Brevet FR2703524A1 — publié le 19941007

i MODULATEUR OPTIQUE D'AMPLITUDE UTILISANT UNE STRUCTURE DE TYPE LASER DFB BIELECTRODE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un modulateur optique d'amplitude utilisant une structure de type laser DFB biélectrode. Elle trouve une application en télécommunications optiques. Etat de la technique La modulation d'amplitude d'un faisceau optique s'obtient classiquement au moyen d'un cristal biréfrin- gent, (en niobate de lithium par exemple), auquel on applique une tension modulée. Une telle technique présente l'inconvénient d'in- troduire des pertes optiques importantes et de nécessi- ter l'utilisation de hautes tensions. Une autre technique consiste à utiliser une source laser modulée en fréquence puis à convertir cette modu- lation de fréquence (généralement désignée par FSK pour "Frequency Shift Keying'") en modulation d'amplitude (désignée par ASK pour "Amplitude Shift Keying") Cette technique est décrite, par exemple, dans l'article de D MARCUSE, intitulé "Computer Simulation of FSK Laser Spectra and of FSK-to-ASK conversion" publié dans "Journal Lightwave Technol ", vol 8, N O 7, juillet 1990, pp 1110-1122. Dans cette technique, il subsiste cependant une légère modulation de fréquence Elle se traduit par une déformation du signal optique au cours de sa propaga- tion dans la fibre optique de liaison On sait, en effet, que la dispersion chromatique d'une fibre opti- que classique (type G 652), qui est de l'ordre de 15 à 17 ps/km/nm, déforme le train d'onde optique et limite le débit des informations Cette technique n'est donc pas sans inconvénient. Plus récemment, sont apparus d'autres dispositifs qui sont des amplificateurs à semiconducteur Ils sont décrits notamment dans l'article de B FERNIER, P. GARABEDIANE, E DEROUIN et F LEBLOND, intitulé "Chirp-Free 2 5 Gbit/s Amplitude Modulation/Gating in Two-Electrode Semiconductor Optical Amplifiers", publié dans "Proceedings of ECOC'92 ", 1992 Mais ces disposi- tifs sont limités en débit. La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients A cette fin, elle préco- nise d'utiliser un dispositif en soi connu, qui est une structure de type laser à rétroaction distribuée (ou DFB en abrégé pour "Distributed Feed Back") biélectrode. La figure 1 annexée rappelle brièvement en quoi consiste cette structure Elle comprend une couche inférieure de confinement 12, une couche active 14, une couche supérieure de confinement 16, deux électrodes 18 et 18 ' et deux sources de courant 20 et 20 '. Ces structures DFB multiélectrodes sont déjà connues dans le domaine des télécommunications optiques o elles jouent le rôle de filtre optique accordable quand elles sont polarisées en dessous du seuil Ce genre de filtre peut être utilisé comme photodétecteur ou comme discriminateur pour faisceaux modulés en fré- quence Une telle structure et de telles applications sont décrites dans l'article de M J CHAWKI, R. AUFFRET, E LE COQUIL, P POTTIER, L BERTHOU, H. PACIULLO et J LE BIHAN, intitulé "Two-Electrode DFB Laser Filter Used as a Wide Tunable Narrow-Band FM Receiver: Tuning Analysis, Characteristics and Experi- mental FSK-WDM System", publié dans "Lightwave Tech- nol ", vol 10, N 10, octobre 1992, pp 1388-1397 ainsi que dans l'article de M J CHAWKI, R AUFFRET, L. BERTHOU intitulé " 1 5 Bbit/s FSK Transmission System Using Two-Electrode DFB Laser as Tunable FSK Discrimi- nator/Photodetector", publié dans "Electron Lett ", juillet 1990, vol 26, n 15, pp 1146-1147. Exposé de l'invention La présente invention propose une autre fonction pour ce dispositif, qui est la modulation d'amplitude. A cette fin, l'un au moins des deux courants d'alimen- tation est modulé en intensité juste en dessous du seuil assurant le fonctionnement du filtre, ce qui a pour effet de déplacer en longueur d'onde le pic d'émission spontanée Si la structure est conçue pour que la longueur d'onde du faisceau traversant la couche active tombe sur l'un des flancs du pic (flanc de mon- tée ou flanc de descente), alors, du fait du déplace- ment du pic, l'amplitude du faisceau émergeant va se trouver modulée. La modulation d'amplitude obtenue dans ces condi- tions n'agit en rien sur la fréquence du faisceau inci- dent Il n'y a donc pas de changement de fréquence ("chirp") dans le faisceau obtenu. Par ailleurs, le passage à travers la couche ac- tive de la struture ne s'accompagne pas d'une atténua- tion, comme c'est le cas pour le niobate de lithium Au contraire, le faisceau peut se trouver amplifié, comme cela a été décrit par K MAGARI, H KAWAGUCHI, K OE et M FUKUDA, dans un article intitulé "Optical Nar- row-Band Filter Using Optical Amplification with Dis- tributed Feed Back", publié dans "IEEE J Quantum Electron " 1, vol 24, no 11, novembre 1988, pp 2178-2190. De