FR2826193A1 - Reseau dense de sources laser a grande finesse spectrale - Google Patents

Abstract

Le réseau de l'invention (8) comporte essentiellement un bloc (9) de diodes laser couplé à un bloc (10) de cavités externes comportant chacune un guide d'ondes optique (11) et un réseau de Bragg (12) formant filtre à bande étroite.Application : réseau dense de télécommunications par multiplexage en longueur d'onde.

Description

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RESEAU DENSE DE SOURCES LASER A GRANDE FINESSE
SPECTRALE
La présente invention se rapporte à un réseau dense de sources laser à grande finesse spectrale.

L'une des difficultés de réalisation des réseaux de fibres optiques à multiplexage en longueur d'onde réside dans la réalisation d'un ensemble de lasers semiconducteurs dont la longueur d'onde individuelle soit parfaitement contrôlée et stable.

Typiquement, l'écart entre canaux laser adjacents fonctionnant à une longueur d'onde voisine de 1500 nm doit être inférieur à 0,5 nm pour permettre d'obtenir des capacités de multiplexage intéressantes dans la bande spectrale des amplificateurs optiques à base d'erbium, cette bande spectrale pouvant s'étendre sur lOOnm. Pour obtenir de telles performances, on pourrait avoir recours à la juxtaposition d'un nombre approprié de lasers semiconducteurs classiques, mais un tel ensemble de sources ne serait pas suffisamment homogène dans son comportement en fonction des variations de la température ambiante et dans ses caractéristiques de finesse spectrale.

La présente invention a pour objet un réseau dense de sources laser en matériau semiconducteur à grande finesse spectrale, émettant à des longueurs d'onde différentes mais très rapprochées les unes des autres, et ayant une grande stabilité thermique.

Le réseau conforme à l'invention comporte un bloc émetteur de lumière cohérente, comportant avantageusement des lasers semiconducteurs, couplé à un autre bloc, fonctionnant en groupe de cavités externes et dans lequel est formée en vis-à-vis de chaque laser une cavité comportant un guide optique et un filtre à bande étroite.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel : - Les figures 1 et 2 sont des vues simplifiées, de côté et de dessus respectivement, d'un laser semiconducteur à cavité externe, - La figure 3 est une vue simplifiée de dessus d'un réseau linéaire de lasers semiconducteurs à cavité externe, conforme à l'invention, et

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Les figures 4 et 5 sont des vues de dessus partielles et simplifiées expliquant l'assemblage d'un bloc de lasers avec un bloc à guides d'ondes optiques.

Les figures 1 et 2 représentent une source laser 1 élémentaire. Cette source 1 comporte essentiellement : un laser semiconducteur 2 à couche multidiélectrique, présentant un coefficient de réflexion ss, un guide d'ondes 3 réalisé à partir d'une couche polymère photosensible 3A déposée sur un substrat 4, et un réseau de Bragg 5 sur lequel on imprime par une technique holographique un réseau de franges de période spatiale A et de longueur déterminée de façon à obtenir une fonction de filtrage à bande étroite.

La couche de photopolymère 3A constitue un guide d'ondes optiques dont la dimension transversale doit être limitée, et le réseau de Bragg est formé près de son extrémité opposée à celle qui est adjacente au laser 2. Dans les conditions d'accord de phase à la longueur d'onde de travail Xo, le coefficient de réflexion R du guide d'ondes est donné par :
R = th2 XL avec X = TtL ;,
X étant le coefficient de couplage entre le laser 2 et le guide d'ondes, L la longueur du réseau de Bragg 5, An la modulation d'indice photoinduite du réseau. Ce réseau de Bragg constitue le miroir de couplage de la cavité externe qui est constituée entre la face arrière du laser 2 adjacente au guide d'ondes et le miroir de Bragg. Cette cavité est connue sous l'appellation"DBR" (Distributed Bragg Reflector). A titre d'exemple, on peut obtenir une largeur spectrale Ak du laser à cavité externe de 0,5nm avec une excursion d'indice de 5. 10-4 et une longueur L du réseau de Bragg de 1 à 2 mm. Ce réseau 5 est inscrit dans le photopolymère avec un faisceau de longueur d'onde ke, arrivant sur le photopolymère avec un angle d'incidence 8 (par rapport à la perpendiculaire au plan du guide 3). La période spatiale Ao du réseau 5 est alors définie par : se = Ao. 2 sin 8.

