EP1889340A1 - Laser a semi-conducteur a tres faible bruit - Google Patents

Laser a semi-conducteur a tres faible bruit

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EP1889340A1
EP1889340A1 EP06777276A EP06777276A EP1889340A1 EP 1889340 A1 EP1889340 A1 EP 1889340A1 EP 06777276 A EP06777276 A EP 06777276A EP 06777276 A EP06777276 A EP 06777276A EP 1889340 A1 EP1889340 A1 EP 1889340A1
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EP
European Patent Office
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cavity
laser
semiconductor
laser according
external
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06777276A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Mehdi Alouini
Ghaya Baili
Chantal Moronvalle
Fabien Bretenaker
Daniel Dolfi
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP1889340A1 publication Critical patent/EP1889340A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • 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
    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H01S5/141—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0064—Anti-reflection components, e.g. optical isolators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/065—Mode locking; Mode suppression; Mode selection ; Self pulsating
    • H01S5/0651—Mode control
    • H01S5/0653—Mode suppression, e.g. specific multimode
    • H01S5/0654—Single longitudinal mode emission
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • 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
    • H01S5/1039—Details on the cavity length
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • 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
    • H01S5/1071—Ring-lasers

Definitions

  • the field of the invention is that of high-dynamic lasers, used in particular in telecommunications systems with digital signals, in radar systems with analog signals, etc.
  • the increase in the dynamics of a laser is obtained by increasing its power and / or by reducing its intrinsic intensity noise.
  • lasers with very low noise are considered. These lasers are also used in new applications such as optical manipulation of atoms, atomic and molecular spectroscopy, quantum memories, quantum cryptography, large interferometers, gravitational wave detection, etc.
  • An important object of the invention is therefore to provide a laser with very low noise on spectral bands greater than 20 GHz.
  • the invention proposes a laser comprising a semiconductor active medium with a population inversion lifetime ⁇ c , and a resonant cavity with a lifetime of photons in the cavity r p , mainly characterized in that the cavity comprises means for being monomode longitudinally and means for that ⁇ p > ⁇ c .
  • Such a laser then has a quasi-white noise spectrum, on a potentially infinite frequency band, an ideal condition for the transport of broadband analog signals for example.
  • the cavity being able to produce several modes, the means for obtaining a monomode cavity comprise filtering means of these modes.
  • the semiconductor having a length I the cavity is external and has a length L> 100 I in order to obtain ⁇ p > ⁇ c .
  • the filtering means of these modes comprise for example a Bragg grating and / or a Fabry-Perot interferometer; the cavity optionally comprises an insulator and / or an optical fiber.
  • the filtering means when the external cavity comprises filtering means and at least one mirror external to the semiconductor, the filtering means comprise this external mirror and this mirror is photorefractive.
  • the external cavity comprises an external exit mirror, and the latter is a concave mirror or a plane mirror associated with a collimating lens or comprises at least one photo-refractive crystal.
  • the cavity comprises mirrors having a reflection coefficient R> 80%.
  • the laser may be monolithic and have two faces having a reflection coefficient R> 80%.
  • the semiconductor is a half-VCSEL or a quantum-island semiconductor or a quantum cascade semiconductor.
  • the semiconductor is a quantum cascade semiconductor, the cavity is external and comprises a waveguide external to the semiconductor.
  • the laser may further comprise a servo device.
  • FIG. 1 schematically represents an example of a laser according to FIG. invention whose outer cavity is in a ring
  • FIG. 2 schematically represents transmission curves T of the signal as a function of the wavelength ⁇ in the presence of a spectral filtering obtained by the insertion of a Bragg grating and a Fabry-Perot interferometer into the cavity.
  • FIGS. 1 schematically represents an example of a laser according to FIG. invention whose outer cavity is in a ring
  • FIG. 2 schematically represents transmission curves T of the signal as a function of the wavelength ⁇ in the presence of a spectral filtering obtained by the insertion of a Bragg grating and a Fabry-Perot interferometer into the cavity.
