FR2825524A1 - Laser amplificateur a cavite verticale - Google Patents
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Abstract
L'invention conceme un laser amplificateur accordable à cavité verticale, comprenant, à l'intérieur de la cavité (25), au moins un élément éledro-optique de façon à accorder la longueur d'onde lambda du laser amplificateur.L'invention concerne également un système de télécommunications comprenant le laser amplificateur accordable, une matrice comprenant une pluralité de lasers amplificateurs et un procédé de fabrication.
Description
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Laser amplificateur accordable à cavité verticale.
La présente invention se rapporte au domaine des composants optiques, notamment pour les réseaux optiques à haut débit.
Plus précisément, l'invention concerne les lasers amplificateurs à longueur d'onde accordable.
Par laser amplificateur, on entend ici, un laser qui se comporte comme une
source laser et/ou amplificateur. Lorsque l'énergie apportée au laser est supérieure à un seuil d'excitation laser propre au composant, le laser se comporte généralement en tant que source laser. En se plaçant dans d'autres conditions, il se comporte en tant qu'amplificateur seul.
source laser et/ou amplificateur. Lorsque l'énergie apportée au laser est supérieure à un seuil d'excitation laser propre au composant, le laser se comporte généralement en tant que source laser. En se plaçant dans d'autres conditions, il se comporte en tant qu'amplificateur seul.
Les lasers accordables peuvent être regroupés en deux grandes familles : les lasers à émission par la tranche ; et les lasers à cavité verticale.
Les lasers amplificateurs accordables semi-conducteurs sont généralement obtenus au moyen de lasers à émission par la tranche, du type DBR (de l'anglais Distributed Bragg Reflector ou Réflecteur de Bragg Réparti en français).
Les DBR sont notamment décrits dans le document Tune In ! écrit par P.
Heywood en avril 2000, et visible sur le site internet www. lightreading. com. Ces structures de l'art antérieur ont notamment pour inconvénient de présenter, dans leur forme élémentaire, une plage d'accordabilité faible (de l'ordre de 10 nm).
Le document de P. Heywood, cité précédemment indique que des valeurs supérieures (par exemple 40 nm) peuvent être obtenues avec des DBR de type SSG (de l'anglais Super Structure Grating ou réseau de super structure en français) et GCSR (ou Grating-assisted Co-directional Coupler with Sampled Reflector ou, en français Coupleur co-directionnel assisté par réseau, avec réflecteur échantillonné ). Néanmoins, un inconvénient de ces techniques est leur coût de fabrication plus élevé, notamment pour des applications de télécommunication à haut débit, notamment WDM (de l'anglais Wavelength Division Multiplexing ou en français multiplexage de longueur d'onde ).
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Dans ce contexte, les lasers à émission par la surface (VCSEL de l'anglais Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) et/ou les amplificateurs à cavité verticale (VCA en anglais Vertical Cavity Amplifier ) présentent de nombreux avantages par rapport à leurs homologues à émission par la tranche, dont, notamment, une plus grande sélectivité spectrale, une meilleure adaptation modale avec les fibres du fait de la nature circulaire et peu divergente du faisceau émis, un comportement mono-mode transverse et longitudinal, une possible disposition sous forme matricielle et surtout un coût de fabrication pour des performances comparables, nettement moins élevé, sans oublier, pour un amplificateur, la possibilité d'un gain entre un signal d'entrée et de sortie de l'ordre de 30dB (tel qu'indiqué notamment dans l'article Vertical cavity amplifying photonic switch ou, en français, interrupteur photonique à amplification par cavité verticale écrit par Raj, Oudar et Bensoussan et publié dans la revue Applied Physical Letters du 31 octobre 1994 par American Institute ofPhysics) > ).
Une accordabilité en longueur d'onde à partir de ces structures a été montrée suivant diverses techniques, décrites notamment dans les articles suivants : 10. 1 nm range continuous wavelength-tunable vertical-cavity surface-emitting lasers , écrit notamment par L. Fan et M. C. Wu et paru dans la revue Electronics Letters (Vol. 30, n 17, pp 1409-1410,
1994) ; et - Tunable Extremely Low Threshold Vertical-Cavity Laser Diodes , écrit, notamment, par T. Wipiejewski et K. Panzlaff, et paru dans la revue IEEE Photonics Technology Letters (Vol. 5, n 8, pp 889-
892, 1993).
1994) ; et - Tunable Extremely Low Threshold Vertical-Cavity Laser Diodes , écrit, notamment, par T. Wipiejewski et K. Panzlaff, et paru dans la revue IEEE Photonics Technology Letters (Vol. 5, n 8, pp 889-
892, 1993).
Toutefois, les performances, en termes de plage d'accordabilité, restent modestes. Elles peuvent être améliorées par l'introduction dans la cavité d'une zone non-active réalisant la fonction d'accordabilité. Plusieurs réalisations ont été proposées sur ce principe telles que, principalement :
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- les VCSELs à technologie MEMS (de l'anglais Micro Electro-
Mechanical Systems ou ou systèmes micro électro-mécaniques ) décrits par D. Vakhshoori dans le document 2mW CW single mode operation of a tunable 1550nm VCSEL, with 50 nm tuning range et paru dans la revue Electronics Letters (Vol. 35, pp 900-901, 1999) ; et - les lasers à émission surfacique fibré (FUSEL) décrits par K. Hsu et
C. M. Miller dans le document Continuously Tunable Photopumped
1. 3-) JLm Fiber Fabry-Perrot Surface Emitting Lasers dans la revue IEEE Photonics Technology Letters (Vol. 10, n 9, ppl 199-1201,
1998).
Mechanical Systems ou ou systèmes micro électro-mécaniques ) décrits par D. Vakhshoori dans le document 2mW CW single mode operation of a tunable 1550nm VCSEL, with 50 nm tuning range et paru dans la revue Electronics Letters (Vol. 35, pp 900-901, 1999) ; et - les lasers à émission surfacique fibré (FUSEL) décrits par K. Hsu et
C. M. Miller dans le document Continuously Tunable Photopumped
1. 3-) JLm Fiber Fabry-Perrot Surface Emitting Lasers dans la revue IEEE Photonics Technology Letters (Vol. 10, n 9, ppl 199-1201,
1998).
