WO2018019955A1 - Diode laser à rétroaction répartie - Google Patents

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WO2018019955A1
WO2018019955A1 PCT/EP2017/069069 EP2017069069W WO2018019955A1 WO 2018019955 A1 WO2018019955 A1 WO 2018019955A1 EP 2017069069 W EP2017069069 W EP 2017069069W WO 2018019955 A1 WO2018019955 A1 WO 2018019955A1
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laser diode
resonators
waveguide
diode according
localized
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PCT/EP2017/069069
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Anatole Lupu
Natalia Dubrovina
Abderrahim Ramdane
Henri Benisty
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Universite Paris Sud
Centre National De La Recherche Scientifique
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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
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/1237—Lateral grating, i.e. grating only adjacent ridge or mesa
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    • H01S5/065—Mode locking; Mode suppression; Mode selection ; Self pulsating
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    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure

Definitions

  • Distributed feedback laser diodes are used as an optical source for optical fiber connections, especially because of their spectral purity. Spectral purity is a critical parameter for obtaining high flows over long distances of fibers.
  • the monomode spectral operation of this type of laser is obtained by means of a periodic grating distributed along an active guide comprising a gain medium.
  • the role of the network is to provide a periodic modulation of the real or imaginary part of the effective index n e ff of the guide and thus to obtain the selective feedback condition around the Bragg condition ensuring the single-frequency operation of the laser.
  • the parameter that dictates the amount of light channeled into the feedback is called the coupling coefficient, it is usually given in cm "1 , coupling per unit length, its value and the exact parameters of the structure determine the exact value. the frequency of the laser- or both frequencies when the single-frequency operation is not obtained, - which deviates slightly from said Bragg condition.
  • optical isolators are integrated in the laser modules with the consequence of a very significant increase in the price of the module.
  • the object of the present invention is to propose a laser diode that does not have the drawbacks of the prior art.
  • the invention thus proposes a distributed feedback laser diode comprising a waveguide with gain medium assisted by a network formed by a distribution of elements, a subset including localized resonators distributed along the axis of the waveguide, wherein the characteristic frequency of the waveguide induced feedback by the spatial distribution of said elements differs by less than 50% from the resonant frequency of said localized resonators.
  • the structure of the laser diode according to the invention makes it possible to obtain the induced transparency effect which greatly improves the single-frequency efficiency, the output power and the selectivity of the laser.
  • the laser diode according to the invention may also comprise one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination: the laser diode is configured so that the optical confinement factor of the guide wave with localized resonators is adjusted to allow an induced transparency phenomenon; and or
  • the characteristic frequency of the feedback induced by the lattice formed by the distributed elements differs by less than 20% from the resonant frequency of the localized resonators themselves;
  • the localized resonators comprise at least one element having a dimension between 1/5 and 1/20 of the ratio between the speed of light c and the frequency f of the laser emission in a direction substantially perpendicular to the main axis of the guide wave; and or
  • the elements forming the resonant localized resonators are arranged so that the largest dimension is oriented in the direction of one of the non-zero electric fields of the guided wave;
  • the elements forming the resonant localized resonators are arranged in such a way that the largest dimension is oriented in a direction perpendicular to the axis of the waveguide; and or
  • the localized resonators are at least partially inside the waveguide;
  • each period of the periodic network comprises between 1 and 10 localized resonators; and or the localized resonators consist of a meta-material, for example of dielectric, metallic or metallo-dielectric nature; and or
  • the quality factor of the localized resonators is adjusted between 10 and 100 using a dissipative material at the frequency of the laser emission, such as a metal.
  • the invention also relates to a telecommunication device comprising as optical source a laser diode according to the invention.
  • the telecommunication device according to the invention may not include an optical isolator.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a distributed feedback laser diode with a grating according to the invention.
