Source: https://patents.google.com/patent/EP0639876A1/en
Timestamp: 2018-03-18 04:21:17+00:00
Document Index: 161538120

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EP0639876A1 - Optical semiconductor amplifier with reduced non-linearity - Google Patents
Optical semiconductor amplifier with reduced non-linearity
EP0639876A1
EP0639876A1 EP19940401865 EP94401865A EP0639876A1 EP 0639876 A1 EP0639876 A1 EP 0639876A1 EP 19940401865 EP19940401865 EP 19940401865 EP 94401865 A EP94401865 A EP 94401865A EP 0639876 A1 EP0639876 A1 EP 0639876A1
EP19940401865
The gain of the amplifier is stabilised by making the amplifier oscillate at a wavelength not used for amplifying the input signal (Pi). One illustrative embodiment comprises: - a substrate (2); - an active optical guide (waveguide) (3); - a grating (4) coupled along the entire length of the optical guide (3) and having a Bragg wavelength which is different from the wavelength of the signal to be amplified; - two electrodes (1, 6) for transversely injecting an electric current (I). Application to systems for transmitting optical signals. <IMAGE>
L'invention concerne un amplificateur optique à semiconducteur, présentant une non-linéarité réduite. The invention relates to a semiconductor optical amplifier having a reduced non-linearity. Un tel amplificateur peut être utilisé dans le domaine des télécommunications par fibre optique, notamment pour amplifier un signal optique avant de le transmettre à grande distance. Such an amplifier can be used in the field of fiber optic telecommunications, in particular for amplifying an optical signal before transmitting it over long distances. Actuellement deux types d'amplificateur optique sont utilisés pour cette application : l'amplificateur à semiconducteur, et l'amplificateur à fibre dopée par une terre rare. Currently two types of optical amplifier are used for this application: the semiconductor amplifier, and the doped fiber amplifier with a rare earth.
Pour la transmission autour d'une longueur d'onde de 1,55 micron, l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium est le plus couramment utilisé, essentiellement parce qu'il ne présente pas de non-linéarité de gain en fonction de la puissance du signal d'entrée pour les signaux utilisés dans les systèmes de télécommunication optique. For transmission around a wavelength of 1.55 micron, the fiber amplifier doped with erbium is the most commonly used, mainly because it does not present non-linearity of gain versus the power of the input signal for the signals used in optical telecommunication systems. Le temps de récupération du gain dans un amplificateur à fibre dopée à l'erbium est supérieur à 0,1 ms. The gain recovery time in a fiber amplifier doped with erbium is greater than 0.1 ms. Ce temps de récupération élevé procure une stabilisation du gain parce que celui-ci n'a pas le temps de remonter lorsque le signal passe d'un état haut à un état bas, pour les fréquences de modulation utilisées dans le domaine des télécommunications, qui sont de l'ordre de 100 MHz à 10 GHz. This high recovery time provides stabilization of the gain because it does not have time to go up when the signal transitions from a high state to a low state, for the modulation frequency used in the field of telecommunications, which are of the order of 100 MHz to 10 GHz.
Par contre, à cause d'un temps de récupération très court, les amplificateurs à semiconducteur présentent une importante non-linéarité de gain jusqu'à des fréquences de modulation de plusieurs gigahertz, lorsque l'amplificateur travaille en régime de saturation. By cons, because of a very short recovery time, the semiconductor amplifiers have a significant non-linearity gain up to modulation frequencies of several gigahertz, when the amplifier works in saturation. Classiquement, un amplificateur optique à semiconducteur comporte un guide optique actif dans lequel un courant électrique est injecté transversalement. Conventionally, a semiconductor optical amplifier comprises an active optical waveguide in which an electric current is injected transversely. Le signal d'entrée, à amplifier, est injecté à une extrémité du guide, et le signal optique amplifié est recueilli à l'autre extrémité du guide. The input signal to be amplified is injected into one end of the guide, and the amplified optical signal is collected at the other end of the guide. Le gain d'un amplificateur classique à semiconducteur est, en première approximation, une fonction linéaire de la densité de porteurs de charge électrique dans le guide actif. The gain of a conventional semiconductor amplifier is a first approximation, a linear function of the electric charge carrier density in the active waveguide. Cette densité de porteurs résulte d'un équilibre entre le taux de pompage par l'injection de courant électrique, qui tend à augmenter cette densité, et le taux de recombinaison par émission stimulée dû à l'amplification du signal, qui tend à diminuer cette densité. This carrier density results from a balance between the pumping rate by injecting electric current, which tends to increase the density, and the emission by stimulated recombination rate due to the amplification of the signal, which tends to reduce this density. Toute modification du taux de pompage, ou de la puissance du signal d'entrée, modifie la densité de porteurs et donc modifie le gain de l'amplificateur. Any change to the pumping rate, or the power of the input signal changes the carrier density and thus changes the gain of the amplifier. En particulier, lorsque la puissance du signal d'entrée augmente, le taux de recombinaison des porteurs augmente sous l'effet de l'augmentation du nombre de photons et de l'émission stimulée, par conséquent la densité de porteurs décroît et le gain baisse. In particular, when the power of input signal increases, the recombination rate of the carriers increases under the effect of the increase in the number of photons and the stimulated emission, thus the carrier density decreases and the gain drop . Inversement, lorsque la puissance du signal d'entrée diminue, le taux de recombinaison diminue sous l'effet de la baisse du nombre de photons, par conséquent la densité de porteurs croît, et le gain augmente. Conversely, when the power of the input signal decreases, the recombination rate decreases under the effect of the decrease in the number of photons, thus the carrier density increases, and the gain increases.