  • FIGS. 1 schematically represents an example of a laser according to FIG. invention whose outer cavity is in a ring
  • FIG. 2 schematically represents transmission curves T of the signal as a function of the wavelength ⁇ in the presence of a spectral filtering obtained by
  • FIG. 3 schematically represent different examples of linear cavity lasers according to the invention: with an external cavity with concave mirror (3a), with plane mirror and collimation lens (3b), with photo-refractive crystal and collimation lens ( 3c), with mirror and waveguide (3d), and a monolithic laser without external cavity (3e). From one figure to another, the same elements are identified by the same references.
  • these lasers exhibit relaxation oscillations at the frequency ⁇ r whose value is proportional to the pumping rate ⁇ of the laser and, conversely, to the lifetimes ⁇ p and ⁇ c :
  • the resonance frequency ⁇ r disappears when the lifetime of the photons in the laser cavity becomes greater than the characteristic recombination time of the carriers, characteristic property of so-called "class A" lasers.
  • Such a laser then has a quasi-white noise spectrum, on a potentially infinite frequency band, an ideal condition for the transport of broadband analog signals for example.
  • the principle of the invention consists in acting on the dynamics of interaction between the photons and the amplifying medium of the laser in order to be placed in a particular operating regime which makes it possible to significantly extend the lifetime of the photons in the laser cavity. compared to that of the population inversion in the amplifying medium or carriers in the case of a semiconductor laser.
  • a mode of operation equivalent to that of class A lasers is obtained from a class B standard laser such as a semiconductor laser, by significantly increasing the service life of the class B lasers. photons in the laser cavity and / or decreasing the life of the population inversion in the amplifying medium.
  • the laser source must remain monomode longitudinally in order to overcome the noise of beat between modes.
  • the laser 1 according to the invention has as active medium 2 a semiconductor of length I, and a external cavity length L> 100 I.
  • the original cavity which is that of the semiconductor is enlarged by means of an optical fiber 3 which loops back on the semiconductor.
  • the ring cavity thus formed has a length L of a few meters, for example 5 m.
  • Such a cavity length corresponds to a free spectral interval of a few tens of MHz, which allows the simultaneous oscillation of several thousand longitudinal modes (spectral width of the gain 40 nm).
  • the insertion of a Bragg grating 4 in the cavity makes it possible to reduce the oscillation range to 0.05 nm; curve a illustrates this filtering.
  • the light passes through, in order, the insulator then the Fabry-Perot.
  • a circulator 7 directs the light to the Bragg grating which serves as an output coupler and spectral filter.
  • the light reflected by the Bragg grating is finally redirected to the semiconductor 2.
  • the Fabry-Perot resonance frequency is locked in this longitudinal mode.
  • a servo device 8 such as a synchronous detection device.
  • Such a servocontrol also makes it possible to compensate for the mode drifts induced by a temperature change or mechanical stress variations.
  • Such a laser oscillates at 1549 nm and remains monomode longitudinally.
  • the modulation response of the laser shows that the resonance has disappeared and that we are in the presence of a class A laser, that is to say such that ⁇ p > ⁇ c .
  • the results obtained on the noise measurements confirm that the laser obtained is a laser with very low noise: the noise spectrum of this laser is far below that of a standard DFB laser. Indeed, the intensity noise Relative Intensity Noise (“RIN”) of the laser is limited by shot noise over the entire spectral range experimentally accessible by the test bench (100 MHz-21 GHz). The output power of the laser under experimental conditions being 1.8 mW, its relative shot noise is at -156 dB / Hz.
  • RIN intensity noise Relative Intensity Noise
  • a linear external cavity of a few centimeters but strongly overstretched is used. Indeed, in a highly extended cavity, photons perform several hundreds of round trip before exiting the cavity. The result is therefore identical to that which one would obtain with a very long cavity.
  • Using a cavity a few centimeters has a certain advantage compared to a long cavity since it eliminates complex spectral filtering.
  • a highly stretched cavity is a cavity whose mirrors have a reflection coefficient greater than 80%. In the following examples, the cavity is linear.
  • An example of an extended cavity low noise laser will be described.
  • the semiconductor used is a half-VCSEL.
  • a VCSEL Very Cavity Surface Emittivity Laser
  • a half-VCSEL is a VCSEL whose exit face has no Bragg grating.
  • the laser oscillation is then obtained by placing an exit mirror in an external cavity.
  • the output mirror may be a concave mirror or a planar mirror associated with a collimating lens.
