Brevet FR2700643A1 — publié le 19940722

i Source semi-conductrice d'impulsions optiques à commutation de aain et système de transmission à solitons La présente invention concerne la formation d'impulsions optiques brèves, utilisables notamment pour une transmission d'information sur une fibre optique On sait que l'action combinée des effets optiques dispersifs et non linéaires de type Kerr introduits par une telle fibre permet à des impulsions de forme convenable, appelées "solitons", de se propager sans déformation C'est pourquoi l'utilisation de telles impulsions est envisagée dans les transmissions transocéaniques ( 6000 9000 km) à haut débit. Les grandes distances de transmission sont atteintes par la propagation des solitons dans des fibres dont les pertes sont compensées par des amplificateurs optiques à fibres15 dopées à l'erbium. La transmission par solitons nécessite de disposer d'un train d'impulsions lumineuses brèves émises périodiquement Par exemple, pour une transmission à 10 Gbit/s, les impulsions doivent mesurer environ 20 ps, (à mi20 intensité) De plus ces impulsions doivent être "proches de la limite de Fourier", c'est-à-dire qu'un produit critique, qui est le produit de leur durée par leur largeur spectrale, doit être inférieur à une limite d'environ 0,7 et s'approcher autant que possible d'une valeur optimale de25 0,32. Selon une première méthode connue on peut générer de telles impulsions par couplage de modes d'un laser semi- conducteur à cavité externe Cette méthode a été décrite par D.M BIRD, R M FATAH, M K COX, P D CONSTANTINE 30 Electronics Letters 26, p 2086 ( 1990) Une deuxième méthode connue utilise la commutation du gain d'un laser à semi- conducteur monolithique et a été décrite par un document DOWNEY: L.M DOWNEY, J F BOWERS, R S TUCKER and E AGYEKUM IEEE,35 J Quant Elec QE 23, 1039 ( 1987). La première méthode nécessite un laser complexe dont l'utilisation est délicate Elle est donc difficilement envisageable sur le terrain. La seconde méthode permet d'émettre des impulsions qui présentent une grande largeur spectrale qui les laisse très éloignées de la limite de Fourier cette largeur spectrale résulte du fait que la commutation de gain du laser est obtenue par l'injection d'un courant fortement variable La fréquence optique varie alors fortement au cours de chacune10 des impulsions produites en raison du fait que l'indice de réfraction du matériau de la cavité laser dépend du courant. cette variation de l'indice de réfraction se traduit par une variation correspondante de la longueur optique de la cavité laser, et donc de la fréquence optique de résonance de la15 cavité au cours de l'impulsion délivrée Il en résulte une impulsion dont le flanc montant est formé par une onde de fréquence optique plus élevée que le flanc descendant (figure 2). Cette variation de fréquence peut être utilisée pour diminuer la durée de l'impulsion par un procédé connu appelé "compression" selon ce procédé l'impulsion traverse un milieu optique dont le chemin optique dépend de la fréquence optique En particulier, une fibre spéciale à dispersion fortement décalée (dont la longueur d'onde annulant la25 dispersion est plus élevée que la longueur d'onde centrale de l'impulsion émise par le laser) présente un chemin optique plus long pour les fréquences élevées que pour les fréquences basses. Elle permet ainsi de retarder le flanc montant par rapport au flanc descendant: En ajustant la longueur de cette fibre on forme une impulsion dont la durée corrigée est beaucoup plus faible que la durée initiale et dont le produit critique se rapproche donc de la valeur théorique recherchée.35 En particulier, un laser DFB connu délivre des impulsions dont une compression amène le produit critique au voisinage de 0,75. La présente invention a notamment pour buts de réaliser de manière simple d'abord une plaquette semi- conductrice délivrant des impulsions optiques brutes de largeur spectrale diminuée, ensuite une source comportant cette plaquette et une ligne dispersive délivrant des impulsions optiques comprimées de largeur spectrale diminuée10 aptes à constituer des solitons. Dans ces buts elle a pour objet une source semi- conductrice d'impulsions optiques comportant une plaquette semi-conductrice avec deux faces de laquelle une structure guidante longitudinale constitue une cavité résonante pour15 une lumière laser, cette cavité contenant un matériau actif pour que cette plaquette amplifie et émette une telle lumière laser à une fréquence commandée par une longueur optique de cette structure, cette source comportant en outre un générateur d'alimentation électrique réalisant une20 commutation du gain de cette plaquette pour lui faire émettre cette lumière sous la forme d'impulsions