Brevet FR2587851A1 — publié le 19870327

L'invention concerne un dispositif d'amplifi- cation optique avec fonction de filtre anti-parasites, comprenant un corps constitué de plusieurs couches de matières différentes. Dans des systèmes optiques à fibres, le signal optique est affaibli, entre autre dans les fibres et dans les branchements, et les circuits ou systèmes sont donc équipés d'amplificateurs espacés convenablement afin de compenser l'affaiblissement. L'amplification peut avoir lieu dans des amplificateurs optiques à semiconducteurs, par exemple du type décrit dans IEE SPECTRUM, mai 1984, Sot-chi Kobayashi and Tatsuya Kimura: "Semiconductor optical amplifiers". Ces amplificateurs comprennent essentiellement une diode à semiconducteur dont les deux surfaces extrêmes sont semi-réfléchissantes, des amplificateurs dits de Fabry-Perot ou des amplifica- teurs dits à ondes progressives, à traitement anti- réflexion, et ils sont commandés par un courant électri- que ou une source de lumière. Les amplificateurs à ondes progressives ont pour inconvénient de générer des parasites à large bande pendant l'amplification, mais ils présentent l'avantage d'accepter de larges tolérances dans les longueurs d'un signal d'entrée. Un filtre passe-bande doit être donc mis en place afin que l'on obtienne un rapport signal/bruit acceptable. Un amplificateur de Fabry-Perot, à surfaces extrêmes réfléchissantes, peut assumer la fonction d'un tel filtre et on peut obtenir, en sélectionnant le coeffi- cient de réflexion des surfaces extrêmes d'une manière convenable, un compromis entre le filtrage des parasites et la tolérance des longueurs d'ondes. Ce filtre a pour inconvénient d'amplifier le signal transmis durant le filtrage et de le renvoyer par réflexion le long de la fibre optique d'entrée, faisant apparaître ainsi la possibilité d'une instabilité dans le circuit de transmission. Cette instabilité peut également apparattre dans des amplificateurs à surfaces extrêmes à traitement anti-réflexion, car il est difficile d'obtenir un traite- ment anti-réflexion parfait. Si l'instabilité doit être empêchée, le signal réfléchi doit être amorti, ce qui exige la mise en place d'isolateurs dits optiques entre les amplificateurs. Ceci complique les circuits de transmission, car lés isolateurs ne peuvent pas 6tre intégrés aux amplificateurs. Les difficultés mentionnées ci-dessus sont résolues par un dispositif d'amplification conforme à l'invention et dans lequel on évite les réflexions d'un signal d'entrée et on filtre les parasites. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nulle- ment limitatifs et sur lesquels: - la figure 1A est une coupe longitudinale schématique d'un amplificateur selon l'invention; - la figure 1B est une coupe schématique d'une variante de l'amplificateur selon l'invention; - la figure 2 est un graphique des courbes de dispersion de l'amplificateur; - la figure 3 montre la caractéristique, de filtrage du dispositif d'amplification; - la figure 4A montre la distribution spec- trale d'un signal lumineux d'entrée; - la figure 4B est un graphique montrant la distribution spectrale d'un signal lumineux amplifié; - la figure 5A est un graphique montrant la distribution spectrale d'un signal parasite; - la figure 5B est un graphique montrant la distribution spectrale d'un signal parasite filtré et amplifié; - la figure 6A est une coupe longitudinale d'un dispositif d'amplification selon l'invention; I - la figure 6B est une vue en bout du dispo- sitif d'amplification de la figure 6A; - la figure 6C est un diagramme des indices de réfraction des matières de ce dispositif d'amplifica- tion; - la figure 7 est une coupe longitudinale schématique d'une autre forme de réalisation de l'inven- tion; et - la figure 8 est une coupe partielle d'une autre forme de réalisation du dispositif d'amplification montré sur la figure 6A. La figure 1 montre schématiquement un dispo- sitif d'amplification optique selon l'invention avec filtre antiparasites. Le dispositif est essentiellement un coupleur optique directionnel dont un guide d'ondes est un