Brevet FR2688963A1 — publié le 19930924

DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un émetteur-récepteur à détection cohérente et une liaison optique bidirectionnelle utilisant un tel émetteur-récepteur. L'invention trouve des applications géné- ra Les en télécommunications optiques. Etat de la technique antérieure Les récepteurs à détection cohérente néces- sitent un oscillateur local, un mélangeur optique et un photodétecteur quadratique (en général une photo- diode) Cette partie optique du récepteur est complé- tée par des circuits électroniques assurant la récupé- ration des signaux d'origine.20 Les efforts déployés depuis de nombreuses années ont consisté à intégrer les trois composants optiques sur un substrat commun On peut se reporter à cet égard à l'article de H TAKEUCHI et al intitulé "Monolithic integrated coherent receiver on In P sub- strate", publié dans IEEE Photon Tech Lett, 1, pp 398-400 ( 1989) et à l'article de T L KOCH et al intitulé "Balanced operation of a Ga In As/Ga In As P multiplequantum-wel L integrated heterodyne receiver", publié dans IEEE Photon Tech Lett, 2, pp 577-58030 ( 1990). Ces dispositifs intégrés, dits "Photonic Integrated Circuits" ou PIC en abrégé, ont permis d'augmenter la fiabilité, la compacité et la simplicité35 des installations de télécommunications optiques. Mais, ils comprennent encore un émetteur et un récep- teur distincts, même si ces composants sont intégrés à une même structure Or, il serait avantageux de n'utiliser qu'un seul composant servant à la fois d'oscillateur local et de récepteur C'est ce qu'ont proposé R F KAZARINOV et al dans un article intitulé "Heterodyne reception of light by an injection laser", publié dans Sov Phys JETP, 39, pp 522-527 ( 1974). Dans un dispositif unique de ce genre, on détecte la variation temporelle de la densité de porteurs due au battement du signal injecté dans la couche active du laser avec la lumière propre du laser (lequel est utilisé comme oscillateur local) Pour cela, on mesure la variation de tension aux bornes du laser Ce principe a été testé en effectuant une réception cohérente en modulation ASK ("Amplitude Shift Keying") dans un laser à réflecteur de BRAGG (DBR) à multipuits quantiques (MQW) C'est ce qui est décrit dans l'article de R A LINKE et al intitulé "Self-oscillating optical mixer receiver", publié dans OFC'89, paper WN 4, 1989. Une sensibilité de -36,6 d Bm a été obtenue à 400 Mb/s avec un émetteur composé d'un laser à cavité externe et d'un modulateur externe. Ces techniques connues présentent cependant encore des inconvénients En effet, si la technique de l'intégration photonique est conceptuellement la plus simple, elle est en revanche techniquement très difficile à mettre en oeuvre Le surcoût dû à cette complexité rend cette technique inappropriée aux ré- seaux commerciaux Quant à l'idée de détecter la modu- lation des porteurs causée par un battement dans un laser DBR, elle est séduisante, mais la variation de tension est faible et nécessite une amplification électriquement très importante (plus de 60 d B). Exposé de l'invention La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients A cette fin, elle propose une structure semiconductrice unique, très simple de mise en oeuvre et qui conduit à une sensibilité améliorée Pour une puissance optique injectée de -35 d Bm environ, un signal à 15 d B au-dessus du niveau de bruit a été mesuré Le dispositif est par ailleurs de faible encombrement (( 0,1 x O,lx O,6)mm 3). Ces résultats sont obtenus par un émet- teur-récepteur qui comprend une structure semiconduc- trice à couche active et à réaction distribuée (DFB) et à déphaseur A/4, avec une électrode centrale dispo- sée au-dessus du déphaseur et deux électrodes latérales alimentées en courant au-dessus du seuil Ce dispositif se comporte à la fois comme un oscillateur local (qui fonctionne à une fréquence Fo) et comme un photoré- cepteur à l'égard d'un signal optique reçu, qui est à une fréquence Fi L'écart entre Fi et Fo doit être supérieur à la bande de verrouillage pour éviter que le photorécepteur ne se câle sur la fréquence inci- dente Il existe alors simultanément trois signaux à trois fréquences différentes Fo, Fo+d F, Fo-d F (avec d F=Fi-Fo) Les signaux aux fréquences Fo+d F et Fo-d F sont amplifiés par un processus de mélange à quatre ondes En prélevant la tension apparaissant sur l'élec- trode centrale et en la traitant comme en détection