Brevet FR3054734A1 — publié le 20180202

Diode laser à rétroaction répartie L'invention se rapporte à une diode laser à rétroaction répartie ainsi qu'à un dispositif de télécommunication comprenant comme source optique une diode laser selon l'invention. Les diodes laser à rétroaction répartie sont utilisées comme source optique pour les connexions par fibre optique, notamment en raison de leur pureté spectrale. La pureté spectrale est un paramètre critique pour l'obtention de hauts débits sur de longues distances de fibres. Le fonctionnement spectral monomode de ce type de laser est obtenu au moyen d'un réseau périodique distribué le long d'un guide actif comportant un milieu à gain. Le rôle du réseau est d'assurer une modulation périodique de la partie réelle ou imaginaire de l'indice effectif neif du guide et ainsi d'obtenir la condition de rétroaction sélective autour de la condition de Bragg assurant le fonctionnement mono-fréquence du laser. La condition de Bragg relie la période A, la longueur d'onde d'émission X., quotient de la vitesse de la lumière c par la fréquence optique f, et l'indice effectif moyen neif du mode suivant A= 2neff X. pour une rétroaction dite au premier ordre, ou plus rarement suivant A= 2 m neif X. où m est un entier, pour les ordres dits supérieurs, choix moins avantageux mais possible. Le paramètre qui dicte la quantité de lumière canalisée dans la contre-réaction s'appelle le coefficient de couplage, il est généralement donné en cm', couplage par unité de longueur. Sa valeur et les paramètres exacts de la structure déterminent la valeur exacte de la fréquence du laser - ou des deux fréquences quand le fonctionnement monofréquence n'est pas obtenu, - qui s'écarte légèrement de ladite condition de Bragg. L'un des problèmes majeurs qu'on rencontre dans le fonctionnement de ces lasers est leur sensibilité à la rétroaction optique parasite dans la ligne de transmission optique. Un retour optique supérieur à un seuil critique conduit à l'effondrement de la cohérence de ces lasers, ce qui se manifeste par une augmentation de leur largeur spectrale, et une grosse pénalité pour la qualité et le débit des communications optiques associées. Pour pallier ce problème, des isolateurs optiques sont intégrés dans les modules lasers avec comme conséquence une augmentation très significative du prix du module. La recherche des solutions pouvant aboutir à un fonctionnement sans isolateur optique est menée depuis de nombreuses années. L'une des solutions proposées, en particulier par R. Hui, M. Kavehrad et T. Makino, dans l'article "External feedback sensitivity of partly gain coupled DFB semiconductor lasers," IEEE Photon. Technol. Lett. 6, 897-899, (1994), est d'utiliser des lasers avec réseaux 3054734 2 à modulation de pertes. L'émission de ce type de laser s'avère robuste par rapport au retour optique. Les réseaux métalliques à base de chrome permettent d'atteindre des coefficients de couplage de 5 à 20 cm-'. La réalisation d'une augmentation significative de la force du réseau de Bragg au-delà de ces valeurs s'avère difficile sur le plan technique mais surtout elle induit 5 un impact négatif sur le fonctionnement du laser. Comme le réseau est très absorbant, cela se traduit par une augmentation de la valeur moyenne des pertes et par conséquent une augmentation du niveau de bruit, en anglais RIN relative intensity noise. 10 Enfin, il y a eu des tentatives de couplage partiel par le gain, en gravant partiellement la partie active de la couche guidante, par exemple quand elle est formée de multiples puits quantiques en gravant quelques puits quantiques mais pas tous, en particulier G. P. Li, T. Makino, R. Moore et N. Puetz dans l'article "1.55 mu m index/gain coupled DFB lasers with strained layer multiquantum-well active grating," Electron. Lett. 28, 1726-1727 (1992). 15 Cependant les caractéristiques électriques sont en général trop dégradées par cette opération pour que le composant en tire un avantage utilisable. Le but de la présente invention est de proposer une diode laser ne présentant pas les inconvénients de l'art antérieur. 20 L'invention propose ainsi une diode laser à rétroaction répartie comprenant un guide d'onde avec milieu à gain assisté d'un réseau formé par une répartition d'éléments dont un sous-ensemble comprenant des résonateurs localisés distribués le long de l'axe du guide d'onde, dans laquelle la fréquence caractéristique de la rétroaction induite sur l'onde du guide par la répartition spatiale desdits éléments diffère de moins de 50% de la fréquence de 25 résonance desdits résonateurs localisés. Avantageusement, la structure de la diode laser selon l'invention permet d'obtenir l'effet de transparence induite qui améliore grandement le rendement mono-fréquence, la puissance de sortie et la sélectivité du laser. 