Brevet FR2737813A1 — publié le 19970214

La présente invention est relative à un composant laser pour la génération d'ondes millimétriques. Une des principales raisons qui empêche la mise en oeuvre de la distribution d'ondes radio de fréquence de porteuse autour de 60 GHz par des réseaux de fibres optiques provient de l'absence de générateur optique pouvant générer des ondes millimétriques (de l'ordre de 60 GHz) avec une puissance suffisante. Plusieurs études ont déjà proposé d'utiliser à cet effet des modulateurs optiques fonctionnant à des fréquences élevées, c'est-à-dire supérieures à 30 GHz. On pourra à cet égard avantageusement se référer aux différentes publications suivantes - H. Schmuck, R. Heidemann and R. Hofstetter, "Distribution of 60 GHz signals to more than 1000 base stations", Electron, Lett., 30, pp. 59-60 (1994) - F. Devaux, P. Bordes, J.F. Cadiou, E. Penard, J. Guena and P. Legaud, "Distribution of millimetre radiowave signals with an MQW electroabsorption modulator", Electron. Lett., 30, pp. 1522-1524 (1994) - D. Mathoorasing and C. Kazmierski, "Efficient optical harmonic converter with 1.5 ;im MQW DFB WG laser for millimetre wave radio applications", Electron. Lett., 30, pp. 1957-1958 (1994). Ces différentes modulations nécessitent cependant une puissance de modulation ou une amplification optique très importantes. I1 a également été proposé dans - N.G. Walker, D. Wake and I.C. Smith, "Efficient millimetre-wave signal generation through FM-IM conversion in dispersive optical fibre links", Electron. Lett., 28, pp. 2027-2028 (1992), d'utiliser la dispersion chromatique d'une fibre optique monomode pour générer un signal optique modulé en intensité à partir d'un signal optique modulé en phase ou en fréquence. Cette technique est cependant d'une maîtrise difficile. On sait que l'hétérodynage de deux faisceaux optiques issus de deux lasers distincts permet de réaliser une modulation d'intensité à une fréquence correspondant à la différence des fréquences des deux faisceaux. On pourra à cet égard avantageusement se référer à la publication - S. SAWANISHI, A. TAKADA and M. SARUWATARI, "Wide-band frequency-response measurement of optical heterodyne detection", IEEE J. Lightwave Techno., 7, pp. 92-98 (1989), dans laquelle cette technique est utilisée pour mesurer la bande passante d'une photodiode. Toutefois, à ce jour, l'hétérodynage optique n'est pas suffisamment satisfaisant pour pouvoir être utilisé en communication. I1 se pose en particulier de nombreux problèmes dus à la largeur de raies des lasers et en particulier des problèmes de stabilisation de la différence de longueur d'onde. L'invention propose quant à elle un composant laser qui génère des ondes millimétriques par hétérodynage de deux faisceaux de longueurs d'onde différentes, l'écart entre ces longueurs d'onde étant ajustable. Le composant proposé par l'invention permet en outre de moduler directement le faisceau millimétrique ainsi généré. Selon l'invention, ce but est atteint par un composant d'émission laser présentant une structure d'émission laser à contre-réaction distribuée, cette structure comprenant une couche active déposée sur un substrat et un réseau formant réflecteur de Bragg superposé à cette couche active, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un guide optique à réflecteur de Bragg déposé sur le substrat dans le prolongement de la couche active, les émissions générées par la structure d'émission laser à contre-réaction distribuée et la structure d'émission laser à réflecteur de Bragg ainsi constituées se combinant par hétérodynage en un signal optique millimétrique. Ce composant. est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes, prises seules ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles - au moins une partie de la section à guide optique à réflecteur de Bragg est commandée en courant de façon à moduler en fréquence le signal optique millimétrique - au moins une partie du guide optique à réflecteur de Bragg est en un matériau électro-absorbant et est commandée par une tension inverse de façon à moduler le signal millimétrique en intensité - au moins une partie du guide optique à réflecteur de Bragg est en un matériau électroréfractif et est commandée par une tension inverse de façon à moduler le signal