amplificateur optique du type à ondes progressives. Le dispositif d'amplification est constitué de plusieurs couches dont les matières ont différentes compositions. Ceci n'apparaît pas sur la figure 1A qui n'est destinée qu'à illustrer le concept fondamental de l'invention et la façon dont le dispositif fonctionne. Le dispositif d'amplification comporte un premier guide d'ondespassif 1 dont l'entrée 2 et la sortie 3 peuvent être connectées à des fibres optiques 4 pour la transmission de signaux. Un second guide d'ondes 5 du dispositif d'amplification est l'amplificateur à ondes progressives mentionné précédemment, lequel amplificateur est décrit plus complètement dans la référence précitée "Semiconductor optical amplifiers". Si la bande d'énergie interdite dans ce premier guide d'ondes 1 est désignée par Eg1 et dans le second guide d'ondes 5 par Eg5 et que le niveau d'é- nergie de la fréquence du signal est Egs, on a alors: Eg1 > Egs >)Eg5 Le guide d'ondes 5 comporte une jonction p-n à sa surface de délimitation supérieure ou inférieure. En injectant du courant, par exemple par pompage électri- que,onpeut faire engendrer une inversion de population dans le guide d'ondes 5 afin d'obtenir une amplification optique. Le dispositif d'amplification comporte des électrodes 8 qui peuvent être connectées à une source de tension extérieure présentant un potentiel U à ses pâles, afin qu'un courant électrique I puisse être produit et passer dans les guides d'ondes. Ce courant commande l'amplificateur à ondes progressives, conformé- ment à ce qui précède, lequel amplifie un signal lumineux d'entrée Is. La figure lB représente une autre forme de réalisation du dispositif d'amplification comportant un corps possédant un premier guide d'ondes passif la dont l'entrée 2a et la sortie 3a peuvent être connectées à des fibres optiques 4 pour la transmission de signaux. Un second guide d'ondes 5a constitue l'amplificateur à ondes progressives qui est commandé par une source 8 de lumière, qui est représentée sans plus de détail. Cette dernière émet un flux lumineux Q qui réalise l'inversion de population mentionnée dans le guide d'ondes 5a, cette opération étant appelée pompage optique, afin qu'une amplification du signal lumineux d'entrée I puisse être obtenue. Il existe également d'autres s possibilités connues de commande de l'amplificateur, par exemple par un pompage dit chimique dans lequel l'inversion de population est réalisée chimiquement. Les deux guides d'ondes 1 et 5 s'étendent à proximité l'un de l'autre sur une distance d'interaction ayant la longueur 2L et ils constituent le coupleur optique directionnel mentionné précédemment. Le signal lumineux d'entrée Is peut migrer classiquement entre les guides d'ondes, sur la longueur d'interaction, à l'aide d'oscillations électromagnétiques couplées. Le coupleur directionnel peut être conçu de façon à constituer un filtre dépendant de la longueur d'onde pour la lumière d'entrée, comme décrit, par exemple, dans IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELEC- TRONICS, Vol. QE-M, N 11, novembre 1978, R.C., Alferness et Peter S. Cross: "Filter Characteristics of Codirec- tionally Coupled Waveguides with Weighted Coupling". Pour qu'un filtrage ait lieu, les guides d'ondes doivent avoir des dispersions différentes, comme cela est illus- tré par un diagramme sur la figure 2. L'indice de réfrac- tion efficace des guides d'ondes est désigné ici Neff et A désigne la longueur d'onde du signal lumineux d'entrée Is. L'indice de réfraction efficace pour un guide d'ondes donne le taux de phase de l'onde lumineuse dans les guides d'ondes et dépend de l'indice de réfraction N du guide d'ondes, cet indice étant une constante de la matière, ainsi que l'étendue transversale des guides d'ondes par rapport à la direction de propagation de la lumière. Dans le guide d'ondes 1, l'indice de réfrac- tion Neff change avec la longueur d'onde A conformément à une effc courbe A, et le guide d'onde 5 accompagne le changement d'indice de réfraction conformément à une courbe B. Pour une longueur d'onde Ac, l'indice de réfraction