Brevet FR3025660A1 — publié le 20160311

SOURCE LASER MULTI-LONGUEUR D'ONDES AUTO-ALIGNÉE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui de la photonique. L'invention concerne les communications optiques multiplexées en longueur d'onde, et plus particulièrement une source laser multi-longueurs d'onde. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Lorsque l'on souhaite réaliser une source multiplexée en longueurs d'onde, la solution couramment implémentée est celle représentée en figure 1. Une barrette 1 de lasers émettant chacun un signal optique à une longueur d'onde différente À2, ...,)L9 est couplée aux N entrées e_4, eo, e4 d'un multiplexeur en longueurs d'onde 2 qui permet de combiner les longueurs d'onde sur une seule sortie so, dite à l'ordre m. Lorsque l'on souhaite que chacune des longueurs d'onde soit modulée afin notamment d'atteindre des débits de transmission plus élevés, on peut prévoir une barrette 3 de modulateurs entre la barrette 1 de lasers et le multiplexeur 3, chaque modulateur venant moduler la lumière d'un laser de la barrette. Le multiplexeur en longueurs d'onde présente l'avantage, par rapport à un simple combineur de puissance, par exemple un coupleur en étoile, à N entrées sur 1 sortie, de présenter de faibles pertes d'insertion. Mais le multiplexeur en longueurs d'onde est sélectif en longueurs d'onde. La figure 2 représente ainsi la réponse spectrale d'une entrée e_4, e0, e4 vers la sortie multiplexée so du multiplexeur en longueur d'ondes. Il est donc nécessaire lorsque l'on combine les longueurs d'onde émises par la barrette de lasers, d'aligner proprement ces dernières sur le filtre en longueurs d'onde constitué par le multiplexeur en longueurs d'onde. La figure 3 représente à cet égard le peigne d'émission de la barrette de lasers. La figure 4a illustre le cas d'un bon alignement du peigne d'émission de la barrette de lasers avec la réponse spectrale (filtre en longueur 3025660 2 d'ondes) du multiplexeur. La figure 4b illustre a contrario le cas d'un mauvais alignement des longueurs d'ondes émises par la barrette de lasers avec la réponse spectrale du multiplexeur. Cet alignement spectral entre composants actifs (lasers, modulateurs) et 5 composants passifs (multiplexeurs) s'avère ainsi indispensable pour permettre une transmission efficace des signaux optiques. Mais on constate souvent un mauvais alignement qui est dû aux incertitudes de fabrication qui sont incontournables, ainsi qu'aux variations de température. Aujourd'hui, l'alignement spectral est réalisé par le contrôle actif des différents 10 composants (contrôle en température des différents composants, contrôle par modification du courant laser, contrôle par modification des miroirs lasers, etc.). Cette approche est intrinsèquement impactée par le fait qu'il faut implémenter des électroniques d'asservissement du bon couplage spectral entre composants. On cherche donc à réaliser une source optique multi longueurs d'onde auto- 15 alignée en ce sens que les longueurs d'onde laser sont alignées de façon intrinsèque avec la réponse spectrale du multiplexeur en longueurs d'onde, sans avoir à implémenter une quelconque méthode d'asservissement de l'alignement spectral. Une source laser multi longueur d'ondes auto-alignée, connue par exemple du brevet US 6,055,250, est représentée sur la figure 5. Cette source comprend : 20 - un multiplexeur en longueur d'ondes 2 comprenant un ensemble de ports d'entrée associé à un port de sortie prévu pour collecter la combinaison de signaux optiques couplés aux ports d'entrée ; - un guide d'ondes de sortie associé au port de sortie du multiplexeur et disposant d'un réflecteur optique partiel 5 non sélectif en longueur d'onde; 25 - un réseau de guides d'ondes d'entrée, chaque guide d'ondes d'entrée étant couplé à un port d'entrée, et disposant d'un amplificateur optique SOA (SOA pour Semiconductor Optical Amplifier) et d'un réflecteur optique total 4 (sélectif ou non en longueur d'onde) agencés de manière à ce que le réflecteur optique 5 du guide d'ondes de sortie et le réflecteur optique 4 du guide d'ondes d'entrée définissent 3025660 3 entre eux, et en association avec l'amplificateur SOA, une cavité laser, la flèche CL représentant la cavité laser résonnant à la longueur d'onde À.. On retrouve ainsi une barrette 1 d'amplificateurs optiques à semi-conducteur SOA (SOA pour Semiconductor Optical Amplifier), un multiplexeur 2 à N entrées vers une