Brevet FR2577077A1 — publié le 19860808

LASER A SEMICONDUCTEUR A LARGEUR SPECTRALE REDUITE La présente invention a pour objet un Laser à semiconducteur à largeur spectrale réduite. Elle trouve une application en télécommunications optiques. Bien que le laser soit, par essence, un générateur monochromatique, il n'en demeure pas moins que son spectre d'émission possède une certaine largeur. Par ailleurs, la structure fine de ce spectre montre une ou plusieurs raies qui sont sujettes à des sauts de fréquence, à des glissements, des fLuctuations, etc... Ces phénomènes prennent une importance particuLière pour les lasers à semiconducteurs où Les variations de courant d'injection, les changements de tempërature, les sauts de modes d'oscilLations, etc... viennent perturber fortement Le spectre d'émission. Cette incertitude sur la fréquence de l'onde optique complique les processus de modulation-démodu Lation qui sont à La base des télécommunications optiques. Aussi s'est-on préoccupé depuis longtemps de reduire la largeur spectrale des lasers et de stabiliser leur fréquence d'émission. Une technique connue dans les lasers à semiconducteur consiste à disposer, à L'extérieur du laser, un résonateur optique généralement du genre interféromètre de Pérot-Fabry et à utiliser La grande stabilité inhérente à ce dispositif pour stabiliser La fréquence du laser. Cette stabilisation est obtenue par une boucle de réaction comprenant essentiellement une première photodiode disposée derrière le résonateur, une seconde photodiode recevant une partie atténuée du rayonnement émis par le laser, un amplificateur différentiel à deux entrées reliées aux deux pho todiodes et à une sortie reliée au circuit d'alimentation du Laser. L'interféromètre de Pérot-Fabry possède une transmission qui dépend de la fréquence selon une loi qui présente un maximum.Cet interféromètre est initialement réglé pour que La fréquence du Laser corresponde à un coefficient de transmission égal à la moitié de ce maximum. Par ailleurs, l'atténuation du faisceau prélevé est telle que le signal émis par la seconde photodiode soit égal au signal émis par la première photodiode. Il en résulte que l'amplificateur délivre une tension nulle. Lorsque la fréquence d'émission du laser glisse, la transmission de l'in- terféromètre Pérot-Fabry varie, ce qui détruit L'qui libre des tensions appliquées à L'entrée de l'amplifi- cateur différentiel.Celui-ci délivre alors une tension d'erreur qui vient corriger Le courant d'alimen- station du laser dans un sens tel que la tension d'erreur soit annulée.- La fréquence d'émission du laser se trouve ainsi ramenée à la valeur initiale. Un tel dispositif est décrit dans t'article de F. FAVRE et D. LE GUEN intitulé "High Frequency Stability of Laser Diode for Heterodyne Communication Systems", publié dans "Electronics Letters", le 28 août 1980, vol.16, nO 18, pp 709-710. Naturellement, on peut associer à ce dispositif de contre-réaction, des moyens de stabilisation de température pour parfaire La stabilité de fréquence. On observera que, dans une telle installation, l'interaction entre le résonateur extérieur et le laser n'est pas de nature optique, mais résulte avant tout d'une contre-réaction électrique, l'inter- féromètre ne servant en fait qu'à établir une référence de fréquence permettant de traduire en signal électrique un écart par rapport à cette référence. IL faut noter également qu'un tel dispositif agit sur Les glissements de fréquence du laser, en les réduisant, mais non sur La Largeur du spectre instantané du laser car la bande de la boucle de contre-réaction est faible. Quoi qu'il en soit, on obtient déjà avec cette technique des résultats satisfaisants puisque les fluctuations à long terme n'excèdent pas 8 MHz, avec une fluctuation à court terme inférieure à 1,5 MHz. Si cette technique donne satisfaction à certains égards, elle ne permet pas, cependant, de réduire La largeur de spectre instantané du Laser. Pour remédier à cet inconvénient, il a été proposé d'utiLiser, toujours à L'extérieur du laser, un résonateur constitué par une fibre optique monomode dont Les faces peuvent etre éventuellement recouvertes de couches réfléchissantes. Une première photodiode est disposée à L-'arriére du résonateur, et une seconde photodiode reçoit une partie du rayonnement émis par Le laser. Un diviseur de tension est relié aux deux photodiodes et délivre un signal proportionnel au rapport des puissances Lumineuses reçues par Les deux photodiodes. A la différence du dispositif précédent, l'alimentation du Laser est assurée non pas par un générateur de courant stabilisé mais par un générateur partiellement modulé à une certaine fréquence. Le signal délivré par Le diviseur de tension est donc lui aussi modulé à cette fréquence. Il est appliqué à un amplificateur verrouillé sur cette fréquence de modulation ("lock-in amplifier"). Cet amplificateur déli- vre un