  • a cavity length of a few centimeters is then sufficient to obtain a class A laser and consequently an intrinsically low-noise laser over a large spectral width.
  • the half-VCSEL which acts here as the amplifying medium can be pumped either optically or electrically.
  • a spectral filtering device such as a Bragg grating and / or a Fabry-Perot interferometer may further be included in the cavity.
  • the cavity loops on itself with a photo-refractive crystal.
  • the photo-refractive crystal simultaneously makes it possible to increase the lifetime of the photons and to perform a spectral filtering.
  • using a semiconductor whose life inversion of the population in the active medium is very short The use of such an active medium makes it possible to reduce the laser cavity length to a few centimeters, or even a few millimeters.
  • Active media that meet this criterion are quantum-island semiconductors or quantum cascade semiconductors. These active media allow, in addition, to cover wavelengths ranging from near infrared (quantum islands) to THZ (quantum cascade).
  • the approach based on a decrease in the life of population inversion in the active medium can of course be combined with the approach based on the increase of the lifetime of the photons in the laser cavity.
  • the laser comprises an external cavity, that is to say one that extends beyond the semiconductor 2.
  • the first face 21 of the semiconductor 2 plays the role of the first mirror of the laser cavity 14.
  • the second face 22 is, in turn, anti-reflective treatment.
  • a mirror 9 placed a few centimeters from the active medium 2 closes the laser cavity 14.
  • the exit mirror 9 may be a concave mirror (FIG. 3a) or a plane mirror associated with a collimation lens 11 (FIG. 3b) or a photo crystal -refractive 12 associated with a collimation lens 11 ( Figure 3c).
  • a face 13 of the photo-refractive crystal plays the role of the second mirror of the cavity.
  • the extended cavity further comprises the mirror 9, a waveguide THz 10 as diagrammatically shown in FIG. 3d.
  • the laser is monolithic and the means for obtaining ⁇ p > ⁇ c are based on the overvoltage factor of the cavity and on the choice of the active medium 2 which is for example a quantum cascade laser.
  • the active medium 2 which is for example a quantum cascade laser.
  • a reflective treatment is deposited on both faces 21, 22 of the active medium 2.
  • the length of the active medium (of the order of mm) can be optimized so as to reduce the linewidth of the laser.
  • This last architecture has the advantage of being monolithic so easy to implement and less sensitive to external disturbances.
  • the semiconductor is for example a quantum-island or quantum cascade laser or a half-VCSEL.
  • the reflection coefficients of the mirrors of the cavity are preferably greater than 80%.

Landscapes

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Abstract

L'invention a pour objet un laser (1) comportant un milieu actif (2) à semi- conducteur avec une durée de vie d'inversion de population τc , et une cavité résonante avec une durée de vie des photons dans la cavité τp. La cavité comprend des moyens (4, 5) pour être monomode longitudinalement et des moyens pour que τp >τc , comme par exemple une cavité de grande longueur, de manière à obtenir un laser à très faible bruit intrinsèque.

Description

LASER A SEMI-CONDUCTEUR A TRÈS FAIBLE BRUIT
Le domaine de l'invention est celui des lasers à grande dynamique, utilisés notamment dans les systèmes de télécommunications avec des signaux numériques, dans les systèmes radars avec des signaux analogiques, etc.
L'augmentation de la dynamique d'un laser est obtenue par l'augmentation de sa puissance et/ou par la réduction de son bruit d'intensité intrinsèque.
On considère dans la suite les lasers à très faible bruit. Ces lasers sont également utilisés dans de nouvelles applications telles que la manipulation optique des atomes, la spectroscopie atomique et moléculaire, les mémoires quantiques, la cryptographie quantique, les grands interféromètres, la détection d'ondes gravitationnelles, etc.
La technique la plus répandue pour réaliser un laser à très faible bruit consiste à disposer en sortie du laser un dispositif électro-optique « mangeur de bruit » (« noise eater » en anglais).
On peut également utiliser des lasers solides pompés longitudinalement tels que les lasers Nd:YAG ou Er:Yb/Verre.
Dans ces deux cas, la réduction du bruit d'intensité du laser est obtenue sur des plages spectrales réduites, typiquement 1 MHz en raison de l'utilisation d'une boucle d'asservissement électrique.
