Brevet FR2840119A1 — publié le 20031128

mplEmentai calls de ladito otmitd (3). - 284011 9 DISPOSITIF LASER AUTO-PULSANT A REFLECTEUR DE BRAGG DISTRIBUE A PAS VARIABLE L'invention concerne le domaine des dispositifs optiques, et plus particulierement celui des structures laser cites >, plus connues sous ['expression anglaise a self-pulsating lasers >>. Les structures laser auto-pulsantes ont ete con,cues, notamment, dans le but de recuperer le rythme (ou l'horloge) d'un signal, a falble cout et a tres haute frequence, t,vpiquement plusieurs dizaines de gigahertz (GHz). Certaines de ces structures optiques vent de plus accordables en frequence, ce qui favorise leur utilisation dans de nombreuses applications, notamment dans le domaine des telecommunications optiques. Parmi ces structures, on peut citer les dispositifs laser DFB (pour >) auto-pulsants, comprenant deux sections actives couplees a une section de controle de phase. Chaque section active de ce type de dispositif laser comporte un reseau de Bragg. Les deux reseaux de Bragg de ce type de dispositif ont deux pas differents, de sorte que le laser oscille simultanement sur deux longueurs d'onde. o Ces structures permettent certes d'atteindre des frequences de ltordre de 40 GHz, mais leur conception et leur fabrication vent tres complexes, ce qui a comme consequences un rendement assez faible et un cout potentiellement fort. Le mot > designe ici le rapport entre le nombre de composants fonctionnant sur le mode auto-pulsant et le nombre total de composants sur une plaque de semi-conducteur. De plus, les conditions d'utilisation de ces structures vent delicates, ce qui reduit encore plus le nombre de leurs utilisations potentielles. II existe egalement des dispositifs laser DBR (pour >) auto-pulsants, comprenant une premiere section active o definissant un guide d'onde actif et une deuxieme section definissant un guide d'onde passif a reflecteur de Bragg distribue (ou DBR). Ces dispositifs vent certes plus faciles a concevoir et a realiser que les dispositifs laser DFB, mais l 284011 9 en l'etat ils ne permettent pas d'accorder la frequence d'auto-pulsation. Un clivage tres precis des puces laser est done obligatoire lorsque l'on veut obtenir une frequence d'auto-pulsation choisie pour un systeme de transmission. L'invention a done pour but de remedier a tout ou partie des inconvenients precites. Wile propose a cet effet un dispositif laser comprenant une premiere section definissant un guide d'onde actif et une deuxieme section definissant un guide d'onde passif a reflecteur de Bragg distribue (ou DBR) et destinee a o etre couplee a la premiere section, les sections etant par ailleurs pilotees par une commande electrique. Ce dispositif se caracterise par le fait que son reflecteur de Bragg constitue un reseau dont le pas varie avec la distance qui le separe de la premiere section. On entend ici par >, ce que l'homme de l'art designe en anglais par ['expression >. En raison des differents effets inter-bandes ou intra-bande, le battement de differents modes longitudinaux de la cavite cree une variation du gain et de l'indice dans la section active du laser. De ce fait, I'emission laser est modulee en amplitude et en phase. Cette modulation d'amplitude et de o phase permet une synchronisation des differents modes du laser, qui induit la generation d'impulsions lumineuses a une frequence correspondent a la difference de frequences optiques de deux modes longitudinaux voisins du laser. Un reseau de Bragg a pas variable permet d'augmenter notablement la plage d'accordabilite en frequence (au moins 3 GHz), comparee a celle offerte z par un dispositif laser DBR classique. Preferentiellement, le pas cro^'t avec la distance qui le separe de la premiere section, mais il peut egalement decroftre avec cette distance. Dans un mode de realisation preferential, le pas du reseau varie suivant un axe longitudinal du laser. Par definition, on considere que la o structure du dispositif laser s'etend selon trots directions perpendiculaires entre-elles, une direction cite > (Z), definissant l'axe longitudinal du laser (et par consequent sa longueur), une direction cite > (X), definissant la largeur