efficace possède la même valeur NeffO dans les deux gui- des d'ondes. Des valeurs typiques de l'indice de réfrac- tion efficace sont comprises entre3,2 et 3,3 pour Ia longueur d'onde À0 = 1, 3 Mm. L 1mibre de:lal'j"eur d'nde A, peut franchir le coupleur directionnel pourvu que la longueur d'interaction soit un multiple pair de la longueur do, couplage du coupleur directionnel dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 1A. Le coupleur directionnel de la figure 1A présente la longueur de couplage L, de sorte que la longueur d'interaction 2L correspond à deux longueurs de couplage. Le coupleur directionnel est alors ajusté de façon que la lumière puisse passer et il possède une caractéristique de filtre illustrée sur la figure 3. Ici, la longueur d'onde est désignée A, G est la relation entre la puis- sance d'entrée et la puissance de sortie de la lumière et A. est la bande passante du filtre. Des valeurs typiques pour cette bande passante sont comprises dans l'intervalle de 1 à 10 nm. Le signal lumineux d'entrée I8 possède un spectre étroit de longueurs d'ondes centré sur la longueur d'onde A. et une bande passage A s, con- formément à la figure 4A, sur laquelle P désigne le niveau de puissance de la lumière. Des valeurs typiques pour la bande passante du signal lumineux sont comprises dans l'intervalle de 0,1 à 1 nm. Le signal lumineux, qui possède un niveau de puissance maximal P1, migre en- tièrement du premier guide d'ondes 1 vers le second guide d'ondes5 sur la moitié de la longueur de l'inter- action (L), comme indiqué par la ligne discontinue sur la figure 1. Le signal lumineux revient ensuite entièrement, en migrant, vers le premier guide d'ondes à l'extrémité (2L) de la longueur d'interaction et quitte l'amplificateur par la sortie 3. Le spectre du signal lumineux en sortie est pratiquement inaltéré en comparaison avec celui du signal lumineux d'entrée, comme illustré sur la figure 4B. Le signal lumineux est amplifié et, à la sortie 3, il possède un niveau efficace maximal P2, comme illustré sur la figure, et comme décrit ci-dessous. Un signal parasite Ib à large bande accompagne souvent le signal Is et possède. un ni- veau efficace maximal P3, par. exemple comme illustré sur la figure 5A. Une valeur typique pour la bande passante des parasites est de 130 nu. Lorsque ce parasite franchit le coupleur directionnel, un filtrage a lieu conformément à la courbe de la figure 3, de sorte qu'un signal parasite, de bande considérablement rétrécie conformément à la figure 5B, atteint la sortie 3. La partie du signal parasite qui franchit le dispositif d'amplification est amplifiée et, à la sortie 3, elle produit un effet maximal P4, conformément à la figure. La partie du signal parasite Ib qui est éliminée par filtrage est en outre transportée vers une partie extrême 6 du guide d'ondes 5, conformément à la figure 1, o elle est dispersée et absorbée. Le courant électrique I provenant des électrodes 8 n'atteint pas la partie extrême 6 et, en raison de l'absence de courant, cette partie présente un coefficient d'absorption élevé. Le parasite peut donc être absorbé entièrement, sans être réfléchi à la surface extrême du guide d'onde. Comme mentionné au début, le guide d'ondes des figures 1A et 1B travaille à la manière d'un amplificateur à ondes progressives de type connu. Une onde lumineuse transportée le long du guide d'ondes de la figure 1A est amplifiée lorsque les électrodes 8 injectent un courant qui est supérieur au courant demandé pour que le guide d'onde lumineuse 5 devienne transparent au signal d'entrée. Le guide d'ondes de la figure 1B amplifie un signal lumineux lorsque le flux de lumière Q dépasse une valeur limite pour laquelle le guide d'ondesdevient transparent au signal lumineux. Conformément à l'invention, l'onde lumineuse est intro- duite par couplage dans l'amplificateur de la manière suivante. Le signal lumineux d'entrée Is migre transver- salement du premier guide d'onde 1 vers le second guide d'onde 5, comme mentionné précédemment. Pendant le passage dans le guide d'ondes 5, le signal lumineux est