  • FIG. 2 shows a transmission spectrum of a waveguide with a network according to the invention highlighting the effect of induced transparency.
  • Figure 1 schematically illustrates the structure of a laser diode 10 according to an embodiment of the invention.
  • a laser diode 10 can comprise:
  • Such a structure 13 is typically obtained but not exclusively by etching removing the material around it, and
  • the semiconductor substrate material 12 is defined by the desired wavelength range of the laser diode, following epitaxial considerations well known to those skilled in the art.
  • the active layer 14 disposed on the semiconductor substrate is the layer in which at least one partial population inversion is possible.
  • the photons that are created by spontaneous emission are emitted in particular in a longitudinal direction, and are amplified by stimulated emission because they undergo the distributed feedback, as well as a possible reflection on the mirrors at the ends of the laser.
  • the modulation of the net gain ie the pure amplification due to the stimulated emission reduced by the internal absorption, results in the selection of a single eigenmode longitudinal of the Laser cavity due to the frequency where the reflection combined with the minimum selective absorption of photons on the periodic surface structure occurs.
  • the network 20 is formed by a distribution of elements 22 distributed along the axis of the waveguide.
  • the confinement factor ⁇ of this network is defined as the overlap ratio between the optical mode intensity profile propagating in the waveguide and the section in a transverse plane of the elements of the periodic grating.
  • the distribution of the elements 22 along the waveguide is such that the characteristic frequency of the feedback induced on the waveguide by this distribution differs by less than 50%, for example by less than 40%, from the frequency of the waveguide. resonance of said localized resonators 24.
  • the grating and the waveguide are configured so that the characteristic frequency of the feedback induced by the grating formed by the elements 22 differs by less than 30%, for example less than 20%. % of the resonance frequency of the localized resonators 22 themselves.
  • the distance between the edges of the localized resonators closest to the waveguide and the edge of the waveguide is typically less than or equal to 1/10 of c / f, with c the speed of light and the frequency of light. the emission of the laser.
  • the localized resonators closest to the waveguide are in contact with the edge of the edge of the waveguide.
  • the localized resonators may consist of a meta-material, for example of dielectric, metallic or metallodielectric nature.
  • the resonant properties of the meta-material make it possible to increase by an order of magnitude the feedback force of the Bragg grating.
  • the quality factor of the localized resonators is adjusted between 10 and 100 using a dissipative material at the frequency of the laser emission, such as a metal.
  • a dissipative material at the frequency of the laser emission, such as a metal.
  • the feedback frequency and the natural frequency of the resonators must be adjusted accordingly, so that one falls within the spectral width of the other.
  • the phenomenon of induced transparency corresponds to the effect of destructive interference between coupled resonant oscillators leads to the appearance of a narrow window of transparency in the middle of an absorption band.
  • This phenomenon represents a classic analogy of the effect of induced transparency observed in atomic physics.
  • the destructive interference effect of localized surface plasmons due to the evanescent coupling between resonant plasmonic elements leads to the appearance of a narrow window of transparency in the middle of an absorption band.
  • the monomode spectral operation of the laser according to the invention is a direct consequence of the high density of states associated with the phenomenon of induced transparency.
  • the spectral window associated with the induced transparency regime is very fine, allowing a very high single-frequency performance.
  • the reduction of the ohmic losses due to the operation in the induced transparency regime makes it possible to increase by an order of magnitude the confinement factor ⁇ of the guided mode with the periodic disturbance of the Bragg grating.
  • the resonant properties of the meta-material strongly depend on the polarization of the optical mode.
  • the inventors have been able to demonstrate a high tolerance of 15 dB for optical feedback in the induced transparency regime.
  • a tolerance of 19 dB is considered good for several applications, in particular according to the IEEE 802.3 standard.
  • the invention also relates to a telecommunication device comprising as optical source a laser diode according to the invention.
  • the use of a laser diode according to the invention makes it possible to dispense with an optical isolator.
  • a laser diode according to the invention can also be ingested in a photonic integrated circuit (PIC) or in sensors or optical instruments.
  • PIC photonic integrated circuit