hétérodyne, on détecte le battement de ces fréquences, qui est une fonction sinusoldale de l'écart d F, ce qui restitue l'information ayant modulé le signal optique incident. Cette détection hétérodyne présente une meilleure sensibilité que dans le cas d'une simple photodiode, qui recevrait un signal optique incident et une onde provenant d'un laser local Cette augmen- tation de sensibilité est due, d'une part, à ce que, dans la structure DFB à déphaseur, la puissance optique est concentrée dans la zone du déphaseur, là o précisément se trouve l'électrode de prélèvement de tension, et, d'autre part, à ce qu'une amplification optique s'établit, par le jeu du mélange à quatre ondes. Le dispositif de l'invention est capable de travailler en modulation de fréquence (FSK), d'amplitude (ASK) ou de phase (PSK). La présente invention a également pour objet une liaison optique bidirectionnelle utilisant deux émetteurs-récepteurs tels qu'ils viennent d'être décrits. Brève description des dessins la figure 1 illustre un émetteur-ré- cepteur selon l'invention; la figure 2 montre la répartition des fréquences; la figure 3 montre les variations de la puissance optique le long de la couche active; la figure 4 montre l'allure du signal hétérodyne détecté en fonction de la différence de fréquence pour un signal non modulé (a) et pour un signal modulé en FSK (b); la figure 5 montre quelques exemples de réalisation d'un déphaseur; la figure 6 montre un détail de réali- sation de la structure semiconductrice; la figure 7 illustre une liaison bidi- rectionne L Le utilisant deux émetteurs-ré- cepteurs conformes à l'invention. Exposé détaillé de modes de réalisation L'émetteur-récepteur représenté sur la figure 1 comprend une structure semiconductrice 10 à contre-réaction distribuée (DFB) composée d'un empi- Lement de couches dont une couche active 12 recevant un faisceau optique 14 à la fréquence Fi La structure comprend encore un réseau de diffraction 16 optiquement couplé à la couche active 12 Ce réseau 16 comporte une région centrale 18 introduisant un déphasage opti- que. Les moyens pour prélever la tension aux bornes de cette structure sont constitués par une électrode centrale 30 disposée au-dessus de La région centrale 18 du réseau introduisant un déphasage op- tique. Par ailleurs, deux électrodes latérales 22, 24 sont disposées de part et d'autre de l'électrode centrale 30 et électriquement isolées de celle-ci. Ces deux électrodes 22 et 24 sont reliées en parallèle à une source de courant 26 qui alimente la structure au-dessus du seuil laser Naturellement, on pourrait éventuellement alimenter séparément ces deux électro- des. Une électrode 25 est en outre disposée sous la structure et est reliée par exemple à la masse. L'électrode de prélèvement 30 est reliée à une résistance 32 et à un circuit 36 de détection hétérodyne Le plot de sortie 38 constitue la sortie du récepteur. Etant alimentée au-dessus du seuil laser, la structure semiconductrice se comporte comme un Laser émetteur Ce laser possède une fréquence propre Fo Comme déjà indiqué, la fréquence Fi du signal optique incident 14 doit être située hors de la plage de verrouillage (ou d'accrochage ou, en terminologie ang Losaxonne, de "locking") Dans cette plage, comme on le sait, l'oscillation du laser serait forcée sur La fréquence du signa L incident ce qui ne conviendrait pas En effet, dans la présente invention, on veut travail Ler en détection cohérente et il est donc es- sentie L qu'un Laser loca L soit constitué, avec sa fréquence propre Pour cette raison, i L est nécessaire, d'une part, d'alimenter La structure au-dessus du seui L et, d'autre part, de veiller à ce que l'écart d F entre la fréquence Fi du signal incident et la fréquence propre Fo du Laser soit suffisamment grand pour éviter l'accrochage. Cette disposition des diverses fréquences est représentée sur la figure 2 o L'on voit La fré- quence propre du Laser Fo et les fréquences de bat- tement à Fo-d F et Fo+d F o d F=Fi-Fo La bande de ver- roui L Lage à éviter est La bande hachurée de largeur Bv. Lorsque cette condition est respectée, un mélange à quatre ondes se produit dans le laser et le laser émet de la lumière aux fréquences Fo, Fo+d F et Fo-d F Les champs aux fréquences Fo+d F et Fo-d F sont optiquement amplifies par un processus de méLange à quatre ondes tel qu'il a été décrit par H NAKAJIMA et R FREY, dans un artic Le intitulé "Intracavity near Ly