Brevet FR2595013A1 — publié le 19870828

SOURCE LUMINEUSE CONTINÛMENT ACCORDABLE La présente invention a pour objet une source lumineuse continûment accordable. Elle trouve une application notamment en télécommunications optiques où elle permet d'obtenir un rayonnement cohérent accordable par exemple autour de 1,52 ssm de longueur d'onde, avec une faible largeur spectrale, de L'ordre de 100kHz. On connaSt déjà des sources lumineuses accordables qui sont constituées, comme illustré sur la figure 1, par un laser à semiconducteur 10 ayant une première face clivée et réfléchissante 12 (coefficient de réflexion de L'ordre de 0,3) et une seconde face 14, dont Le coefficient de réflexion est de L'ordre de 5 à 10X. Le dispositif comprend encore un objectif 16 et un réseau de diffraction 18 travaillant en réflexion. Ce réseau est monté sur une plaque tournante 19. Les deux miroirs 12 et 14 forment le résonateur principal du laser. Sa longueur détermine l'écartement en fréquence des différents modes longitudinaux oscillants : cet écartement est égal à c/2L si c est la vitesse de la lumière et D L la Longueur du résonateur). Un second résonateur est cependant constitué par la face 14 et le réseau de diffraction 18. Au contraire du précédent ce second résonateur est sélectif puisque La résonance n'est obtenue que si la longueur d'onde satisfait à la relation bien connue 2a sin O=A , où a est le pas du réseau et e l'angle d'incidence (cette relation supposant qu'on travaille dans le premier ordre de diffraction). Les conditions d'oscillation d'une telle structure dépendent donc finalement du couplage entre ces deux résonateurs. Pour qu'un mode oscille, il faut non seulement qu'il corresponde à un mode de la cavité principale mais encore que les conditions de phase du rayonnement provenant de la seconde cavité, lors de la réinjection dans la première, soient correctes. Si l'on fait tourner le réseau 18, on observe une variation de la Longueur d'onde d'émission, mais cette variation n'est pas continue et s'effectue par sauts, selon qu'un node ou son voisin satisfait à la bonne relation de phase. Une telle structure est décrite dans l'article de R. WYATT et al. intitulé "Tunable narrow line external cavity lasers for coherent optical systems" publié dans la revue British Telecom Technological Journal, viol.3, n04, October 1985, pp 5-11 et également dans un article de M. DE LABACHELERIE et al. o intitulé "An 850nm semiconductor Laser tunable over a 300A range" publié dans Optics Communications, vol.55, n03, 1er Septembre 1985, p.174-178. Bien que satisfaisantes à certains egards, ces sources lumineuses accordables présentent donc en fait un~inconvènient qui est lié à ces sauts de fréquence dans la plage d'accord. La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient en proposant une source permettant un accord continu en longueur d'onde, sans sauts de modes. Les travaux et les réflexions du Demandeur ont permis de trouver une solution à ce problème difficile. Le Demandeur a en effet observé que l'existence des sauts de fréquence dans les dispositifs de l'art antérieur, est dûe au fait que l'une des cavités est fixe (celle qui est constituée par les deux faces de l'amplificateur) et impose de ce fait certains modes d'oscillation. Pour supprimer cette contrainte, il faudrait supprimer cette cavité. On peut y parvenir en traitant l'une des faces du laser par un dépôt de couches antireflet, ce qui permet -4 de faire tomber son coefficient de réflexion à environ 10 . Mais cette disposition va à l'encontre des habitudes prises dans le domaine des lasers, où l'on s'efforce au contraire toujours d'obtenir des faces réfléchissantes. Par ailleurs, le Demandeur a observé que si l'on utilise un système dioptrique tel que l'objectif 16 situé entre l'amplificateur 10 et le réseau 18, on crée des faces partiellement réfléchissantes, ce qui est de nature à créer d'autres cavités résonantes (sauf à traiter ces faces à nouveau par des couches antireflet, mais ce qui est délicat pour ce genre d'optique). Le Demandeur a alors-imagine de supprimer cette optique et de la remplacer par un système réfléchissant qui