Brevet FR2803116A1 — publié le 20010629

MULTIPLEXEUR EN LONGUEURS D'ONDES DE SOURCES LASERS L'invention concerne un dispositif de multiplexage en longueur d'onde d'une pluralité de sources lasers et notamment de faisceaux émis par une barrette de diodes lasers. La puissance délivrée par une diode laser étant limitée (typiquement inférieure à 10 W), il est classique d'utiliser des assemblages monolithiques de diodes (appelés barrettes de diodes lasers) permettant de délivrer des puissances jusqu'à typiquement 100 W. Ces barrettes présentent l'inconvénient de délivrer un faisceau optique de très mauvaise qualité, les diodes élémentaires émettant côte à côte. Généralement de 1 cm de large dans la direction parallèle au plan de la jonction (D"), la surface émissive des barrettes est d'environ 1 pm de haut dans la direction perpendiculaire (D1). Une barrette est ainsi une source fortement dissymétrique, étant environ 10 000 fois plus large que haute. De même, la divergence du rayonnement est non symétrique : supérieure à 25 (30 à 50 ) selon D1, elle est d'environ 10 suivant D". La combinaison de ces deux caractéristiques conduit à une étendue géométrique environ 2000 fois plus grande selon D" que selon D1. Cette forte dissymétrie est tout à fait préjudiciable à l'emploi efficace de ces composants pour de nombreuses applications. En effet, outre la difficulté de manipulation, il est en général intéressant de disposer d'un faisceau d'étendue géométrique proche de la symétrie de révolution, par exemple, pour l'injection dans une fibre optique ou pour le pompage optique longitudinal de lasers solides. Superposer différents faisceaux lasers est possible par multiplexage en longueur d'onde : chaque laser émet à une longueur d'onde différente des autres et les faisceaux sont superposés à l'aide de miroirs dichroïques ou d'éléments dispersifs (réseaux, prismes). [C.C. Cook et T.Y. Fan, in Advanced Solid State Laser 99, OSA Technical Digest, paper PD7 ; M.C. Farries et al., Electron. Lett., vol 27, pp. 1498-1499 (15.08.91) ; I.H. White et al, Electron. Lett., vol 26, pp. 832-834 (21/6/90)]. L'invention concerne donc un multiplexeur en longueurs d'ondes de sources lasers, caractérisé en ce qu'il comporte # une pluralité de sources lasers émettant des faisceaux à des longueurs d'ondes différentes ; # un premier réseau de diffraction formant miroir de cavité pour les diodes lasers, ce réseau comportant un ensemble de sous- réseaux juxtaposés de pas différents, chaque sous-réseau recevant un ou plusieurs desdits faisceaux lasers, rétroréfléchissant une partie du ou des faisceaux et transmettant l'autre partie du faisceau dans une direction de sortie, cette direction étant la même pour tous les sous- faisceaux ; # une optique de focalisation située sur la direction de sortie, focalisant en un point de focalisation les faisceaux émis par les sources lasers ; # un deuxième réseau de diffraction situé audit point de focalisation et recevant lesdits faisceaux émis, les angles d'incidence de ces faisceaux sur le réseau de diffraction étant tels que celui-ci superpose les faisceaux après diffraction. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple de réalisation ainsi que dans les figures annexées qui représentent les figures 1 a à l c, un exemple de réalisation détaillé du multiplexeur de l'invention ; les figures 2a et 2b, une variante de réalisation de l'invention. Les figures 1 a à 1 c représentent un exemple de réalisation du multiplexeur selon l'invention. Les figures 1 a et 1 b représentent un dispositif permettant l'émission de n faisceaux lasers de longueurs d'ondes différentes. La figure 1a représente n diodes lasers 1.1 à 1. n. Préférentiellement, ces n diodes sont en fait une barrette de diodes lasers 1. Les faisceaux émis par ces diodes sont collimatés par une première lentille cylindrique 21, puis focalisés par une deuxième lentille cylindrique 22 sur un réseau de diffraction 3 situé sensiblement au plan de focalisation de la lentille 22. Les axes des lentilles cylindriques 21, 22 sont orthogonaux à la grande longueur de la barrette de diodes et forment un système