EP1155484A1 - Multiplexeur en longueurs d'ondes de sources lasers - Google Patents

Multiplexeur en longueurs d'ondes de sources lasers

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EP1155484A1
EP1155484A1 EP00993665A EP00993665A EP1155484A1 EP 1155484 A1 EP1155484 A1 EP 1155484A1 EP 00993665 A EP00993665 A EP 00993665A EP 00993665 A EP00993665 A EP 00993665A EP 1155484 A1 EP1155484 A1 EP 1155484A1
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EP
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beams
diffraction grating
laser
grating
diffraction
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EP00993665A
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German (de)
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Inventor
Christian Thomson-CSF Propriété LARAT
Jean-Pierre Thomson-CSF Propriété HUIGNARD
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Publication date
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031—Edge-emitting structures
    • H01S5/4062—Edge-emitting structures with an external cavity or using internal filters, e.g. Talbot filters
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/1206—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers having a non constant or multiplicity of periods
    • H01S5/1215—Multiplicity of periods
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
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    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H01S5/141—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4087—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength

Definitions

  • the invention relates to a device for wavelength multiplexing of a plurality of laser sources and in particular of beams emitted by an array of laser diodes.
  • the power delivered by a laser diode being limited (typically less than 10 W), it is conventional to use monolithic assemblies of diodes (called arrays of laser diodes) making it possible to deliver powers up to typically 100 W
  • arrays have the following characteristics: disadvantage of delivering an optical beam of very poor quality, the elementary diodes emitting side by side Generally 1 cm wide in the direction parallel to the plane of the junction (D // ), the emissive surface of the bars is about 1 ⁇ m high in the perpendicular direction (Dj .
  • a bar is thus a highly asymmetrical source, being approximately 10 000 times wider than high Similarly, the divergence of the radiation is non-symmetrical greater than 25 ° (30 ° to 50 °) according to D ⁇ , it is approximately 10 ° according to D // The combination of these two characteristics leads to a geometric extent approximately 2000 times greater according to D // than selo n D ⁇ This high asymmetry is completely detrimental to the effective use of these components for many applications. In fact, in addition to the difficulty of handling, it is generally advantageous to have a beam of geometric extent close to the symmetry of revolution, for example, for injection into an optical fiber or for the longitudinal optical pumping of solid lasers
  • the invention therefore relates to a wavelength multiplexer of laser sources, characterized in that it comprises
  • a plurality of laser sources emitting beams at different wavelengths A first diffraction grating forming a cavity mirror for the laser diodes, this grating comprising a set of juxtaposed sub-grids of different pitches, each sub-grating receiving one or more of said laser beams, retroreflecting part of the beam or beams and transmitting the other part of the beam in an exit direction, this direction being the same for all the sub-beams;
  • a focusing optic located on the output direction, focusing at a focal point the beams emitted by the laser sources
  • a second diffraction grating located at said focal point and receiving said emitted beams, the angles of incidence of these beams on the diffraction grating being such that the latter superimposes the beams after diffraction.
  • FIGS. 1a to 1c an example of a detailed embodiment of the multiplexer of the invention
  • Figures 2a and 2b an alternative embodiment of the invention
  • Figures 1 a to 1 c show an embodiment of the multiplexer according to the invention.
  • Figures 1a and 1b show a device for the emission of n laser beams of different wavelengths.
  • Figure 1a shows n laser diodes 1.1 to 1.n.
  • these n diodes are in fact a strip of laser diodes 1.
  • the beams emitted by these diodes are collimated by a first cylindrical lens 21, then focused by a second cylindrical lens 22 on a diffraction grating 3 located substantially at the focusing plane. of the lens 22.
  • the axes of the cylindrical lenses 21, 22 are orthogonal to the long length of the diode array and form an afocal system.
  • the diffraction grating 3 is in reality a juxtaposition of diffraction sub-grids 3.1 to 3.n having different pitches so as to be effective at different wavelengths.
  • the wavelength of each of the n laser diodes 1.1 to 1.n of the strip 1 is imposed by making an external cavity closed by a network 3 placed in the Littrow position, the plane of incidence of which is perpendicular to the plane. of the junction of the laser diodes.
  • This orientation of the network is chosen to ensure good selection in wavelength, which would not necessarily be the case for an orientation parallel to the plane of the junction due to the non-monomode spatial emission in this direction of the power diodes. .
  • Order 0 of the network corresponds to the output beams 4.1 to 4.n of the cavity and order -1 to the beam reinjected into the cavity.
  • the angle of incidence of the beams on the grating and the pitch of the grating fix the value of the emission wavelength of each laser diode. It is necessary for the beam to be collimated in the plane of incidence of the grating, for example by putting a third cylindrical lens 23 between the strip 1 and the grating 3. This third cylindrical lens 23 is orthogonal to the lenses 21, 22. This is visible in Figure 1b which shows a bottom view of the system of Figure 1a.
  • each laser diode should light only one sub-array. This is achieved by afocal mounting of the two cylindrical lenses 21 -22 which image the laser diodes on the array 3.
  • the n beams coming from the diodes each have a different wavelength and are parallel between them. They are spaced by a distance dx which corresponds to the distance between diodes in the strip multiplied by the magnification of the lenses 21-22.
  • a preferential example consists in having the beams 4.1 to 4.n parallel to each other and spatially distributed as a function of their wavelengths.
  • the n beams 4.1 to 4.n are then superimposed locally by a lens 5 on a diffraction grating 6.
  • the focal point of the lens 5 is placed on network 3.
  • Network 6 is placed in the Fourrier plane (image focus).
  • the lens 5 can be cylindrical or spherical.
  • the network 6 is a network jaded to have a preferential direction at the output 7. For the beams 4n to be spatially superimposed after the network 6, their wavelength ⁇ n must be chosen judiciously.
  • the beams of the N laser diodes making up a strip are therefore spatially superimposed.
  • the wavelength spacing d ⁇ n between two elementary beams is independent of n (this is verified as long as the incidences on the lens 5 remain low).
  • the invention proposes, for example, to use a photosensitive polymer to produce the gratings 3 in the form of a thick hologram, either by using a length d 'fixed writing wave and by varying the incidences of the beams according to the location on the network 3; either by varying the write wavelength for each sub-network.
  • the second network 6 has a fixed number of lines, which corresponds to a dispersing power D (which also depends on the working angle chosen).
  • D dispersing power
  • the beams are separated at the level of the network 3. This is carried out over a distance of the order of a millimeter at the outlet of the bar (spacing of 0.2 mm, divergence of 10 °). We can thus remove the lenses 21 and 22 as we can see in Figures 2a and 2b.
  • the beam can be used directly or focused in an optical fiber.
  • Diffraction grids 3 and 6 can operate in transmission or in reflection.