façon précise, la présente invention a donc pour objet un modulateur optique d'amplitude, caracté- risé par le fait qu'il comprend: une structure semiconductrice du type laser à ré- troaction distribuée, deux électrodes situées sur cette structure, des moyens pour engendrer deux courants et les appliquer aux deux électrodes pour alimenter la structure en dessous du seuil d'oscillation laser, la structure présentant alors un pic d'émission spontanée avec un flanc de montée et un flanc de descente, des moyens pour moduler en intensité l'un au moins des deux courants, ce modulateur étant ainsi apte à moduler en amplitude un faisceau optique le traversant et présentant une longueur d'onde tombant sur l'un des flancs du pic d'émission spontanée. Brève description des dessins la figure 1, déjà décrite, montre schématique- ment une structure semiconductrice à rétroaction dis- tributée (DFB) à deux électrodes; la figure 2 illustre le principe de fonctionne- ment du modulateur de l'invention; la figure 3 montre le déplacement du spectre d'émission spontanée théorique d'un laser DFB biélec- trode pour un courant fixe et un courant variable; la figure 4 illustre une plage de déplacement maximal théorique pour un laser DFB en fonction des courants injectés; la figure 5 illustre un équipement permettant de mesurer la modulation d'amplitude; la figure 6 montre un spectre d'émission sponta- née réel d'un laser DFB biélectrode; la figure 7 montre le spectre d'émission sponta- née réel du laser DFB biélectrode soumis à une injec- tion optique; la figure 8 montre la modulation d'amplitude obtenues selon le flanc utilisé du pic d'émission spon- tanée; la figure 9 permet de comparer le signal optique en sortie du modulateur avec et sans injection de fais- ceau optique; et la figure 10 est une courbe de réponse du modu- lateur en fonction de la fréquence de la modulation avec et sans injection optique. Exposé détaillé d'un mode de réalisation On voit, sur la figure 2, des pics d'émission spontanée 50, SI, 52, caractéristiques d'une structure DFB biélectrode alimentée en dessous du seuil La lon- gueur d'onde figure en abscisses et l'intensité en ordonnées, le tout en unités arbitraires. Le pic SO est obtenu pour un certain courant in- jecté dans la structure à travers les deux électrodes. Il culmine à une longueur d'onde % Si l'on modifie l'intensité de l'un des courants, le pic se déplace en longueur d'onde, vers SI par exemple, et vient culminer à AI Si l'on modifie dans l'autre sens la même inten- sité, le pic se déplace vers 52 et va culminer à 2,. On considère alors un faisceau optique incident dont la longueur d'onde Ài tombe, par exemple, sur le flanc de montée du pic Lorsque ce faisceau traverse la structure, son amplitude va se trouver modifiée lors du déplacement du pic Lorsque le pic se déplace de SI à 52 puis de 52 à SI, le point se déplace entre Ml et M 2 et l'amplitude du faisceau émergeant oscille entre une amplitude élevée AI (correspondant au pic SI) et une amplitude basse A 2 (correspondant au pic 52) Mais la longueur d'onde du faisceau reste égale à Ai. Ainsi, une modulation de l'un des courants produi- ra-t-elle une modulation d'amplitude du faisceau optique ayant traversé la structure. Naturellement, ce mode de fonctionnement vaut aussi bien pour le front de montée que pour le front de descente situé au-delà du sommet du pic La seule différence est un changement de phase de la modulation (de 1800) Le seul point important est donc que le point de fonctionnement reste sur l'un des flancs, autrement dit que la longueur d'onde Ri du faisceau incident soit toujours ou un peu inférieure à la plus petite longueur d'onde AI du pic ou toujours un peu supérieure à la plus grande longueur d'onde 22. La figure 3 montre deux spectres théoriques obte- nus avec une structure DFB biélectrode fonctionnant en dessous du seuil Le calcul du spectre théorique est basé sur une méthode développée par T MAKINO dans l'article intitulé "l Transfer Matrix Analysis of Ampli- fied Spontaneous Emission of DFB Semiconductor Laser Amplifiers", publié dans IEEE, J Quantum Electron, vol 24, pp 1507-1518, août 1988. Les deux spectres correspondent à un même courant injecté dans la première électrode 18 et un courant prenant deux valeurs différentes dans la seconde élec- trode 18 ' Dans cette figure, en abscisses est portée la quantité ÈL et en ordonnées, la puissance optique du laser W È est la déviation de BRAGG définie par ô=I-30. o B = r IA et A le pas du réseau L est la longueur de l'électrode considérée Les courants sont repérés par repérés par une quantité ad L o a représente le gain de la zone active située sous l'électrode, ce gain étant directement relié au courant injecté Sur la figure 3, les deux courbes correspondent toutes deux à a L= 