afocal. Le réseau de diffraction 3 est en réalité une juxtaposition de sous- réseaux de diffraction 3.1 à 3.n présentant des pas différents de façon à être efficaces à des longueurs d'ondes différentes. On impose la longueur d'onde de chacune des n diodes lasers 1.1 à 1.n de la barrette 1 par la réalisation d'une cavité externe fermée par un réseau 3 placé en position de Littrow dont le plan d'incidence est perpendiculaire au plan de la jonction des diodes lasers. Cette orientation du réseau est choisie pour assurer une bonne sélection en longueur d'onde, ce qui ne serait pas forcément le cas pour une orientation parallèle au plan de la jonction à cause de l'émission non monomode spatiale dans cette direction des diodes de puissance. L'ordre 0 du réseau correspond aux faisceaux de sortie 4.1 à 4.n de la cavité et l'ordre -1 au faisceau réinjecté dans la cavité. Pour éviter le phénomène de sous-cavité qui pourrait compromettre l'efficacité de la sélection en longueur d'onde, il est préférable de traiter antireflet la face de sortie des diodes lasers. L'angle d'incidence des faisceaux sur le réseau et le pas du réseau fixent la valeur de la longueur d'onde d'émission de chaque diode laser. II est nécessaire que le faisceau soit collimaté dans le plan d'incidence du réseau par exemple en mettant une troisième lentille cylindrique 23 entre la barrette 1 et le réseau 3. Cette troisième lentille cylindrique 23 est orthogonale aux lentilles 21, 22. Cela est visible sur la figure 1b qui représente une vue de dessous du système de la figure 1a. Enfin, chaque diode laser ne doit éclairer qu'un seul sous-réseau. Cela est réalisé par le montage afocal des deux lentilles cylindriques 21-22 qui imagent les diodes laser sur le réseau 3. Ainsi, en sortie du réseau 3, les n faisceaux issus des diodes ont chacun une longueur d'onde différente et sont parallèles entre eux. Ils sont espacés d'une distance dx qui correspond à la distance entre diodes dans la barrette multipliée par le grandissement des lentilles 21-22. Un exemple préférentiel consiste à avoir les faisceaux 4.1 à 4.n parallèles entre eux et répartis spatialement en fonction de leurs longueurs d'ondes. La distance dx entre deux faisceaux, 4.1 et 4.2 par exemple, est telle que dx = f. d2#,. D # f étant la distance focale de la lentille 5 ; # dX, la différence de longueurs d'ondes des faisceaux 4.1 et 4.2 ; # D, le pouvoir de diffraction du réseau de diffraction 6. Les n faisceaux 4.1 à 4.n sont alors superposés localement par une lentille 5 sur un réseau de diffraction 6. Le foyer objet de la lentille 5 est placé sur le réseau 3. Le réseau 6 est placé dans le plan de Fourrier (foyer image). La lentille 5 peut être cylindrique ou sphérique. Le réseau 6 est un réseau blasé pour avoir une direction préférentielle en sortie 7. Pour que les faisceaux 4n soient spatialement superposés après le réseau 6, il faut que leur longueur d'onde k, soit choisie judicieusement. On a donc par ce procédé, superposé spatialement les faisceaux des N diodes laser composant une barrette. En première approximation, l'espacement en longueur d'onde dln entre deux faisceaux élémentaires est indépendant de n (cela est vérifié tant que les incidences sur la lentille 5 restent faibles). On a donc : dkn = Xn - kn-1 = dl qui est constant. Cette valeur est choisie pour être supérieure à la largeur spectrale des diodes lasers fonctionnant en cavité externe. Typiquement, on prendra dl = 0,5 à 1 nm. Dans ces conditions, pour le réseau 3, la variation (da) du pas (a) d'un sous-réseau au sous-réseau adjacent est donné par Par exemple avec X = 800 nm, dl = 1 nm et a = 0,8 pm (réseau avec 1I1200 traits/mm) on obtient da = 1 nm. Pour réaliser n réseaux dont le pas varie de proche en proche de 0,5 nm, l'invention propose, par exemple, d'utiliser un polymère photosensible pour réaliser le réseau 3 sous forme d'hologramme épais, soit en utilisant une longueur d'onde d'écriture fixe et en faisant varier les incidences des faisceaux suivant l'emplacement sur le réseau 3 ; soit en faisant varier la longueur d'onde d'écriture pour chaque sous-réseau. Le deuxième réseau 6 a un