du laser, et une direction cite 284011 9 > (Y), definissant la direction d'empilement des > et ltepaisseur du guide d'onde. La variation du pas peut etre obtenue par tout moyen connu de l'homme de ['art. II existe cependant deux modes de realisation preferentiels. Dans un premier mode, la variation du pas est realisee sous la forme d'une variation de la dimension de la couche guidante de la deuxieme section passive, suivant l'axe lateral (largeur) eVou suivant l'axe vertical (epaisseur). Dans un second mode, la variation du pas peut etre obtenue par un procede d'ecriture par faisceau d'electrons (ou a e-beam lithography>>) ou par un procede d'holographie optique. Le dispositif peut etre decline sous de nombreuses formes. Par exemple, sa deuxieme section peut etre constituee d'une fibre optique, de preference de type monomode et/ou >. II peut egalement comporter une premiere section dans laquelle est definie, a cote de la region active, une region definissant un absorbeur saturable dont la tension de commande est inversee par rapport a celle de ladite region active. Cela permet en effet de jouer sur la forme des impulsions lumineuses. Par ailleurs, on peut egalement prevoir une troisieme section, intercalee entre les premiere et seconde sections et definissant une region de controle de phase. o Cela permet en effet d'ameliorer notablement la precision de l'ajustement de la frequence (typiquement inferieure a 0,5 GHz). Egalement de preference, les materiaux constituents les differentes sections du dispositif vent des semiconducteurs, et plus preferentiellement de type III-V, comme par exemple l'lnP, I'lnGaAsP ou l'AIGaAs, tandis que la fibre est de preference en silice dopee germanium (Ge). Le dispositif selon ['invention est tout particulierement adapte, bien que de facon non exclusive, aux installations de telecommunications, et notamment a la recuperation d'une horloge de signal ou la conversion d'un signal micro-once en un signal optique. so D'autres caracteristiques et avantages de ['invention appara^'tront a l'examen de la description detaillee ci-apres, et des dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 est une vue de cote schematique, suivant la direction verticale 284011 9 d'empilement des couches (Y), d'un premier mode de realisation d'un dispositif laser DBR selon ['invention, - la figure 2 est une variante du dispositif illustre sur la figure 1, - la figure 3 est une vue de cOte schematique, suivant la direction verticale d'empilement des couches (Y), d'un deuxieme mode de realisation d'un dispositif laser DBR selon ['invention, - la figure 4 est une vue de cote schematique, suivant la direction verticale d 'em pilement des couches (Y), d 'u n troisieme mode de real isation d' un dispositif laser DBR selon ['invention, - la figure 5 est une vue en perspective d'un dispositif laser DBR selon ['invention, dans une variante de realisation du reseau de Bragg a pas variable. Les dimensions des differents elements constituent les dispositifs laser DBR illustres sur les figures ne vent pas representatives de leurs s dimensions reelles respectives. Le repere (X,Y,Z) illustre sur les figures 1 et 4 definit les directions perpendiculaires suivant lesquelles s'etend le dispositif laser DBR de ['invention. L'axe Z definit la direction longitudinale du laser ou en d'autres termes sa longueur. L'axe X definit la direction laterale du laser ou en d'autres o termes sa largeur. Et l'axe Y definit la direction verticale d'empilement des couches (par convention, on appelle > du laser le teas des figures 1 a 5, et a partie superieure >> du laser le haut des figures 1 a 5). On se refere tout d'abord a la figure 1 pour decrire un premier exemple de realisation d'un dispositif laser DBR selon ['invention. Le dispositif comprend tout d'abord une premiere section 1 definissant un guide d'onde actif classiquement constitue d'une couche active 2 enterree dans un materiau de confinement 3, 4 et dans laquelle vent produits les photons. Par ailleurs, la premiere section 1 comporte, au dessus de la partie superieure 4 du materiau de confinement, une couche conductrice o 5 permettant son raccordement electrique a une premiere borne