La technologie MEMS est basée sur l'utilisation de micro-miroirs DBR qui, par déplacement mécanique, permettent une modification de l'épaisseur d'une couche d'air.
La technologie MEMS présente plusieurs inconvénients, notamment, une grande complexité, un coût élevé et une fragilité mécanique.
Les dispositifs FFPSEL sont également basés sur l'utilisation de DBR, de puits quantiques et d'une épaisseur d'air.
La technologie FFPSEL présente aussi plusieurs inconvénients, notamment, un coût important, la nécessité d'un bon contrôle de l'alignement et de la stabilité de la cavité et un temps de changement de longueur d'onde élevé (de l'ordre d'une milliseconde).
L'invention selon ses différents aspects a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur.
Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir un laser amplificateur aisément accordable.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel laser, qui présente une grande compacité et qui soit robuste.
Encore un autre objectif de l'invention est de fournir un tel laser, ayant une bonne stabilité mécanique.
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Un objectif de l'invention est également de fournir un laser amplificateur qui est particulièrement bien adapté aux applications de télécommunications à hauts débits.
On note qu'un tel laser amplificateur peut être ici très sélectif en longueur d'onde, mais couvre une large bande du fait de l'accordabilité.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel laser amplificateur accordable à faible coût de fabrication et de mise en ouvre.
L'invention a notamment pour objectif de permettre une industrialisation du composant de sorte qu'il puisse être fabriqué à faible coût
L'invention a également pour objectif de fournir un laser amplificateur accordable offrant une vitesse importante de changement de longueur d'onde.
L'invention a également pour objectif de fournir un laser amplificateur accordable offrant une vitesse importante de changement de longueur d'onde.
Un objectif complémentaire de l'invention est de fournir un laser amplificateur accordable avec un bon facteur de recouvrement longitudinal.
L'invention a aussi pour objectif de fournir un tel laser permettant d'exhiber un gain important lorsqu'il se comporte comme un amplificateur.
Ces objectifs ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints selon l'invention, à l'aide d'un laser amplificateur à cavité verticale, remarquable en ce qu'il comprend, à l'intérieur de la cavité, au moins un élément électrooptique destiné à accorder la longueur d'onde du laser amplificateur.
Selon une caractéristique particulière, le laser amplificateur est remarquable en ce qu'il comprend, en outre, des moyens d'application d'un champ électrique variable à ou aux éléments électro-optiques en fonction d'au moins une tension électrique appliquée au laser amplificateur.
Selon une caractéristique particulière, le laser amplificateur est remarquable en ce qu'au moins un des éléments électro-optiques comprend un matériau isotrope dans un plan transverse.
On note que plan transverse s'entend ici comme un plan perpendiculaire à un axe de propagation du ou des faisceaux lumineux le traversant.
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Ainsi, en particulier dans l'utilisation du laser dans un mode amplificateur, l'invention permet avantageusement de ne pas avoir à contrôler la polarisation (au sens du mot anglais polarisation ) avant l'entrée du laser ou, si la polarisation est quelconque, à ne pas avoir à séparer les différentes polarisations à la sortie pour palier une dispersion de mode ce polarisation (PMD ou Polarisation Mode Dispersion en anglais) (ce qui nécessiterait un ajout de composant).
On note qu'ici matériau isotrope signifie un matériau isotrope à la ou aux longueurs d'ondes considérées (c'est-à-dire la ou les longueurs d'ondes émises par le laser amplificateur).
On note, en outre, que le matériau est isotrope dans un plan transverse ce qui est suffisant pour avoir un amplificateur présentant un comportement insensible à la polarisation.
Selon une caractéristique particulière, le laser amplificateur est remarquable en ce qu'au moins un des éléments électro-optiques comprend un matériau de type nano-PDLC.
Ainsi, on dispose de manière avantageuse d'un matériau présentant de bonnes caractéristiques optiques et facile àmettre en carre.
Selon une caractéristique particulière, le laser amplificateur est remarquable en ce qu'il se comporte comme un amplificateur.
Selon une caractéristique particulière, le laser amplificateur est remarquable en ce qu'il se comporte comme un laser générant au moins un faisceau laser.
Ainsi, l'invention est avantageusement compatible avec les différents modes de fonctionnement possibles d'un laser amplificateur qui peut être utilisé en tant qu'amplificateur seul, que laser générateur de faisceau seul ou selon les deux possibilités en fonction notamment de sa polarisation (ici, au sens du mot anglais bias ) électrique ou optique (en fonction du type de pompage) par rapport au seuil laser.
Selon une caractéristique particulière, le laser amplificateur est remarquable en ce qu'il comprend des électrodes transparentes ou semi
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transparentes permettant l'application du ou des champs électriques au ou aux éléments électro-optiques et le passage d'un faisceau lumineux au travers de ces électrodes.
Ainsi, le ou les faisceaux lumineux émis par le laser amplificateur peuvent traverser les électrodes, celles-ci pouvant par ailleurs créer un champ électrique approprié dans l'élément électro-optique.
Selon une caractéristique particulière, le laser amplificateur est remarquable en ce que les électrodes sont de type ITO (de l'anglais Indium-TinOxyde ou en français Oxyde d'étain et d'indium ).
Ainsi, on dispose de manière avantageuse d'électrodes ayant de bonnes propriétés optiques et faciles à mettre en ouvre, par exemple par dépôt et gravure.
Selon une caractéristique particulière, le laser amplificateur est remarquable en ce qu'il comprend en outre au moins une électrode permettant un pompage électrique de la cavité.
Ainsi, le laser amplificateur est relativement simple à réaliser et ne nécessite pas l'adjonction d'une pompe optique, ce qui permet un faible coût de mise en ouvre.