30 La diode laser selon l'invention peut également comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : 3054734 3 - la diode laser est configurée de sorte que le facteur de confinement optique de l'onde du guide avec des résonateurs localisés est ajusté afin de permettre un phénomène de transparence induite ; et/ou - les éléments sont répartis sous forme de réseau périodique le long de l'axe 5 principal du guide d'onde ; et/ou - la fréquence caractéristique de la rétroaction induite par le réseau formé par les éléments distribués diffère de moins de 20% de la fréquence de résonance des résonateurs localisés eux-mêmes ; et/ou - les résonateurs localisés comprennent au moins un élément ayant une dimension 10 comprise entre 1/5 et 1/20 du rapport entre la vitesse de la lumière c et la fréquence f de l'émission laser dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe principal du guide d'onde ; et/ou - les éléments formant les résonateurs localisés résonants sont disposés de façon à ce que la plus grande dimension soit orientée suivant la direction d'un des champs 15 électriques non nul de l'onde guidée ; et/ou - les éléments résonants les résonateurs localisés sont disposés de façon à ce que la plus grande dimension soit orientée suivant la direction du champ électrique dominant de l'onde guidée ; et/ou - les résonateurs localisés sont disposés selon une direction sensiblement 20 perpendiculaire à l'axe principal du guide d'onde avec une séparation entre eux inférieure à la dimension des résonateurs localisés selon ladite direction, par exemple la séparation est comprise entre 1/10 et 1/50 de c/f ; et/ou - la distance entre les résonateurs localisés les plus proches du guide d'onde et le flanc du guide d'onde est inférieure ou égale à 1/10 de c/f, de préférence au contact 25 d'un des bords du guide ; et/ou - les résonateurs localisés sont au moins partiellement à l'intérieur du guide d'onde ; et/ou - chaque période du réseau périodique comprend entre 1 et 10 résonateurs localisés ; et/ou 30 - les résonateurs localisés sont constitué d'un méta-matériau, par exemple de nature diélectrique, métallique ou métallo-diélectrique ; et/ou - le facteur de qualité des résonateurs localisés est ajusté entre 10 et 100 à l'aide d'un matériau dissipatif à la fréquence de l'émission laser, tel qu'un métal. 3054734 4 L'invention se rapporte également à un dispositif de télécommunication comprenant comme source optique une diode laser selon l'invention. Le dispositif de télécommunication selon l'invention peut ne pas comprendre d'isolateur optique. 5 La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de limiter ladite invention, accompagnée des figures suivantes : - la figure 1 est une représentation schématique d'une diode laser à rétroaction répartie 10 avec un réseau selon l'invention, et - la figure 2 représente un spectre de transmission d'un guide d'onde avec un réseau selon l'invention mettant en évidence l'effet de transparence induite. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention. 15 Sur les différentes figures les différents éléments ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle afin de présenter une vue permettant de faciliter la compréhension de l'invention. La figure 1 illustre schématiquement la structure d'une diode laser 10 selon un mode 20 de réalisation de l'invention. Comme illustré sur la figure 1, une diode laser 10 selon l'invention peut comprendre : - un substrat semi-conducteur 12, - une structure guidante latéralement 13, - une couche active 14 disposée sur le substrat semi-conducteur 12, 25 - la couche active 14 est entourée de fines couches 16 et 16' formant une zone dite hétérostructure à confinement séparé "SCH", Separate Confinement Heterostructure en anglais - un couche semi-conducteur 18 disposée sur la couche fine 16', - un guide d'onde formé par la combinaison des couches 12,14,16,16'et 18 et d'une 30 limitation latérale de l'onde et du courant par la structure guidant latéralement 13. Une telle structure 13 est obtenue typiquement mais pas exclusivement par gravure enlevant la matière autour d'elle, et - un réseau 20 disposé de part et d'autre du guide d'onde. 3054734 5 Généralement les différentes couches sont déposées sur un substrat semi-conducteur 12, par exemple au moyen d'un procédé d'épitaxie. Le matériau de substrat semi-conducteur 12 est défini par le domaine de longueur d'onde