nombre de traits fixé, ce qui correspond à un pouvoir de dispersion D (qui dépend également de l'angle de travail choisi). Dans le cas du montage optique présenté figure l c, on obtient aisément la relation entre l'espacement spatial dx et spectral dl entre sous-faisceaux : dx = f.dl.D où f est la longueur focale de la lentille 5. Par exemple, avec dx = 0,2 mm, dl = 1 nm et D = 1200 mm-'Icos 45 , on obtient f = 120 mm. Sans sortir du cadre de l'invention, on prévoit également, par exemple que # D'autres combinaisons de lentilles et d'autres incidences sur les réseaux soient utilisées. # L'imagerie dans le plan de la jonction des diodes sur le réseau 3 ne soit pas obligatoire, il suffit que les faisceaux soient séparés au niveau du réseau 3. Cela est réalisé sur une distance de l'ordre du millimètre en sortie de la barrette (espacement de 0,2 mm, divergence de 10 ). On peut ainsi supprimer les lentilles 21 et 22 comme on peut le voir sur les figures 2a et 2b. # En sortie du réseau 6, le faisceau peut être utilisé directement ou focalisé dans une fibre optique. # On peut profiter de la cavité externe pour non seulement fixer la longueur d'onde de chaque diode laser mais également opérer un filtrage spatial du mode latéral pour réduire le nombre de modes transverses émis par chaque diode laser. # Les réseaux de diffraction 3 et 6 peuvent fonctionner en transmission ou en réflexion. REVENDICATIONS 1. Multiplexeur en longueurs d'ondes de sources lasers, caractérisé en ce qu'il comporte # une pluralité de sources lasers (S1 à Sn, 1.1 à 1.n) émettant des faisceaux à des longueurs d'ondes différentes ; # un premier réseau de diffraction (3) formant miroir de cavité pour les diodes lasers, ce réseau comportant un ensemble de sous-réseaux juxtaposés de pas différents, chaque sous- réseau recevant un ou plusieurs desdits faisceaux lasers, rétroréfléchissant une partie du ou des faisceaux et transmettant l'autre partie du faisceau dans une direction de sortie (U), cette direction étant la même pour tous les sous- faisceaux; # une optique de focalisation située sur la direction de sortie (U) (lentille 5), focalisant en un point de focalisation les faisceaux émis par les sources lasers ; # un deuxième réseau de diffraction (6) situé audit point de focalisation et recevant lesdits faisceaux émis, les angles d'incidence de ces faisceaux sur le réseau de diffraction étant tels que celui-ci superpose les faisceaux après diffraction. 2. Multiplexeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'avant focalisation par l'optique de focalisation (5), les faisceaux sont parallèles et les distances entre les axes des faisceaux sont calculées et réparties pour obtenir la superposition des faisceaux après diffraction par le réseau de diffraction. 3. Mutliplexeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la distance dx entre deux faisceaux est donnée par la formule dx = f.dX.D dans laquelle # f étant la distance focale de l'optique de focalisation (5) ; # dX, la différence de longueurs d'ondes des faisceaux ; # D est le pouvoir de dispersion du deuxième réseau de diffraction (6). 4. Multiplexeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux réseaux de diffraction (3, 6) fonctionnent en réflexion ou en transmission. 5. Multiplexeur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte, entre les diodes lasers et le premier réseau de diffraction (3), une première lentille cylindrique (21) collimatant les faisceaux lasers et une deuxième lentille cylindrique (22) située entre la première lentille cylindrique et le premier réseau de diffraction, et focalisant les faisceaux collimatés sur le plan du premier réseau de diffraction et imageant les faces émissives des diodes lasers sur ce premier réseau, les axes des lentilles cylindriques (21, 22) étant orthogonaux à la ligne de diodes lasers. 6. Multiplexeur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une troisième lentille cylindrique (23), orthogonale à la première et à la deuxième lentilles, située entre les diodes lasers et le deuxième réseau de diffraction (3) et collimatant les faisceaux émis par les diodes lasers.