Brevet FR2700894A1 — publié le 19940729

LASER A SEMICONDUCTEUR AVEC SELECTEUR PASSIF EN LONGUEUR D'ONDE Domaine technique La présente invention a pour objet un laser à semiconducteur avec sélecteur passif en longueur d'onde. Elle trouve une application en télécommunica- tions optiques Elle s'applique à tous les lasers à semiconducteur et notamment aux lasers à simple ou à double hétérostructure en alliage IIIV Il peut s'agir, par exemple, mais non exclusivement, de lasers à Ga As, Ga Al As, In Ga As, Ga As P, In Ga As P, In P, etc Etat de la technique antérieure Dans le domaine des télécommunications optiques, il existe un réel besoin de sources laser offrant une grande stabilité de fréquence Ce n'est qu'à cette condition qu'on pourra mettre en oeuvre les techniques de la radioélectricité comme la modulation, la démodu- lation, etc La stabilisation en fréquence des lasers en général et des lasers à semiconducteur en particulier, est une technique largement connue aujourd'hui Plu- sieurs solutions ont déjà été proposées: asservissement de la fréquence à un mode de résonance d'un étalon FABRY-PEROT ou à une raie d'absorption d'un gaz, synchronisation sur un autre laser lui-même stabilisé, etc Pour faciliter l'obtention de cette stabilité, le laser à stabiliser est choisi ou modifié pour présen- ter déjà une certaine stabilité de fréquence On peut par exemple opérer par tri de doubles hétérostructures pour ne retenir que les composants dont l'alliage conduit à la fréquence centrale souhaitée; il est également possible de réduire la largeur propre d'émission en allongeant la cavité résonante au moyen d'un miroir auxiliaire extérieur (contre-réaction optique); on peut enfin avoir recours à un réseau de diffraction disposé le long de la zone active (laser dit "DFB" pour "Distributed Feed-Back" ou encore "DBR" pour "Distributed Bragg Reflection"). Cet état de la technique est décrit, par exem- ple, dans l'article de Motoichi OHTSU intitulé "Fre- quency Stabilization in Semi-Conductors Lasers" publié dans la revue "Optical and Quantum Electronics", vol 20, ( 1988), pages 283-300. Cependant, ces techniques connues présentent des inconvénients La méthode du tri des hétérostruc- tures conduit à des rendements de fabrication bas. Le recours à la contre-réaction optique par miroir auxiliaire externe pose des problèmes mécaniques dif- ficiles et conduit à des structures complexes et lourdes de mise en oeuvre Quant aux lasers à réseaux distribués le long de la zone active, ils ne sont obtenus qu'au prix d'une complication de la fabrication, due à des reprises d'épitaxie; d'o des coûts relativement éle- vés. On connaît, par ailleurs, des lasers à semiconducteurs utilisant un sélecteur en longueur d'onde, sélecteur constitué par un cristal dopé avec des ions de terre rare La demande de brevet français FR-A-2 648 281 décrit un tel laser Dans un tel dispositif, la sélection est fondée sur le mécanisme suivant Les ions de terre rare possèdent un état fondamental et un premier état électronique excité. Du fait du champ électrique créé par le réseau cristallin, ces niveaux sont décomposés en sous-niveaux (effet Stark) Les ions présentent alors des séries de raies d'absorption correspondant à des transitions de l'état fondamental vers l'état excité et des raies d'émission correspondant à des transitions inverses. Ces deux séries de raies sont légèrement décalées l'une par rapport à l'autre, les raies d'émission se situant à une énergie un peu plus faible, donc à une longueur d'onde un peu plus grande. Toujours selon ce document FR-A-2 648 281, on choisit la composition du cristal et la nature des ions pour que les plages d'absorption et d'émission tombent dans la bande d'émission spontanée du milieu amplificateur semiconducteur Il se produit alors un transfert d'énergie des plus courtes longueurs d'onde vers les plus grandes La longueur d'onde de la raie d'émission la plus intense de l'ion terre rare se trouve être privilégiée et c'est sur cette longueur d'onde que le laser va osciller. Il s'agit donc d'un moyen sélectif que l'on peut qualifier d'actif, en ce sens que la longueur d'onde finalement émise est directement imposée par le cristal dopé. Bien que donnant satisfaction à certains égards, ce type de lasers reste assez difficile à réaliser en raison de la double condition imposée au cristal dopé, à savoir que son spectre d'absorption et son spectre d'émission tombent dans une plage appropriée. La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient. Exposé