amplifié et revient en migrant vers le guide d'ondes 1 pour quitter le dispositif d'amplification par la sortie 3. Etant donné que le signal lumineux est intro- duit par couplage transversal dans l'amplificateur à ondes progressives, on évite les réflexions à ce couplage et donc la transmission de signaux réfléchis, par l'intermédiaire de l'entrée 2, vers la fibre optique 4 d'entrée. Cette propriété de non-réflexion est obtenue malgré l'absence de traitement anti-réflexion des surfa- ces extrêmes du guide d'ondes 5. Les dispersions des guides d'ondes sont ajustées dans l'amplification, comme mentionné précédemment, de façon que le signal amplifié présente sensiblement la même distribution spectrale que le signal d'entrée Is. Le signal parasite d'entrée Ib migre également transversalement du guide d'ondes 1 vers le guide d'ondes 5 o il est amplifié. Le filtrage décrit en regard des figures 3, 5A et 5B a lieu cependant en même temps, de sorte que, simplement, une partie du signal parasite amplifié revient en migrant vers le guide d'ondes 1. Hormis l'interférence provenant du signal parasite Ib, le signal lumineux Is est égale- ment soumis à une interférence par le parasite à bande large généré dans le guide d'ondes 5 lorssque les signaux d'entrée sont amplifiés. Ce parasite généré dans l'ampli- ficateur est également filtré de façon à donner une bande spectrale étroite au signal parasite de sortie. L'énergie lumineuse présente dans le parasite qui est éliminée par filtrage, est dispersée par l'intermédiaire de la partie extrême 6 du guide d'ondes 5, comme mention- né en regard de la figure 1A. Les figures 1A et lB illustrent schématique- ment un dispositif d'amplification selon l'invention dont la fonction a été décrite ci-dessus. Une forme de réalisation plus détaillée de l'invention, adaptée à la longueur d'onde lumineuse A0 = 1,3 pm, sera à pré- sente décrite en regard des figures 6A, 6B et 6C. La figure 6A représente un dispositif 10 d'amplification qui comprend cinq couches 11-15 en matière semiconductri- ce agencées les unes aux-dessus des autres et ayant les compositions suivantes: la couche 11 est la matière de base du dispositif d'amplification et elle est consti- tuée de phosphure d'indium, InP. La couche 12, qui est le guide d'ondes passif du dispositif d'amplification, comprend de l'arséniure-phosphure d'indium et de gallium In0,95 Ga0,05 As 0,1P0,9 La couche 13 comprend le phosphure d'indium de la matière de base, tandis que la couche 14, qui est l'amplificateur à ondes progressi- ves mentionné ci-dessus, comprend de l'arséniure-phosphure d'indiux et de gallium, Ino,7 Ga0,3 As,7P0, 3 Enfin, la couche 15 est constituée du phosphure d'indium consti- tuant la matière de base. Les couches 11 et 15 comportent chacune sur leurs faces extérieures une électrode 16 destinée à générer le courant électrique I à travers les couches semiconductrices. Les deux guides d'ondes, à savoir les couches 12 et 14, possèdent des proportions différentes d'indium, de gallium, d'arsenic et de phos- phore, ce qui a été désigné par les indices dans les notations de In, Ga, As et P ci-dessus. Les proportions sont choisies de façon à conférer aux guides d'ondes les propriétés optiques souhaitées, comme décrit cidessous, et de façon à conférer également une structure cristalline adaptée à la matière de base afin que les matières cristallines puissent croître les unes sur les autres. Les couches de matière ont des épaisseurs différentes, comme illustré sur la figure 6A. Les épaisseurs sont établies de manière que les indices de réfraction efficaces souhaités Neff soient ob- tenus, comme décrit en regard de la figure 2. Le premier guide d'ondes, couche Z12, présente une épaisseur de 0,4 pm dans cette forme de réalisation, le second guide d'ondes, couche 14, présente une épaisseur de 0,2 Dam et la couche intermédiaire 13 constituée de la matière de base a une épaisseur de 1 Vm. Le dispositif 10 d'amplification possède une longueur 11 comprise, par exemple, dans l'intervalle de 0,2 mm à 2,0 mm. Les électrodes 16 sont plus courtes que la couche semiconductrice 