Brevet FR2887082A1 — publié le 20061215

LASER A SEMI-CONDUCTEUR A TRES FAIBLE BRUIT Le domaine de l'invention est celui des lasers à grande dynamique, utilisés notamment dans les systèmes de télécommunications avec des signaux numériques, dans les systèmes radars avec des signaux analogiques, etc. L'augmentation de la dynamique d'un laser est obtenue par l'augmentation de sa puissance et/ou par la réduction de son bruit d'intensité intrinsèque. On considère dans la suite les lasers à très faible bruit. Ces lasers sont également utilisés dans de nouvelles applications telles que la manipulation optique des atomes, la spectroscopie atomique et moléculaire, les mémoires quantiques, la cryptographie quantique, les grands interféromètres, la détection d'ondes gravitationnelles, etc. La technique la plus répandue pour réaliser un laser à très faible 15 bruit consiste à disposer en sortie du laser un dispositif électro-optique mangeur de bruit ( noise eater en anglais). On peut également utiliser des lasers solides pompés longitudinalement tels que les lasers Nd:YAG ou Er:Yb/Verre. Dans ces deux cas, la réduction du bruit d'intensité du laser est 20 obtenue sur des plages spectrales réduites, typiquement 1 MHz en raison de l'utilisation d'une boucle d'asservissement électrique. Un but important de l'invention est donc de réaliser un laser à très faible bruit sur des bandes spectrales supérieures à 20 GHz. Pour atteindre ce but, l'invention propose un laser comportant un milieu actif à semi-conducteur avec une durée de vie d'inversion de population zc, et une cavité résonante avec une durée de vie des photons dans la cavité rp, principalement caractérisé en ce que la cavité comprend des moyens pour être monomode longitudinalement et des moyens pour que Tp> rc. Un tel laser présente alors un spectre de bruit quasi-blanc, sur une bande de fréquence potentiellement infinie, condition idéale pour le transport de signaux analogiques large bande par exemple. De préférence, la cavité étant apte à produire plusieurs modes, les moyens pour obtenir une cavité monomode comprennent des moyens de filtrage de ces modes. Selon une caractéristique de l'invention, le semi-conducteur 5 présentant une longueur I, la cavité est externe et présente une longueur L>100 I en vue d' obtenir z, > 'ro. Les moyens de filtrage de ces modes comportent par exemple un réseau de Bragg et/ou un interféromètre Fabry-Pérot; la cavité comprend éventuellement un isolateur et/ou une fibre optique. Selon une autre caractéristique de l'invention, lorsque la cavité externe comprend des moyens de filtrage et au moins un miroir externe au semiconducteur, les moyens de filtrage comportent ce miroir externe et ce miroir est photoréfractif. Selon une autre caractéristique de l'invention, la cavité externe comprend un miroir externe de sortie, et celui-ci est un miroir concave ou un miroir plan associé à une lentille de collimation ou comprend au moins un cristal photo-réfractif. Selon un mode de réalisation, la cavité comprend des miroirs présentant un coefficient de réflexion R>80%. Le laser peut être monolithique et présenter deux faces ayant un coefficient de réflexion R>80%. Selon une caractéristique de l'invention, le semi-conducteur est un demiVCSEL ou un semi-conducteur à îlots quantiques ou un semi-conducteur à cascade quantique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le semi-conducteur est un semi-conducteur à cascade quantique, la cavité est externe et comprend un guide d'onde externe au semi-conducteur. Le laser peut comporter en outre un dispositif d'asservissement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement un exemple de laser selon l'invention dont la cavité externe est en anneau, la figure 2 représente schématiquement des courbes de transmission T du signal en fonction de la longueur d'onde en présence d'un filtrage spectral obtenu par l'insertion d'un réseau de Bragg et d'un interféromètre Fabry-Perot dans la cavité, les figures 3 représentent schématiquement différents exemples de lasers à cavité linéaire selon l'invention: avec une cavité externe avec miroir concave (3a), avec miroir plan et lentille de collimation (3b), avec cristal photo-réfractif et lentille de collimation (3c), avec miroir et guide d'onde (3d), et un laser monolithique sans cavité externe (3e). D'une figure à l'autre les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. On va tout d'abord analyser l'origine du bruit intrinsèque d'un laser. La plupart des lasers utilisés aujourd'hui, tels que les lasers à semiconducteurs standard, les lasers solides à verres ou cristaux dopés, les lasers à fibres dopées, etc, sont des lasers dits