Brevet FR2696287A1 — publié le 19940401

Laser semiconducteur à rétroaction distribuée et électrode segmentée. La présente invention concerne un laser semiconducteur à rétroaction distribuée du type dit DFB. La cavité résonante d'un tel laser est au moins partiellement formée par un réseau de rétroaction optique. Le produit du pas H de ce réseau par l'indice de réfraction effectif de la structure du laser est usuellement sensiblement égal à la moitié de la longueur d'onde de la lumière à émettre. Ce réseau peut présenter un ou plusieurs déphasages localisés dont l'utilité apparaîtra plus loin. Un tel laser est typiquement destiné à un réseau de télécommunications à fibres optiques. Des caractéristiques importantes de ce laser sont alors, outre un fonctionnement monomodal, la largeur de la raie spectrale de la lumière émise et celle d'une plage d'accord dans laquelle il est possible de moduler la fréquence de cette raie, ainsi que l'efficacité de cette modulation, c'est-à-dire la possibilité de commander une grande variation de cette fréquence par une petite variation d'un courant électrique de commande. Ces caractéristiques dépendent notamment de la distribution de porteurs libres (électrons) et de photons dans la cavité résonante du laser. Or, au dessus du seuil de résonance, les éléments constitutifs de cette cavité (les réflectivités éventuelles sur les faces externes, les éventuels déphasages du réseau et le coefficient de couplage de ce réseau à la lumière essentiellement) imposent un profil bien défini à la densité de photons (il s'agit ici de photons stimulés seulement). Ce profil est, surtout pour les lasers à déphasage unique de H/2 et à coefficient de couplage élevé, loin d'être homogène. Cette inhomogénéité se répercute sur la densité de porteurs : en effet, la création d'un photon stimulé provoque la désexcitation d'un électron de la bande de conduction, et donc une diminution du nombre d'électrons libres. Par conséquent, la densité de porteurs libres est plus faible dans les régions où la densité de photons, c'est-à-dire l'intensité de la lumière, est forte.Ce phénomène est communément appelé "spatial hole burning" ou "déplètion". Il produit une augmentation de la largeur de raie et une remontée des modes secondaires du laser qui peut même devenir bimode au delà d'une certaine intensité du courant d'alimentation. La déplètion limite ainsi également la puissance maximale susceptible d'être obtenue en fonctionnement monomodal du laser. La commande de la fréquence de la lumière émise, peut être obtenue par la commande d'un ou plusieurs courants internes traversant des sections longitudinalement successives du laser, ces sections étant définies par des électrodes à partir desquelles ces courants sont injectés. Ces électrodes sont constituées par des segments successifs d'une couche métallique. La commande indépendante de deux tels courants permet à la fois de maintenir un gain optique suffisant pour assurer une émission de lumière et de faire varier localement l'indice de réfraction effectif vu par la lumière pour modifier la longueur d'onde sélectionnée par le réseau de rétroaction. Dans de tels lasers à électrodes segmentées permettant une modulation de fréquence, il est connu de limiter la déplètion en augmentant l'intensité du courant injecté dans la section où la densité de porteurs libres tend à être la plus faible. Cette augmentation d'intensité tend en effet à entraîner une croissance de la densité des porteurs libres. Un tel laser est décrit dans un article "Suppression of longitudinal spatial hole burning effect in lambda/4 shifted DFB lasers by non-uniform current injection" Usami et al, IEEE Journal of Quantum Electron. Vol 25, n06 June 1989, pp. 1245-1253. Par ailleurs, un laser à plusieurs électrodes est décrit dans un document de brevet EP-A ne409487 (Fujitsu), et représenté à la figure 18 de ce document. Il sera appellé ci-après "laser Fujitsu". Deux déphasages symétriques de son réseau de rétroaction renforcent l'intensité de la lumière dans une section centrale pour élargir la bande passante d'une modulation de fréquence réalisée par variation de la densité du courant électrique d'alimentation traversant cette section. Une composante continue de cette densité est accrue dans cette section, par rapport à d'autres sections, pour compenser la déplètion résultant du renforcement de la lumière, et pour permettre d'élever la fréquence de modulation du courant de modulation de fréquence susceptible d'être appliqué utilement à cette section. Cette disposition du brevet Fujitsu n'est satisfaisante ni pour réduire la largeur de la raie d'émission du laser, ni pour permettre de commander la fréquence à l'aide d'un courant de petite intensité. La présente invention a notamment pour but d'obtenir simultanément d'une manière simple d'une part la possibilité de commander dans un large intervalle, à l'aide d'un courant d'intensité limitée, la fréquence de la lumière émise par un laser semiconducteur et d'autre part une faible largeur de la raie spectrale de cette lumière. Dans ce but elle