sortie 5 (avec ici N=4), un réflecteur large bande 100% 4 sur chaque guide d'onde d'entrée et un réflecteur large bande 5 à réflectivité partielle, par exemple 50%, sur le guide d'onde de sortie. Dans une telle source, la cavité laser CL est formée par le réflecteur total 4 d'un côté, et le réflecteur partiel 5 à la sortie du multiplexeur en longueurs d'onde 2 de l'autre 10 côté, associés à l'amplificateur optique SOA correspondant. Le filtre en longueurs d'onde assuré par le multiplexeur en longueurs d'onde permet de sélectionner une longueur d'onde parmi les longueurs d'onde de la cavité Fabry-Pérot. Ainsi le multiplexeur joue, en plus de son rôle traditionnel de multiplexage, celui de filtre fréquentiel et de cavité qui détermine les longueurs d'onde Âi, Â2, Â3, 4 émises par les lasers. L'amplificateur optique 15 SOA permet quant à lui de fournir le gain de la cavité laser. Une telle source laser ne peut pas être implémentée avec des modulateurs externes. En effet, si un modulateur était ajouté entre un amplificateur optique SOA et une entrée du multiplexeur en longueurs d'onde, ce modulateur serait parcouru en aller-retour par la lumière puisqu'il ferait alors partie de la cavité laser définie entre les réflecteurs 4, 20 5, et donc ne pourrait pas fonctionner correctement. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour objectif une alternative à la source auto-alignée discutée précédemment, et notamment une source auto-alignée comprenant un trajet optique entre la sortie de chacune des cavités lasers de la barrette et la sortie multiplexée de tous 25 les lasers qui ne fasse pas partie de la cavité des lasers et ne soit donc pas parcouru en aller- retour par la lumière, de sorte à permettre l'insertion de composants, notamment de composants actifs tels que des modulateurs. L'invention propose à cet effet une source laser d'un signal optique multiplexé en longueur d'ondes, comprenant : 3025660 4 un multiplexeur en longueur d'ondes comprenant un premier ensemble de ports d'entrée associé à un premier port de sortie prévu pour collecter la combinaison de signaux optiques couplés aux ports d'entrée dudit premier ensemble, et un second ensemble de ports d'entrée associé à un second port de sortie prévu pour collecter la 5 combinaison de signaux optiques couplés aux ports d'entrée dudit second ensemble ; un réflecteur optique sur un premier chemin optique de sortie associé au premier port de sortie du multiplexeur ; un réseau de chemins optiques d'entrée présentant chacun une première extrémité couplée à un port d'entrée dudit premier ensemble et une seconde extrémité 10 couplée à un port d'entrée dudit second ensemble, un amplificateur optique et un réflecteur optique agencés entre la première et la deuxième extrémité de chaque chemin optique d'entrée de manière à ce que le réflecteur optique sur le premier chemin optique de sortie et le réflecteur optique sur le chemin optique d'entrée définissent entre eux, et en association avec l'amplificateur 15 optique, une cavité laser. Certains aspects préférés mais non limitatifs de cette source sont les suivants : - elle comprend en outre un modulateur agencé sur chaque chemin optique d'entrée en dehors de la cavité laser, ou des modulateurs électroniques de modulation directe du courant injecté dans les amplificateurs optiques ; 20 - le réflecteur optique sur le premier chemin optique de sortie est un réflecteur total ; - le réflecteur optique de chaque chemin optique d'entrée est un réflecteur partiel ; - le multiplexeur en longueur d'ondes est un réseau échelle, ou un réseau sélectif planaire ; 25 - les ports d'entrée du premier ensemble et les ports d'entrée du second ensemble sont entrelacés ; - elle comprend en outre un réseau de couplage vers une fibre optique agencé sur un second chemin optique de sortie associée au second port de sortie du multiplexeur. 3025660 5 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux 5 dessins annexés sur lesquels, outre les figures 1 à 5 déjà discutées précédemment : la figure 6 est un schéma représentant la source laser selon l'invention ; la figure 7 est un schéma d'une source laser selon l'invention exploitant un multiplexeur de type réseau échelle ; la figure 8 représente les pics de transmission d'un réseau échelle disposant de 10 ports de sortie agencés en des points de focalisation correspondant à des ordres d'interférence adjacents. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS En référence à la figure 6, l'invention concerne une source laser 10 d'un signal optique So multiplexé en longueur d'ondes. La source laser est destinée à être 15 utilisée dans les réseaux de transmission de données par fibre optique et/ou en espace libre, ou bien dans un circuit photonique intégré. La source laser 10 est une source auto-alignée qui comprend un multiplexeur en longueur d'ondes 8 qui comporte un premier ensemble de ports d'entrée la, 2a, 3a, 4a associé à un premier port de sortie Sa prévu pour collecter la combinaison de 20 signaux optiques aux longueurs d'onde Xl, X2, X3, X4 couplés aux ports d'entrée respectivement la, 2a, 3a, 4a dudit premier ensemble, et un second ensemble de ports d'entrée lb, 2b, 3b, 4b associé à un second port de sortie Sb prévu pour collecter la combinaison de signaux optiques aux longueurs d'onde Xl, X2, X3, X4 couplés aux ports d'entrée respectivement lb, 2b, 3b, 4b dudit second ensemble. 25 Le multiplexeur 8 peut provenir de l'optique réfractive, par exemple un réseau sélectif planaire AWG (Arrayed Wave Grating), ou de l'optique diffractive, par exemple un réseau échelle. Le multiplexeur est ainsi du type 2xN entrées vers 2 sorties, où N est le nombre de longueurs d'onde à multiplexer, N=4 dans l'exemple représenté sur la figure 6. 3025660 6 N longueurs d'onde Âi, Â2 = Â1 + AÀ, )3 = À.1 + 23A, 4 = À.1 + 33A arrivant sur les ports d'entrée la, 2a, 3a, 4a sont combinées sur le port de sortie Sa, et N longueurs d'onde Âi, Â2 = Â1 + AÀ, )3 = À.1 + 23A, 4 = À.1 + 33A arrivant sur les ports d'entrée lb, 2b, 3b, 4b sont combinées sur le port de sortie Sb. 5 Dans un mode de réalisation possible, donné à titre d'exemple illustratif et non limitatif, le premier port de sortie Sa est agencé en un point de focalisation correspondant à un ordre d'interférence déterminé m du multiplexeur, tandis que le second port de sortie Sb est agencé en un point de focalisation correspondant au second ensemble de ports d'entrée lb, 2b, 3b, 4b. 10 Un premier chemin optique de sortie, par exemple sous la forme d'un premier guide d'ondes de sortie, est associé au premier port de sortie Sa du multiplexeur 8. Ce premier chemin optique de sortie permet de relier le premier port de sortie Sa à un réflecteur optique 6, de préférence un réflecteur large bande (en ce sens qu'il est non sélectif en longueur d'onde) total, par exemple un réseau de Bragg DBR (Distributed Bragg 15 Reflector) 100%. Un second chemin optique de sortie, par exemple sous la forme d'un second guide d'ondes de sortie, est associé au second port de sortie Sb du multiplexeur 8 pour fournir le signal optique So multiplexé en longueur d'ondes. Le second chemin optique de sortie du multiplexeur peut permettre de 20 relier le second port de sortie Sb à un réseau de couplage vers une fibre optique afin, par exemple, d'alimenter un circuit photonique sur silicium. La source 10 comprend par ailleurs un réseau de chemins optiques d'entrée, par exemple sous la forme d'un réseau de guides d'ondes d'entrée. Chaque chemin optique d'entrée présente une première extrémité couplée à un port d'entrée la, 25 2a, 3a, 4a dudit premier ensemble et une seconde extrémité couplée à un port d'entrée lb, 2b, 3b, 4b dudit second ensemble. Un amplificateur optique SOA1, SOA2, SOA3, SOA4 et un réflecteur optique 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 sont agencés entre la première et la deuxième extrémité de chaque chemin optique d'entrée de manière à ce que le réflecteur optique 6 sur le premier chemin optique de sortie et le réflecteur optique 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 sur le chemin optique d'entrée définissent entre eux, et en association avec l'amplificateur 3025660 7 optique, une cavité laser. La flèche CL sur la figure 6 représente ainsi la cavité laser résonnant à la longueur d'onde À.. Les réflecteurs optiques 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 sont des réflecteurs large bande partiels, de réflectivité inférieure à 100%, par exemple de réflectivité 50%. Les réflecteurs 5 optiques 7-1, 7-2, 7-3, 7-4 sont par exemple des réseaux DBR. Les ports d'entrée la, 2a, 3a, 4a du premier ensemble et les ports d'entrée lb, 2b, 3b, 4b du second ensemble sont de préférence entrelacés comme représenté sur la figure 6 pour faciliter l'intégration, en faisant en sorte que la première et la deuxième extrémité d'un chemin optique d'entrée soient couplées à deux ports d'entrée adjacents. 