optiques, cette source étant caractérisée par le fait que ladite plaquette comporte longitudinalement non seulement une section de gain dans laquelle ladite commutation de gain est25 réalisée et s'accompagne de variations parasites d'indice de réfraction, mais aussi au moins une section supplémentaire exemptée desdites variations parasites d'indice de réfraction. Cette section supplémentaire insère sa propre longueur optique dans celle de la cavité résonante et réduit ainsi la variation relative de cette dernière longueur et donc celle de la fréquence optique des impulsions optiques à leur sortie de la plaquette, c'est-à-dire qu'elle réduit la largeur spectrale de ces impulsions Cette réduction de la35 largeur spectrale des impulsions optiques est conservée après une compression optimale. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après comment la présente invention peut être mise en oeuvre Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de 5 référence. La figure 1 représente une vue d'ensemble d'une source et d'un système de transmission selon la présente invention. Les figures 2 et 3 représentent des diagrammes de variation du champ électrique d'impulsions optiques, respectivement en sortie d'une plaquette semi-conductrice et d'une ligne dispersive de cette source. La figure 4 représente une vue en coupe de cette plaquette semiconductrice. On va d'abord décrire de manière générale, en se référant à ces figures, des dispositions communes à ladite source selon la présente invention et à une source connue par ledit document DOWNEY et par un document LOURTIOZ: J.M LOURTIOZ, J M XIEL CHUSSEAU, J L BEYLAT, E BRUN, J.P HAMAIDE, F POMMEREAU publié dans les proceedings20 EFOC'LAN 1992, p 273, 1992. Conformément à ces dipositions communes une source comporte une plaquette semi-conductrice monolithique 2 s'étendant selon une direction longitudinale et comportant elle même les éléments suivants:25 Une structure guidante 4, 6 traversant cette plaquette selon une direction longitudinale pour guider une lumière selon cette direction Cette structure comporte un matériau actif 4 tel qu'une injection de porteurs de types opposés dans ce matériau fasse apparaître un gain pour amplifier une30 lumière laser guidée par cette structure Ce gain et l'indice de réfraction de ce matériau dépendent de la concentration de ces porteurs. Deux faces extrêmes 8, 10 de cette plaquette forment deux extrémités de cette structure guidante et présentent des réflectances pour constituer avec cette structure une cavité résonante pour une telle lumière laser Cette cavité présente une longueur optique dépendant de l'indice de réfraction du matériau actif et elle possède une succession de fréquences de résonance inversement proportionnelles à cette longueur optique La réflectance de l'une au moins des 5 faces extrêmes 8 est limitée pour permettre à cette lumière laser 12 d'être émise à partir de cette cavité. Enfin des couches dopées 14 et 16 situées de part et d'autre du matériau actif 4 et aptes à fournir lesdits porteurs de types opposés.10 Cette source comporte en outre les éléments suivants: Des électrodes 18, 19 situées sur la plaquette 2 pour permettre d'y faire circuler un courant d'alimentation JA provoquant ladite injection de porteurs de types opposés à partir des couches 14 et 16 Une telle injection provoque15 une croissance et une émission de la lumière laser dans et à partir de la cavité à au moins une fréquence de résonance de cette dernière. Un générateur d'alimentation 20, 22 fournissant le courant d'alimentation JA à ces électrodes Ce générateur est choisi pour imposer à ce courant des variations formant des impulsions de courant 24 réalisant une commutation dudit gain Cette commutation de gain est telle que la lumière laser 12 soit émise par la plaquette 2 sous la forme d'impulsions Ces dernières constituent des impulsions25 optiques brutes 26 et elles présentent une durée initiale 28 La variation du courant d'alimentation JA formant chaque telle impulsion de courant provoque une variation parasite de l'indice de réfraction du matériau actif et donc une variation de la longueur optique de la cavité au cours de30 chacune de ces impulsions optiques Cette variation de longueur est une variation absolue et s'accompagne d'une variation relative constituée par le rapport de cette variation absolue à cette longueur optique Elle entraîne une variation absolue de la fréquence de la lumière laser et35 confère une largeur spectrale initiale à l'impulsion optique Une variation relative de cette fréquence est constituée par le rapport de cette variation absolue à cette fréquence Elle est égale à la variation relative de longueur optique. Enfin une ligne dispersive 30 propre à guider la