millimétrique en fréquence - la structure d'émission laser à contre-réaction distribuée présente deux sections commandées indépendamment en courant, le courant de commande de l'une de ces sections modulant le signal millimétrique en fréquence ou en intensité - la structure d'émission laser à contre-réaction distribuée comporte deux couches actives et une couche de guide optique interposée entre ces deux couches actives, cette couche de guide optique étant en un matériau électrooptique, la section correspondant à cette couche étant commandée en tension pour moduler le signal millimétrique en fréquence - une section guidante interposée entre la section d'émission laser à contre-réaction distribuée et la section à réflecteur de Bragg, cette section étant commandée en courant ou en tension pour moduler le signal millimétrique en fréquence ou en intensité - les différentes sections sont réalisées par couplage bout à bout - le composant est constitué par épitaxie sélective en surface. L'invention a également pour objet un dispositif d'émission d'un signal hertzien millimétrique, caractérisé en ce qu'il comporte un composant d'émission optique du type précité, un moyen formant guide d'onde recevant le signal en sortie de ce composant, des moyens de photodétection disposés en sortie de ce moyen formant guide d'onde, des moyens d'émission radioélectrique recevant le signal électrique en sortie des moyens de photodétection. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe illustrant schématiquement le principe d'un composant conforme à l'invention - la figure 2 et la figure 3 sont des vues en coupe d'un composant conforme à un mode de réalisation particulier possible pour l'invention - la figure 4 et la figure 5 illustrent des spectres d'émission obtenus avec le composant des figures 2 et 3 ;; - la figure 6 est une courbe représentant la différence de longueur d'onde en fonction du courant injecté dans la section DBR du composant des figures 2 et 3 - la figure 7 est une courbe sur laquelle on a porté la différence de puissance entre le faisceau émis par la structure DFB et le faisceau émis par la structure DBR du composant des figures 2 et 3 - les figures 8 à 11 sont des représentations semblables à celles des figures 1 et 2 illustrant quatre autres modes de réalisation possibles pour l'invention - la figure 12 est une représentation schématique d'un circuit d'émission d'un signal radioélectrique millimétrique modulé selon un codage FSK qui comporte un composant conforme à l'invention. Le composant illustré sur la figure 1 est un composant monolithique qui comprend une section laser I à contre-réaction distribuée et une section II à réflecteur de Bragg. On rappelle qu'une structure laser à contreréaction distribuée, classiquement appelée D.F.B par l'Homme du Métier ("Distributed Feed Back" selon la terminologie anglo-saxonne), est une structure à empilements dans laquelle la couche active d'émission et le réseau de diffraction sont superposés. La couche active est commandée par un courant de commande injecté. Une telle structure DFB peut présenter d'autres sections commandées en courant ou en tension par des électrodes distinctes, la modification des courants ou tensions de commande des différentes sections permettant d'accorder la longueur d'onde d'émission. Une structure laser à réflecteur de Bragg, classiquement appelée D.B.R. par l'Homme du Métier ("Distributed Bragg Reflector" selon la terminologie anglo-saxonne), est une structure à empilements qui comporte au moins une section active d'émission laser et un réseau formant réflecteur de Bragg dans le prolongement de cette section active. L'accordabilité en longueur d'onde est obtenue par injection d'un courant dans la section de Bragg. La structure du composant illustré sur la figure 1 va maintenant être décrite de façon plus détaillée. Elle comporte une couche active d'émission laser 1 et une couche 2 de guide optique dans le prolongement de la couche 1, ces deux couches étant toutes deux déposées sur un même substrat 3 d'InP dopé n. Une couche 4 d'InP dopée p est déposée de l'autre côté des couches 1 et 2. Un réseau de diffraction 5 est gravé du côté de cette couche 4 sur toute la longueur de la couche active 1 et de la couche de guide optique 2. Le substrat 3 porte sur sa face