Un but important de l'invention est donc de réaliser un laser à très faible bruit sur des bandes spectrales supérieures à 20 GHz. Pour atteindre ce but, l'invention propose un laser comportant un milieu actif à semi-conducteur avec une durée de vie d'inversion de population τc , et une cavité résonante avec une durée de vie des photons dans la cavité rp, principalement caractérisé en ce que la cavité comprend des moyens pour être monomode longitudinalement et des moyens pour que τp > τc .
Un tel laser présente alors un spectre de bruit quasi-blanc, sur une bande de fréquence potentiellement infinie, condition idéale pour le transport de signaux analogiques large bande par exemple. De préférence, la cavité étant apte à produire plusieurs modes, les moyens pour obtenir une cavité monomode comprennent des moyens de filtrage de ces modes.
Selon une caractéristique de l'invention, le semi-conducteur présentant une longueur I, la cavité est externe et présente une longueur L>100 I en vue d' obtenir τp > τc .
Les moyens de filtrage de ces modes comportent par exemple un réseau de Bragg et/ou un interféromètre Fabry-Pérot ; la cavité comprend éventuellement un isolateur et/ou une fibre optique. Selon une autre caractéristique de l'invention, lorsque la cavité externe comprend des moyens de filtrage et au moins un miroir externe au semi-conducteur, les moyens de filtrage comportent ce miroir externe et ce miroir est photoréfractif.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la cavité externe comprend un miroir externe de sortie, et celui-ci est un miroir concave ou un miroir plan associé à une lentille de collimation ou comprend au moins un cristal photo-réfractif.
Selon un mode de réalisation, la cavité comprend des miroirs présentant un coefficient de réflexion R>80%. Le laser peut être monolithique et présenter deux faces ayant un coefficient de réflexion R>80%.
Selon une caractéristique de l'invention, le semi-conducteur est un demi-VCSEL ou un semi-conducteur à îlots quantiques ou un semiconducteur à cascade quantique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le semi-conducteur est un semi-conducteur à cascade quantique, la cavité est externe et comprend un guide d'onde externe au semi-conducteur.
Le laser peut comporter en outre un dispositif d'asservissement.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement un exemple de laser selon l'invention dont la cavité externe est en anneau, la figure 2 représente schématiquement des courbes de transmission T du signal en fonction de la longueur d'onde λ en présence d'un filtrage spectral obtenu par l'insertion d'un réseau de Bragg et d'un interféromètre Fabry-Perot dans la cavité, les figures 3 représentent schématiquement différents exemples de lasers à cavité linéaire selon l'invention : avec une cavité externe avec miroir concave (3a), avec miroir plan et lentille de collimation (3b), avec cristal photo-réfractif et lentille de collimation (3c), avec miroir et guide d'onde (3d), et un laser monolithique sans cavité externe (3e). D'une figure à l'autre les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références.
On va tout d'abord analyser l'origine du bruit intrinsèque d'un laser. La plupart des lasers utilisés aujourd'hui, tels que les lasers à semi-conducteurs standard, les lasers solides à verres ou cristaux dopés, les lasers à fibres dopées, etc, sont des lasers dits de « classe B ». La caractéristique principale d'un laser de classe B est que la durée de vie des photons Tp dans la cavité laser est plus courte que la durée de vie d'inversion de population τc . A titre d'exemple, dans un laser à semiconducteur, τc est de l'ordre de la ns alors que τp est d'une dizaine de ps. Dans un laser à cristaux ou verres dopés la durée de vie d'inversion de population τc est encore plus longue, typiquement 100μs à 10 ms.
La durée de vie des photons étant inférieure à celle de l'inversion de population, ces lasers présentent des oscillations de relaxation à la fréquence υr dont la valeur est proportionnelle au taux de pompage η du laser et à l'inverse des durées de vie τp et τc :
Ces oscillations de relaxation sont à l'origine de la présence d'un excès de bruit dont le maximum se trouve à υr. Dans un laser semiconducteur classique, la fréquence de résonance υr se situe autour de 10 GHz. Cette fréquence se trouve donc en plein milieu de la bande de fréquence utile pour les systèmes de transmission de signaux analogiques. A l'inverse, les lasers solides pompés par diode ont un bruit très faible dans la bande 100 MHz-20 GHz. Cependant ils présentent une résonance qui se situe entre 100 kHz et 1 MHz suivant le milieu actif utilisé. L'excès de bruit est également gênant à ces fréquences pour un bon nombre d'applications, mais aussi pour les systèmes de transmission de signaux analogiques puisque qu'on retrouve ce bruit au pied de la porteuse.
