Brevet FR2706090A1 — publié le 19941209

" Dispositif résonateur pour obtenir de la lumière cohé- rente avec une largeur de bande de fréquence réduite" Etat de la technique L'invention part d'un dispositif résonateur pour produire de la lumière cohérente avec une largeur de bande de fréquence réduite, de la lumière de pompage étant amenée à ce dispositif résonateur, avec deux réflecteurs, notam- ment des réflecteurs Bragg, entre lesquels est disposé un milieu d'amplification On connaît déjà par la publication Semiconductor Lasers for Coherent Lightwave Communication de N.K. Dutta, dans SPIE Vol, 1372 Coherent Lightwave Communications (1990) un laser dans lequel une source de lumière de pom- page ainsi qu'un dispositif résonateur et un milieu d'am- plification sont intégrés dans un semi-conducteur. Le dispositif résonateur se compose alors de la surface limite entre le semi- conducteur et l'air ainsi que d'un réflecteur de Bragg, qui est structuré dans le semi-conducteur. Le mi- lieu d'amplification provoque une amplification de la lu- mière qui circule entre les deux réflecteurs. On connaît en outre par la publication Single-mode-fiber rign dye laser de W. V. Sorin et M. H. yu dans Optics letters Vol. 10 No. 11, 1985, le branchement d'un résonateur à fibre annulaire à la suite d'une source de lumière de pompage. Le milieu d'amplification est alors intégré dans la fibre annulaire. Par le document Polymer Electro-optic devices de G. R. Môhlmann, Akzo Research Laboratories, Arnhem, on connaît en outre un interféromètre Mach-Zehnder, avec lequel un signal optique peut être modulé en amplitude. Les dispositifs résonateurs connus sont d'une fa- brication très coûteuse à cause du semi-conducteur utilisé. Il vient ainsi s'y ajouter que la lumière obtenue a un spectre de fréquence relativement large. Avantages de l'invention L'invention concerne un dispositif résonateur du type précité dans lequel au moins un réflecteur est réalisé sous la forme d'un réflecteur structuré à partir d'un poly- mère dans un guide d'ondes lumineuses couplé au milieu d'amplifications. Ce dispositif de résonateur selon l'in- vention présente l'avantage qu'il est susceptible d'être réalisé économiquement grâce à la simple possibilité de mise en oeuvre de matière plastique. Un autre avantage ré- side en ce qu'il peut être réalisé de façon simple avec des dimensions relativement importantes, grâce à quoi on ob- tient une sélectivité de fréquence élevée et simultanément une faible sensibilité d'influencement par des rétroactions optiques. Il en résulte en outre une probabilité élevée pour une exploitation monomode lors d'un montage avec des réflecteurs de Bragg. Par ailleurs, la sélectivité de fré- quence élevée du dispositif résonateur a pour conséquence qu'un décalage de fréquence perturbateur, causé par la mo- dulation utile de la puissance de sortie de la lumière in- tervient beaucoup moins que par exemple dans le cas des lasers habituels à semi-conducteur. D'autres caractéristiques de l'invention concer- nent des compléments avantageux et des améliorations du dispositif résonateur indiqué ci-dessus. La réalisation du milieu d'amplification en tant que partie du guide d'ondes lumineuses est particulièrement avantageuse car ainsi une réalisation compacte est d'une fabrication simple du dispositif résonateur avec le milieu d'amplification est obtenue. Il est en outre avantageux de coupler le milieu d'amplification au réflecteur du disposi- tif résonateur sous la forme d'une fibre optique dopée, car le matériau de dopage actif au laser pour le milieu d'am- plification, qui ne peut pas être mélangé de façon simple au matériau polymère du guide d'ondes lumineuses ou bien seulement à des concentrations si faibles, que la grande longueur en résultant pour la zone d'amplification de la fibre optique dépasse les dimensions réalisables en struc- tures planaires au moyen desquelles la fibre optique dopée peut être couplée de façon simple au dispositif résonateur. Un dispositif de chauffage dans la zone des réflecteur per- met avantageusement la modification thermo-optique de la fréquence de résonance du dispositif résonateur, grâce à quoi on obtient une réalisation variable du laser. La con- formation du dispositif