Brevet FR2819895A1 — publié le 20020726

DISPOSITIF LASER A COUPLAGE COMPENSATEUR PASSIF DESCRIPTION Domaine technique L'invention se situe dans le domaine des dispositifs optoélectroniques ou optiques dans lesquels il existe des moyens de couplage entre un composant optique ou optoélectronique émettant une onde laser modulée ou non modulée, et un guide d'onde de la lumière émise, par exemple une fibre optique. Arrière plan technologique. Les diodes laser utilisées dans les modules optiques bon marché, comme par exemple ceux montés en surface sur un circuit imprimé (modules LMS), ont un rendement externe, c'est-à-dire un rapport entre la variation de la puissance disponible au niveau d'une fibre recueillant la puissance optique émise et la variation du courant injecté dans la diode laser, qui est une fonction de la température de fonctionnement du module. Les résultats expérimentaux obtenus avec un module LMS montrent une perte du rendement externe du module d'environ trois décibels lorsque la température varie entre 25 C et 85oC. Cette perte d'efficacité est directement liée au comportement, en fonction de la température, de la diode laser à semi-conducteur. A courant de polarisation constant, le rendement externe de la diode laser diminue lorsque la température augmente. Pour obtenir un module avec un rendement externe constant diverses solutions sont connues. Un rendement externe d'un module indépendant de la température de fonctionnement peut de façon connue être obtenu au moyen d'une boucle électronique de régulation du courant de modulation. La boucle doit faire varier, en fonction de la température, la valeur du courant continu de polarisation et la valeur du courant de modulation. Le comportement le meilleur du module est obtenu au moyen d'un réglage précis du courant de modulation à différentes températures dans toute la gamme de températures de fonctionnement du module. Cette méthode permet de bons résultats mais la boucle de régulation est sophistiquée et donc chère. Cette caractéristique la rend inutilisable dans des modules bon marché. Il a aussi été pensé à utiliser un laser avec miroir dont la réflectivité est une fonction de la température. On pourra se reporter à ce sujet à l'article de A. KASUKAWA, N. IWAI, et N. YAMANAKA paru dans"Electronic Letter"du 23 juin 1994, Vol. 30 NO 13 et intitulé"very high characteristic temperature and constant differential quantum efficiency 1, 3pm GaInAsP/InP strained layer quantum well lasers by use of temperature dependant reflectivity mirror". L'emploi d'un tel miroir n'est malheureusement compatible qu'avec les lasers Fabry-Perot et ne fonctionne pas avec les lasers à réflecteur distribué (DFB distributed feedback laser). Le miroir a moins d'influence sur le comportement du laser à réflecteur distribué et ne peut être utilisé pour contrôler le comportement du laser en fonction de la température. Il a été réalisé des dispositifs dans lesquels la température du laser est maintenue constante par l'emploi de moyens de refroidissement tels que des modules de Peltier. L'emploi de telles modules est incompatible avec des composants bon marché d'une part, et de petite dimension d'autre part. Brève description de l'invention Par rapport à l'état de la technique qui vient d'être décrit l'invention vise à réaliser un module optique ou optoélectronique dont le rendement externe est indépendant ou quasi indépendant de la température de fonctionnement du module dans toute sa gamme de température de fonctionnement. L'invention vise à réaliser cet objectif de façon économique avec des moyens présentant un encombrement réduit n'augmentant pas les dimensions extérieures du module, qui soit reproductible et fiable. Selon l'invention, un rendement externe constant du module optique dans toute sa gamme de température de fonctionnement est obtenu, par des moyens passifs. Un moyen de compensation passif est utilisé pour coupler le composant optique, par exemple un laser, en particulier une diode laser, et la fibre. Ce moyen augmente l'efficacité du couplage lorsque la température augmente de façon à compenser exactement la perte de la puissance lumineuse émise par le composant couplé. Il devient ainsi possible de moduler le laser avec un courant de modulation d'amplitude constante. Naturellement, si le rendement externe du composant augmente avec la température alors il est possible d'utiliser le moyen selon l'invention pour diminuer le couplage lorsque la température augmente. Selon l'invention, on ajoute sur le chemin optique de l'onde de sortie du composant optique ou optoélectronique se situant entre la fibre et le composant un milieu dont l'indice de réfraction optique est une fonction, de préférence monotone, croissante ou décroissante