degenerate four-wave mixing in a (Ga AL)As semiconductor laser", publié dans Appl. Phys, Lett, 47, pp 769-771 ( 1985). La détection par l'électrode centrale 30 est rendue plus efficace que dans une photodiode par le fait que, dans un laser DFB à déphasage, la puissance optique a tendance à se concentrer dans le centre de la structure Ce phénomène est illustré sur La figure 3 On y voit la puissance optique W (en unités arbitraires) en fonction de la distance x le long de la couche active La cavité laser est supposée avoir une longueur L Un maximum très marqué se présente dans la zone centrale d'abscisse L/2. La figure 3 correspond à un coefficient KL d'environ 4 o K est le coefficient de couplage du réseau avec la couche active et L la longueur de la cavité laser. La figure 4 montre les signaux hétérodynes en fonction de la différence de fréquence (d F) pour un signal non-modulé (partie a) et un signal modulé en FSK (Frequency Shift Keying) (partie b). Sur cette figure 4, l'écart de fréquence figure en abscisses et varie de O à 2 G Hz Chaque division vaut donc 200 M Hz L'écart de fréquence d F est d'environ 800 M Hz (figure a) La modulation en FSK correspond à 200 Mbits/s et l'excursion de fréquence est de 600 M Hz Sur la figure b, on voit deux pics correspondant à un " 1 " et un "O" logiques, séparés de 600 M Hz. L'une des caractéristiques de l'invention est la présence, au-dessous de l'électrode de préLè- vement de tension, d'un déphaseur Ce déphaseur peut être de tout type connu De nombreux exemples de réali- sation ont été décrits dans la littérature, notamment dans les articles suivants: K SEKARTEDJO et al, " 1 5 Vm phase-shifted DFB lasers for single-mode operation", Electron Lett, 20, pp 80-81, ( 1984), M GILLERON et al, " 1 5 pm phase-shifted distributed feedback laser", J Physique, Colloque C 4, supplément au n 9, tome 49, sept 1988, T MATSUYAMA et al, "TM mode suppression property of DFB lasers with a narrow stripe region", IEEE Photonics Techn Lett 2, pp 612-613, ( 1990). Trois exemples de déphaseurs sont illustrés sur la figure 5, mais il va de soi que ces exemples ne limitent en rien la portée de l'invention. Sur la partie a, on voit, schématiquement représenté, un réseau de diffraction 16 avec sa surface présentant une ondulation périodique de pas p Dans la zone centrale 18 a, ce pas est allongé d'un quart de pas (p/4) ce qui introduit un déphasage optique d'un quart de longueur d'onde pour une onde cheminant le long du réseau, dans un sens ou dans l'autre Natu- rellement, on pourrait aussi raccourcir le réseau d'un quart de pas. Sur la partie b, on voit un réseau 16 au pas régulier mais présentant, dans la zone centrale 18 b, une partie élargie La longueur de la zone élargie correspond à un déphasage optique d'un quart de lon- gueur d'onde. Sur la partie c, au contraire, le réseau présente une zone 18 c rétrécie. Tous ces déphaseurs peuvent être utilisés dans l'invention. Pour réaliser la structure de l'invention, tout procédé connu convient On peut, par exemple, utiliser une technique dite du ruban enterré (Buried Ridge Stripe) Une telle technique est décrite dans l'article de J CHARIL et al intitulé "Extremely low threshold operation of 1 5 Pm Ga In As P/In P buried ridge stripe lasers", publié dans Electron Lett, , pp 1477-1479, ( 1989). Ce mode de réalisation, qui n'est en rien limitatif de l'invention, est illustré sur la figure 6, en coupe longitudinale (a) et en coupe transversale (b) On y retrouve des éléments déjà représentés sur la figure 1 et qui portent les mêmes références, à savoir, la couche active 12, le réseau 16, les é lec- trodes latérales 22 et 24, l'électrode inférieure 25, l'électrode centrale 30 On voit, en outre, que les électrodes 22, 24, d'une part, et 30, d'autre part, sont séparées par deux coupures 42 et 44 obtenues par gravure Par ailleurs, on voit sur la partie (b), que la couche active 12 est située dans un ruban enter- ré dans une couche 15 La couche active 12 peut reposer sur une couche de confinement 13, elle-même reposant sur un substrat 11 Enfin, une couche semiconductrice très dopée 17 est intercalée entre les électrodes supérieures 22, 24, 30 et la couche 15. A titre d'exemple, la couche active 12 peut être réalisée au moyen d'un empilement de couches constituant une structure à multipuits quantiques ("Multiple Quantum Wells" ou MQW) centrée sur la lon- gueur d'onde de 1,5 Mm Le substrat 11 peut être en In P dopé N, la