Brevet FR2648281A1 — publié le 19901214

DESCRIPTION LASER A SEMI-CONDUCTEUR STABILISE EN LONGUEUR D'ONDE. La présente invention a pour objet un Laser à semi-conducteur staoilisé en Longueur d'onde. ELLe trouve une application en téLécommuni- cations optiques. Elle s'applique à tous les lasers à semi-conducteur et notamment aux lasers à simple ou doubLe hétérostructure en alLiage iI -V. Il peut s'agir par exemple, mais non exclusivement, de lasers a GaAs, GaAlAs, InGaAs, GaAsP, InCaAsP, InP, etc... Dans le domaine des télécommunication$ optiques, il existe un réel besoin de sources Laser offrant une grande staoilite ce fréquence. Ce n'est qu'a cette condition qu'on pourra mettre en oeuvre les techniques de la radioéLectricité comme La modula- ticr., la cémoouLation, etc... La stabi Lisation en fréquence des Lasers en général et des lasers à semi-conducteur en particu- ier, est une technique Largemert connue aujourd'hui. Plusieurs solutions ont été proposées: asservissement de La fréquence à un mode oe résonance d'un étaLon Fabry-Pérot ou à une raie d'absorption o'un gaz, syn- cnronisation sur un autre Laser, lui-même stabilise, etc... Pour faciliter l'obtentior.n de cette stabi- lité, le Laser à stabiliser est choisi ou modifié pour présenter edéjà une certaine stabilité de fréquence. On peut ainsi opérer par tri de doubles hétérostructures pour ne retenir que Les -composants dont l'aLLiage conduit à la fréquence centrale souhaitée; il est également possible de réduire la largeur propre d'émis- sion en allongeant la cavité résonnante au moyen d'un miroir auxiliaire extérieur (contre-réaction optique); on peut enfin avoir recours à un réseau de diffraction BAD ORIGINAL disposé Le Long de La zone active (laser dit "DFB" pour "Distributed Feed-Back" ou encore "DBR" pour "Dis- trioured Bragg Reflection"). Cet ètat de la technique est décrit par exemple dans L'articLe de Motoichi OHTSU intitulé "Fre- quency StaoiLization in Semi-Conductors Lasers' publié dans La revue "Optical and Quantum Electronics", vol. 20, (1988), pages 283-300. Cependant, ces techniques connues prOsen- tent des inconvénients. La méthlode du tri des hétéro- structures conduit à des rendements de fabrication bas. Le recours à La contre-réaction optique par miroir auxiliaire externe pose des problemes mécaniques diffi- ciLes et conduit a des stru:ttures complexes et lourdes À15 de mise en oeuvre. Quant aux lasers à réseaux distri- Dués le long ce la zone active, ils ne sont obtenus qu'aua prix d'une complication des procécés de fabrica- tion, due à des reprises a'épitaxie. La présente invention a justement pour tut ce remédier à tous ces inconvénients. A cette fin, eLle propose un moyen de stabi lisation particulièrement simple à mettre en oeuvre et qui évite tous les écueils de l'art antérieur. Selon l'invention, on dispose dans la cavité du laser un cristaL dopé en ions ae terre rare. On rappelle à ce sujet que de tels ions possèdent un état fondamentaL et un premier état électronique excité. Du fait du champ électrique créé par le réseau cristal- lin, ces niveaux sont décomposés en sous-niveaux. (effet Stark). Les ions présentent alors des séries de raies d'absorption correspondant à ces transitions de l'état fondamental vers l'état excitè et des raies d'émission correspondant à des transitions inverses. Ces deux séries de raies sont lègerement décalées l'une