Brevet FR2550023A1 — publié le 19850201

i La présente invention a pour objet une source lumineuse infra-rouge comprenant un laser à semiconducteur associé à des moyens de sélection de mode et d'asservissement en puissance Elle trouve une ap5 plication dans la réalisation d'une source à 1,55 im destinée aux liaisons optiques à grande distance. Les fibres optiques travaillant à 1,55 gm conçues pour les télécommunications optiques à grande distance présentent une très faible atténuation ( 0,3 à 10 0,5 d B/km) Mais leur dispersion en longueur d'onde reste importante ( 0,15 ps nm km) Pour des liaisons à longue distance, 50 km par exemple, il est donc nécessaire d'utiliser des sources lumineuses à spectre très étroit, de l'ordre de quelques dizièmes de nanomètres. 15 Or, les lasers à semiconducteurs habituels à guidage par le gain ou par l'indice, présentent des largeurs spectrales de quelques nanomètres, largeur qui augmente encore en présence de modulation Pour réduire cette largeur on utilise une technique de sé20 lection de mode, appelée encore contre-réaction optique, qui permet de rendre la source monofréquence Le principe de cette contre-réaction optique est illustré sur la figure 1. Le laser 1 représenté sur la figure la est 25 constitué d'un résonateur PEROT-FABRY dont les fréquences de résonance sont séparées de AX 1, peu différent de la quantité: t 2 2 n L o X est la longueur d'onde de la source, 30 L la longueur de la cavité PEROT-FABRY, n l'indice effectif du matériau. La courbe de gain 2 du milieu amplificateur sélectionne certaines de ces fréquences Ces fréquen- ces définissent les modes longitudinaux de la cavité (figure lb) Un laser est monochromatique ou encore monomode longitudinal, lorsqu'un seul de ces modes est présent (généralement le plus énergétique). L'adjonction d'un miroir externe 3 (figure la) à proximité du laser et à une distance 1 de l'ordre de la longueur L de celui-ci, avec une courbure épousant la forme du front d'onde du rayonnement émis par le laser, modifie l'état de résonance de ce der10 nier Le résonateur constitué par ce miroir sphérique et le miroir plan le plus éloigné possède une longueur L + 1 Il lui correspond des fréquences de résonance (figure lc) écartées de Ai 2 dont la valeur est proche de X 2 2 (n L+l) La coincidence des résonances de la cavité principale de longueur L et de la cavité auxiliaire de longueur L+ 1 permet, par ajustement de la position du 20 miroir 3, de sélectionner un des modes de la cavité principale (figure ld). Par exemple, pour un laser de 200 lim de longueur, dont l'indice effectif moyen est de 3,5, la o séparation entre modes longitudinaux est de 16 A soit 25 un écart de fréquence de 214 G Hz. Il faut observer par ailleurs, en plus de la sélection de mode, produite par l'adjonction du miroir 3 une réduction de la finesse de la raie émise Celleci est proportionnelle au coefficient-de qualité de la 30 cavité PEROT-FABRY, lui-même relié au coefficient de réflexion des miroirs et à la longueur de la cavité. Pour des coefficients de réflexion élevés, la largeur des pics de résonance de la cavité a pour expression approchée: c(l-r) 2 anl o c est la vitesse de la lumière et r le coefficient de réflexion des miroirs Pour le laser évoqué plus haut, cette largeur est de l'ordre de 100 G Hz. En augmentant le coefficient de réflexion r 5 par l'adjonction d'un miroir extérieur, on réduit donc cette largeur et cela de façon d'autant plus importante que le chemin optique est plus long Avec un miroir externe distant de la cavité principale d'une longueur égale à celle du laser et avec un coefficient de ré10 flexion du miroir externe de 80 %, la largeur de raie est sensiblement réduite et tombe à quelques G Hz. Cette technique de sélection de mode, ou de contre-réaction optique, appliquée aux lasers à semiconducteur, est décrite notamment dans l'article de 15 K R PRESTON intitulé "Simple spectral control technique for external cavity laser transmitters" publié dans la revue "Electronics Letters" du 9 Décembre 1982, vol 18, n 25 ainsi que dans l'article de R RIES et F SPORLEDER intitulé "Low frequency