11- dont les extrémités dépassent d'une distance 12 à l'ex- térieur des extrémités des électrodes. La valeur 12 peut être dans l'intervalle de 0,1 à 0,5 mm, par exemple. Le courant I est absent de la longueur L2 des guides d'on- des, de manière que le parasite, qui a été éliminé par filtrage, puisse être absorbé, comme décrit en regard de la figure 1A. Une certaine quantité d'absorp- tion du signal transmis a lieu également ici, ce qui est évité dans une autre forme de réalisation décrite ci- dessous en regard de la figure 8. La figure 6B est une vue en bout du disposi- tif d'amplification 10. Ses guides d'ondes 12 et 14 sont entourés latéralement de la couche 18 de matière semiconductrice qui peut être formée par la matière de base (In P) du dispositif d'amplification. Les guides d'ondes ont une largeur b qui peut être comprise dans l'intervalle de 2 à 6 pm. Comme mentionné, l'indice de réfraction efficace Neff des guides d'ondes du dispositif d'amplifi- cation dépend des dimensions de la section transversale des guides d'ondes ainsi que de l'indice de réfraction N de la matière, cet indice étant une constante de la matière. L'indice de réfraction N pour les différentes couches semiconductrices 11-15 est montré par un diagram- me sur la figure 6C o les couches semiconductrices ont été indiquées par des lignes tiretées. La matière de base, qui est le phosphure d'indium, possède un indice de réfraction N0 -3,2, le premier guide d'ondes (couche 12) un indice de réfraction dépassant NO de la va- leur AN1) 0,4, et le second guide d'ondes (couche 14) possède un indice de réfraction dépassant NO0 de la valeur AN2)0,3. L'indice de réfraction efficace Neff0 est su- périeur à NO pour A = 1,3 pm, mais toujours inférieur à N0 + AN1 et N0 + AN2. Le dispositif d'amplification 10, décrit ci-dessus, est produit à partir des matières constituées par le phosphure d'indium et l'arséniure-phosphure d'in- dium et de gallium, qui font partie d'un groupe plus important de matières semiconductrices pouvant être présentes sous des formes unitaire, binaire, tertiaire et quaternaire. Les éléments qui peuvent être utilisés dans la présente invention proviennent du troisième ou du cinquième groupe du Tableau Périodique, par exemple. On dispose d'une grande liberté pour choisir les matières destinées à un dispositif d'amplification conforme à l'invention. Le paramètre décisif dans le choix de la matière est que l'intégration de guides d'ondes actifs et passifs avec la dispersion différentielle conforme à la figure 2 puisse être réalisée. Hormis les exemples de matières mentionnées ci-dessus, les matières constituées d'arséniure de gallium et d'arséniure de gallium et d'aluminium peuvent également être mention- nées. Dans le dispositif d'amplification à pompage optique décrit en regard de la figure lB, le guide d'ondes 5a (amplificateur à ondes progressives) est produit à partir de quartz qui a été dopé avec du néodyme, Nd, ou de l'yttrium-aluminium-grenat qui a été dopé avec la même substance, à savoir le néodyme. Le disposi- tif d'amplification décrit ci-dessus en regard des figures 1A et lB ne comporte qu'un guide d'ondes 5 qui est un amplificateur à ondes progressives. Une autre forme de réalisation de l'invention est illustrée schématiquement sur la figure 7. Sur cette figure, un dispositif 20 d'amplification optique comporte un premier guide d'ondes 21 dont les entrées et les sorties peuvent être connectées à des fibres optiques 22 pour la transmission du signal lumineux Is. De chaque côté du guide d'ondes 21 se trouve un guide d'ondes 23 qui est un amplificateur à ondes progressives. Le dispositif d'amplification comporte des électrodes 24 destinées à produire un courant électrique I passant à travers les guides d'ondes. Le signal lumineux Is migre vers le guide d'ondes 23 o il est amplifié, et revient en migrant vers le guide d'ondes 21, comme indiqué par les lignes discontinues. L'amplification, le filtrage des parasites et la suppression du signal parasite ont lieu de la manière décrite pour le dispositif d'am- plification optique montré sur la figure 