L'invention concerne également une matrice de composants remarquable en ce que la matrice comprend au moins deux lasers amplificateurs.
Selon une caractéristique particulière, la matrice de composants est remarquable en ce que chaque laser de la matrice comprend des moyens d'application d'un champ électrique permettant d'accorder une longueur d'onde associée au laser, de sorte que la matrice est apte à accorder une pluralité de longueurs d'onde.
Ainsi, l'invention permet d'obtenir des composants à faible coût.
En outre, l'invention permet de fournir un composant susceptible de générer et/ou d'amplifier un ou des faisceaux laser à plusieurs longueurs d'ondes accordées indépendamment les unes des autres.
L'invention concerne également un système de télécommunications à haut débit caractérisé en ce qu'il comprend au moins un laser amplificateur tel que
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décrit précédemment coopérant avec au moins une fibre optique permettant l'émission d'au moins un faisceau lumineux émis par le laser amplificateur.
Les avantages des systèmes de télécommunications sont les mêmes que ceux du laser amplificateur, ils ne sont pas détaillés plus amplement
De plus, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un laser amplificateur accordable à cavité verticale, caractérisé en ce qu'il comprend - une étape de réalisation d'une première partie du laser amplificateur comprenant au moins une première électrode ; - une étape de réalisation d'une deuxième partie du laser amplificateur comprenant au moins une deuxième électrode ; - une étape de réalisation d'une cavité obtenue comprenant elle-même une sous-étape d'assemblage des premières et deuxième parties ; et - une étape de remplissage de la cavité par au moins un élément électro- optique.
De plus, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un laser amplificateur accordable à cavité verticale, caractérisé en ce qu'il comprend - une étape de réalisation d'une première partie du laser amplificateur comprenant au moins une première électrode ; - une étape de réalisation d'une deuxième partie du laser amplificateur comprenant au moins une deuxième électrode ; - une étape de réalisation d'une cavité obtenue comprenant elle-même une sous-étape d'assemblage des premières et deuxième parties ; et - une étape de remplissage de la cavité par au moins un élément électro- optique.
Ainsi, on dispose de manière avantageuse de fabrication du laser amplificateur simple à mettre en ouvre, fiable et à bas coût
Selon une caractéristique particulière, le procédé de fabrication est remarquable en ce qu'il comprend, en outre, une étape de dépôt d'un élément sur au moins une des parties du laser, permettant l'assemblage et le remplissage.
Selon une caractéristique particulière, le procédé de fabrication est remarquable en ce qu'il comprend, en outre, une étape de dépôt d'un élément sur au moins une des parties du laser, permettant l'assemblage et le remplissage.
On utilisera préférentiellement un élément économique et facile à déposer et à graver, par exemple de type polyimide.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 présente une vue générale en perspective d'un laser amplificateur associé à une fibre optique, conforme à l'invention selon un mode particulier de réalisation ; - la figure 2 illustre un schéma de principe du laser amplificateur de la figure 1 ;
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- les figures 3A et 3B décrivent plus précisément une partie du laser amplificateur des figures 1 et 2 ; les figures 4A, 4B et 4C présentent un procédé de fabrication du laser amplificateur des figures précédentes ;
- la figure 5 illustre un spectre du coefficient de réflexion du laser amplificateur accordable des figures 1 et 2 ; - la figure 6 présente la longueur d'onde d'émission en fonction de l'indice de la couche de nano-PDLC illustrée en figure 2 ; - la figure 7 illustre la longueur d'onde d'émission en fonction de la tension de polarisation de la couche de nano- PDLC illustrée en figure 2 ; - la figure 8 donne un exemple d'évolution du champ stationnaire intra cavité dans la structure décrit en figure 2.
- la figure 5 illustre un spectre du coefficient de réflexion du laser amplificateur accordable des figures 1 et 2 ; - la figure 6 présente la longueur d'onde d'émission en fonction de l'indice de la couche de nano-PDLC illustrée en figure 2 ; - la figure 7 illustre la longueur d'onde d'émission en fonction de la tension de polarisation de la couche de nano- PDLC illustrée en figure 2 ; - la figure 8 donne un exemple d'évolution du champ stationnaire intra cavité dans la structure décrit en figure 2.
1. Principe général de l'invention
Le principe général de l'invention repose sur la combinaison : - d'un élément actif de type, par exemple, multi-puits quantique ; et - d'une zone déphasante comprenant un élément électro-optique ; l'ensemble formant une cavité.
Le principe général de l'invention repose sur la combinaison : - d'un élément actif de type, par exemple, multi-puits quantique ; et - d'une zone déphasante comprenant un élément électro-optique ; l'ensemble formant une cavité.
L'élément actif et la zone déphasante sont compris entre deux miroirs DBRs permettant d'obtenir la génération et/ou l'amplification d'un faisceau lumineux à une certaine longueur d'onde dépendant de l'épaisseur optique de la cavité traversée par le faisceau (on rappelle que l'épaisseur optique est égale au produit de l'épaisseur physique par l'indice du milieu).
Cette zone déphasante est soumise à un ou plusieurs champs électriques sur lesquels on peut agir grâce à des électrodes dont on peut contrôler la tension. L'indice de la zone déphasante et donc son épaisseur optique peuvent varier en fonction de la tension appliquée aux électrodes. On obtient ainsi un laser amplificateur accordable à bas coût, fiable, de petite taille et ayant une vitesse de changement de longueur d'onde élevée (de l'ordre de 10 us).
En outre, il est possible d'obtenir une matrice de tels composants, émettant donc plusieurs longueurs d'ondes en ayant des électrodes séparées et ayant des
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potentiels électriques différents, chacune de ces électrodes générant à l'intérieur de la zone déphasante des champs distincts.
2. Valeurs caractéristiques.
La réalisation des lasers amplificateurs selon l'invention nécessite un choix correct de certains paramètres dont dépendra notamment la plage d'accordabilité du laser amplificateur. Des formules caractéristiques (variation de la longueur d'onde, Intervalle Spectral Libre, facteur de recouvrement longitudinal) indispensables pour l'étude de la fonctionnalité recherchée et la mise en ouvre de l'invention vont être présentées.