est, en l'occurrence, une portion de miroir en forme de parabolo;de. L'amplificateur est placé au foyer de ce paraboloide. La lumière issue de l'amplificateur vient frapper Le miroir et atteint le réseau de diffraction sous forme collimatée Si cette disposition est combinee à la première, il n'existe plus alors qu'un seul résonateur pour l'ensemble de La structure : celui qui est défini par la face clivée du laser et par le réseau travaillant en réflexion. Il n'y a plus alors de double condition d'oscillation et la rotation du réseau entraine une variation progressive et continue de la longueur d'onde. De façon plus précise, La presente invention a donc pour objet une source lumineuse accordable comprenant un laser à semiconducteur ayant une première face clivée réfléchissante et une seconde face, et un réseau de diffraction disposé du c5té de la seconde face et travaillant en réflexion, cette source étant caracterisée par le fait qu'elle comprend un réflecteur en forme de portion de parabolo;de ayant un axe et un foyer sur cet axe, le laser à semiconducteur étant placé à ce foyer, et émettant son rayonnement selon une direction inclinée par rapport à l'axe, ce rayonnement se réfléchissant sur le pa rabo loide, devenant collimaté et prenant une direction parallèle à l'axe du parabolo;;de et venant frapper le réseau de diffraction, et par le fait que la seconde face du laser est traitée par une couche antireflet et présente un coefficient de réflexion faible de -4 L'ordre de 10 L'utilisation d'un système catadioptrique procure d'autres avantages qui, pour être annexes, n'en sont pas moins appreciables : La cavité résonante est repliée sur elle-même et l'encombrement total de la source s'en trouve réduit par rapport à celui des sources de l'art antérieur. Il en résulte aussi qu'il est plus facile de réguler la température de l'ensemble. IL est également possible de travailler avec des ouvertures numériques très importantes, par exemple de 0,6, ce qui permet d'utiliser Le réseau sur une plus grande surface. Enfin, Le paraboloide travaillant hors de son axe, it n'y a pas d'occultation du faisceau. De toutes façons, Les caractéristiques et avantages de L'invention apparaStront mieux à la lecture de La description qui suit, 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 une source selon l'art antérieur, - la figure 2 montre une source selon l'invention, - la figure 3 montre deux formes de courbes d'accord, - la figure 4 est une figure géométrique permettant de préciser les conditions de rotation du réseau, - la figure 5 illustre un premier moyen de rotation du réseau, - la figure 6 illustre un second moyen de rotation du réseau. La source lumineuse représentée sur la figure 2 comprend un laser à semiconducteur 10 avec une face arrière clivée 12, de coefficient de réflexion égal à environ 0,3, une face avant 14 traitée anti-reflet et de coefficient de réflexion -4 de l'ordre de 10 (c'est-à-dire, pratiquement, compris entre -5 -4 5.10 et 2.10 ), un miroir 20 en forme de portion de parabolo;de P ayant un axe Ax, un foyer F, un sommet S et une directrice D. Le laser 10 est placé au foyer F et son axe est incliné par rapport à celui du paraboloide. Sur la figure 10, les dimensions des divers composants ne sont pas respectées pour plus de clarté mais il faut comprendre que Le laser à semiconducteur 10 a une longueur de l'ordre de 250 ssm, alors que la distance focale du paraboloide est de l'ordre de îOmm. La source représentée comprend encore un réseau de diffraction 18 travaillant en réflexion (par exemple, mais non exclusivement, dans L'ordre 1). Ce réseau reçoit un faisceau collimaté sous une incidence e et renvoie sur Lui-meme le rayonnement à la longueur d'onde À pour laquelle la -condition 2asinO=A est satisfaite, sia est Le pas du réseau. La longueur totale L du résonateur peut être facilement déterminée si l'on observe qu'une parabole est le lieu des points équidistants d'un, point Cle foyer, F) et d'une droite (La directrice D) située symétriquement du foyer F par rapport au sommet S. La longueur L du résonateur est donc égale à la distance entre le point N situé sur Le réseau