transmission de l'in- formation Des systèmes à fibres optiques commerciaux pour la téléphonie et les transmissions de données ont été mis en service pour la première fois au cours de ces dernières années Malgré leur introduction récente pour l'utilisation commerciale, on peut prévoir que des systèmes de transmission optiques perfectionnés seront nécessaires Bien que la capa- cité de transmission des systèmes actuels soit très élevée, les études de prospective montrent que des systèmes de capa- cité encore plus élevée seront nécessaires dans le futur. On a inventé récemment des sources optiques à deux longueurs d'onde pour le multiplexage en longueur d'onde de signaux de longueurs d'onde différentes dans des fibres opti- ques Cette invention a été une conséquence du développement de procédés pour fabriquer des fibres optiques avec de très faibles pertes sur une gamme étendue de longueurs d'onde, de 0,8 à 1,6 micromètres. Des sources optiques à deux longueurs d'onde sont fabriquées sous la forme de laser S et de-diodes électrolumi- nescentes Les sources optiques de l'art antérieur sont fabriquées avec des configurations géométriques qui séparent physiquement de plusieurs dizaines de micromètres les deux régions différentes émettrices de lumière Les faisceaux résultants sont séparés par une distance égale ou supérieure à cette distance de plusieurs dizaines de micromètres. Les fibres optiques unimodales procurent un support de transmission optique avantageux Le coeur central d'une fibre optique unimodale a généralement un diamètre de dix micromètres ou moins. Il apparait un problème lorsque des sources opti- ques à deux longueurs d'onde de l'art antérieur doivent être multiplexées dans une fibre optique unimodale Les faisceaux de lumière ayant des longueurs d'onde différentes sont sépa- rés d'une distance supérieure au diamètre de dix micromètres du coeur de la fibre optique unimodale Il est donc diffici- le ou même impossible de coupler efficacement vers le coeur de la fibre les deux faisceaux de lumière ayant des lon- gueurs d'onde différentes. Ce problème est résolu par une source optique à deux longueurs d'onde comprenant une paire intégrée monoli- thique de diodes connectées en série et en opposition, cha- cune d'elles étant fabriquée de façon à émettre de la lumiè- re ayant une longueur d'onde différente de celle de l'autre. On inverse la polarité d'un courant de polarisation commun qui circule dans les diodes de façon que les diodes émettent alternativement de la lumière. Les régions d'émission actives des diodes sont empilées l'une sur l'autre pour coupler efficacement les faisceaux résultants des longueurs d'onde différentes de la lumière émise, à travers une surface, vers le coeur d'une fibre optique unimodale. 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: La figure 1 est une coupe d'une paire de diodes fabriquées sous la forme d'une source optique à deux lon- gueurs d'onde; La figure 2 est un schéma de la paire de diodes de la figure 1 incorporée dans un circuit de polarisation à inversion de polarité; La figure 3 est un diagramme séquentiel montrant des signaux que le circuit de la figure 2 multiplexe dans une fibre optique; et La figure 4 montre un spectre d'émission d'une pai- re de diodes fabriquées conformément à la figure 1 et fonc- tionnant dans un circuit conforme à la figure 2. On va maintenant considérer la figure 1 qui montre une source optique 10 comprenant une paire intégrée monoli- thique de diodes semiconductrices à jonction, 12, 14, con- nectées en série et en opposition Conformément à la descrip- tion qui sera faite par la suite, les diodes à jonction 12 et 14 sont fabriquées de façon à émettre de la lumière avec des longueurs d'onde respectives différentes. Un chemin de courant commun est établi dans les diodes 12 et 14, entre des bornes métalliques 15 et 17 Cha- que diode émet de la lumière-lorsqu'un courant direct traver- se sa jonction Les régions actives d'émission de lumière pour les diodes 12 et 14 sont respectivement représentées par des zones elliptiques 22 et 24, qui sont centrées dans chacu- ne des diodes à jonction La majeure partie du courant commun traverse ces régions La lumière est émise dans une direction normale aux plans des jonctions, à travers la surface supé- rieure 23 d'un puits 27 de la source 10, formé par gravure. Du fait que