de l'invention Si l'invention propose encore d'introduire dans la cavité d'un laser un matériau comprenant une terre rare, elle s'appuie toutefois sur un mécanisme autre et plus simple, fondé uniquement sur l'absorption du sélecteur et non à la fois sur son absorption et sur son émission Selon l'invention, le matériau sélec- tif utilisé doit présenter une bande d'absorption avec un creux prononcé, ce creux tombant dans la bande d'émission spontanée du milieu amplificateur, autrement dit dans la plage d'amplification Le laser ne pourra alors osciller qu'à la longueur d'onde correspondant à ce creux, là o l'absorption sera inférieure au gain. En revanche, de part et d'autre de ce creux, l'absorp- tion sera supérieure au gain et l'oscillation sera bloquée. Le moyen de sélection proposé par la présente invention est donc "passif" en ce sens qu'il n'émet pas lui-même le rayonnement sélectionné (comme dans le laser du document FR-A-2 648 281) mais plutôt qu'il bloque l'oscillation en dehors du creux d'absorption et laisse osciller le laser dans ce creux. Ces nouvelles conditions de fonctionnement changent naturellement les contraintes relatives au choix du matériau Ces contraintes sont allégées Tout d'abord, on recherchera une concentration élevée en terre rare avec un chemin optique le plus court pos- sible L'avantage d'un chemin optique court, à chaque extrémité du milieu amplificateur, est que la quantité du flux de photons réfléchis par les miroirs extérieurs n'est pas diminuée par la divergence propre aux lasers à semiconducteurs. Ensuite, les propriétés d'émission de la terre rare n'étant pas mises en jeu, il n'existe plus de contrainte sur le rendement quantique d'émission de la terre rare, et ce rendement peut être nul Cette latitude permet d'utiliser des matériaux o la terre rare n'est plus un dopant mais un constituant, ce qui permet d'obtenir des concentrations en terre rare très élevées, de l'ordre de 1021 à 1022 cm-3 Ceci permet d'utiliser des épaisseurs de cristaux inférieures à environ 100 pm, ce qui était difficile avec la technique de la sélection active décrite dans le document précé- dent Le produit de la concentration par l'épaisseur, appelé P, est pris au moins égal à 1020 cm-2 pour obte- nir l'effet recherché. De façon précise, la présente invention a donc pour objet un laser à semiconducteur comprenant: un milieu amplificateur présentant un certain gain d'amplification dans une certaine plage de longueur d'onde, au moins un miroir, au moins un sélecteur de longueur d'onde constitué par un matériau contenant une terre rare, ce sélecteur étant disposé entre le miroir et le milieu amplificateur, ce laser étant caractérisé par le fait que le matériau du sélecteur présente un spectre d'absorption avec un creux à une certaine longueur d'onde tombant dans la plage d'amplification, ce creux correspondant à une absorption inférieure au gain d'amplification du milieu amplificateur, le laser émettant alors à une longueur d'onde correspondant au creux d'absorption. Il est possible d'utiliser un seul matériau contenant la terre rare appropriée Mais il peut être plus commode d'utiliser deux matériaux différents conte- nant deux sélecteurs constitués par deux matériaux différents Ces deux matériaux auront des spectres d'absorption présentant deux creux décalés l'un par rapport à l'autre, l'ensemble de ces deux matériaux donnant un spectre définissant un creux d'absorption globale définissant la longueur d'onde d'émission du laser. Ces deux matériaux peuvent être constitués par une même matrice avec deux types d'ions de terre rare différents ou par un même type d'ions de terre rare et deux matrices différentes. On peut aussi utiliser un seul matériau consti- tué par une matrice contenant un mélange d'ions de deux terres rares différentes. Quant à la matrice contenant le ou les ions terres-rares il peut s'agir d'un cristal ou d'un verre ou de toute autre substance transparente à la longueur d'onde de travail. Quant aux ions de terre rare, ils peuvent être choisis dans le groupe constitué par Er 3 +, Sm 3 +, Pr 3 + et Nd 3 +. La concentration de cette terre rare peut être comprise entre environ 1020 et 1022 cm-3. Brève description des dessins la figure 1 illustre le principe de la sélec- tion; la figure 2 permet de définir le facteur de mérite d'un matériau absorbant, la figure 3 illustre un exemple d'utilisation de deux matériaux différents; la figure 4 montre un mode de réalisation du laser selon l'invention; la