Brevet FR2541830A1 — publié le 19840831

Z 41830 La présente invention concerne le domaine des lasers à semiconducteurs et elle porte plus particulièrement sur le fonctionnement en mode longitudinal unique, en régime continu et en modulation rapide,d'un laser à cavités cou- plées courtes. Les caractéristiques de fonctionnement de lasers à injection en modulation rapide présentent de l'intérêt dans les systèmes de télécommunications à fibres optiques Parmi les caractéristiques qui sont particulièrement intéressantes pour la transmission par fibres en mode longitudinal unique à large bande, figurent les modes de comportement spectral dynamique, comme la variation périodique de fréquence et le décalage du maximum de gain transitoire dans le régime tran- sitoire, et l'élargissement de l'enveloppe spectrale à l'apparition de modes longitudinaux multiples La maîtrise de ces caractéristiques spectrales dynamiques et-d'autres est importante pour parvenir à une sélection de mode suffisan- te pour le fonctionnement sur un mode longitudinal unique en régime rapide. On connaît plusieurs techniques pour réaliser une sélection de mode longitudinal dans des lasers Si on exclut l'utilisation d'un réseau de diffraction incorporé pour pro- duire une réaction, ces techniques sont les suivantes laser à cavité courte, laser à cavité externe et laser à deux sections (cavités couplées) Chaque technique est décrite ci-dessous de façon plus détaillée. Les lasers à cavité courte utilisent une cavité optique qui a une longueur de cavité d'environ 30 à 80 microns Cette longueur de cavité est au moins cinq ou six fois plus courte que les longueurs de cavité optiques classi- ques La sélectivité de mode du laser à cavité courte résulte d'une beaucoup plus grande séparation des modes longitudinaux et d'une plus grande différence de gain entre modes adjacents que dans des lasers classiques Les lasers à cavité courte sont décrits dans des articles de T P Lee et col, IEEE J Quantum Electron, QE-18, page 1101 ( 1982), et C A. Burrus et col, Electron Lett, Vol 17, page 954 ( 1981). Les lasers à cavité externe comprennent une combi- naison d'une cavité optique longue, d'un laser clivé et d'un réflecteur externe Le réflecteur et une facette clivée du laser forment n résonateur à cavité externe qui, en général, est approximativement aussi long que la cavité optique du laser Des pertes par diffraction se produisent dans le réso- nateur à cavité externe, du fait que le milieu de propagation est l'air La sélectivité de mode de cette combinaison résul- te de la modulation des pertes dans le résonateur couplé com- prenant le laser et le résonateur à cavité externe, en fonc- tion de la fréquence Des lasers à cavité externe ont été décrits dans des articles de K R Preston et col, Electron. Lett, Vol 17, page 931 ( 1981); D Renner et col, Electron. Lett, Vol 15, page 73 ( 1979); C Youmard et col, Opt. Commun, Vol 13, page 130 ( 1975); et D A Kleinman et col, BSTJ, Vol 41, page 453 ( 1962). Les lasers à deux sections et d'autres lasers à plusieurs sections emploient un nombre correspondant de cavités de laser monolithiques aboutées les unes aux autres. Dans ce type de laser, les cavités sont des régions de gui- dage d'ondes qui peuvent être commandées par une polarisa- tion par courant En général, pour des lasers à deux sec- tions, les sections comprennent une section longue et une section courte La sélectivité de mode résulte de la modula- tion des pertes des cavités de laser en fonction de la fré- quence Des lasers à sections multiples ont été décrits dans le brevet US 3 303 431 et dans des articles de L A Coldren et col, Appl Phys Lett, Vol 38, page 315 ( 1981); K J. Ebeling et col, Electron Lett, Vol 18, page 901 ( 1982); Coldren et col, IEEE J Quantum Elect, QE-18, page 1679 ( 1982). Dans tous les lasers catalogués ci-dessus, des problèmes apparaissent pour parvenir à un fonctionnement efficace sur un seul mode longitudinal dans des conditions de modulation rapide, à cause des caractéristiques spectrales dynamiques des lasers. Conformément à l'invention, on