Brevet FR2666458A1 — publié le 19920306

EMETTEUR LASER A FAIBLE LARGEUR SPECTRALE UTILISANT UN LASER MAITRE ET UN LASER ESCLAVE DESCRIPTION La présente invention a pour objet un émetteur laser à faible largeur spectraLe utilisant un laser martre et un laser esclave. ELLe trouve une application en télécommunications optiques. Les composants lasers actuels utilisés en télécommunications optiques sont le plus souvent à réaction distribuée (ou DFB en abrégé pour "Distributed Feed Back"). Ils possèdent une largeur spectrale de plusieurs dizaines de Mégahertz, ce qui limite leur utilisation dans ce domaine, principalement dans Les techniques de modulation par déplacement de fréquence ou de phase. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient en proposant un émetteur laser à largeur spectrale réduite. A cette fin, L'invention applique une technique generale connue, qui est celle du verrouillage par injection optique locking"). Cette technique est décrite notamment dans l'article de P. GALLION, H. NAKAJIMA, G. DEBARGE et C. CHABRAN, intitulé "Contribution of spontaneous emission to the Linewidth of an injection locked semiconductor Laser11, publié dans La revue Electronics Letters, juillet 1985, vol. 21, n014 ainsi que dans L'article de S. KOBAYASHI et T. KITAMURA, intitulé "Injection locking in AlGaAs semiconductor Laser11, publié dans La revue IEEE Journal of Quantum Electronics, voL. QE-17, nO 5, mai 1981. Cette technique consiste à injecter dans la cavité d'un laser (dit laser esclave) un rayonnement lumineux émis par un autre laser (dit Laser maître). Une synchronisation se produit lorsque la longueur d'onde du laser esclave se cale sur celle du Laser maître. Ainsi, toute variation de fréquence du laser maître entraîne une même variation de fréquence du laser esclave, et ceci sur une certaine plage de frequence appelée plage d'accrochage. La largeur de cette plage d'accrochage dépend de la puissance lumineuse injectée dans la cavité du laser esclave. Elle atteint en général plusieurs GigaHertz. Cette puissance injectée est de quelques microWatts. La présente invention préconise d'appliquer cette technique avec, comme laser maître, un laser semiconducteur de très haute pureté spectrale (mais d'assez faible puissance) et un laser esclave de moins bonne pureté spectrale mais de forte puissance, par exemple de type DFB. Le laser esclave se voit ainsi conféré à la fois une bonne finesse spectrale et une accordabilité en longueur d'onde, qualités qu 'il n'avait pas intrinsèquement, tout en conservant sa puissance optique. De façon plus précise, l'invention a pour objet un émetteur laser comprenant un premier Laser, dit laser maître, formé d'une première structure semiconductrice et émettant un premier rayonnement à une certaine frequence, un second Laser, dit laser esclave, formé d'une seconde structure semiconductrice, des moyens optiques pour injecter le premier rayonnement dans la seconde structure semiconductrice du Laser esclave, celui-ci émettant alors un second rayonnement à ladite fréquence du premier rayonnement, cet émetteur étant caractérisé par le fait que le laser maître est à faible largeur spectrale et est accordable en longueur d'onde et le laser esclave est d'un type forte puissance, par exemple à réaction distribuée. De préférence, le laser maître comprend une cavité résonante formée par une face réfléchissante de la première structure semiconductrice (l'autre face étant transparente), et par un moyen réfléchissant extérieur à la première structure semiconductrice. De manière avantageuse, le moyen réfléchissant extérieur à la première structure semiconductrice est un réseau de diffraction. Le laser maître utilisé dans L'invention peut présenter une largeur spectrale de 50kHz et il peut être accordable en longueur d'onde sur plusieurs dizaines de nanomètres en mode discontinu (par réglage manuel de l'orientation du réseau de diffraction) et sur 0,4 nanomètre en mode continu à l'aide d'une cale piézo-électrique. De toute façon, les caractéristiques et avantages de L'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur des exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif et elle se réfère à des dessins annexés, sur lesquels - La figure 1 montre une première varian te à laser DFB accessible par deux faces ; - la figure 2 montre une seconde variante à laser DFB accessible par une seule face ; - la figure 3 montre la largeur spectrale du Laser en fonction de la puissance optique émise. Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend un laser maître M et un laser esclave E. Le laser maître M comprend une structure semicondutrice 10 (par exemple en GaALAs) avec deux faces 12, 14, un réseau de diffraction 16 monté pivotant autour d'un axe et pouvant être déplacé autour de cet axe au moyen d'un support piezoélectrique 18. Une lentille 20 est disposée entre la structure semiconductrice et le réseau. La face 12 est réfléchissante (soit par clivage naturel, soit, au besoin, par dépôt de couches réfléchissantes). La face 14 n'est pas ou est peu réfléchissante. Elle peut être recouverte d'une couche anti-reflet. Le laser maître émet un rayonnement RM. Ce rayonnement est dirigé sur une lentille 22, traverse un isolateur 34, une lame demi-onde 36 et enfin une lentille 33. Le laser esclave E comprend une structure semi-conductrice 30, par exemple de type DFB (c'est-à-dire que sa couche active comprend un réseau longitudinal provoquant une contre-reaction optique distribuée tout le long de la couche active). Les faces de cette structure sont referencees ré 31 et 32. Le laser esclave E émet un rayonnement RE. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Du fait de la nature de sa cavité resonan- te, qui est très surtendue, le laser maître présente une largeur spectrale très faible, de L'ordre de 50kHz. Cette largeur est imposée au Laser esclave, lequel, par son type (DFB), présenterait une largeur beaucoup plus grande (de L'ordre de plusieurs dizaines de Mega- hertz) s'il était utilisé seul. Par l'effet de verrouillage, la largeur spectrale du laser esclave va se trouver réduite à celle du laser maître. Mais celui-ci, s'il est très pur spectralement, délivre peu de puissance. C'est le laser esclave qui suppleera à cette carence, en fournissant la puissance requise. L'ensemble présentera donc les deux qualités requises pour un émetteur optique adapté aux télécommunications : finesse spectrale et puissance optique. L'injection optique dans le laser esclave peut se faire, soit par L'intermédiaire d'un objectif de microscope (comme illustré avec la lentille symbolique 33), soit par une fibre Lentille. Les champs des rayonnements optiques du laser maître et du laser esclave devant être polarisés selon la même direction, il est nécessaire d'ajuster L'état de polarisation du rayonnement optique après l'isolateur 34. Dans le cas d'une injection en propagation libre, c'est le rôle de la lame demi-onde 36 qui rétablit la polarisation dans le plan horizontal qui est ce lui de la couche active du laser esclave. Dans le cas d'une injection en propagation guidée, on utilisera une fibre à maintien de polarisation munie de connecteurs tournants pour ajuster la polarisation. Les portions de fibres classiques utilisées dans le dispositif seront les plus courtes possibles. En régime de synchronisation, le laser esclave peut être accordé sur une plage de fréquence correspondant à la bande d'accrochage en faisant varier la tension de la cale piézo-électrique 18 du laser maître M. Le réseau pivote alors autour de son axe ce qui modifie L'angle d'incidence et la longueur d'onde pour laquelle la condition dite de BRAGG est satisfaite. Le laser DFB devient ainsi accordabLe sur quelques Gigahertz. Par ailleurs, en régime libre, les réflexions de Lumières parasites perturbent le fonctionnement du laser et un isolateur optique tel que 34 est indispensable si l'on veut conserver un spectre en longueur d'onde stable et monomode. En revanche, en régime de synchronisation, la fréquence du laser esclave reste verrouillée sur celle du laser maître et le Laser devient donc insensible aux réflexions parasites, à condition toutefois que les sauts de mode normalement occasionnes par ces réflexions restent dans les limites de la bande d'accrochage. Ainsi, L'isolateur optique n'est plus indispensable, ce qui permet d'éviter les pertes (3dB) introduites par ce dernier. La variante de la figure 1 correspond au cas où le laser esclave E est accessible par ses deux faces 31 et 32. Mais ce laser peut n'être accessible que par L'une de ses faces, ce qui est generalement le cas pour les lasers du commerce. L'injection et L'émission doivent alors s'effectuer par la face avant 31. Cette variante est illustré sur la figure 