opposée aux couches 1 et 2 une électrode 6 reliée au neutre. Le substrat 4 porte quant à lui trois électrodes 7a, 7b et 7c électriquement isolées. Les électrodes 7a et 7b sont disposées au droit de la couche active 1. L'électrode 7c est au droit de la couche 2 de guide d'onde. Les paramètres structuraux des sections I et II, et notamment leurs longueurs et les coefficients de couplage de leurs réseaux, sont choisis de façon à égaliser le gain au seuil de l'émission DFB et de l'émission DBR. En jouant sur le courant d'injection dans la section II DBR, on modifie la longueur d'onde d'émission DBR k1, avec une plage d'accord importante (supérieure à 5 nm). On modifie la longueur d'onde d'émission de la section I DFB k2 en agissant sur les courants ou tensions de commande. Les faisceaux de longueurs d'onde k1 et k2 ainsi émis par la structure DFB et la structure DBR se combinent en un signal hétérodyné de longueur d'onde millimétrique. Avec la structure illustrée sur la figure 1, il est possible de régler la fréquence du signal hétérodyné, c'est-à-dire la différence entre les deux longueurs d'onde des deux émissions mélangées, en ajustant l'une ou l'autre des deux longueurs d'onde émises par la section I DFB et par la section II DBR. La différence minimum entre les fréquences du laser DFB et du laser DBR est imposée par la distance intermodale, elle-même fonction de la longueur de la couche active 1. Pour un écartement de 0,48 nm (60 GHz) à 1,5 pm, cette longueur est d'environ 650 pm. La couche 1 est avantageusement une couche active à multipuits quantiques. La largeur de raie de l'émission est minimum pour une telle couche active et sans injection de courant dans la section II. De nombreuses variantes de réalisation sont bien entendu possibles. En particulier, le nombre d'électrodes de commande des sections DBR et DFB est variable. Par exemple, la section DFB peut être composée d'une ou plusieurs sections actives et d'une section guidante à effet électro-optique. De même la section DBR peut présenter plusieurs sections, dont une en un matériau électrooptique qui permet de moduler le signal millimétrique en sortie du composant. On a illustré sur les figures 2 et 3 un composant laser à ruban enterré conforme à un autre mode de réalisation possible de l'invention. Ce composant a été réalisé en utilisant la technologie dite du couplage bout à bout pour les sections I et II DFB et DBR. La section I DFB est une hétérostructure à confinement séparé (SCH ou "Separate Confinement Heterostructure" selon la terminologie anglo-saxonne). Elle est constituée d'une couche active 11 en matériau massif InGaAsP (kg ru 1,55 pm où kg est la longueur d'onde au dessus de laquelle ce matériau est transparent) entre deux couches de confinement optique îîa et llb également en InGaAsP (kg " 1,18 pm). Ces différentes couches sont obtenues par une croissance OMCVD (épitaxie organométallique). Un réseau d'indice 15a, dont le pas est de 240 nm et dont la profondeur est de 60 nm, est gravé dans la couche de confinement supérieure llb. Le coefficient de couplage est d'environ 60 cm-1. Cette section I comporte une seule électrode supérieure 17a, cette électrode étant de longueur égale à 400 ym. La section II DBR est obtenue par une croissance localisée par épitaxie en phase liquide (EPL) d'une couche guidante 12 en InGaAsP (4 " 1,47 ym). Un réseau d'indice 15b de même pas et de même profondeur que le réseau de la section I DFB est gravé sur la partie supérieure de la couche guidante 12. Une électrode 17c est déposée sur cette section afin de l'alimenter électriquement. Le substrat d'InP dopé n sur lequel les couches 11 et 12 sont déposées a été référencé par 13. La couche d'InP dopée p déposée sur le substrat 13 ainsi que sur le ruban défini par les couches 11 et 12 a été référencée par 14. La longueur de la section II DBR est de 90 ;im environ. Le coefficient de couplage est d'environ 200 cm-1. Les sections I et II DFB et DBR sont clivées à leurs extrémités opposées. Une couche AR antireflet est déposée sur la face clivée de la section II DBR. Les sections I et II sont en outre séparées par une séparation électrique 14a réalisée par une combinaison des gravures sèches (RIBE, reactive ion beam etching) et chimique. L'émission simultanée à deux longueurs d'onde