de classe B . La caractéristique principale d'un laser de classe B est que la durée de vie des photons zp dans la cavité laser est plus courte que la durée de vie d'inversion de population z. A titre d'exemple, dans un laser à semiconducteur, z est de l'ordre de la ns alors que zp est d'une dizaine de ps. Dans un laser à cristaux ou verres dopés la durée de vie d'inversion de population zc est encore plus longue, typiquement 100ps à 10 ms. La durée de vie des photons étant inférieure à celle de l'inversion de population, ces lasers présentent des oscillations de relaxation à la fréquence or dont la valeur est proportionnelle au taux de pompage i du laser et à l'inverse des durées de vie zp et zc: Vr ('/ -1) 2%Z Zp z c Ces oscillations de relaxation sont à l'origine de la présence d'un excès de bruit dont le maximum se trouve à or. Dans un laser semi-conducteur classique, la fréquence de résonance Vr se situe autour de GHz. Cette fréquence se trouve donc en plein milieu de la bande de fréquence utile pour les systèmes de transmission de signaux analogiques. A l'inverse, les lasers solides pompés par diode ont un bruit très faible dans la bande 100 MHz-20 GHz. Cependant ils présentent une résonance qui se situe entre 100 kHz et 1 MHz suivant le milieu actif utilisé. L'excès de bruit est également gênant à ces fréquences pour un bon nombre d'applications, mais aussi pour les systèmes de transmission de signaux analogiques puisque qu'on retrouve ce bruit au pied de la porteuse. Or la fréquence de résonance Vr disparaît lorsque la durée de vie des photons dans la cavité laser devient supérieure au temps caractéristique de recombinaison des porteurs, propriété caractéristique des lasers dits de classe A . Un tel laser présente alors un spectre de bruit quasiblanc, sur une bande de fréquence potentiellement infinie, condition idéale pour le transport de signaux analogiques large bande par exemple. Le principe de l'invention consiste à agir sur la dynamique d'interaction entre les photons et le milieu amplificateur du laser afin de se placer dans un régime de fonctionnement particulier qui permet d'allonger notablement la durée de vie des photons dans la cavité laser par rapport à celle de l'inversion de population dans le milieu amplificateur ou des porteurs dans le cas d'un laser à semi-conducteur. Selon ce principe, on obtient à partir d'un laser standard de classe B tel qu'un laser à semi-conducteur, un régime de fonctionnement équivalent à celui des lasers de classe A en augmentant, de manière significative, la durée de vie des photons dans la cavité laser et/ou en diminuant la durée de vie de l'inversion de population dans le milieu amplificateur. La source laser doit rester monomode longitudinalement afin de s'affranchir de bruits de battement entre modes. Selon un premier mode de réalisation basé sur une augmentation de la durée de vie des photons dans la cavité laser et décrit en relation avec la figure 1, le laser 1 selon l'invention a pour milieu actif 2 un semiconducteur de longueur I, et une cavité externe de longueur L>100 I. Dans l'exemple de la figure, la cavité d'origine qui est celle du semiconducteur est agrandie au moyen d'une fibre optique 3 qui reboucle sur le semi-conducteur. La cavité en anneau ainsi formée a une longueur L de quelques mètres, par exemple 5 m. Une telle longueur de cavité correspond à un intervalle spectral libre de quelques dizaines de MHz, ce qui autorise l'oscillation simultanée de plusieurs milliers de modes longitudinaux (largeur spectrale du gain 40 nm). On a donc recours à un filtrage spectral de ces modes longitudinaux illustrés figure 2, courbe c. Dans un premier temps, l'insertion d'un réseau de Bragg 4 dans la cavité permet de réduire la plage d'oscillation à 0.05 nm; la courbe a illustre ce filtrage. L'ajout dans la cavité d'un interféromètre Fabry-Perot 5 en série avec le réseau de Bragg, permet de sélectionner un seul mode longitudinal dans la bande des 0.05 nm; la courbe b illustre ce filtrage. Pour que le filtrage soit optimal, on dispose également dans la cavité un isolateur 6 qui permet d'imposer au mode laser un sens de rotation. On s'affranchit ainsi des effets de "hole burning spatial" qui favorisent l'oscillation multimode. Par ailleurs, en fixant le sens de rotation de la lumière, on lui impose de traverser le Fabry-Perot et, par voie de conséquent, d'être filtrée spectralement. En effet, sans la présence de cet isolateur, le laser pourrait osciller en cavité linéaire entre les deux miroirs d'entrée du Fabry-Perot. Ainsi, en partant du semi-conducteur, la lumière traverse, dans l'ordre, l'isolateur puis le Fabry-Perot. Ensuite, un circulateur 