Brevet FR2640437A1 — publié le 19900615

Tête optique à isolateur intégré pour le couplage d'un laser semiconducteur à une fibre. La présente invention concerne une tête optique assurant le couplage d'un laser semi-conducteur, notamment d'un laser à résonateur distribué (laser du type dit DFB), à une fibre optique à coupler, notamment à une fibre monomode. On a souvent constaté une certaine sensibilité des lasers de ce type à des réflexions optiques parasites difficilement évitables telles que par exemple, la rétrodiffusion dans la fibre et des réflexions au niveau de connexions non optimisées. Les réalimentations optiques résultant de ces réflexions peuvent perturber des caractéristiques essentielles telles que la monochromaticité, le bruit d'intensité relative (RIN) etc... ce qui peut pénaliser le système, voir même en empêcher le bon fonctionnement (taux d'erreurs asymptotique supérieur à 10 9). Pour éviter ces inconvénients, une disposition connue consiste à intégrer dans la tête un isolateur optique propre à arrêter la lumière qui résulte des réflexions parasites. Une tête optique connue utilisant cette disposition comporte certains éléments qui lui sont communs avec une tête selon l'invention et qui vont d'abord être indiqués - un boitier présentant une direction longitudinale avec un côté avant et un côté arrière, - ledit laser semi-conducteur disposé dans ce boîtier, pour émettre selon cette direction longitudinale vers l'avant un faisceau de lumière utile présentant un plan de polarisation qui est d'abord orienté selon un plan de polarisation de laser, - un rotateur disposé dans ce bottier en avant de ce laser pour faire tourner de 45 degrés environ dans un sens le plan de polarisation dudit faisceau de manière à orienter ce plan selon un plan de polarisation de sortie, - une lentille de focalisation disposée dans ce boîtier en avant de ce laser pour injecter OC faisceau dans l'entrée d'une fibre optique, - et un polariseur disposé entre ledit rotateur et ladite fibre à coupler pour laisser passer sélectivement la lumière polarisée selon ledit plan de polarisation de sortie, de manière à laisser passer ladite lumière utile et à polariser selon ce plan de polarisation de sortie toute lumière parasite revenant vers l'arrière pour que ledit rotateur fasse tourner le plan de polarisation de cette lumière parasite de 45 degrés environ dans ledit sens et que cette lumière ne parvienne audit laser qu'avec un plan de polarisation sensiblement perpendiculaire audit plan de polarisation de laser. Des têtes connues de ce genre sont décrites dans les articles suivants : - Distibuted feedback laser diode (DFB-LD) to single-mode fiber coupling module with optical isolator for high bit rate modulation, TOSHIHIKO SUGIE and MASATOSHI SARUWATARI, Journal of lightware technology, vol. LT-4, No 2. february 1986, - Low-noise LD module with an optical isolator using a highly bi-substituted garnet film, K.MQTSUDA, H.MINEMOTO, K.TODA, O.KAMADA, S.ISHIZUKA, ELECTRONICS LETTERS 26th february 1987 vol. 23 No 5. Un inconvénient de ces têtes connues est qu'elles sont constituées d'un système optique à quatre éléments (lère lentille - rotateur 2ème lentille - polariseur) ou à trois éléments lentille - rotateur polariseur) insérés entre le laser et la fibre. Cela entraîne une grande difficulté de mise en oeuvre (positionnement et réglage de ces différentes pièces pour assurer une perte d'insertion minimum et une isolation suffisante). Un autre inconvénient est que les nombreuses interfaces rencontrées par la lumière dans la tête optique tendent à augmenter la proportion de lumière réfléchie vers le laser. La présente invention a notamment pour buts de simplifier la construction et le réglage d'une tête optique à isolateur intégré, et/ou de diminuer ltencombrement de cette tête ainsi que le nombre d'interfaces susceptibles de créer des rétroréflexions parasites. Une tête optique selon l'invention comporte les éléments communs précédemment mentionnés et dans les buts indiqués ci-dessus, elle est caractérisée par le fait que ledit polariseur est une fibre polariseur constituée par un tronçon de fibre optique raccordé à ladite fibre à coupler. Cette fibre polariseur est de préférence fixée à une paroi avant dudit boîtier. De préférence encore elle est raccordée à ladite fibre à coupler par une soudure. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui est donnée ci-après à titre d'exemple non limitatif et à l'aide des figures annexées. La figure 1 représente de principe d'une tête connue. La figure 2 représente les éléments optiques d'une tête selon l'invention. La figure 3 représente une section droite de la fibre polariseur de cette dernière tête. La figure 4 représente une section de cette même tête par un plan vertical longitudinal. Comme représenté sur la figure 1, une tête optique connue à isolateur intégré comporte les éléments suivants : - Un laser DFB 100 polarisé en mode T.E. - Une première optique de couplage 102 qui est une bille traitée antireflet dans le cas de la figure 1, et qui permet de rendre le faisceau parallèle (cette optique pourrait être également constituée d'une