Brevet FR2567687A1 — publié le 19860117

La présente invention concerne des lasers à semi-conducteur à sortie stabilisée. Selon la présente invention, il est proposé un laser à semi- conducteur à sortie stabilisée dans lequel la réaction optique est fournie par un réseau de réflexiondentelé maintenu contre le côté d'une fibre à mode unique dont l'extrémité est couplEe optiquement avec l'une des facettes de sortie d'une puce laser à semi-conducteur pour former une structure de cavité couplée, le réseau formant un composant de sélection de la longueur d'onde de cette structure. Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant détaillés dans la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures anne- xées, qui représentent - la figure 1, e spectre de sortie d'une puce laser à semi- conducteur non stabilisée, - la figure 2, un diagramme montrant la dépendance spectrale de la courbe de gain en fonction des conditions d'attaque, ainsi que le déplacement spectral des modes longitudinaux en cas de changement dans les conditions d'attaque, - la figure 3, un diagramme d'un laser stabilité du type à miroir extérieur, - les figures 4a à 4c des vues en perspective d'étapes suc- cessives de la fabrication d'un semi-coupleur poli, - la figure 4d un schéma d'un laser stabilisé comprenant le semi-coupleur des figures 4a à 4c, - - la figure 5 un nouveau diagramme du semi-coupleur et du réseau de la figure 4d, et - la figure 6 la sélectivité spectrale obtenue de la combi- naison de la figure 5. L'une des nécessités pour de nombreux systèmes cohérents à fibre optique est une source se rapprochant le plus près possible de la monochromaticité. Un laser à semi-conducteur type, dont la cavité optique est définie par les facettes terminales de la puce de semi-con- ducteur, lorsqu'il est attaqué par un courant constant assurant un point de fonctionnement stable, s'établit généralement dans un mode longitudinal unique avec une largeur de raie d'environ 10-10 m. Lors- qu'un courant de modulation est appliqué, cependant, il peut se pro- -2 - 2567687 duire à la fois une modulation en fréquence et un saut de mode longi- tudinal, ce qui donne le spectre de sortie multimode large caracté- ristique qui est représenté à la figure 1. Sur le côté gauche de la figure 2 est tracéela caractéristi- que de diode laser 20 montrant comment la sortie de puissance optique totale varie en fonction du courant d'attaque. Le seuil d'effet laser se situe en 21, et un courant de modulation I déplace de haut en bas la limite de fonctionnement sur la partie raide de la caractéristi- que. La partie droite de la figure montre comment la puissance opti- que se répartie en fonction de la fréquence optique. Les courbes 22a à 22d donnent les gains de l'émission pour une augmentation des ni- veaux de sortie optique à partir du seuil. La relation entre la fré- quence de la crête de la courbe de gain et le niveau de sortie opti- que est donnée par la ligne de traits interrompus 23 qui montre com- ment la crête de la courbe de gain se décale vers des fréquences inférieures lorsque l'attaque augmente. Les lignes 24a à 24e montrent l'écart régulier en fréquence des modes longitudinaux consécutifs, qui sont généralement séparés d'environ 100 GHz, et montrent comment les fréquences de ces modes sont déplacées vers des fréquences inf6- rieures lorsque l'attaque est augmentée. Les tracés 25a à 25d illus- trent le spectre de fréquence de la sortie pour quatre niveaux diffé- rents d'attaque. Le tracé 25a est le spectre au seuil, et il com- porte généralement plusieurs modes longitudinaux concurrents, cinq dans ce cas, dont les amplitudes respectives s'inscrivent dans la courbe de gain 22a. Pour une attaque légèrement augmentée, représen- tée par la courbe 25b, la sortie est revenue à un mode longitudinal unique qui, en l'absence de perturbations extérieures, est le mode le plus proche de la crête de la courbe de gain 22b. A un niveau d'atta- que encore plus élevé, la distribution spectrale de la sortie est donnée par le tracé 