FR2588377A1 - Source lumineuse infrarouge accordable - Google Patents

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Abstract

UNE PUCE SEMICONDUCTRICE LASER 1 FORME UNE CAVITE OPTIQUE RESONNANTE PRIMAIRE PAR SES FACES SEMI-REFLECHISSANTES AVANT ET ARRIERE 1A, 1B. UN MIROIR 6 EST DISPOSE EN REGARD DE CETTE FACE ARRIERE 1B POUR CONSTITUER UNE CAVITE SECONDAIRE QUI PERMET DE SELECTIONNER L'UNE DES RAIES DE LA CAVITE PRIMAIRE. UNE CALE PIEZOELECTRIQUE 8 PERMET DE MODIFIER LA LONGUEUR DE CETTE CAVITE SECONDAIRE POUR PASSER D'UNE RAIE A UNE AUTRE. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A LA MESURE DE LA DISPERSION CHROMATIQUE DE FIBRES OPTIQUES MONOMODES.

Description

Source lumineuse infrarouge accordable
La présente invention a pour objet une source lumineuse infrarouge accordable. Elle trouve notamment application dans la réalisation d'une source à 1,3 ou 1,55 micromètre destinée à la caractérisation en dispersion chromatique des fibres monomodes pour télécommunications.
La détermination de la dispersion chromatique d'une fibre monomode nécessite en effet de disposer de plusieurs longueurs d'onde et de mesurer pour chacune d'elles le temps de propagation de groupe d'une impulsion lumineuse transitant dans la fibre. Plus précisément les sources utilisables pour ce type de caractérisation doivent répondre aux spécifications suivantes
- longueurs d'onde se situant dans les plages spectrales (1,29 - 1,33 micromètres) et/ou (1,53 - 1,57 micromètres),
- fonctionnement impulsionnel ou modulable à très haute fréquence,
- choix possible de différentes longueurs d'onde dans l'une des plages spectrales mentionnées ci-dessus.
De plus la compacité et le prix de ces sources sont des caractéristiques importantes dans le cas de leur utilisation dans des appareils industriels de terrain.
On connait diverses méthodes pour obtenir, au choix plusieurs longueurs d'onde.
Une première méthode connue utilise une source à large bande spectrale obtenue par génération d'émission Raman stimulée créée à l'intérieur d'une fibre monomode spéciale. La sélection en longueur d'onde est effectuée à la sortie de cette fibre par l'intermédiaire d'un monochromateur. Cette solution est notamment exposée dans l'article de L.G.
COHEN et C. LIN "Pulse delay measurements in the zero material dispersion wavelength region for optical fibers" in Applied Optics, vol. 16, N0 12, pp. 3136-3139, 1977.
Elle met en oeuvre un laser à YAG dopé au Néodyme et fonctionnant en régimes déclenché et modes bloqués, lui permettant d'émettre des impulsions très brèves (-environ 150 ps) avec une fréquence de répétition élevée (100 MHz). Le principe de la mesure de la dispersion chromatique consiste en la mesure du temps de propagation de ces impulsions dans la fibre à caractériser en fonction de la longueur d'onde sélectionnée.
Cette méthode présente l'avantage de caractériser ia dispersion chromatique sur une large plage spectrale s'étendant typiquement de 1,2 à 1,7 micromètre et présente ainsi un grand intérêt pour des études de modélisation de structure des fibres pour lesquelles une caractérisation spectrale est indispensable. Par contre ce type de source est très volumineux et d'un coût élevé ce qui le destine uniquement à être utilisé dans le cadre d'une expérimentation de laboratoire, mais en aucun cas comme source d'un appareil transportable de terrain.
