Brevet FR2686753A1 — publié le 19930730

DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un photo- récepteur pour signaux optiques modulés en fréquence, un émetteur- récepteur correspondant et une liaison optique bidirectionnelle utilisant un tel émetteur-récepteur. L'invention trouve des applications générales en télécommunications optiques. Etat de La technique antérieure Dans le domaine des télécommunications op- tiques, il est fait usage depuis quelques années de dispositifs à semiconducteurs particulièrement avanta- geux puisqu'ils se comportent aussi bien en émetteur qu'en récepteur. De tels dispositifs sont décrits notamment dans les articles suivants: A Alping, B Bentland et S T Eng, " 100 Mb/s laser diode terminal with optical gain for fibre-optic local area networks", Electron Lett, 20, pp 794-795 ( 1984), N A Olsson et L L Buhl, "Single-laser high-selecti- vity bidirectional transmission system for local-area- network applications", Electron Lett, 23, pp 62-64 ( 1987), L d'Auria, G Chevalier et P Maillot, "LIBIDO using EROS half-duplex optical kink", Electron. Lett, 15, pp 820-821, ( 1979), P A Andrekson et N A Olsson, "Optical full-duplex transmission with diode laser amplifiers", J Light- wave Tech, 9, pp 737-740, ( 1991). Des liaisons optiques travaillant en modula- tion de fréquence (FM) ou en décalage de fréquence ("Frequency Shift Keying" ou FSK) ont pu être ainsi réalisées avec un laser à semiconducteur travaillant en émetteur et en récepteur De telles liaisons ont été décrites par exemple dans les documents suivants: T L Koch, F S Choa, F Heisman et U Koren, "Tuna- ble multiple-quantum-well distributed-Bragg-reflector laser as tunable narrowband receivers", Electron. Lett, 25, pp 890-892, ( 1989), M J Chawki, R Auffret et L Berthou, " 1 5 Gb/s FSK transmission system using two electrode DFB laser as tunable FSK discriminator/photodetector", Electron Lett, 26, pp 1146-1148 ( 1990), H Nakajima, "Demodulation of multi-gigahertz frequency-modulated optical signais in an injection-locked distributed feedback laser oscillator", Electron Lett, 26, pp 1129-1130 ( 1990), FR-A-2 652 465. Dans cette technique connue, La structure semiconductrice est généralement une structure à contre-réaction distribuée ("Distributed Feedback" ou DFB en abrégé) Deux types de fonctionnement peuvent se présenter selon que la structure fonctionne en amplificateur (c'est le cas lorsqu'elle est polarisée en dessous du seuil) ou en oscillateur (lorsqu'elle est polarisée largement au-dessus du seuil). Dans tous les cas, on prélève la tension aux bornes de la structure semiconductrice, les varia- tions de cette tension traduisant les variations de fréquence On peut donc effectuer, par le biais de cette tension, une démodulation restituant l'informa- tion d'origine ayant servi à moduler le faisceau op- tique (en FM ou en FSK). Le dernier document cité, à savoir FR-A-Z 652 465, décrit notamment les différences entre les deux régimes de fonctionnement (amplificateur, oscillateur) et montre, entre autres, l'intérêt des structures fonctionnant en oscillateur. Bien que donnant satisfaction à certains égards, ces dispositifs présentent l'inconvénient de ne présenter qu'une sensibilité limitée dans la conversion fréquence-tension Dans le régime amplifi- cateur, la sensibilité de conversion est de l'ordre de 0,6 m V/G Hz Dans le régime oscillateur, elle est encore plus faible et tombe à 0, 2 m V/G Hz Cette faible sensibilité limite le débit de transmission. La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient en proposant une struc- ture conduisant à une meilleure efficacité Selon l'invention, la sensibilité passe à environ 1,2 m V/G Hz soit le double de l'efficacité des meilleurs disposi- tifs antérieurs Cette amélioration est valable aussi bien en régime amplificateur qu'en régime oscillateur. Exposé de L'invention L'invention propose d'utiliser encore une structure du type à contre-réaction distribuée (DFB) mais dans le cas o cette structure comprend une zone de déphasage optique dans le réseau On sait qu'une telle zone, appelée parfois "déphaseur", permet de supprimer une dégénérescence en longueur d'onde pertur- bant le fonctionnement du laser en ce sens qu'elle rend possible l'oscillation sur deux longueurs d'onde différentes Grâce à l'introduction d'un déphaseur, une seule longueur d'onde devient possible L'invention fait usage de ce perfectionnement et propose de placer une électrode réservée au prélèvement de la tension au- dessus du déphaseur, l'électrode d'alimentation de la structure étant maintenue mais divisée en deux 5 demi-électrodes, disposées de part et d'autre de l'électrode de prélèvement. De façon précise, la présente invention a donc pour objet un photorécepteur pour signaux optiques modulés en fréquence, comprenant une structure semi- conductrice à contre-réaction distribuée (DFB) composée d'un empilement de couches dont une couche active et un réseau de diffraction optiquement couplé à au moins une partie de la couche active, ce