Brevet FR2798780A1 — publié le 20010323

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE DE LA PUISSANCE OPTIQUE D'UN EMETTEUR LASER La présente invention concerne le contrôle de la puissance optique d'un émetteur laser du type comportant une diode laser et des moyens en courant pour fournir à la diode laser des courants de commande faits d'un courant de polarisation et d'un courant de modulation. Un tel LO contrôle est destiné en particulier aux émetteurs laser de type VCSEL o VCSEL est le sigle correspondant à la dénomination anglo-saxonne Vertical Cavity Surface Emitting Laser. Pour contrebalancer les effets de la température sur la puissance optique délivrée par un émetteur laser il est connu de réaliser un contrôle de cette puissance d'émission au moyen d'une photodiode de contre-réaction; la photodiode mesure la puissance optique délivrée et, en fonction du résultat de cette mesure, les courants de polarisation et de modulation de la diode laser sont réglés afin que la puissance optique émise ne varie pas. Cette façon de procéder présente deux inconvénients: - la partie de la puissance optique prélevée pour effectuer la mesure réduit le rendement optique global de l'émetteur, - nécessité d'un couplage optique avec, par exemple, un miroir semi- réfléchissant, pour coupler la photodiode à la diode laser; ceci augmente fortement le coût de l'émetteur laser d'une part en raison des constituants mis en oeuvre et d'autre par du fait que les composants doivent être positionnés de manière très précise par rapport à la diode laser. La présente invention a pour but d'éviter ou, pour le moins, de réduire ces inconvénients. Ceci est obtenu en remplaçant le contrôle en puissance par un contrôle en fonction de la température de fonctionnement. Pour cela il est proposé un procédé de contrôle de la puissance optique d'un émetteur laser du type comportant une diode laser et des moyens en courant pour fournir à la diode laser des courants de commande faits d'un courant de polarisation et d'un courant de modulation, caractérisé en ce qu'il consiste à établir une approximation mathématique représentative des variations, en fonction de la température, du courant de seuil de la diode laser et à faire varier le courant de polarisation en fonction de la valeur issue de l'approximation. Pour cela il est également proposé un dispositif de contrôle en température d'un émetteur laser du type comportant une diode laser, un générateur de courant de polarisation et un générateur de courant de modulation, caractérisé en ce qu'il comporte en série des moyens de mesure pour mesurer la température de fonctionnement de la diode laser et des moyens de contrôle qui, connaissant par des mesures préalables la puissance optique, P, délivrée par la diode laser en fonction de la température et des courants de commande, I, la traversant, fournissent un signal de commande au générateur de courant de polarisation afin qu'il fournisse un courant tel que la diode laser travaille juste au-dessus du courant de seuil correspondant à sa température de fonctionnement. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent: - la figure 1, deux courbes de puissance optique délivrée par un laser de type VCSEL en fonction du courant circulant dans le laser, relativement à deux températures de fonctionnement du laser, - la figure 2, la courbe de variation du courant de seuil en fonction de la température de fonctionnement pour un laser de type VCSEL, - la figure 3, un schéma d'un laser contrôlé selon l'invention, - les figures 4 et 5, des schémas plus détaillés d'éléments de la figure 3, - la figure 6, deux courbes de variation de la puissance optique d'un laser en fonction de sa température de fonctionnement. Sur les différentes figures les éléments correspondants sont désignés par les mêmes repères; La figure 1 représente, pour deux températures différentes, les variations de la puissance optique délivrée par une diode laser de type VCSEL en fonction du courant qui circule dans la diode. Il s'agit de deux courbes Co et Ca dont celle la plus à gauche, Co, correspond à la température optimale, To, de fonctionnement du laser et présente une partie sensiblement rectiligne de pente Go; pour toute autre température, Ta, la courbe se trouve décalée sur la droite et présente une partie sensiblement rectiligne de pente Ga plus faible que Go. Pour un fonctionnement correcte du laser en émetteur, il est nécessaire de travailler dans la partie sensiblement rectiligne des courbes, juste au-dessus du courant de seuil; de cette manière, pour une puissance optique de sortie donnée, la consommation d'énergie de l'émetteur est minimum. Il est rappelé que le courant de seuil est le courant minimal pour obtenir l'émission laser. Le courant de seuil varie de la valeur Io à la valeur la quand la température passe de To à Ta; sur la figure 1 est indiquée une valeur Pm de puissance optique qui correspond sensiblement, pour toutes les valeurs de température, à la puissance optique obtenue avec le courant de seuil. Dans ce qui suit, il va être montré comment il est possible de modifier le courant de polarisation de la diode afin qu'il soit juste légèrement supérieur au courant de seuil quelle que soit la température de fonctionnement; en plus, pour un meilleur réglage mais sans que cela soit toujours