lentille à gradient d'indice). - Une deuxième optique constituée par une lentille 104 et permettant de refocaliser la lumière dans le coeur d'une fibre optique monomode à coupler 106. - Un rotateur de Faraday placé entre ces deux optiques et constitué lui-même d'un barreau de grenat d'ytrium et de fer (YIG) 108 par exemple, dont l'aimantation est saturée par un aimant permanent 110 dans la direction de propagation de la lumière. - Un polariseur 112 du type dit "Banning" placé dans l'évidement axial de cet aimant à l'avant du barreau 108. La figure 2 donne le schéma de principe d'une tête réalisée selon la présente invention et comportant - un laser 2 du type DFB polarisé en mode TE - un cristal rotateur 4 constitué d'une lame mince de composition (GdBi) (FeAlGa) 5012 pour l'utilisation avec une lumière de longueur d'onde égale à 1,3 micromètre et (YbTbBi) 3Fe5012 pour l'utilisation avec une lumière de longueur d'onde égale à 1,55 micromètre par exemple, - un aimant permanent 6 qui a une forme tubulaire et qui est constitué de SmCo, - une lentille de focalisation 8 de type à gradient d'indice, - une fibre polariseur 10 raccordée (épissurée) par une soudure 12 à une fibre à coupler 14. Ces éléments sont utilisés et disposés comme suit : Le cristal rotateur 4 et l'aimant 6 constituent ledit rotateur qui est un rotateur de Faraday. Un évidement axial 7 de cet aimant s'étend selon ladite direction longitudinale. Ce cristal est fixé en regard du laser 2 dans une partie arrière d'un manchon 5 disposé dans cet évidement. La lentille de focalisation 8 est fixée dans une partie avant de ce manchon en regard de la fibre polariseur 10. Ce rotateur et cette lentille sont ainsi intégrés dans un bloc intermédiaire. Le fonctionnement est le suivant La lumière polarisée émise par le laser 2 subit une rotation de 450 de son plan de polarisation à son passage dans le rotateur. La lentille 8 permet de former l'image de la tache laser sur la face d'entrée de la fibre polariseur qui est orientée de manière que son axe passant soit confondu avec le plan de polarisation de la lumière incidente. La lumière réfléchie sur les premiers connecteurs ou en extrémité de ligne est polarisée après passage dans la fibre polariseur. Elle subit au passage du rotateur de Faraday une rotation de 450 de son plan de polarisation dans le même sens que précédemment, ce qui oonduit à un retour de la lumière sur le laser en mode TM, configuration dans laquelle on n'observe pas de remontée de bruit. Les caractéristiques des éléments utilisés sont les suivantes (à 1,3 micromètres) - Laser DFB ; taux d'extinction 25 dB - Rotateur de Faraday - Taux d'extinction 40 dB - Perte d'insertion : 0,2 db - Champ magnétique à saturation : 200 Oe - Fibre polariseur : - Taux d'extinction 35 dB - Perte d'insertion 0,2 dB - Perte d'insertion de l'épissure fibre polariseur - fibre à coupler : 0,3 dB. Dans ces conditions, la perte de couplage typique est d'environ - 5 dB avec un laser semi-conducteur pour lequel, en champ lointain thêta parallèle = 250 et thêta perpendiculaire = 350. Une isolation typique de 25 db est obtenue. Il a été montré dans ces conditions, que même sous une forte rétroaction externe (-14 dB), le plancher de bruit du laser (R.I.N) reste en-dessous de -135 dB/Hz, ce qui est une valeur compatible avec un fonctionnement à haut débit (taux d'erreur 10 9 à 2,3 Gb/s). Conformément à la figure 3 la fibre polariseur 10 comporte un insert métallique M s'étendant entre son coeur C et sa gaine optique G pour absorber les ondes présentant une polarisation perpendiculaire audit plan de polarisation de sortie. Pour permettre la réalisation de la soudure 12, cet insert est absent dans un tronçon avant 11 de cette fibre polariseur à proximité de cette soudure. Il semble de manière générale préférable que cet insert soit absent au voisinage d'une zone de raccordement optique même lorsque le raccordement est réalisé autrement que par soudure. La figure 4 donne le mode d'insertion des éléments optiques dans un boîtier de tête optique 16. Ce boitier comporte un plancher 18 sur lequel sont fixées d'arrière en avant - une palette laser 20 pour porter le laser 2, - une palette intermédiaire 22 pour porter le bloc intermédiaire comportant les éléments 4, 5, 6 et 8, - et une palette fibre 24 pour porter la fibre polariseur 10. La palette intermédiaire 22 a une face supérieure 23 inclinée par rapport au plancher 18 et une face inférieure 21 du bloc intermédiaire s'appuie sur cette face. On donne ainsi aux faces principales de la lame 4 du rotateur une inclinaison pour éviter que des réflexions sur ces faces ne renvoient vers la plage d'émission du laser 2 une lumière susceptible de créer une rétroaction gênante. L'assemblage s'effectue de la manière suivante, d'abord à l'extérieur du boîtier : la lentille 8 et le cristal rotateur 4 sont brasés dans le manchon 5 qui est lui-même introduit dans l'évi dement 7 de l'aimant permanent 6. L'ensemble est fixé sur la palette intermédiaire 22 et celle-ci est fixée à la palette laser 20 portant le laser 2 avec réglage contrôlé par mesure du couplage optique. Par ailleurs la fibre polariseur 10 