et le point K' situé sur la droite D' parallele å La directrice D et distante du segment KK' égal à la longueur optique du Laser 10. Les modes longitudinaux capables d'osciller dans un tel résonateur auront donc une tongueur d'onde définie par la relation mA/2=L. L'écartement en fréquence entre modes sera égal à c/2L. On observera que cet écartement est beaucoup plus faible qu'avec un laser seul comme celui de l'art antérieur (cf. Figure 1) puisque L est beaucoup plus grand dans l'invention. Cette distance L est au minimum égale à environ 2 fois la distance focale f du paraboloide, pour des questions d'encombrement du miroir et du réseau. Si le réseau est très incliné, ce qui correspond au cas où le nombre de traits est important, par exemple 1200 traits par millimètre, le réseau doit être assez écarté du paraboloide et la distance L peut être de l'ordre de 4f. Mais avec 600 traits par millimètre, l'angle e est plus faible et L'on peut rapprocher davantage le réseau du parabolojde et avoir L=2f. La figure 3 montre la forme des courbes d'accord obtenues dans ces deux cas. Sur la partie a on voit la courbe d'accord du réseau à 600 t/mm ; sa largeur à mi-hauteur est qF. Sur la ligne b, on voit le "peigne" formé par les différents modes longitudinaux d'oscillation. Leur écartement est c/2L. Le mode qui se situe aux environs du sommet de la courbe de réponse du réseau sera privilégié par rapport aux autres et oscillera. Pour un réseau qui possède deux fois plus de traits au millimètre, c'est-à-dire 1200 t/mm, la courbe de réflexion devient environ 4 fois plus étroite (å cause de la relation 2acosBdB=dA où le facteur a intervient et ou cose devient environ deux fois plus grand). La largeur à mi-hauteur devient F'. On obtient donc une courbe de réflexion comme celle de la ligne c. Mais la longueur du résonateur devient sensiblement 2 fois plus grande (L'=2L) ce qui divise par 2 l'cartement (c/2L') entre modes longitudinaux (ligne d). Là encore la sélection d'un mode parmi plusieurs est possible. On peut préciser les conditions que doit remplir La rotation du reseau pour que le mode Longitudinal du laser reste cale au sommet de la courbe de sélection du réseau. Le mode d'ordre m possède une longueur d'onde définie par m À/2=L soit A=2L/m. Par ailleurs, la longueur d'onde A correspondant au sommet de la courbe de réflexion du 'réseau est donnée par 2asile= A. Pour que le mode d'ordre m reste au sommet de la courbe de réflexion lorsque l'angle e varie, il faut donc que 2L/m=2asinB, soit L=masin6. La figure 4 montre de manière simplifiée la structure de la source de l'invention, en supposant que le résonateur a été déplié, ce qui revient à considérer que la face 12 du laser 10 est sur la droite D'. Le plan du réseau coupe la droite D' sous un angle e Si l'on désigne par H la longueur de l'hypothénuse du triangle rectangle ainsi formé, on a sine=L/H. La condition précédente L=masinE s'écrit donc L=ma.L/H, ce qui signifie que l'hypothénuse H doit etre égale à ma. En d'autres termes, la longueur du segment découpé par le plan du réseau entre les deux droites perpendiculaires définies par la droite D' et L'axe du faisceau lumineux doit rester constante. Le mouvement du réseau n'est donc plus vraiment une rotation pure mais un déplacement-rotation. Un moyen simple pour remplir cette condition est illustré sur la figure 5. Il comprend deux rails rectangulaires 30 et 31 sur lesquels glissent deux chariots 33, 34, l'un au moines, par exemple 34, étant porté par une table de translation 36 pouvant être commandée manuellement par un bouton 38. Les deux chariots 33 et 34 supportent une plaque 40 qui est montée libre en rotation sur Les chariots au moyen d'axes 42, 43. Le réseau est fixé sur cette plaque 40. Avec un teL dispositif lorsque L'opérateur agit sur le bouton 38, il deplace le chariot 34 et avec lui fait tourner la plaque 40, donc le réseau. Par constructiqn, même la condition H=constante est maintenue rigoureusement satisfaite au cours de cette rotation. Le node d'oscillation du laser se déplace ainsi exactement comme la courbe de sélection du réseau. Un autre moyen, plus simple, mais moins