insta20 bilities of laser diodes with optical feedback" publié dans les Comptes-Rendus de la Conférence Européenne sur les Communications Optiques (ECOC) qui s'est tenue à Cannes les 21-24 Septembre 1982. On sait, par ailleurs, que les lasers à se25 miconducteurs peuvent être asservis en puissance par une contre-réaction en courant En mesurant la puissance lumineuse émise par le laser on peut former un signal électrique apte à commander le circuit d'alimentation du laser afin que cette puissance reste 30 constante Une telle technique est décrite par exemple dans le brevet américain 4 293 827 délivré le 6-Octobre 1981 à D R SCIFRES et R D BURNHAM et intitulé "Hybrid semiconductor Laser- detectors" Dans un tel système un photodétecteur reçoit la lumière émise par 35 la face arrière clivée du résonateur du laser, la face avant laissant passer le faisceau utile Le photodétecteur alimente un amplificateur, lequel commande une source de courant qui alimente l'élément semiconducteur du laser Une boucle d'asservissement est ainsi créée. La présente invention propose de combiner ces deux moyens (sélection optique et asservissement en puissance) dans une disposition qui présente de réels avantages du point de vue de la construction de 10 la source Il faut en effet garder à l'esprit le fait que, dans le domaine des lasers à semiconducteur destinés aux télécommunications optiques, la stabilité (mécanique, électrique, optique, thermique, etc) des structures est un élément capital et que cette 15 stabilité est souvent impossible à obtenir si l'on ne prend pas de précautions spéciales Or l'invention prévoit justement une disposition originale, qui permet, non seulement de combiner la sélection optique et l'asservissement en puissance, mais surtout de condui20 re à une structure d'une grande robustesse et d'une bonne stabilité. Cette disposition reprend l'idée d'utiliser un miroir de sélection disposé en regard de la face arrière du later, et préconise de donner à ce miroir 25 une certaine transmission et de disposer le photorécepteur entrant dans la boucle d'asservissement de puissance, derrière ce miroir, le couplage optique entre le miroir et le photorécepteur étant assuré par une fibre optique maintenue par un support Selon 30 l'invention, le miroir auxiliaire sert donc à la fois de sélecteur de mode et de moyen de prélèvement d'une partie de la puissance aux fins d'asservissement. Par ailleur-s, selon une autre caractéristique, le faisceau utile est prélevé par la face avant du laser, à l'aide d'une seconde fibre optique mainte- 255 t Cs O t 23 nue par un support Cette double utilisation des deux faisceaux émis par le laser suppose que celui-ci présente des faces dégagées D'o l'utilisation d'un support particulier en forme de toit L'ensemble de ces 5 moyens repose sur un socle muni d'un dispositif de régulation de température. Selon une autre caractéristique de l'invention, tous les moyens composant la source sont intégrés dans un même boîtier grace à divers supports 10 moulés en résine Ces supports sont mis en place, réglés en position, puis immobilisés à l'aide d'une résine identique à celle des supports. De toute façon, les caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux après la description 15 qui va suivre, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels: la figure 1, déjà décrite, illustre le 20 principe de la sélection de mode, la figure 2 représente, en coupe, un schéma d'une source lumineuse conforme à l'invention, la figure 3 représente une embase laser utilisée dans l'invention, la figure 4 montre divers éléments de la source, la figure 5 illustre la manière de monter ces divers éléments. Le dispositif représenté sur la figure 2 30 comprend une puce laser 15 montée au sommet d'une embase 20 en forme de toit, une fibre optique 22 tenue par un support 24, un miroir sphérique 26 servant de sélecteur de mode, ce miroir étant solidaire d'un support 28, une fibre optique 30 disposée à l'arrière de ce miroir et un photodétecteur 32 L'ensemble repose nnu 3 sur une semelle 34 dans laquelle s'engagent des piges calibrées 36 et 38 servant