de façon non négligeable, par exemple de 10-4 à quelques 10-4 par degré, avec la température. Lorsque la fonction est décroissante, le couplage maximum entre la fibre et le composant optique est optimisé pour la plus haute température de fonctionnement prévue, par exemple 85OC. Lorsque la fonction est croissante, le couplage maximum entre la fibre et le composant optique est optimisé pour la plus basse température de fonctionnement prévue, par exemple 25OC. Lorsque le milieu dont l'indice de réfraction optique est une fonction de la température est interposé sur le chemin optique entre le composant optique et la fibre sous forme d'un bloc distinct, la perte de couplage engendrée par la variation de la température à partir de la température donnant le couplage maximum, ne compense que la variation de rendement optique du laser seul. Par contre lorsque le milieu dont l'indice de réfraction optique est une fonction de la température est interposé sous forme d'une capsule englobant à la fois le composant optique et une extrémité de la fibre située en regard de ce composant, il convient de tenir compte de la variation induite par le milieu sur le fonctionnement du laser d'une part et d'autre part de la variation du chemin optique entre le composant et la fibre induite par la présence du milieu. Avec l'invention, lorsque le rendement externe du laser varie, par exemple décroît, du fait d'une élévation de température de fonctionnement du module, la proportion de cette puissance qui est transmise à la fibre au travers dudit milieu varie, par exemple augmente et en choisissant bien le milieu interposé entre la fibre et le composant il est possible d'obtenir que la proportion de la puissance optique reçue par la fibre varie de façon compensatoire, par exemple augmente de façon compensatoire, en sorte que la puissance reçue par la fibre soit indépendante de la température de fonctionnement du module. Exprimé autrement le milieu optique à coefficient thermooptique élevé, par exemple un polymère, réalise une variation passive du couplage entre le composant optique et la fibre lorsque la température varie et que corrélativement la puissance optique émise par le laser varie, toute choses étant égales par ailleurs. On notera que les positions relatives des différents éléments optiques, le laser une ou plusieurs lentilles interposées entre le laser et la fibre, la fibre ne sont pas sans effet sur la transmission. En fonction des paramètres des matériaux, par exemple, la ou les lentilles se trouvant sur le chemin optique, on pourra calculer, par exemple avec un logiciel dédié, une approximation des meilleures positions à observer. En résumé l'invention est relative à un module optique ou optoélectronique comportant un composant optique ou optoélectronique couplé par des moyens de couplage à un guide d'onde optique, au travers d'un chemin optique joignant le composant et le guide d'onde optique caractérisé en ce que les moyens de couplage entre le composant et le guide d'onde optique comportent un milieu intermédiaire transparent à l'onde optique dont l'indice de réfraction varie avec la température. Comme expliqué plus haut la variation de l'indice avec la température est en général monotone croissante ou décroissante et induira donc un couplage monotone croissant ou décroissant. Il en résulte que la variation du couplage entre la fibre et le composant induite par la variation de l'indice optique du milieu intermédiaire produira un couplage maximum entre la fibre et le composant lorsque la température de fonctionnement du module est l'une des températures extrêmes d'une gamme de température de fonctionnement prévue pour le module En général le rendement externe du composant diminue avec la température. Si l'indice de réfraction du milieu intermédiaire est une fonction décroissante de la température, le couplage maximum entre la fibre et le composant optique est réglé pour la plus haute température de fonctionnement d'une gamme de température de fonctionnement prévue pour le module. Par contre si le rendement externe du composant diminue avec la température, et que l'indice de réfraction du milieu intermédiaire est une fonction croissante de la température, alors le couplage maximum entre la fibre et le composant optique est réglé pour la plus basse température de fonctionnement d'une gamme de température de fonctionnement prévue pour le module. Si comme cela arrive aussi, le rendement externe du composant augmente avec la température, et si l'indice de réfraction du milieu intermédiaire est une fonction décroissante de la température, le couplage maximum entre la fibre et le composant optique est réglé pour la plus basse température de fonctionnement d'une gamme de température de