par rapport à l'autre, les raies d'émission se situant BAD ORIGINAL a une énergie un peu plus faible, conr a une longueur d'onde un peu plus grande. Selon l'invention, on c r cit la:omzcsi- tion du cristal et la nature des ion s pour que les plages d'absorption et d'émission tomoent dans la bande d'émission spontanée du mi Lieu amoLi-ficateu- semi-conducteur. Il se produit alors un transfert d'énergie des plus courtes Longueurs:'once vers Les plus grandes longueurs d'onde, comme cn le comprenora mieux par la suite. La longueur c'onde de la raie d'émission la plus intense de l'ion terre rare se trouve être privilégiée et c'est sur cette longueur c'cn e Que le laser va osciller. 0 cette raie est remarquablement stazle puisqu'il s'agit C'une transition atomique d'un ion dans un reseau cristal. n. La variation relative ce longueur c'onde c'une tele raie est particulièrement faible lorsque la temperature varie: quelques 10-6 par aegré C. La valeur de la longueur d'onde stabilisée 2C dépena d'abora ce L'ion de terre rare utilisé, et dans une mesure moindre au réseau cristaLrin, lequeL impose u n champ électrique auJx ions, déeaça-t a n si les ni- veaux par effet Stark. L'intensité du champ cristalLin peut ainsi varier de plus d'un facteur 3 entre NaCl3 et Y3ALC012:Nc par exemple. Ainsi, pour ce qui est ce L'ion terre rare, on pourra utiliser: - Sm2+ pour une longueur d'once voisine oe 0,65 m à 0,7,j.)m, - Nd3+, Yc3+ pour une longueur d'once voisine de 0,81,.,m à 1lQm, - Tm2+ pour une longueur d'onde voisine de 1,2/.m, - Er3+ pour une longueur d'onde voisine oe 1,5, m, - Tm3 , Ho3+ pour une longueur d'onde vclsine ce 2 m. BAD ORIGINAL Pour ce qui est du cristal, une grande variété de matériaux est possible. On peut citer: Y3Al5012, LaCL3, LaF3, LaP5014, CaWO4, LiYF4, Na5La(W04)4, LiLaP4012, KLaP4012, etc... Les propriétés des cristaux dopés en ions ae terre rare sont étudiées dans un article de l'inven- teur de la présente invention, F. AUZEL, article intitu- lé "A Scalar Crystal Field Parameter for Rare Earthr Ions; Meaning and Application to Energy Transfer", publié dans l'ouvrage "Energy Transfer Processes in Condensed Matter", édité par B. Di BARTOLO, (PLENNUM), 1984. Selon une autre disposition avantageuse de L'invention, on donne au cristal une forme teLLe qu'1 L proauise une sélection de mode. En donnant au crista stati lisateur la forme d'une lame mince apte d jouer le rôle d'étalon Fabry-Pérot, cet étalon pourra ne présenter qu'un seuL mode longitudinal dans la raie atomique. En d'autres termes, l'intervalle spectral Libre, donné classiquement par la formule c/2nL o c est la vitesse de La lumière, n l'indice du cristal et L l'épaisseur ae la lame, devra être proche de ou supérieure à la largeur F de la raie d'émission de l'ion de terre rare. On s'efforcera donc de prendre une épais- seur L supérieure ou égale à c/2n OF. Pour n=1,5, t F=lcm 1, on obtient une épaisseur L de 1 mm. Selon une autre disposition avantageuse de l'invention, on utilise plusieurs cristaux de compo- sition différente dopés avec la même terre rare. Pour les raisons évoquées plus haut, on obtiendra plusieurs longueurs d'onde priviligiées. Le laser sera alors multilongueur d'onde et trouvera une application en multiplexage optique. De toute façon, les caractéristiques de BAD ORIGINAL VNIDIO aVI nlaeDLLadwe nlat LW un Jnod apuop jnan6uol el ap UOL UOO ua ue6 