Brevet FR2654523A1 — publié le 19910517

La présente invention a pour objet un amplificateur optique non résonnant à diode laser, comprenant un ruban de matériau actif constituant guide optique amplificateur recouvert d'une gaine de confinement et limité par des couches de revêtement anti-réfléchissantes. L'invention trouve une application particulièrement importante dans la réalisation de répéteurs linéaires ou de pré-amplificateurs de réception dans des systèmes de transmission mettant en oeuvre des fibres optiques qui ne maintiennent pas l'état de polarisation de la lumière Ce cas est celui de la plupart des systèmes de communication actuel. Pour rendre non résonnant un amplificateur optique à diode laser, il est nécessaire que la réflectivité des miroirs soit réduite, à l'aide de revêtements diélectriques anti-réfléchissants, de façon à donner au paramètre G /R 1 I( 1) o G est le gain interne de la diode laser et Rl, R 2 désignent la réflectivité résiduelle des faces, une valeur faible, typiquement inférieure à 0,1. Cette condition serait bien définie si une seule valeur était à prendre en considération pour G, Rl et R 2. Elle n'est malheureusement pas remplie car: du fait même de sa structure, l'amplificateur à diode laser a deux états propres de polarisation qui correspondent à des gains internes G différents: dans une diode laser courante fonctionnant à une longueur d'onde de 1,5 pim, dont le ruban de matériau actif à une épaisseur d comprise entre 0,1 et 0,2 micron, une largeur comprise entre 1 et 2 microns et une longueur L de 1 'ordre de 500 microns, la dissymétrie géométrique donne au guide optique constitué par la diode laser deux états propres de polarisation non dégénérés, ayant des constantes de propagation différentes, donc des facteurs de confinement différents et une différence entre les gains d'autant plus forte que l'épaisseur d du ruban est faible. la réflectivité modale résiduelle des revêtements anti-réfléchissants dépend de la polarisation, car les minima de réflectivité pour deux polarisations orthogonales sont situés à des longueurs d'onde différentes. On voit que le gain global de l'amplificateur présente une sensibilité à la polarisation du signal ayant deux origines distinctes. On sait déjà qu'on peut réduire l'écart entre gains internes correspondant aux modes TE et TM en augmentant l'épaisseur d du guide Mais toute augmentation d'épaisseur éloigne les longueurs d'onde correspondant aux minima de réflectivité pour les polarisations TE et TM, donc la différence entre les réflectivités modales pour la longueur d'onde de la diode laser. La présente invention vise à fournir un amplifica- teur optique non résonnant à diode laser répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce que la différence de gain global entre les deux états propres de polarisation est notablement réduite Dans ce but l'invention propose notamment un amplificateur dans lequel le ruban de matériau actif a des parties terminales dont l'épaisseur est très inférieure à celle de la partie centrale et est choisie pour donner une faible valeur à la différence entre les longueurs d'onde correspondant aux minima de réflectivité pour les deux états propres de polarisation, les parties terminales se raccordant avec la partie centrale par des tronçons d'épaisseur progressivement croissante. Pratiquement, on obtiendra généralement de bons résultats en donnant au rapport entre l'épaisseur des parties terminales et l'épaisseur de la partie centrale une valeur comprise entre 1/5 et 1/10 et en donnant aux tronçons de transition une pente de l'ordre du pour cent. Pour que la présence des parties terminales n'ait pas d'influence appréciable sur la différence entre gains internes de l'ensemble de la diode laser pour les deux modes, on leur donnera en général une longueur inférieure à % de la longueur totale L de la partie active Ces parties terminales pourront avoir une longueur inférieure à 1 O 50 microns pour une longueur de la partie centrale comprise entre 500 et 700 microns. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la figure 1 est un diagramme montrant la variation du gain interne en fonction du courant d'injection 1, pour les deux états propres de polarisation TE et TM dans le cas d'une couche active mince (courbes en traits pleins) et d'une couche active épaisse (courbes en tirets); la figure 2 est un diagramme montrant l'allure de la variation de la réflectivité modale résiduelle R en fonction de la longueur d'onde, pour les deux états de polarisation, dans le cas d'une couche active mince (courbes en traits pleins) et d'une couche active épaisse (courbes en tirets); la figure 3 est un schéma en coupe longitudinale montrant la constitution d'une diode laser utilisable en amplificateur optique, l'échelle n'étant pas respectée pour plus de clarté. Avant de décrire une constitution possible d'amplificateur optique à diode laser conforme à l'invention, il peut être utile d'exposer les principes sur lesquels repose l'invention Comme on l'a indiqué plus haut, une diode laser classique est constituée d'un ruban de matériau actif d'épaisseur constante d, de largeur 1 et de longueur L, entouré d'une gaine optique en matériau ayant un indice de réfraction plus faible que celui du ruban Le guide présente un état de polarisation en mode TE (champ électrique parallèle au plan de jonction, c'est-à- dire au plan de la longueur L et de la largeur 1) et un état en mode TM (o c'est le champ magnétique qui est parallèle au plan de jonction). La différence de gain interne G entre les états propres de polarisation apparaît sur la figure 1, qui montre la variation du gain en fonction du courant d'injection I: l'augmentation d'épaisseur d de la couche active, de 0,11 pli à 0,28 pin, réduit notablement la sensibilité du gain interne G à la polarisation. Les courbes de la figure 2 montrent qu'au contraire les domaines du spectre pour lesquels les couches anti-réfléchissantes ont une faible réflectivité sont d'autant plus proches l'un de l'autre que la couche active est plus mince On voit en particulier que la