les diodes sont branchées en opposition en série, le courant commun qui les traverse ne produit une émission de lumière qu'à partir d'une seule des diodes à la fois On inverse alternativement la polarité du courant commun pour produire une émission de lumière à partir de l'autre diode Pour indiquer la polarité alternative, les deux polarités sont représentées pour les sources supérieure et inférieure 18 et 19. Une extrémité -25 d'une fibre optique unimodale est insérée dans le puitsgravé 27 et est fixée à la surface 23 avec une résine époxyde d'adaptation d'indice 28, pour assu- rer un couplage optique efficace des diodes 12 et 14 vers le coeur central de la fibre 25, à travers la surface 23 et la résine époxyde 28, comme le montre la flèche en trait mixte Du fait que les deux régions actives d'émission de lumiè- re des diodes 12 et 14 sont placées en position centrale entre les côtés de la source 101 la lumière qu'elles émettent est couplée efficacement le long du même axe central, normal aux plans des jonctions et à la surface 23 de la source 10, et dans l'extré- mité du coeur de la fibre optique unimodale 25. Bien qu'il existe des procédés bien connus pour fabriquer des circuits intégrés semiconducteurs monolithiques, on trouvera ci- après quelques renseignements spécifiques concernant la fabrication du mode de réalisation considéré à titre d'exemple, pour décrire complètement le dispositif. La source à deux longueurs d'onde 10 est fabriquée de façon à comprendre quatre couches épitaxiales qu'on a fait croître par un processus d'épitaxie en phase liquide On peut dire brièvement que le substrat 31 est-un substrat de In P d'orientation , à faible niveau de dislocations, forte- ment dopé avec du soufre On fait croitre sur le substrat une couche active de In 0,77 Ga 0,23 As 0,50 P 050 On forme une pre- mière homojonction 34 dans le In Ga As P en le dopant avec des impuretés de type N et p La bande d'énergie interdite de la première homojonction est de 1,09 e V, ce qui correspond à une longueur d'onde d'émission ? 1 de 1,14 micromètre On fait croître une seconde couche active de In Ga As P sur la pre- mière couche La composition de la seconde couche est In 0,67 Ga 0,33 As 0, 73 0,27 On forme une seconde homojonction 36 en dopant la seconde couche de In Ga As P avec des impuretés de type p et n La bande d'énergie interdite de la seconde homojonction est de 0,95 e V, ce qui correspond à une longueur d'onde d'émission 2 de 1,3 micromètre Cette lumière ayant la plus grande longueur d'onde A 2, émise par la diode 14, est aisément transmise à travers la-matière à bande d'énergie interdite supérieure de la diode à jonction 12. Les première et seconde homojonctions comprennent les régions émettrices de lumière 22 et 24 des diodes 12 et 14, qui sont disposées électriquement en un circuit série avec des polarités opposées Les anodes, ou zones dopées avec le type p, des deux jonctions sont en contact mutuel le long de la ligne en pointillés 38 dans la structure de la source 10. On va maintenant considérer les figures 2 et 3 qui montrent sur la figure 2 une source optique 10 comprenant la paire de diodes connectées en série et en opposition, 12 et 14, incorporées dans un circuit de polarisation qui fonction- ne conformément aux signaux de la figure 3 Les diodes 12 et 14 sont excitées ou non pendant chaque moitié d'un cycle d'une horloge 50 -Des transistors 41 et 42 sont interconnec- tés à la source optique 10 pour conduire un courant qui cir- cule d'une source de potentiel 43 vers la masse 45 en passant par une résistance 44, le transistor 41, les diodes 14 et 12, et le transistor 42, lorsqu'un signal haut prove- nant du canal 1 est appliqué à une borne 46 pendant la pre- mière moitié du premier cycle d'horloge, alors que le signal d'horloge est à l'état haut, ce qui valide une porte ET 51. Pendant que le signal haut provenant de l'horloge 50 invali- de une porte ET 52 qui reçoit des signaux provenant du canal 2 par l'intermédiaire d'une borne 53, les transistors 47 et 48 sont bloqués Le courant qui traverse les transistors 41 et 42 est conduit de la gauche vers la droite, en traversant les diodes 14 et 12 de la source 10 La diode 12 conduit un courant direct et émet de la lumière de longueur d'onde >,1. La diode 14 est polarisée en inverse et est obscure En con- sidérant pour l'instant la figure 1, on