est obtenue en polarisant en direct la section DFB par injection d'un courant de commande, la différence des longueurs d'onde DFB et DBR étant contrôlée par modification de la longueur d'onde d'émission DBR. Cette modification est obtenue en modifiant. le courant de commande DBR. Par ailleurs, étant donné que la couche 12 est en un matériau électrooptique (électro-absorbant), il est possible de moduler l'intensité du signal millimétrique en sortie du composant par application d'une tension de commande inverse entre l'électrode 17c et l'électrode 16 déposée sur le substrat 13. Le figures 4 et 5 montrent les spectres d'émission obtenus avec un courant DFB constant à I DFB = 120 mA pour deux courants DBR d'intensités IDBR différentes. Une émission à deux longueurs d'onde est obtenue avec une différence des longueurs d'onde de 1,28 nm et de 0,84 nm respectivement pour IDBR = 38 mA et 48,6 mA. On a porté sur la figure 6 la différence des longueurs d'onde en fonction du courant DBR. Ainsi qu'on peut le voir sur le graphe de cette figure, on obtient un accord discontinu entre IDBR = O mA et 34 mA et une plage d'accord continue entre IDBR = 34 mA et 49 mA. La différence des niveaux de puissance de ces émissions a été illustrée sur le graphe de la figure 7. Cette différence peut varier jusqu'à 7 dB, mais est de moins de 5dB pour la plage continue. D'autres variantes de réalisation de l'invention ont encore été illustrées sur les figures 8 et 9. Les structures des composants représentés sur ces figures sont similaires à celle du composant décrit en référence à la figure 1 et l'on a repris pour les différentes couches de ces structures que l'on retrouve sur la figure 1 la même numérotation de référence augmentée de 20. La section I DFB du composant de la figure 8 comporte plusieurs électrodes 27a, 27b, qui permettent de modifier la longueur d'onde de l'émission DFB d'une façon continue (mais limitée) en ajustant l'intensité I1, 12 des courants DFB injectés. Ce type de fonctionnement est avantageux dans le cas de la génération d'ondes millimétriques où la différence des longueurs d'onde se situe entre 0,3 nm et 0,7 nm. I1 permet également d'éviter un élargissement de la largeur de raie qui se produit dans le cas d'une injection du courant dans la section DBR. L'utilisation de structures d'empilements à puits quantiques pour la couche active permet aussi de réduire la largeur de raie. Le codage en fréquence (FSK) de la porteuse millimétrique (différence des longueurs d'onde) peut être réalisé par la modulation d'une de ces électrodes. Dans la variante illustrée sur la figure 9, la section I DFB comporte deux sections actives 28 et une section guidante 29 électro-absorbante interposée entre les deux sections 28. L'application d'une tension en inverse -V1 sur la section 29 permet de contrôler les pertes de propagation dans la section DFB. Une superposition d'un signal électrique de modulation sur cette tension permet de coder la porteuse en fréquence (FSK ou FM). On se réfère maintenant à la figure 10 sur laquelle on a illustré un composant conforme à l'invention dont la section II DBR présente plusieurs électrodes. On a repris pour les différentes couches du composant de la figure 1 qui se retrouvent sur le composant de la figure 10 la même numérotation de référence augmentée de 30. Pour le composant de la figure 1, une modification du courant DBR change la différence des longueurs d'onde par sauts, ce qui peut être gênant pour les applications envisagées. Le composant de la figure 10 permet de pallier cet inconvénient. I1 comporte à cet effet une section guidante 38 interposée entre la section DFB et la section DBR, les réseaux d'indice 35a et 35b des sections I et II et DFB et DBR étant interrompus au niveau de cette section 38. Une modification de l'indice effectif de la couche de guide d'onde 32 au niveau de cette section 38 permet de changer d'une façon continue la longueur d'onde de l'émission DBR sur une plage limitée. Cette modification peut être réalisée par une injection du courant électrique, dans le cas où la section 38 est réalisée en des matériaux à effet plasma, ou par l'application d'une tension en inverse dans le cas où la section 38 est à effet électro-réfractif (effet Franz Keldysh, Effet Stark quantique confiné, Effet Wannier