2.1 Variation de la longueur d'onde.
Tout d'abord, la variation de longueur d'onde A du composant consécutive
à une variation de l'indice n de la couche déphasante est donnée par :
AR m An A"\-ï M ;' K relation (l) I A ;
où : - m et p sont des entiers caractérisant l'épaisseur des couches de la cavité décrites plus loin en regard, notamment, de la figure 2 ; - Lpén, 1 et Mm, : sont respectivement la longueur de pénétration de l'onde et l'indice moyen du te miroir de Bragg considéré (chacun des deux miroirs de Bragg étant numéroté avec un nombre i valant respectivement 1 et 2).
à une variation de l'indice n de la couche déphasante est donnée par :
AR m An A"\-ï M ;' K relation (l) I A ;
où : - m et p sont des entiers caractérisant l'épaisseur des couches de la cavité décrites plus loin en regard, notamment, de la figure 2 ; - Lpén, 1 et Mm, : sont respectivement la longueur de pénétration de l'onde et l'indice moyen du te miroir de Bragg considéré (chacun des deux miroirs de Bragg étant numéroté avec un nombre i valant respectivement 1 et 2).
On se place dans le cas de miroirs de Bragg diélectriques présentant des matériaux d'indices éloignés et donc des longueurs de pénétration faibles.
On peut donc réécrire la relation (1) sous la forme :
AA m A,., - =---.-relation (2) A m+p n
2. 2 Intervalle Spectral Libre.
AA m A,., - =---.-relation (2) A m+p n
2. 2 Intervalle Spectral Libre.
L'intervalle spectral libre (ou ISL) de la structure est donné par :
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T2 "'''n, i'pm, t'''caf
où Lcav et neff sont respectivement la longueur de la cavité et l'indice moyen de la cavité effective formée par la cavité et par les longueurs de pénétration dans les miroirs.
2.3 Facteur de recouvrement longitudinal.
Enfin, pour caractériser le milieu à gain constitué de puits quantiques qui est à la base de l'émission laser, on s'intéresse au facteur de recouvrement longitudinal caractérisant la proportion de champ stationnaire intra-cavité situé sur
les puits quantiques. Ce facteur évolue bien entendu avec la variation de l'indice de la couche déphasante. D est donné par :
( ( f QW (z) IE (z dz relation (4) r = --T--2---relation (4) r = cave |IE (Z) I dz relation (4) cavité
où E est le champ stationnaire en z (axe longitudinal du faisceau) et QW (z) est une fonction valant 1 sur les puits quantiques et 0 en dehors.
les puits quantiques. Ce facteur évolue bien entendu avec la variation de l'indice de la couche déphasante. D est donné par :
( ( f QW (z) IE (z dz relation (4) r = --T--2---relation (4) r = cave |IE (Z) I dz relation (4) cavité
où E est le champ stationnaire en z (axe longitudinal du faisceau) et QW (z) est une fonction valant 1 sur les puits quantiques et 0 en dehors.
L'intégration se fait sur toute la cavité, longueur de pénétration dans les miroirs comprise.
3. Modulateur à nano-PDLC.
Le composant électro-optique est constitué d'un mélange de cristal liquide (généralement nématique) dispersé dans du polymère (PDLC de l'anglais Polymer Dispersed Liquid Cristal ou en français Cristal liquide dispersé dans un polymère décrit notamment par S. Matsumoto au sein d'un article Nanosize fine droplets of liquid crystal for optical application et publié dans le document Material Research Society Symposium Proceeding , Vol. 457, en 1997).
La dimension des gouttelettes de cristal liquide d'un nano-PDLC est comprise entre 100 et 200 nanomètres contrairement au PDLC standard qui comprend des gouttelettes de plusieurs microns.
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En l'absence de champ électrique, le nano-PDLC est isotrope dans toutes les directions. En revanche, si un champ électrique E est appliqué, les cristaux de nano-PDLC s'orientent de manière isotropiques dans un plan perpendiculaire au champ.
Compte tenu des dimensions des gouttelettes par rapport à la longueur d'onde (autour de 1550nm), le matériau se comporte comme un matériau isotrope dans un plan transverse (c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire au champ électrique qui a la même direction que le faisceau laser généré et/ou amplifié par le composant), dont on peut modifier l'indice avec la tension électrique qui lui est appliquée.
La modulation d'indice pour un nano-PDLC est donnée par la relation suivante :
An = kE relation (5). où E est exprimé en V/pm et k est une constante proportionnelle à la dimension et à la densité des gouttelettes. La valeur de k est généralement comprise entre 10-5 et 2. 10-4 pour ne valant 1,716 et no valant 1,513. Avec un champ de 30V/Ilm, on peut ainsi obtenir une modulation de l'indice no de plus de 12% pour k valant 2. 10-4 et de 0,6% pour k égal à 10-5. Si on considère que la modulation spectrale ASS est pour une largeur de cavité,/, très grande par rapport à la largeur de la zone des puits quantiques, L, donnée en première approximation par la relation suivante :
A n l n relation 9
on obtient une accordabilité entre 0, 6% et 12% soit une variation de longueur d'onde AR comprise entre 9 et 180 nm à 1, 55jim pour un indice no égal àl, 513.
An = kE relation (5). où E est exprimé en V/pm et k est une constante proportionnelle à la dimension et à la densité des gouttelettes. La valeur de k est généralement comprise entre 10-5 et 2. 10-4 pour ne valant 1,716 et no valant 1,513. Avec un champ de 30V/Ilm, on peut ainsi obtenir une modulation de l'indice no de plus de 12% pour k valant 2. 10-4 et de 0,6% pour k égal à 10-5. Si on considère que la modulation spectrale ASS est pour une largeur de cavité,/, très grande par rapport à la largeur de la zone des puits quantiques, L, donnée en première approximation par la relation suivante :
A n l n relation 9
on obtient une accordabilité entre 0, 6% et 12% soit une variation de longueur d'onde AR comprise entre 9 et 180 nm à 1, 55jim pour un indice no égal àl, 513.
