Brevet FR2965642A1 — publié le 20120406

CONVERTISSEUR OPTIQUE DE LONGUEUR D'ONDE L'invention porte sur un convertisseur optique de longueur d'onde, ainsi que sur un procédé de conversion de longueur d'onde basé sur l'utilisation d'un tel dispositif. Le multiplexage en longueur d'onde (WDM, de l'anglais « Wavelength Division Multiplexing ») est utilisé couramment pour augmenter la capacité des réseaux de télécommunications à fibre optique. II consiste à utiliser, dans une même fibre ou faisceau de fibres, une pluralité de porteuses optiques à des longueurs d'onde différentes, associées à des canaux respectifs. Dans un système WDM idéal, chaque utilisateur du réseau serait caractérisé par une longueur d'onde propre, l'identifiant de manière univoque. Toutefois, cela n'est pas possible dans les réseaux de grandes dimensions, et des conversions de longueur d'onde doivent être mises en oeuvre pour changer le routage des signaux en fonction de la disponibilité des différentes porteuses. De manière conventionnelle, ces conversions de longueurs d'onde sont réalisées en utilisant un convertisseur optoélectronique, dans lequel le signal optique est converti en signal électronique, puis à nouveau en signal optique à une longueur d'onde différente. Ces dispositifs constituent des goulots d'étranglement qui limitent fortement la capacité du réseau ; pour cette raison, des convertisseurs purement optiques ont été développés. Les convertisseurs de longueurs d'onde purement optiques, qui font l'objet d'une intense activité de recherche, exploitent une interaction non-linéaire entre un signal optique à une fréquence UNIR (proche infrarouge ou visible) et un faisceau modulateur à une fréquence VTHZ«UNIR, typiquement dans le domaine Terahertz (THz). L'interaction non-linéaire (« mélange à trois ondes ») produit deux faisceaux secondaires aux fréquences somme (UNIR +VTHZ) et différence (UNIR-VTHZ), dont un - voire les deux - est amplifié et injecté dans le réseau en remplacement du signal d'origine. [Carter 2004] décrit un tel convertisseur optique de longueur d'onde utilisant, en tant que milieu non linéaire, un empilement asymétrique de puits quantiques dans lequel se produit une interaction à trois ondes résonante. D'une manière bien connue en soi, l'asymétrie est nécessaire pour qu'une interaction du second ordre soit possible. Dans le dispositif de [Carter 2004], le rayonnement THz est généré par un laser à électrons libres, ce qui est évidemment incompatible avec une utilisation pratique. Mais l'utilisation de lasers à cascade quantique est également envisagée. Les lasers à cascade quantique sont des sources de lumière cohérente émettant dans l'infrarouge moyen et lointain, jusqu'aux Terahertz. Ils présentent une région active formée par un empilement de puits quantiques et exploitent des transitions entre des sous-bandes énergétiques à l'intérieur de ces puits quantiques. Voir à ce propos [Faist 1994], [KOler 2002] et [Worral 2006]. Dans _[Zervos 2006] et WO 02/13344, un laser à cascade quantique est utilisé à la fois pour générer le faisceau modulateur à THz et en tant que milieu non-linéaire. La géométrie d'interaction exploitée par les convertisseurs décrits dans ces documents, ainsi que dans [Carter 2004], est non-colinéaire : alors que le laser à cascade quantique émet parallèlement au substrat, le signal optique à convertir est injecté par la facette supérieure du dispositif, en incidence oblique. Le faisceau secondaire est également collecté par ladite facette supérieure. Cette configuration est nécessaire pour obtenir une longueur d'interaction très courte, de manière à minimiser l'absorption du signal et du faisceau secondaire par la région active du laser à cascade quantique. Cependant, elle est difficilement compatible avec l'utilisation du dispositif dans un système de télécommunication à fibre optique. [Dhillon 2007] décrit un convertisseur optique de longueur d'onde fonctionnant en géométrie colinéaire, donc plus facilement utilisable dans un système de télécommunication à fibre optique. Ce dispositif utilise à son tour un laser à cascade quantique en tant que générateur de rayonnement THz. Mais l'interaction non-linéaire, de type non-résonant, se produit à l'intérieur d'une couche en GaAs située au milieu de la région active du laser, couche où est confiné le signal optique à convertir. Le fait que l'interaction soit non-résonante élimine les problèmes précités d'absorption des signaux optiques. L'inconvénient principal de ce dispositif est que la susceptibilité optique non-linéaire (x('» non résonante du GaAs est relativement faible, ce qui impose d'assurer un accord de phase pour pouvoir obtenir un facteur de conversion suffisamment élevé. L'invention vise à remédier aux inconvénients précités de l'art antérieur. Conformément à l'invention, ce but est atteint par l'utilisation d'une interaction non-linéaire