souhaitée de la diode laser, suivant des considérations d'épitaxie bien connues de 5 l'homme de l'art. La couche active 14 peut être élaborée comme une couche mince, par exemple d'une épaisseur d'environ 0,2 um. Sa composition permet d'obtenir sous injection électrique un gain optique autour de la longueur d'onde souhaitée, d'une largeur spectrale Ak=4(c/f) typique entre 3 et 300 nm. 10 La couche active 14 disposée sur le substrat semi-conducteur est la couche dans laquelle au moins une inversion de population partielle est possible. Les photons qui sont créés par émission spontanée sont émis notamment dans une direction longitudinale, et sont amplifiés par émission stimulée parce qu'ils subissent la rétroaction répartie, ainsi qu'une possible réflexion sur les miroirs aux extrémités du laser. 15 Pour les diodes laser ayant un couplage latéral, la modulation du gain net, - à savoir l'amplification pure due à l'émission stimulée réduite par l'absorption interne, - se traduit par la sélection d'un seul mode propre longitudinal de la cavité laser en raison de la fréquence où se produit la réflexion combinée au minimum d'absorption sélective des photons sur la structure de surface périodique. 20 Alors que le substrat semi-conducteur 12 est généralement dopé n, la couche de semi- conducteur 18 disposée sur la couche active 16' est généralement dopé p, de façon à assurer une jonction pin formant diode, et aussi une minimisation des résistances ohmiques compte tenu des contraintes technologiques. L'épaisseur et la quantité de dopage de la couche de semi-conducteur 18 et du substrat 25 semi-conducteur 12 sont généralement d'ordres de grandeur comparables. Comme illustré sur la figure 1, lorsque le processus d'épitaxie est terminé, la couche de semi-conducteur 18 entre les miroirs du laser 17 et 19 est retirée autour de l'arête du guide d'onde par exemple au cours d'une étape de gravure. La partie centrale restante 13 de la couche semi-conducteur 18 forme l'arête du guide d'onde. Cette dernière peut être droite, tel 30 que représenté sur la figure, ou de toute autre forme permettant le guidage de l'onde. Comme représenté sur la figure 1, la diode laser selon l'invention comprend un réseau 20 disposé de part et d'autre de l'arête du guide d'onde. Le réseau 20 est formé par une répartition d'éléments 22 distribués le long de l'axe du guide d'onde. 3054734 6 On définit le facteur de confinement F de ce réseau comme le taux de recouvrement entre le profil d'intensité du mode optique qui se propage dans le guide d'onde et la section dans un plan transverse des éléments du réseau périodique. Au moins un sous-ensemble des éléments 22 du réseau 20 comprend des résonateurs 5 localisés 24. La répartition des éléments 22 le long du guide d'onde est telle que la fréquence caractéristique de la rétroaction induite sur l'onde du guide par cette répartition diffère de moins de 50%, par exemple de moins de 40%, de la fréquence de résonance desdits résonateurs localisés 24. 10 Selon un mode de réalisation de l'invention, le réseau et le guide d'onde sont configurés de sorte que la fréquence caractéristique de la rétroaction induite par le réseau formé par les éléments 22 diffère de moins de 30%, par exemple moins de 20% de la fréquence de résonance des résonateurs localisés 22 eux-mêmes. Comme représenté sur la figure 1, les éléments 22 sont répartis sous forme de réseau 15 périodique le long de l'axe principal du guide d'onde. Sur le mode de réalisation représenté sur la figure 1, chaque élément 22 du réseau comprend deux résonateurs localisés. Cependant, l'invention ne se limite pas à ce mode de réalisation. En particulier, seule un sous-ensemble f des éléments 22 du réseau peut comprendre des résonateurs localisés, par exemple un élément sur deux ou un sur trois. De 20 plus le nombre de résonateurs localisés 24 par élément 22 peut être supérieur à deux, par exemple comprise entre 1 et 10, et ce nombre peut être différent d'un élément à l'autre. La distance entre les bords des résonateurs localisés les plus proches du guide d'onde et le flanc du guide d'onde est typiquement inférieure ou égale à 1/10 de c/f, avec c la vitesse de la lumière et f la fréquence de l'émission du laser. De préférence, les résonateurs localisés 25 les plus proches du guide d'onde sont en contact avec le flanc de l'arête du guide d'onde. Bien que non représenté sur la figure 1, au moins une partie, par exemple l'ensemble, des résonateurs localisés peuvent être au moins partiellement à l'intérieur du guide d'onde. Ceci a l'avantage de renforcer l'interaction avec le mode guidé. 