note que la lumière émise émerge de la région 22 et est transmise le long de la flèche en trait mixte 30 en traversant la surface 23 pour pénétrer dans le coeur de l'extrémité de fibre 25. Pendant la seconde moitié du premier cycle d'horlo- ge, le signal d'horloge est bas, ce qui invalide la porte ET 51 qui reçoit le canal 1 Les transistors 41 et 42 sont ainsi bloqués et ils bloquent à leur tour le courant de polarisation traversant la source lumineuse 10 de la gauche vers la droite Simultanément, la porte ET 52 qui reçoit le canal 2 est validée par la seconde moitié du signal d'horlo- ge Il en résulte que les transistors 47 et 48 conduisent un courant de polarisation qui circule de la source de potentiel 43 vers la masse 45, en passant par une résistance 49, le transistor 47, les diodes 12 et 14 et le transistor 48 La diode 14 conduit un courant direct et émet de la lumière de longueur d'onde A 2 La diode 12 est polarisée en inverse et est obscure En retournant brièvement à-la figure 1, on voit que la lumière émise par la région 24 est transmise le long de la flèche en trait mixte 30, à travers la région 22 et la surface 23, et elle pénètre également dans le coeur de l'extrémité de fibre 25. Du fait de cette configuration pour inverser la polarité du courant de polarisation commun qui traverse les diodes 12 et 14 de la source 10, l'émission de lumière est produite alternativement à partir des diodes 12 et 14 Pen- dant chaque cycle d'horloge, chaque diode est excitée ou non conformément à des signaux d'entrée qui sont reçus à partir des canaux 1 et 2, comme le montre la figure 3 Les résis- tances de limitation de courant 44 et 49 protègent les diodes contre un claquage par avalanche. On va maintenant considérer la figure 4 qui montre les spectres d'émission des diodes 12 et 14 de la source 10 de la figure 1, superposés dans un système de coordonnées commun Le spectre dont le pic se trouve à la longueur d'onde de 1,14 micromètre est produit par la diode 12 de la figure 1, ayant la plus grande bande d'énergie interdite Le spectre dont le pic se trouve à la longueur d'onde de 1,30 micromètre est produit par la diode 14 ayant la plus petite bande d'énergie interdite. Les longueurs d'onde différentes de la lumière émise par les deux diodes 12 et 14 permettent de faire fonc- tionner très rapidement un système de transmission en multi- plex temporel Avec deux canaux appliquant des impulsions au circuit de polarisation à chaque période d'horloge, les dio- des produisent des impulsions optiques ayant des longueurs d'onde différentes, comme le montre la figure 3 Une impul- sion de chaque longueur d'onde peut être appliquée à la fibre aussi rapidement que le permet la limite d'étalement d'impulsion de la fibre Cette configuration de la source 10 augmente la cadence d'impulsion dans la fibre par rapport à, la cadence d'impulsion d'une source à une seule longueur d'onde. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Source optique à deux longueurs d'onde, caracté- risée en ce qu'elle comprend: une paire intégrée monolithi- que de diodes connectées en série et en opposition ( 12, 14), chacune d'elles étant fabriquée de façon à émettre de la lumière à une longueur d'onde différente de celle de l'autre, et des moyens ( 18, 19) conçus de façon à faire circuler dans les diodes un courant de polarisation commun dont la polarité peut être inversée, pour produire ainsi alternativement une émission de lumière à partir des deux diodes. 2 Source optique à deux longueurs d'onde selon la revendication 1, caractérisée en ce que les diodes sont fabriquées dans des positions contiguës. 3 Source optique à deux longueurs d'onde selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'une des diodes est prévue pour recevoir une extrémité d'une fibre optique unimo- dale qui peut être placée dans une position adjacente à une surface émettrice, pour recevoir la lumière émise par les deux diodes. 4 Source optique à deux longueurs d'onde selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux diodes sont fabriquées sous la forme d'homojonctions. Source optique à deux longueurs d'onde selon la revendication 4, caractérisée en ce que les deux diodes sont des diodes électroluminescentes. 6 Source optique à deux longueurs d'onde selon la revendication 4, caractérisée en ce que-les deux diodes sont des diodes laser.