Si on considère un champ appliqué de 30V/m et une couche de nanoPDLC d'épaisseur optique 6Â, par exemple, il suffit d'appliquer une tension comprise entre OV et 185V pour avoir toute la gamme de longueur d'onde.
D'une manière générale, on note que le matériau utilisé est :
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- isotrope spatialement de manière macroscrocopique (cas notamment du nano-PDLC àOV) ; ou - simplement isotrope dans un plan transverse (c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire à l'axe de propagation du faisceau laser) (cas, par exemple du nano-PDLC soumis à un champ électrique orienté selon l'axe de propagation).
La tension ne peut être augmentée indéfiniment ; ainsi, l'effet de la saturation de la réorientation du cristal liquide limite la plage de variation de l'indice.
4. Réalisation d'un laser amplificateur selon l'invention.
On présente, en relation avec la figure 1, un mode préféré de réalisation d'un laser amplificateur accordable 10 associé àune fibre optique 11.
On note que le laser amplificateur 10 est soumis à différents potentiels électriques, l'un des points 14 étant soumis à des potentiels VI, V2... Vn (n pouvant varier de 1 à quelques centaines) et l'autre point 15 à un potentiel nul.
Le laser amplificateur 10 est relié à n fibres. Par souci de clarté, une seule fibre 11 a été représentée sur la figure 1.
On note que la fibre 11 coopère avec le laser amplificateur 10 par l'une de ses extrémités et émet par son autre extrémité un faisceau laser 17 lui-même émis par le laser amplificateur 10.
Une fibre 12 alimente le laser amplificateur 10 via la fibre 11 avec une pompe 16.
Selon une première variante de l'invention, n vaut 1, une seule fibre est reliée au composant 10 et le point 14 est soumis à un seul potentiel V.
La figure 2 illustre schématiquement de principe du laser amplificateur tel qu'illustré en regard de la figure l, sous la forme d'une coupe longitudinale.
Le laser amplificateur comprend une cavité fermée par deux miroirs de type DBR : - un premier miroir diélectrique 21 à 8 couches et accolé à un substrat transparent 27 ; et
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- un deuxième miroir diélectrique 20 à 7 couches et accolé à un substrat transparent 28.
Ces deux miroirs 20 et 21 sont perpendiculaires à l'axe longitudinal z d'émission du faisceau lumineux (ils sont dans un plan transverse).
Le pompage optique du laser amplificateur 10 se fait par le deuxième miroir 20. Celui-ci permet également la collecte de l'émission laser par le biais d'optiques appropriées (par exemple, des micro-lentilles de couplage).
Ainsi, les miroirs sont calculés pour être : - très réflectifs à 1, 55 um (99,5% de réflexibilité pour le deuxième miroir 20 et 99,8% pour le premier miroir 21) ; et - transparent à 980 nm (la réflectivité est inférieure à 5%).
Les indices des matériaux utilisés dans chacun des miroirs 20 et 21 sont pris égaux à 1,47 pour l'indice le plus faible et 2,23 pour l'autre indice.
La cavité comprend, quant à elle, des éléments successifs suivants : - une première électrode 23 reliée àun potentiel électrique nul ; - une zone 25 de nano-PDLC ; - un ensemble de n électrodes (dont seulement trois électrodes 241,242 et 243 ont été représentées par souci de clarté) sous forme de barrettes rectangulaires parallèles entre elles et perpendiculaires à l'axe z (typiquement de longueur et de largeur supérieures à 20 f. lm pour permettre l'application d'une tension dans une cavité de diamètre compris entre 10 et 20go) ; et - une zone 22 à puits quantiques.
Les électrodes 241,242 et 243 sont soumises à des potentiels respectifs Vl, V2 et V3 non nuls.
Selon la première variante de réalisation, l'ensemble de trois électrodes 241,242 et 243 est remplacé par une seule électrode au potentiel V non nul.
La zone 25 de nano-PDLC de 6A d'épaisseur optique, soit environ 6, 15 um d'épaisseur pour un indice no égal à 1,513, est prise en sandwich entre l'électrode 23 et les électrodes 241,242 et 243 de type ITO. On peut considérer que chaque
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bande de nano-PDLC de forme parallépipédique, parallèle à l'axe z et comprise à l'intérieur de la zone 25 entre une électrode respectivement 241,242 et 243 sous tension VI, V2 et V3 est soumise à un champ quasi constant et égal respectivement à El, E2 et E3 (à titre illustratif, la bande comprise entre l'électrode 242 et l'électrode 23 est représentée sur la figure 2 par une bande 29 délimitée par des pointillés). Ainsi, chacune de ces bandes de nano-PDLC possède son propre indice respectivement ni, n2 et n3 permettant d'accorder indépendamment, avec un seul composant, des longueurs d'ondes A 2 et dz Ainsi, il est possible d'émettre vers chacune des fibres associées au composant un faisceau d'une longueur d'onde précise, accordée en fonction du potentiel V, appliquée à l'électrode correspondante indépendamment des autres faisceaux. On note qu'ainsi, sur la figure 2, la fibre 11 transmet un faisceau laser dont la longueur d'onde est accordée par l'électrode 242 (qui est dans l'alignement de la fibre 11 suivant l'axe de propagation du faisceau).
Selon la première variante de réalisation, toute la zone 25 de nano-PDLC est soumise à un champ quasi-constant et égal à E. Dans ce cas, la couche de nano-PDLC possède un seul indice et permet d'accorder une seule longueur d'onde.
Les électrodes sont prises suffisamment peu épaisses (quelques dizaines de nanomètres) pour être considérées comme transparentes.
La zone active 22 est réalisée en quaternaire 1,18 de 1,5 Ad'épaisseur optique soit environ 0, 7gm pour un indice égal à3, 33.