lumière laser et à lui appliquer un retard dépendant de sa fréquence Cette ligne a une entrée 32 pour recevoir les impulsions optiques brutes 26 et une sortie 34 pour fournir en réponse des impulsions optiques comprimées 36 présentant une durée corrigée 38 Elle présente à la longueur d'onde10 centrale des impulsions optiques une dispersion chromatique négative qui impose une vitesse de propagation plus petite aux composantes optiques de fréquences élevées qu'à celles de fréquences basses Sa longueur est choisie pour que cette durée corrigée soit minimisée.15 Selon la présente invention la plaquette 2 présente plusieurs sections successives selon la direction longitudinale Dans une section de gain 40 la structure guidante 4, 6 comporte le matériau actif 4 et reçoit l'injection de porteurs provoquée par le courant20 d'alimentation Il en résulte que la variation de ce courant entraîne la dite variation parasite de l'indice de réfraction de ce matériau Dans au moins une section supplémentaire 42, 44 la structure guidante est agencée de manière qu'aucune variation sensible d'indice de réfraction25 n'y soit provoquée par la variation du courant d'alimentation, tout au moins dans le même sens que ladite variation parasite La présence d'une telle section supplémentaire augmente la longueur optique de la cavité résonante et cette augmentation entraîne diverses30 diminutions: celle de la variation relative de longueur optique, donc celle de la variation relative de la fréquence de la lumière laser, donc celle de la variation absolue de cette fréquence, et donc finalement celle de la largeur spectrale des impulsions.35 Plus particulièrement, la structure guidante comporte les éléments suivants. Un ruban actif 4 limité à la section de gain 40 et constitué par le matériau actif Ce matériau présente un indice de réfraction plus grand que celui des matériaux environnants. 5 Un guide passif 6 s'étendant au moins dans les sections supplémentaires 42 et 44 Ce guide est constitué d'un matériau de guidage différent du matériau actif et présentant lui aussi un indice de réfraction plus grand que celui des matériaux environnants.10 Grâce à la présence de ce guide passif une dite section supplémentaire peut constituer une section de réseau 44 Dans cette section le guide passif 6 présente une succession périodique de variations de ses dimensions transversales, cette succession constituant un réflecteur de15 Bragg 7 Ce réflecteur sélectionne une fréquence de résonance de la cavité optique pour constituer la fréquence de la lumière laser 12 émise par la plaquette. De préférence une face supérieure 3 de la plaquette 2 porte d'une part une électrode de gain 18 localisée dans la section de gain 40 et alimentée par le générateur d'alimentation 20, 22, d'autre part une électrode de réglage de fréquence 17 localisée dans une section de réglage de fréquence 44 Cette dernière électrode est connectée à un générateur de réglage de fréquence 23 pour faire traverser25 le guide passif 6 par un courant de réglage de fréquence JB entraînant une injection de porteurs de charges de types opposés dans le matériau de guidage Ce courant commande ainsi l'indice de réfraction de ce matériau et donc la fréquence de résonance sélectionnée par le réflecteur de30 Bragg 7. La plaquette 2 comporte en outre une section passive 42 constituant une autre section supplémentaire. Typiquement la plaquette 2 est constituée d'un matériau binaire tel que le phosphure d'indium en dehors du ruban actif 4 et du guide passif 6 Ce matériau binaire est dopé de type N dans la couche 16 Il est dopé de type p dans la couche 14 Les matériaux actif et de guidage sont ternaires ou quaternaires et présentent des bandes interdites d'énergie de largeurs différentes. La présente invention a également pour objet un système de transmission optique à solitons comportant les éléments suivants: Une source semi-conductrice d'impulsions optiques telle que précédemment décrite. Un circuit d'entrée 60 recevant une information à transmettre et commandant le générateur d'alimentation 20, 22 de cette source pour lui faire fournir une succession d'impulsions optiques Les intervalles de temps entre les impulsions sont représentatifs de cette information. Une fibre de ligne 62 constituée par une fibre optique de grande longueur recevant ces impulsions optiques Cette fibre présente d'une part une dispersion chromatique positive, d'autre part un effet Kerr tels que cette dispersion et cet effet Kerr se compensent mutuellement pour conserver la forme d'une impulsion optique lorsque cette20 impulsion présente une intensité, une durée et une largeur spectrale aptes à constituer un soliton de cette fibre La source d'impulsions optiques de ce système fournit de tels