Brevet FR2598860A1 — publié le 19871120

La présente invention concerne de façon générale des sources lumineuses cohérentes, et en particulier des diodes laser. L'invention porte encore plus particulièrement sur des dispositifs et des procédés pour commander la longueur 5 d'onde d'émission et l'intensité de sortie de diodes laser. Le développement et la réalisation pratique de systèmes de détection qui exigent une entrée par signal optique et de systèmes de transmission optiques à fibresfonctionnant avec une cadence de transmission de données élevée, exigent 10 une grande stabilité dans les impulsions optiques qui sont appliquées à l'entrée des fibres optiques. De tels systèmes peuvent utiliser des laser à diodes semiconductrices en tant que sources lumineuses. Il existe au moins trois groupes de diodes laser selon une classification basée sur la structure. Les laser à diodes simples sont appelés des laser à homostructure, du fait qu'ils sont constitués par une seule matière semiconductrice. Une diode laser à homostructure peut comprendre par exemple des régions d'arséniure de gallium de type n et de 20 type p. La combinaison d'électrons injectés de la région n vers la région p. avec des trous, ou des porteurs de charge positifs, dans la région p. provoque l'émission de lumière laser. Toutes les diodes laser comprennent deux faces parallèles polies qui sont perpendiculaires au plan de la jonction 25 des régions de type p et de type n. La lumière émise se réfléchit en effectuant des aller et retour à travers la région située entre les faces polies, et elle est donc amplifiée à chaque passage à travers la jonction. Un laser à semiconducteur à une seule hétérostructu30 re de type caractéristique comprend une couche supplémentaire d'arséniure d'aluminium-gallium, dans laquelle une partie des atomes de gallium de l'arséniure de gallium ont été remplacés par des atomes d'aluminium. Des électrons injectés sont arrêtés au niveau de la couche d'arséniure d'aluminium-gallium, ce 35 qui provoque l'émission d'une lumière laser d'intensité plus 4k -0 élevée que celle qu'on obtient habituellement avec un laser à diode à homostructure. Un laser à semiconducteur à double hétérostructure de type caractéristique comprend trois couches d'arséniure de gallium séparées par deux couches d'arséniure d'aluminiumgallium. La présélection de matières de type n ou de type p augmente encore davantage l'intensité du faisceau laser émis. L'intensité et la longueur d'onde de la lumière émise par une diode laser varient en fonction de la tempéra10 ture de fonctionnement et du courant d'injection qui est appliqué à la diode pour lui fournir des électrons. L'utilisation effective d'une diode laser en tant que source lumineuse exige souvent une émission d'intensité et de longueur d'onde connues. L'intensité comme la longueur d'onde sont des fonc15 tions non linéaires du courant d'injection et de la température de fonctionnement de la diode laser. Des procédés antérieurs pour la régulation de la longueur d'onde ou de l'intensité d'émission ont utilisé des systèmes de commande à une seule variable, dans lesquels on fait varier la température ou le courant d'injection pour régler la longueur d'onde. De tels systèmes peuvent présenter un couplage du type d'un oscillateur harmonique amorti entre le courant d'injection et la température. Des systèmes de commande antérieurs qui régulent l'intensité et la longueurd'onde 25 ont l'inconvénient d'exiger des durées excessivement longues pour atteindre la longueur d'onde et l'intensité désirées. Dans certaines situations opérationnelles sévères, les valeurs désirées de longueur d'onde et d'intensité ne sont jamais obtenues, du fait que le système oscille autour des va30 leurs désirées. L'invention procure un dispositif et un procédé perfectionnés pour commander la longueur d'onde d'émission et l'intensité de sortie d'une diode laser. Le dispositif et le procédé de commande de l'invention procurent la possibili35 té de réduire le temps nécessaire pour obtenir des valeurs désirées d'intensité et de longueur d'onde pour le signal de sortie d'une diode laser, en conformité avec des