30 Les résonateurs localisés comprennent au moins un élément ayant une dimension comprise entre 1/5 et 1/20 du rapport entre la vitesse de la lumière c et la fréquence f de l'émission laser, dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe principal du guide d' onde. 3054734 7 Comme illustré sur la figure 1, les éléments des résonateurs localisés peuvent avoir une forme sensiblement parallélépipédique. Selon un mode de réalisation, les éléments formant les résonateurs localisés résonants sont disposés de façon à ce que la plus grande dimension soit orientée suivant la direction 5 d'un des champs électriques non nul de l'onde guidée, en particulier suivant la direction du champ électrique dominant de l'onde guidée. De plus, comme illustré sur la figure 1, les résonateurs localisés sont disposés selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe principal du guide d'onde avec une séparation entre eux inférieure à la dimension des résonateurs localisés selon ladite direction, 10 par exemple la séparation est comprise entre 1/10 et 1/50 de c/f, avec c la vitesse de la lumière et f la fréquence d'émission du laser. Les résonateurs localisés peuvent être constitué d'un méta-matériau, par exemple de nature diélectrique, métallique ou métallo-diélectrique. Avantageusement, les propriétés résonnantes du méta-matériau permettent d'augmenter d'un ordre de grandeur la force de la 15 rétroaction du réseau de Bragg. En outre, selon un mode de réalisation de l'invention, le facteur de qualité des résonateurs localisés est ajusté entre 10 et 100 à l'aide d'un matériau dissipatif à la fréquence de l'émission laser, tel qu'un métal. Dans ce cas, la fréquence de rétroaction et la fréquence propre des résonateurs doit être ajustées en conséquence, afin que l'une tombe dans la largeur 20 spectrale de l'autre. Selon un mode de réalisation préféré, le réseau et le guide d'onde sont configurés de sorte que le que le facteur de confinement optique de l'onde du guide avec des résonateurs localisés est ajusté afin de permettre un phénomène de transparence induite. 25 En particulier, il est possible d'agir sur la proximité et/ou l'indice des résonateurs localisés. Le régime de transparence induite présente un grand nombre d'avantages. 30 Contrairement au cas usuel des guides à réseau de Bragg, la grande densité d'états photoniques favorisant l'action du laser est également accompagnée d'un maximum dans la transmission. Le faible facteur de qualité de nano-résonateurs plasmoniques rend la transparence induite particulièrement robuste par rapport aux perturbations de la phase du front d'onde. 3054734 8 C'est notamment cette propriété qui est visée pour rendre le laser très tolérant par rapport aux rétroactions parasites dans les communications optiques à 1,51.1m. Le fonctionnement spectral monomode du laser selon l'invention est la conséquence directe de la grande densité d'états associés au phénomène de transparence induite. 5 Le fonctionnement du laser dans le régime de transparence induite réduit fortement les pertes liées à l'absorption du métal et par conséquent le niveau du gain ainsi que le courant d'injection utilisé pour atteindre le seuil d'émission laser. Comme illustré sur la figure 2, la fenêtre spectrale associée au régime de transparence induite est très fine, permettant un très fort rendement mono-fréquence. 10 De plus, la réduction des pertes ohmiques due au fonctionnement dans le régime de transparence induite permet d'augmenter d'un ordre de grandeur le facteur de confinement F du mode guidé avec la perturbation périodique du réseau de Bragg. Une plus grande force du réseau de Bragg permet de réduire la longueur du dispositif et d'aller vers une plus grande miniaturisation des sources lasers qui peuvent trouver leur 15 place dans des applications de communication par fibre optique. Les propriétés résonnantes du méta-matériau dépendent fortement de la polarisation du mode optique. Les inventeurs ont pu mettre en évidence une tolérance élevée, de 15dB, pour la rétroaction optique dans le régime de transparence induite. Une tolérance de 19 dB est considérée comme bonne pour plusieurs applications, en particulier selon la norme IEEE 20 802.3. L'invention se rapporte également à un dispositif de télécommunication comprenant comme source optique une diode laser selon l'invention. Avantageusement l'utilisation d'une diode laser selon l'invention permet de s'affranchir d'isolateur optique. 