Cette augmentation du gain est très rapide. This increase in gain is very fast. Après une coupure instantanée du signal d'entrée, le temps de récupération du gain est inférieur à 500 picosecondes. After an instantaneous cutoff of the input signal, the gain recovery time is less than 500 picoseconds. Le gain varie donc en fonction des données binaires modulant le signal amplifié, malgré la fréquence de modulation très élevée généralement utilisée dans le domaine des télécommunications. The gain therefore varies depending on the modulating binary data the amplified signal, despite the very high frequency modulation commonly used in the field of telecommunications. Cette non-linéarité provoque une réduction de contraste entre le niveau haut et le niveau bas du signal amplifié, donc une réduction du taux de modulation du signal, et donc une réduction du rapport signal sur bruit. This non-linearity causes a reduction in contrast between the top level and bottom level of the amplified signal, so a reduction of the signal modulation rate, and therefore a reduction in the signal to noise ratio. De plus, dans le cas où plusieurs canaux multiplexés spectralement sont amplifiés simultanément les fluctuations du gain dues à cette non-linéarité engendrent une diaphonie entre les différents canaux. In addition, if more spectrally multiplexed channels are simultaneously amplified fluctuations of the gain due to this non-linearity generate crosstalk between the different channels. L'utilisation des amplificateurs à semiconducteur est donc limitée au cas des petits signaux, pour éviter cette perte de contraste, et cette diaphonie. The use of semiconductor amplifiers is limited to the case of weak signals, to avoid this loss of contrast, and this crosstalk.
Par ailleurs, les signaux analogiques du type MABLR (modulation analogique à bande latérale réduite) utilisés pour la distribution de vidéo sur fibre optique ne peuvent pas à l'heure actuelle être amplifiés dans un amplificateur semiconducteur du fait des très faibles niveaux de distorsion requis. In addition, analog signals from the VSB-type (analog modulation with reduced side band) used for the optical fiber on video distribution can not at present be amplified in a semiconductor amplifier because of the very low levels of distortion required.
Des solutions ont été proposées dans le but de remédier au comportement non linéaire d'un amplificateur à semiconducteur: Solutions have been proposed in order to remedy the non-linear behavior of a semiconductor amplifier:
L'utilisation d'une contre-réaction électrique agissant sur l'intensité du courant électrique injecté dans l'amplificateur, en fonction de l'amplitude du signal amplifié sortant de cet amplificateur. The use of a feedback against electric acting on the electrical current value injected into the amplifier, as a function of the amplitude of the amplified signal leaving the amplifier. Cette solution est peu efficace dès que la fréquence de modulation dépasse quelques centaines de mégaherz et requiert un circuit électronique dont l'encombrement, la consommation électrique, et le coût dépassent largement ceux de l'amplificateur lui-même. This solution is very effective when the modulation frequency exceeds a few hundred megahertz and requires an electronic circuit whose size, power consumption, and cost far exceed those of the amplifier itself.
L'utilisation de matériaux semiconducteurs à puits quantiques. The use of semiconductor materials in quantum wells. Cette solution permet d'augmenter la puissance du signal pour laquelle le phénomène de non-linéarité apparaît. This solution increases the signal for which the non-linear phenomenon appears. Les valeurs mentionnées dans la littérature font état d'une augmentation de 5 dB de la puissance disponible à la sortie de l'amplificateur. The values ​​reported in the literature show an increase of 5 dB power available at the output of the amplifier. Toutefois, cette solution ne fait que repousser le seuil d'apparition de la non-linéarité, mais ne supprime pas celle-ci, et ne permet donc pas d'exploiter toute la puissance théoriquement disponible pour le signal amplifié, qui requiert typiquement une compression de 4 dB du gain. However, this solution only pushes the threshold of onset of nonlinearity, but does not remove it, and therefore does not harness the power theoretically available for the amplified signal, which typically requires compression 4 dB gain.
La demande de brevet japonais JP-A-01 143 382 décrit un amplificateur optique à semi-conducteur comportant un laser à semi-conducteur, ce dernier émettant sur une première longueur d'onde. Japanese patent application JP-A-01143382 discloses an optical amplifier semiconductor device comprising a semiconductor laser, the latter emitting on a first wavelength. Le signal optique à amplifier a une seconde longueur d'onde, différente de la première. The optical signal to be amplified has a second wavelength, different from the first. Il est injecté dans la couche active du laser à travers un isolateur optique. It is injected into the active layer of the laser through an optical isolator. Un filtre de sortie ne laisse passer que la seconde longueur d'onde, afin d'extraire le signal amplifié. An output filter passes only the second wavelength, in order to extract the amplified signal. Le laser comporte deux faces clivées situées respectivement aux deux extrémités de la couche active. The laser includes two cleaved faces respectively located at both ends of the active layer. Elles ne sont pas traitées anti-reflet et forment donc une cavité qui résonne sur de nombreuses longueurs d'onde. They are not treated anti-reflective and thus form a cavity that resonates on many wavelengths. L'oscillation laser maintient constante la densité d'électrons et de trous quand l'intensité du signal à amplifier varie. The laser oscillation is kept constant the density of electrons and holes when the intensity of the signal to be amplified varies. Le gain est donc stabilisé mais cette amplification n'est pas satisfaisante parce qu'elle est résonnante sur les pics de résonance de la cavité, le signal à amplifier se réfléchissant partiellement sur les faces clivées et créant des ondes stationnaires dans la cavité. The gain is stabilized but that amplification is not satisfactory because it is resonant at the resonant peaks of the cavity, the signal to be amplified is partially reflective on the cleaved faces and creating standing waves in the cavity. Le signal à amplifier doit avoir une longueur d'onde correspondant à l'un des pics de résonance de la cavité. The signal to be amplified must have a wavelength corresponding to one of the cavity resonance peaks. Cette condition est difficile à satisfaire en pratique, car les longueurs des pics de résonance varient en fonction de plusieurs paramètres difficiles à maîtriser. This condition is difficult to satisfy in practice because the lengths of the resonance peaks vary more difficult to control parameters. Toute dérive des pics provoque donc une chute du gain de l'amplificateur. Any drift peaks therefore causes a drop in the gain of the amplifier.