Une seconde méthode mettant en oeuvre une source à diode éleçtro- luminescente a également été expérimentée. Ce type de source présente par nature une largeur spectrale assez importante (de l'ordre de 100 à 300 nm à 1,3 micromètre). Chacune des composantes du spectre peut également être sélectionnée à l'aide d'un monochromateur. Cette méthode est décrite dans l'article de B. COSTA, D. MAZZONI, M. PULEO et E. VEZZONI, "Phase shift technique for the measurement of chromatic dispersion in optical fibers using LED's" dans IEEE Journal of Quantum Electronics,
Vol. QE-18, No fO, pp. 1509-1514.
La source est ici modulée par son courant d'injection avec un signal sinusoIdal de fréquence voisine de 30 MHz et la dispersion chromatique est obtenue par la mesure du déphasage de ce signal en fonction de la longueur d'onde.
Les avantages de cette source sont son encombrement extrêmement réduit et son très faible coût, ce qui semble particulièrement approprié pour un appareil industriel portable.
En contrepartie la diode électroluminescente présente un diagramme de rayonnement très large (presque lambertien) et une surface émissive assez importante qui réduisent considérablement son taux de couplage avec une fibre monomode, ce qui aboutit à un rapport signal sur bruit insuffisant dans le cas de grandes longueurs de fibres (quelques kilomètres). De plus, elles ne peuvent être modulées à très hautes fréquences (quelques centaines de MHz), ce qui limite la précision de la mesure.
Une troisième méthode utilisant plusieurs lasers à semi-conducteurs a été mise en oeuvre par les Laboratoires Bell aux Etats-Unis d'Amérique dans le cadre d'un banc de mesure à vocation industrielle. Ce travail est décrit dans le papier de C. LIN, A. TYNES, A. TOMITA et
P. LIU 11Pulse delay measurements in single-mode fibers using picosecond
InGaAsP injection lasers in the 1.3 micrometre spectral région",
Proceedings of OFC'82, Phoenix, AZ, April 13-15, 1982, p. 28.
Dans cette méthode, six lasers ont été utilisés, permettant de couvrir la plage spectrale 1,25 - 1,35 micromètre. Ce sont des lasers à semi-conducteurs capables de délivrer des impulsions extrèmement brèves (de l'ordre de 30 à 60 ps) permettant ainsi d'obtenir une bonne précision de mesure. De plus la grande directivité de leur diagramme de rayonnement alliée aux faibles dimensions de la zone active aboutissent à un rendement de couplage élevé et par conséquent à une dynamique de mesure importante. En outre leur fabile encombrement est un atout certain pour leur intégration dans un appareil de terrain.
L'inconvénient de cette méthode réside dans le coût élevé d'un tel dispositif dû à la multiplieité des sources mises en oeuvre.
Enfin, une quatrième méthode, a été expérimentée et décrite par
F. MENGEL "Monomode fiber dispersion measurement with a tunable 1,3 micromètre external cavity laser", Proceedings of 10 th Ecoc, Stuttgart, September 3-6, 1984, pp. 126-127. Cette méthode met en oeuvre un laser semi-conducteur modulé à haute fréquence (900 MHz). La cavité externe est réalisée en positionnant un réseau de diffraction en regard de la face arrière. Un objectif situé entre le laser et le réseau permet de collimater le faisceau arrivant sur le réseau. La sélection en longueur d'onde est obtenue par l'orientation du réseau par rapport au laser.
L'inconvénient de cette méthode est sa relative complexité (réalisation d'un réseau 600 traits/mm de faible dimension, et utilisation d'une optique de collimation intermédiaire), son incompatibilité avec un dispositif compact, et par conséquent son coût assez élevé.
La présente invention a pour but de réaliser une source de lumière infrarouge accordable plus compacte et moins couteuse que précédemment tout en permettant d'obtenir un bon taux de couplage à une fibre optique, notamment à une fibre monomode. Elle a plus particulièrement pour but de réaliser une telle source émettant dans l'une des plages spectrales (1,29-1,33 micromètre) ou (1,53-1,57 micromètre) et répondant aux caractéristiques suivantes
a - accordabilité sur au moins deux longueurs d'onde dans l'une des deux plages ci-dessus,
b - bonne précision sur la valeur de ces longueurs d'onde,
c - rendement d'injection élevé dans une fibre monomode
d - possibilité de modulation à très haute fréquence
e - très faible encombrement
f - coût très réduit, ceci de manière que cette source soit particulièrement bien adaptée à un appareil industriel pour la caractérisation de fibres monomodes sur des chantiers.