Cette zone active 22 contient des multi-puits quantiques (5 puits de 7nm de large avec barrières de ÎOnm par multi-puits) placés sur les maxima de champ intra-cavité lorsque la polarisation de la zone déphasante est à mi-course. On réalise ainsi un gain périodique.
La faiblesse de la réflexion à l'interface semi-conducteur/nano-PDLC permet de s'affranchir du recours au traitement anti-reflet qui compliquerait la structure et réduirait le facteur de recouvrement longitudinal pour une même longueur de cavité et de zone de déphasage.
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Pour certains modes de réalisation, on peut cependant prévoir d'avoir recours àun traitement anti-reflet.
On pompe du coté où est p-ésente la zone active. Le deuxième miroir 20 est accolé à la fibre 11 et présente une réflectivité inférieure à celle du premier miroir 21 pour favoriser l'émission du coté de la structure où se trouve la zone active afin de réduire l'absorption de la pompe par la zone du nano-PDLC. D'une manière générale, on choisit un miroir de réflectivité plus faible du coté où l'on veut avoir l'émission.
Le choix des épaisseurs relatives des deux éléments constituant la cavité constitue un compromis entre : - une valeur raisonnable d'épaisseur active (c'est-à-dire suffisamment grande) pour obtenir un facteur de recouvrement raisonnable donc un seuil laser classique ; et - une zone déphasante la plus grande possible pour obtenir une plage d'accordabilité la plus grande possible.
L'épaisseur totale quant à elle est choisie suffisamment faible pour obtenir
un ISL compatible avec une accordabilité (c'est-à-dire ISL supérieur à la bande d'accordabilité) sans saut de mode et de tension de polarisation du nano-PDLC envisageables. Selon la relation (3) mentionnée précédemment, l'ISL est inversement proportionnel à la longueur de la cavité. C'est donc la faible longueur de la cavité qui fait que l'ISL est suffisamment grand
Les paramètres caractérisant le laser amplificateur 10 sont les suivants :
un ISL compatible avec une accordabilité (c'est-à-dire ISL supérieur à la bande d'accordabilité) sans saut de mode et de tension de polarisation du nano-PDLC envisageables. Selon la relation (3) mentionnée précédemment, l'ISL est inversement proportionnel à la longueur de la cavité. C'est donc la faible longueur de la cavité qui fait que l'ISL est suffisamment grand
Les paramètres caractérisant le laser amplificateur 10 sont les suivants :
<tb>
<tb> - <SEP> indice <SEP> du <SEP> verre <SEP> (substrat) <SEP> : <SEP> 1, <SEP> 5 <SEP> ;
<tb> - <SEP> indice <SEP> haut <SEP> du <SEP> DBR <SEP> : <SEP> 2,23 <SEP> ;
<tb> - <SEP> indice <SEP> bas <SEP> du <SEP> DBR <SEP> : <SEP> 1,47 <SEP> ;
<tb> - <SEP> indiceduquatemaire <SEP> : <SEP> 3, <SEP> 33 <SEP> ;
<tb> - <SEP> Indice <SEP> de <SEP> l'InGaAs <SEP> (puits <SEP> quantique) <SEP> : <SEP> 3,56 <SEP> ;
<tb> - <SEP> Indice <SEP> no <SEP> du <SEP> nano-PDLC <SEP> : <SEP> 1,513 <SEP> ;
<tb> - <SEP> p <SEP> : <SEP> 3 <SEP> ;
<tb> - <SEP> m <SEP> : <SEP> 12 <SEP> :
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<tb> - <SEP> Indice <SEP> de <SEP> l'InGaAs <SEP> (puits <SEP> quantique) <SEP> : <SEP> 3,56 <SEP> ;
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<tb>
<tb> - <SEP> Nombres <SEP> de <SEP> paires <SEP> du <SEP> DBR <SEP> 20 <SEP> : <SEP> 7 <SEP> ;
<tb> - <SEP> Nombres <SEP> de <SEP> paires <SEP> du <SEP> DBR <SEP> 21 <SEP> : <SEP> 8 <SEP> ;
<tb> - <SEP> k <SEP> : <SEP> 5,5. <SEP> 10-5 <SEP> ; <SEP> et
<tb> - <SEP> Champ <SEP> appliqué <SEP> : <SEP> 30V <SEP> film.
<tb>
<tb> - <SEP> Nombres <SEP> de <SEP> paires <SEP> du <SEP> DBR <SEP> 20 <SEP> : <SEP> 7 <SEP> ;
<tb> - <SEP> Nombres <SEP> de <SEP> paires <SEP> du <SEP> DBR <SEP> 21 <SEP> : <SEP> 8 <SEP> ;
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<tb> - <SEP> Champ <SEP> appliqué <SEP> : <SEP> 30V <SEP> film.
<tb>
6. Réalisation des différentes parties du composant.
La figure 3A décrit plus précisément l'extrémité isolée du laser amplificateur 10 et la figure 4B son mode de réalisation.
La réalisation 40 de l'extrémité isolée du composant (partie droite sur la figure 2) se fera en plusieurs étapes.
Au cours d'une première étape 401, le premier miroir 21 de Bragg diélectrique est déposé sur une plaque de verre 27 de qualité optique par dépôt sous vide.
Ensuite, au cours d'une étape 402, une couche fine d'ITO constituant la première électrode permettant la polarisation de la couche de nano-PDLC est déposée.
Puis, au cours d'une étape 403, la couche d'ITO est gravée pour permettre la réalisation de bandes d'électrodes (241,242, 243) que l'on pourra polariser indépendamment. Cette étape conduit donc à la réalisation d'une barrette de composants indépendants et plus généralement permet la réalisation de matrice de composant indépendants.
Ensuite au cours d'une étape 404, une couche sacrificielle (26) de polyimide est déposée à la toumette avec une épaisseur contrôlée à moins de 2% près.