Le but de l'invention est de proposer un amplificateur optique à semiconducteur dans lequel le gain soit constant jusqu'à des fréquences de modulation très élevées, sans nécessiter un dispositif extérieur à cet amplificateur; The object of the invention is to provide a semiconductor optical amplifier in which the gain is constant up to very high modulation frequencies, without requiring an external device to said amplifier; permettant d'exploiter toute la puissance théoriquement disponible pour le signal amplifié; to exploit the power theoretically available for the amplified signal; et où l'amplification soit à onde progressive et non pas à onde stationnaire. and wherein the amplification is traveling wave and not standing wave.
L'objet de l'invention est un amplificateur optique à semiconducteur, présentant une non-linéarité réduite, caractérisé en ce qu'il comporte un guide optique et des moyens résonants couplés à ce guide pour faire osciller cet amplificateur à une longueur d'onde unique différente de la longueur d'onde d'un signal à amplifier, mais appartenant à la bande de gain de l'amplificateur, et pour assurer une amplification à onde progressive du signal à amplifier. The object of the invention is a semiconductor optical amplifier having a reduced non-linearity, characterized in that it comprises an optical waveguide and resonator means coupled to the guide for oscillating amplifier at a wavelength single different from the signal wavelength to be amplified, but belonging to the gain band of the amplifier and to ensure a wave amplification of the signal to be amplified.
L'amplificateur ainsi caractérisé présente, pour toute longueur d'onde différente de la longueur d'onde d'oscillation, un gain en onde progressive constant par rapport aux variations du signal amplifié, grâce à un phénomène analogue à un phénomène déjà connu dans les lasers à semiconducteurs. The amplifier and characterized herein, for any wavelength different from the oscillation wavelength, a gain constant wave with respect to variations of the amplified signal, by a phenomenon similar to a known phenomenon in semiconductor lasers.
En effet, le gain d'un laser à semi-conducteur est bloqué à une valeur fixe, égale à l'inverse des pertes de la cavité, dès qu'il a atteint le seuil d'oscillation. Indeed, the gain of a semiconductor laser is locked to a fixed value, equal to the inverse of cavity losses, once it has reached the oscillation threshold. Au-delà du seuil, l'oscillation vide l'excès de porteurs injectés, et maintient la densité de porteurs à une valeur d'équilibre correspondant au gain minimal nécessaire pour entretenir l'oscillation. Beyond the threshold, the vacuum oscillation excess injected carriers, and maintains the carrier density in an equilibrium value corresponding to the minimum gain necessary to maintain the oscillation. Toute injection de porteurs supplémentaires, produite par l'augmentation du courant électrique injecté, provoque une augmentation de la puissance émise à la longueur d'onde de l'oscillation sans augmentation de la densité de porteurs à l'équilibre. Any injection of additional carriers, produced by the increase of the injected electric current, causes an increase of the power emitted at the wavelength of the oscillation without increasing the carrier density at equilibrium. Inversement, toute diminution du courant électrique se traduit par une diminution de la puissance émise à la longueur d'onde d'oscillation, sans modifier la densité de porteurs à l'équilibre. Conversely, any reduction in the electric current results in a decrease of the power emitted at the oscillation wavelength without changing the carrier density at equilibrium.
Dans l'amplificateur selon l'invention, le gain de l'amplificateur est stabilisé en le faisant osciller, comme un laser, à une longueur d'onde non utilisée pour l'amplification du signal d'entrée. In the amplifier according to the invention, the gain of the amplifier is stabilized in the oscillating, like a laser, at a wavelength not used for amplification of the input signal. Cependant l'amplification est à onde progressive, car les moyens résonants utilisés ne résonnent qu'à une seule longueur d'onde. However, the amplification is traveling wave because the resonator means used resonate only a single wavelength. En pratique, le résonateur utilisé peut être un résonateur résonnant sur deux longueurs d'onde très proches. In practice, the resonator can be used a resonator resonant at two very close wavelengths. Dans l'hypothèse où la raie de fluorescence du matériau constituant le guide présente un élargissement globalement homogène, ce qui est le cas pour les semiconducteurs, toute l'étendue spectrale de la courbe de gain de l'amplificateur est stabilisée par l'oscillation laser bien que celle-ci n'existe qu'à une longueur d'onde déterminée, située à l'intérieur de cette étendue spectrale. Assuming that the fluorescence line of the material constituting the guide has a generally homogeneous broadening, which is the case with semiconductors, the entire spectral range of the gain curve of the amplifier is stabilized by the laser oscillation although the latter exists only a specific wavelength, located within this spectral range. Grâce à cette stabilisation du gain, l'amplificateur selon l'invention ne présente pas les effets gênants d'une non-linéarité : diminution du contraste; With this stabilization of the gain, the amplifier according to the invention does not have the deleterious effects of non-linearity: decreased contrast; et diaphonie dans le cas de canaux multiplexés spectralement. and crosstalk in the case of spectrally multiplexed channels.