10 Ainsi, en prenant l'exemple de la longueur d'onde À.1 : un amplificateur optique SOA1 est couplé, par l'intermédiaire du chemin optique d'entrée associé, d'un coté au réflecteur 7-1 (par exemple DBR 50%) et de l'autre coté au port d'entrée la du multiplexeur en longueurs d'onde. A la sortie Sa du multiplexeur en longueurs d'onde est disposé le réflecteur 6 (par exemple DBR 15 100%). La cavité laser pour la longueur d'onde 21 est donc délimitée par les réflecteurs 6 et 7-1, et c'est le multiplexeur en longueurs d'onde 8 qui assure le filtrage de la longueur d'onde À.1 parmi le peigne de longueurs d'onde Fabry Perot de la cavité laser ; - sur le côté gauche du réflecteur partiel 7-1, le chemin optique d'entrée est couplé 20 au port d'entrée lb du multiplexeur en longueurs d'onde, et la longueur d'onde 21 est sortie sur le port de sortie Sb. Ainsi la source laser auto-alignée selon l'invention dispose d'un seul et unique multiplexeur utilisé pour implémenter les fonctions (i) de sélection de longueur d'onde de la barrette des lasers et (ii) multiplexage des signaux générés. 25 Par ailleurs, du fait de l'architecture précédemment décrite, la source 10 comprend, pour chaque longueur d'émission, un trajet optique entre la sortie de la cavité laser correspondante (en d'autres termes, la sortie de la zone d'émission optique de l'émetteur laser correspondant) de la barrette et la sortie multiplexée Sb de tous les lasers qui ne fait pas partie de la cavité laser et n'est donc pas parcouru en aller-retour par la 30 lumière. Ce trajet optique, parcouru en aller simple, entre le réflecteur partiel 7-1, 7-2, 7- 3025660 8 3, 7-4 et le second port de sortie Sb est représenté sous la forme d'une flèche référencée To sur la figure 6. La présence de ce trajet optique le long d'un guide d'ondes d'entrée autorise l'insertion de composants optiques, notamment de composants actifs tels que des modulateurs, des commutateurs, des isolateurs, aptes à venir modifier le signal optique 5 sans que leur fonctionnement ne soit impacté par un trajet aller-retour de la lumière. Ainsi dans un mode de réalisation possible de l'invention, on dispose sur chaque chemin optique d'entrée de la source laser 10 un modulateur Ml, M2, M3, M4 en dehors de la cavité laser. La modulation peut être accomplie par différents types de modulateurs selon le système de matériaux choisi, comme la modulation par déplétion ou 10 accumulation de porteurs en Si, ou encore, la modulation par électro-absorption (EAM) pour les modulateurs III-V ou III-V sur Si hétéro-intégrés, ou en ayant recours à un modulateur Mach Zehnder en niobate de lithium, à un modulateur en anneau résonnant à une longueur d'onde donnée, etc. Dans un autre mode de réalisation, une modulation indépendante de 15 chacune des longueurs d'onde issues des lasers est mise en oeuvre qui n'utilise pas de modulateurs externes, mais des modulateurs électroniques de modulation directe du courant injecté dans les amplificateurs optiques. Ce type de modulation se fait ainsi en modulant directement la zone de gain de chacun des lasers et est dit 'modulation directe' du laser. L'utilisation de modulateurs externes présente toutefois l'avantage de pouvoir 20 moduler plus rapidement que dans le cas d'une modulation directe des lasers. On a représenté sur la figure 7 un schéma d'une source laser selon l'invention exploitant un multiplexeur de type réseau échelle. Ce schéma indique le positionnement des 2*n ports d'entrées (ici n=4) et des 2 ports de sortie sur le cercle de Rowland CR du réseau échelle 8 dans un mode de réalisation possible de l'invention. 25 Les 4 longueurs d'onde laser Xl, X2, X3, X4 sont générées respectivement par l'utilisation d'un amplificateur SOA1, SOA2, SOA3, SOA4 inséré dans la cavité délimitée par le réflecteur 6 et par le réflecteur 7-1, 7-2, 7-3, 7-4. Les signaux laser sont ensuite modulés par 4 modulateurs Ml, M2, M3 M4 et réinjectés dans le même filtre à échelle via les ports d'entrée adjacents lb, 2b, 3b, 30 4b. Les signaux modulés sont multiplexés vers le second port de sortie Sb. 3025660 9 L'angle j définit l'espacement angulaire entre les ports de sortie Sa et Sb. Dans le cas d'un réseau échelle de type Rowland classique avec un rayon Rc de 300 um, j =0.75 °, ce qui correspond à un écartement spatial entre les guides de sortie d'environ 4,5 um. L'écartement entre deux ports d'entrée adjacents la-2a, 2a-3a, 3a-4a du premier 5 ensemble