parvient au fonction- nement sur un mode longitudinal unique et on maintient ce fonctionnement en régime continu et dans des conditions de modulation rapide (de l'ordre dugigahertz), au moyen d'un laser à cavités couplées courtes, comprenant un laser à semiconducteur à cavité courte ayant deux facettes de miroir parallèles et une surface réfléchissante distante de l'une des facettes de miroir et ayant une relation prédéterminée avec elle Un résonateur à cavité externe est formé entre la facette de miroir considérée et la surface réfléchissante. Dans un mode de réalisation de l'invention, un laser à injection à hétérostructure III-V ayant une longueur de cavité comprise entre 50 et 80 microns est couplé à un résonateur à cavité externe courte ayant une longueur compri- se entre 30 et 80 microns Le résonateur à cavité externe courte comprend une facette clivée du laser à injection et une surface réfléchissante distante de la facette clivée et faisant face à celle-ci De façon générale, la longueur de la cavité du laser est liée à la longueur du résonateur à cavité externe par l'équation n L=md, dans laquelle n L est la longueur optique effective du laser à injection, N est l'indice de réfraction de la région de-guidage du laser à injection à la longueur d'onde intéressante, L est la lon- gueur physique du laser à injection, d est la longueur du résonateur à cavité externe et m est un nombre positif, de préférence compris entre 2 et 10. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation particu- lier de l'invention, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est un schéma synoptique simplifié d'un laser à cavités couplées courtes formé conformément à l'invention La figure 2 représente graphiquement la contribu- tion d'éléments d'un laser à cavité longue classique à son spectre de modes de sortie, au seuil; La figure 3 représente graphiquement la contribu- tion d'éléments d'un laser à cavité courte à son spectre de modes de sortie, au seuil; La figure 4 représente graphiquement la contribu- tion d'éléments d'un laser à cavité externe classique à son spectre de modes de sortie, au seuil; et La figure 5 représente graphiquement la contribu- tion d'éléments du laser à cavités couplées courtes, qui est réalisé conformément à l'invention, à son spectre de modes de sortie, au seuil. Comme le montrent les figures 1 et 5, l'invention consiste en un laser à cavités courtes couplées, destiné à permettre d'obtenir et de maintenir un fonctionnement sur un mode longitudinal unique aussi bien en régime continu que dans des conditions de modulation rapide Bien que la des- cription qui suit montre l'utilisation préférée d'une injec- tion de courant pour exciter le laser, il apparaîtra de façon évidente à l'homme de l'art qu'on peut utiliser des sources optiques pour pomper le laser. Le laser à cavités couplées courtes est représenté sur la figure 1 sous la forme d'un schéma synoptique sim- plifié Conformément à l'invention, le laser à cavités cou- plées courtes comprend une source de courant 10, un laser à cavité courte 20 et une surface réfléchissante 30 La source de courant 10 fournit du courant pour pomper la région active du laser à cavité courte 20 Le laser à cavité courte 20 est de façon caractéristique un laser à semiconducteur à cavité courte ayant une longueur optique effective n L, en désignant par N l'indice de réfraction de la région de guida- ge du laser à cavité courte 20 à la longueur d'onde intéres- sante et par L la longueur physique du laser à cavité courte Le laser à cavité courte 20 génère des quanta de lumiè- re 25 qui sortent par l'une des deux facettes de miroir parallèles 21, 22 du laser à cavité courte 20, en étant diri- gés vers la surface réfléchissante 30 La surface réfléchis- sante 30 se trouve à une certaine distance d'une facette de miroir 22 du laser à cavité courte 20, et est positionnée de façon appropriée par rapport à cette facette, de façon qu'une partie au moins des quanta de lumière 25 soit réflé- chie vers le laser à cavité courte 20 La facette 22 du laser à cavité courte 20 et