Selon un mode de réalisation préférentiel, les moyens résonants comportent au moins un réseau distribué, chaque réseau étant couplé au guide optique et ayant une longueur d'onde de Bragg égale à la longueur d'onde choisie pour l'oscillation. According to a preferred embodiment, the resonator means comprise at least a distributed network, each network being coupled to the optical waveguide and having a Bragg wavelength equal to the wavelength selected for the oscillation.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-dessous d'exemples de réalisation : The invention will be better understood and other characteristics will appear with the following description of embodiments:
la figure 1 représente la répartition spectrale de la raie d'oscillation , de la raie du signal amplifié, et de l'émission spontanée amplifiée, dans un amplificateur selon l'invention; 1 shows the spectral distribution of the oscillation stripe, the stripe of the amplified signal and amplified spontaneous emission, in an amplifier according to the invention;
la figure 2 représente le schéma synoptique d'un premier exemple de réalisation d'un amplificateur selon l'invention, vu en coupe longitudinale; FIG 2 is a block diagram of a first embodiment of an amplifier according to the invention, seen in longitudinal section;
la figure 3 représente une coupe transversale de ce premier exemple de réalisation; Figure 3 shows a cross section of this first embodiment;
la figure 4 représente une coupe transversale d'une variante de ce premier exemple de réalisation; 4 shows a cross section of a variant of this first embodiment;
la figure 5 représente un graphe du gain en fonction de la puissance du signal amplifié, d'une part pour un amplificateur classique, et d'autre part pour un amplificateur selon l'invention; 5 shows a graph of gain versus the power of the amplified signal on the one hand for a conventional amplifier, and secondly to an amplifier according to the invention;
les figures 6 et 7 représentent deux autres exemples de réalisation de l'amplificateur selon l'invention. Figures 6 and 7 show two other of the amplifier of embodiment examples of the invention.
Le diagramme représenté sur la figure 1 représente la répartition spectrale de la raie d'oscillation λo, de la raie λi du signal amplifié, et l'émission spontanée amplifiée ESA qui est répartie dans toute la bande de gain d'un amplificateur selon l'invention. The diagram shown in Figure 1 shows the spectral distribution of the oscillation stripe .lambda.o, the .lambda.i stripe of the amplified signal and amplified spontaneous emission ESA which is distributed throughout the gain band of an amplifier according to invention. La longueur d'onde λi peut être supérieure ou inférieure à la longueur d'onde λ O mais elle doit être différente de λ o , pour permettre de séparer, par filtrage, le signal amplifié du signal produit par l'oscillation. .lambda.i the wavelength can be greater or less than the wavelength λ O, but must be different from λ o to allow separation by filtering, the amplified signal of the signal produced by the oscillation.
Par ailleurs, cette séparation doit être suffisamment grande pour éviter la création de bandes latérales parasites par mélange à quatre ondes. Furthermore, this separation should be large enough to prevent the creation of parasitic sidebands by four-wave mixing.
La puissance de la raie λ O de l'oscillation décroît d'une quantité égale (au premier ordre) à celle de tout accroissement de la puissance la raie λi du signal amplifié, car la consommation des porteurs en excès se répartit entre la raie λo et la raie λi. The power of λ O line of the oscillation decreases by an amount equal (to first order) than any increase in the power of the amplified signal .lambda.i stripe, because the consumption of excess carriers is distributed between the stripe .lambda.o and .lambda.i line. Si la puissance du signal d'entrée augmente, la puissance de l'oscillation décroît éventuellement jusqu'à l'extinction complète de cette raie λo. If the power of the input signal increases, the power of the oscillation decreases until eventually the complete extinction of this line .lambda.o. Au-delà de l'extinction, le gain de l'amplificateur n'est plus constant. Beyond extinction, the gain of the amplifier is no longer constant. Il commence à diminuer, ce qui entraîne une réapparition de la non-linéarité. It starts to decrease, resulting in a resurgence of nonlinearity. La puissance du signal amplifié doit donc rester inférieure ou égale à la puissance de la raie d'oscillation émise par les extrémités du guide en l'absence de tout signal d'entrée, pour que l'amplificateur soit maintenu en deçà du seuil de réapparition de la non-linéarité. The power of the amplified signal must remain less than or equal to the power of the oscillation line emitted by the ends of the guide in the absence of any input signal to the amplifier is maintained below the threshold reappearance the nonlinearity.
Pour obtenir une puissance du signal amplifié qui soit importante, il faut donc que la puissance de la raie d'oscillation soit elle-même importante, en l'absence de signal d'entrée. For a power of the amplified signal is important, it is necessary that the power of the oscillation stripe is itself significant, in the absence of input signal. Il est donc nécessaire d'augmenter le courant électrique injecté, bien au-delà du seuil d'oscillation, typiquement deux à quatre fois l'intensité correspondant à ce seuil. It is therefore necessary to increase the injected electric current, well beyond the oscillation threshold, typically two to four times the intensity corresponding to this threshold.
D'autre part, contrairement au cas d'un laser classique dans lequel il faut minimiser le gain nécessaire pour l'oscillation et donc utiliser une forte contre-réaction optique, il est nécessaire de maximiser le gain nécessaire à l'oscillation, dans l'amplificateur selon l'invention. Moreover, unlike a conventional laser in which to minimize the gain required for oscillation and thus use strong against optical feedback, it is necessary to maximize the gain required for oscillation in amplifier according to the invention. Pour cela, il faut minimiser le coefficient de couplage entre les moyens résonants et mode guidé par le guide. For this, it is necessary to minimize the coupling coefficient between the resonant and guide means guided by the guide. Un coefficient de réflectivité de ces moyens résonants égal à - 2O dB permet d'obtenir un gain de 20 dB dans l'amplificateur. A coefficient of reflectivity of the resonant means equal to - 2O dB provides a gain of 20 dB in the amplifier. A titre de comparaison, le gain est de 5 dB dans un laser à semi-conducteur classique. For comparison, the gain is 5 dB in a conventional semiconductor laser.