de chauffage sous la forme de méan- dres est avantageuse dans la mesure o avec un encombrement réduit, un bon couplage thermique peut être obtenu vers les réflecteurs. Un autre avantage réside en ce que dans la zone à l'arrière du dispositif résonateur, il est prévu une structure Mach-Zehnder, grâce à quoi la lumière laser peut être modulée. La structure Mach-Zehnder est susceptible d'être réalisée selon le même processus de fabrication que le dis- positif résonateur, ce qui correspond à une possibilité de réalisation simple. La réalisation de la structure Mach- Zehnder avec trois électrodes aboutit à une avantageuse mo- dulation en opposition de phase de la lumière laser, grâce à quoi l'effet de modulation d'amplitude de la structure Mach-Zehnder est amplifié. Il est de même avantageux d'in- tégrer le second réflecteur dans un substrat semi- conducteur, par une combinaison avec d'autres éléments constitutifs semiconducteurs est possible. Un avantage est en outre obtenu lorsque selon le substrat semi-conducteur, est disposée une source de lumière semiconductrice avec un conducteur de lumière réalisé sous la forme d'un milieu d'amplification, source qui est couplée au réflecteur structuré dans le guide d'ondes lumineuses, grâce à quoi on peut obtenir une réalisation simple d'un laser semi- conducteur avec une sélectivité de fréquence élevée. De même, il est avantageux que dans la zone du joint entre le conducteur de lumière se trouvant dans le semi-conducteur et le guide d'ondes lumineuses, ce guide d'ondes lumineuses et le conducteur de lumière réalisé sous la forme du milieu d'amplification, et dans lesquels est guidé le rayon lumi- neux, soit disposé selon un angle de 90 par rapport au joint, grâce à quoi les ondes lumineuses réfléchies sur le joint sont réfléchies et dispersées dans une zone en dehors du guide d'ondes lumineuses et du conducteur de lumière réalisé sous la forme du milieu d'amplification, sans per- turber le cours des ondes lumineuses non réfléchies. Grâce à l'utilisation d'un substrat en polymère, le dispositif résonateur selon l'invention est en outre avantageusement susceptible d'être fabriqué en plusieurs exemplaires, et également d'autres composants optiques et mécaniques sur le substrat, en un processus de fabrication. Dessins Des exemples de réalisation de l'invention sont représentés sur les dessins ci-joints, vont être exposés plus en détail dans la description ci-après. Ces dessins montrent: La figure 1 un laser avec un dispositif résona- teur, La figure 2 un dispositif résonateur avec un mi- lieu d'amplification réalisé sous la forme d'une fibre op- tique dopée. La figure 3 un dispositif résonateur avec un dis- positif de chauffage, La figure 4 un dispositif résonateur avec une structure Mach-Zehnder. La figure 5 un laser avec une source de lumière semi-conductrice et un dispositif résonateur. Description des exemples de réalisation Sur la figure 1 est représenté un laser avec un dispositif résonateur. La laser comporte une source de lu- mière 1 pour fourni de la lumière de pompage 3, source à laquelle est raccordée une fibre de verre 2. Dans celle-ci est guidée la lumière de pompage 3. Dans un substrat en po- lymère 4 qui sert de matériau de support pour le dispositif résonateur, est intégré un guide d'ondes lumineuse 22. Ce guide d'ondes lumineuses 22 comporte deux réflecteur de- Bragg 5 placés à une certaine distance l'un de l'autre. La partie du guide d'ondes lumineuses 22 se situant entre les réflecteurs de Bragg 5 est réalisée sous la forme d'un mi- lieu d'amplification 6. Le guide d'ondes lumineuses 22 avec les réflecteurs de Bragg 5 constitue un résonateur 9. Le dispositif résonateur comprend le substrat en polymère 4 et le résonateur 9 disposé sur ce substrat en polymère 4. Sur l'un des côtés du guide d'ondes lumineuses 22 est couplée la fibre de verre 2. Sur l'autre côté du résonateur 9 est couplée sur le guide d'ondes lumineuses 22 une autre fibre de verre 7, dans laquelle est guidée la lumière laser 8 produite par l'agencement de la source de lumière 1 et le substrat 4 en polymère avec le résonateur 9. La lumière de pompage 3 émise par la source de lumière 1 arrive par l'intermédiaire de la fibre de verre 2 au résonateur 