couche de confinement 13 peut être centrée sur une longueur d'onde de 1,3 pm ainsi que la couche 15, le tout en In P dopé P La couche 17 peut être en In P dopé P+. La présente invention a également pour objet une liaison optique bidirectionnelle Cette liaison est représentée sur la figure 7 Elle comporte un premier sous-ensemble SE 1, une fibre optique FO et un second sous-ensemble SE 2 Ces deux sous-ensembles sont identiques et comprennent les mêmes moyens réfé- rencés par une lettre affectée d'un indice 1 pour le premier et d'un indice 2 pour le second. Le premier sous-ensemble SE 1 comprend ainsi un émetteur- récepteur ER 1 conforme à celui de la figure 1 et un circuit de traitement hétérodyne 361 relié à l'éLectrode centrale de prélèvement de tension Une source de courant I 1 est reliée aux éLec- trodes latérales d'alimentation à travers un Té de polarisation T 1 constitué par un condensateur et une inductance Un générateur d'informations G 1 est apte à moduler le courant du laser pour moduler sa fréquence d'émission L'intensité du courant délivré par I 1 est réglée au-dessus du seuil du laser. Le circuit 361 comprend un amplificateur A 1, un filtre passe bande FPB 1, permettant d'extraire la partie utile du signal, un discriminateur MX 1 avec une ligne à retard LAR 1 et un multiplieur M 1 et enfin un filtre passe bas F Pb 1 Le signal de démodulation apparaît sur la sortie SD 1. La configuration du système de la figure 7 est parfaitement symétrique. Pour obtenir un fonctionnement stable, un circuit de stabilisation de la fréquence inter- médiaire peut être également utilisé Etant donné que ce circuit est un circuit hétérodyne comme les autres, il n'a pas à être décrit plus avant. 1 1 REVENDICATIONS 1 Emetteur-récepteur à détection cohérente caractérisé par Le fait qu'il comprend: une structure semiconductrice ( 10) à contre-réaction distribuée (DFB) composée d'un empilement de couches dont une couche active ( 12) et un réseau de dif- fraction ( 16) optiquement couplé à au moins une partie de la couche active ( 12), ce réseau ( 16) comportant une région centrale ( 18) introduisant un déphasage optique, la couche active ( 12) recevant un signal optique incident ( 14) modu Lé par une information autour d'une fréquence Fi, une électrode centrale ( 30) disposée au-dessus de la région centrale ( 18) du réseau introduisant un déphasage optique, deux électrodes latérales ( 22, 24) dis- posées de part et d'autre de l'électrode centrale ( 30) et électriquement isolées de celle-ci, une source de courant ( 26) reliée aux deux électrodes latérales ( 22, 24) et alimentant la structure semiconductrice au-dessus du seuil, une émission laser ayant lieu à une fréquence Fo qui est la fréquence propre de la structure, l'écart de fréquence d F entre la fréquence incidente Fi et la fréquence propre Fo étant supérieur à la largeur (Bv) de la bande de verrouillage dans laquelle la fréquence de l'émission laser se verrouillerait sur la fréquence du faisceau optique incident, des moyens électroniques ( 36) de type hétérodyne reliés à l'électrode centrale ( 30) et aptes à traiter le signal élec- trique prélevé et à délivrer un signal démodulé (SD) restituant l'information ayant modulé le signal optique incident ( 14). 2 Emetteur-récepteur selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que la couche active ( 12) est du type à multipuits quantiques. 3 Emetteur-récepteur selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que la région cen- trale ( 18) du réseau ( 16) introduisant un déphasage est une zone o le pas du réseau est localement diminué ou allongé ( 18 a), ou une zone o la largeur du réseau est augmentée ( 18 b) ou diminuée ( 18 c), le pas restant constant. 4 Emetteur-récepteur selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que les moyens élec- troniques ( 36) comprennent un amplificateur à haute fréquence (A 1, A 2), un filtre passe bande (FPB 1, FPB 2) centré sur l'écart (d F) entre la fréquence incidente Fi et la fréquence propre Fo du laser, un discrimi- nateur de fréquence (MX 1, MX 2) et un filtre passe bas (F Pb 1, F Pb 2). Liaison optique bidirectionnelle compre- nant un premier ensemble émetteur-récepteur (SE 1), une ligne de transmission optique (F 0) et un second ensemble émetteur-récepteur (SE 2), caractérisée par Le fait que le premier et second ensembles émetteurs- récepteurs (SE 1, SE 2) comprennent chacun l'émetteur-ré- cepteur de la revendication 1.