Brevet FR2722922A1 — publié le 19960126

"Générateur d'impulsions optiques à faible fluctuation de fréquence" DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un générateur d'impulsions optiques à faible "chirp" c'est-à-dire avec une faible variation de la fréquence de la porteuse optique au cours d'une Impulsion. utilisant un laser "maître" et un laser "esclave" Elle s'applique notamment aux télécommunications optiques, et plus particulièrement aux transmissions numénques par fibres optiques, par exemple celles qui mettent à profit les solitons et1ou le multiplexage en longueur d'onde. Etat de la technique anténeure Actuellement. la recnerche dans le domaine de la génération d'impulsions optiques dédiées aux transmissions par effet soliton est relativement Intense. On dénombre au moins quatre techniques pour générer ces Impulsions laser semi-conducteur avec blocage de modes, laser en anneau à fibre amplificatnce avec blocage de modes, modulateur à électro-absorption fonctionnant en régime non linéaire et laser semi-conducteur fonctionnant en commutation de gain. Chacune de ces méthodes présente des avantages et des inconvénients en termes de qualité des profils temporels, qualité spectrale, robustesse, stabilité. réglage de la fréquence de répétition et accordabilité en longueur d'onde. La présente invention est relative à un générateur basé sur la commutation de gain. Un laser à semi-conducteur fonctionne en commutation de gain lorsque le courant d'injection de ce laser est modulé rapidement et fortement, avec un passage net de ce courant d'injection sous le seuil d'émission du laser. Alors. la relation entre le signal de modulation et la puissance optique modulée est fortement non linéaire. ce qui permet d'obtenir, sous certaines conditions, des impulsions optiques très brèves. Les avantages de la commutation de gain sont la simplicité, la robustesse et la possibilité de régler continument la fréquence de répétition sur une large plage de fréquences L'inconvenient majeur de cette technique de commutation de gain réside dans la présence d'un fort "chirp" (fluctuation de fréquence). Pour améliorer la qualité spectrale deux techniques peuvent etre utilisées. L'une met en oeuvre une fibre optique spéciale, dont la dispersion est négative eVou un filtre optique. Mais la qualité de l'impulsion bien que très améliorée reste souvent insuffisante En effet le profil temporel de l'impulsion présente souvent un pied trop Important L'autre consiste à réinjecter une grande partie de la lumière produite par ce laser après l avoir préalablement filtrée. La présente Invention a pour objet un générateur d'impulsions optiques à faible "chirp" utilisant un laser maître et un laser esclave fonctionnant à commutation de gain. Exposé de l'invention La présente Invention propose un générateur d'impulsions optiques à faible fluctuation de fréquence. caractérisé en ce qu'il comprend un premier laser. ou laser maître. injectant de la lumière à une longueur d'onde donnée dans un second laser. ou laser esclave, fonctionnant à commutation de gain, et un filtre. dont la bande passante est décalée par rapport à ladite longueur d'onde permettant de filtrer les Impulsions optiques émises par ce second laser et de rejeter cette longueur d'onde. Avantageusement ce générateur comprend un isolateur optique monté entre le laser maître et le laser esclave de telle sorte que la lumière circule du laser maître vers le laser esclave, et un circuit de commande prévu pour envoyer au laser esclave un courant d'injection dont les variations i(t) en fonction du temps permettent un fonctionnement en commutation de gain. Le laser esclave peut être un laser semi-conducteur ou diode laser. Avantageusement le laser maître est un laser accordable. Dans une première réalisation le laser esclave est un laser monomode, et le laser maître émet une puissance continue à une longueur d'onde voisine de la longueur d'onde d'émission du laser esclave. Dans une seconde réalisation le laser esclave est un laser multimode, et le laser maître émet une puissance continue à une longueur d'onde voisine d'un des modes du laser esclave. Avantageusement le laser esclave est modulé directement par le courant d'injection. le type de modulation étant soit une sinusoïde pour les fréquences supéneures à 2GHz. soit des impulsions pour les fréquences Inféneures à 2GHz. le taux d'injection dans le laser esclave étant au moins le centième. Dans une vanante de réalisation le laser esclave est une diode laser qui ne présente qu'une face d'accès. un coupleur étant alors disposé entre l'isolateur et le laser esclave. Ainsi le générateur de l'invention présente les caracténstiques suivantes - fonctionnement du laser esclave à semi-conducteur en commutation de gain - injection dans ce laser de la lumière, à la longueur d'onde Xrn, produite par le laser maître - filtrage des impulsions optiques émises par le laser esclave à l'aide du filtre passe-bande. dont la bande passante est décalée par rapport à la longueur d'onde r., et qui rejette cette longueur d'onde. Grâce à l'injection d'un fort taux de lumière et l'utilisation d'un filtre. I'invention permet d'obtenir des impulsions optiques dont la largeur spectrale optique est proche de la limite théonque correspondant à la transformée de Founer de l'impulsion détectée. De plus, I'utilisation du filtre passe-bande