fonctionnement prévue pour le module. Par contre si le rendement externe du composant augmente avec la température, et que l'indice de réfraction du milieu intermédiaire est une fonction croissante de la température, le couplage maximum entre la fibre et le composant optique est réglé pour la plus haute température de fonctionnement d'une gamme de température de fonctionnement prévue pour le module. Le milieu intermédiaire pourra être constitué par un bloc de polymère, par exemple un élastomère de silicone. Lorsque le polymère se présente sous la forme d'un bloc distinct se trouvant sur le chemin optique entre la fibre et le composant, les faces d'entrée et de sortie du bloc seront de préférence munies d'une couche antireflet. Le milieu intermédiaire se présentera de préférence sous forme d'une capsule d'un matériau englobant une extrémité de la fibre, au moins la face du composant optique en regard de ladite extrémité de la fibre et d'éventuels éléments tels que des lentilles ou d'autres éléments se trouvant sur le chemin optique entre le composant et la fibre. De préférence la valeur de l'indice optique du milieu intermédiaire déposé sous forme de capsule aura la même valeur ou une valeur très voisine de la valeur de l'indice optique de la fibre optique de façon à ne pas introduire de réflexions parasites de nature à perturber le fonctionnement du composant. De préférence pour l'une des températures comprises dans la gamme de fonctionnement du module, par exemple entre 25 et 85OC, la valeur de l'indice optique du milieu sera égal à celui de la fibre. L'égalité sera de préférence prévue pour la température prévue de fonctionnement du module ou encore pour la température se situant au milieu de la gamme de température de fonctionnement prévue. Brève description des dessins. Des exemples de réalisation de l'invention seront maintenant commentés en liaison avec les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'une partie d'un module optique comportant un milieu intermédiaire selon l'invention, le milieu étant sous forme d'un bloc distinct. - la figure 2 représente une vue schématique en coupe d'une partie d'un module optique comportant un milieu intermédiaire selon l'invention, le milieu étant sous la forme d'une capsule englobant le composant et une extrémité de la fibre. - la figure 3 représente une vue schématique en coupe d'une partie d'un module optique comportant un milieu intermédiaire selon le mode préféré de réalisation de l'invention, le milieu étant sous la forme d'une capsule englobant le composant et une extrémité de la fibre, les moyens de couplage entre le laser et la fibre comportant outre le milieu, deux lentilles intermédiaires. Description de modes de réalisation. La figure 1 représente une vue schématique d'une coupe d'une partie d'un module 1. De façon connue, un composant optoélectronique 9, par exemple, une diode laser est montée sur une embase 8 pour être en communication avec une fibre laser 5. Selon l'invention, un bloc 4 d'un matériau ayant un indice de réfraction variable de façon monotone avec l'augmentation de température est inséré sur le chemin optique 7 en série avec une lentille 3 si une telle lentille se trouve sur le chemin optique. Dans les exemples qui vont être décrits on suppose que le rendement externe du laser décroît avec la température, ce qui est le cas le plus courant. Dans ces conditions le couplage le plus fort entre la fibre 5 et le composant 9 est prévu pour être celui correspondant à la plus haute température de fonctionnement prévue. Ce couplage maximum pourra être obtenu avec un milieu dont l'indice décroît avec l'élévation de température. Le couplage entre une extrémité 6 de la fibre optique et une face 11 de la diode laser 9 est effectué, dans l'exemple représenté, par l'intermédiaire de la lentille 3. La lentille 3 est positionnée au fond d'un creux 2. Le chemin optique 7 entre la face 11 du composant 9 et l'extrémité 6 de la fibre 5 est représenté par deux ensembles de traits en pointillés. Selon un premier ensemble, toute la lumière émise par la diode laser 9 est introduite dans la fibre 5. Cette configuration du chemin optique correspond à une température pour laquelle le couplage entre la fibre 5 et le composant 9 est maximum, c'est à dire pour la plus haute des températures de fonctionnement du module 1. Selon un second ensemble de pointillés représentant schématiquement le chemin optique 7, une partie seulement de la lumière émise par la diode laser 9 est introduite dans la fibre 5. Cette configuration du chemin optique 7 correspond à une température pour laquelle le couplage entre la fibre 5 et le composant 9 est diminué, par exemple pour une températures de fonctionnement du module 1 se trouvant à l'intérieur