9. La lumière de pompage 3 qui a une longueur d'ondes plus petite que la longueur des ondes laser à obte- nir, arrive à travers le premier réflecteur de Bragg 5 dans la zone réalisée sous la forme de milieu d'amplification 6 du guide d'ondes lumineuses 22, car le réflecteur de Bragg a une transmission élevée pour des longueurs d'ondes plus courtes que les longueurs d'ondes de réflexion. Le guide d'ondes lumineuses 22 est constitué par un polymère dont l'indice de réfraction est plus élevé que l'indice de ré- fraction du substrat en polymère 4 et en même temps à peu près égal à l'indice de réfraction des fibres de verre 2,7 pour maintenir les pertes optiques à un niveau réduit. La lumière en provenance de la source de lumière 1 et arrivant dans la zone du guide d'ondes lumineuses 22 réalisé sous la forme de milieu d'amplification 6 et amplifié dans ce mi- lieu par le mécanisme de l'émission induite, arrive de là au second réflecteur de Bragg 5 ou est réfléchie toute la lumière des longueurs d'ondes ne correspondant pas aux lon- gueurs d'ondes de résonance du réflecteur de Bragg 5. Grâce à une réfraction répétée entre les réflecteurs de Bragg 5 sous l'action du milieu d'amplification 6 une lumière cohé- rente amplifiée avec une largeur de bande de fréquence ré- duite arrive à travers le second réflecteur de Bragg 5 dans la fibre de verre suivante 7 o elle est disponible en tant que lumière laser. Comme milieu d'amplification 6, convient par exemple un polymère dopé ou ormocer dans lequel par exemple sont introduites des terres rares telles que l'er- bium. Autrement le milieu d'amplification 6 peut être in- troduit tout d'abord dans un support approprié par exemple du verre et ce matériau dopé peut sous la forme de très pe- tites particules d'indice de réfraction adapté être mélangé à un polymère. On connaît également des polymères qui sont eux-mêmes électroluminescents et donc en principe pris en considération en tant que milieu d'amplification 6. Sur la figure 2 est représentée une autre forme de réalisation du dispositif résonateur en conservant la numérotation de la figure 1. Sur le substrat polymère 4 se trouve le guide d'ondes lumineuses 22 avec le réflecteur de Bragg 5 intégré dans ce guide, et à l'extrémité duquel se raccorde la fibre de verre 2. Il est par ailleurs prévu sur le substrat polymère 4 un autre guide d'ondes lumineuses 23 qui comporte le second réflecteur de Bragg 5. Le milieu d'amplification 6 est réalisé sous la forme d'une fibre op- tique 24 dopée et relie la deuxième extrémité du guide 7? 2706090 d'ondes lumineuses 22 avec une extrémité de l'autre guide d'ondes lumineuses 23. La seconde extrémité de l'autre guide d'ondes lumineuses 23 aboutit à l'autre fibre de verre 7. Cette réalisation est alors particulièrement avantageuse lorsque le matériau actif au laser pour le mi- lieu d'amplification 6 ne peut pas être mélangé de façon simple au matériau polymère du guide d'ondes lumineuses 22, 23 ou bien ne peut être utilisé qu'en concentration si fai- ble que la grande longueur en résultant de la zone d'ampli- fication des guides d'ondes lumineuses 22, 23 dépasse les dimensions réalisables sur le substrat en polymère 4. Le mode de fonctionnement du dispositif résonateur représenté sur la figure 2 correspond au mode de fonctionnement du dispositif de résonateur représenté sur la figure 1. Le trajet de la lumière va dans ce cas de la fibre de verre 2 par l'intermédiaire du guide d'ondes lumineuses 22, de la fibre optique 24 et de l'autre guide d'ondes lumineuses 23 dans l'autre fibre de verre 7. Il est en outre possible de coupler le milieu d'amplification 6 au guide d'ondes lumineuses 22 sous la forme d'une substance évanescente dissoute dans un liquide. Ce type de couplage peut également être mis en oeuvre avec un verre dopé. Sur la figure 3 est représenté un dispositif ré- sonateur selon l'invention avec un dispositif de chauffage. Le dispositif résonateur correspond alors dans sa construc- tion tout d'abord au dispositif résonateur représenté sur la figure 1. En outre, le dispositif résonateur représenté sur la figure 3 comporte deux raccordements Il qui sont raccordés à une boucle chauffante 10 disposée sur le guide d'ondes lumineuses 22. Le courant