retards thermiques. La stabilité de la commande est améliorée à cause du système en boucle fermée, qui procure une intensité et une longueur d'onde qui tendent de façon exponentielle vers les valeurs désirées, sans couplage entre le courant d'injection et la température. L'aptitude à fixer des constantes de temps de façon indépendante pour le courant et la température procure plusieurs avantages dans la conception de systèmes prati10 ques dans lesquels des retards thermiques retardent la réponse en température. Le procédé de l'invention pour commander simultanement l'intensité et la longueur d'onde d'un signal optique de sortie d'une diode laser peut comprendre les opérations con15 sistant à détecter l'intensité du signal optique et à comparer l'intensité détectée avec une valeur d'intensité désirée, pour produire un signal d'erreur d'intensité. Le procédé peut en outre comprendre les opérations consistant à détecter la longueur d'onde du signal optique et à comparer la longueur d'on20 de détectée avec une valeur désirée de la longueur d'onde, pour produire un signal d'erreur de longueur d'onde. Le procéde comprend en outre les opérations consistant à produire un signal d'erreur de température qui est fonction des signaux d'erreur de longueur d'onde et d'intensité, et à produire un 25 signal d'erreur de courant d'injection qui est fonction des signaux d'erreur de longueur d'onde et d'intensité. Le procédé de l'invention comprend également les opérations consistant à régler la température de la diode laser en fonction du signal d'erreur de température, et à régler le courant d'injection 30 de la diode laser en fonction du signal d'erreur de courant d'injection. L'opération consistant à déterminer l'erreur de température peut comprendre les opérations consistant à calculer le signal d'erreur de longueur d'onde en fonction du taux 35 de variation de l'intensité du signal optique par rapport au courant d'injection de la diode laser, à une température de fonctionnement prédéterminée de la diode laser, et en fonction du taux de variation de la longueur d'onde du signal optique par rapport au courant d'injection de la diode laser, à une température de fonctionnement prédéterminée de la diode laser. L'opération de détermination du signal d'erreur de courant d'injection peut comprendre les opérations consistant à calculer le signal d'erreur de longueur d'onde en fonction 10 du taux de variation de la longueur d'onde par rapport à la température de la diode laser pour un changement prédéterminé du courant d'injection de fonctionnement, et en fonction du taux de variation de l'intensité par rapport à la température de la diode laser pour un courant d'injection de fonctionne15 ment prédétermine. Un dispositif destiné à commander simultanément l'intensité et la longueur d'onde d'un signal de sortie optique d'une diode laser comprend des moyens destinés à détecter l'intensité du signal optique et des moyens destinés à compa20 rer l'intensité détectée avec une valeur désirée de l'intensité, pour produire un signal d'erreur d'intensité. Le dispositif comprend en outre des moyens destinés à détecter la longueur d'onde du signal optique, et des moyens destinés à comparer la longueur d'onde détectée avec une valeur désirée de 25 la longueur d'onde, pour produire un signal d'erreur de longueur d'onde. Le système comprend en outre des moyens destinés à produire un signal d'erreur de température qui est fonction des signaux d'erreur de longueur d'onde et d'intensité, et des moyens destinés à produire un signal d'erreur de courant d'in30 jection qui est fonction des signaux d'erreur de longueur d'onde et d'intensité. Le système comprend également des moyens destinés à régler la température de la diode laser en fonction du signal d'erreur de température et des moyens destinés à régler le courant d'injection de la diode laser en 35 fonction du signal d'erreur de courant d'injection. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexes sur lesquels: la figure 1 est un schéma synoptique du circuit de l'invention; la figure 2 est une représentation graphique de la variation de longueur d'onde en fonction de la température d'une diode laser; et la figure 3 est une représentation graphique de la variation de longueur d'onde en fonction du courant d'injection dhune diode laser. L'intensité et la longueur d'onde d'une diode laser sont des fonctions non linéaires du courant d'injection et de 15 la température de fonctionnement de la diode laser. Si on fait fonctionner une diode laser dans des plages de température et de courant étroites, l'intensité optique, la longueur d'onde optique, le courant d'injection et la température de la diode laser sont liés par les relations: AI = (aI/ai)To Ai + (èI/T)io AT (1) A:= (àA/i)To ti + (Da/T)io AT (2) dans lesquelles: AI est la variation d'intensité du signal optique de sortie de la diode; AX est la variation de longueur d'onde du signal optique de sortie de la diode laser; hi est la variation du courant d'injection; AT est la variation de température de la diode laser; ( I/ i)To est la variation d'intensité due à une variation du courant d'injection au voisinage de sa valeur de fonctionnement io à une température constante; ( àI/ T)io est la variation d'intensité due à une variation de la température de la diode laser au voisinage de 35 sa valeur de fonctionnement To pour une valeur constante du courant d'injection; ( / Di)To est la variation de longueur d'onde optique due à une variation du courant d'injection au voisinage de sa valeur de fonctionnement i à une température constante; et (y)k/ 'bT)io est la variation de longueur d'onde due à une variation de la température dela diode laser au voisinage de sa valeur de fonctionnement To pour une valeur constante du courant d'injection. Les dérivées partielles définies ci-dessus sont des 10 paramètres qu'on peut mesurer pour une diode laser donnée. Il est en principe possible de réaliser un circuit de commande permettant de régler l'intensité et la longueur d'onde à des valeurs spécifiques, en faisant varier le courant et la température de la diode au voisinage des valeurs de fonctionnement io et To. On obtient les équations de commande en résolvant les équations (1) et (2) par rapport à i et A T: AAi: [(èX/)T)ioAI - () I/ T)io AI]D1 (3) A T =U[( / i)ToAI + (y I/ i)To à]D-1 (4) D =( I/ i)To(iA/ lT)io - (I/) T)i0( /? i)To (5) On suppose que la quantité D définie ci-dessus dans l'équation (5) n'est pas nulle dans les plages des variables auxquelles on s'intéresse. On peut écrire les équations (3) et (4) sous une forme plus simple, de la manière suivante: 1I = [EAI + BA] (6) AT = [C AI + Ah k (7) avec: A = (?I/ i)ToD-; (8) B = -( I/T)ioD 1; (9) C = -( a'/i)ToD; et (10) E = (/ T)i DoD' (11) En considérant la figure 1, on voit un circuit de commande 10 comprenant un capteur 16 qui produit un signal de sortie représentatif de la longueur d'onde de la lumière émise par une diode laser 14. Le faisceau de sortie de la diode laser 14 tombe sur un premier diviseur de faisceau 15, qui transmet sans déviation la majeure partie de la lumière de sortie de la diode laser, pour lui permettre de se propager vers un autre dispositif (non représenté) qui est placé de façon à recevoir la lumière provenant de la diode laser 14. Une partie I r de la lumière de sortie de la diode laser est réfléchie par le diviseur de faisceau 15 vers un second diviseur de faisceau 17, qui dirige une partie Irl de l'intensité Ir vers 15 le capteur de longueur d'onde 16. Le capteur de longueur d'onde 16 peut être constitué par n'importe quel dispositif bien connu tel qu'un détecteur à absorption ou un détecteur de Faraday dans une vapeur de métal alcalin. Une seconde partie Ir2 de l'intensité Ir atteignant 20 le second diviseur de faisceau traverse celui-ci pour tomber sur un capteur d'intensité 12. Le capteur d'intensité 12 produit un signal de sortie représentatif de l'intensité de la lumière émise par la diode laser 14. Le capteur d'intensité 12 peut être par exemple une photodiode. Il existe de nombreux 25 procédés connus pour déterminer l'intensité et la longueur d'onde d'une diode laser, et les procédés donnés ici ne constituent que des exemples de procédés qui ont été trouvés satisfaisants pour la mise en oeuvre de l'invention. En