2. Le dispositif représenté comprend des moyens déjà représentés sur la figure 1 et qui portent les mêmes références. La différence est que la face 32 est totalement réfléchissante. Il comprend en outre un coupleur optique 40 disposé entre l'isolateur 34 et l'objectif 33 d'injection dans le laser esclave E. Le coup Leur 40 possède une première extrémité El qui reçoit le rayonnement émis par le Laser maître M, une deuxième extrémité E2, qui délivre ce rayonnement au laser esclave et qui recueille, de celui-ci, le rayonnement émis en retour, une troisième extrémité E3, qui délivre le rayonnement RE provenant du laser esclave et une quatrième extrémité E4 non utilisée. La figure 3, enfin, représente l'évolution de la largeur spectrale F du laser DFB en fonction de la puissance optique P délivrée. et ce dans deux cas : avec injection optique, c'est-à-dire selon l'invention (courbe 42) et sans injection optique (courbe 44) (c'est-à-dire sans laser maître). On voit que La puissance dé livrée varie de 2,5 à 8mW et que la largeur spectrale demeure proche de 50kHz dans le cas de L'invention. Le dispositif qui vient d'être décrit comprend un seul laser esclave. Mais il entre dans le cadre de L'invention d'utiliser plusieurs lasers esclaves verrouillés à partir du même laser maître. Le faisceau émis par celui-ci doit alors être divisé en autant de faisceaux qu'il y a de lasers esclaves. Eventuellement, si le laser maître émet sur pLusieurs modes longitudinaux, chacun des Lasers esclaves peut être verrouillé sur l'un de ces modes. Les structures semiconductrices 10 et 30 peuvent être de tout type connu (heterostructures, doubles hétérostructures, etc...) et les materiaux semiconducteurs de tout type connu (composés binaires, ternaires, quaternaires, etc...). REVENDICATIONS 1. Emetteur laser comprenant un premier laser (M), dit laser maître, formé d'une première structure semiconductrice (10) émettant un premier rayonnement (RM) à une certaine fréquence, un second laser (E), dit laser esclave, formé d'une seconde structure semiconductrice (30), des moyens optiques (22, 34, 36, 33) pour injecter ce premier rayonnement (RM) dans la seconde structure semiconductrice (30) du laser esclave (E), celui-ci émettant alors un second rayonnement (RE) à Ladite fréquence du premier rayonnement, cet emetteur étant caractérisé par le fait que le laser maître (M) est à faible largeur spectrale et est accordable en longueur d'onde et le laser esclave (E) est du type à forte puissance. 2. Emetteur laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le laser esclave (E) est du type à réaction distribuée (DFB). 3. Emetteur laser selon La revendication 1, caractérisé par le fait que le Laser maître (M) comprend une cavité résonante formée par une face réfléchissante (12) de la première structure semiconductrice (l'autre face (14) étant transparente), et par un moyen réfléchissant (16) extérieur à la première structure semiconductrice. 4. Emetteur laser selon la revendication 3, caractérise par le fait que le moyen réfléchissant extérieur à la première structure semiconductrice est un réseau de diffraction (16). 5. Emetteur laser selon la revendication 4, caractérisé par le fait que Le réseau de diffraction (18) est orientable. ô. Emetteur laser selon la revendication S, caractérisé par le fait que le réseau de diffraction a une orientation commandée par un support piézo-électrique (18). 7. Emetteur laser selon L'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le laser esclave (E) n'étant accessible que par une face (31) de la seconde structure semiconductrice, L'metteur comprend en outre un coup Leur optique (40) recevant, sur une première extrémité (El), le premier rayonnement émis par le laser esclave et le transmettant par une seconde extrémité (E2) au laser esclave, ce coup Leur recevant par ailleurs, par cette seconde extrémité (E2), le second rayonnement émis par le laser esclave (E) et délivrant ce rayonnement (RE) par une troisième extrémité (E3). 8. Emetteur laser selon L'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'il comprend un isolateur optique (34) entre le laser maître (M) et le laser esclave (E). 9. Emetteur laser selon la revendication 1, caractérise par le fait qu'il comprend un seul laser maître et plusieurs lasers esclaves (E) recevant chacun une partie de rayonnement (RM) émis par le laser maître.