d'une source d'alimentation en courant ou en tension (non representee). La face arriere de la premiere section 1 (cote gauche de la figure1) est soit clivee, soit revetue 284011 9 d'une couche dielectrique permettant d'obtenir un coefficient de reflexion approprie. Le dispositif comprend egalement une deuxieme section 6 definissant un guide d'onde passif a reflecteur de Bragg distribue (ou DBR) constitue d'une couche de guidage 7 enterree dans un materiau de confinement 8, 9 dans lequel est realise le reflecteur de Bragg distribue 10. Par ailleurs, la deuxieme section 6 comporte, au dessus de la partie superieure 8 du materiau de confinement, une couche conductrice 11 permettant son raccordement electrique a une premiere borne de la source d'alimentation en o courant ou en tension. La face avant de la deuxieme section 6 (cote droit de la figure1) re,coit de preference un traitement anti-reflet assurant un coefficient de reflexion inferieur a 10-3, de maniere a eviter la reflexion de cette face vers le laser. Generalement, les premiere 1 et deuxieme sections vent placees I'une contre l'autre sur un substrat (non represente), de maniere a ce que leurs couche active 2 et couche de guidage 7 solent dans le prolongement l'une de l'autre, suivant l'axe Z. Par ailleurs, on prevoit generalement en dessous du substrat une couche conductrice permettant son raccordement electrique a la seconde borne de la source d'alimentation en courant ou en tension. Le substrat est par exemple realise dans un materiau semiconducteur III-V, tel que l'lnP ou le GaAs. Dans ce cas, les couches de confinement 3, 4, 8 et 9, et les couches actives 2 et de guidage 7 vent realisees par une technique de croissance a partir de ces materiaux. Wiles vent par exemple en InP, InGaAsP ou AlGaAs. Selon ['invention, le reflecteur de Bragg forme dans la deuxieme section 6 est constitue d'un reseau de Bragg 10 dont le pas varie avec la distance, suivant l'axe Z. qui le separe de la premiere section 1 (ou section active). Un tel reseau de Bragg a pas variable est plus connu sous son o appellation anglaise a chirped Bragg grating >>. Dans l'exemple illustre sur la figure 1, le reseau 10 est materialise dans la partie superieure 8 du materiau de confinement. En realite, il est plus precisement forme d'une couche appelee a reseau >>, dans laquelle se 284011 9 trouvent en alternance deux types de materiaux. Ces deux types de materiaux ont deux valeurs differentes d'indice de refraction. L'epaisseur de ceffe couche reseau et sa distance par rapport a la couche guidante determinant conjointement le coefficient de couplage du reseau. Cette couche reseau peut etre placee en-dessous ou au-dessus de la couche de guidage 7. Pour un coefficient de couplage de reseau donne, le choix de la longueur de la section comprenant le reseau de Bragg 10 doit permettre d'avoir une bande passante suffisante pour autoriser l'effet laser sur plusieurs modes longitudinaux. En raison des differents effets inter-bandes ou intra bande, le battement de differents modes longitudinaux de la cavite cree une variation du gain et de l'indice dans la section active du laser. De ce fait, I'emission laser est modulee en amplitude et en phase. Cette modulation d'amplitude et de phase permet une synchronisation des differents modes du laser, qui induit la generation d'impulsions lumineuses a une frequence correspondent a la difference de frequences optiques de deux modes longitudinaux voisins du laser. Ce mecanisme est bgalement appele > passif (ou > en anglais). L'obtention du blocage de mode (ou mode-locking) est dit passif dans la mesure ou il ne requiert que des sources de courant continu ou des sources zo de tension continue, via les couches conductrices prevues de part et d'autre des sections 1 et 6. Le pas variable du reseau de Bragg permet d'augmenter notablement la plage d'accordabilite en frequence (au moins 3 GHz), comparee a celle offerte par un dispositif laser DBR classique dans lequel le pas du reseau de Bragg est constant. Le reseau de Bragg 10 peut etre obtenu a ['aide de toute technique connue de l'homme de ['art, des lors qu'elle permet de lui conferer un pas variable. II pourra s'agir, notamment, d'une