considérant la figure 1, on note que le circuit 30 de commande applique à un circuit de sommation 18 un signal représentatif d'une estimation du courant désiré Io. De façon similaire, le circuit de commande applique à un circuit de sommation 20 un signal représentatif d'une estimation de la longueur d'onde désirée \ O. Les circuits soustraient les va35 leurs désirées I et Ao par rapport aux estimations I et A, pour produire les signaux d'erreur respectifs: I - Io = I (12) -; Ao = A (13) Les valeurs de AI et tk; données ci-dessus sont traitées pour obtenir des estimations de l'erreur Ai relative au courant d'injection et de l'erreur AT relative à la température de la diode laser 14. Ces erreurs sont intégrées par rapport au temps pour obtenir le courant d'injection et la température désirés. En considérant la figure 1, on note qu'un signal re10 présentatif de la longueur d'onde désirée tA, émis par le circuit de sommation 20, est appliqué à des entrées d'une paire de circuits multiplicateurs 22 et 24. Le circuit multiplicateur 22 multiplie le signal /AA par A = (@ I/Di)ToD 1 et le circuit multiplicateur 24 multiplie le signal AE par B = -(a I/ T) i.oD1 De façon similaire, le circuit de sommation 18 émet un signal représentatif du courant désiré I vers une paire de circuits multiplicateurs 26 et 28. Le circuit multiplicateur 26 multiplie le signal de courant par -C = -( / T). ioD, et le circuit multiplicateur 28 multiplie 20 le signal de courant par E = (a>/,T). oD-1. 0Le signal de sortie AA du circuit multiplicateur 22, et le signal de sortie CAI du circuit multiplicateur 26 22, et le signal de sortie C AI du circuit multiplicateur 26 sont appliqués aux entrées d'un circuit de sommation 30. Le signal de sortie du circuit de sommation 30 est AT: [-(b /i)ToAI + ( I/'i)ToA 1D-. Le signal de sortie BAS du circuit multiplicateur 24 et le signal de sortie E AI du circuit multiplicateur 28 sont appliqués aux entrées d'un circuit de sommation 32. Le signal de sortie du circuit de sommation 32 est Ai =[ (T/)T)io> I - (D I/)ioAT D 1. 10 Un intégrateur 33 intègre le signal de sortie du circuit de sommation 30 pour produire un signal de commande de température To, qui est appliqué par l'intermédiaire d'un limiteur 34 à un dispositif de commande de température 35 qui est en contact thermique avec la diode laser 14. Le limnteur 34 évite que des courants excessifs n'atteignent le dispositif de commande de température 35. Le dispositif de commande de température 35 peut faire l'objet de différents modes de réalisation. Un dispositif à effet Peltier constitue un type de dispositif de commande de température qui fonctionne de façon sa5 tisfaisante dans l'invention. L'effet Peltier est un phénomène bien connu se manifestant dans des corps à l'état solide, sous l'action duquel la température d'une jonction entre deux métaux différents varie sous l'effet de l'application d'un courant électrique à cette jonction. De façon similaire, un intégrateur 37 intègre le signal de sortie du circuit de sommation 32 pour produire un signal de commande de courant d'injection Io0, qui est appliqué à la diode laser 14 par l'intermédiaire d'un limiteur 36. Le limiteur 36 évite l'application de courants d'injection exces15 sifs à la diode laser 14, afin d'empêcher la destruction de celle-ci. Si les dynamiques des variables dépendantes, c'està-dire la longueur d'onde X et l'intensité I, sont limitées à de petites plages de fonctionnement au voisinage des points de 20 commande o et Io,0 on peut exprimer la longueur d'onde et l'intensité par un développement en série de Laurent sous la forme: A=) O + Et /) T + Ah /ôBi (14) et I Io + I/ bT + *I/'i, (15) tous les termes d'ordre supérieur étant considérés comme négligeables. Le circuit de commande de la figure 1 est régi par les équations suivantes: et1 J[A(X-0) + C (I-Io)] dt = T (16) et 7-1 I[B(A-) + E (I-Io)] dt = i (17) dans lesquelles ri et 772 sont des constantes de temps et les autres termes ont été définis précédemment. On peut égale- ment écrire les équations de commande de la façon suivante: dldT/dt = A(Ao) + C(I-I) (18) et T2di/dt = B(A -) + E(I-Io) (19) Pour simplifier