a pour objet un laser semiconducteur à rétroaction distribuée et électrode segmentée, ce laser comportant une succession longitudinale de sections, un guide de lumière muni d'un réseau de rétroaction optique s'étendant longitudinalement à travers cette succession de sections et présentant plusieurs déphasages, et une succession de sources de courant continu créant une succession de densités de courant continu injectant des porteurs dans cette succession de sections, respectivement, de manière à amplifier une lumière parcourant ce guide, la fréquence de cette lumière étant sélectionnée par ledit réseau de rétroaction, et une source de courant de modulation créant une densité de courant de modulation alternatif dans une section de modulation appartenant à cette succession de sections de manière à moduler ladite fréquence sélectionnée, ce laser étant caractérisé par le fait que lesdites sources de courant créent une densité de courant continu d'injection plus faible dans ladite section de modulation que dans une autre dite section. On peut remarquer que, dans des lasers semiconducteurs qui ont une seule section, et dont la fréquence n'est donc pas aisément commandable à l'aide du courant injecté dans ces lasers, une solution connue pour réduire la déplètion est d'introduire des déphasages multiples dans la cavité. Ces déphasages modifient la répartition de la densité de photons qui serait autrement imposée par la cavité résonante. Ils sont donc généralement optimisés pour créer une répartition relativement homogène de l'intensité de la lumière tout en gardant une bonne sélectivité modale. Cependant, dans les lasers à plusieurs sections, une caractéristique souvent importante est l'amplitude de la modulation de fréquence. Or cette amplitude apparaissait devoir être sérieusement diminué par une uniformisation même incomplète de la répartition du courant d'alimentation sur la longueur du ruban actif. Selon la présente invention, il est apparu que l'on pouvait réaliser des répartitions longitudinales plus uniformes que précédemment, à la fois pour l'intensité de la lumière et pour le courant d'alimentation, et que l'on obtenait ainsi à la fois une faible largeur de raie et une amplitude de modulation de fréquence suffisante dans de nombreuses applications. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être mise en oeuvre. La figure 1 représente une vue d'un laser réalisé selon la présente invention, en coupe par un plan vertical longitudinal. Les figures 2 et 3 représentent deux détails II et III à échelle agrandie de la figure 1 pour montrer les déphasages du réseau de rétroaction optique de ce laser. Conformément la figure 1 le laser donné en exemple comporte une plaquette semiconductrice 2 définissant une direction longitudinale X, une direction transversale Y perpendiculaire à cette direction longitudinale, et des plans horizontaux parallèles à ces directions longitudinale et transversale. Cette plaquette définit aussi une direction verticale Z perpendiculaire à ces plans horizontaux. Des longueurs et des épaisseurs sont mesurées selon ces directions longitudinale et verticale, respectivement. La plaquette 2 porte une couche d'électrode inférieure 4 et une couche d'électrodes supérieure 6, 8 pour faire passer des courants électriques internes de l'une à l'autre de ces faces à travers cette plaquette. La couche inférieure 4 comporte une électrode commune 4 tandis que la couche supérieure est segmentée et comporte une électrode de modulation 6 et ue électrode d'amplification 8. Ces électrodes se succèdent longitudinalement et définissent une section de modulation S1 suivie par une section d'amplification S2. Il est important, pour obtenir une bonne efficacité de modulation, que la section de modulation soit disposée de manière dissymétrique par rapport à l'ensemble d'une cavité optique constitué par un réseau de rétroaction 20, par exempe qu'elle s'étende comme représenté, sur un seul tronçon d'extrémité de ce réseau. Deux sources de courant C1 et CM fournissant à l'électrode 6 à la fois un courant de polarisation de modulation continu Il et un courant de modulation alternatif IM. Une source de courant C2 fournit à l'électrode 8 un courant d'amplification I2. Le courant de modulation IM module la fréquence du laser pour réaliser une modulation de phase différentielle du type connu dit DPSK. La densité de courant créée par le courant d'amplification I2 est supérieure à celle créée par le courant de polarisation I1, ceci pour amplifier suffisamment la lumière dans la section S2. Les densités de courant créées par les courants I1, IM et I2 peuvent être appelées J1, JM, et J2.Les longueurs des sections S1 et S2 peuvent être appelées L1 et L2, et les valeurs de ces grandeurs peuvent, à titre d'exemple plus particulier, être les suivantes L1 = 0,45 mm, I1 = 30mA,J1 =3.107A/m2, IM = 3mA JM = 3.106A/m2, L2 =0,65 mm, I2 =100 mA, J2 = 7,7.107A/m2. La fréquence de la lumière émise peut alors varier de 1GHz. La plaquette 2 comporte un ruban actif 10 présentant une longueur entre deux extrémités 10A, 10B. Ce