de la gamme de température de fonctionnement prévue mais à une température inférieure à la température de fonctionnement la plus haute. La lentille 3 dans l'exemple ici commenté avait un diamètre de 500 Mm et un indice de réfraction d'une valeur de 1,8. Comme expliqué plus haut, les positions relatives du laser 9, des éléments intermédiaires de couplage comme la lentille 3 et le bloc 4, et de l'extrémité 6 de la fibre 5, sont déterminées de telle sorte que lorsque la température croit et qu'en conséquence le rendement externe du laser décroît, la variation de l'indice optique du milieu 4, engendre une variation du chemin optique entre le composant 9 et la fibre 5 conduisant à une amélioration du couplage compensant la perte de rendement. La compensation de la diminution de la puissance émise par le laser est obtenue pour un même courant de polarisation. On compense ainsi de façon passive les pertes de puissance de l'émission laser dues à l'élévation de température de fonctionnement. Les possibilités actuelles de variation des indices optiques avec la température vont de 10-4 à quelques 10-4 par degré. Il s'ensuit qu'une variation compensatoire du chemin optique ne pourra être obtenue que si la distance entre le composant et la fibre est supérieure à 2 mm environ. Si des matériaux nouveaux avaient des variations d'indice par degré plus fortes, alors il serait possible de réduire la distance entre le composant et la fibre. La figure 2 représente une première variante du mode de réalisation préféré de l'invention. Sur cette figure, les éléments déjà décrits en relation avec la figure 1 ne seront pas décrits à nouveau. Dans la réalisation telle que représentée figure 2, le milieu intermédiaire représenté figure 1, sous forme d'un bloc distinct 4 est déposé sur l'embase 8 sous forme d'une capsule 10 d'un matériau dont l'indice optique est une fonction monotone croissante ou décroissante de la température. Par rapport à la solution décrite figure 1, cette solution présente les avantages suivants. Tout d'abord la lumière émise par le laser est directement émise dans le matériau constituant la capsule 10, en sorte qu'on n'a pas de réflexion risquant de parasiter le fonctionnement de la diode laser 9. Pour bénéficier complètement de ce manque de réflexion il est préférable que l'indice optique du milieu composant la capsule 10 soit le même ou soit très voisin de celui de la fibre optique 5. Un autre avantage est que la capsule est facile à déposer. On notera que d'un point de vue optique il suffit que la capsule couvre entièrement le chemin optique 7 entre la face 11 du composant optique 9 et l'extrémité 6 de la fibre 5. Il est aussi possible, comme représenté figure 2 d'encapsuler complètement le composant 9 et l'extrémité 6 de la fibre 5. Dans l'exemple réalisé, les températures de fonctionnement du module 1 s'échelonnaient entre 25 Oc et 85 C soit une différence de température de 60OC. En choisissant, pour le milieu intermédiaire 10 un matériau dont la variation d'indice de réfraction est supérieure à 10-4 et de préférence comprise entre 2 et 4. 10-4/oC, on obtient sur cette gamme de températures une variation d'indice de 1,2 à 2,4. 10-2. Avec cette variation d'indice de réfraction il est possible d'accroître l'efficacité du couplage d'environ 3 dB quand la température s'élève de 25 à 850. On notera que cet accroissement de la transmission correspond à la décroissance de la puissance émise par la diode laser, pour cette même élévation de température. Selon une seconde variante 1'du mode de réalisation préféré de l'invention représentée figure 3, le composant 9 et l'extrémité 5 de la fibre 6 sont comme dans le cas représenté en liaison avec la figure 2 encapsulés dans une capsule 10 d'un matériau d'indice optique variable de façon monotone avec la température. Dans cette variante de réalisation une lentille supplémentaire 3'est ajoutée dans un creux 2'sur le chemin optique 7 entre le composant 9 et l'extrémité 6 de la fibre 5. Cette variante permet une plus grande facilité du réglage de la variation du chemin optique pour obtenir la compensation de la variation de rendement externe du laser sur toute la gamme de température de fonctionnement. De façon optionnelle on peut comme représenté figure 3 ajouter entre les lentilles 3 et 3'un isolateur 12 isolant le composant 9 de retour de lumière en provenance de la fibre 5, risquant de perturber le fonctionnement de la diode laser 9. Sur la figure 3 les éléments ayant même référence que des éléments ayant déjà été commentés ne sont pas commentés à nouveau. REVENDICATIONS 1. Module (11') optique (9) ou optoélectronique (1) comportant un composant optique ou optoélectronique (9) couplé par des moyens de couplage (3 3'12) à un guide d'onde (5) optique, au travers d'un chemin optique (7) joignant le composant (9) et le guide d'onde (5) optique caractérisé en ce que les moyens de couplage entre le composant et le guide d'onde (5) optique comportent un milieu intermédiaire (4,10) transparent à l'onde optique dont l'indice de réfraction varie avec la température. 