la notation, on peut écrire les dérivées partielles dans les équations cidessus de la manière suivante: ( = I/ Di \ i=io;: I/ Ta T To; =: / i i =i o; et ú= ? /T IT=To On peut écrire les développements en série de Laurent de la manière suivante: 10 X =:0o + E (T - TO) + Y(i - io0) (20) et I = Io + p (T - To) + 0 laser 14. On considérera le cas dans lequel les coefficients A, B, C et E sont fixes égaux aux dérivées partielles Ik= AD; t= -BD; t = -CD et ú = ED. Lorsqu'on introduit ces valeurs dans l'équation (23), les solutions pour le courant d'injection et pour la température se découplent et se réduisent à de sim20 ple exponentielles. Par conséquent, l'incorporation des termes croisés faisant intervenir B et C découple effectivement les réponses temporelles pour le courant et la température. Le fait de découpler les réponses temporelles pour le courant et la température permet de régler indépendamment les constantes 25 de temps des expressions exponentielles pour le courant d'injection et pour la température. En procurant la possibilité de régler indépendamment les constantes de temps des variations du courant d'injection et de la température, le dispositif et le procédé de l'invention permettent d'obtenir la longueur d'onde et l'intensité de signal désirées en un temps optimal. On peut régler les constantes de temps à des valeurs appropriées pour éviter des oscillations de la longueur d'onde et de l'intensité autour des valeurs désirées, ce qui élimine ainsi les inconvénients de systèmes antérieurs pour commander des signaux de sortie de diodes laser. On peut déterminer les valeurs des dérivées partielles utilisées dans l'analyse ci-dessus en mesurant a,/ DT et A/a I pour la diode laser 14. Par exemple, en considérant la figure 2, on note que pour une longueur d'onde de repos ?0 de 780 nm, le dérivée partielle 'A/ T est égale à la pente de la courbe et elle a une valeur d'environ 0,0605 nanomètre par degré Celsius. En considérant la figure 3, on note que pour une longueur d'onde de repos A de 795 nm, la dérivée part:el'k/ i est d'environ 0,0196 nanomètre par milliampère. On peut déterminer les dérivées partielles 'I/ T et ?I/) t à partir de mesures 'du taux de variation de l'intensité sous l'effet de petites variations de température 15 au voisinage de la température de fonctionnement sélectionnée de la diode laser 14, et à partir de mesures du taux de variation de l'intensité pour de petites variations du courant d'injection au voisinage du courant de fonctionnement. Si de petites erreurs sont présentes dans les mesures des dérivées 20 partielles, on peut approcher les solutions données ici, correspondant à de petites perturbations, par une superposition linéaire d'une exponentielle réelle et d'une petite composante harmonique due au faible niveau de couplage entre le courant d'injection et la température. La composante harmonique est 25 amortie et apparaît seulement après avoir été excitée par le bruit du système ou par une perturbation externe, et elle n'a pas d'effets nuisibles sur les performances du système. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits et repré30 sentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour commander simultanément l'intensité et la longueur d'onde d'un signal de sortie optique d'une diode laser (14), caractérisé en ce qu'il comprend les opéra6 tions suivantes: on détermine des variations temporelles du courant d'injection de la diode laser (14), à partir d'une valeur du courant d'injection qui correspond à une intensité sélectionnée et à une longueur d'onde sélectionnée du signal de sortie optique de la diode laser; on détermine des varia10 tions temporelles de la température de fonctionnement de la diode laser, à partir d'une valeur de la température de fonctionnement qui correspond à une intensité sélectionnée et à une longueur d'onde sélectionnée du signal de sortie optique de la diode laser (14); on découple des variations du courant 15 d'injection en fonction du temps, vis-à-vis de variations de la température de fonctionnement en fonction du temps; et on règle le courant d'injection et la température de fonctionnement, de