à maintenir les supports 24 et 28 Sous cette semelle, on trouve un module thermoélectrique 40 L'ensemble est contenu dans un boîtier 42. Le faisceau délivré par une telle source est guidé par la fibre 22 Le laser possède, de manière classique, deux faces réfléchissantes (faces clivées en général) et émet deux rayonnements transversalement 10 au faîte du toit formé par l'embase. Les figures 3 et 4 montrent plus en détail les divers sous-ensembles de ce dispositif. L'embase représentée sur la figure 3 comprend un support métallique monobloc 10 présentant une 15 partie prismatique 12 formée par deux plans également inclinés par rapport au plan de symétrie de l'ensemble Cette partie prismatique est percée d'une fente 13 pratiquée dans le plan de symétrie Une lamelle métallique 14 est brasée dans la fente Cette lamelle 20 présente un champ supérieur poli destiné à recevoir la puce laser 15 La longueur de cette puce est égale à l'épaisseur de la lamelle Le rayonnement laser est donc dirigé transversalement L'embase comprend encore un socle 11 sur lequel est brasée une plaquette 25 d'interconnexion 16 de forme parallélépipédique Le support peut comprendre des trous de fixation 18. On conçoit que la forme prismatique 12 dégage la puce laser et les miroirs sans pour autant nuire au contact thermique qui reste établi sur la totalité 30 de la base de la puce laser. Une telle embase peut être obtenue de la manière suivante Le support est obtenu par fraisage et rectification d'un rond ou d'un étiré de cuivre On obtient le socle 11 et la partie prismatique 12 La 35 fente 13 est obtenue par sciage sur fraiseuse à l'aide d'une fraise-scie de largeur telle qu'on obtienne en une seule passe la largeur souhaitée Celle-ci est égale à l'épaisseur de la lamelle à monter, augmentée de 30 à 40 'om Un ébavurage est ensuite effectué, sui5 vi d'un dégraissage aux solvants chlorés ou fluorés dans un bac à ultrasons. La lamelle est réalisée de préférence en cuivre comme le support Des bandes de métal sont laminées puis découpées à la longueur correcte à l'aide 10 d'une fraise-scie Après découpe, les lamelles sont nettoyées à l'aide d'un solvant chloré ou fluoré Chaque lamelle subit alors une rectification sur trois faces et fait ensuite l'objet d'un polissage sur la face destinée à recevoir la puce laser. La plaquette d'interconnexion peut être constituée d'un substrat en alumine frittée recouvert d'une couche conductrice servant à l'interconnexion et réalisée par sérigraphie d'une pâte à l'or sans verre. La face inférieure, servant à la fixation sur le socle 20 du support, est recouverte d'une couche obtenue à l'aide d'une pâte argent-palladium. La lamelle est fixée par brasage tendre dans la fente pratiquée dans le support L'alliage d'apport est choisi en fonction de sa température de fusion et 25 des caractéristiques de tenue thermique demandée à l'embase Par exemple, pour une tenue à 160 C, on peut utiliser un alliage étain 62,5 %, plomb 36 %, argent 1,5 % dont la température de fusion est 179 C Pour une tenue à 200 C, on peut utiliser un alliage étain 95 % 30 antimoine 5 % dont la température de fusion est 240 C. La figure 4 représente les supports 24 et 28 Le premier comprend une rainure de centrage 25 dans laquelle est posée la fibre 22 Le support est réalisé par moulage à l'aide d'une résine Il est fixé 35 dans la semelle 34 par des piges calibrées d'ancrage 36, qui empruntent les alésages 361, 362 Ces piges sont préalablement fixées à la semelle 34 La résine utilisée pour constituer le support 24 est employée pour fixer le support sur les piges Le jeu nécessaire 5 à l'opération est de l'ordre de 1/10 e de mm Le retrait de ces résines étant de 5/1000 c'est donc un déplacement de l'ordre du demi-micron que l'on peut obtenir au cours de la polymérisation, ce qui entraîne des pertes de couplage de 1 à 2 d B. La même technique est utilisée pour le support de miroir 28 Il est en résine et est fixé sur la semelle 34 à l'aide de piges d'ancrage, empruntant des alésages 381, 382 Ces piges sont, elles aussi, immobilisées par la résine ayant servi à réaliser le sup15 port. Le