solitons. Enfin un récepteur 64 recevant les impulsions optiques transmises par la fibre de ligne 62 Ce récepteur traite ces impulsions pour restituer l'information qui était à transmettre. REVENDICATIONS 1/ Source semi-conductrice d'impulsions optiques comportant une plaquette semi-conductrice ( 2) avec deux faces ( 8, 10) de laquelle une structure guidante longitudinale ( 4, 6) 5 constitue une cavité résonante pour une lumière laser, cette cavité contenant un matériau actif ( 4) pour que cette plaquette amplifie et émette une telle lumière laser à une fréquence commandée par une longueur optique de cette structure,10 cette source comportant en outre un générateur d'alimen- tation électrique ( 20, 22) réalisant une commutation du gain de cette plaquette pour lui faire émettre cette lumière sous la forme d'impulsions optiques, cette source étant caractérisée par le fait que ladite15 plaquette ( 2) comporte longitudinalement non seulement une section de gain ( 40) dans laquelle ladite commutation de gain est réalisée et s'accompagne de variations parasites d'indice de réfraction, mais aussi au moins une section supplémentaire ( 42, 44) exemptée desdites variations20 parasites d'indice de réfraction, de manière à limiter la largeur spectrale desdites impulsions optiques. 2/ Source selon la revendication 1, cette source comportant une plaquette semi-conductrice monolithique ( 2) s'étendant selon une direction longitudinale et comportant elle même:25 une structure guidante ( 4, 6) traversant cette plaquette selon ladite direction longitudinale pour guider une lumière selon cette direction, cette structure comportant un matériau actif ( 4) tel qu'une injection de porteurs de types opposés dans ce matériau fasse apparaître un gain pour30 amplifier une lumière laser guidée par cette structure, ce gain et l'indice de réfraction de ce matériau dépendant de concentrations de ces porteurs, deux faces extrêmes ( 8, 10) formant deux extrémités de ladite structure guidante et présentant des réflectances pour constituer avec cette structure une cavité résonante pour une dite lumière laser, cette cavité ayant une longueur optique dépendant dudit indice de réfraction dudit matériau actif, cette cavité ayant une succession de fréquences de résonance inversement proportionnelles à cette longueur optique, ladite réflectance de l'une au moins desdites faces 5 extrêmes ( 8) étant limitée pour permettre à une dite lumière laser ( 12) d'être émise à partir de cette cavité, et des couches dopées ( 14, 16) situées de part et d'autre dudit matériau actif ( 4) et aptes à fournir lesdits porteurs de types opposés,10 ladite source comportant en outre: des électrodes ( 18, 19) situées sur ladite plaquette ( 2) pour permettre d'y faire circuler un courant d'alimentation (JA) provoquant ladite injection de porteurs de types opposés à partir desdites couches dopées, de manière à provoquer une croissance et une émission d'une dite lumière laser dans et à partir de ladite cavité à une dite fréquence de résonance de cette cavité, un générateur d'alimentation ( 20, 22) fournissant un dit courant d'alimentation (JA) à ces électrodes et imposant à ce courant des variations formant des impulsions de courant ( 24) réalisant une commutation dudit gain pour que ladite lumière laser ( 12) soit émise par ladite plaquette sous la forme d'impulsions optiques brutes ( 26) présentant une durée initiale ( 28), de sorte que la variation dudit courant25 d'alimentation (JA) dans chaque dite impulsion de courant provoque une variation de la longueur optique de ladite cavité au cours de chacune desdites impulsions optiques brutes, cette variation de cette longueur étant une variation absolue et s'accompagnant d'une variation relative30 constituée par le rapport de cette variation absolue à cette longueur optique, ces variations de longueur optique entraînant une variation absolue de fréquence de ladite lumière laser et conférant une largeur spectrale initiale à cette impulsion optique, une variation relative de cette35 fréquence étant constituée par le rapport de cette variation il absolue à cette fréquence et étant égale à ladite variation relative de longueur optique, et une ligne dispersive ( 30) propre à guider ladite lumière laser et à lui appliquer un retard dépendant de sa fréquence, cette ligne ayant une entrée ( 32) pour recevoir lesdites impulsions optiques brutes ( 26) et une sortie ( 34) pour fournir en réponse des impulsions optiques comprimées ( 36) présentant une durée corrigée ( 38) inférieure à ladite durée initiale, cette source étant caractérisée par le fait que ladite plaquette ( 2) présente successivement selon ladite direction longitudinale non seulement une section de gain ( 40) dans laquelle ladite structure