Or la fréquence de résonance υr disparaît lorsque la durée de vie des photons dans la cavité laser devient supérieure au temps caractéristique de recombinaison des porteurs, propriété caractéristique des lasers dits de « classe A ». Un tel laser présente alors un spectre de bruit quasi-blanc, sur une bande de fréquence potentiellement infinie, condition idéale pour le transport de signaux analogiques large bande par exemple. Le principe de l'invention consiste à agir sur la dynamique d'interaction entre les photons et le milieu amplificateur du laser afin de se placer dans un régime de fonctionnement particulier qui permet d'allonger notablement la durée de vie des photons dans la cavité laser par rapport à celle de l'inversion de population dans le milieu amplificateur ou des porteurs dans le cas d'un laser à semi-conducteur.
Selon ce principe, on obtient à partir d'un laser standard de classe B tel qu'un laser à semi-conducteur, un régime de fonctionnement équivalent à celui des lasers de classe A en augmentant, de manière significative, la durée de vie des photons dans la cavité laser et/ou en diminuant la durée de vie de l'inversion de population dans le milieu amplificateur. La source laser doit rester monomode longitudinalement afin de s'affranchir de bruits de battement entre modes.
Selon un premier mode de réalisation basé sur une augmentation de la durée de vie des photons dans la cavité laser et décrit en relation avec la figure 1 , le laser 1 selon l'invention a pour milieu actif 2 un semiconducteur de longueur I, et une cavité externe de longueur L>100 I.
Dans l'exemple de la figure, la cavité d'origine qui est celle du semi-conducteur est agrandie au moyen d'une fibre optique 3 qui reboucle sur le semi-conducteur. La cavité en anneau ainsi formée a une longueur L de quelques mètres, par exemple 5 m. Une telle longueur de cavité correspond à un intervalle spectral libre de quelques dizaines de MHz, ce qui autorise l'oscillation simultanée de plusieurs milliers de modes longitudinaux (largeur spectrale du gain 40 nm). On a donc recours à un filtrage spectral de ces modes longitudinaux illustrés figure 2, courbe c. Dans un premier temps, l'insertion d'un réseau de Bragg 4 dans la cavité permet de réduire la plage d'oscillation à 0.05 nm ; la courbe a illustre ce filtrage. L'ajout dans la cavité d'un interféromètre Fabry-Perot 5 en série avec le réseau de Bragg, permet de sélectionner un seul mode longitudinal dans la bande des 0.05 nm ; la courbe b illustre ce filtrage. Pour que le filtrage soit optimal, on dispose également dans la cavité un isolateur 6 qui permet d'imposer au mode laser un sens de rotation. On s'affranchit ainsi des effets de "noie burning spatial" qui favorisent l'oscillation multimode. Par ailleurs, en fixant le sens de rotation de la lumière, on lui impose de traverser le Fabry-Perot et, par voie de conséquent, d'être filtrée spectralement. En effet, sans la présence de cet isolateur, le laser pourrait osciller en cavité linéaire entre les deux miroirs d'entrée du Fabry-Perot.
Ainsi, en partant du semi-conducteur, la lumière traverse, dans l'ordre, l'isolateur puis le Fabry-Perot. Ensuite, un circulateur 7 dirige la lumière vers le réseau de Bragg qui fait office de coupleur de sortie et de filtre spectral. La lumière réfléchie par le réseau de Bragg est finalement redirigée vers le semi-conducteur 2.
Pour que la fréquence du maximum de transmission du Fabry- Perot et celle du mode longitudinal sélectionné restent confondues, on verrouille la fréquence de résonance du Fabry-Perot sur ce mode longitudinal. Cela peut être réalisé à l'aide d'un dispositif d'asservissement 8 tel qu'un dispositif de détection synchrone. Un tel asservissement permet en outre de compenser les dérives de mode induites par un changement de température ou des variations de contraintes mécaniques.