la surface réfléchissante 30 forment un résonateur à cavité externe de longueur d La longueur d du résonateur à cavité externe est liée à la l Qn- gueur optique effective du laser à cavité courte 20 par l'équation suivante v n L=md, dans laquelle m est un nombre positif L'optimisation d'une valeur et d'une plage de - valeurs pour m est décrite ci-dessous de façon plus détail- lée L'homme de l'art verra aisément que la surface réflé- chissante 30 et les deux facettes du laser à cavité courte forment un résonateur couplé. Des lasers à injection à double hétérostructure In Ga As P/In P, à configuration géométrique en ruban et à facettes clivées, sont utilisables pour le laser à cavité courte 20 D'autres lasers à semiconducteurs des Groupes III-V ayant des facettes clivées ou gravéqs conviennent éga- lement à l'utilisation en tant que laser à cavité courte 20. A titre d'illustration et non dans un but limitatif, on peut citer comme exemples de lasers à cavité courte des lasers à configuration géométrique en ruban, à sillon en v (croissant enterré), à nervure et divers lasers à hétérostructure de type enterré réalisés à partir d'alliages de In P de Ga As et leurs dérivés Indépendamment du type du laser choisi pour le laser à cavité courte 20, il faut noter que la longueur L de la cavité du laser est inférieure à 100 microns et est comprise de préférence entre 50 et 80 microns. On forme la surface réfléchissante 30 en utilisant 254183 UD une matière fortement réfléchissante à laquelle on donne une forme plane ou courbe Dans un exemple, on évapore de l'or sur une facette clivée de matière semiconductrice, pour for- mer une surface réfléchissante plane 30 On forme d'autres exemples de surfaces réfléchissantes en revêtant une extrémité d'une fibre optique avec de la matière réfléchissante ou en fabriquant avec une réflectivité élevée des surfaces sphéri- ques ou paraboliquesou d'autres surfaces concaves Dans le cas d'une surface réfléchissante plane, la surface réfléchis- sante 30 est alignée de façon normale à l'axe longitudinal des quanta de lumière 25 Ainsi, la surface réfléchissante plane est pratiquement parallèle à la facette de miroir externe du laser à cavité courte 20 Il est souhaitable de monter de façon permanente la surface réfléchissante 30 sur la même base ou le même substrat que le laser à cavité courte 20. Dans le laser à cavités courtes couplées, on par- vient à une bonne sélection des modes longitudinaux en emplo- yant la modulation la plus grande et la plus abrupte des per- tes du résonateur en fonction de la fréquence, du fait que ceci tend à maximiser la différence de pertes entre modes adjacents Si le maximum de gain du laser à cavité courte 20 est placé près d'un minimum de pertes, le mode correspondant oscille fortement tandis que les modes voisins sont atténués. De façon générale, on détermine ces caractéristiques en choi- sissant une valeur appropriée pour m ou, selon une variante, en choisissant de façon appropriée la longueur d du résona- teur à cavité externe. Une faible valeur pour m, par exemple 2 ou 3, con- duit à une période de modulation des pertes correspondant à deux ou trois modes, avec une pente de modulation notablement élevée Il faut cependant noter qu'il peut y avoir plusieurs périodes de modulation sous la courbe de gain pour le laser à cavité courte 20, ce qui conduirait à une oscillation de plusieurs modes distants Au contraire, une valeur élevée pour m, comme 10 ou 12, garantit qu'il n'y ait qu'une période de modulation sous la courbe de gain pour le laser à cavité courte 20 Dans ce cas, la pente de modulation résultante est faible, ce qui augmente la possibilité d'oscillation sur des modes adjacents, en même temps que sur le mode dominant, à pertes minimales A la lumière des considérations cidessus, on déduit que la valeur de m doit être comprise entre 2 et , et de préférence entre 3 et 8, en fonction des conditions de fonctionnement et de l'enveloppe de la courbe de gain pour le laser à cavité courte 20 Par conséquent, la longueur désirée du résonateur à cavité externe est