25c. Le décalage vers les fréquences inférieures de la courbe de gain, repr&sentée maintenant par la courbe 22c, a excité le mode longitudinal inférieur le plus proche qui entre en concurrence avec le mode existant. Enfin, à un niveau encore supé- rieur d'attaque représenté par le tracé 25d, le décalage de fréquence de la crête de la courbe de gain se révèle suffisant pour éteindre le premier mode longitudinal unique excité en faveur d'un nouveau mode longitudinal d'ordre inférieur. Généralement la fréquence laser est de l'ordre de 3 x 105 GHz, la largeur de bande d'un mode longitudinal 3- 2567687 individuel étant de l'ordre de 100 MHz, et le changement de fréquence d'un mode longitudinal individuel produit par le changement de sortie occasionné par le courant de modulation I est de l'ordre de 30 GHz. Les deux effets contribuent à la déviation en fréquence d'un mode longitudinal unique. Au-dessous d'environ 1 MHz, l'expansion- contraction thermique de la cavité laser est dominantes aux fr6quen- ees supérieures, les variations de la densité des porteurs devien- nent plus importantes. Cette déviation en fréquence est intrinsèque à la cavité laser modulée, et elle est presque impossible à empocher. Le saut d'un mode longitudinal à un autre pendant le cycle de modulation en courant se produit, comme nous venons de 1lexpli- quer, parce que le gain maximal du laser se déplace vers de plus grandes longueurs d'ondes lorsque le courant d'attaque augmente. Cet effet provoque un élargissement du spectre de sortie du laser beau- coup plus important que la déviation en fréquence d'un mode longitu- dinal unique, comme le montre la figure 1. Pour éviter le saut de mode longitudinal, la courbe de gain du laser doit être artificielle- ment corrigée de manière à ce que le gain maximal ne varie pas en fonction du courant d'attaque. Une réaction externe à la cavité laser, qui modifie la courbe de gain, eonstitue la base pour un dispositif destiné à empê- cher le saut de'mode longitudinal Des travaux antérieurs ont utilisé plusieurs techniques de réaction. Renner et Carroll, dans un article intitulé "Simple System for Broad Band Single Mode Tuning of D.Ho GaAlAs Lasers", publié dans Electronics Letters, vol. 15, no 3 (ler février 1979) , décrivent l'emploi de miroirs extérieurs mobiles (plans et hémisphériques) placés ê une distance de 10o-4 à 103m de l'une des facettes du laser comme le montre schématiquement la fi- gure 3. A la figure 3, la puce laser est référencée 30, avec ses facettes réfléchissantes 31 et 32, tandis que le miroir extérieur 33 est situé à une distance L de la facette réfléchissante 32. En suppo- sant qu'il n'y a pas de changement de phase à la réflexion, la condi- tion 2L = In (o n est un entier) correspond à un minimum d'atténuation du laser. La distance L est choisie courte par rapport à la longueur du trajet optique ( produit de la distance physique par l'indice de réfraction) de la puee laser de manière à assurer que la distance entre des modes longitudinaux consécutifs de la cavité externe formée par la facette réfléchissante 32 et le miroir 33 soit un multiple de celle de la cavité interne formée par les facettes réfléchissantes 31 et 32. La distance L est ensuite accordée finement pour obtenir un mode de cavité externe qui coincide exactement avee l'un des modes de la cavité interne. Ce mode est ainsi excité tandis que les modes adJacents sont supprimés. Cette méthode a permis récemment de réali- ser une suppression des modes voisins de % 25 dB avee une cavité ex- terne. Le laser A cavités multiples constitue une extension du sys- tème de réaction ci-dessus. Essentiellement, la méthode de réaction à miroir extérieur exposée cidessus sélectionne un fonctionnement en mode longitudinal unique en exigeant que soient respectées des eonditions-limites mul- tiples. Une approche différente consiste A utiliser la réaction d'un signal à raie étroite vers la cavité laser afin de stimuler un fonc- tionnement en mode longitudinal unique. Un exemple d'un tel disposi- tif