np suOL2eLJeA sal a uasaJdaj 9 uLe6 ap aeJnoD el ' aJn6L el ap ewaqos al uOlas JnaleOL4Lldwe naLI LW np uLe5 al JaLLtpow e AJasee un,P lLAe:D el suepDe2 'OdOp LSULJe Je2SLJ4 un O (Saols aa) aenbLsselI 1sa uOL; dJOsqe,1 ij odde Jed UOLSSLwa, ap apuop sinan6uol s aueJb sai SjaA a 6eleDsDap al ' e uawepuo le *aA at xa ai a,1 ap SUoLjLSUeJ xn e uotSSLWap S:Ld C a c>aels aJa jed aedas luaGwaîe5a)a L a anb LuoJL I aea JaL wa dae sJaA (aJeAS:aa *ed aJe os) a leuauepuo; eIa, 1 ap sanbLwoie suoL4LSUeJJ salu J;LD xne.uaDuosaJjo uoL;dJOs3eD S:L sal aD -UO,; Jnan5uoî e' ç LusaSJoD sassLOsqe sa0 axe,- 3() uo LSS LwD al:as al:a aJeJ a JJa sO L SaO a^e 0aoC lesLJD un,p ( u) uOL dJCSaep aJ Dads a8 'arbL ewauDs aJaLuew ap 'L a.niL el Jfns.uasaJCaJ e uo uoL.ua ua I e aw o4uoD jasea unp uo LeSLleCJ aD aCow aWaLSLoJL un ea:snlL 5 a Jn6L el - UOLlue AuLA 1 ç wJouoD Jasel un,p UOL;eSL*'eJ aP cL accwj ewarpLn un aJ snîîL 7 a jn6L 5L E_ u OLM uaa^ULA ? ç e.UO0 Jasel UnID uOL:eSLle J aP aPoC Js:uaJd un 3JlsnhlL ú aun6LJel - nleSLl.qels ó2oD leSLSJ un îa JneDmDuoz-Lwas Jn;efiL LIe un lueuaJdwoo aeLsodwoD alqwasua OL un.^ aela 13 anal:npuoDLwas Jna eDL.tLce naLlL.w Unp, ULPe aD eCJro0 el aJuow z aJn6tL; el - qelSLJD Un suep.eaJ eJJJl UOL 'np UOLSSLWa-LUOLIdJOSqeip aJ eds un luawanbL:ewas aJzuow L a8n6L el - : slanbsal ins saxauue SuLsSa se e ç a iaJ as:a S e zL wL uou saedwa a sep Jrs eOad UOLICLJ2saC a ae a'^Lns e^A r uo CLLJD -sap el ea aaL 'nl el e xnaLw luoJlLeJeade uoLuaauL,. s à semi-concucteur classique. La présence au cristal doré diminue le gain dans la zone c'absoroticr et l'aug- mente dans la zone d'émission pour Cor er une courte G' qui est, grosso modo, au-dessous de la courbe G pour les basses Longueurs d'onde et audessus de G pour les plus grandes longueurs d'onde. Si le résonateur présente des pertes P, L'oscilLation ne sera possible aue pour La longueur d'onde o Le gain L'emportera sur ces pertes. L'osci L- Lation se produira ainsi à la long.eur d'onde Xo, qui n'est plus déf inie par le sommet de la couroe ce gain du mi lieu amplificateur à semiconducteur, comme dans 'ar antérieur, avec toutes tes fluctuations qui peuvent en résulter, mais par La raie o'emission propre à l'ion terre rare, avec la stabilité qu'on connalt aux raies atomiques. Les figures 3à 5 montrent quelques exem- ples de réalisation de lasers conformes à l'invention. Le laser illustré sur La figure 3 comDrend un milieu amp ificateur 10 en forme de double hétéro- structure avec jonction PN référencée 12. La structure semi-conductrice est aLimentée en courant par une source 14. La face avant 16 de l'nhétérostructure est clivée. La face a-rière est recouverte d'une couche anti-reflet 18. Une lame mince 20 de cristal dopé en ions de terre rare est disposée entre la couche anti-reflet 18 et un miroir sphérique 22. L'émission cohérente stabilisée en longueur d'onde s'effectue par l'avant (référence 23). Dans une variante plus compacte illustrée par la figure 4, la lame mince cristalline aopée 20 est plaquée sur la couche anti-ref let 18 et une couche réfléchissante 24 est déposée sur la face arrière de la lame. BAD ORIGINAL La variante illustrée sur la figure 5 djffere des précédentes par L'uti Lisation d'une fibre cPt que 26 aisposée entre la lame crista' Line 20 et le miroir 22. Cette fibre est avantageusement autofoca- tisante. Sur cette figure, on a représenté en outre une