2. Module (1, 1') optique ou optoélectronique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la variation du couplage entre la fibre (5) et le composant (9) induite par la variation de l'indice optique du milieu intermédiaire (4,10) produit un couplage maximum entre la fibre (5) et le composant lorsque la température de fonctionnement du module (1, 1') est l'une des températures extrêmes d'une gamme de température de fonctionnement prévue pour le module (1, 1'). 3. Module (1, 1') optique ou optoélectronique selon la revendication 2 caractérisé en ce que si le rendement externe du composant (9) diminue avec la température, et si l'indice de réfraction du milieu intermédiaire (4,10) est une fonction décroissante de la température, le couplage maximum entre la fibre (5) et le composant optique (9) est réglé pour la plus haute température de fonctionnement d'une gamme de température de fonctionnement prévue pour le module (1, l'). 4. Module (1, 1') optique ou optoélectronique selon la revendication 2 caractérisé en ce que si le rendement externe du composant (9) diminue avec la température, et si l'indice de réfraction du milieu intermédiaire (4,10) est une fonction croissante de la température, le couplage maximum entre la fibre (5) et le composant optique (9) est réglé pour la plus basse température de fonctionnement d'une gamme de température de fonctionnement prévue pour le module (1, 1'). 5. Module (1, 1') optique ou optoélectronique selon la revendication 2 caractérisé en ce que si le rendement externe du composant (9) augmente avec la température, et si l'indice de réfraction du milieu intermédiaire (4,10) est une fonction décroissante de la température, le couplage maximum entre la fibre (5) et le composant optique (9) est réglé pour la plus basse température de fonctionnement d'une gamme de température de fonctionnement prévue pour le module (1, 1'). 6. Module (1, 1') optique ou optoélectronique selon la revendication 2 caractérisé en ce que si le rendement externe du composant (9) augmente avec la température, et si l'indice de réfraction du milieu intermédiaire (4,10) est une fonction croissante de la température, le couplage maximum entre la fibre (5) et le composant optique (9) est réglé pour la plus haute température de fonctionnement d'une gamme de température de fonctionnement prévue pour le module (1, 1'). 7. Module (1, 1') optique ou optoélectronique (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que le milieu intermédiaire (4, 10) est un polymère. 8. Module (1, 1') optique ou optoélectronique selon la revendication 7 caractérisé en ce que la variation de l'indice de réfraction du milieu intermédiaire (4,10) est supérieure à 10-4 pour chaque élévation de température de un degré. 9. Module (1, 1') optique ou optoélectronique selon la revendication 8 caractérisé en ce que la variation de l'indice de réfraction du milieu intermédiaire (4,10) est comprise entre 2 et 4. 10-4 pour chaque élévation de température de un degré. 10. Module (1, 1') optique ou optoélectronique selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que le milieu intermédiaire (10) se présente sous forme d'une capsule (10) englobant une extrémité (6) de la fibre (5), au moins une face (11) du composant optique (9) en regard de la fibre (5) et d'éventuels éléments (3, 3'12) tels que des lentilles (3, 3') se trouvant sur le chemin optique (7) entre le composant (9) et la fibre (5). 11. Module (1, 1') optique ou optoélectronique selon la revendication 10 caractérisé en ce que deux lentilles (3, 3') sont insérées sur le chemin optique (7) entre le composant (9) et l'extrémité (6) de la fibre. 12. Module (1, 1') optique ou optoélectronique selon la revendication 11 caractérisé en ce que un isolateur (12) est en outre inséré sur le chemin optique (7) entre les deux lentilles (3, 3'). 13. Module (1, 1') optique ou optoélectronique selon l'une des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que la distance entre le composant (9) et l'extrémité (6) de la fibre (5) est supérieure à 2 mm. 14. Module (1, 1') optique ou optoélectronique selon l'une des revendications 1 à 13 caractérisé en ce que pour une température comprise dans la gamme de température de fonctionnement du module (1, 1'), une valeur de l'indice optique du milieu (4,10) interposé sur le chemin optique (7) entre le composant (9) et la fibre (5) est égale à l'indice optique de la fibre (5).