signal d'erreur qui est applique au circuit d'alimentation du Laser. Dans ce dispositif, le résonateur à fibre intervient comme élément d'une boucle de cQntre-réaction électrique. Mais il intervient également comme élément de contre réaction optique. En effet, à La différence du dispositif précédent pour lequel la lumitre réfléchie par L'interféromètre de Pérot-Fabry ne pouvait retourner au Laser l'inclinaison du Pérot Fabry de configuration confocale l'en empêchait), dans le dispositif dé-crit ici, ta partie du rayonnement qui est réfléchie par le résonateur à fibre est réinjectée dans le Laser. La phase du rayonnement réinjecté dépend d'une part de la distance d séparant la face de sortie du laser et la face d'entrée du résonateur à fibre et de la longueur L du résonateur et, d'autre part, de la fréquence du rayonnement. Si La fréquence d'émission est égale à celle d'un minimum de transmission du résonateur à fibre, il existe une distance d qui minimise la largeur spectrale d'émission du Laser. Néanmoins, cette transmission Tf du résonateur optique n'est pas nulle et une puissance Lumineuse P2 faible est transmise en direction de la première photodiode. Le rapport R entre cette puissance P2 et la puissance PO émise par le laser est proportionnel au coefficient de transmission Tf du résonateur à fibre. La modulation de fréquence introduite par le biais de La modulation du courant d'alimentation provoque une modulation du rapport R. Celle-ci est détectée par l'amplificateur. Si la fréquence moyenne du laser reste calée sur Le minimum de transmission, le rapport R est à son minimum. Si la fréquence moyenne du Laser glisse, le rapport augmente et constitue un signal d'erreur qui agit dans up sens tel que le courant d'alimentation soit modifié pour annuler ce signal d'erreur. Un tel dispositif est décrit dans L'article de F. Favre et D. LE GUEN intitulé "Autostabilisation Technique For Achieving Highly Stable Resonant Optimal Feedback in a Fibre Resonator Loaded Injection Laser", publié dans Electronics Letters, le 24 Novembre 1983, vol.19 ne24, pp 1046-1048. IL est montré, en outre, dans cet article, que le rapport R entre les deux signaux détectés, est directement proportionnel à la quantité où F désigne ta finesse du résonateur à fibre. On sait que la finesse d'un résonateur est fonction des coefficients de réflexion r1 et r2 de ses faces et du coefficient de transmission A du matériau constituant le résonateur. La relation est la suivante : Or, la quantité toujours inférieure a L'unité, est maximale lorsque F=1 (cette quantité vaut alors 0,25). Pour obtenir un rapport R le plus grand possible, on s'efforce donc, dans cet art antérieur, de travailler avec un résonateur de finesse proche de l'unité. Une finesse égale à 1 est obtenue en donnant à la quantité Ar1 r2 une valeur proche de 0,17. On retiendra donc que, dans ce dispositif de L'art antérieur, la fréquence du laser est verrouillée sur un minimum de transmission du résonateur, lequel présente une finesse faible, voisine de 1. L'intérêt de ce genre de dispositif est, non seulement de permettre une stabilisation de ta fréquence du Laser, par le mécanisme de la contre-réaction électrique, mais également de réduire La- Largeur spectrale. Cette réduction provient de la réaction optique introduite par le résonateur extérieur, qui force Le mode d'oscillation du laser à coincider avec un mode longitudinal du résonateur. On peut montrer que la réduction de la Largeur spectrale est définie par un facteur ou Y est un coefficient qui dépend des conditions opératoires. Ce tacteur est maximum pour F=1. La présente invention a pour objet un dispositif qui reprend certaines des dispositions de ce dernier art antérieur, à savoir le couplage optique à un résonateur à fibre monomode, mais qui diffère de cet art par la manière dont on fait travailler ce résonateur. Les inventeurs ont en effet observé que l'orsqu'on couple un Laser à semiconducteurs à un résonateur extérieur de finesse F, la réduction de la Largeur spectrale du laser est réduite dans un facteur (1+YF) où F est encore la finesse du résonateur et où Y est un paramètre proportionnel au coefficient de couplage optique entre Le Raser et le résonateur et à la longueur du résonateur. Cette réduction est donc d'autant plus grande que la finesse F est grande.Avec un dispositif tel que celui qui est décrit dans la seconde référence, on s'efforçait au contraire, de donner à la finesse du résonateur une va leur voisine de 1. Par ailleurs, pour que cette propriété apparavisse, il faut que la fréquence du Laser corresponde à un maximum de transmission du résonateur (c'est-àdire à un minimum de réflexion) alors que, dans L'art antérieur cité, on se plaçait dans la situation inverse d'un minimum de transmission. Dans L'invention, le résonateur aura donc, en pratique, des faces d'entrée et de sortie recouvertes de couches muLtidiélectriques