Puis au cours d'une étape 405, cette couche est attaquée par gravure sélective de manière à laisser des plots permettant ensuite de coller cette partie à la seconde partie du laser amplificateur 10 en faisant apparaître un espace d'épaisseur contrôlé à moins de 2% près dans la cavité qui pourra être remplie de nano-PDLC.
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La figure 3B décrit plus précisément l'extrémité du laser amplificateur 10 par laquelle se fait l'émission du faisceau lumineux et la figure 4C son mode de réalisation.
La réalisation 41 de l'extrémité non isolée du composant (partie gauche sur la figure 2) se fera en plusieurs étapes.
Au cours d'une première étape 411, le deuxième miroir 20 de Bragg diélectrique est déposé sur une plaque de verre 28 de qualité optique par dépôt sous vide.
Ensuite, au cours d'une étape 412, on fait croître grâce à une reprise d'épitaxie la partie active 22 du composant.
Puis, au cours d'une étape 413, une couche fine d'ITO constituant l'électrode 23 est déposée.
La figure 4A décrit plus globalement la réalisation du laser amplificateur 10.
Au cours des deux premières étapes 40 et 41, on réalise les deux parties du composant comme illustré en regard des figures 4B et 4C.
Puis, au cours d'une étape 42, on colle les deux parties du composant ainsi réalisées.
Ensuite, au cours d'une étape 43, on remplit la cavité formée par assemblage des deux parties, de nano-PDLC sous forme de gouttelettes de cristal liquide dispersées dans un polymère liquide et on laisse polymériser le polymère.
On note qu'après l'étape 42, chacune des gouttelettes de cristal possède des propriétés d'isotropie dans un certain plan mais a un indice optique différent dans une direction perpendiculaire. Néanmoins, à une échelle macroscopique, la cavité est isotropique. Ainsi, la cavité n'introduit pas de polarisation optique.
L'erreur sur l'épaisseur de la couche déphasante a été simulée et un décalage d'environ 1nm sur la longueur d'onde de résonance par % d'erreur d'épaisseur a été obtenu dans le cas d'erreur n'excédant pas 5%. Ainsi, la perte d'accordabilité est de l'ordre du nanomètre, ce qui est négligeable devant la bande considérée. L'erreur sur l'épaisseur envisagée inférieure à 2% est donc sans
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conséquence pour le bon fonctionnement du composant (malgré le fait que l'indice (1,513) de la zone réalisant l'accordabilité soit plus grand que celui des structures de type MEMS (accordabilité obtenue par modulation d'une épaisseur d'air)).
Le laser amplificateur 10 a été simulé par la méthode du produit de matrices de propagation. La figure 5 donne le spectre 50 de réflectivité du composant par une polarisation de la zone déphasante telle que l'émission est centrée à 1, 55fil. L'axe des abscisses représente la longueur d'onde exprimée en nanomètres alors que l'axe des ordonnées représente le coefficient de réflexion en intensité.
Les pics (avec un coefficient de réflexion proche de 0) correspondent aux longueurs d'ondes qui peuvent être amplifiées par le laser amplificateur 10. On peut observer un pic de résonance 51 à 1, 55 {im. On note un ISL (Intervalle Spectral Libre tel que défini précédemment) (correspondant à la différence entre la longueur d'onde associé au pic de résonance 51 et la longueur d'onde associée au pic de résonance le plus proche 52 ou 53) supérieur à45 nm.
La figure 6 donne l'évolution 60 de la longueur d'onde d'émission du composant 10 (exprimée en nanomètres sur l'axe des ordonnées) en fonction de l'indice de la couche de nano-PDLC. On peut observer une plage d'accordabilité d'environ 40 nm. Ainsi, l'ISL (supérieur à 45 nm) est largement compatible avec la plage d'accordabilité mise en valeur par la figure 6.
On peut observer que cette courbe d'accordabilité est quasi-linéaire avec l'indice. La variation de l'indice choisie s'étend sur 3% de sa valeur ce qui correspond à k égal à 5,5. 10-5, un champ appliqué de 30 V/gm et un indice du nano-PDLC de 1,513. On peut observer que, dans ce cas, il n'y a pas de phénomène de saut de mode. Ceci est dû au fort ISL de la cavité. Pour le même champ appliqué, elle pourrait varier d'environ 9nm à 180 nm pour des valeurs de k variant de 10-5 à 2. 10-4 en considérant l'expression (6) valide et que l'on n'est pas dans la zone de saturation de l'expression 5.
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La figure 7 donne la variation 70 de la longueur d'onde d'émission du composant (exprimée en nanomètres sur l'axe des ordonnées) en fonction de la tension de polarisation (exprimée en volts sur l'axe des abscisses). La courbe 70 est calculée dans les mêmes conditions que la courbe 60 de la figure précédente.
Moins de 185V suffisent pour obtenir la plage d'accordabilité désirée.
La figure 8 donne l'évolution 80 de l'intensité du champ stationnaire intracavité dans les différentes couches du composant caractérisés par leur indice respectif.
On peut observer que la zone PDLC 25 consomme une grande partie de l'intensité ce qui réduit en conséquence le facteur de recouvrement. Dans le cas où cette zone posséderait un indice moins élevé, l'intensité dans cette zone serait plus importante encore du fait de ventres plus intenses et d'une épaisseur physique plus grande pour une même épaisseur optique d'où un facteur de confinement encore plus faible. Cela confirme bien l'avantage de cette structure sur celles réalisant l'accordabilité grâce à une zone d'air. On obtient une valeur du facteur de confinement de r égal à 0,005 lorsque l'émission est centrée à 1, 55 um alors qu'on obtiendrait r = 0,0015 si la couche déphasante était constituée d'air comme dans un MEMS.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation mentionnés ci-dessus.
En particulier, l'homme du métier pourra apporter toute variante dans la forme de la structure du laser amplificateur, la composition de la zone à indice variable.