rigoureux, est representé sur la figure 6. Le réseau 18 est solidaire d'une plaque 44 pouvant tourner autour d'un point 0. La position de ce point 0 peut être définie par le calcul, en cherchant La position du centre instantané de rotation de l'ensemble représenté sur la figure 5. Mais en toute rigueur ce centre instantané n'est pas fixe, de sorte que La solution de La figure 6 n'est valable que pour une faible rotation, donc une faible plage d'accord. Un autre moyen d'obtenir le résultat recherché consiste à faire tourner le réseau autour d'un axe situé dans le plan du réseau, comme dans l'art antérieur, et à disposer ce réseau sur un support monté en translation, par exemple au moyen d'un dispositif piézoélectrique. A titre d'exemple non limitatif, on peut donner quelques valeurs numériques utilisables dans L'invention l'amplificateur laser a une longueur de 250 ym, soit une longueur optique effective d'environ lmm; la focale du parabolo;de est de îOmm ; le diamètre du parabolo;de est donc de 15mm pour une ouverture de 0,6 ; la longueur de la cavité externe est de 20mm pour un réseau à 600 t/mn et de 40 mm pour un réseau de 1200t/mn. La largeur de raie d'émission d'un laser classique seul est d'environ 40 MHz ; la largeur de raie de la source de l'invention est celle d'un laser classique divisée par le carré du rapport des longueurs des cavités ; on obtient donc une largeur de 100 kHz avec le réseau à 600 t/mn et une Largeur de 25kHz avec le réseau à 1200 t/mn. Afin de conserver un courant de seuil du laser proche de celui des lasers classiques, il faut que la puissance rétrocouplée dans l'amplificateur soit d'au moins 30X. Cette valeur est largement dépassée avec un réseau à 600 t/mm blazé à 1,5 Mm, dont l'efficacité est de 80X-90X. Par ailleurs, le paraboloïde métallisé doit naturellement etre de bonne qualité optique (A /10), ce qui permet d'atteindre largement 60X de puissance rétrocouplée. En fait on observe donc une importante diminution du courant de seuil. Avec un réseau à 1200 t/mm blazé à 1,1 m l'efficacité est un peu réduite et tombe à environ 45X, et la puissance rétrocouplée est d'environ 30%. Le courant de seuil est alors sensiblement celui des lasers de l'art antérieur. Avec les caractéristiques indiquées la Longueur d'onde est continûment accordable sur près de 60nm. REVENDICATIONS 1. Source lumineuse accordable comprenant un laser à semiconducteur (10) ayant une première face clivée (12) réfléchissante et une seconde face (14), et un réseau de diffraction (18) disposé du côté de La seconde face et travaillant en réflexion, ce réseau étant solidaire d'un moyen de rotation, cette source étant caractérisée par le fait qu'elle comprend un réflecteur (20) en forme de portion de parabolo;de (P) ayant un axe (Ax), un foyer (F > sur cet axe et une directrice D, le laser à semiconducteur (10) étant placé à ce foyer (F) et émettant son rayonnement selon une direction inclinée par rapport à l'axe (Ax), ce rayonnement se réfléchissant sur le parabolo;de et prenant une direction parallèle à l'axe du parabolo;;de et venant frapper le réseau de diffraction (18), et par le fait que la seconde face du laser est traitée par une couche antireflet et présente un coefficient de réflexion faible de l'ordre de 10 2. Source lumineuse selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le réseau de diffraction (18) est monté sur un moyen de déplacement-rotation tel que le segment défini par le plan du réseau entre une droite (D') parallèle à la directrice D et l'axe du rayonnement demeure de longueur constante. 3. Source lumineuse selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le moyen de déplacement-rotation du réseau est constitué par deux rails perpendiculaires (30, 31) sur lesquels glissent deux chariots (33, 34) et par une plaque (40) montée libre en rotation sur les deux chariots, le réseau étant solidaire de cette plaque, un moyen (36, 38) étant prévu pour pouvoir déplacer l'un des chariots sur son rail. 4. Source lumineuse selon La revendication 2, caractérisé par le fait que le réseau (18) est monté en rotation autour d'un point (0) non situé dans le plan du réseau.