La figure 2 représente schématiquement un premier exemple de réalisation de l'amplificateur selon l'invention. 2 schematically shows a first embodiment of the amplifier according to the invention. Il comporte : It comprises :
deux électrodes parallèles 1 et 6, permettant d'injecter un courant électrique de pompage I; two parallel electrodes 1 and 6 for injecting an electric current pumping I;
un substrat semiconducteur 8 constitué d'un premier matériau semi-conducteur de type N, compris entre les électrodes 1 et 6; a semiconductor substrate 8 formed of a first semiconductor material of N-type, between the electrodes 1 and 6;
une couche de confinement 2, constituée du même premier matériau, mais avec un dopage P+ opposé à celui du substrat 8; a confinement layer 2, made of the same first material, but with a P + doping opposite that of the substrate 8;
un guide optique 3, actif sur toute sa longueur, et dont l'axe longitudinal est parallèle aux électrodes 1 et 6; a light guide 3, active over its entire length, and whose longitudinal axis is parallel to the electrodes 1 and 6; constitué d'un second matériau semiconducteur dont la maille est accordée avec celle du premier matériau et qui a un indice de réfraction plus grand que celui du premier matériau; consisting of a second semiconductor material whose mesh is granted with that of the first material and which has a refractive index greater than that of the first material;
un réseau distribué 4 s'étendant tout le long du guide 3; a distributed network 4 extending along the guide 3; constitué d'une mince couche de matériau semiconducteur d'indice plus élevé que celui du substrat 8, et gravé périodiquement dans une partie ou dans la totalité de l'épaisseur de cette couche; consists of a thin layer of semiconductor material of a higher index than that of substrate 8, and engraved periodically in a part or the whole thickness of this layer;
deux faces clivées, 5 et 7, traitées antireflets, terminant le substrat 8, perpendiculairement à l'axe longitudinal du guide 3. two cleaved faces, 5 and 7, treated antireflection, finishing the substrate 8 perpendicularly to the longitudinal axis of the guide 3.
La longueur du guide 3 est inférieure à celle du substrat 8, pour que les deux extrémités du guide 3 constituent deux fenêtres enterrées dans le substrat 8 à une certaine distance des faces 5 et 7 respectivement. Length of the guide 3 is smaller than the substrate 8, so that both ends of the guide 3 are two windows buried in the substrate 8 at a distance from the surfaces 5 and 7 respectively.
Le guide 3 est réalisé par un procédé classique pour réaliser un amplificateur optique à semi-conducteur. The guide 3 is formed by a conventional method to realize an optical amplifier semiconductor. Il est 5 réalisé, par exemple, en InGaAsP pour une utilisation à 1,5 ou 1,3 micron. 5 is achieved, for example, InGaAsP for use at 1.5 or 1.3 micron. Le substrat 8 est en InP. The substrate 8 is made of InP. Ils peuvent être réalisés par un procédé classique d'épitaxie par jet moléculaire, ou en phase vapeur. They can be made by a conventional method of molecular beam epitaxy or vapor phase.
Un signal optique d'entrée noté Pi est appliqué à une extrémité du guide 3 à travers la face 7. Un signal optique amplifié noté Ps émerge de la face 5. An input optical signal denoted Pi is applied to one end of the guide 3 through the face 7. An amplified optical signal Ps noted emerges from the face 5.
Le pas du réseau 4 est choisi de telle façon que la longueur d'onde de Bragg de ce réseau soit dans la plage spectrale d'amplification du matériau semiconducteur du guide actif 3. Le réseau 4 réfléchit toute onde se propageant dans le guide 3 et ayant cette longueur d'onde de Bragg. The pitch of the grating 4 is selected such that the Bragg wavelength of the network to be in the spectral range of amplification of the semiconductor material of the active waveguide 3. The network 4 reflects all wave propagating in the guide 3 and having this wavelength of Bragg. La profondeur du réseau 4 et sa distance vis-à-vis du guide 3 déterminent le coefficient de couplage entre le mode guidé par le guide 3 et le réseau 4. Ce coefficient de couplage est choisi de telle façon qu'il y ait oscillation, et que le gain nécessaire à l'oscillation ait une valeur élevée, par exemple 20 dB. The depth of the network 4 and its position vis-à-vis distance of the guide 3 determines the coupling coefficient between the mode guided by the guide 3 and the network 4. This coupling coefficient is selected such that there is oscillation, and the gain required for oscillation has a high value, for example 20 dB.
Les faces 5 et 7 sont traitées antireflets pour supprimer les pertes de Fresnel, et l'effet Fabry-Perot naturel dû aux faces clivées 5 et 7 du substrat 2, qui se traduirait par une ondulation indésirable du gain en fonction de la longueur d'onde. The faces 5 and 7 are processed to remove anti-reflective Fresnel losses, and natural Fabry-Perot effect due to the cleaved faces 5 and 7 of the substrate 2, which would result in an undesirable ripple gain depending on the length of wave. En outre, les faces 5 et 7 doivent être traitées anti-reflets pour que l'amplificateur fonctionne en ondes progressives, en dehors de la bande de la raie d'oscillation. In addition, the surfaces 5 and 7 must be treated for antireflection that the amplifier operates in wave, outside the band of the oscillation stripe. Pour obtenir de faibles valeurs de réflectivité des faces 5 et 7, inférieures à 10⁻⁴, il peut être nécessaire de désaligner l'axe longitudinal du guide 3 par rapport à la normale aux faces 5 et 7, ou bien d'interrompre le guide actif 3 avant les faces 5 et 7, pour constituer des fenêtres enterrées. For low values ​​of reflectivity of the faces 5 and 7, below 10⁻⁴, it may be necessary to misalign the longitudinal axis of the waveguide 3 with respect to the normal to the surfaces 5 and 7, or to interrupt the guide active 3 before the surfaces 5 and 7, to form buried windows. L'exemple de réalisation représenté sur la figure 2 comporte de telles fenêtres enterrées, la longueur du guide 3 étant choisie inférieure à la longueur du substrat 8 pour que les deux extrémités du guide 3 soient enterrées dans le substrat 8 à une certaine distance des faces 5 et 7 respectivement. The embodiment shown in Figure 2 comprises such buried windows, the guide length of 3 is chosen less than the length of the substrate 8 so that the two ends of the guide 3 are buried in the substrate 8 at a certain distance of the faces 5 and 7 respectively.