De même, le mode de fabrication n'est pas limité au mode décrit mais s'étend à tout mode de fabrication permettant l'association d'un laser et d'un matériau électro-optique préférentiellement isotrope suivant un plan perpendiculaire à la propagation du ou des faisceaux lumineux et pouvant être soumis à au moins un champ électrique suivant l'axe de propagation du ou des faisceaux lumineux.
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En outre, l'invention s'applique également au cas où l'émission et/ou la pompe se fait par les deux extrémités du laser ou au cas où la pompe se fait par une extrémité du laser et l'émission par l'autre coté.
L'invention s'applique également au cas où la zone électro-optique est composée d'un matériau qui n'est pas du nano PDLC, tout en possédant des propriétés électro-optique isotropes dans un plan transverse.
L'invention s'applique bien sûr, également au cas où les électrodes ont des géométries différentes de celles décrites, (dès lors qu'elles permettent d'appliquer un champ électrique parallèle à l'axe de propagation du faisceau laser) et/ou sont constituées d'un matériau transparent ou semi-transparent pour le faisceau laser, sans être de type ITO.
En outre, l'invention peut s'appliquer au cas où les autres parties du composant laser sont différentes de celles du mode de réalisation décrit, notamment pour la zone active ou les extrémités. Celles-ci pourront, notamment, être dans un matériau différent de la fibre ou du substrat de verre et qui seront notamment transparents ou quasi transparents à l'extrémité (ou aux extrémités) par laquelle se font l'émission laser et, le cas échéant, le pompage.
Selon l'invention, les miroirs de Bragg par exemple ne sont pas nécessairement des DBR diélectriques, mais peuvent également être des DBR semi-conducteurs.
De plus, l'invention s'applique non seulement au cas où le composant est couplé à une ou plusieurs fibres directement (le composant est alors suffisamment proche de la ou des fibres pour que l'effet de diffraction de l'air soit négligeable) ou avec une interface comprenant un ou plusieurs collimateurs (sous forme de réseau optique ou de lentille de couplage) mais aussi à tout autre médium de transmission de faisceau laser, tel que, notamment, l'air libre (on peut utiliser, dans ce cas, une pompe collimatée légèrement décalée d'un certain angle et traversant une micro-lentille de collimation avant de pénétrer dans le composant ; on peut également utiliser un cube séparateur polarisé avec une pompe polarisée
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ou tout autre solution permettant d'introduire une pompe optique dans le composant).
L'invention ne se limite pas au cas du pompage optique de la cavité. Elle s'applique également au cas du pompage électrique de la cavité grâce à une autre électrode. Cette électrode peut notamment être située entre le DBR du coté de l'émission laser et les puits quantiques. L'énergie apportée grâce à une tension appliquée aux puits quantiques est ainsi électrique et ne nécessite pas l'utilisation d'un laser de pompe qui peut coûter cher. Dans le cas de la réalisation d'un composant avec pompage électrique, on prévoit une étape de définition de la cavité, par exemple, par implantation de protons (il s'agit d'une zone isolante autour de la cavité) ou par oxydation sélective d'une couche du composant laissant non oxydé un disque de matériau.
L'invention trouve des applications dans le domaine des télécommunications (notamment dans la transmission de données à faible ou fort débit, dans la transmission de données sur fibres multimode...) mais également dans de nombreux autres domaines mettant en navre des faisceaux lasers.
Claims (14)
- REVENDICATIONS 1. Laser amplificateur à cavité verticale, caractérisé en ce qu'il comprend, à l'intérieur de ladite cavité (25), au moins un élément électro-optique destiné à accorder la longueur d'onde (X) dudit laser amplificateur.
- 2. Laser amplificateur accordable à cavité verticale selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens d'application (23, 241, 242,243, 15,14) d'un champ électrique variable audit élément électro-optique en fonction d'au moins une tension électrique (V1, V2, Vn) appliquée audit laser (10) amplificateur.
- 3. Laser amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moins un desdits éléments électro-optiques comprend un matériau isotrope dans un plan transverse.
- 4. Laser amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins un desdits éléments électro-optiques comprend un matériau de type nano-PDLC.
- 5. Laser amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il se comporte comme un amplificateur.
- 6. Laser amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il se comporte comme un laser générant au moins un faisceau laser.
- 7. Laser amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des électrodes (23,241, 242,243) transparentes ou semi-transparentes permettant l'application dudit au moins un champ électrique auxdits éléments électro-optiques et le passage d'un faisceau lumineux au travers de ces électrodes.
- 8. Laser amplificateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites électrodes sont de type ITO.<Desc/Clms Page number 23>
- 9. Laser amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une électrode permettant un pompage électrique de ladite cavité.
- 10. Matrice de composants caractérisé en ce que ladite matrice comprend au moins deux lasers amplificateurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
- 11. Matrice de composants selon la revendication 10 caractérisé en ce que chaque laser de ladite matrice comprend des moyens d'application d'un champ électrique permettant d'accorder une longueur d'onde associée audit laser, de sorte que ladite matrice est apte à accorder une pluralité de longueurs d'onde.
- 12. Système de télécommunications à haut débit, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un laser amplificateur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 coopérant avec au moins une fibre optique (11) permettant l'émission d'au moins un faisceau lumineux émis par ledit laser amplificateur.
- 13. Procédé de fabrication d'un laser amplificateur à cavité verticale, caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape de réalisation (40) d'une première partie dudit laser amplificateur comprenant au moins une première électrode ; - une étape de réalisation (41) d'une deuxième partie dudit laser amplificateur comprenant au moins une deuxième électrode ; - une étape de réalisation (42) d'une cavité obtenue comprenant elle-même une sous-étape d'assemblage desdites premières et deuxième parties ; et - une étape de remplissage (43) de ladite cavité par au moins un élément électro-optique.
- 14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une étape de dépôt (404) d'un élément sur au moins une desdites parties dudit laser, permettant ledit assemblage et ledit remplissage.
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| EP1482611A1 (fr) * | 2003-05-26 | 2004-12-01 | Optogone | Laser à cavité verticale et à émission surfacique, système de télécommunication et procédé correspondant |
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