est le réflecteur de Bragg distribué présenté par Abe et al. dans un article intitulé "Room Temperature CW operation of 1.6 pm GainAsP/ InP BH Integrated Laser with Butt Jointed Built-In DBER Waveguide", paru dans Electrornies Letters, vol. 18, page 410 (1982). Leur dispo- sitif intégré se compose d'un laser à hétérostructure enfouie assem- blé bout-à-bout avec un guide d'onde externe présentant une configuration de réseau de premier ordre obtenu par.lithographie sur une surface limite. Une variante de ce type da laser est le laser A réaction distribuée, oh la configuration de réseau est imprimée a la surface de la eouche guide d'ondes A l'intérieur du laser lui-mOme. Un dispositif de ce type a été présenté par Utaka et al., fournissant en sortie une onde entretenue à modulation à grande vitesse. Cet exposé se trouve dans un article Intitulé "Room Temperature CW operation of Distributed Feedback BS InGaAsP/InP La- sers Emitting at 1.57 ém",î paru dans Electronoles Letters, vol. 17, page 961 (1981). La réalisation prlfirée de la présente invention utilise un composant appelé semi-coupleur poli çiu permet d'acecéder au champ électromagnétique du mode guidé d'une tlbre à mode unique. La figure 4 présente un canal incheurvé découpe Éans un bloa de verre 40 (figure 4ai. Ensuite, une portion eourte 41 de fDoa -Potique A mode unique est fixée dans le canal, par exemple A l'aide dg réalne 4poxy 42 (figure -5 - 2567687 4b). Alors, la surface supérieure 43 du bloc de verre est rodée jus- qu'à ce que la surface du coeur 44 de la fibre à mode unique soit tout juste atteinte (figure 4c). A ce stade, on a produit un semi- coupleur poli. Si une paire accordée de tels semi-coupleurs est reliée par les deux faces polies, un coupleur directionnel à quatre portes est obtenu. Dans notre cas, on n'emploie quiun seul semi-cou- pleur, et un réseau réfléchissant dentelé 45 est placé sur la surface rodée (figure 4d) et les interstices entre les deux composants sont remplis d'un liquide (non représenté) d'indice de réfraction légère- ment supérieur à l'indice réel du mode guidé dans eette fibre. Une petite partie de la lumière parcourant la fibre échappe de celle-ci par réfraction et pénètre dans le liquide, et chacune des petites facettes de la surface du réseau renvoie la lumière vers la source laser. La périodicité du réseau définit la longueur d'onde de la lumière parcourant la fibre qui interfère de par la construction m6me après réflexion et est renvoyée dans une puce laser à semi-conducteur 46 qui est optiquement couplée avec l'extrémité de la fibre. Une estimation de la largeur de raie de la réflexion du réseau peut 8tre faite à partir de l'analyse suivante, dans l'hypothèse o le profil de champ du mode guide dans la fibre est approximativement gaussien. A la figure 5, l'intensité du champ au niveau de chaque dent élémentaire du réseau est donc proportionnel- le à exp(-h2/a2), o "a" est le rayon du coeur de la fibre et "h"' la distance entre le réseau et le coeur. Si l'on utilise une approxima- tion de premier ordre h = x2/2R = (Ns)2/2R, o 'x'l est la distance entre le point de contact du coeur de la fibre et le réseau, mesurée dans la direction définie par l'intersection du plan du ré- seau avec le plan de courbure de la fibre, o R est le rayon de cour- bure de la fibre, o N est un entier et o "s" est le pas du réseau. De ce fait, l'intensité du champ, au niveau de n'importe quelle dent élémentaire du réseau, est proportionnelle à exp(-x4/4a2R2) = exp(-(Ns) 4/4a2R2). Si la longueur d'onde A dans la fibre satisfait à la rela- tion A = 2s, l'onde réfléchie est donnée par 5 ___ exp (-,Ns)4/>4a2R2) exp (-i(21IN)Ns) N=-t" - 6 - 2567687 De la même manière, si X satisfait à la relation À = 2s + ds, o ds/s = A/2R, l'onde réfléchie est donnée par: exp (-(Ns)4/4a2R2) * (-i(2n + A)NNs) N=-w La réflexion normalisée est alors donnée par le quotient formé en divisant la première des sommes ci-dessus par la seconde. Elle peut être évaluée par des méthodes numériques après avoir attri- bué des valeurs