deuxième lame 20' faite d'un cristal différent de ceLui Ce la lame 20 mais dopée par les mêmes ions. A titre d'exemple non Limitatif, on va décrire un Laser conforme à l'invention émettant sur un seul mode longitudinal ("monomoae" ou "monofréquen- ce") stabilisé à 1,5335.,Jm. Le milieu ampLificateur est constitué c'une doucle hétérostructure en alliage quaternaire dont La zone active est en InGaAsF. L'émission naturelle c'une telle structure se situe entre 1,480 et 1,525 Am selon la composition. La structure est stacilisée par fi cristaL de LiYF4 dopé à l'erbium, de formule LiY1-_xErxF4 ou x est compris entre 10'4 et 1. La valeur ce x dépend à la fois de la puissance disponible dans La cavité, oe l'épaisseur de la lame cristalline et ce La concentration en ions Er3'. Plus la puissance est importante et plus x peut s'écarter de l'unité et plus l'épaisse-r Ou cristal peut être choisie faible. De façon plus précise, dans le cas d'une acsorption uniforme dans le cristal stabilisateur on a la relation approchée: 1 hF LN > 2T sr o T déesigne la durée de vie du niveau excité de la terre rare et est pris égal à 10 ms, F est la fréquence, soit 2x1014s-1 pour une longueur d'onde de 1,54A...m, s est la section efficace d'aDsorption et est prise égale à 10-20cm-2, 0 est le flux optique incident sur le cristal en Wcm2, N est la densité d'ions, L est l'épaisseur du cristal stacilisateur, BAD ORIGINAL h est la constante de Planck, r est le rendement quantique oui peut u tre pris égal à l'unité. Le second membre de L'inegalité est cooc sensiblement égal à 6,6x1022 (Wcm-4). a) En prenant x=l, on a N=1,4x1022cm-3; en conséquence, L doit être supérieur à 5Wcm-1. Pour un Laser ayant _re pissance ce 5mw dans la cavité, avec une zone active de 5,;mxC,1_,m, soit 5.10-8( p.m)2, Le flux sera de 105W/cm2. L'épais- seur L du cristal devra donc être supérieure à 5.10-5cm, soit supérieure à un demi micromètre. Cet exemple montre cue si le cristaL staci- lisateur a une grande concer:ntrat.on en ions de terre rare, iL peut être très mince (0,5 Àm) et constitué par exemple d'une couche disposée sur La face anti-refLet de l'hétérostructure. Mais la quaLité du matériau ainsi déposé peut laisser à désirer et le rendement quantique diminuer. On peut donc préférer cno sir une concen- tration en ions plus faible (x inférieur à 1). t) A l'autre extrémité de la plage offerte à x on peut choisir x=0,001, ce qui correspond a N=1,4x1919cm-3 et, avec les mêmes hypothèses sur la puissance, l'épaisseur L doit alors être suoérieure à 100,vm. Si le flux lumineux correspond à une puis- sance 10 fois plus faible, l'épaisseur L devient au minimum égale à 1000 m. Si l'on veut simultanément que la lame cristalline agisse comme sélecteur de mode longitudinal, il conviendra de ne pas lui donner une épaisseur supérieure à la valeur qui donne à l'intervaLLe spectral liore la valeur de la largeur de raie d'émission, à savoir sensitlement 3,3 cm-1. BAD ORIGINAL On a vu que l'épaisseur Limite est de l'orle cu millim tre. c) Entre ces deux extrêmes (x=1 et x=0,001), or, pourra prendre par exemple x=',1, SOit N=1,4x1021cm-3 ce qui donne une épaisseur de L=C,3 mr. Une telle lame mince pe-t etre otenue par poLissage. On dépose sur l'u-e ae ses ra:es une couche d'or réfléchissante destinee a jouer Le rôLe de miroir à haute réflectivité à la longueur d'onde Ce 1,5335 Jm. La face arrière de la