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Abstract

Ce multiplexeur en longueurs d'ondes comporte: une pluralité de sources lasers (S1 à Sn, 1.1 à 1.n) émettant des faisceaux à des longueurs d'ondes différentes; un premier réseau de diffraction (3) qui forme miroir de cavité pour les diodes lasers. Ce réseau comporte un ensemble de sous-réseaux juxtaposés de pas différents. Chaque sous-réseau reçoit un ou plusieurs desdits faisceaux lasers, rétroréfléchit une partie du ou des faisceaux et transmet l'autre partie du faisceau dans une direction de sortie (U), cette direction étant la même pour tous les sous-faisceaux; une optique de focalisation qui est située sur la direction de sortie (U) (lentille 5), et qui focalise en un point de focalisation les faisceaux émis par les sources lasers; un deuxième réseau de diffraction (6), qui est situé audit point de focalisation, reçoit lesdits faisceaux émis. Les angles d'incidence de ces faisceaux sur le réseau de diffraction sont tels que celui-ci superpose les faisceaux après diffraction.

Description

MULTIPLEXEUR EN LONGUEURS D'ONDES DE SOURCES LASERS
L'invention concerne un dispositif de multiplexage en longueur d'onde d'une pluralité de sources lasers et notamment de faisceaux émis par une barrette de diodes lasers
La puissance délivrée par une diode laser étant limitée (typiquement inférieure à 10 W), il est classique d'utiliser des assemblages monolithiques de diodes (appelés barrettes de diodes lasers) permettant de délivrer des puissances jusqu'à typiquement 100 W Ces barrettes présentent l'inconvénient de délivrer un faisceau optique de très mauvaise qualité, les diodes élémentaires émettant côte a côte Généralement de 1 cm de large dans la direction parallèle au plan de la jonction (D//), la surface emissive des barrettes est d'environ 1 μm de haut dans la direction perpendiculaire (Dj.) Une barrette est ainsi une source fortement dissymétrique, étant environ 10 000 fois plus large que haute De même, la divergence du rayonnement est non symétrique supérieure à 25° (30° à 50°) selon D±, elle est d'environ 10° suivant D// La combinaison de ces deux caractéristiques conduit à une étendue géométrique environ 2000 fois plus grande selon D// que selon D± Cette forte dissymétrie est tout à fait préjudiciable à l'emploi efficace de ces composants pour de nombreuses applications En effet, outre la difficulté de manipulation, il est en général intéressant de disposer d'un faisceau d'étendue géométrique proche de la symétrie de révolution, par exemple, pour l'injection dans une fibre optique ou pour le pompage optique longitudinal de lasers solides
Superposer différents faisceaux lasers est possible par multiplexage en longueur d'onde chaque laser émet à une longueur d'onde différente des autres et les faisceaux sont superposés à l'aide de miroirs dichroiques ou d'éléments dispersifs (réseaux, prismes) [C C Cook et T Y Fan, in Advanced Solid State Laser 99, OSA Technical Digest, paper PD7 , M C Famés et al , Electron Lett , vol 27, pp 1498-1499 (15 08 91 ) , I H White et al, Electron Lett , vol 26, pp 832-834 (21/6/90)] L'invention concerne donc un multiplexeur en longueurs d ondes de sources lasers, caractérisé en ce qu'il comporte
• une pluralité de sources lasers émettant des faisceaux à des longueurs d'ondes différentes , • un premier réseau de diffraction formant miroir de cavité pour les diodes lasers, ce réseau comportant un ensemble de sous- réseaux juxtaposés de pas différents, chaque sous-réseau recevant un ou plusieurs desdits faisceaux lasers, rétroréfléchissant une partie du ou des faisceaux et transmettant l'autre partie du faisceau dans une direction de sortie, cette direction étant la même pour tous les sous- faisceaux ;