réseau compor-15 tant une région centrale introduisant un déphasage optique, cette structure étant recouverte d'une élec- trode reliée à une source de courant, ce photorécepteur comprenant en outre des moyens pour prélever la tension aux bornes de la structure, ce photorécepteur étant20 caractérisé par le fait que les moyens pour prélever la tension aux bornes de la structure sont constitués par une électrode centrale disposée au-dessus de la région centrale du réseau introduisant un déphasage optique, l'électrode d'alimentation étant alors divisée25 en deux demi-électrodes latérales disposées de part et d'autre de l'électrode centrale et électriquement isolées de celle-ci. La présente invention a également pour objet un émetteur-récepteur qui est constitué par le photo- récepteur qui vient d'être défini, celui- ci étant utilisé en outre comme source laser. On peut observer que le composant de l'inven- tion travaille dans la zone de verrouillage, c'est-à-dire que le rayonnement émis est verrouillé en fréquence sur le rayonnement reçu. Enfin, l'invention a pour objet une liaison optique bidirectionnelle qui comprend deux ensembles émetteur-récepteur constitués par L'émetteur-récepteur précédent, lequel travaille toujours dans la zone de verrouillage. Brève description des dessins la figure 1 illustre un photorécepteur selon l'invention; la figure 2 montre les variations de la puissance optique le long de la couche active; la figure 3 illustre le principe de la démodulation dans le cas d'un fonctionnement en amplificateur; la figure 4 illustre le principe de la démodulation dans le cas d'un fonctionnement en osci L Lateur; la figure 5 montre quelques exemples de réalisation d'un déphaseur; la figure 6 montre un détail de réalisation de l'empilement de couches; la figure 7 illustre une liaison bidirectionnelle utilisant un émetteur-récepteur conforme à l'invention; la figure 8 montre une application de l'invention à la réalisation d'un répéteur. Exposé détai LLé de modes de réalisation Le photorécepteur représenté sur la figure 1 comprend une structure semiconductrice 10 à contre-réaction distribuée (DFB) composée d'un empilement de couches dont une couche active 12 recevant un faisceau optique 14 et un réseau de diffraction 16 optiquement couplé à au moins une partie de la couche active 12 Ce réseau 16 comporte une région centrale 18 introduisant un déphasage optique. 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 optique L'élec- trode d'alimentation est alors divisée en deux demi- électrodes latérales 22, 24 disposées de part et d'autre de l'électrode centrale 30 et électriquement isolées de celle-ci Une électrode 25 est en outre disposée sous la structure et reliée par exemple à la masse. L'électrode de prélèvement 30 est reliée à une résistance 32 Le plot de sortie 34 constitue la sortie du photorécepteur. La structure semiconductrice est alimentée en courant par les deux demiélectrodes 22 et 24, lesquelles sont reliées en parallèle à une source de courant 26 Mais on pourrait éventuellement ali- menter séparément ces deux électrodes. Dans un laser DFB à déphasage, la puissance optique a tendance à se concentrer dans le centre de la structure comme illustré sur la figure 2 Sur cette figure, on 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 présen- te dans la zone centrale d'abscisse L/2. La figure 2 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. Les figures 3 et 4 illustrent le fonction- nement du photorécepteur de l'invention respectivement dans les régimes amplificateur et oscillateur Sur ces figures, la partie (a) montre la variation de la puissance optique dans la structure semiconductrice en fonction de l'écart de fréquence d F entre la fré- quence du faisceau optique incident et la fréquence propre de la structure semiconductrice La partie (b) montre la variation de tension d V prélevée sur l'électrode centrale 30 lorsqu'un signal optique modu Lé en FSK est introduit dans la couche active Ce signal optique, référencé SO(FSK) est supposé présenter une suite de deux fréquences discrètes autour d'une fré- quence moyenne Cette fréquence moyenne correspond à un décalage en fréquence d F qui se situe soit sur l'un des flancs sensiblement linéaires de la courbe d V(d F) pour un fonctionnement en amplificateur, soit à un décalage en fréquence nul pour un fonctionnement en oscillateur Ce point de fonctionnement est réfé- rencé f sur la figure 4 b et f et f' sur la figure 3 b. Les différences de fonctionnement entre les deux régimes, avec une courbe en cloche pour le régime amplificateur et une couche en Z pour le régime oscil- lateur, ont déjà été soulignées dans le document FR-A- 2 652 465 déjà cité auquel on pourra se reporter. On observera que, dans l'invention, la dif- férence de fréquence Fi-Fo entre la fréquence du rayon- nement incident et la fréquence propre du laser, est inférieure à la largeur de la bande dans laquelle le verrouillage ("locking") se produit. L'une des caractéristiques essentielles de l'invention