Elle a pour objet une source lumineuse infrarouge accordable destinée à émettre de la lumière dans une direction longitudinale avant et comportant - une puce semiconductrice amplificatrice laser (1) propre à émettre un rayonnement infrarouge par deux faces avant (la) et arrière (lob), qui constituent chacune une surface semiréfléchissante et qui constituent ensemble une cavité optique résonnante primaire, - un moyen optique de renvoi de lumière disposé en regard de la face arrière de cette puce pour y renvoyer la lumière qui en est issue et constituer avec cette face une cavité optique résonnante secondaire, et pour constituer avec cette puce un émetteur laser dont le spectre d'émission est défini à la fois par la courbe de gain (G) de cette puce et par les spectres de raies desdites cavités résonnantes primaire et secondaire, - et un moyen de réglage de la disposition dudit moyen optique de renvoi, pour au moins permettre de donner audit spectre d'émission la forme tantôt d'une première raie tantôt d'une seconde raie du spectre de raies de ladite cavité résonnante primaire, - cette source étant caractérisée par le fait que ledit moyen optique de renvoi de lumière est constitué par un miroir (6) porté par une face longitudinalement mobile (8a) d'une cale piézoélectrique (8) excitée par une source de tension électrique commandable (8c) de manière notamment à permettre de faire passer ledit spectre d'émission de ladite première à ladite deuxième raie par passage d'une première à une deuxième valeur de ladite tension électrique, et réciproquement, respectivement.
Les numéros de référence entre parenthèses renvoient aux dessins à titre d'exemple.
Selon la présente invention il est de plus apparu avantageux d'adopter, au moins dans certains cas, la disposition suivante
Ledit miroir (6) est formé sur une extrémité avant d'une tige (5) qui est disposée longitudinalement et dont une extrémité arrière est portée par la face mobile (8a) de ladite cale piézoélectrique (8). Cette disposition permet d'éviter que l'espace au voisinage de la puce laser soit encombré par une cale piézoélectrique de volume nécessairement relativement important.
A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence.
La figure 1 représente une vue très schématique d'une source selon l'invention en coupe par un plan vertical longitudinal.
Les figures 2 à 6 représentent des spectres d'émission, c'est-à-dire des diagrammes de puissance émise ou transmise en fonction de la longueur d'onde de la lumière émise ou transmise.
La figure 7 représente une vue de dessus plus exacte de la même source, le couvercle du boitier étant enlevé.
La figure 8 représente une vue de la source de la figure 7 en coupe par un plan axial vertical VIII-VIII de la figure 7.
Le schéma de principe de la source selon l'invention est représenté sur la figure 1.
Le laser semiconducteur (1) est constitué d'un milieu amplificateur d'indice effectif n limité longitudinalement par ses deux faces planes parallèles la et lb obtenues par clivage. Ces deux faces sont distantes d'une longueur L et constituent une cavité résonnante de type Fabry-Pérot.
En regard de la face arrière du laser est disposé un miroir externe (6) à la distance d de cette face constituant ainsi avec cette face un résonateur secondaire.
Suivant le diagramme d'émission du laser et sa configuration spectrale, le miroir externe peut être plan ou bien sphérique concave de façon à refocaliser la lumière à l'intérieur de la cavité laser et accroitre ainsi l'efficacité de la contre-réaction optique. Un miroir plan n'effectue pas une telle refocalisation, ce qui empêche en pratique de l'employer dans la plage spectrale autour de 1,55 micromètre car les lasers émettant cette lumière ont un diagramme d'émission trop divergent.