• une optique de focalisation située sur la direction de sortie, focalisant en un point de focalisation les faisceaux émis par les sources lasers ;
• un deuxième réseau de diffraction situé audit point de focalisation et recevant lesdits faisceaux émis, les angles d'incidence de ces faisceaux sur le réseau de diffraction étant tels que celui-ci superpose les faisceaux après diffraction.
Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple de réalisation ainsi que dans les figures annexées qui représentent : les figures 1a à 1c, un exemple de réalisation détaillé du multiplexeur de l'invention ; les figures 2a et 2b, une variante de réalisation de l'invention. Les figures 1 a à 1 c représentent un exemple de réalisation du multiplexeur selon l'invention.
Les figures 1 a et 1 b représentent un dispositif permettant l'émission de n faisceaux lasers de longueurs d'ondes différentes.
La figure 1 a représente n diodes lasers 1.1 à 1.n. Préférentiellement, ces n diodes sont en fait une barrette de diodes lasers 1. Les faisceaux émis par ces diodes sont collimatés par une première lentille cylindrique 21 , puis focalisés par une deuxième lentille cylindrique 22 sur un réseau de diffraction 3 situé sensiblement au plan de focalisation de la lentille 22. Les axes des lentilles cylindriques 21 , 22 sont orthogonaux à la grande longueur de la barrette de diodes et forment un système afocal.
Le réseau de diffraction 3 est en réalité une juxtaposition de sous- réseaux de diffraction 3.1 à 3.n présentant des pas différents de façon à être efficaces à des longueurs d'ondes différentes. On impose la longueur d'onde de chacune des n diodes lasers 1.1 à 1.n de la barrette 1 par la réalisation d'une cavité externe fermée par un réseau 3 placé en position de Littrow dont le plan d'incidence est perpendiculaire au plan de la jonction des diodes lasers. Cette orientation du réseau est choisie pour assurer une bonne sélection en longueur d'onde, ce qui ne serait pas forcément le cas pour une orientation parallèle au plan de la jonction à cause de l'émission non monomode spatiale dans cette direction des diodes de puissance. L'ordre 0 du réseau correspond aux faisceaux de sortie 4.1 à 4.n de la cavité et l'ordre -1 au faisceau réinjecté dans la cavité. Pour éviter le phénomène de sous-cavité qui pourrait compromettre l'efficacité de la sélection en longueur d'onde, il est préférable de traiter antireflet la face de sortie des diodes lasers. L'angle d'incidence des faisceaux sur le réseau et le pas du réseau fixent la valeur de la longueur d'onde d'émission de chaque diode laser. Il est nécessaire que le faisceau soit collimate dans le plan d'incidence du réseau par exemple en mettant une troisième lentille cylindrique 23 entre la barrette 1 et le réseau 3. Cette troisième lentille cylindrique 23 est orthogonale aux lentilles 21 , 22. Cela est visible sur la figure 1b qui représente une vue de dessous du système de la figure 1a. Enfin, chaque diode laser ne doit éclairer qu'un seul sous-réseau. Cela est réalisé par le montage afocal des deux lentilles cylindriques 21 -22 qui imagent les diodes laser sur le réseau 3. Ainsi, en sortie du réseau 3, les n faisceaux issus des diodes ont chacun une longueur d'onde différente et sont parallèles entre eux. Ils sont espacés d'une distance dx qui correspond à la distance entre diodes dans la barrette multipliée par le grandissement des lentilles 21-22.