0,34 et respectivement à a 2 L= 0,46 pour l'une et a 2 L= 0,394 pour l'autre. La figure 4 montre l'écart maximum qu'on peut obtenir avec la structure utilisée Les deux courbes extrêmes correspondent à a 1 L= 0,49 et a 2 L= 0,126 d'une part (pic de gauche) et a 1 L= 0,34 et a 2 L= 0,363 d'autre part (pic de droite) L'écart total entre les deux pics est AIL= 0,8. La figure 5 représente un équipement permettant de mesurer les caractéristiques de la modulation d'ampli- tude obtenue selon l'invention La structure DFB biélectrode porte la référence 10 Elle reçoit d'une source laser 30 un faisceau incident 31 ayant une lon- gueur d'onde i Les courants I et Il alimentant les deux électrodes 18, 181 sont réglés pour que la lon- gueur d'onde A, tombe sur l'un des flancs du pic d'émis- sion spontanée de la structure Celle-ci comprend en outre un générateur de courant sinusoïdal 32, qui vient moduler le courant Il à travers un condensateur 34 Le faisceau optique 35 émergeant de la structure 10 est détecté par un détecteur 36, lequel est relié à un amplificateur 38, par exemple de 55 d B, lequel est relié finalement à un oscilloscope ou un analyseur de spectre 40. Les figures 6 et 7 montrent le spectre d'émission spontanée réel du laser DFB biélectrode sans et avec injection optique En abscisses figure la longueur d'onde en micromètre et en ordonnées l'intensité en d Bm. Avec l'installation de la figure 5, on peut rele- ver des courbes telles que celles des figures 8 à 10. La figure 8 tout d'abord, montre, sur la ligne (a), le courant sinusoïdal de modulation Dans l'expé- rience illustrée, l'amplitude crête à crête de ce cou- rant était de 2, 52 m A Le courant I constant valait, lui, 8,2 m A. Les lignes (b) et (c) montrent la modulation d'am- plitude obtenue sur le faisceau optique de sortie 35. Le faisceau d'entrée 31 avait une puissance de 200 u W et sa longueur d'onde , était de 1535,295 nm Pour placer cette longueur d'onde sur le front de montée du pic d'émission spontanée, un courant de 4,1 m A a été injecté sur l'électrode 181 (ligne b) et, pour la pla- cer sur le front de descente, un courant de 4,3 m A (ligne c) A ces courants se superposent donc le cou- rant de modulation de 2,52 m A représenté ligne (a). On observe que les deux modulations d'amplitude sont en opposition de phase, ce qui n'est pas surpre- nant puisqu'elles correspondent aux deux flancs de pentes opposées du pic d'émission spontanée. L'amplitude de modulation est, dans le cas repré- senté, de 14 d Bm. Pour vérifier que la modulation d'amplitude obte- nue est bien due au phénomène décrit et non à une modu- lation qui résulterait de la lumière spontanée de la structure, des mesures comme celles de la figure 9 ont été effectuées La ligne (a) montre toujours un courant sinusoïdal de modulation et la ligne (b) le signal optique de sortie modulé en amplitude La puissance optique incidente était de 500 W à 1535,295 nm Le courant I injecté sur l'électrode 18 était de 8,2 m A et le courant Il sur l'électrode 181 de 4,3 m A La ligne (c) montre l'intensité lumineuse spontanée sortant du modulateur lorsque le faisceau d'entrée est supprimé. Manifestement, il n'est affecté d'aucune modulation d'amplitude Ainsi, toute la modulation observée ligne (b) correspond-t-elle au faisceau optique ayant traver- sé le modulateur. La figure 10, enfin, montre la courbe de réponse du modulateur en fonction de la fréquence Celle-ci est portée en abscisses et va de 1 M Hz à 2,5 G Hz La puis- sance injectée dans le modulateur était encore de 500 l 1 W et la longueur d'onde de 1535,295 nm Les cou- rants I et Il étaient respectivement de 7,7 m A et 4,5 m A, ce dernier courant étant modulé pour obtenir une modulation d'amplitude de 14 d Bm La ligne (a) montre la réponse en fréquence du modulateur avec fais- ceau optique injecté et la ligne (b) cette réponse sans faisceau optique injecté La réponse est plate jusqu'à 2,5 G Hz Le Demandeur a observé que cette réponse res- tait plate jusqu'à au moins 3,6 G Hz. REVENDICATION Modulateur optique d'amplitude, caractérisé par le fait qu'il comprend: une structure semiconductrice ( 10) du type laser à rétroaction distribuée, deux électrodes ( 18, 181) situées sur cette structure,, des moyens ( 20, 201) pour engendrer deux cou- rants (I, I') et les appliquer aux deux électrodes ( 18, 181) pour alimenter la structure en dessous du seuil d'oscillation laser, la structure présentant alors un pic d'émission spontanée (s 0,s 1,s 2) avec un flanc de mon- tée et un flanc de descente, des moyens ( 32, 34) pour moduler en intensité l'un au moins des deux courants (Il), ce modulateur étant ainsi apte à moduler en amplitude un faisceau optique ( 31) le traversant et présentant une longueur d'onde (Ai) tombant sur l'un des flancs du pic d'émission spontanée.