La figure 3 représente une vue en coupe transversale du premier exemple de réalisation. 3 shows a cross-sectional view of the first exemplary embodiment. Dans cet exemple, le confinement du courant dans le guide actif 3 est obtenu par une homojonction latérale : la jonction entre la couche de confinement 2, de type P+, et le substrat 8, de type N, présente une tension de seuil supérieure hors de la zone du guide actif 3, ce qui amène le courant électrique à passer préférentiellement à travers le guide actif 3. In this example, the current confinement into the active guide 3 is obtained by a lateral homojunction: the junction between the cladding layer 2, p + type, and the substrate 8, n-type, has an upper threshold voltage outside the area of ​​the active waveguide 3, causing the electric current to preferentially pass through the active waveguide 3.
La figure 4 représente une vue en coupe transversale d'une variante du premier exemple de réalisation, dans laquelle le confinement est réalisé différemment. 4 shows a cross-sectional view of a variant of the first embodiment, wherein the containment is achieved differently. Une couche 11 de type P puis une couche 10 de type N sont déposées successivement par dessus la couche du substrat 8', de type N, puis une couche de confinement 2', de type P, est déposée. A layer 11 of P-type and an N-type layer 10 are successively deposited over the substrate layer 8 ', N-type, then a cladding layer 2', P-type is deposited. Ainsi, une jonction polarisée en inverse, constituée par les couches 10 et 11, empêche le passage du courant latéralement. Thus, a reverse biased junction formed by the layers 10 and 11, prevents current flow laterally. Selon une autre variante de réalisation, les couches 10 et 11 peuvent être remplacées par une seule couche semi-isolante. According to another embodiment, the layers 10 and 11 may be replaced by a single semi-insulating layer.
Selon une variante de réalisation de ce premier exemple, il peut comporter une transition adiabatique classique, à chaque extrémité du guide 3, pour élargir le mode guidé, aux deux extrémités du guide 3, et ainsi faciliter le couplage du guide 3 avec un guide externe constitué d'une fibre optique à chaque extrémité, d'une part pour amener le signal d'entrée et d'autre part pour recevoir le signal de sortie. According to a variant of this first example, it may comprise a conventional adiabatic transition at each end of the guide 3, to expand the guided mode, at both ends of the guide 3, and thus facilitate the guide of the coupling 3 with an external guide consisting of an optical fiber at each end, on the one hand to bring the input signal and the other for receiving the output signal.
La figure 5 représente le graphe BO du gain d'un amplificateur optique à semiconducteur de type classique, et le graphe BF du gain d'un amplificateur selon l'invention, en fonction de la puissance Ps du signal amplifié fourni par ces amplificateurs. Figure 5 shows the graph BO the gain of a semiconductor optical amplifier of conventional type, and the graph BF gain of an amplifier according to the invention, depending on the power Ps of the signal amplified provided by these amplifiers. Ces deux amplificateurs sont réalisés avec les mêmes matériaux et les mêmes dimensions. Both amplifiers are made with the same materials and the same dimensions. Ils sont alimentés avec la même intensité de courant électrique. They are powered with the same amperage.
Le graphe BO montre que le gain est de 28 db pour les petits signaux et qu'il décroît avec une pente croissant avec la puissance de sortie, jusqu'à une valeur de gain voisine de 24 dB qui correspond à la puissance maximale, voisine de 9 dBm, que peut fournir cet exemple de réalisation quelle que soit la puissance du signal d'entrée, pour un courant électrique injecté donné. The graph shows that BO the gain is 28 db for small signals, and it decreases with an increasing slope with the output power to a value of neighboring gain of 24 dB which corresponds to the maximum power, neighboring 9 dBm, that can provide this embodiment regardless of the power of the input signal to an electric current injected given. Cette puissance maximale 9 dBm est atteinte pour une compression du gain de l'ordre de 4 dB par rapport au gain pour des petits signaux. This maximum power 9 dBm is reached for a compression of the gain of about 4 dB relative to the gain for small signals. Par conséquent, il faut accepter au moins 4 dB de compression de gain pour exploiter toute la puissance disponible à la sortie de cet amplificateur classique, c'est-à-dire accepter un niveau de non-linéarité très élevé. Therefore, we must accept at least 4 dB gain compression to harness the power available at the output of the conventional amplifier, that is to say, accepting a very high level of non-linearity.
Le graphe BF est pratiquement une droite d'ordonnée constante, voisine de 24 dB. BF graph is virtually a straight constant ordered, close to 24 dB. Cette ordonnée est égale au gain obtenu au voisinage de la puissance maximale 10 dBm que peut fournir l'amplificateur classique. This ordered is equal to the gain obtained in the vicinity of the maximum power 10 dBm that can provide the conventional amplifier. Ces graphes montrent donc que l'amplificateur selon l'invention permet d'exploiter la puissance maximale d'un amplificateur avec un gain maintenu constant quelle que soit la puissance du signal d'entrée. These graphs thus show that the amplifier of the invention allows to exploit the maximum power of an amplifier with a gain maintained constant regardless of the power of the input signal.