technique d'ecriture par faisceau d 'electrons ( >) ou pa r un procede d 'holog rap h ie optique. so Ces deux procedes permettent de definir la forme du reseau (son pas et la variation du pas) sur une resine deposee sur une plaque de semiconducteurs. Puis, par des techniques de revelation et de gravure, la forme du reseau est ensuite transferee sur une couche reseau qui se trouve placee audessus ou 284011 9 en-dessous de la couche guidante de la deuxieme section. Dans une variante de realisation, on peut egalement graver un reseau a pas constant, et utiliser ensuite une technique pour faire varier le pas. On peut par exemple utiliser une technique de croissance permettant de faire varier l'epaisseur (suivant l'axe Y) de la couche guidante passive, ou une technique de gravure permettant de faire varier la largeur (suivant l'axe X) de la couche guidante passive. On pourrait egalement combiner deux des techniques precitees pour realiser un reseau de Bragg 10 a pas variable. Dans une autre variante de realisation, illustree sur la figure 5, on peut realiser un reseau de Bragg lateral a pas variable 10 en gravant l'un au moins des deux cotes places de part et d'autre d'un ruban 20 forme dans une structure cite de guidage superficial (ou non enterree). La variation du pas du reseau est ici obtenue a ['aide de l'une des methodes decrites ci-avant. La reference 21 materialise la position du mode optique, centre au niveau de la s couche de guidage 7, au-dessous du ruban 20. Comme cela est illustre sur la figure 2, le dispositif selon ['invention peut egalement comporter, intercalee entre les premiere 1 et deuxieme 6 sections, une troisieme section 12 definissant une region de controle de phase constituee d'une couche passive de guidage 13 enterree dans un materiau de confinement 14, 15. Par ailleurs, la troisieme section 12 comporte, au dessus de la partie superieure 14 du materiau de confinement, une couche conductrice 16 permettant son raccordement electrique a une premiere borne de la source d'alimentation en courant ou en tension. Une variation du courant d'injection dans cette troisieme section 12 permet de changer l'indice de refraction du materiau de la couche guidante 13, et done de faire varier la frequence d'auto-pulsation. Cette troisieme section 12 (de controle de phase) permet d'ameliorer sensiblement la precision de l'ajustement de la frequence. On peut ainsi obtenir une precision inferieure a 0,5 GHz. Comme les deux autres sections 1 et 6, cette troisieme section 12 est electriquement commandee par les sources de courant continu ou les sources de tension continue, via les couches conductrices prevues au- dessus et au-dessous de sa structure. 284011 9 On se refere maintenant a la figure 3 pour decrire un deuxieme exemple de realisation d'un dispositif laser DBR selon ['invention. Ce mode de realisation part d'une structure du type de celle illustree sur la figure 1, mais avec une premiere section subdivisee en deux regions, une premiere region 1 (la plus a droite) definissant le guide d'onde actif et une seconde region 17 (la plus a gauche) definissant un absorbeur saturable. Cette seconde region 17 presente une constitution identique a celle de la premiere region 1, du fait qutelle n'en constitue que le prolongement. Plus precisement, la seconde region 17 se differencie de la premiere region 1 du fait qu'elle est polarisee en inverse par rapport a celle-ci, via, notamment, sa couche conductrice 18. C'est en effet cette polarisation inverse qui assure la saturation d'absorption. La deuxieme region 6 est identique a celle decrite precedemment, en reference a la figure 1. Par ailleurs, comme dans la variante illustree sur la figure 2, on peut egalement prevoir, intercalee entre les premiere et seconde sections, une troisieme region 12 de controle de phase pour ameliorer la precision de l'ajustement de la frequence choisie. Lorsque le guide d'onde actif 1 est excite (polarise), il produit des o photons qui vent absorbes par la region d'absorption saturable 17, du fait de sa polarisation inverse. Cela se traduit par une generation de porteurs de charge dans la seconde region 17, laquelle induit progressivement une reduction