7 dirige la lumière vers le réseau de Bragg qui fait office de coupleur de sortie et de filtre spectral. La lumière réfléchie par le réseau de Bragg est finalement redirigée vers le semi-conducteur 2. Pour que la fréquence du maximum de transmission du Fabry-Perot et celle du mode longitudinal sélectionné restent confondues, on verrouille la fréquence de résonance du Fabry-Perot sur ce mode longitudinal. Cela peut être réalisé à l'aide d'un dispositif d'asservissement 8 tel qu'un dispositif de détection synchrone. Un tel asservissement permet en outre de compenser les dérives de mode induites par un changement de température ou des variations de contraintes mécaniques. Un tel laser oscille à 1549 nm et reste monomode 30 longitudinalement. En particulier, la réponse en modulation du laser montre que la résonance a disparu et qu'on est bien en présence d'un laser de classe A, c'est-àdire tel que zp > z. Les résultats obtenus sur les mesures de bruit confirment que le laser obtenu est un laser à très faible bruit: le spectre de bruit de ce laser est très en deçà de celui d'un laser DFB standard. En effet, le bruit d'intensité relatif ( RIN acronyme de l'expression anglo-saxonne Relative Intensity Noise ) du laser est limité par le bruit de grenaille sur toute la plage spectrale accessible expérimentalement par le banc de mesure (100 MHz-21 GHz). La puissance de sortie du laser dans les conditions expérimentales étant de 1,8 mW, son bruit de grenaille relatif se trouve à -156 dB/Hz. Selon un autre mode de réalisation, également basé sur l'augmentation de la durée de vie des photons dans la cavité laser, on utilise une cavité externe linéaire de quelques centimètres mais fortement surtendue. En effet, dans une cavité fortement surtendue, les photons effectuent plusieurs centaines d'aller-retour avant de sortir de la cavité. Le résultat est donc identique à celui qu'on obtiendrait avec une cavité très longue. Utiliser une cavité de quelques centimètres présente un avantage certain comparé à une cavité longue puisque cela permet de s'affranchir d'un filtrage spectral complexe. Une cavité fortement surtendue est une cavité dont les miroirs ont un coefficient de réflexion supérieur à 80%. Dans les exemples suivants, la cavité est linéaire. On va décrire un exemple de laser faible bruit à cavité surtendue. Le semi-conducteur utilisé est un demi-VCSEL. On rappelle qu'un VCSEL ( Vertical Cavity Surface Emittivity Laser en anglais) est un laser à émission par la surface dont le milieu actif à semi-conducteur est vertical et entouré de part et d'autre d'un réseau de Bragg. Un demiVCSEL est un VCSEL dont la face de sortie est démunie de réseau de Bragg. L'oscillation laser est alors obtenue en plaçant un miroir de sortie en cavité externe. Le miroir de sortie peut être un miroir concave ou un miroir plan associé à une lentille de collimation. Une longueur de cavité de quelques centimètres est alors suffisante pour obtenir un laser de classe A et par conséquent un laser intrinsèquement faible bruit sur une grande largeur spectrale. Le demi-VCSEL qui joue ici le rôle de milieu amplificateur peut être pompé soit optiquement soit électriquement. Un dispositif de filtrage spectral tel qu'un réseau de Bragg et /ou un interféromètre Fabry-Perot, peut en outre être inclus dans la cavité. Dans une variante de laser à cavité surtendue, la cavité boucle sur ellemême à l'aide d'un cristal photo-réfractif. Le cristal photo-réfractif permet simultanément d'augmenter la durée de vie des photons et de réaliser un filtrage spectral. Selon une autre approche, basée sur une diminution de la durée de vie d'inversion de population dans le milieu actif, on utilise un semiconducteur dont la durée de vie d'inversion de population dans le milieu actif est très courte. L'emploi d'un tel milieu actif permet de diminuer la longueur de cavité laser à quelques centimètres, voir à quelques millimètres. Les milieux actifs qui répondent à ce critère sont les semi-conducteurs à îlots quantiques ou les semi-conducteurs à cascade quantique. Ces milieux actifs permettent, en outre, de couvrir des longueurs d'ondes allant du proche infrarouge (îlots quantiques) au THZ (cascade quantique). L'approche basée sur une diminution de la durée de vie d'inversion de population dans le milieu actif, peut bien sûr être combinée à l'approche basée sur l'augmentation de la durée de vie des photons dans la cavité laser. On va à présent décrire en relation avec les figures 3, des exemples de ce mode de réalisation basés sur une diminution de la durée de vie d'inversion de population dans le milieu actif et/ou sur l'augmentation de la durée de vie des photons