1A. En ce qui concerne la figure 1, on a mention- né que le bruit éliminé par filtrage était absorbé dans la partie extrême 6 de l'amplificateur 5 à ondes progressives. La figure 8 représente une autre variante de cette partie du dispositif d'amplification dans lequel la partie extrême est supprimée par attaque chimique. Cette figure montre une partie du dispositif d'amplification de la figure 6A. Les parties des couches 13, 14 et 15 qui ont été supprimées par l'attaque chimi- que sont indiquées par des lignes tiretées. La couche 14 (amplificateur à ondes progressives) présente une surface extrême attaquée 17 dans laquelle la lumière est fortement dispersée de façon à ne pas pouvoir être erfiéch t revnir en migrant vers l'entrée du guide d'ondes 12. 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. Dispositif d'amplification optique avec fonction de filtre antiparasite, comprenant un corps constitué de plusieurs couches de matières différentes, caractérisé en ce qu'au moins l'une des couches (1, la, 12) est un conducteur d'ondes lumineuses, en ce qu'au moins une autre des couches (5, 5a, 14) est un conducteur d'ondes lumineuses et amplifie une onde lumineuse (Is, Ib) migrant dans cette couche lorsque l'excitation (I, Q) provenant de moyens de commande (8, 8a, 16) dépasse une valeur nécessaire pour rendre cette autre couche (5, 5a, 14) transparente à l'onde lumineuse, en ce que l'indice de réfraction efficace (Neff) des couches conductrices d'ondes lumineuses (1, 1A, 12 et 5, 5a, 14) varie avec la longueur d'onde (À) de la lumière conformément à différentes dispositions (A et B) pour ces deux couches, l'indice de réfraction efficace (Neff) étant choisi de façon que, pour la longueur d'onde (à0) prévue pour l'amplification, il possède une valeur (NeffO) commune aux deux couches conductrices d'ondes lumineuses et que les couches conductrices (1, la, 12 et 5, 5a, 14) d'ondes lumineuses soient couplées optiquement afin qu'il soit formé un coupleur directionnel dont la longueur d'interaction (2L) est sensiblement égale à un nombre pair de longueurs (L) de couplage pour la longueur d'ondes (Ao) qu'il est prévu d'amplifier, de façon que l'on obtienne une fonc- tion d'amplification aussi bien qu'une fonction de filtrage. 2. Dispositif d'amplification optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent des électrodes (16) situées de part et d'autre du corps (11, 12, 13, 14, 15) et entre lesquelles un courant électrique (I) peut être transmis pour exciter l'autre couche (14). 3. Dispositif d'amplification optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent une source de lumière (8a) située sur un premier côté du corps (7a) et émettant un flux lumineux (Q) destiné à l'excitation de l'autre couche (5a). 4. Dispositif d'amplification optique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les couches conductrices (12, 14) des ondes lumineu- ses sont en arséniure-phosphure d'indium et de gallium et les autres couches sont en phosphure d'indium. 5. Dispositif d'amplification optique selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que l'autre couche (5a) conductrice des ondes lumineuses est en quartz dopé au néodyme, ou en yttrium-aluminium- gren.at- dopré-eou--nédoyme. 6. Dispositif d'amplification optique selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 4, caractéri- sé en ce que l'autre couche (14) conductrice d'ondes lumineuses est plus longue que les électrodes (16), de manière qu'il puisse être formé, dans cette couche, au moins une zone (12) sans courant électrique et dans laquelle la lumière, qui a été éliminée par filtrage, est absorbée. 7. Dispositif.d'amplification optique selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 4, caractéri- sé en ce que l'autre couche (14) conductrice des ondes lumineuses présente une surface extrême (17) attaquée afin que la lumière arrivant sur cette surface extrême soit dispersée. 8. Dispositif d'amplification optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caracté- risé en ce que la longueur d'interaction (2L) est égale à deux longueurs de couplage.