de type résonant à l'intérieur de la région active d'un laser à cascade quantique, mais en géométrie colinéaire. Cela est rendu possible par des moyens de guidage du signal optique (visible ou proche infrarouge), qui assurent une bonne superposition entre ledit signal et le faisceau modulateur THz à l'intérieur de ladite région active. Le problème de l'absorption du faisceau secondaire dans la région active est éliminé en faisant en sorte que ledit faisceau secondaire soit composé de photons d'énergie inférieure à la largeur de la bande interdite de ladite région active. Un objet de l'invention est donc un convertisseur optique de longueur d'onde comprenant un laser à cascade quantique, présentant une région active formée par un empilement asymétrique de puits quantiques, pour générer un premier rayonnement électromagnétique, caractérisé en ce qu'il comprend également : - des moyens d'injection, dans ladite région active, d'un deuxième rayonnement électromagnétique, colinéaire audit premier rayonnement et résonant avec une transition inter-bande dudit laser à cascade quantique ; et des moyens pour confiner lesdits premier et deuxième rayonnements électromagnétiques à l'intérieur de ladite région active. En particulier, ledit empilement asymétrique de puits quantiques peut être déposé sur un substrat et dans lequel lesdits premier et deuxième rayonnements électromagnétiques se propagent parallèlement audit substrat. Lesdits moyens pour confiner lesdits premier et deuxième rayonnements électromagnétiques peuvent comprendre au moins une couche, interposée entre ladite région active et ledit substrat, présentant un 4 index de réfraction inférieur à ceux de ladite région active et dudit substrat. Cette couche peut notamment être semi-conductrice. En particulier, les moyens pour confiner lesdits premier et deuxième rayonnements électromagnétiques peuvent comprendre une première couche pour confiner 5 ledit deuxième rayonnement électromagnétique, et une deuxième couche pour confiner ledit premier rayonnement électromagnétique. En variante, une couche métallique peut être prévue pour confiner tant le premier que le deuxième rayonnement électromagnétique. Avantageusement, le convertisseur peut comprendre 10 également une couche métallique déposée sur ou au-dessus de ladite région active, du côté opposé à celui dudit substrat. Cette couche a alors une triple fonction : elle sert de contact électrique et elle assure le confinement tant du premier que du deuxième rayonnement. Un autre objet de l'invention est un procédé de conversion de 15 fréquence d'un rayonnement électromagnétique, comportant les opérations suivantes : - pomper électriquement ou optiquement le laser à cascade quantique d'un convertisseur tel que décrit ci-dessus, de manière à induire la génération dudit premier rayonnement électromagnétique ; 20 - injecter dans la région active dudit laser à cascade quantique ledit deuxième rayonnement électromagnétique, avec une direction de propagation parallèle à celle dudit premier rayonnement ; et - extraire dudit convertisseur au moins un rayonnement obtenu par mélange à trois ondes dudit premier et dudit deuxième 25 rayonnement. Avantageusement, la structure de bandes dudit laser à cascade quantique et la longueur d'onde dudit deuxième rayonnement peuvent être choisies de telle manière que le rayonnement obtenu par différence de fréquence desdits premier et deuxième rayonnements se 30 compose de photons d'énergie inférieure à la bande interdite de la région active dudit laser à cascade quantique. Ledit premier rayonnement électromagnétique peut être un rayonnement dans l'infrarouge moyen ou lointain, ou un rayonnement Terahertz, tandis que ledit deuxième rayonnement électromagnétique peut être un rayonnement dans l'infrarouge proche ou dans le visible. Encore un autre objet de l'invention est l'utilisation d'un tel convertisseur de longueur d'onde dans un système de télécommunications par fibre optique à division de longueur d'onde. On entend : - Pour « rayonnement visible », un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde comprise entre 380 nm et 780 nm ; - Pour « rayonnement dans le proche infrarouge », un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde comprise entre 780 nm et 3 pm ; le proche infrarouge inclut la bande spectrale utilisée dans les télécommunications optiques (1250 - 1700 nm, et plus particulièrement 1530 - 1565 nm) ; - Pour « rayonnement dans le moyen infrarouge », un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde comprise entre 3 pm et 50 pm ; - Pour « rayonnement dans l'infrarouge lointain », un 20 rayonnement électromagnétique de longueur d'onde comprise entre 50 pm et 1 mm - Pour « rayonnement Terahertz », un rayonnement électromagnétique dans l'infrarouge lointain ayant plus précisément une longueur d'onde comprise entre 100 pm et 1 mm (fréquence comprise entre 25 300 