Mais, dans la plage autour de 1,3 micromètre, il présente l'avantage d'être moins coûteux.
Le miroir est solidaire d'une cale piézoélectrique (8) qui permet de contrôler finement la longueur d de la cavité externe et donc de sélectionner avec précision l'un des modes longitudinaux du laser. Cette cale s'étend entre deux faces métallisées, l'une fixe 8a et l'autre mobile 8b, alimentée par un générateur de tension 8c.
La figure 2 représente la forme typique du spectre (S) d'un laser à semi conducteur de type à ruban enterré (BH). Ce spectre est le résultat d'un filtrage effectué sur les raies de résonance de la cavité laser par la courbe de gain (G) du milieu amplificateur.
L'écart entre deux raies consécutives est donné en première approximation par la relation
Figure img00060001

où A est la longueur d'onde moyenne où cet écart est mesuré.
La cavité externe de longueur d présente elle-même un spectre de raies comme représenté sur la figure 3. Ces raies sont distantes d'un intervalle
Figure img00060002
L'application d'une tension V1 aux bornes de la cale piézoélectrique (8) donne la distance d1 entre le miroir et la face arrière du laser. L'ajustement de cette tension permet d'amener en coincidence les raies de résonance de la cavité externe avec l'un des modes longitudinaux du laser. On obtient alors une émission purement monochromatique du laser si la colncidence ne se produit que sur un seul mode (ici la longueur d'onde
Le spectre ainsi obtenu est représenté sur la figure 4.
La sélection d'un autre mode peut être obtenue grâce à une autre valeur V2 de la tension de l'élément piézoélectrique donnant une lon gueur d2 à la cavité externe (figure 5). Le mode de longueur d'onde
2 est alors sélectionné (figure 6).
Dans l'exemple donné précédemment, plusieurs raies de résonance de la cavité externe sont comprises dans la bande spectrale délimitée par la courbe de gain. Il s'ensuit que plusieurs co mcidences peuvent intervenir simultanément, ne donnant plus un fonctionnement monochromatique au laser.
Afin d'éviter ce phénomène, il est intéressant de diminuer la longueur d de la cavité externe pour élargir l'écart A X entre raies adjacentes de telle façon qu'une seule raie soit présente dans la largeur spectrale du laser.
C'est ce qui a été fait sur la source objet de cette description.
La longueur L de la cavité laser est de 245 micromètres, l'indice effectif du milieu est de 3,5 pour la longueur d'onde moyenne de 1,31 micro mètre. L'intervalle # 8 h. entre modes adjacents est alors de 1 nm.
Le spectre S du laser montre cinq modes longitudinaux d'amplitude appréciable1 soit une largeur totale d'environ 4 nm.
La longueur d de la cavité externe est voisine de 200 micromètres ce qui donne un écart A h entre raies d'environ 4,3 nm.
Dans ce cas, au plus une seule raie colncide avec le spectre du laser.
La variation J d de la longueur de la cavité extérieure provoque un glissement spectral de l'ensemble de ses raies dsune valeur donnée par la relation
Figure img00070001
Ici le glissement spectral souhaité est un multiple entier de l'écart intermodal # 8 ;t du laser.
En prenant la valeur d'un ecart, soit b 1 nm, la variation correspondante de la longueur de la cavité externe est alors g d = 0,3 micromètre, avec A O = 1,31 micromètre et d = 200 micromètres.
Une source selon l'invention est représentée plus précisément sur les figures 7 et 8. Elle comprend une puce laser 1 montée sur une embase 2, une fibre optique amorce 3 tenue sur un support 5, une tige cylindrique 5 dont ltextrémitéXsupporte un miroir plan ou sphérique 6, une pince 7 maintenant la tige 5 et supportée par une cale piézoélectrique 8, elle-même collée sur une face verticale d'un support de cale 9 en forme d'équerre.