On a représenté en figure 3 un réseau linéaire 8 de lasers dont chaque longueur d'onde est contrôlée par l'intermédiaire d'un réseau de Bragg formant cavité externe. Ce réseau 8 comporte un seul ruban large 9 émetteur de lumière placé en contact avec un bloc 10 sur lequel sont formés des guides d'ondes optiques 11 parallèles entre eux, et des filtres correspondants 12, guides dont le nombre est égal au nombre de canaux nécessaires. Le ruban 9 est un émetteur laser émettant dans la bande spectrale typique des télécommunications, à savoir 1450-1550 nm. Il se présente sous forme d'une barrette à électrode de commande s'étendant tout le long

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de la barrette. Ce ruban 9 est par exemple collé sur une face latérale 13 du bloc 10 de façon à l'illuminer en totalité, ou tout au moins toute sa couche (supérieure) 14 constituée par un photopolymère. Ce photopolymère est insolé de façon à y former les guides d'ondes optiques monomodes 11 et les filtres 12. Cette insolation se fait de la façon suivante : d'abord on éclaire la couche 14 selon des lignes lumineuses parallèles entre elles dont la largeur définit à chaque fois la dimension du mode de la cavité (monomode), et ensuite, on éclaire les extrémités (les plus éloignées du ruban 9) des guides d'ondes 11 par des figures d'interférences définissant à chaque fois le filtre 12 désiré, c'est-à-dire, en fin de compte, la longueur d'onde à laquelle sera accordée chacune des cavités externes ainsi formées. Ces insolations se font à une longueur d'onde située dans le domaine spectral de sensibilité du photopolymère utilisé, typiquement, une longueur d'onde inférieure ou égale à 530nm pour les matériaux usuels, et elles se traduisent par une variation d'indice de réfraction de la partie insolée, ce qui en fait un guide de lumière (guide 11) et un réseau d'indices (filtres 12). Cette variation d'indice est ensuite fixée de façon permanente grâce à un éclairage homogène du matériau photopolymère par une lumière incohérente, éventuellement suivi d'un traitement thermique (procédure préconisée pour les photopolymères de marque"DUPONT").

Le couplage entre le ruban laser 9 et les différents guides 10 est assuré par une structure évasée 11A (ou"en entonnoir") qui est classiquement utilisée dans les techniques de couplage entre laser et fibre optique monomode. Cette structure évasée est également réalisée par éclairage du matériau photopolymère selon une loi d'éclairement appropriée, connue en soi, au travers d'un masque.

Les réseaux de Bragg formant des filtres 12 ont une période spatiale Ai telle que Ai = i/2nc. ki étant la longueur d'onde de la cavité de rang i considérée et n l'indice du matériau photopolymère après insolation et fixation.

L'écart entre longueurs d'ondes successives étant noté A. i, l'écart A Ai entre périodes spatiales des filtres 12 successifs est tel que : AAi = (l/2no)'Ai no étant l'indice moyen.

La loi de variation de chaque période spatiale Ai des différents filtres est donnée par : Ai = Ao + (1/2 no)'Ai

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La source lumineuse 9 peut être soit, comme précisé ci-dessus, et comme illustré plus en détail en figure 4, un laser semiconducteur monoruban dont toute la partie se trouvant en contact avec les extrémités des"entonnoirs"11A est émettrice de lumière, soit, comme illustré en figure 5, être un ensemble 9'comportant autant de zones actives 9.1 à 9. n (émettrices de lumière cohérente) qu'il doit y avoir de cavités externes. Chacune de ces zones actives 9.1 à 9. n est, bien entendu, face à un entonnoir 11A, et chacune peut être commandée individuellement par une structure d'électrodes.

Selon un exemple de réalisation, la couche 14 de photopolymère est de la marque"Dupont de Nemours"telle qu'utilisée habituellement pour l'holographie.

Son épaisseur est typiquement comprise entre 2 et 5 J.. 1m, afin d'assurer une propagation monomode. Les guides d'ondes 11 sont formés dans la couche de photopolymère par insolation de celle-ci à travers un masque opaque comportant des lignes transparentes parallèles entre elles qui correspondent à ces guides d'ondes. La largeur de ces lignes est d'environ 10 à 50 J.. 1m. En variante, la formation de ces guides peut se faire par projection d'une ligne lumineuse focale dont le plan focal coïncide avec le plan de la couche photopolymère et par déplacements successifs de cette ligne en correspondance avec les emplacements désirés des guides. On procède ensuite à l'enregistrement holographique des réseaux de Bragg destinés à former les filtres 12 selon une technique analogue à celle utilisée pour former des réseaux dans les fibres optiques. Le masque utilisé pour cet enregistrement est le même que celui utilisé pour réaliser les guides d'ondes 11. Un exemple simplifié d'un tel masque 15 a été représenté en figure 6. On voit sur cette figure les lignes transparentes 16 correspondant aux guides d'ondes et les réseaux de Bragg 17 correspondant aux filtres 12. Dans un exmple de réalisation du dipositif 8 de l'invention destiné à une application WDM à 20 canaux équidistants, la distance 6. ^-i entre canaux successifs était de 0.5 nm ce qui correspondait à une différence de fréquences d'environ 60 GHz pour une longueur d'onde moyenne o d'environ 1.5 J.. 1m. Le pas d'indice des filtres était : An = 5. 10-4, leur longueur L de 1,5 mm, et l'efficacité de diffraction de réseaux de Bragg était de 95%.