dans la cavité laser. Dans l'exemple de la figure 3a, le laser comprend une cavité externe, c'est-à-dire qui s'étend au-delà du semi-conducteur 2. La première face 21 du semi-conducteur 2 joue le rôle du premier miroir de la cavité laser 14. La deuxième face 22 est, quant à elle, traitée antireflet. Un miroir 9 placé à quelques centimètres du milieu actif 2 ferme la cavité laser 14. Le miroir de sortie 9 peut être un miroir concave (figure 3a) ou un miroir plan associé à une lentille de collimation 11 (figure 3b) ou un cristal photo-réfractif 12 associé à une lentille de collimation 11 (figure 3c). Une face 13 du cristal photo-réfractif joue le rôle du deuxième miroir de la cavité. Il est à noter que dans le cas d'un laser THz, la cavité étendue comprend en plus du miroir 9, un guide d'onde THz 10 comme schématisé sur la figure 3d. Selon un autre exemple représenté figure 3e, le laser est monolithique et les moyens pour obtenir z, > z sont basés sur le facteur de surtension de la cavité et sur le choix du milieu actif 2 qui est par exemple un laser à cascade quantique. Pour cela, un traitement réfléchissant est déposé sur les deux faces 21, 22 du milieu actif 2. Ainsi, la combinaison du facteur de surtension, qui augmente la durée de vie des photons dans la cavité 14, et de la courte durée de vie de porteurs, caractéristique du milieu actif choisi, aboutit à un fonctionnement classe A du laser. La longueur du milieu actif (de l'ordre du mm) peut être optimisée de manière à réduire la largeur de raie du laser. Cette dernière architecture a l'avantage d'être monolithique donc facile à mettre en oeuvre et moins sensible aux perturbations externes. Dans ces exemples à cavité linéaire, le semi-conducteur est par exemple un laser à îlots quantiques ou à cascade quantique ou un demi-VCSEL. Les coefficients de réflexion des miroirs de la cavité sont de préférence supérieurs à 80%. Ces exemples peuvent bénéficier, si nécessaire, d'un filtrage o spectral directement au niveau du milieu actif (par exemple filtrage type DFB) ou bien dans la cavité pour l'architecture à cavité externe. REVENDICATIONS 1. Laser (1) comportant un milieu actif à semi-conducteur (2) avec une durée de vie d'inversion de population z, , et une cavité résonante avec une durée de vie des photons dans la cavité zp, caractérisé en ce que la cavité comprend des moyens pour être monomode longitudinalement et des moyens pour que zp >z. 2. Laser selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la cavité étant apte à produire plusieurs modes, les moyens pour obtenir une 10 cavité monomode comprennent des moyens de filtrage de ces modes. 3. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le semi-conducteur présentant une longueur I, la cavité est externe et présente une longueur L>100 I en vue d' obtenir zp > Tc. 4. Laser selon la revendication précédente combinée à la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de filtrage de ces modes comportent un réseau de Bragg (4) et/ou un interféromètre Fabry-Pérot (5). 5. Laser selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la cavité comprend un isolateur (6) et/ou une fibre optique (3). 6. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité (14) étant externe et comprenant des moyens de filtrage et au moins un miroir externe au semi-conducteur, les moyens de filtrage comportent ce miroir externe et en ce que ce miroir est un cristal photoréfractif (12). 7. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité (14) étant externe et comprenant un miroir externe de sortie (9), celui-ci est un miroir concave ou un miroir plan associé à une lentille de collimation (11) ou comprend au moins un cristal photoréfractif (12). 8. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité (14) comprend des miroirs présentant un coefficient de réflexion R>80%. 9. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le laser est monolithique et présente deux faces ayant un coefficient de réflexion R>80%. 10. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, 10 caractérisé en ce que le semi-conducteur est un demi-VCSEL ou un semiconducteur à îlots quantiques ou un semi-conducteur à cascade quantique. 11. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le semi-conducteur est un semi-conducteur à cascade quantique et en ce que la cavité (14) est externe et comprend un guide d'onde (10) externe au semi-conducteur. 12. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif d'asservissement (8). 13. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la cavité est en anneau. 14. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, 25 caractérisé en ce que la cavité (14) est linéaire.