GHz et 3 THz environ). D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : - la figure 1, la structure d'un convertisseur de longueur 30 d'onde selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2, la distribution d'intensité optique et THz à l'intérieur de la structure de la figure 1 ; et - la figure 3, un diagramme de bandes simplifié du convertisseur de la figure 1, illustrant les transitions énergétiques impliquées dans le processus de conversion de longueur d'onde. La figure 1 montre la structure d'un convertisseur de longueur 5 d'onde selon un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif est obtenu par croissance épitaxiale à faisceaux moléculaire sur un substrat en GaAs semi-isolant SS présentant une épaisseur de 500pm. Une couche CG de AIo,5Gao,5As de 300 nm d'épaisseur est déposée sur une surface dite supérieure du substrat SS ; comme cela 10 sera expliqué en détail plus loin, elle sert au guidage du signal optique d'entrée, ou deuxième rayonnement électromagnétique, ainsi que du signal converti en longueur d'onde, ou faisceau secondaire. Au-dessus de cette couche de guidage est déposée une couche CC1 en GaAs dopé n, d'une épaisseur de 600 nm, destinée à assurer 15 le contact électrique avec l'électrode inférieure E1. En même temps, cette couche CC1 forme un guide d'onde plasmonique réalisant un confinement partiel du rayonnement THz de modulation (voir l'article précité [Kbhler 2002]). Encore au-dessus est déposé un empilement de puits quantiques AIGaAs/GaAs formant la région active d'un laser à cascade 20 quantique pour émission à 2,1 THz. Cet empilement est asymétrique, dans le sens qu'il n'a pas de plan de symétrie parallèle à la surface du substrat. Un empilement de ce type est décrit par l'article précité [Worral 2006]. Au-dessus de la région active est déposée une deuxième couche de contact CC2 en GaAs dopé n (70 nm), sur laquelle est déposée 25 une couche métallique (Au) formant l'électrode supérieure E2. Cette dernière, en plus de sa fonction électrique, contribue au confinement tant du rayonnement de modulation que des signaux optiques d'entrée et converti en longueur d'onde. La structure présente une épaisseur totale de 15 pm au-30 dessus de la surface supérieure du substrat. L'ensemble est soumis à une gravure humide pour isoler les régions actives des différents dispositifs (largeur : 220 pm) et exposer la couche CC1, sur laquelle est réalisé un dépôt métallique formant les électrodes inférieures E1. Ensuite le substrat SS est aminci jusqu'à une épaisseur de 200 pm et une couche métallique SM est déposée sur sa surface inférieure. Les différents dispositifs, d'une longueur de 3 mm (on remarquera que la figure 1 n'est pas à l'échelle) sont ensuite séparés et soudés sur un support en cuivre avec revêtement en or. Le signal optique d'entrée SOE, qui se propage parallèlement au substrat, est injecté dans le dispositif par une facette latérale F1 par l'intermédiaire de la lentille L ; le signal converti en longueur d'onde SOC, qui se propage lui aussi parallèlement au substrat, est extrait de la facette opposée F2. Ces deux facettes définissent également la cavité du laser à cascade quantique, la réflexion étant assurée par le saut d'indice optique entre la région active et le vide. La lentille L est de préférence asphérique pour optimiser le couplage avec le mode guidé à l'intérieur du convertisseur. Dans des modes de réalisation plus compacts, le signal optique d'entrée peut être amené par une fibre optique, couplée au convertisseur au moyen de lentilles-boules ou simplement par aboutement. Le faisceau converti est ensuite filtré pour supprimer les composantes spectrales non souhaitées (à la fréquence initiale, à la fréquence somme si l'on souhaite récupérer la fréquence différence, ou inversement), amplifié, mis en forme et/ou injecté dans une fibre optique. La figure 2 montre la distribution de l'intensité optique dans le proche infrarouge (signaux optique d'entrée et converti) - courbe NIR - e Terahertz (rayonnement de modulation, émis par le laser à cascade quantique) - courbe THZ - à l'intérieur de la structure de la figure 1. Le rayonnement dans le proche infrarouge est confiné à l'intérieur de la région active grâce à la couche de guidage CG et à la couche métallique supérieure E2, qui présentent - à ces longueurs d'onde - un indice de réfraction inférieure à celui de la région active. Le rayonnement à THz est lui aussi confiné, bien que de manière moins efficace, grâce à la couche conductrice CC1 dont la constante diélectrique est négative dans cette région spectrale. Cet effet de guidage du rayonnement THz est expliqué par [Kôhler 2965642 s 2002]. La structure du convertisseur forme ainsi un « guide d'onde dual », confinant tant un rayonnement dans le proche infrarouge (ou dans le visible) qu'un rayonnement dans l'infrarouge lointain/à THz. La figure 3 illustre le