miroir est par exemple une calotte sphérique de 580 lm de diamètre en résine pure Son rayon de courbure est le plus proche possible du front d'onO de du laser Le miroir reçoit une couche d'or de 100 A 20 permettant une réflexion de 70 % à la longueur d'onde considérée. Le support 28 comprend encore, dans sa partie arrière, une cavité 31 apte à recevoir le photodétecteur 32. La fibre relais 30 peut avoir 300 lim de diamètre de coeur Elle est noyée dans le support 28, entre la surface du photodétecteur et le miroir Elle assure le transfert de la lumière issue de la face arrière du laser 15 vers le photodétecteur 32 à tra30 vers le miroir de contre-réaction 26 La résine pure dont est fait le miroir a un indice de 1,5 et est transparente à la longueur d'onde de 1,55 gm La puissance ainsi recueillie est de l'ordre de 50 im Elle est suffisante pour réaliser l'asservissement en puis35 sance par le biais du courant d'alimentation du laser. 2 5 r S 25 Le module thermoélectrique 40, de grande surface, (par exemple 3 cm x 3 cm) couvre une partie de la semelle 34 Il est associé à un capteur thermique placé près de l'embase laser et permet de réaliser 5 une régulation thermique à l'intérieur du bottier avec une précision de l'ordre de 0,2 C après équilibre pour une température variant de 15 à 20 C L'ensemble des éléments est intégré dans le bottier 42 servant de radiateur pour l'élément thermoélectrique. La figure 5 représente une vue d'ensemble du bottier sur un banc de montage Un bras manipulateur 50 saisit le support de fibre 24 Il est micromanipulé devant la zone émissive du laser, de façon à réaliser un couplage optimal Le support est ensuite immobilisé 15 par adjonction de résine autour des piges d'ancrage, cette résine étant la même que celle qui a servi à fabriquer le support De la même manière, un bras 52 vient saisir le support de miroir 28 et le met en place derrière le laser L'immobilisation se fait à 20 l'aide de la même résine L'ensemble des opérations est contr 8 ôlé par l'opérateur à travers un instrument d'optique grossissant 54. 2550 CO 23 REVENDICATIONS 1 Source lumineuse comprenant un laser ( 15) émettant un rayonnement par deux faces, un miroir ex5 terne ( 26) servant de sélecteur de mode, un photodétecteur ( 32) recevant une partie du rayonnement émis par le laser et servant à asservir la puissance émise par le laser, caractérisée par le fait que le photodétecteur ( 32) est disposé derrière le miroir sélecteur 10 de mode ( 26), lequel est semitransparent et placé en regard d'une des faces du laser. 2 Source laser selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le laser ( 15) est disposé au sommet d'une embase ( 20) en forme de toit, le laser 15 émettant à travers ses deux faces deux rayonnements orientés transversalement par rapport au faite de ce toit. 3 Source laser selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'elle comprend: une première fibre optique ( 22) maintenue par un premier support ( 24), cette fibre optique étant disposée en regard d'une des faces du laser et guidant le faisceau utile émis par la source, une seconde fibre ( 30) maintenue par un second 25 support ( 28), lequel maintient également le miroir ( 26) et le photodétecteur ( 32), cette seconde fibre étant disposée entre le miroir ( 26) et le photodétecteur ( 32), une semelle ( 34) sur laquelle repose l'embase 30 ( 20) et dans laquelle sont fixées des piges d'ancrage ( 36, 38) traversant les premier et second supports ( 24, 28) et immobilisant ceux-ci par collage. 4 Source laser selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les premier et second 2 5 _ 5 C O 3 supports ( 24, 28) sont en résine et que cette même résine sert à les coller aux piges d'ancrage ( 36, 38). Source lumineuse selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comprend, sur la semelle ( 36), un module thermoélectrique ( 40) assurant une régulation en température. 6 Source lumineuse selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'ensemble des éléments qui la compose est rassemblé dans un bottier 10 étanche ( 42) traversé par la première fibre optique ( 22).