façon mutuellement indépendante, pour maintenir l'intensité et la longueur d'onde du signal de sortie de la 20 diode laser dans des limites prédéterminées par rapport à leurs valeurs sélectionnées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les opérations suivantes: on détecte l'intensité du signal optique; on compare la valeur sélectionnée de l'intensité avec la valeur détectée de l'intensité, pour produire un signal d'erreur d'intensité; on détecte la longueur d'onde du signal optique; on compare la valeur sélectionnée de la longueur d'onde et la longueur d'onde détectée, pour produire un signal d'erreur de longueur d'onde; on produit un signal d'erreur de température qui est fonction des signaux d'erreur de longueur d'onde et d'intensité; on produit un signal d'erreur de courant d'injection qui est fonction des signaux d'erreur de longueur d'onde et d'intensité; on règle la température de la diode laser (14) 35 en fonction du signal d'erreur de température; et on règle le courant d'injection de la diode laser (14) en fonction du signal d'erreur de courant d'injection. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les opérations suivantes: on dé5 termjne des variations temporelles du courant d'injection de la diode laser (14) pour une température de fonctionnement fixée; et on détermine des variations temporelles de la température de fonctionnement de la diode laser (14) pour un courant d'injection fixé. 4. Dispositif destiné à commander simultanément l'intensité et la longueur d'onde d'un signal de sortie optique d'une diode laser (14), caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens (10) destinés à déterminer des variations temporelles du courant d'injection de la diode laser (14) à partir 1I5 d'une valeur du courant d'injection qui correspond à une intensité sélectionnée et à une longueur d'onde sélectionnée du signal de sortie optique de la diode laser (14); des moyens (10) destinés à déterminer des variations temporelles de la température de fonctionnement de la diode laser (14), à partir 20 d'une valeur de la température de fonctionnement qui correspond à une intensité sélectionnée et à une longueur sélectionnée du signal de sortie optique de la diode laser (14); des moyens (10) destinés à découpler des variations du courant d'injection en fonction du temps, vis-à-vis de variations de 25 la température de fonctionnement en fonction du temps; et des moyens (33-37) destinés à régler le courant d'injection et la température de fonctionnement de façon mutuellement indépendante, pour maintenir l'intensité et la longueur d'onde du signal de sortie de la diode laser (14) dans des limites pré30 déterminées de leurs valeurs sélectionnées. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: des moyens (12) destinés à détecter l'intensité du signal optique; des moyens (18) destinés à comparer l'intensité détectée avec la valeur sélec35 tionnée de l'intensité, pour produire un signal d'erreur d'in- tensité; des moyens (16) destinés à détecter la longueur d'onde du signal optique; des moyens (20) destinés à comparer la longueur d'onde détectée avec la valeur sélectionnée de la longueur d'onde, pour produire un signal d'erreur de longueur d'onde; des moyens (22, 26, 30) destinés à produire un signal d'erreur de température qui est fonction des signaux d'erreur de longueur d'onde et d'intensité; des moyens (24, 28, 32) destines à produire un signal d'erreur de courant d'injection qui est fonction des signaux d'erreur de longueur d'onde et d'intensité; des moyens (33, 34, 35) destinés à régler la température de la diode laser (14) en fonction du signal d'erreur de température; et des moyens (36, 37) destinés à régler le courant d'injection de la diode laser (14) en fonction du signal d'erreur de courant d'injection. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens destinés à déterminer des variations temporelles du courant d'injection de la diode laser (14) pour une température de fonctionnement fixée; et des moyens destinés à déterminer des variations temporelles de 20 la température de fonctionnement de la diode laser (14) pour un courant d'injection fixé.