L'embase 2 du laser et le support de cale 9 sont montés chacun sur une platine thermoélectrique (10 et 11). Ces deux platines sont identiques et permettent le maintien d'une température constante convenable.
L'ensemble du montage est implanté à l'intérieur d'un bottier 12 réalisé en alliage métallique à faible coefficient de dilatation thermique et conçu pour recevoir des têtes optiques industrielles. Ce bot- tier est traversé par quatorze pattes 13 pour les diverses entrées et sorties électriques.
Pour faciliter la lecture des dessins on va donner ci-après une nomenclature des éléments représentés
Figure img00090001
<tb> Numéro <SEP> de <SEP> Désignation <SEP> Matière <SEP> Rôle
<tb> référence
<tb> <SEP> 1 <SEP> Puce <SEP> laser <SEP> InGaAsPSInP <SEP> Source <SEP> infrarouge
<tb> <SEP> 2 <SEP> Embase <SEP> laser <SEP> Cuivre <SEP> + <SEP> or <SEP> - <SEP> Support <SEP> de <SEP> la
<tb> <SEP> puce <SEP> 1
<tb> <SEP> 3 <SEP> Fibre <SEP> amorce <SEP> Silice <SEP> Couplage <SEP> et <SEP> guidage
<tb> <SEP> de <SEP> la <SEP> lumière <SEP> émise
<tb> <SEP> 4 <SEP> Support <SEP> de <SEP> fibre <SEP> Cuivre <SEP> Maintien <SEP> de <SEP> la
<tb> <SEP> fibre <SEP> 3
<tb> <SEP> 5 <SEP> Tige <SEP> cylindrique <SEP> Acier <SEP> ou <SEP> Support <SEP> du <SEP> miroir
<tb> <SEP> cuivre
<tb> <SEP> 6 <SEP> Miroir <SEP> Résine <SEP> polie <SEP> optique <SEP> Contre <SEP> réaction
<tb> <SEP> avec <SEP> dépôt <SEP> d'argent <SEP> Optique
<tb> <SEP> ou <SEP> d'aluminium
<tb> <SEP> 7 <SEP> Pince <SEP> Laiton <SEP> Maintien <SEP> de <SEP> la
<tb> <SEP> tige <SEP> 5
<tb> <SEP> 8 <SEP> Cale <SEP> piézoélectrique <SEP> Réglage <SEP> de <SEP> la
<tb> <SEP> distance <SEP> du <SEP> miroir
<tb> <SEP> à <SEP> la <SEP> puce <SEP> laser
<tb> <SEP> 9 <SEP> Support <SEP> de <SEP> cale <SEP> Cuivre <SEP> Maintien <SEP> de <SEP> la
<tb> <SEP> cale <SEP> 8
<tb> 10 <SEP> et <SEP> 11 <SEP> Platine <SEP> Peltier <SEP> Régulation <SEP> en
<tb> <SEP> température <SEP> de
<tb> <SEP> l'ensemble
<tb> <SEP> 12 <SEP> Bottier <SEP> alliage <SEP> connu <SEP> Assemblage <SEP> de <SEP> l'en- <SEP>
<tb> <SEP> sous <SEP> la <SEP> marque <SEP> semble <SEP> avec
<tb> <SEP> KOVAR <SEP> compacité
<tb> <SEP> 13 <SEP> Pattes <SEP> de <SEP> connexion <SEP> Cuivre <SEP> doré <SEP> Excitation <SEP> du
<tb> <SEP> électrique <SEP> laser <SEP> 1, <SEP> de <SEP> la <SEP> cale
<tb> <SEP> piézoélectrique <SEP> 8,
<tb> <SEP> Peltier <SEP> 10 <SEP> et <SEP> 11.