guidante ( 4, 6) comporte ledit matériau actif ( 4) et reçoit ladite injection de porteurs15 provoquée par ledit courant d'alimentation de sorte que la variation de ce courant entraîne une variation parasite de l'indice de réfraction de ce matériau, mais aussi au moins une section supplémentaire ( 42, 44) dans laquelle cette structure guidante est agencée de manière qu'aucune20 variation sensible d'indice de réfraction n'y soit provoquée par ladite variation du courant d'alimentation dans le même sens que ladite variation parasite d'indice de réfraction, grâce à quoi la longueur optique de ladite cavité est augmentée et cette augmentation entraîne une diminution de25 la dite variation relative de cette longueur optique, une diminution de ladite variation relative de la fréquence de ladite lumière laser, une diminution de ladite variation absolue de cette fréquence, et finalement une diminution de ladite largeur spectrale.30 3/ Source selon la revendication 2, ladite structure guidante comportant: un ruban actif ( 4) limité à ladite section de gain ( 40) et constitué par ledit matériau actif, ce matériau présentant un indice de réfraction plus grand que celui de matériaux35 environnants, et un guide passif ( 6) s'étendant au moins dans ladite section supplémentaire ( 42, 44), ce guide étant constitué d'un matériau de guidage présentant un indice de réfraction plus grand que celui des matériaux environnants.5 4/ Source selon la revendication 3, caractérisée par le fait qu'une dite section supplémentaire constitue une section de réseau ( 44) dans laquelle ledit guide passif ( 6) présente une succession périodique de variations de ses dimensions transversales, cette succession constituant un réflecteur de10 Bragg ( 7) propre à sélectionner une dite fréquence de résonance de ladite cavité optique pour constituer la fréquence de ladite lumière laser ( 12). 5/ Source selon la revendication 4, caractérisée par le fait qu'une face supérieure ( 3) de ladite plaquette ( 2) porte d'une part une dite électrode constituant une électrode de gain ( 18) localisée dans ladite section de gain ( 40) et alimentée par ledit générateur d'alimentation ( 20, 22), d'autre part une électrode de réglage de fréquence ( 17) localisée dans ladite section de réglage de fréquence ( 44)20 et connectée à un générateur de réglage de fréquence ( 23) de ladite source pour faire traverser ledit guide passif ( 6) par un courant de réglage de fréquence (JB) entraînant une injection de porteurs de charges de types opposés dans ledit matériau de guidage, de manière à commander l'indice de25 réfraction de ce matériau et la fréquence de résonance sélectionnée par ledit réflecteur de Bragg ( 7). 6/ Source selon la revendication 4, caractérisée par le fait que ladite plaquette ( 2) comporte en outre une section passive ( 42) constituant une dite section supplémentaire.30 7/ Source selon la revendication 3, ladite plaquette ( 2) étant constituée d'un matériau binaire en dehors des dits ruban actif ( 4) et guide passif ( 6), ce matériau étant dopé de type N dans une couche ( 16) s'étendant sous ladite structure guidante ( 4, 6), et étant dopé de type p dans une35 couche ( 14) s'étendant au-dessus de cette structure guidante, lesdits matériaux actif et de guidage étant ternaires ou quaternaires et présentant des bandes interdites d'énergie de largeurs différentes. 8/ Système de transmission optique à solitons comportant une source semi- conductrice d'impulsions optiques pour fournir sur commande des impulsions optiques ( 36), un circuit d'entrée ( 60) recevant une information à transmettre et commandant un générateur d'alimentation ( 20, 22) de cette source pour lui faire fournir une succession d'impulsions optiques dans laquelle les intervalles de temps entre les impulsions sont représentatifs de l'information à transmettre, une fibre de ligne ( 62) constituée par une fibre optique de grande longueur recevant ladite succession d'impulsions optiques et présentant d'une part une dispersion15 chromatique, d'autre part un effet Kerr tels que cette dispersion et cet effet Kerr se compensent mutuellement pour conserver la forme d'une impulsion optique lorsque cette impulsion présente une intensité, une durée et une largeur spectrale caractéristiques d'un soliton de cette fibre,20 et un récepteur ( 64) recevant les impulsions optiques transmises par ladite fibre de ligne et traitant ces impulsions reçues pour restituer ladite information à transmettre, ce système étant caractérisé par le fait que ladite source25 d'impulsions optiques est une source selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 5 et 7 de manière qu'elle fournisse lesdites impulsions optiques sous la forme de dits solitons de ladite fibre de ligne ( 62).