Selon une variante de réalisation du dispositif de l'invention, schématiquement représentés en figure 7, l'émission des différents faisceaux laser depuis la source 9 se fait, non plus à l'opposé des cavités (comme cela était le cas pour les figures 3 à 5), mais à travers les différentes cavités externes 18, vers la face latérale 19 opposée à celle sur laquelle est fixée la source 9. A cet effet, on dépose

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sur la face de la source opposée à celle en contact avec les cavités externes un miroir 20 présentant un coefficient de réflexion maximal aux longueurs d'ondes utilisées.

Les différents miroirs de Bragg 21 font alors fonction de filtres et de coupleurs de sortie des faisceaux émis par le réseau de sources. Dans ce mode de réalisation, l'efficacité de diffraction des réseaux de Bragg doit être réduite à des valeurs d'environ 10 à 20% pour ne pas trop diminuer l'énergie des faisceaux laser émis. Cette condition est obtenue en réduisant les variations d'indice photoinduites lors de l'inscription de ces réseaux de Bragg, par exemple grâce à une réduction du temps d'exposition lors de l'insolation du matériau photopolymère. L'amplitude de cette variation d'indice est alors d'environ 10-4. La longueur L des cavités est sensiblement égale à celle du mode de réalisation des figures 3 à 5, à savoir d'environ
1,5mm pour obtenir la même bande passante. Les faisceaux émis par la face 19 sont soit directement couplés dans des fibres monomodes correspondantes, soit passent par des fonctions optiques passives et actives appropriées (par exemple commutation, modulation...).

En variante, la couche de photopolymère peut être remplacée par une couche mince de silice dans laquelle seront gravés les guides optiques et les réseaux de Bragg. Les techniques de traitement du substrat et de masquage et insolation en ultraviolets utilisées pour la réalisation des réseaux de Bragg formant les filtres sont utilisables pour graver optiquement dans la silice l'ensemble de la structure guides d'ondes et réseaux de Bragg. Les variations d'indices photoinduites (10-5 à 10'3) sont compatibles avec les performances recherchées pour les filtres de Bragg. Les énergies nécessaires à l'inscription des réseaux de Bragg sont beaucoup plus élevées qu'avec un photopolymère, mais le guide d'ondes obtenu avec la silice présente des pertes plus faibles.

En conclusion, le dispositif de l'invention comporte un ensemble de cavités de sources laser fonctionnant en cavités externes, ensemble obtenu par simple insolation d'un matériau photosensible. Des réseaux de Bragg, formés dans le même matériau photosensible, assurent un filtrage spectral efficace dans ces cavités. Ce dispositif permet de réaliser de façon collective un grand nombre de sources laser, qui peuvent être séparées spectralement par une dizaine de GHz par exemple. Un tel type de composant est très bien adapté à la réalisation de réseaux denses de télécommunications par multiplexage en longueur d'onde.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS 1. Réseau dense de sources laser à grande finesse spectrale, caractérisé en ce qu'il comporte un bloc (9) émetteur de lumière cohérente couplé à un autre bloc (10), fonctionnant en groupe de cavités externes et dans lequel est formée en vis-à-vis de chaque laser une cavité comportant un guide d'ondes optique (11) et un filtre à bande étroite (12).
2. 2. Réseau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les filtres (12) sont des réseaux de Bragg.
3. 3. Réseau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le bloc de cavités externes comporte un substrat sur lequel est déposée une couche de photopolymère (14) dans laquelle sont formés les guides d'ondes et les filtres.
4. 4. Réseau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le bloc de cavités externes est une couche de silice dans laquelle sont gravés les guides optiques et les filtres.
5. 5. Réseau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bloc émetteur de lumière comporte un ensemble de lasers semiconducteurs.
6. 6. Réseau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les différents faisceaux laser qu'il produit (. o à . i+i) sont émis du côté du bloc émetteur de lumière (9), à l'opposé du bloc de cavités.
7. 7. Réseau selon l'une des revendications à 5, caractérisé en ce que les différents faisceaux laser qu'il produit (Xo à i+l) sont émis vers la face latérale (19) du bloc de cavités opposées à celle sur laquelle est fixé le bloc émetteur de lumière (9).
8. 8. Réseau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les différents guides d'ondes (11) sont couplés au bloc émetteur de lumière par des"entonnoirs" (11A).
9. 9. Réseau selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé par le fait que le bloc émetteur de lumière comporte une barrette de laser semiconducteur à électrode de commande s'étendant tout le long de la barrette.