Un exemple préférentiel consiste à avoir les faisceaux 4.1 à 4.n parallèles entre eux et répartis spatialement en fonction de leurs longueurs d'ondes. La distance dx entre deux faisceaux, 4.1 et 4.2 par exemple, est telle que : dx = f.dλ.D
• f étant la distance focale de la lentille 5 ;
• dλ, la différence de longueurs d'ondes des faisceaux 4.1 et 4.2 ;
• D, le pouvoir de diffraction du réseau de diffraction 6.
Les n faisceaux 4.1 à 4.n sont alors superposés localement par une lentille 5 sur un réseau de diffraction 6. Le foyer objet de la lentille 5 est placé sur le réseau 3. Le réseau 6 est placé dans le plan de Fourrier (foyer image). La lentille 5 peut être cylindrique ou sphérique. Le réseau 6 est un réseau blasé pour avoir une direction préférentielle en sortie 7. Pour que les faisceaux 4n soient spatialement superposés après le réseau 6, il faut que leur longueur d'onde λn soit choisie judicieusement.
On a donc par ce procédé, superposé spatialement les faisceaux des N diodes laser composant une barrette.
En première approximation, l'espacement en longueur d'onde dλn entre deux faisceaux élémentaires est indépendant de n (cela est vérifié tant que les incidences sur la lentille 5 restent faibles). On a donc : dλn = λn - λn-ι = dλ qui est constant. Cette valeur est choisie pour être supérieure à la largeur spectrale des diodes lasers fonctionnant en cavité externe. Typiquement, on prendra dλ = 0,5 à 1 nm. Dans ces conditions, pour le réseau 3, la variation (da) du pas (a) d'un sous-réseau au sous-réseau adjacent est donné par :
da _ dλ a " λ
Par exemple avec λ = 800 nm, dλ = 1 nm et a = 0,8 μm (réseau avec 1/1200 traits/mm) on obtient da = 1 nm. Pour réaliser n réseaux dont le pas varie de proche en proche de 0,5 nm, l'invention propose, par exemple, d'utiliser un polymère photosensible pour réaliser le réseau 3 sous forme d'hologramme épais, soit en utilisant une longueur d'onde d'écriture fixe et en faisant varier les incidences des faisceaux suivant l'emplacement sur le réseau 3 ; soit en faisant varier la longueur d'onde d'écriture pour chaque sous-réseau.
Le deuxième réseau 6 a un nombre de traits fixé, ce qui correspond à un pouvoir de dispersion D (qui dépend également de l'angle de travail choisi). Dans le cas du montage optique présenté figure 1 c, on obtient aisément la relation entre l'espacement spatial dx et spectral dλ entre sous-faisceaux : dx = f.dλ.D où f est la longueur focale de la lentille 5. Par exemple, avec dx = 0,2 mm, dλ = 1 nm et D = 1200 mm'Vcos 45°, on obtient f = 120 mm. Sans sortir du cadre de l'invention, on prévoit également, par exemple que :
• D'autres combinaisons de lentilles et d'autres incidences sur les réseaux soient utilisées. • L'imagerie dans le plan de la jonction des diodes sur le réseau
3 ne soit pas obligatoire, il suffit que les faisceaux soient séparés au niveau du réseau 3. Cela est réalisé sur une distance de l'ordre du millimètre en sortie de la barrette (espacement de 0,2 mm, divergence de 10°). On peut ainsi supprimer les lentilles 21 et 22 comme on peut le voir sur les figures 2a et 2b.
• En sortie du réseau 6, le faisceau peut être utilisé directement ou focalisé dans une fibre optique.
• On peut profiter de la cavité externe pour non seulement fixer la longueur d'onde de chaque diode laser mais également opérer un filtrage spatial du mode latéral pour réduire le nombre de modes transverses émis par chaque diode laser.
• Les réseaux de diffraction 3 et 6 peuvent fonctionner en transmission ou en réflexion.