Un tel laser oscille à 1549 nm et reste monomode longitudinalement. En particulier, la réponse en modulation du laser montre que la résonance a disparu et qu'on est bien en présence d'un laser de classe A, c'est-à-dire tel que τp > τc .
Les résultats obtenus sur les mesures de bruit confirment que le laser obtenu est un laser à très faible bruit : le spectre de bruit de ce laser est très en deçà de celui d'un laser DFB standard. En effet, le bruit d'intensité relatif (« RIN » acronyme de l'expression anglo-saxonne « Relative Intensity Noise ») du laser est limité par le bruit de grenaille sur toute la plage spectrale accessible expérimentalement par le banc de mesure (100 MHz- 21 GHz). La puissance de sortie du laser dans les conditions expérimentales étant de 1 ,8 mW, son bruit de grenaille relatif se trouve à -156 dB/Hz.
Selon un autre mode de réalisation, également basé sur l'augmentation de la durée de vie des photons dans la cavité laser, on utilise une cavité externe linéaire de quelques centimètres mais fortement surtendue. En effet, dans une cavité fortement surtendue, les photons effectuent plusieurs centaines d'aller-retour avant de sortir de la cavité. Le résultat est donc identique à celui qu'on obtiendrait avec une cavité très longue. Utiliser une cavité de quelques centimètres présente un avantage certain comparé à une cavité longue puisque cela permet de s'affranchir d'un filtrage spectral complexe. Une cavité fortement surtendue est une cavité dont les miroirs ont un coefficient de réflexion supérieur à 80%. Dans les exemples suivants, la cavité est linéaire. On va décrire un exemple de laser faible bruit à cavité surtendue. Le semi-conducteur utilisé est un demi-VCSEL. On rappelle qu'un VCSEL (« Vertical Cavity Surface Emittivity Laser » en anglais) est un laser à émission par la surface dont le milieu actif à semi-conducteur est vertical et entouré de part et d'autre d'un réseau de Bragg. Un demi-VCSEL est un VCSEL dont la face de sortie est démunie de réseau de Bragg. L'oscillation laser est alors obtenue en plaçant un miroir de sortie en cavité externe. Le miroir de sortie peut être un miroir concave ou un miroir plan associé à une lentille de collimation. Une longueur de cavité de quelques centimètres est alors suffisante pour obtenir un laser de classe A et par conséquent un laser intrinsèquement faible bruit sur une grande largeur spectrale. Le demi- VCSEL qui joue ici le rôle de milieu amplificateur peut être pompé soit optiquement soit électriquement. Un dispositif de filtrage spectral tel qu'un réseau de Bragg et /ou un interféromètre Fabry-Perot, peut en outre être inclus dans la cavité.
Dans une variante de laser à cavité surtendue, la cavité boucle sur elle-même à l'aide d'un cristal photo-réfractif. Le cristal photo-réfractif permet simultanément d'augmenter la durée de vie des photons et de réaliser un filtrage spectral. Selon une autre approche, basée sur une diminution de la durée de vie d'inversion de population dans le milieu actif, on utilise un semiconducteur dont la durée de vie d'inversion de population dans le milieu actif est très courte. L'emploi d'un tel milieu actif permet de diminuer la longueur de cavité laser à quelques centimètres, voir à quelques millimètres. Les milieux actifs qui répondent à ce critère sont les semi-conducteurs à îlots quantiques ou les semi-conducteurs à cascade quantique. Ces milieux actifs permettent, en outre, de couvrir des longueurs d'ondes allant du proche infrarouge (îlots quantiques) au THZ (cascade quantique). L'approche basée sur une diminution de la durée de vie d'inversion de population dans le milieu actif, peut bien sûr être combinée à l'approche basée sur l'augmentation de la durée de vie des photons dans la cavité laser.
On va à présent décrire en relation avec les figures 3, des exemples de ce mode de réalisation basés sur une diminution de la durée de vie d'inversion de population dans le milieu actif et/ou sur l'augmentation de la durée de vie des photons dans la cavité laser.