ruban est constitué d'un matériau optiquement actif et il est interposé verticalement entre une couche de confinement inférieur 12 d'un premier type de conductivité et une couche de confinement supérieure 14 d'un deuxième type de conductivité opposé. Chaque courant d'alimentation passant à travers ce ruban actif permet à ce matériau actif d'amplifier une lumière de laser par recombinaison de porteurs de charges que ce courant injecte dans ce ruban actif à partir de ces couches de confinement. Ce ruban actif est inclus dans un ensemble de guidage qui s'étend longitudinalement en étant interposé verticalement et transversalement entre des matériaux présentant des indices de réfraction inférieurs à celui de matériaux de cet ensemble. Cet ensemble constitue ainsi un guide de lumière pour guider ladite lumière de laser selon la direction X. Plus particulièrement l'ensemble de guidage comporte, outre le ruban actif 10 constitué d'un alliage ternaire InGaAs, un guide passif 18 constitué d'un alliage quaternaire InGaAsP et séparé du ruban actif 10 par une couche intermédiaire 16. Cette couche est constituée, comme les couches de confinement 12 et 14, d'un alliage binaire InP dont l'indice de réfraction est plus faible que ceux du ruban actif et du guide passif. Son épaisseur est suffisamment petite pour réaliser un couplage optique entre ce ruban et ce guide. Plus particulièrement encore on rencontre, de bas en haut, la couche de confinement inférieure 12, le ruban actif 10, la couche intermédiaire 16, le guide passif 18 et la couche de confinement supérieure 14. D'autres couches sont classiquement formées dans la plaquette 2 et ne sont pas représentées. Ce sont notamment des couches latérales situées transversalement de part et d'autre de l'ensemble de guidage, et des couches de contact formées entre les couches de confinement et les électrodes. Un réseau de rétroaction optique 20 est constitué par l'ensemble de guidage. Il s'étend longitudinalement entre deux extrémités 20A, 20B qui coincident longitudinalement avec les deux extrémités 10A, 10B du ruban actif 10. I1 est formé par une surface de réseau qui sépare deux matériaux 16, 18 d'indices de réfraction différente et qui s'étend longitudinalement en s'élévant et s'abaissant périodiquement selon un pas de réseau H mesuré longitudinalement.Ce pas est adapté à une longueur d'onde de ladite lumière de laser pour réfléchir cette lumière longitudinalement d'une manière distribuée sur la longueur de ce réseau et pour faire apparaître ainsi au moins un mode de résonance pour cette lumière, chaque tel mode de résonance étant associé à une longueur d'onde de cette lumière proche de la longueur d'onde à laquelle ce pas de réseau est adapté. Ce réseau a pour effet que l'ensemble de guidage constitue, pour la lumière de laser, une cavité résonante, les faces longitudinalement extrêmes de la plaquette 2 portant des revêtements antiréfléchissants. I1 présente une succession longitudinale de déphasages de réseau dont les positions et les valeurs sont choisies pour sélectionner un seul dit mode de résonance et la longueur d'onde associée et pour régulariser la répartition longitudinale de l'intensité de la lumière présentant cette longueur d'onde dans le ruban actif. Ces déphasages sont alternés c'est-à-dire que leurs valeurs absolues sont égales et qu'ils présentent un signe algébrique alternativement positif et négatif. Plus particulièrement ces déphasages ont une même valeur absolue égale à 25 %, à plus ou moins 10 % près, du pas de réseau H et sont situés, à partir d'une même extrémité 20B du réseau de rétroaction 20, à deux distances respectivement égales à 13 % et à 46 %, à plus ou moins 4 % près, de la longueur de ce réseau. Ils sont illustrés sur les figures 2 et 3, étant entendu que la forme réelle de la gravure est sensiblement différente de la forme très schématique représentée. Le choix de ces valeurs et positions des déphasages a pour effet, dans le cas où les faces extrêmes de la plaquette 2 ne sont pas réfléchissantes et où le réseau de rétroaction s'étend continument d'une extrémité à l'autre du ruban actif, d'assurer un fonctionnement monomodal du laser et une répartition suffisamment homogène de l'intensité lumineuse sur la longueur de ce ruban. Plus précisément lesdites positions et valeurs desdits déphasages de réseau sont choisies pour que la répartition longitudinale de l'intensité de l'intensité de la lumière présente une platitude (flatness) inférieure à 0,3 et de préférence à 0,25, cette platitude étant la variance de la puissance optique sur la longueur dudit réseau de rétroaction optique. On sait que cette variance est la racine carrée de l'intégrale de l'expression (p~p)Z/p2 sur la longueur du réseau de rétroaction. P étant la puissance optique et P étant la valeur moyenne de cette puissance. D'autres dispositions des déphasages peuvent être cependant préférables. REVENDICATIONS 1) Laser semiconducteur à rétroaction distribuée et electrode segmentée, ce laser comportant une succession longitudinale de sections (S1, S2), un guide de lumière