circulant à travers la boucle 10 échauffe le guide d'ondes lumineuses 22 et notamment les réflecteurs de Bragg 5. Du fait de la dilatation thermique, 8 2706090 l'indice de réfraction se modifie d'une part, et d'autre part le volume du guide d'ondes lumineuses 22, de sorte que l'action thermique provoque une modification des caracté- ristiques optiques du résonateur 9. De cette façon on peut régler thermo-optiquement la fréquence de résonance du ré- sonateur 9. La boucle de chauffage 10 peut par exemple être une couche de métal obtenue par condensation de vapeur. La figure 4 montre un dispositif résonateur dont la constitution correspond à celle décrite selon la figure 1, avec une structure Mach-Zehnder. Le guide d'ondes lumi- neuses se transforme derrière le résonateur 9 en deux gui- des d'ondes lumineuses partiels 28, 29 qui sont placés parallèlement sur le substrat en polymère 4. Sur le guide d'ondes lumineuses partiel 28 se trouve une électrode 12. Une autre électrode partielle 27 se trouve sur le côté op- posé au guide d'ondes lumineuses partiel 28 de l'autre guide d'ondes lumineuses partiel 29. Entre les deux élec- trodes 12 et 27 se trouve une troisième électrode 25 qui recouvre partiellement l'autre guide d'ondes lumineuses partiel 29. L'électrode 12 et l'autre électrode 27 sont re- liées ensemble de façon électriquement conductrice et com- portent un raccordement d'électrode 13. La troisième électrode 25 est munie d'un autre raccordement d'électrode 26. Derrière les électrodes 12, 25, 27 les deux guides d'ondes lumineuses partiels 28, 29 se confondent à nouveau l'un dans l'autre jusqu'à ce qu'ils débouchent dans la fi- bre de verre 7 venant ensuite. Les guides d'ondes lumineu- ses partiels 28, 29 sont, tout au moins dans la zone des électrodes 12, 25, 27, réalisés en un polymère NLO (optique non linéaire). Un champ électrique existant entre les électrodes 12, 25, 27 modifie par l'intermédiaire des propriétés du polymère optique non linéaire la vitesse de la lumière gui- dée dans les guides d'ondes lumineuses partiels 28, 29 et donc leur position de phase. Par la commande en opposition de phase de la lumière dans les deux guides d'ondes lumi- neuses partiels 28, 29 et la réunion des signaux lumineux modulés en opposition de phase, un signal lumineux modulé en amplitude apparaît dans le guide d'ondes lumineuses 22 derrière la réunion et donc dans la fibre de verre 7 venant à la suite. Sur la figure 5 est représenté un laser avec une source de lumière semi-conductrice et un dispositif résona- teur. La source de lumière semi-conductrice 17 est consti- tuée d'un substrat de semi-conducteur 14 sur lequel est disposé un conducteur de lumière 15 qui est réalisé sous la forme de milieu d'amplification 6. Au-dessus du conducteur de lumière 15, se trouve une électrode d'injection 16 avec un raccordement d'électrode d'injection 21. Une surface li- mite du substrat 14 semi-conducteur forme un joint 19 avec le substrat en polymère 4. Le conducteur de lumière 15 se prolonge alors dans le guide d'ondes lumineuses 22, qui se situe sur le substrat en polymère 4. Le guide d'ondes lumi- neuses 22 comprend le réflecteur de Bragg 5 et se trans- forme en la fibre optique 7 venant à la suite. Le conducteur de lumière 15 s'étend en ligne droite sur une grande partie de sa longueur et ensuite passe d'un angle droit à un angle légèrement aigu (par exemple 80 ) avec le joint 19. Le guide d'ondes lumineuses 22 débute avec ce même angle aigu par rapport au joint 19 et poursuit ensuite son cours également à nouveau selon un angle droit par rap- port au joint 19. Des électrons injectés par l'intermédiaire de l'électrode d'injection 16 se traduisent par l'excitation d'une émission d'électrons dans le conducteur de lumière 15 réalisé sous la forme de milieu d'amplification 6. Les on- des lumineuses émises sont ensuite réfléchies vers le joint 19 contre la surface limite opposée à ce joint 19 entre le substrat semi-conducteur 14 et le milieu qui l'environne avec un indice de réfraction plus réduit, formant ainsi un réflecteur à surface limite 18. Les ondes lumineuses ainsi réfléchies vers le joint 19 pénètrent dans le guide d'ondes lumineuses 22. Le réflecteur de Bragg 5 existant sur le guide