Dans l'exemple de la figure 3a, le laser comprend une cavité externe, c'est-à-dire qui s'étend au-delà du semi-conducteur 2. La première face 21 du semi-conducteur 2 joue le rôle du premier miroir de la cavité laser 14. La deuxième face 22 est, quant à elle, traitée antireflet. Un miroir 9 placé à quelques centimètres du milieu actif 2 ferme la cavité laser 14. Le miroir de sortie 9 peut être un miroir concave (figure 3a) ou un miroir plan associé à une lentille de collimation 11 (figure 3b) ou un cristal photo-réfractif 12 associé à une lentille de collimation 11 (figure 3c). Une face 13 du cristal photo-réfractif joue le rôle du deuxième miroir de la cavité. Il est à noter que dans le cas d'un laser THz, la cavité étendue comprend en plus du miroir 9, un guide d'onde THz 10 comme schématisé sur la figure 3d.
Selon un autre exemple représenté figure 3e, le laser est monolithique et les moyens pour obtenir τp > τc sont basés sur le facteur de surtension de la cavité et sur le choix du milieu actif 2 qui est par exemple un laser à cascade quantique. Pour cela, un traitement réfléchissant est déposé sur les deux faces 21 , 22 du milieu actif 2. Ainsi, la combinaison du facteur de surtension, qui augmente la durée de vie des photons dans la cavité 14, et de la courte durée de vie de porteurs, caractéristique du milieu actif choisi, aboutit à un fonctionnement classe A du laser. La longueur du milieu actif (de l'ordre du mm) peut être optimisée de manière à réduire la largeur de raie du laser. Cette dernière architecture a l'avantage d'être monolithique donc facile à mettre en œuvre et moins sensible aux perturbations externes. Dans ces exemples à cavité linéaire, le semi-conducteur est par exemple un laser à îlots quantiques ou à cascade quantique ou un demi- VCSEL. Les coefficients de réflexion des miroirs de la cavité sont de préférence supérieurs à 80%.
Ces exemples peuvent bénéficier, si nécessaire, d'un filtrage spectral directement au niveau du milieu actif (par exemple filtrage type DFB) ou bien dans la cavité pour l'architecture à cavité externe.

Claims

REVENDICATIONS
1. Laser (1) comportant un milieu actif à semi-conducteur (2) avec une durée de vie d'inversion de population τc , et une cavité résonante avec une durée de vie des photons dans la cavité τp, caractérisé en ce que la cavité comprend des moyens pour être monomode longitudinalement et des moyens pour que τp >τc de manière à obtenir un régime de fonctionnement de type laser classe A ne présentant pas d'oscillations de relaxation.
2. Laser selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la cavité étant apte à produire plusieurs modes, les moyens pour obtenir une cavité monomode comprennent des moyens de filtrage de ces modes.
3. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le semi-conducteur présentant une longueur I, la cavité est externe et présente une longueur L>100 I en vue d' obtenir τp > τc .
4. Laser selon la revendication précédente combinée à la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de filtrage de ces modes comportent un réseau de Bragg (4) et/ou un interféromètre Fabry-Pérot (5).
5. Laser selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la cavité comprend un isolateur (6) et/ou une fibre optique (3).
6. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité (14) étant externe et comprenant des moyens de filtrage et au moins un miroir externe au semi-conducteur, les moyens de filtrage comportent ce miroir externe et en ce que ce miroir est un cristal photoréfractif (12).
7. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité (14) étant externe et comprenant un miroir externe de sortie (9), celui-ci est un miroir concave ou un miroir plan associé à une lentille de collimation (11) ou comprend au moins un cristal photoréfractif (12).
8. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité (14) comprend des miroirs présentant un coefficient de réflexion R>80%.
9. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le laser est monolithique et présente deux faces ayant un coefficient de réflexion R>80%.
10. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le semi-conducteur est un demi-VCSEL ou un semiconducteur à îlots quantiques ou un semi-conducteur à cascade quantique.
1 1 . Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le semi-conducteur est un semi-conducteur à cascade quantique et en ce que la cavité (14) est externe et comprend un guide d'onde (10) externe au semi-conducteur.
12. Laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif d'asservissement (8).
13. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la cavité est en anneau.
14. Laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la cavité (14) est linéaire.
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