permet d'obtenir une impulsion dont la porteuse est pure (sans "chirp") et de réduire la largeur de celle-ci puisqu'il sélectionne la partie haute de l'impulsion, et par là-même d'éliminer le pied de l'impulsion qui est généralement trop large et dissymétrique. Enfin ce filtre permet d'éliminer le niveau continu entre les Impulsions. Apparemment dans les documents de l'art connu il n'est pas fait état de synchronisation de laser avec un laser esclave fonctionnant en commutation de gain. ni de puissance optique émise par un laser esclave synchronisée par un laser maître et filtrée par un filtre passe-bande qui rejette la longueur d'onde du laser maître. Brève description des dessins - La figure 1 représente le schéma de principe du dispositif de l'invention - la figure 2 partie a représente la courbe de vanation de la puissance optique PO du laser esclave en fonction du temps - la figure 2 partie b représente la courbe de variation de la frequence f e du laser esclave en fonction du temps, en absence d'injection - la figure 2 partie c représente la courbe de variation de la fréquence f e du laser esclave en fonction du temps, en présence d'injection - la figure 3 représente le schéma d'une variante de réalisation du dispositif de l'invention. Exposé détaillé de modes de réalisation La présente Invention concerne un générateur d'impulsions optiques à faible "chirp", c'est-à-dire avec une faible vanation de la fréquence de la porteuse optique au cours d'une Impulsion. utilisant un laser maître 10 et un laser esclave 11. Le laser maître 10 Injecte de la lumière à une longueur d'onde donnée Am dans le laser esclave il qui est un laser semi-conducteur ou diode laser. fonctionnant à commutation de gain. Un filtre passe-bande 12, dont la bande passante est décalée par rapport à ladite longueur d'onde Xm? permet de filtrer les impulsions optiques émises par ce second laser et de rejeter ladite longueur d'onde im. Un Isoiateur optique 13 est monté de telle sorte que la lumière circule du laser maître 10 vers le laser esclave 11 Un circuit de commande 14 est prévu pour envoyer au laser esclave 11 un courant d'injection dont les vanations i(t) en fonction du temps permettent un fonctionnement en commutation de gain. Ce dispositif de genération d'impulsions optiques présente donc les caractéristiques suivantes - on fait fonctionner le laser esclave 11 à semi-conducteur en commutation de gain - on Injecte dans ce laser de la lumière, à la longueur d'onde i, produite par le laser maître 10 - on filtre les impulsions optiques émises par le laser esclave à l'aide du filtre 12. passe-bande. dont la bande passante est décalée par rapport ;w. et qui rejette i;,. L'importance et la manière dont agit ce filtre seront décrites ci-dessous. Grâce à l'injection d'un fort taux de lumière et l'utilisation d'un filtre. I'invention permet d'obtenir des impulsions optiques dont la largeur spectrale optique est proche de la limite théonque correspondant à la transformée de Founer de l'impulsion détectée (de telles impulsions étant appelées "transform limited optical pulses" dans les publications en langue anglaise). De plus. comme il sera expliqué plus loin, la largeur temporelle de ces Impulsions peut être plus petite que celle obtenue avec un fonctionnement en commutation de gain sans traitement optique. Cette Invention correspond à un laser (dit "laser esclave") synchronisé par un autre laser (dit "laser maître"). Les publications relatives à la synchronisation d'un laser par injection (en anglais "injection locking") concernent presque toujours des lasers esclaves dont le courant d'injection n'est pas modulé. Toutefois on peut mentionner l'article de N.A. Olsson et co., intitulé "Chirp Free Transmission over 82.5 km of Single Mode Fibers at 2 Gbitls with Injection Locked DFB Semiconductor lasers" publié dans Joumal of Lightwave Technology (vol. LT-3. pages 63-66. 1985) et plus récemment celui de S. Mohrdiek. H. Burkhard. et H. A'altier intitulé "Chirp Reduction of Directly Modulated Semiconductor Laser at 10 Gbis by Strong CW Light Injection" publié dans Journal of Lightwave Technolooy (vol. 12, pages 418-424, 1994) où le courant d'injection du laser esclave est modulé mais de façon linéaire ou quasi linéaire mais non en commutation de gain. En effet dans ces deux publications la vanation temporelle de la puissance optique émise par le laser esclave doit représenter. aussi fidèlement que possible. la vanation du courant d'injection, ce qui n'est pas du tout le cas en régime de commutation de gain. Apparemment il nzest pas fait état dans la littérature de synchronisation de laser avec un iaser esclave fonctionnant en commutation de gain. De même, jamais. dans l'art antérieur, la puissance optique émise par un laser esclave synchronisée par un laser maître n'est filtrée par un filtre passe bande qui rejette la longueur d'onde du laser maître. La figure 1 représente donc le schéma de principe du dispositif de l'invention. Le laser maitre 10 est un laser, de préférence accordable, qui émet une puissance optique continue (C 'N. Laser) à la longueur d'onde Xm voisine de la longueur d'onde d'émission du laser esclave 11 lorsque celui-ci est monomode (généralement du type Cl7), ou voisine d'un des modes lorsque le laser esclave est multimode (généralement de type Fabry-Pérot). Le laser esclave 1 est modulé directement