de son pouvoir d'absorption, jusqu'a saturation. Cette diminution des pertes dans la seconde region 17 va favoriser l'effet d'emission stimulee s produite dans la premiere region 1. II existe done un cycle de reaction entre ['emission stimulee dans la premiere region 1 et ['absorption dans la seconde region 17. Le battement de modes decrit precedemment va done egalement produire une modulation d'absorption dans cette section active, favorisant ainsi le taux d'extinction du signal autopulsant. Le taux d'extinction est ici so defini comme le rapport entre la puissance maximale et la puissance . mnmale. Cette region d'absorption saturable 17 permet de mieux definir la forme des impulsions lumineuses, ou en d'autres termes d'obtenir des taux 284011 9 d'extinction plus eleves. En ['absence d'absorbeur saturable 17, les signaux lumineux delivres par le dispositif vent generalement de type sinusoTdal, tandis qu'en presence de l'absorbeur saturable 17, ils presentent une forme impulsionnelle. On se refere maintenant a la figure 4 pour decrire un troisieme exemple de realisation d'un dispositif laser DBR selon ['invention. Le dispositif comporte une premiere section active 1 (ou 1 et 17) identique a l'une ou l'autre de celles decrites en reference aux figures 1 et 3. Par consequent, ce qui le differencie des exemples precedemment decrits o c'est sa deuxieme section passive. Ici, la deuxieme section de guidage passif est une fibre optique 19. Cette fibre optique 19 est une fibre standard definissant un guide d'onde actif, sans dopage de terre rare, par exemple du type de celles en silice dopee germanium couramment utilisees dans le domaine des s telecommunications optiques, mais de preference de type monomode eVou a maintien de polarisation. Une fibre a maintien de polarisation est preferable du fait qutelle permet un meilleur couplage entre la section active 1 et le reseau de Bragg de la fibre. Le reseau de Bragg 10 a pas variable est forme dans la fibre optique zo 19, par exemple par une technique de photo-inscription consistent a insoler avec un masque definissant le pas et sa variation. Cette technique de photo- inscription de reseau Bragg est rendue possible par le fait qu'une fibre en silice dopee germanium est photosensible. Par ailleurs, comme dans la variante illustree sur la figure 2, on peut egalement prevoir entre les premiere s 1 et seconde 19 sections une troisieme section 12 de controle de phase pour ameliorer la precision de l'ajustement de la frequence choisie. Ce mode de realisation a fibre optique de guidage passif perrnet d'abaisser les costs de fabrication. Grace a ['invention, il est desormais possible de realiser des o dispositifs a tout optique >> permettant, notamment, de recuperer des horloges optiques, dont la conception est plus simple que celle des dispositifs laser DFB auto-pulsants et presentant des frequences a 40 GHz, a 80 GHz, voire meme a 160 GHz, avec des taux d'extinction accrue et des plages 284011 9 d'accordabilite en frequence plus etendues. L'invention peut etre egalement utilisee pour la > d'un signal micro-once en un signal optique. Dans cette application, une des sections du laser est modulee electriquement a une frequence proche de celle du laser auto-pulsant en regime libre. De par cette modulation, le laser auto-pulsant peut alors se synchroniser sur le signal modulant. Pour tous les modes de realisation decrits ci-avant, la variation du pas du reseau est de preference sensiblement continue. Wile peut etre lineaire, quadratique ou d'une autre forme sensiblement continue. De preference, le o pas cro^'t avec la distance qui le separe de la premiere section active 1. Mais, ce pas peut bgalement decro^'tre avec cette distance. Du fait de la simplicite et du falble cout du dispositif tout optique selon ['invention par rapport aux dispositifs opto-electroniques qui font intervenir des composants optiques et micro-ondes a tres haut debit, on peut s desormais envisager d'implanter un dispositif selon ['invention dans des applications de transmission et de routage optique a module de regeneration de type 3R (Reamplification, Remise en forrne et Resynchronisation). L'invention ne se limite pas aux modes de realisation decrits ci-avant, seulement a titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra o envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-apres. 