réfléchissantes, ce qui améLiore la finesse F, laquelLe peut prendre des va leurs de 1D, ou 20, ou plus. On observera que le résonateur extérieur travaillant en transmission, la partie du rayonnement renvoyée dans le Laser est faible. Cette puissance est néanmoins suffisante pour assurer la contre-réaction optique. IL y a Là un effet surprenant dans la mesure où la reduction de la puissance réinjectée dans le Laser semble aller à L'encontre de L'efficacité de la rétro-action optique. Ceci est en fait compensé par la plus grande finesse du résonateur qui provoque une réduction de la plage d'osciLlation de l'ensemble lasercavité. En d'autres termes, c'est l'amélioration de La finesse du résonateur qui permet la diminution du couplage optique entre le laser et le résonateur extérieur. De façon précise, L'invention a donc pour objet un laser à semiconducteur à largeur spectrale réduite, comprenant, de manière connue, une diode laser optiquement couplée à un résonateur extérieur constitué par une fibre optique monomode ayant des faces d'entrée et de sortie présentant un certain coefficient de réflexion, la distance séparant la diode laser de la face d'entrée du résonateur extérieur étant faibLe devant la longueur de la fibre et pouvant être ajustée pour minimiser la largeur de raie d'émission ; ce Laser est caractérisé par le fait que les faces d'entrée et de sortie de la fibre monomode ont un coefficient de réflexion élevé donnant au résonateur une finesse de va Leur très supérieure à 1 et par le fait que, pour la fréquence d'émission du laser, le résonateur extérieur présente un maximum de transmission. A cette structure de base, il est toujours possible d'associer des moyens connus de stabilisation par boucle de contre-réaction éLectrique, comme décrit dans la seconde référence citée. Les caractéristiques de L'invention appa raîtront mieux après la description qui suit, d'un exemple de réalisation donné à titre explicatif et non limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 représente schématiquement un Laser conforme à La présente invention, - La figure 2 représente un laser conforme à L'invention équipé, en outre, d'une boucle de stabilisation de fréquence. Le laser représenté schématiquement sur la figure 1 comprend une diode laser 70 alimentée par un générateur de courant 12. La face avant 14 délivre un faisceau lumineux 16 qui constitue Le faisceau d'utilisation. La face arrière 18 est mise en regard d'un résonateur 20, lequel est constitué par une fibre optique monomode 22 dont les faces d'entrée et de sortie sont recouvertes de couches réfléchissantes multidiélectriques, respectivement 24 et 26, ceci afin de donner a-u résonateur une finesse- suffisante. Les coefficients de réfLexion des faces peuvent être par exem ple de 0,82, ce.qui conduit à une finesse F égale à 10. Le laser 10 et la face d'entrée du résonateur 20 sont distants de d. La longueur de la fibre optique est égale à L. La distance d est très inférieure à L. On a par exempLe d = 1 mm et L= lm. Par deplacement du résonateur 20, on ajuste ta longueur d pour minimiser la largeur spectrale d'émission du laser. Si t'on veut, en outre, stabiliser La fréquence du Laser, on pourra utiLiser une boucle de contre-réaction teLle que cet Le qui est décrite dans La seconde référence citée plus haut. La fréquence se trouve alors très faibLement modulée, mais sa va leur moyenne se trouve stabilisée sur un pic de transmission du résonateur. La boucLe de contre-réaction correspondante est représentée sur la figure 2. Elle comprend deux photodiodes 31 et 32, un diviseur de tension 33, un amplificateur 34 verrouillé sur la fréquence de modulation définie par un générateur sinusoidal 35. La sortie de l'amplificateur et du générateur participent à l'alimentation du laser. On peut évidemment, en outre, disposer le laser dans une enceinte stabilisée en température. REVENDICATIONS 1. Laser à semiconducteur à Largeur spectrale réduite comprenant une diode laser t10) optiquement couplée à un résonateur extérieur (20) constitué par une fibre optique monomode (22) ayant des faces d'entrée et de sortie présentant un certain coefficient de réflexion, La distance (d) séparant la diode Laser (10) de La face d'entrée du résonateur extérieur (20) étant faible devant la longueur (L) de la fibre, ce laser étant caractérisé par le fait que Les faces d'entrée et de sortie de la fibre monomode (24, 26) ont un coefficient de réflexion élevé donnant au résonateur (20) une finesse (F) de va leur très supérieure à 1 et par le fait que, pour la fréquence d'émission du laser, le résonateur extérieur (20) présente un maximum de transmission. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des moyens (31, 32, 33, 34, 35) pour constituer une boucle de contre-réaction électrique permettant d'asservir la fréquence moyenne du laser (10) à une fréquence pour laquelle la transmission du résonateur est maximale.