par le courant d'injection. Le type de modulation est soit une sinusoïde pour les fréquences supéneures à 2 GHz. soit des Impuisions pour les fréquences inférieures à 2 GHz. Le taux d'injection qui est le rapport entre la puissance optique du laser maître 10 Injectée dans le laser esclave 11 et la puissance dans le laser esclave. doit filtre élevée. c'est-à-dire au moins le centième. En effet, plus ce taux est élevé. plus les bandes d'accrochage et de stabilité sont grandes, et de plus. le "chirp" résiduel se trouve encore réduit. En l'absence d'injection. le laser esclave 11 présente, lorsqu'il fonctionne en commutation de gain une fréquence fe qui varie pratiquement linéairement sur une durée d'environ trn centrée au sommet de l'impulsion (voir figure 2 partie b) trr = largeur à mi-amplitude de l'impulsion optique. En présence d'injection. et lorsqu'il y a verrouillage, la fréquence du laser esclave est Imposée par celle du laser maître (fm), alors la différence de phase a entre le champ injecté et le champ du laser esclave est sensiblement proportionnelle à :, - fe Comme f e varie dans le temps comme représenté sur la figure 2 partie b. e vane aussi dans le temps, ce qui engendre un décalage de fréquence tf = (1:(2xi:)) x (d6idt) qui est constant lorsque la vanation de phase en fonction du temps est linéaire comme le montre la figure 2 partie c. Ainsi la fréquence optique du sommet de l'impulsion optique est décalée. par rapport à celle du laser maître sur une largeur d'environ tm. Pour obtenir une Impulsion dont la porteuse est pure (sans "chirp") il suffit donc de filtrer le signal de sortie par le filtre optique passe-bande 12 centré sur fs=fm- Af. Ce filtre permet aussi de réduire la largeur de l'impulsion puisqu'il sélectionne la partie haute de l'impulsion et par là même d'éliminer le pied de l'impulsion qui est généralement trop large et dlssymetnque. Enfin ce filtre permet d'éliminer le niveau continu entre les impulsions car ii est à la fréquence fm A titre d'exemple on obtient, expérimentalement, une Impulsion optique de 15 ps de large en absence d'injection exteme. Avec une forte injection exteme on observe un décalage Af de 80 GHz et, en utilisant un filtre passe-bande de 40 GHz de large, l'impulsion optique se trouve rédu!te à 8 ps Avec un filtre plus étroit il est possible d'élargir l'impulsion pour l'amener à la valeur souhaitée tout en restant exempte de "chirp" L'accord en longueur d onde des Impulsions optiques peut être obtenu en faisant vaner la longueur d'onde du laser maître. Les longueurs d'onde disponibles sont celles de la cavite de Fabry-Pérot de la diode laser. Cependant. en jouant sur ia température de cette diode laser, il est possible de déplacer les raies de sa cavité Fabry-Perot et de rendre alors continûment accordable cette diode laser. La figure 3 présente une vanante pour injecter de la lumière lorsque le laser esclave est une diode laser qui ne présente qu'une face d'accès. On utilise un coupleur 15. les autres éléments déjà illustrés sur la figure 1 gardant la même référence. REVENDICATIONS 1 Générateur d'impulsions optiques à faible fluctuation de fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend un premier laser (10), ou laser maître, injectant de la lumière à une longueur d'onde donnée (m) dans un second laser (11), ou laser esclave. fonctionnant à commutation de gain, et un filtre (12), dont la bande passante est décalée par rapport à ladite longueur d'onde ('.ru), permettant de filtrer les impulsions optiques émises par ce second laser et de rejeter cette longueur d'onde je.,). 2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un isolateur optique (13) monté entre le laser maître (10) et le laser esclave (11) de telle sorte que la lumière circule du laser maître vers le laser esclave. 3. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de commande (14) prévu pour envoyer au laser esclave un courant d'injection dont les vanations i(t) en fonction du temps permettent un fonctionnement en commutation de gain. 4. Générateur seion ia revendication 1, caractérisé en ce que le laser esclave (11) est un laser semi-conciucteur ou diode laser. 5. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser maître (10) est un laser accordable. 6. Générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le laser esclave (11) est un laser monomode. et en ce que le laser maître (10) émet une puissance continue à une longueur d'onde (Am) voisine de la longueur d'onde d'émission du laser esclave (11) 7. Générateur seion la revendication 5, caractérisé en ce que le laser esclave (11) est un laser multimode. et en ce que le laser maître (10) émet une puissance continue à une longueur d'onde (i.,) voisine d'un des modes du laser esclave (11). 8. Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caracténsé en ce que le type de modulation est soit une sinusoïde pour les fréquences supéneurs à 2 GHz. soit des impulsions pour les fréquences inférieures à 2 GHz. 9. Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes. caractérisé en ce que le taux d'injection dans le laser esclave est au moins le centième. 10. Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le laser esclave (11) est une diode laser qui ne présente qu'une face d'accès et en ce que ledit générateur comporte un coupleur disposé entre l'isolateur (13) et le laser esclave (11).