muni d'un réseau de rétroaction optique (20) s'étendant longitudinalement à travers cette succession de sections et présentant plusieurs déphasages, et une succession de sources de courant continu (C1, C2) créant une succession de densités de courant continu injectant des porteurs dans cette succession de sections, respectivement, de manière à amplifier une lumière parcourant ce guide, la fréquence de cette lumière étant sélectionnée par ledit réseau de rétroaction, et une source de courant de modulation (CM) créant une densité de courant de modulation (S1) alternatif dans une section de modulation appartenant à cette succession de sections de manière à moduler ladite fréquence sélectionnée, ce laser étant caractérisé par le fait que lesdites sources de courant (C1, C2) créent une densité de courant continu d'injection plus faible dans ladite section de modulation que dans une autre dite section (S2). 2/ Laser selon la revendication 1, ce laser comportant une plaquette semiconductrice (2) portant une couche d'électrode inférieure (4) et une couche d'électrode supérieure (6, 8) pour faire passer des courants électriques internes de l'une à l'autre de ces couches à travers cette plaquette, au moins l'une de ces couches étant segmentée pour former une succession longitudinale d'électrodes (6, 8) sur une succession longitudinale de sections (S1, S2) de cette plaquette, ces électrodes étant mutuellement isolées pour permettre de donner auxdits courants électriques internes une succession longitudinale de densités de courant différentes, respectivement, une dite section étant une section de modulation (S1) et une dite électrode de cette succession étant une électrode de modulation (6) portée par cette section de modulation, une autre dite section étant une section d'amplification (S2) et une autre dite électrode de cette succession étant une électrode d'amplification (8) portée par cette section d'amplification, ce laser comportant une source de courant de polarisation de modulation (Cl) et une source de courant de modulation (CM) connectées à ladite électrode de modulation (6) pour lui fournir un dit courant interne constitué par un courant de polarisation de modulation continu (I1) et un courant de modulation alternatif (Im) créant dans ladite section de modulation une densité de courant de polarisation de modulation et une densité de courant de modulation, respectivement, ce laser comportant encore une source de courant d'amplification (C2) connectée à ladite électrode d'amplification (8) pour lui fournir un courant d'amplification continu (I2) créant dans ladite section d'amplification (s2) une densité de courant d'amplification, ladite plaquette comportant un ensemble de guidage (10, 16, 18) propre à guider longitudinalement une lumière de laser, cet ensemble de guidage comportant un ruban actif (10) propre à amplifier ladite lumière de laser lorsqu'il est traversé par un dit courant interne, cet ensemble de guidage présentant un réseau de rétroaction optique (20), ce réseau étant formé par une surface de réseau qui sépare deux matériaux (16, 18) d'indices de réfraction différents et qui s'étend longitudinalement en s'élévant et s'abaissant périodiquement selon un pas de réseau (H) adapté à une longueur d'onde de ladite lumière de laser pour réfléchir cette lumière longitudinalement d'une manière distribuée sur la longueur de ce réseau et pour faire apparaître ainsi au moins un mode de résonance pour cette lumière, chaque tel mode de résonance étant associé à une longueur d'onde de cette lumière proche de la longueur d'onde à laquelle ce pas de réseau est adapté, ce réseau de rétroaction présentant une succession longitudinale de déphasages de réseau dont les positions et les valeurs sont choisies pour sélectionner un seul dit mode de résonance et la longueur d'onde associée, cette longueur d'onde associée étant modulée par une modulation d'indice de réfraction créée par ledit courant de modulation, ce laser étant caractérisé par le fait que les positions et les valeurs desdits déphasages de réseau (22, 24) sont choisies en outre pour régulariser la répartition longitudinale de l'intensité d'une dite lumière de laser présentant ladite longueur d'onde associée dans ledit ruban actif, ces positions étant extérieures à ladite section de modulation, ladite densité de courant de polarisation de modulation étant inférieure à ladite densité de courant d'amplification, cette dernière étant choisie pour assurer une amplification suffisante de cette lumière. 3) Laser selon la revendication 2 caractérisé par le fait que lesdites positions et valeurs desdits déphasages de réseau (22, 24) sont choisies pour que la répartition longitudinale de l'intensité de ladite lumière de laser présente une platitude inférieure à 0,3 et de préférence à 0,25, cette platitude étant la variance de la puissance optique sur la longueur dudit réseau de rétroaction optique (20). 4) Laser selon la revendication 2 caractérisé par le fait que ladite section de modulation (S1) s'étend sur un tronçon extrême dudit réseau de rétroaction 20.