indispensable, il va être montré comment le courant de modulation de la diode peut être modifié afin de tenir compte de la modification de la pente dont il a été question ciavant. La figure 2 est une courbe qui donne, pour les diodes VCSEL Honeywell référence HFX6999, le courant de seuil Is en fonction de la température T; la mesure est faite à une puissance optique Pm, telle qu'elle a été définie à l'occasion de la figure 1, de 1 pW; il s'agit d'une courbe moyenne et les écarts avec cette courbe moyenne, quelle que soit la diode considérée, sont toujours très faibles. Cette courbe de variation est quasiment parabolique dans la gamme des températures considérées, c'est- à-dire entre -30 et +80 C; il est donc possible de représenter le courant de seuil par une approximation parabolique de la forme Is = a T2 + bT + c et, en choisissant convenablement les coefficients a, b et c, la courbe relevée par mesures et son approximation parabolique sont quasiment confondues. Dans l'exemple considéré, étant donné que Is vaut 8,4 mA, 5,7mA et 4mA respectivement à -30 , 0 et 70 , le calcul donne pour valeurs des coefficients a = 6,57. 10-7 b = -70,3. 10-6 c = 5,7. 10-3 La courbe de la figure 2 est relative à la variation du courant de seuil en fonction de la température; pour ce qui est des courbes P = f(I) comme celles de la figure 1, la variation de leur pente en fonction de la température, dans la partie rectiligne des caractéristiques, est donnée par une courbe identique à celle de la figure 2, à un coefficient multiplicatif, G, près. La figure 3 est un schéma électrique d'un émetteur à diode laser, L, avec des moyens de contrôle pour régler le courant de polarisation et le courant de modulation de la diode laser en fonction de la température. La figure 3 montre deux transistors npn, Trl Tr2, associés en une structure différentielle avec un signal de modulation Vm appliqué entre leurs bases. Le collecteur de Trl est relié à une tension continue positive, Vc, par une résistance R. Le collecteur de Tr2 est relié d'une part à la cathode de la diode L dont l'anode est reliée à la tension Vc et d'autre part à la masse par un générateur de courant, Sp. Quant aux émetteurs des transistors Trln Tr2 ils sont reliés à la masse par un même générateur de courant Sm. Les générateurs Sp et Sm sont des générateurs variables dont le courant produit est linéairement proportionnel à l'amplitude de leur signal de commande. Le générateur de courant Sp fournit un courant de polarisation de la diode laser L; ce courant comporte une partie fixe, Ic, à laquelle s'ajoute une partie ajustable. Le générateur de courant Sm fournit le courant de modulation Im de la diode L avec, lui aussi, une partie fixe Id et une partie ajustable. Les moyens de contrôle en température de l'émetteur selon la figure 3 comportent un circuit, 1, de mesure de la température de la diode L, suivi d'un circuit de calcul 2, lui même suivi d'un amplificateur à gain réglable, 3. Le circuit 1 dont un exemple de réalisation est donné sur la figure 4 fournit une tension linéairement proportionnelle à la température T; sur les figures 3 et 4, étant donné que cette tension est linéairement proportionnelle à la température T, elle est assimilée à la température et notée T. Dans la réalisation selon la figure 4, le circuit comporte un amplificateur différentiel At dont l'entrée + est à la masse et dont l'entrée - est reliée d'une part à travers une résistance Rt à un potentiel de référence Vref et d'autre part à l'anode d'une diode Dt dont la cathode est reliée à la sortie de l'amplificateur At. Dans l'exemple décrit les diodes Dt et L font partie d'une même barrette de diodes et sont élaborées selon le même processus de fabrication; la mesure de température est ainsi effectuée dans de très bonnes conditions. Le circuit 2, auquel sont fournies les valeurs a, b et c obtenues comme indiqué ci-avant, calcule une tension de commande Vs du générateur de courant Sp Vs = aT2 + bT + c Le générateur Sp fournit un courant linéairement proportionnel à Vs, augmenté de la partie constante Ic. Un exemple de réalisation du circuit de calcul 2 est donné sur la figure 5; il s'agit d'une réalisation sous forme analogique comportant un multiplieur analogique, M, suivi de deux amplificateurs opérationnels, A1 et A2. La température T, fournie sous forme d'une tension, est appliquée sur les deux entrées du multiplieur et à l'une des bornes d'une résistance R2 dont l'autre borne est reliée d'une part à l'entrée + de A1 et d'autre part à la masse à travers une résistance R3. La sortie du multiplieur est reliée à l'entrée - de A1 par une résistance R1, tandis qu'une résistance R4 relie entre elles l'entrée - et la sortie de A1. Une résistance R5 relie la sortie de A1 à l'entrée - de A2. L'entrée + de A2 est reliée au curseur d'un potentiomètre R6 dont les extrémités sont respectivement à des potentiels Vd et Ve qui, dans I'exemple décrit font - 5 volts et +5 volts. Une résistance R7 de même valeur que la résistance R5 relie l'entrée - et la sortie de A2. Ainsi réalisé le circuit 3 fournit T2 à la sortie du multiplieur M, a.T2 + b.T à la sortie de l'amplificateur A1, avec a = R4/R1 et b = -(R3+R2)/R4, et a.T2+b.T+c à la sortie de l'amplificateur A2, o c est obtenu par réglage du potentiomètre R6. L'amplificateur à gain réglage 3 a son gain