figure 5 montre un autre mode de réalisa- tion du laser selon l'invention; la figure 6 montre encore un autre mode de réalisation du laser selon l'invention; la figure 7 montre encore un autre mode de réalisation du laser selon l'invention à structure compacte; la figure 8 est un spectre d'émission d'un laser classique; la figure 9 est un spectre d'émission d'un laser perfectionné selon l'invention. Exposé détaillé de modes de réalisation La figure 1 est un schéma théorique montrant la courbe G des variations de l'amplification optique produite par la structure semiconductrice du laser et la courbe A d'absorption produite par le sélecteur. Les pertes dues aux miroirs ou aux faces de la structure ne sont pas prises en compte dans ce schéma simplifié. Dans le creux de la courbe A, l'absorption est inférieure au gain G et l'oscillation est possible. Le laser émet donc à une longueur d'onde O située dans ce creux En dehors de celui-ci, l'absorption l'emporte sur le gain et l'oscillation est impossible. La figure 2 montre la densité optique DO d'un matériau, portée en ordonnées, en fonction de la lon- gueur d'onde >, portée en abscisses Cette figure permet de définir un facteur de mérite M pour tout matériau sélectif Au minimum d'absorption, la densité optique prend la valeur D Omin Une densité optique égale à 1,1 D Omin est obtenue pour deux points M et N écartés en longueur d'onde de la valeur A On définit alors le facteur de mérite comme la quantité M= 1/4 ^. Selon l'invention, on choisira, de préférence, pour ce facteur de mérite, une valeur au moins égale à 2 106 cm-1, par exemple 3 106 cm-. La variante de l'invention qui met en jeu deux matériaux différents à absorptions décalées permet de satisfaire à cette condition plus facilement qu'avec un seul matériau La figure 3 montre ainsi le spectre d'absorption d'un cristal de Li Er F 4 de 200 "m d'épais- seur, orienté " ("' et celui des deux échantillons combinés (courbe C). On voit que la courbe C présente un creux très marqué vers 1512 nm alors que les courbes A et B ne présentaient que des variations très plates dans cette région. D'une manière générale par matériaux différents, on entend soit un même ion terre rare dans deux matrices différentes, soit une même matrice contenant deux ions soit une combinaison des ions Er 3 +, Sm 3 +, Pr 3 + ou Nd 3 +. Les transitions de ces ions sont respectivement 4 115/2 > 13/2 6 H 5/2 6 H 3/2 3 H 4 I 3 F 3 4 19/2 > 4 I/15/2 Elles se font dans la zone spectrale s'étendant de 1,4 à 1,6 pm Toutes ces transitions ont la particularité de correspondre à une absorption à partir des états fondamentaux dans lesquels se trouvent les ions en l'absence d'excitation. Dans le cas de deux matrices différentes dopées avec un même ion, en jouant sur les épaisseurs et les concentrations respectives des deux matrices, il est possible de déplacer la place du creux d'absorption, ce qui permet de prédéterminer la longueur d'onde sélec- tionnée. Les figures 4 à 7 montrent plusieurs modes de réalisation possibles d'un laser conforme à l'inven- tion Mais l'homme du métier pourra en imaginer d'autres. La laser illustré sur la figure 4 tout d'abord comprend un milieu amplificateur 10 en forme de double hétérostructure avec une jonction PN référencée 12. La structure semiconductrice est alimentée en courant par une source 14 La face avant 16 de l'hétérostructure est clivée La face arrière est recouverte d'une couche anti-reflet 18 Une lame mince 20 de cristal dopé en ions de terre rare définie selon les conditions exposées plus haut est disposée entre la couche anti-reflet 18 et un miroir sphérique 22 L'émission cohérente s'effectue par l'avant (référence 23). Dans une variante plus compacte, illustrée par la figure 5, la lame mince cristalline dopée 20 est plaquée sur la couche anti-reflet 18 et une couche réfléchissante 24 est déposée sur la face arrière de la lame 20. Comme exposé plus haut, il peut être plus facile d'obtenir le facteur de mérite requis en employant deux matériaux sélectifs différents C'est ce qui est représenté sur la figure 6 o le laser comprend les mêmes éléments que sur la figure 4 mais avec une deuxiè- me lame cristalline dopée 20 ' et un miroir semi- réfléchissant 24 ' Dans ce cas, la structure semiconductrice comprend, sur sa face clivée avant, des couches anti-reflet 18 '. Enfin, dans une structure très compacte est illustrée sur la figure 7 o tous les éléments 10, , 20 ' sont assemblés les uns aux autres Une couche réfléchissante 24 est