Stark, Braqwet). L'efficacité de l'effet plasma est sensiblement plus importante que celle de l'électro-réfraction. Cependant, l'effet plasma induit une dégradation de la largeur de raie d'émission laser, ce qui en réduit l'intérêt pour des applications nécessitant une faible largeur de raie. Dans ce cas, lfélectro-réfraction est plus intéressante malgré sa faible efficacité. D'autres variantes de l'invention sont encore possibles. En particulier, ainsi qu'on l'a illustré sur la figure 11, le composant selon l'invention peut être réalisé par épitaxie sélective en surface. L'utilisation de cette technique permet de réaliser des dispositifs avec peu d'étapes technologiques. L'épitaxie sélective en surface est désormais classiquement connue de l'Homme du métier et consiste en une croissance des matériaux dont l'énergie de bande interdite ("gap" selon la terminologie anglo-saxonne) dépend de la forme géométrique et de la surface du masque utilisé. Ceci permet d'obtenir une structure horizontale composée de plusieurs matériaux de "gaps" différents en une seule étape épitaxiale. Ces techniques peuvent contribuer d'une façon déterminante à la réalisation des dispositifs les plus performants, mais ne sont applicables que pour des structures à puits quantiques. Sur la figure 11, on a repris pour les couches de la figure 1 que l'on retrouve sur la structure représentée, la même numérotation de référence augmentée de 40. La couche active 41 et la couche de guide d'onde 42 interposées entre les deux couches 43 et 44 d'InP dopée n et dopée p sont constituées par un même empilement à multipuits quantiques présentant des énergies de bande interdite différentes au niveau de la section DFB (couche active 41) et de la section DBR (couche guide d'onde 42). La zone référencée par 50 sur la figure 11 est une zone de transition entre les zones 41 et 42. On présente dans les tableaux I à IV les types de modulation réalisables avec les différentes structures qui viennent d'être décrites TABLEAU I Composant DFB/DBR avec une électrode (E) par section (figures 2 et 3) Type du DFB (1E) DBR (1 E) signal courant FM, FSK ou FM, FSK IM tension é 1 e c t r o- é 1 e c t r o en inverse --- absorption réfraction IM FSK TABLEAU II Composant DFB/DBR avec deux électrodes DFB (figure 8) Type du DFB (2E) DBR (1 E) signal courant FM, FSK (sur FM, FSK 1 des 2E) tension é 1 e c t r o- é 1 e c t r o en inverse absorption réfraction IM FM, FSK TABLEAU III Composant DFB/DBR avec trois électrodes DFB (figure 9) Type du DFB- (3E) DBR (1 E) signal courant FM, FSK (sur FM, FSK 1 des 2E latérales) tension FSK (sur é 1 e c t r o- é 1 e c t r o en inverse l'électrode absorption réfraction centrale IM FSK TABLEAU IV Composant DFB/DBR avec une électrode DFB et deux électrodes DBR (dont une électrode de phase) (figure 10) Type du DFB (1E) DBR (modulation sur signal l'électrode phase) courant FM, FSK FM, FSK tension é 1 e c t r o- é 1 e c t r o en inverse absorption réfraction IM FM, FSK On a illustré sur la figure 12 un circuit électrooptique pour l'émission d'un signal radioélectrique millimétrique modulé selon un codage FSK. Le dispositif comporte - un composant laser 20, similaire à celui illustré sur la figure 8, - des moyens 51 pour la commande de ce composant 20, - une fibre optique 52 dans laquelle le signal en sortie du composant est injecté, - une photodiode 53 située à l'autre extrémité de la fibre 52 et convertissant le signal optique en sortie de la fibre en un signal électrique, - un amplificateur 54 recevant la photodiode, - une antenne d'émission électrique 55 recevant le signal en sortie de l'amplificateur 54. Le composant laser 20 comporte trois électrodes 27a à 27c : deux (27a, 27b) pour la section DFB et une (27c) pour la section DBR. La section DBR est du type électro-réfraction dont la longueur d'onde est modifiable avec l'application d'une tension électrique. Les deux sections DFB et DBR sont polarisées pour que la différence des longueurs d'onde X1 et X2 soit de 0,48 nm (soit 60 GHz environ). Cette différence est bien sûr arbitraire. La modulation du signal millimétrique en FSK est obtenue en modulant directement une des électrodes 27a, 27b de la section DFB ou l'électrode 27c DBR polarisée à une tension en inverse par les moyens de commande 51. A cet effet, les