est mise à l'intérieur d'un tube 26. Les réglages se continuent alors de la manière suivante, une direction Z étant ladite direction longitudinale, et des directions X et Y deux directions transversales. L'ensemble des palettes laser 20 et intermédiaire 22 est déplacé en X et Y par rapport à la palette fibre 24 à l'aide d'un micromanipulateur, toujours avec mesure de couplage optique. Quant au tube 26, il est placé dans une rainure en Vé de la palette fibre 24 et il est de même déplacé en Z et en rotation autour de son axe de direction Z. Lorsqu'un optimum de couplage est obtenu, le tube 26 est soudé au laser YAG sur la palette fibre. Les palettes fibre et intermédiaire sont fixées en position optimale par soudure au laser YAG. L'extrémité avant de la fibre 10 dépassant du tube 26 est alors fléchie et introduite à partir de l'intérieur du boîtier 16 dans un canon de sortie 28 traversant une paroi avant 30 de ce boîtier. Les palettes 20, 22 et 24 sont fixées au plancher 18 par exemple par l'intermédiaire d'un module de régulation thermique 32. Le tube 26 porté par la palette 24 est suffisamment court pour être contenu dans le boîtier. Les avantages de la tête selon l'invention sont les suivants - Du fait de la limitation du nombre d'éléments intervenant dans cette tête, le nombre d'interfaces est réduit, ce qui diminue les retours ninternesn liés aux réflexions sur ces éléments. - La présence en premier interface du cristal rotateur fournit une isolation vis-à-vis des réflexions sur les interfaces suivants. - Du point de vue des pertes de couplage, la diminution du nombre d'éléments réduit les pertes par absorption interne, ainsi que les risques de pertes additionnelles du fait d'un mésalignement des pièces. - L'encombrement est diminué, ce qui permet d'obtenir une tête plus compacte. REVENDICATIONS 1/ Tête optique à isolateur intégré pour le couplage d'un laser semi-conducteur à une fibre optique à coupler, cette tête comportant - un boîtier (16) présentant une direction longitudinale avec un côté avant et un côté arrière, - ledit laser semi-conducteur (2) disposé dans ce boîtier, pour émettre selon cette direction longitudinale vers l'avant un faisceau de lumière utile présentant un plan de polarisation qui est d'abord orienté selon un plan de polarisation de laser, - un rotateur (4, 6) disposé dans ce boîtier en avant de ce laser pour faire tourner de 45 degrés environ dans un sens le plan de polarisation dudit faisceau de manière à orienter ce plan selon un plan de polarisation de sortie, - une lentille de focalisation (8) disposée dans ce boîtier en avant de ce laser pour injecter ce faisceau dans l'entrée d'une fibre optique, - et un polariseur disposé entre ledit rotateur et ladite fibre à coupler pour laisser passer sélectivement la lumière polarisée selon ledit plan de polarisation de sortie, de manière à laisser passer ladite lumière utile et à polariser selon ce plan de polarisation de sortie toute lumière parasite revenant vers 1' arrière pour que ledit rotateur fasse tourner le plan de polarisation de cette lumière parasite de 45 degrés environ dans ledit sens et que cette lumière ne parvienne audit laser qu'avec un plan de polarisation sensiblement perpendiculaire audit plan de polarisation de laser, - cette tête étant caractérisée par le fait que ledit polariseur est une fibre polariseur (10) constituée par un tronçon de fibre optique et raccordé à ladite fibre à coupler (14). 2/ Tête selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite fibre polariseur (10) est raccordée à ladite fibre à coupler (14) par une soudure (12). 3/ Tête selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite fibre polariseur (10) comporte un insert métallique (M)s'étendant entre son coeur (C) et sa gaine optique (G) pour absorber les ondes présentant une polarisation perpendiculaire audit plan de polarisation de sortie, cet insert étant absent dans un tronçon avant (11) de cette fibre polariseur à proximité d'une zone de raccordement (12) dans laquelle cette fibre est raccordée à ladite fibre à coupler. 4/ Tête selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit rotateur est un rotateur de Faraday constitué d'une lame mince d'un cristal rotateur (4) et d'un aimant permanent (6) de forme tubulaire formant un évidement axial (7) qui s'étend selon ladite direction longitudinale, cette lame étant fixée dans une partie arrière de cet évidement en regard dudit laser (2) et ladite lentille de focalisation (8) étant fixée dans une partie avant de cet évidement en regard de ladite fibre polariseur (10), ce rotateur et cette lentille étant intégrés dans un bloc intermédiaire. 5/ Tête selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit boîtier (16) présente un plancher (18) portant, d'arrière en avant - une palette laser (20) pour porter ledit laser (2), - une palette intermédiaire (22) pour porter ledit rotateur (4, 6) et ladite lentille de focalisation (8), - et une palette fibre (24) pour porter une extrémité de ladite fibre polariseur (10), - ledit boitier présentant en outre une paroi avant (30) portant ladite fibre polariseur à distance de sa dite extrémité.