est ainsi de 9 um, tandis que l'écartement entre un port d'entrée la du premier ensemble et un port d'entrée adjacent lb du second ensemble est de 4,5 um. La figure 8 représente les pics de transmission d'un réseau échelle disposant de ports de sortie agencés en des points de focalisation espacés de 4,5 um. Cette figure est issue de travaux utilisant une technique de simulation ab initio qui s'appuie à la 10 fois sur la méthode des éléments finis et le principe de Huygens-Fresnel. La séparation spatiale nécessaire entre les deux ports de sortie correspondant respectivement aux deux ensembles de ports d'entrée est déterminée ainsi que la non-linéarité entre la transmission des deux sorties. La séparation entre les deux ports apparaît suffisamment large pour être 15 compatible avec les technologies III-V et silicium, tandis que la non-linéarité entre les deux transmissions est négligeable et indique donc un très faible niveau de pertes additionnelles lorsque l'on travaille avec le port de sortie Sb correspondant au second ensemble de ports d'entrée par rapport au port de sortie Sa correspondant au premier ensemble de ports d'entrée. Comme représenté en effet sur la figure 8, sur un montage de type Rowland 20 classique avec un rayon Rc de 300 um, avec un écartement spectral de 800 GHz et à la longueur d'onde de 1302 nm, la séparation spatiale de 4,5 um entre les deux ports de sortie Sa, Sb est totalement à la portée des technologies de fabrication silicium/III-V et compatible avec les performances nécessaires pour le filtrage des porteuses et leur multiplexage par le réseau à échelle. Par ailleurs la très faible non-linéarité observée ( REVENDICATIONS1. Source laser (10) d'un signal optique (So) multiplexé en longueur d'ondes, comprenant : un multiplexeur en longueur d'ondes (8) comprenant un premier ensemble de ports d'entrée (1a, 2a, 3a, 4a) associé à un premier port de sortie (Sa) prévu pour collecter la combinaison de signaux optiques couplés aux ports d'entrée dudit premier ensemble, et un second ensemble de ports d'entrée (lb, 2b, 3b, 4b) associé à un second port de sortie (Sb) prévu pour collecter la combinaison de signaux optiques couplés aux ports d'entrée dudit second ensemble ; un réflecteur optique (6) sur un premier chemin optique de sortie associé au premier port de sortie (Sa) du multiplexeur ; un réseau de chemins optiques d'entrée présentant chacun une première extrémité couplée à un port d'entrée (1a, 2a, 3a, 4a) dudit premier ensemble et une seconde extrémité couplée à un port d'entrée (lb, 2b, 3b, 4b) dudit second ensemble, un amplificateur optique (SOA1, SOA2, SOA3, SOA4) et un réflecteur optique (7-1, 7-2, 7-3, 7-4) agencés entre la première et la deuxième extrémité de chaque chemin optique d'entrée de manière à ce que le réflecteur optique (6) sur le premier chemin optique de sortie et le réflecteur optique (7-1, 7-2, 7-3, 7-4) sur le chemin optique d'entrée définissent entre eux, et en association avec l'amplificateur optique, une cavité laser (CL). 2. Source laser selon la revendication 1, comprenant en outre un modulateur (M1, M2, M3, M4) agencé sur chaque chemin optique d'entrée en dehors de la cavité laser. 3. Source laser selon la revendication 1, comprenant en outre des modulateurs électroniques de modulation directe du courant injecté dans les amplificateurs optiques (SOA1, SOA2, SOA3, SOA4). 4. Source laser selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le réflecteur optique (6) sur le premier chemin optique de sortie est un réflecteur total. 3025660 12 5. Source laser selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle le réflecteur optique (7-1, 7-2, 7-3, 7-4) de chaque chemin optique d'entrée est un réflecteur partiel. 5 6. Source laser selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle le multiplexeur en longueur d'ondes (8) est un réseau échelle. 7. Source laser selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle le multiplexeur en longueur d'ondes (8) est un réseau sélectif planaire. 10 8. Source laser selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle les ports d'entrée (1a, 2a, 3a, 4a) du premier ensemble et les ports d'entrée (lb, 2b, 3b, 4b) du second ensemble sont entrelacés. 15 9. Source laser selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant un réseau de couplage vers une fibre optique agencé sur un second chemin optique de sortie associée au second port de sortie (Sb) du multiplexeur (8).