adéquates pour la longueur d'onde, le pas du réseau, le diamètre du coeur de la fibre et le rayon de courbure de la fibre. Dans un cas particulier o la longueur d'onde est de 0,87 micron (ce qui correspond à une longueur d'onde dans l'espace libre de 1,3 mi- cron pour un indice de réfraction effectif de 1,5), o le pas du réseau est de 0,44 micron, le diamètre du coeur de la fibre est de 4,5 microns et son rayon de courbure de 20 cm, la réflectivité spec- trale apparaît avoir la forme générale décrite par la courbe de la figure 6 avec un demi-maximum de pleine largeur de 0,25 nm qui est suffisamment étroit pour ne stimuler qu'un seul mode longitudinal dans une puce laser d'une longueur de trajet optique de l'ordre de 200 microns entre facettes (ce qui est équivalent, dans l'hypothèse d'un indice de réfraction effectif compris entre 3,2 et 3,6 à une séparation physique comprise entre 640 et 720 microns). Il reste à s'assurer que la longueur d'onde réfléchie coin- cide avec l'un des modes longitudinaux. Cela est possible en faisant pivoter le réseau sur le semi-coupleur de manière à ce que les dents ne soient plus exactement à angle droit avec l'axe x. Cette rota- tion a pour effet d'allonger la périodicité pour la lumière circulant dans la fibre. Il est clair que l'ampleur de la syntonisation permise par cette technique est limitée parce que le coefficient de réflexion du réseau chute assez rapidement avec le désalignement. Cependant, dans le cas de l'exemple sp6cifique cité ci-dessus, on peut montrer qu'une rotation de 1,5 seulement par rapport à la perpendiculaire suffit pour modifier la longueur d'onde de la lumière réfléchie de 0,5 nm, ce qui est plus que suffisant puisque supérieur à l'écart de longueur d'onde entre deux modes longitudinaux adjacents d'un semi- conducteur caractéristique. Outre l'accord en longueur d'onde de la réaction, la largeur de raie peut être optimisée en ajustant de ma- - 7 - S676$- nitre adéquate le rayon de eourbure R de la fibre dans le semi-cou- pleur. L'un des avantages de cette méthode de stabilisation de la longueur d'onde est qu'elle n'entraîne-aueune modification de la puce laser h semi-conducteur et n'exige qu'un eouplage conventionnel de fibre sur!lune des facettes réfléchissantes. Un autre avantage est qu'elle evite les problèmes d'alignement des dispositifs selon l'état antérieur de la technique qui utilisent des miroirs externes qui doivent &tre positionnés avec une prpisiîon inf6prieure au micron pour - la distance et une grande précision pour l'alignement angulaireo -Dans un laser h PrflDtteur de Dragg distribuée le guide d'ondes ondul! ezterne doit être acoud trhs precisément sur la facette de sortie de la puce laser Le laser % réaction distribuée ne souffre d'aueun problème de Udsalignement externe, mais il pose au contraire le pro- blême de former des -ondulations submicroniques sur la couche guide d'ondes interne de la puee pendant le processus de fabricationo Par contre, le present dispositif n'exige aucun alignement mièroseopique, sauf naturellement l'obligation habituelle d'obtenir une optimisation raisonnable du eouplage optique entre la facette de sortie de la puce et l'extrémità de la bfibre optlqueo Un autre avantage réside encore dans la facilite avee laquelle le dispositif peut atre syntonisé par une simple rotation du rseau sur le seui-eoupleuro - 8 - 2567687 Revendications 1. Laser à semi-conducteur à sortie stabilisée caratérisé en ce que la réaction optique est fournie par un réseau de réflexion dentelé (45) maintenu contre le côté d'aune fibre à mode unique (41) dont l'ex- trémité est couplée optiquement avec l'une des facettes de sortie d'une puce laser à semi-conducteur (46) pour former une structure de ca- vité couplée, le réseau formant un composant de séleetion de la lon- gueur d'onde de cette structure. 2. Laser à semi-conducteur à sortie stabilisée selon la revendication 1, earactérisé en ee que le réseau est un réseau plan et en ce que la fibre est courbée dans sa région de eontact avec le réseau.