25 Une diode laser selon l'invention peut également être ingérée dans un circuit photonique intégré (PIC en anglais « Photonic Integrated Circuit ») ou dans des capteurs ou instruments optiques. L'invention a été décrite ci-dessus avec l'aide de modes de réalisation présentés sur les 30 figures, sans limitation du concept inventif général. Bien d'autres modifications et variations se suggèrent d'elles-mêmes à l'homme du métier, après réflexion sur les différents modes de réalisation illustrés dans cette demande. Ces modes de réalisation sont donnés à titre d'exemple et ne sont pas destinés à limiter la portée de l'invention, qui est déterminée exclusivement par les revendications ci-dessous. 3054734 9 Dans les revendications, le mot « comprenant » n'exclut pas d'autres éléments ou étapes, et l'utilisation de l'article indéfini « un » ou « une » n'exclut pas une pluralité. Le simple fait que différentes caractéristiques sont énumérées en revendications mutuellement dépendantes n'indique pas qu'une combinaison de ces caractéristiques ne puisse être 5 avantageusement utilisée. Enfin, toute référence utilisée dans les revendications ne doit pas être interprétée comme une limitation de la portée de l'invention. REVENDICATIONS1. Diode laser (10) à rétroaction répartie comprenant un guide d'onde avec milieu à gain assisté d'un réseau formé par une répartition d'éléments (22) dont un sous-ensemble comprenant des résonateurs localisés (24) distribués le long de l'axe du guide d'onde, caractérisée en ce que la fréquence caractéristique de la rétroaction induite sur l'onde du guide par la répartition spatiale desdits éléments diffère de moins de 50% de la fréquence de résonance desdits résonateurs localisés. 2. Diode laser selon la revendication 1, configure de sorte que le facteur de confinement optique de l'onde du guide avec des résonateurs localisés est ajusté afin de permettre un phénomène de transparence induite. 3. Diode laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les éléments sont répartis sous forme de réseau périodique le long de l'axe principal du guide d'onde. 4. Diode laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la fréquence caractéristique de la rétroaction induite par le réseau formé par les éléments distribués diffère de moins de 20% de la fréquence de résonance des résonateurs localisés eux-mêmes. 5. Diode laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les résonateurs localisés comprennent au moins un élément ayant une dimension comprise entre 1/5 et 1/20 du rapport entre la vitesse de la lumière c et la fréquence f (c/f) de l'émission laser dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe principal du guide d'onde. 6. Diode laser selon la revendication précédente, dans laquelle les éléments formant les résonateurs localisés résonants sont disposés de façon à ce que la plus grande dimension soit orientée suivant la direction d'un des champs électriques non nul de l'onde guidée. 7. Diode laser selon la revendication précédente, dans laquelle les éléments résonants les résonateurs localisés sont disposés de façon à ce que la plus grande dimension soit orientée suivant la direction du champ électrique dominant de l'onde guidée. 3054734 11 8. Diode laser selon la revendication précédente, dans laquelle les résonateurs localisés sont disposés selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe principal du guide d'onde avec une séparation entre eux inférieure à la dimension des résonateurs localisés selon ladite direction, par exemple la séparation est comprise entre 1/10 et 1/50 de c/f 5 9. Diode laser selon l'une des revendications 7 ou 8, dans laquelle la distance entre les résonateurs localisés les plus proches du guide d'onde et le flanc du guide d'onde est inférieure ou égale à 1/10 de c/f, de préférence au contact d'un des bords du guide. 10 10. Diode laser selon l'une des revendications 7 ou 8, dans laquelle les résonateurs localisés sont au moins partiellement à l'intérieur du guide d'onde. 11. Diode laser selon l'une des revendications 7 à 9, dans laquelle chaque période du réseau périodique comprend entre 1 et 10 résonateurs localisés. 15 12. Diode laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les résonateurs localisés sont constitué d'un méta-matériau (de nature diélectrique, métallique ou métallo-diélectrique). 20 13. Diode laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le facteur de qualité des résonateurs localisés est ajusté entre 10 et 100 à l'aide d'un matériau dissipatif à la fréquence de l'émission laser, tel qu'un métal. 14. Dispositif de télécommunication comprenant comme source optique une diode laser selon 25 l'une des revendications précédentes. 15. Dispositif de télécommunication selon la revendication 14, ne comprenant pas d'isolateur optique. 30