processus de mélange résonant à trois 5 ondes qui se produit à l'intérieur de la région active du convertisseur de l'invention. Sur cette figure, les références BC et BV dénotent respectivement la bande de conduction et la bande de valence, « e » dénote les électrons et « h » les trous. Chaque couche de GaAs, d'épaisseur « a » de quelques nanomètre et enserrée entre de couches de AIGaAs de plus grande bande 10 interdite, forme un puits quantique (un seul est représenté dans la figure) qui confine les porteurs ; ces derniers occupent donc des niveaux d'énergie discrets, ou « sous-bandes ». On indique par 11 h) l'état des trous de plus basse énergie, par 11 e) l'état d'électrons de plus haute énergie, par 12e) un état d'électrons d'énergie plus élevée, par Eh l'énergie de confinement des trous, 15 par Ee l'énergie de confinement des électrons et par EG la largeur de la bande interdite dans le puits quantique. Le signal optique d'entrée présente une énergie photonique EmR, résonante avec la transition inter-bande 11n) - 11e) ; la transition laser, d'énergie EQCL, se produit entre les états 12e) et 11 e). Dans ces conditions se produit une interaction résonante qui génère deux faisceaux 20 secondaires aux fréquences somme et différence. Etant donné la longueur importante de l'interaction (3mm), le faisceau à la fréquence somme - dont l'énergie photonique est supérieure à la largeur EG de la bande interdite - est absorbé presque entièrement. En revanche, le faisceau à la fréquence différence - dont l'énergie photonique est inférieure à EG, n'est que 25 faiblement atténué. Comme le montre la figure 3, la génération de la fréquence différence peut être interprétée comme un processus résonant entre deux états réels, 11e) et 11 h), et un état virtuel Iv) situé à l'intérieur de la bande interdite. Au contraire, dans cette configuration, la génération de la fréquence 30 somme met en jeu trois états réels, 11 h), 11 e) et 12e). II serait également possible de générer une fréquence somme à partir du un signal optique d'entrée d'énergie EN,R résonante avec la transition I1h) lv) et une énergie EQcL résonante avec la transition lv) -> Il e) ; mais même dans ce cas, le rayonnement à la fréquence somme serait susceptible d'être absorbé par le matériau actif, avec une perte d'efficacité de conversion. Grâce au caractère résonant de l'interaction non linéaire, une efficacité de conversion satisfaisante (de l'ordre de 10-2 ou plus pour une puissance d'entrée de 1 mW) peut être obtenue sans accord de phase. A titre d'exemple, le laser à cascade quantique du convertisseur de la figure 1 génère un rayonnement de modulation à 2,1 THz, ce qui correspond à une énergie photonique EQcL=8,7 meV et à une longueur d'onde de 143 pm. Le signal optique d'entrée peut avoir une longueur d'onde de 817 nm (ENIR=1,5177 eV) ; dans ce cas, les deux faisceaux secondaires générés par mélange à trois ondes présentent une longueur d'onde de 812,3 nm (fréquence sommé, énergie EN,R+EQcL=1,5264 eV) et 821,7 nm (fréquence différence, énergie ENIR-EQcL=1,5090 eV). L'énergie d'émission du laser à cascade quantique, et donc le décalage de longueur d'onde induit parle convertisseur, peut être accordée dans certaines limites en modifiant le courant d'alimentation injecté à travers les électrodes E1 et E2. Le convertisseur de l'invention a été testé à 60K, dans un cryostat refroidi à l'hélium liquide. Cependant, le fonctionnement des lasers à cascade quantique à THz a été démontré jusqu'à 186 K, et il est attendu que des développements futurs permettent d'atteindre un fonctionnement à 240K, auquel cas le refroidissement pourrait se faire très simplement par effet Peltier. Des lasers à cascade quantique à plus petite longueur d'onde peuvent fonctionner à température ambiante ; des lasers de ce type sont susceptibles d'introduire des décalages de longueur d'onde plus importants, permettant par exemple de transférer un signal d'une bande de télécommunications optiques à une autre. L'invention a été décrite en référence à un exemple spécifique, mais plusieurs variantes sont envisageables. 2965642 lo Premièrement, différents types de laser à cascade quantique, opérant dans diverses régions spectrales du lointain et moyen infrarouge peuvent être utilisés. Leurs bandes d'énergie peuvent être réglées de manière à s'adapter à des signaux de longueurs d'onde différentes (en particulier, 5 autour de 1,55 pm) et à introduire des décalages plus ou moins importants. Les dimensions du dispositif peuvent être modifiées sans en modifier sensiblement le fonctionnement. D'autres moyens de confinement que ceux décrits ici peuvent être utilisés. Par exemple, 1a couche de guidage CG peut être réalisée en un 10 autre matériau semi-conducteur, tel que le GaInP. En variante, elle peut être remplacée par une couche métallique, ce qui présente l'avantage d'améliorer le guidage du rayonnement THz.