La figure 6 représente un autre exemple de réalisation comportant : 6 shows another embodiment comprising:
deux électrodes 21 et 26; two electrodes 21 and 26;
un substrat 28; a substrate 28;
un guide 23, actif sur toute sa longueur; a guide 23, active on its entire length;
deux réseaux distribués 24a et 24b, parallèles au guide 23, le réseau 24a étant couplé à l'extrémité du guide 23 qui constitue l'entrée de l'amplificateur, et le réseau 24b étant couplé à l'extrémité du guide 23 constituant la sortie de l'amplificateur; two distributed networks 24a and 24b, parallel to the guide 23, the network 24a is coupled to the end of guide 23 which constitutes the input of the amplifier, and the network 24b is coupled to the end of guide 23 constituting the output of the amplifier;
deux faces clivées 25 et 27 terminant le substrat 28, perpendiculairement à l'axe longitudinal du guide 23. two cleaved faces 25 and 27 terminating the substrate 28 perpendicular to the longitudinal axis of guide 23.
La longueur du guide 23 est inférieure à celle du substrat 28 de telle sorte que les extrémités du guide 23 constituent des fenêtres enterrées à l'intérieur du substrat 22, à une certaine distance des faces clivées 25 et 27. Length of the guide 23 is smaller than the substrate 28 such that the ends of the guide 23 constitute windows buried inside the substrate 22, at a distance of the cleaved faces 25 and 27.
Les deux réseaux 24a et 24b n'ont pas le même 5 coefficient de couplage avec le guide 23. Ils sont faits dans une même couche et sont situés à la même distance vis-à-vis du guide 23, mais le réseau 24b a une longueur inférieure à celle du réseau 24a, de façon à présenter un coefficient de couplage inférieur. Both networks 24a and 24b do not have the same 5 coupling coefficient with the guide 23. They are made in a single layer and are located at the same distance vis-à-vis the guide 23, but the network has 24b length smaller than the network 24a, so as to present a lower coupling coefficient. Les réseaux 24a et 24b ne dépassent pas les extrémités du guide 23. La partie médiane du guide 23 n'est couplée à aucun des deux réseaux. Networks 24a and 24b do not exceed the guide ends 23. The middle portion of the guide 23 is coupled to either of the two networks. Par rapport au premier exemple de réalisation, cette structure permet de mieux répartir, le long du guide 23, la contre-réaction réalisée par l'oscillation à la longueur d'onde λ O en dissymétrisant le champ de la raie oscillante, et donc la densité de porteurs le long du guide . Compared with the first embodiment, this structure allows to better distribute along the guide 23, the reaction-formed against the oscillation wavelength λ O in dissymétrisant the scope of the oscillating line, and thus the carrier density along the guide. L'effet de non-linéarité est croissant le long du guide 23, car l'amplitude du signal amplifié est croissante le long du guide 23 et atteint son maximum à proximité de la sortie de l'amplificateur. The non-linear effect is growing along the guide 23, as the amplitude of the amplified signal is increasing along the guide 23 and peaked near the output of the amplifier. Pour appliquer une contre-réaction dosée en fonction de l'importance de la non-linéarité à réduire, il est donc souhaitable d'avoir un champ oscillant croissant de l'entrée vers la sortie de l'amplificateur. To apply a metered against feedback depending on the importance of the non-linearity to reduce, so it is desirable to have an increasing oscillating field from the input to the output of the amplifier. C'est pourquoi le réseau 24a a un coefficient de couplage plus fort que le réseau 24b. This is why the network 24a has a coupling coefficient stronger than the network 24b.
La figure 7 représente schématiquement un troisième exemple de réalisation de l'amplificateur selon l'invention, comportant : 7 schematically shows a third embodiment of the amplifier according to the invention, comprising:
deux électrodes 31 et 36; two electrodes 31 and 36;
un substrat semiconducteur 38, compris entre les électrodes 31 et 36; a semiconductor substrate 38 between the electrodes 31 and 36;
un guide optique comportant une partie active 42 comprise entre deux parties passives 41 et 43, ces parties passives étant constituées d'un matériau dont la bande interdite est plus large que celle du matériau de la partie active 42 pour que ce matériau soit transparent et donc non actif pour l'amplification et l'oscillation; an optical waveguide having an active portion 42 between two passive parts 41 and 43, these passive portions being made of a material whose band gap is wider than that of the active material portion 42 so that this material is transparent and therefore inactive for amplification and oscillation;
deux réseaux distribués 34a et 34b situés respectivement le long de la partie passive 41 et le long de la partie passive 43 du guide; two distributed networks 34a and 34b located along the passive part 41 respectively and along the passive part 43 of the guide;
deux faces clivées 35 et 37, traitées antireflets, terminant le substrat 38 perpendiculairement à l'axe longitudinale du guide 41, 42, 43. two cleaved faces 35 and 37, processed antireflection, finishing the substrate 38 perpendicular to the longitudinal axis of the guide 41, 42, 43.