est donc la présence, au-dessus du dépha- seur, d'une électrode de prélèvement de tension Quant à ce déphaseur, il peut être de tout type connu De nombreux exemples de réalisation ont été décrits dans la littérature, notamment dans les articles suivants: K Sekartedjo, N Eda, K Furuya, Y Suematsu, F. Koyama et T Tanbun-Ek, " 1 5 um phase-shifted DFB lasers for single-mode operation", Electron Lett, 20, pp 80-81, ( 1984), M Gilleron, J Charil, D Lesterlin, P Correc et J C Bouley, " 1 5 pm phase shifted distributed feedback laser", J Physique, Colloque C 4, supplément au n 9, tome 49, sept 1988, T Matsuyama, A Makuta, A Tanaka, K Ohtsuka, H Agatsuma et J Kinoshita, "TM mode suppresion 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. Naturellement, 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, S Slempkes, D Robein, C. Kazmierski et J C Bouley, "Extremely low threshold operation of 1 5 Vm Ga In As P/In P buried ridge stripe lasers", Electron Lett, 25, 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 longitudunale (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 élec- trodes latérales 22 et 24, l'électrode inférieure , 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 um 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 représentée sur la figure 7 Elle comporte un premier sous-ensemble SE 1, une fibre optique F O et un second sous-ensemble SE 2 Ces deux sous-ensembles sont identi- ques et comprennent les mêmes moyens référencés par une lettre affectée d'un indice 1 pour le premier d'un indice et 2 pour le second Le premier sous-ensem- ble SE 1 comprend ainsi un émetteur-récepteur ER 1 conforme à celui de la figure 1, un amplificateur haute fréquence A 1 relié à l'électrode centrale de prélèvement de la tension, cet amplificateur délivrant un signal de démodulation, une source de courant I 1 reliée aux électrodes latérales d'alimentation à tra- vers un Té de polarisation T 1 constitué par un conden- sateur et une inductance et enfin un générateur G 1 d'informations apte à moduler le courant du laser pour moduler sa fréquence d'émission L'intensité du courant délivré par I 1 est réglée selon le mode de fonctionnement choisi, soit au voisinage du seuil (amplificateur) soit très au-dessus du seuil (oscil- lateur). Enfin, la figure 8 montre que la structure de l'invention peut encore fonctionner en répéteur avec les mêmes moyens Sur cette figure, la structure reçoit un faisceau lumineux issus d'une première fibre optique F 01 et délivre un faisceau amplifié guidé par une seconde fibre optique F 02 Grâce à sa 1 1 zone 18 à déphasage et à son électrode de prélèvement de tension 30, La structure déLivre une tension de contrôLe éventue L Lement amp Lifiée par un amplificateur A On peut ainsi contrôler en permanence La qua Lité du signal amp Lifié. REVENDICATIONS 1 Photorécepteur pour signaux optiques modu- Lés en fréquence, comprenant une structure semiconduc- trice ( 10) à contre-réaction distribuée (DFB) composée d'un emi Lement de couches dont une couche active ( 12) et un réseau de diffraction ( 16) optiquement coup Lé à au moins une partie de La couche active ( 12), ce réseau ( 16) comportant une région centrale ( 18) intro- duisant un déphasage optique, cette structure étant recouverte d'une électrode ( 22, 24) re Liée à une source de courant ( 26), ce photorécepteur comprenant en outre des moyens pour préLever la tension aux bornes de la structure, ce photorécepteur étant caractérisé par le fait que les moyens pour préLever la tension aux bornes de la structure sont constitués par une électrode centrale ( 30) disposée au-dessus de la région centrale ( 18) du réseau introduisant un déphasage optique, l'électrode d'alimentation étant alors divisée en deux demi-électrodes latérales ( 22, 24) disposées de part et d'autre de l'électrode centrale ( 30) et électriquement isolées de celle-ci. 2 Photorécepteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la région centrale ( 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. 3 Photorécepteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la couche active ( 12) est une couche semiconductrice massive ou à multipuits quantiques. 4 Emetteur-récepteur, caractérisé par le fait qu'il est constitué par le photorécepteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, cet émet- teur-récepteur se comportant comme un laser ayant une fréquence propre Fo et une fréquence de fonction- nement qui se cale sur la fréquence Fi du signal opti- que incident, la différence Fi-Fo entre la fréquence Fi du signal optique reçu et la fréquence propre Fo étant tenue inférieure à une largeur correspondant à une bande de verrouillage en fréquence du laser. Liaison optique bidirectionnelle comprenant un premier ensemble émetteur-récepteur (SE 1), une ligne de transmission optique (F 0) et un second ensem- ble émetteur-récepteur (SE 2), caractérisée par le fait que le premier et second ensembles émetteurs-récepteurs (SE 1, SE 2) comprennent l'émetteur-récepteur de la revendication 4.