Claims

REVENDICATIONS
1. Multiplexeur en longueurs d'ondes de sources lasers, caractérisé en ce qu'il comporte :
• une pluralité de sources lasers (S1 à Sn, 1.1 à 1.n) émettant des faisceaux à des longueurs d'ondes différentes ; • un premier réseau de diffraction (3) formant miroir de cavité pour les diodes lasers, ce réseau comportant un ensemble de sous-réseaux juxtaposés de pas différents, chaque sous- réseau recevant un ou plusieurs desdits faisceaux lasers, rétroréfléchissaπt une partie du ou des faisceaux et transmettant l'autre partie du faisceau dans une direction de sortie (U), cette direction étant la même pour tous les sous- faisceaux ;
• une optique de focalisation située sur la direction de sortie (U) (lentille 5), focalisant en un point de focalisation les faisceaux émis par les sources lasers ;
• un deuxième réseau de diffraction (6) situé audit point de focalisation et recevant lesdits faisceaux émis, les angles d'incidence de ces faisceaux sur le réseau de diffraction étant tels que celui-ci superpose les faisceaux après diffraction.
2. Multiplexeur selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'avant focalisation par l'optique de focalisation (5), les faisceaux sont parallèles et les distances entre les axes des faisceaux sont calculées et réparties pour obtenir la superposition des faisceaux après diffraction par le réseau de diffraction.
3. Mutliplexeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la distance dx entre deux faisceaux est donnée par la formule : dx = f.dλ.D dans laquelle :
• f étant la distance focale de l'optique de focalisation (5) ; • dλ, la différence de longueurs d'ondes des faisceaux ;
• D est le pouvoir de dispersion du deuxième réseau de diffraction (6).
4. Multiplexeur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les deux réseaux de diffraction (3, 6) fonctionnent en réflexion ou en transmission.
5. Multiplexeur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte, entre les diodes lasers et le premier réseau de diffraction (3), une première lentille cylindrique (21 ) collimatant les faisceaux lasers et une deuxième lentille cylindrique (22) située entre la première lentille cylindrique et le premier réseau de diffraction, et focalisant les faisceaux collimatés sur le plan du premier réseau de diffraction et imageant les faces émissives des diodes lasers sur ce premier réseau, les axes des lentilles cylindriques (21 , 22) étant orthogonaux à la ligne de diodes lasers.
6. Multiplexeur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une troisième lentille cylindrique (23), orthogonale à la première et à la deuxième lentilles, située entre les diodes lasers et le deuxième réseau de diffraction (3) et collimatant les faisceaux émis par les diodes lasers.
EP00993665A 1999-12-23 2000-12-21 Multiplexeur en longueurs d'ondes de sources lasers Withdrawn EP1155484A1 (fr)

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