La longueur totale du guide 41, 42, 43 est inférieure à celle du substrat 38, de telle sorte que les extrémités du guide sont à l'intérieur du substrat et constituent des fenêtres enterrées dans le substrat 32 à une certaine distance des faces clivées 35 et 37. Le réseau 34a s'étend sur toute ou partie de la longueur de la partie passive 41, mais pas au-delà; The total length of the guide 41, 42, 43 is smaller than the substrate 38, so that the guide ends are inside the substrate and constitute the buried windows in the substrate 32 at a distance of the cleaved faces 35 and 37. the network 34a extends over the entire or part of the length of the passive part 41, but not beyond; en particulier, il ne s'étend pas le long de la partie active 42. De même, le réseau 34b s'étend sur toute ou partie de la longueur de la partie passive 43, mais il ne s'étend pas le long de la partie active 42. Ce mode de réalisation présente l'avantage d'obtenir un champ électromagnétique plus uniforme dans les extrémités de la partie active 42, car les irrégularités de champ engendrées par les réseaux 34a et 34b restent localisées à leur voisinage immédiat, c'est-à-dire dans les parties passives 41 et 43 du guide. in particular, it does not extend along the active portion 42. Similarly, the network 34b extends over the entire or part of the length of the passive part 43, but it does not extend along the active portion 42. This embodiment has the advantage of a more uniform electromagnetic field in the ends of the active portion 42, because the field generated by the irregularities 34a and 34b networks remain localized to the immediate vicinity thereof, c ' is to say, in the passive parts 41 and 43 of the guide. Le fait que le champ engendré par les réseaux 34a et 34b dans la partie active 42 soit plus uniforme permet de mieux maîtriser la contre réaction appliquée à l'amplification et donc d'améliorer la constance du gain de l'amplificateur. The fact that the field generated by the networks 34a and 34b in the active part 42 is more uniform allows better control of the reaction applied against the amplification and thus improve the constancy of the gain of the amplifier.
La portée de l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus, il est à la portée de l'Homme de l'art de réaliser autrement les moyens résonants qui sont couplés au guide actif, en respectant deux conditions : The scope of the invention is not limited to the examples described above, it is within the reach of human art to otherwise achieve the resonator means which are coupled to active guide, respecting two conditions:
le coefficient de couplage doit être relativement faible pour que l'amplificateur ait un gain intéressant; the coupling coefficient should be relatively low so that the amplifier has a gain interesting;
la réponse des moyens résonants doit être rapide, vis-à-vis du rythme de modulation du signal à amplifier, pour que la contre-réaction suive le rythme des variations de gain engendrées par la modulation. the response of the resonator means must be fast, vis-à-vis the modulation frequency of the signal to be amplified, so that the cons feedback keeps pace with the gain variations caused by the modulation.
Dans certaines applications, la raie d'oscillation peut être utilisée pour détecter ou surveiller le signal amplifié. In some applications, the oscillation stripe can be used to detect or monitor the amplified signal. Son amplitude varie en opposition de phase avec celle du signal amplifié. Its amplitude varies in phase opposition with that of the amplified signal.
1) Amplificateur optique à semiconducteur, présentant une non-linéarité réduite, caractérisé en ce qu'il comporte un guide optique (3; 23; 41, 42, 43) et des moyens résonants (4; 24a, 24b; 34a, 34b) couplés à ce guide pour faire osciller cet amplificateur à une longueur d'onde (λO) unique et différente de la longueur d'onde d'un signal à amplifier (λ i ), mais appartenant à la bande de gain de l'amplificateur, et pour assurer une amplification à onde progressive, du signal à amplifier. 1) A semiconductor optical amplifier having a reduced non-linearity, characterized in that it comprises an optical waveguide (3; 23; 41, 42, 43) and resonator means (4; 24a, 24b; 34a, 34b) coupled to the guide for oscillating amplifier at a wavelength (.lambda.o) unique and different from the signal wavelength to be amplified (λ i), but belonging to the gain band of the amplifier, and to ensure amplification traveling wave signal to be amplified.
2) Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens résonants comportent au moins un réseau distribué (4; 24a, 24b; 34a, 34b), chaque réseau étant couplé au guide optique (3) et ayant une longueur d'onde de Bragg égale à la longueur d'onde choisie pour l'oscillation. 2) Amplifier according to claim 1, characterized in that the resonator means comprise at least one distributed grating (4; 24a, 24b; 34a, 34b), each network being coupled to the optical waveguide (3) and having a wavelength Bragg equal to the wavelength selected for the oscillation.
3) Amplificateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens résonants comportent un premier et un second réseau distribué (24a, 24b; 34a, 34b) couplés respectivement à une première et à une seconde extrémité du guide (3; 23; 41, 42, 43). 3) The amplifier of claim 2, characterized in that the resonator means comprise a first and a second distributed network (24a, 24b; 34a, 34b) respectively coupled to a first and to a second end of the guide (3; 23; 41 , 42, 43).
4) Amplificateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le guide comporte une partie active (42) et deux parties passives (41, 43) prolongeant respectivement les deux extrémités de la partie active (42); 4) The amplifier of claim 3, characterized in that the guide comprises an active part (42) and two passive parts (41, 43) respectively extending the two ends of the active portion (42); et en ce que les deux réseaux (34a, 34b) sont couplés respectivement aux deux parties passives (41, 43) et non à la partie active (42) du guide. and in that the two gratings (34a, 34b) are respectively coupled to the two passive parts (41, 43) and not to the active part (42) of the guide.
5) Amplificateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux réseaux (34a, 34b) n'ont pas le même coefficient de couplage avec le guide; 5) Amplifier according to claim 3, characterized in that the two gratings (34a, 34b) do not have the same coefficient of coupling with the guide; celui (346) couplé à l'extrémité (33) constituant la sortie de l'amplificateur ayant un coefficient de couplage plus élevé que celui(34a) couplé à l'extrémité (31) constituant l'entrée de l'amplificateur. one (346) coupled to the end (33) constituting the output of the amplifier having a higher coupling coefficient than that (34a) coupled to the end (31) constituting the input of the amplifier.
6) Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat (8) terminé par des faces clivées (7, 5) traitées anti-reflets. 6) An amplifier according to Claim 1, characterized in that it comprises a substrate (8) terminated with cleaved faces (7, 5) with anti-glare.
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