inférieure à 100 microns et est de préférence entre 30 et 80 microns Bien que des variations de la longueur d du résonateur à cavité externe ou de la longueur L du laser à cavité courte puissent être nécessaires pour différentes applications, les longueurs combinées du résonateur à cavité externe et du laser à cavité courte, c'est-à-dire d+L, doivent être inférieures à 200 microns. Les figures 2 à 5 montrent des améliorations pro- gressives du fonctionnement à mode longitudinal unique qu'on obtient en passant d'un laser à cavité longue classique (plusieurs centaines de microns de longueur) sur la figure 2, à un laser à cavité courte sur la figure 3, puis à un laser à cavité externe classique (laser à cavité longue classique couplé à un résonateur à cavité externe) sur la figure 4, et enfin au laser à cavités courtes couplées de l'invention, sur la figure 5 Comme le-montrent ces figures, les courbes de gain du laser sont pratiquement identiques,indépendamment du type du laser, c'est-à-dire de la cavité longue ou courte De plus, sur les figures 4 et 5, les courbes de pertes des réso- nateurs couplés ont été dessinées de façon à être position- nées par rapport à une ligne de référence fixe (ligne en pointillés sur les figures 2-5), et la période de chaque courbe de pertes d'un résonateur couplé est déterminée en choisissant par exemple m égal à 6 Ag représente le gain net ou la différence d'amplitude entre le-mode central- et le mode adjacent Les spectres de modes longitudinaux qui sont repré- sentés sur les figures 2 à 5 montrent les variations de l'amplitude de sortie en fonction de la fréquence optique pour chaque laser particulier fonctionnant près du seuil. L'atténuation de mode effective dépend de dg Pour le laser à cavités couplées courtes, A g est grand, ce qui autorise une forte oscillation du mode central dominant, tout en atténuant tous les autres modes pendant le fonctionnement au-dessus du seuil On constate expérimentalement que le fonctionnement en régime continu du laser à cavités couplées courtes à environ 1,4 fois le seuil conduit à plus de 20 d B d'atténuation de modes, c'est-à-dire au fonctionnement sur un mode longitudinal unique. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Laser à cavités couplées comprenant un laser à semiconducteur ayant des première et seconde facettes prati- quement parallèles, destiné à produire des quanta de lumière sous l'effet d'un signal appliqué, les quanta de lumière sortant par la première facette du laser, caractérisé en ce que le laser à semiconducteur est un laser à semiconducteur à cavité courte ( 20), et une surface réfléchissante ( 30) est formée à distance de la première facette ( 22) du laser semi- conducteur, avec une relation prédéterminée par rapport à cette facette, de façon que la surface réfléchissante ( 30) et la première facette ( 22) forment entre elles un résona- teur à cavité externe; et en ce que la longueur combinée (L+d) du laser à semiconducteur ( 20) et du résonateur à cavi- té externe est inférieure à 200 microns. 2 Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur à cavité externe a une longueur d infé- rieure à 100 microns. 3 Laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur d du résonateur à cavité externe est com- prise entre 30 microns et 80 microns. 4 Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser à semiconducteur à cavité courte ( 20) et le résonateur à cavité externe ont une longueur combinée infé- rieure à 200 microns. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le laser à semiconducteur à cavité courte ( 20) a une longueur L inférieure à 100 microns. 6 Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la longueur L est comprise entre 50 et 80 microns. 7 Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le laser à semiconducteur à cavité courte ( 20) a une longueur optique effective n L, le 254 1830 résonateur à cavité externe a une longueur d, et les deux longueurs satisfont la relation selon laquelle n L est pra- tiquement égale à md, en désignant par m un nombre positif compris entre 2 et 10.