d'ondes lumineuses 22 provoque également une réfrac- tion. Du fait de l'angle aigu du guide d'ondes lumineuses , 22 au joint 19, des réfractions sont dispersées au joint 19 dans les substrats 14, 4 et ne perturbent donc pas les ondes lumineuses de la lumière cohérente transmise. Le dispositif résonateur qui comprend le substrat de polymère 4 peut être recouvert avec un couvercle et pro- tégé ainsi contre les influences environnantes. Ce couver- cle est avantageusement réalisé également en un polymère qui peut de préférence être le même polymère que celui du substrat 4. Un assemblage du couvercle avec le substrat 9 du polymère peut s'effectuer en utilisant une colle de po- lymère. Dans la mesure o cette colle de polymère convient en tant que milieu d'amplification 6, il peut être prévu dans le couvercle une structure négative préalablement for- mée pour deux réflecteurs de Bragg 5 et le guide d'ondes lumineuses 22 avec les réflecteurs de Bragg 54 sont formés par la colle de polymère lors du processus de montage du couvercle sur le substrat 4 en polymère. ]l REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S 1) Dispositif résonateur pour obtenir de la lu- mière cohérente avec une largeur de bande de fréquence ré- duite, dispositif auquel est amenée de la lumière de pompage, avec deux réflecteurs, notamment des réflecteurs de Bragg, entre lesquels est disposé un milieu d'amplifica- tion, dispositif résonateur caractérisé en ce qu'au moins un réflecteur (5) est réalisé sous la forme d'un réflecteur (5) structuré à partir d'un polymère dans un guide d'ondes lumineuses (22) couplé au milieu d'amplification (6). - 2) Dispositif résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu d'amplification 6 et le guide d'ondes lumineuses (22) sont réalisés d'un seul te- nant. 3) Dispositif résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu d'amplification (6) est réalisé sous la forme d'une fibre optique dopée (24), qui est couplée au moins par une face frontale au guide d'ondes lumineuses (22). 4) Dispositif résonateur selon l'une des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que le guide d'ondes lumi- neuses (22) comporte au voisinage d'au moins un réflecteur (5) un dispositif de chauffage au moyen duquel la fréquence de résonance du dispositif résonateur est susceptible d'être modifiée thermo-optiquement. ) Dispositif résonateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage com- porte une boucle chauffante (10) en forme de méandre. 6) Dispositif résonateur selon l'une des revendi- cations 1 à 5, caractérisé en ce que dans la zone derrière le dispositif résonateur, est disposée une structure Mach- Zehnder, au moyen de laquelle la lumière cohérente est sus- ceptible d'être modulée électro-optiquement. 7) Dispositif résonateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la structure Mach-Zehnder comporte au moins trois électrodes (12) qui servent à la modulation en opposition de phase de la lumière cohérente. 8) Dispositif résonateur selon l'une des revendi- cations 1 à 7, caractérisé en ce que le deuxième réflecteur (5) est intégré dans un substrat semi-conducteur (14). 9) Dispositif résonateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que dans le substrat semiconducteur (14) est intégrée une source de lumière semi-conductrice (17), qui produit la lumière de pompage (3) et qui comporte un conducteur de lumière (15) réalisé sous la forme d'un milieu d-'amplification (6) disposé sur le substrat semi- conducteur (14) et à une extrémité duquel est disposé le guide d'ondes lumineuses (22) avec le réflecteur (5). ) Dispositif résonateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le guide d'ondes lumineuses (22) forme au-delà d'un joint (19) le prolongement du conducteur de lumière (15) réalisé sous la forme de milieu d'amplifi- cation (6), et en ce que les axes longitudinaux du guide d'ondes lumineuses (22) et du conducteur de lumière (15) forment avec le joint (19) entre le substrat semi- conducteur (14) et le guide d'ondes lumineuses (22) un an- gle différent de 90 . 11) Dispositif résonateur selon l'une des reven- dications 1 à 10, caractérisé en ce que le guide d'ondes lumineuses (22) est disposé sur un substrat en polymère (4).