qui est réglé sur la valeur G c'est-à-dire sur le coefficient multiplicatif dont il a été question plus avant au sujet de la variation de pente des courbes P = f(l) comme celles de la figure 1. En variante, pour effectuer un contrôle du générateur Sm de courant de modulation, l'amplificateur à gain réglable 3 peut être remplacé par un circuit à mémoire 3' comme dessiné en traits interrompus sur la figure 3. Le circuit 3' reçoit le signal de mesure de température du circuit 1; il comporte en mémoire un tableau avec les pentes moyennes, en fonction de la température, de la partie sensiblement rectiligne des courbes P = f(l) telles que celles de la figure 1; il fournit comme signal de commande du générateur Sm la différence des pentes aux températures To et T, o To est la température optimale telle que définie lors de la description de la figure 1. Dans l'émetteur selon la figure 3 les courants de polarisation, Ip, et de modulation, Im, dont la somme constitue le courant qui commande le fonctionnement de la diode laser L, sont donnés par: lp = Y.Vs + lc lm = Y.Y'.G.Vs + Id o Y est la transconductance des deux générateurs, identiques dans l'exemple décrit, Sp, Sm et o Y' est la transductance de la paire différentielle constituée par les transistors Trl, Tr2. La figure 6 représente deux courbes de variation de la puissance optique en fonction de la température de la diode laser, l'une, B1, sans contrôle en température, I'autre B2, avec un contrôle en température effectué comme décrit ci-avant à l'aide en particulier des figures 3, 4 et 5. Alors que, sans le contrôle en température, la puissance disponible chute rapidement de part et d'autre d'une température qui, dans l'exemple décrit, est de l'ordre de 40 C, avec un contrôle en température elle reste quasiment stable, égale à la puissance optique maximale obtenue sans contrôle en température. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit c'est ainsi, en particulier, que le contrôle peut n'être effectué que sur le courant de polarisation, I'amplificateur 3 étant retiré; dans cette configuration simplifiée la translation de caractéristique en fonction de la température, comme décrite à l'aide de la figure 1, est prise en compte mais pas la variation de pente dont il a été également question lors de la description de la figure 1. De même le dispositif de contrôle peut être réalisé sous forme numérique, en particulier en ce qui concerne le circuit de calcul 1 de la figure 3. Application à la production de modules électroniques permettant de réaliser des interconnexions optoélectronique à faible coût. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle de la puissance optique d'un émetteur laser du type comportant une diode laser et des moyens en courant pour fournir à la diode laser des courants de commande faits d'un courant de polarisation et d'un courant de modulation, caractérisé en ce qu'il consiste à établir une approximation mathématique représentative des variations, en fonction de la température, du courant de seuil de la diode laser et à faire varier le courant de polarisation en fonction de la valeur issue de l'approximation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à faire varier le courant de modulation en fonction de la valeur issue de l'approximation. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, ayant en mémoire, pour la diode, des valeurs de pentes de la partie sensiblement rectiligne des courbes P = f(I), en fonction de la température de fonctionnement, o P est la puissance optique délivrée par la diode en fonction du courant I qui traverse la diode, il consiste à faire varier linéairement le courant de modulation en fonction de la différence des pentes aux températures T et To, o T est la température de fonctionnement de la diode et To la température de fonctionnement optimum de la diode. 4. Dispositif de contrôle en température d'un émetteur laser du type comportant une diode laser, un générateur de courant de polarisation (Sp) et un générateur de courant de modulation (Sm), caractérisé en ce qu'il comporte en série des moyens de mesure (1) pour mesurer la température de fonctionnement de la diode laser (L) et des moyens de contrôle (2, 3; 2, 3') qui, connaissant par des mesures préalables la puissance optique, P, délivrée par la diode laser en fonction de la température et des courants de commande, I, la traversant, foumrnissent un signal de commande au générateur de courant de polarisation (Sp) afin qu'il fournisse un courant tel que la diode laser travaille juste au-dessus du courant de seuil correspondant à sa température de fonctionnement. 5. Dispositif de contrôle selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de contrôle (2, 3) fournissent au générateur de courant de modulation (Sm) un signal de commande tel que la diode laser travaille à pente constante quelle que soit la température pour les courbes donnant P en fonction de I. 6. Dispositif de contrôle selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de contrôle (2, 3') fournissent au générateur de courant de modulation (Sm) un signal de commande proportionnel à la différence des pentes, dans leur partie rectiligne, des courbes donnant P en fonction de I pour la température de fonctionnement de la diode laser et pour la température optimale de fonctionnement de la diode laser.