déposée à l'arrière de l'ensemble et une couche semi-réfléchissante 24 ' à l'avant. Pour illustrer les performances de l'invention, les figures 8 et 9 donnent le spectre d'émission d'un laser conforme à l'art antérieur (fig 8) et celui d'un laser conforme à l'invention (fig 9) La figure 8 correspond à un laser en In Ga As P de type FABRY-PEROT. Le spectre d'émission est très large et de nombreux modes longitudinaux sont visibles Le spectre d'émission s'étend d'environ 1490 à 1540 nm. Après dépôt de couches anti-reflet sur les deux faces, on applique des lamelles de Li Er F 4 de 200 Pm d'épaisseur sur une face et de Er 3 A 14, 5 Ga 0,5012 de pm d'épaisseur sur l'autre face Le spectre obtenu est alors celui de la figure 9 Il est monofréquence à 1512 nm. il REVENDICATIONS 1 Laser à semi-conducteur comprenant un milieu amplificateur ( 10) présentant un certain gain d'amplification (G) dans une certaine plage de longueur d'onde, au moins un miroir ( 22),, au moins un sélecteur de longueur d'onde constitué par un matériau contenant une terre rare, ce sélecteur étant disposé entre le miroir ( 22) et le milieu amplificateur ( 12), ce laser étant caractérisé par le fait que le matériau du sélecteur ( 20, 20 ') présente un spectre d'absorption (A) avec un creux à une certaine longueur d'onde tombant dans la plage d'amplification, ce creux correspondant à une absorption inférieure au gain d'amplification du milieu amplificateur ( 10), le laser émettant ( 23) alors à une longueur d'onde (O) correspondant au creux d'absorption. 2 Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le creux d'absorption présente une certaine largeur (A), l'inverse (M=l/(AA)) de cette largeur étant au moins égal à 2 106 cm-1. 3 Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend deux sélecteurs constitués de deux matériaux différents ( 20, 20 ') contenant des terres rares, ces deux matériaux ayant deux spectres d'absorption (A, B) présentant deux creux décalés l'un par rapport à l'autre, l'ensemble de ces deux matériaux donnant un spectre (C) définissant un creux d'absorption globale définissant la longueur d'onde (Ao) d'émission du laser. 4 Laser selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les deux matériaux ( 20, 20 ') sont constitués par une même matrice avec deux types d'ions de terre rare différents pour les deux matériaux. Laser selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les deux matériaux ( 20, 20 ') sont constitués par un même type d'ions de terre rare et deux matrices différentes pour les deux matériaux. 6 Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il contient un seul matériau ( 20) consti- tué par une matrice contenant un mélange d'ions de deux terres rares différentes. 7 Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau du sélecteur est un cristal dopé par une terre rare. 8 Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau du sélecteur est un verre dopé par une terre rare. 9 Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau du sélecteur comprend une terre rare comme constituant. Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les ions de terre rare sont pris dans le groupe constitué par Er 3 +, Sm 3 +, Pr 3 + et Nd 3 +. 11 Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la concentration en terre rare est comprise entre environ 1020 et 1022 cm-3. 12 Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'épaisseur de chaque sélecteur ( 20, ') est inférieure ou égale à 300,um. 13 Laser selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le produit P de la concentration en terre rare par l'épaisseur du sélecteur est supérieure à environ 1020 cm-2. 14 Laser selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le milieu amplificateur ( 10) comprend une hétérostructure ayant deux faces recouvertes d'une couche anti-reflet ( 18, 18 '), les deux matériaux sélec- teurs ( 20, 20 ') étant disposés respectivement entre une couche anti-reflet ( 18, 18 ') et un miroir ( 24, 24 '). Laser selon la revendication 14, caractérisé par le fait que chaque sélecteur ( 20, 20 ') est au contact avec une des couches anti-reflet ( 18, 18 '). 16 Laser selon la revendication 15, caractérisé par le fait que chaque sélecteur ( 20, 20 ') est au contact avec un miroir ( 24, 24 '). 17 Laser selon la revendication 14, caractérisé par le fait que les deux sélecteurs ( 20, 20 ') sont au contact des couches anti-reflet ( 18, 18 '), les deux miroirs ( 24, 24 ') du laser étant déposés sur les deux sélecteurs ( 20, 20 ').