<tb>
Le miroir sphérique 6 peut être réalisé comme suit
Le but à atteindre est d'obtenir un miroir sphérique concave de rayon de courbure inférieur à C,5 mm, par exemple 0,4 mm, et réalisé à l'extrémité d'une tige cylindrique de cuivre ou d'acier, de diamètre 1 mm et de 10 mm de longueur. Pour cela cette tige est percée suivant son axe d'un trou de 0,6 mm de diamètre.non débouchant. Ce trou est rempli d'une résine époxy de qualité optique (résine vendue sous la marque de commerce Adaptic) polymérisant sous rayonnement ultraviolet.
Une polymérisation partielle est effectuée, et une empreinte est formée sur la résine encore visqueuse, en extrémité de tige, à l'aide d'une bille d'acier présentant le rayon de courbure souhaité.
Après durcissement de la résine, la bille est retirée et la surface concave laissée par son empreinte est rendue réfléchissante, par exemple par un dépôt d'aluminium sous vide à température ambiante.
On obtient ainsi un miroir concave sphérique de très fables dimensions, pouvant être approché très près (environ 200 micromètres) de la face arrière du laser semiconducteur, dans le but de créer une contre-réaction optique efficace.
La cale (8) est constituée d'un empilage de dix disques de céramique piézoélectrique alimentés en parallèle par une tension continue.
Une tension de 1000 volts permet un déplacement relatif de 5 micromètres des deux faces extrêmes de l'empilage.
Une modification de 0,3 micromètres de la longueur de la cavité secondaire, destinée à effectuer un glissement spectral d'un écart intermodal, est alors obtenue par une variation de tension aux bornes de la cale piézoélectrique de 60 volts.
La source qui vient d'être décrite est peu encombrante car elle est disposée dans un bottier 12 d'un type réalisé industriellement pour recevoir des têtes optiques de télécommunications et présentant de petites dimensions (44 x 18X12 mm hors tout). Elle présente par ailleurs l'avantage que le passage alternatif la première dite raie à la deuxième peut être réalisé à une fréquence de récurrence élevée ce qui permet d'accroître le nombre de mesures par unité de temps, notamment dans le cas où on mesure la dispersion chromatique de fibres. Un nombre de mesure ainsi accru permet de faire des moyennes sur des échantillons statistiques plus nombreux, et d'augmenter ainsi la précision obtenue.

Claims (2)

REVENDICATIONS
1/ Source lumineuse infrarouge accordable, destinée à émettre de la lumière dans une direction longitudinale avant et comportant - une puce semiconductrice amplificatrice laser (1) propre à émettre un rayonnement infrarouge par deux faces avant (la) et arrière (lob), qui constituent chacune une surface semiréfléchissante et qui constituent ensemble une cavité optique résonnante primaire, - un moyen optique de renvoi de lumière disposé en regard de la face arrière de cette puce pour y renvoyer la lumière qui en est issue et constituer avec cette face une cavité optique résonnante secondaire, et pour constituer avec cette puce un émetteur laser dont le spectre d'émission est défini à la fois par la courbe de gain (G) de cette puce et par les spectres de raies desdites cavités résonnantes primaire et secondaire, - et un moyen de réglage de la disposition dudit moyen optique de renvoi, pour au moins permettre de donner audit spectre d'émission la forme tantôt d'une première raie tantôt d'une seconde raie du spectre de raies de ladite cavité résonnante primaire, - cette source étant caractérisée par le fait que ledit moyen optique de renvoi de lumière est constitué par un miroir (6) porté par une face longitudinalement mobile (8a) d'une cale piézoélectrique (8) excitée par une source de tension électrique commandable t8c) de manière notamment à permettre de faire passer ledit spectre d'émission de ladite première à ladite deuxième raie par passage d'une première à une deuxième valeur de ladite tension électrique, et réciproquement, respectivement.
2/ Source selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit miroir (6) est formé sur une extrémité avant d'une tige (5) qui est disposée longitudinalement et dont une extrémité arrière est portée par la face mobile (8a) de ladite cale piézoélectrique (8).
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