couche héterostruc- ture en InGaAsP est traitée anti-ref lel par une cocte de Si0 procuisant une réflexior inferleure a 1 0-2 L'assemolage seLon la figure 4 s'effectue a l'aae c5 cecollages minces de maniére a re pas détr ire Le paralléLisme des surfaces. Des coLles de type cyanro- acrylate ou epoxy dc tes "pour opques:R" coni1ennent bien. BAD ORIGINAL REVENDICATIONS 1. Laser à semi-conducteur comprenant un milieu amplificateur (10) à jonction semi-conductrice (12) et au moins un miroir (22), la jonction (12) étant réunie à une source de courant (14) et présentant une bande d'émission spontanée, ce laser étant caractérisé par Le fait qu'il comrend en outre, pour le stai liser en longueur d'onde, au moins un cristal (20) dopé avec des ions de terre rare, disposé entre le miroir (22) et le milieu amplificateur (10), ce cristal ayant un spectre d'absorption et d'émission tonmant dans la bande d'émission spontanée du milieu amplificateu-, Le laser émettant alors à une longueur d'onoe correspon- cant à une raie d'émission de l'ion terre rare. 2. Laser à semi-conducteur selon la reven- aication 1, caractérisé par le fait que les ions terre rare sont choisis cans le groupe constitué par: - Sm2+ pour une longueur d'onde voisine de 0,65,vm à 0, 7m, - Nd3+, Yb3+ pour une longueur a'onde voisine de 0,81m 1 mÀ - Tm2+ pour une longueur c'onde voisine ae 1,2,m, - Er3+ pour une longueur d'onde voisine de 1,5,m, - Tm3+, Ho3+ pour une longueur d'onde voisine de 2,. m. 3. Laser à semi-conducteur selon la reven- dication 1, caractérisé par le fait que le cristal est pris dans le groupe constitué par LiYF3, Y3AL5012, LaCL3, LaF3, LaP5014, CaW04, LiYF4, Na5La(W04)4, LiLaP4012, KLaP4012. 4. Laser à semi-conducteur selon les reven- dications 2 et 3, caractérisé par le fait que le cristal oopé est de formule LiYlxErxF4 o x est compris entre O et 1 (borne inférieure exclue). 5. Laser à semi-conducteur selon la reven- dication 1, caractérisé par le fait que le cristal BAD ORIGINAL 7VNIElMO OV8 apuo, p sJnan6uol sJnraLsnld Jns asL L.qeSS sJo]e uea Jasel Oú al 'aJeJ aJJ a SUZL saWLaw s1l a UeuagUO S LeW aeUaJ -LjDp anbLwLWD a. JmU aP (102 '02) xnepSLJD sJnaLsn1d Z2UaJdWO ULr.b:LE al Jed SLJ DeJZe ' UOL;eDLD -ua,,J el uOîasa;n3uC2-LWaS ? ase - ' (22) J LOJ *lU al.a (OZ) 2 a oD le sLD ai ai;Ja a) anbLdIO aJCL aun aj'ro 'Ja ruaJdwoDîL Ena:ceL a JedasLalDeJPeD uoL eDLp -UaAaJ el uOlaS JraZiCnpuo:-Luas e Jasel 'OL *(22) JL2.fl a ZA e eDeuoà ne 0Sa (0a) OD eZsLJD a ar.:LE a e asL;a DeJe2' uo e$Lp 02 -ua aJ el uO1a5! :r ao2--L was e Jasel *6 (9L) al;a-t:- ue CDWrOD el:aAe 1Deiuo: ne isa (02) e:SLJDal anf:e; al Jea as LJ JazDe. eg' L uOL e2 =uaAaJ EL uo as Jnao--2u-Lwas E JaeS '8 (z) JLOó L i 5a (8) ealaJ-Lue auDnoD el) L aJa aSOcSLp CUe;(2).e;sLJ3 al '(L) alzaJ-;a ue au:. cDaup a:.Cn: a:L aun,D (9L) aaa: aDe ajn Zuee aJr.:n.:Cae:au aun sua awo (0r) Jna e2e - lJCe nal Lui a nb Le aD jed as t JeDeE 'L uOL eDLD -=auaJ el uOlas Jna2nDuOD-LwaSJa asel 'Z 0 -:UL aLDroD a.un p a wJo e8 aguasaJd adCD Pe'lsLJDaia^n t ai ed a sLJa;DeJe2 'iuOLlE2tp -uaeaJ el uOlaS raD::zuoD-Lwas ? easei 9 aJeJ aJJae UOL i a uoLsSLwaD aLeJ 9p JnaJe1 e1 ap aJpJol ap aJil S leJlDads aîîeAJa uL un u o01e lai e lueuuoQ JraleA el e JnatJu '- Ss e'Ca au n UeXe X OJad-/Jqej u oe:a ur uerz L:SuO aD ULW 8Us c a v 'leDSLJDioUOw un Suep DaesoDap (0) as: W ei unp DJO el aunpwje uasead adop i l 9 [ 8z879z L