réflectivité modale R peut être maintenue à une valeur de 10-4 pour la longueur d'onde de 1,55 microns pour les deux modes, dans le cas d'un guide mince, de 0,1 pin d'épaisseur Cette valeur faible permet de remplir sans difficulté la condition ( 1) ci-dessus pour les deux modes, dans le cas d'un gain interne G de 30 d B, représentatif des valeurs courantes, pour une bande spectrale relativement large Au contraire, il n'y a plus de recouvrement des zones de faible réflectivité dans le cas d'une épaisseur forte d= 0,25 pm. L'amplificateur optique dont la constitution de principe est montrée en figure 3 permet de bénéficier des caractéristiques favorables d'un guide épais en ce qui concerne le gain interne et d'un guide mince en ce qui concerne la réflectivité modale, sans pour autant introduire d'inconvénients annexes, à condition que les parties terminales de faible épaisseur soient très courtes par rapport à la partie centrale. La diode laser montrée en figure 3 comporte, de façon classique, une couche active 10 de longueur L contenue entre deux couches de confinement 12 dont l'une est portée par un substrat 14 et dont l'autre est revêtue d'une métallisation 16 raccordée à une ligne 18 d'amenée de courant d'injection Les faces terminales de la couche active, qui constituent guide amplificateur, portent des couches minces anti-réfléchissantes 20, réalisées par l'un quelconque des processus connus. Alors qu'une diode laser classique a une épaisseur constante sur toute sa longueur L, la couche active 10 présente plusieurs parties d'épaisseur différente. La partie centrale, dont la longueur Lo représente la majeure partie (plus de 80 % en règle générale) de la longueur L, a une épaisseur do qui est une fraction importante de la longueur d'onde de travail Cette partie aura pratiquement toujours une épaisseur supérieure au dixième de la longueur d'onde Dans cette partie centrale les modes TE et TM sont très confinés et les gains pour les modes de polarisation TE et TM sont peu différents Pour une longueur de 500 pm, le gain sera généralement compris entre 25 et 30 d B et la différence de gain entre les deux modes sera de 2 à 3 d B seulement. Les parties terminales de longueur Ll, ont une épaisseur d 1 très inférieure à do et inférieure au dixième de la longueur d'onde de travail Dans ces parties le mode de polarisation est en conséquence très large et peut être quasi TEM: les couches anti-réfléchissantes peuvent en conséquence être rendues peu sensibles à la polarisation. Ces parties doivent être courtes, pour que leur présence n'ait que peu d'influence sur le gain interne et donc sur la différence de gain entre les deux modes. Des tronçons de transition, de longueur Lt et de section progressivement croissante, raccordent la partie centrale aux parties terminales qui peuvent se réduire aux faces d'extrémité Ces tronçons réalisent une adaptation adiabatique entre les modes des parties terminales et centrale A condition que la variation de section soit lente, les pertes par rayonnement et les réflexions peuvent être très faibles. Dans le cas illustré sur la figure 3, le ruban est déposé sur une première couche de confinement plane et la variation d'épaisseur s'effectue en donnant une pente sensiblement constante, de l'ordre du pour cent, aux tronçons de transition Une telle variation peut être obtenue par des techniques classiques d'épitaxie par jet moléculaire et utilisation d'un masque situé au-dessus du ruban à réaliser. Les parties terminales de faible épaisseur apportent un avantage supplémentaire: le déconfinement important du mode TEM dans ces parties améliore le couplage avec les fibres optiques d'entrée et de sortie de l'amplificateur. On a en particulier obtenu de bons résultats en adoptant des dimensions situées dans les plages suivantes, pour un amplificateur centré sur une longueur d'onde de 1,5 pm: Epaisseur Largeur Partie centrale 0,35 0,5 d B, la différence de gain entre les modes TE et TM. REVENDICATIONS 1 Amplificateur optique non résonnant à diode laser comprenant un ruban de matériau actif ( 10) recouvert d'une gaine de confinement ( 12) et limité par des couches anti-réfléchissantes ( 20), ayant une partie centrale et des parties terminales, caractérisé en ce que l'épaisseur (d 1) des parties terminales est très inférieure à celle (do) de la partie centrale et est choisie pour donner une faible valeur à la différence entre les longueurs d'onde correspondant aux minima de réflectivité pour les deux états propres de polarisation et en ce que les parties terminales se raccordent avec la partie centrale par des tronçons de transition d'épaisseur progressivement croissante. 2 Amplificateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les parties terminales ont une épaisseur de l'ordre du centième de la longueur d'onde tandis que la partie centrale a une épaisseur de l'ordre du dixième de la longueur d'onde. 3 Amplificateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rapport entre l'épaisseur de la partie centrale et celle de la partie terminale est compris entre 1/5 et 1/10. 4 Amplificateur selon la revendication 3, caracté- risé en ce qu'une des faces du ruban est plane tandis que la pente du tronçon de transition est de l'ordre de 1 % sur l'autre face. Amplificateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les parties terminales ont une longueur inférieure à 50 microns pour une longueur de la partie centrale comprise entre 500 et 1 000 microns. 6 Amplificateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parties terminales ont une longueur inférieure à 10 % de la longueur totale (L) de la partie active. 7 Amplificateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la partie centrale est comprise entre 0,35 et 0,5 pm et celle des parties terminales entre 0,05 et 0,08 pin. 8 Amplificateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une couche en un matériau qui est transparent a la longueur d'onde de travail, d'indice plus faible que celui des couches de confinement ( 12) qui constituent une gaine, est interposée entre le ruban ( 10) et la gaine.