moyens 51 comportent un générateur de signaux 56 et un té de polarisation 57 interposé entre le générateur 56 et l'électrode du composant 20 commandé par celui-ci. Cette modulation induit une modulation de fréquence de l'émission DFB (ou DBR) qui se retrouve sur la différence des longueurs d'onde des émissions DFB et DBR-et par conséquent sur le signal optique en sortie du composant .20.. Le signal optique est acheminé par la fibre optique 52 jusqu'à la zone de l'émission radio où se trouvent la photodiode 53, l'amplificateur 54 et l'antenne d'émission 55. Un isolateur optique 58 inséré entre le composant 20 et la fibre 52 permet de réduire les effets nuisibles dus à la réalimentation optique (optical feedback). Le signal optique est détecté par la photodiode 53 dont la bande passante est supérieure à 60 GHz. I1 est ainsi converti en un signal électrique dont la porteuse (60 GHz) est modulée en FSK. Après amplification par l'amplificateur HF 54, le signal est converti par l'antenne 55 en un signal hertzien distribué sur une zone donnée. REVENDICATIONS 1. Composant d'émission laser présentant une structure d'émission laser à contre-réaction distribuée (DFB), cette structure comprenant une couche active (1, 11, 21, 31, 41) déposée sur un substrat (3, 13, 23, 33, 43) et un réseau formant réflecteur de Bragg (5,15, 25, 35, 45) superposé à cette couche active, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un guide optique (2, 12, 22, 32, 42) à réflecteur de Bragg (DBR) déposé sur le substrat (3, 13, 23, 33, 43) dans le prolongement de la couche active (1, 11, 21, 31, 41), les émissions générées par la structure (DFB) d'émission laser à contre-réaction distribuée et la structure (DBR) d'émission laser à réflecteur de Bragg ainsi constituées se combinant par hétérodynage en un signal optique millimétrique. 2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la section à guide optique à réflecteur de Bragg (2) est commandée en courant de façon à moduler en fréquence le signal optique millimétrique. 3. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une partie du guide optique à réflecteur de Bragg (12, 22) est en un matériau électro-absorbant et est commandée par une tension inverse de façon à moduler le signal millimétrique en intensité. 4. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une partie du guide optique à réflecteur de Bragg (12, 22) est en un matériau électroréfractif et est commandée par une tension inverse de façon à moduler le signal millimétrique en fréquence. 5. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure (DFB) d'émission laser à contreréaction distribuée présente deux sections (électrodes 27a, 27b) commandées indépendamment en courant, le courant de commande de l'une de ces sections modulant le signal millimétrique en fréquence ou en intensité. 6. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure (DFB) d'émission laser à contreréaction distribuée comporte deux couches actives (28) et une couche de guide optique (29) interposée entre ces deux couches actives (28)., cette couche de guide optique (29) étant en un matériau électro-optique, la section correspondant à cette couche étant commandée en tension pour moduler le signal millimétrique en fréquence. 7. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une section guidante (38) interposée entre la section (DFB) d'émission laser à contre-réaction distribuée et la section (DBR) à réflecteur de Bragg, cette section (38) étant commandée en courant ou en tension pour moduler le signal millimétrique en fréquence ou en intensité. 8. Composant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les différentes sections sont réalisées par couplage bout à bout. 9. Composant selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est constitué par épitaxie sélective en surface. 10. Dispositif d'émission d'un signal hertzien millimétrique, caractérisé en ce qu'il comporte un composant (20) d'émission optique selon l'une des revendications 1 à 9, un moyen formant guide d'onde (52) recevant le signal en sortie de ce composant (20), des moyens de photodétection (53) disposés en sortie de ce moyen formant guide d'onde (52), des moyens d'émission radioélectrique (54, 55) recevant le signal électrique en sortie des moyens de photodétection (53).