284011 9 REVENDICATIONS 1. Dispositif laser comprenant une premiere section (1) definissant un guide d'onde actif et une deuxieme section (6;19) definissant un guide d'onde passif a reflecteur de Bragg distribue et propre a etre couplee a ladite premiere section, lesdites sections etant pilotees par une commande electrique, caracterise en ce que led it reflecteu r de Bragg co nstitue u n reseau (10) dont le pas varie avec la distance qui le separe de ladite premiere section (1). 2. Dispositif laser selon la revendication 1, caracterise en ce que ledit pas varie suivant un axe longitudinal (Z) du laser. 3. Dispositif laser selon la revendication 2, caracterise en ce que la variation audit pas est obtenue par une variation de la dimension du guide d'onde passif (7) suivant un axe lateral (X), perpendiculaire a l'axe longitudinal 1 5 (Z) 4. Dispositif laser selon l'une des revendications 2 et 3, caracterise en ce que la variation audit pas est obtenue par une variation de la dimension du guide d'onde passif (7) suivant un axe vertical (Y), perpendiculaire a l'axe longitudinal (Z). o 5. Dispositif laser selon l'une des revendications 1 et 2, caracterise en ce que la variation audit pas est obtenue par un procede choisi dans un groupe comprenant l'ecriture par faisceau d'electrons et l' holograph ie optiq ue. 6. Dispositif laser selon l'une des revendications 1 a 5, caracterise en ce que la variation audit pas est sensiblement continue. z 7. Dispositif laser selon la revendication 6, caracterise en ce que le type de la variation du pas est choisi dans un groupe comprenant au moins les types lineaire et quadratique. 8. Dispositif laser selon l'une des revendications 1 a 7, caracterise en ce que ledit pas crot avec la distance separant ladite premiere section (1) o audit reseau (10). 9. Dispositif laser selon l'une des revendications 1 a 7, caracterise en ce que ledit pas decro^t avec la distance separant ladite premiere section (1) 284011 9 audit reseau (10). 10. Dispositif laser selon l'une des revendications 1 a 9, caracterise en ce que ladite premiere section (1) comporte une region (17) definissant un absorbeur saturable a polarisation inverse. 511. Dispositif laser selon l'une des revendications 1 a 10, caracterise en ce qutil comprend une troisieme section (12) propre a etre intercalee entre les premiere (1) et seconde (6;19) sections et definissant une region de controle de phase. 12. Dispositif laser selon l'une des revendications 1 a 11, caracterise en ce que les materiaux constituents lesdites sections vent des semiconducteurs. 13. Dispositif laser selon la revendication 12, caracterise en ce que les semiconducteurs vent de type III-V. 14. Dispositif laser selon la revendication 13, caracterise en ce que les semiconducteurs III-V vent choisis parmi l'lnP, I'lnGaAsP et l'AIGaAs. 1515. Dispositif laser selon l'une des revendications 1 a 11, caracterise en ce que ladite deuxieme section est une fibre optique (19). 16. Dispositif laser selon la revendication 15, caracterise en ce que ladite fibre optique (19) est de type monomode. 17. Dispositif laser selon l'une des revendications 15 et 16, caracterise oen ce que ladite fibre optique (19) est cite a a maintien de polarisation >>. 18. Dispositif laser selon l'une des revendications 15 a 17, caracterise en ce que ladite fibre optique (19) est realisee en silice dopee germanium (Ge). 19. Dispositif laser selon l'une des revendications 15 a 18, caracterise en ce que ledit reflecteur de Bragg est photo-inscrit dans ladite fibre optique (19). 20. Dispositif laser selon l'une des revendications 1 a 19, caracterise en ce qu'il est agence de maniere a definir un generateur d'impulsions lumineuses periodiques. o21. Utllisation du dispositif laser, selon l'une des revendications precedentes, dans le domaine des telecommunications. 22. Utilisation selon la revendication 21, pour la conversion d'un signal A 284011 9 micro-once en un signal optique. 23. Utilisation selon la revendication 21, pour la recuperation d'une