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Abstract

Diode laser (10) à rétroaction répartie comprenant un guide d'onde avec milieu à gain assisté d'un réseau formé par une répartition d'éléments (22) dont un sous-ensemble comprenant des résonateurs localisés (24) distribués le long de l'axe du guide d'onde, remarquable en ce que la fréquence caractéristique de la rétroaction induite sur l'onde du guide par la répartition spatiale desdits éléments diffère de moins de 50% de la fréquence de résonance desdits résonateurs localisés.

Description

Diode laser à rétroaction répartie
L'invention se rapporte à une diode laser à rétroaction répartie ainsi qu'à un dispositif de télécommunication comprenant comme source optique une diode laser selon l'invention.
Les diodes laser à rétroaction répartie sont utilisées comme source optique pour les connexions par fibre optique, notamment en raison de leur pureté spectrale. La pureté spectrale est un paramètre critique pour l'obtention de hauts débits sur de longues distances de fibres.
Le fonctionnement spectral monomode de ce type de laser est obtenu au moyen d'un réseau périodique distribué le long d'un guide actif comportant un milieu à gain. Le rôle du réseau est d'assurer une modulation périodique de la partie réelle ou imaginaire de l'indice effectif neff du guide et ainsi d'obtenir la condition de rétroaction sélective autour de la condition de Bragg assurant le fonctionnement mono-fréquence du laser. La condition de Bragg relie la période Λ, la longueur d'onde d'émission λ, quotient de la vitesse de la lumière c par la fréquence optique f, et l'indice effectif moyen neff du mode suivant Λ= 2neff λ pour une rétroaction dite au premier ordre, ou plus rarement suivant Λ= 2 m neff λ où m est un entier, pour les ordres dits supérieurs, choix moins avantageux mais possible. Le paramètre qui dicte la quantité de lumière canalisée dans la contre-réaction s'appelle le coefficient de couplage, il est généralement donné en cm"1, couplage par unité de longueur. Sa valeur et les paramètres exacts de la structure déterminent la valeur exacte de la fréquence du laser— ou des deux fréquences quand le fonctionnement monofréquence n'est pas obtenu, — qui s'écarte légèrement de ladite condition de Bragg.
L'un des problèmes majeurs qu'on rencontre dans le fonctionnement de ces lasers est leur sensibilité à la rétroaction optique parasite dans la ligne de transmission optique. Un retour optique supérieur à un seuil critique conduit à l'effondrement de la cohérence de ces lasers, ce qui se manifeste par une augmentation de leur largeur spectrale, et une grosse pénalité pour la qualité et le débit des communications optiques associées. Pour pallier ce problème, des isolateurs optiques sont intégrés dans les modules lasers avec comme conséquence une augmentation très significative du prix du module.
La recherche des solutions pouvant aboutir à un fonctionnement sans isolateur optique est menée depuis de nombreuses années.
L'une des solutions proposées, en particulier par R. Hui, M. Kavehrad et T. Makino, dans l'article "External feedback sensitivity of partly gain coupled DFB semiconductor lasers," IEEE Photon. Technol. Lett. 6, 897-899, (1994), est d'utiliser des lasers avec réseaux à modulation de pertes. L'émission de ce type de laser s'avère robuste par rapport au retour optique. Les réseaux métalliques à base de chrome permettent d'atteindre des coefficients de couplage de 5 à 20 cm"1. La réalisation d'une augmentation significative de la force du réseau de Bragg au-delà de ces valeurs s'avère difficile sur le plan technique mais surtout elle induit un impact négatif sur le fonctionnement du laser.
Comme le réseau est très absorbant, cela se traduit par une augmentation de la valeur moyenne des pertes et par conséquent une augmentation du niveau de bruit, en anglais RIN - relative intensity noise. Enfin, il y a eu des tentatives de couplage partiel par le gain, en gravant partiellement la partie active de la couche guidante, par exemple quand elle est formée de multiples puits quantiques en gravant quelques puits quantiques mais pas tous, en particulier G. P. Li, T. Makino, R. Moore et N. Puetz dans l'article "1.55 mu m index/gain coupled DFB lasers with strained layer multiquantum-well active grating," Electron. Lett. 28, 1726-1727 (1992). Cependant les caractéristiques électriques sont en général trop dégradées par cette opération pour que le composant en tire un avantage utilisable.
Le but de la présente invention est de proposer une diode laser ne présentant pas les inconvénients de l'art antérieur.
L'invention propose ainsi une diode laser à rétroaction répartie comprenant un guide d'onde avec milieu à gain assisté d'un réseau formé par une répartition d'éléments dont un sous-ensemble comprenant des résonateurs localisés distribués le long de l'axe du guide d'onde, dans laquelle la fréquence caractéristique de la rétroaction induite sur l'onde du guide par la répartition spatiale desdits éléments diffère de moins de 50% de la fréquence de résonance desdits résonateurs localisés.
Avantageusement, la structure de la diode laser selon l'invention permet d'obtenir l'effet de transparence induite qui améliore grandement le rendement mono-fréquence, la puissance de sortie et la sélectivité du laser. La diode laser selon l'invention peut également comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : la diode laser est configurée de sorte que le facteur de confinement optique de l'onde du guide avec des résonateurs localisés est ajusté afin de permettre un phénomène de transparence induite ; et/ou
les éléments sont répartis sous forme de réseau périodique le long de l'axe principal du guide d'onde ; et/ou
la fréquence caractéristique de la rétroaction induite par le réseau formé par les éléments distribués diffère de moins de 20% de la fréquence de résonance des résonateurs localisés eux-mêmes ; et/ou
les résonateurs localisés comprennent au moins un élément ayant une dimension comprise entre 1/5 et 1/20 du rapport entre la vitesse de la lumière c et la fréquence f de l'émission laser dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe principal du guide d'onde ; et/ou
les éléments formant les résonateurs localisés résonants sont disposés de façon à ce que la plus grande dimension soit orientée suivant la direction d'un des champs électriques non nul de l'onde guidée ; et/ou
les éléments résonants les résonateurs localisés sont disposés de façon à ce que la plus grande dimension soit orientée suivant la direction du champ électrique dominant de l'onde guidée, par exemple une direction perpendiculaire à l'axe du guide d'onde ; et/ou
les éléments formant les résonateurs localisés résonants sont disposés de façon à ce que la plus grande dimension soit orientée suivant une direction perpendiculaire à l'axe du guide d'onde ; et/ou
les résonateurs localisés sont disposés selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe principal du guide d'onde avec une séparation entre eux inférieure à la dimension des résonateurs localisés selon ladite direction, par exemple la séparation est comprise entre 1/10 et 1/50 de c/f ; et/ou
la distance entre les résonateurs localisés les plus proches du guide d'onde et le flanc du guide d'onde est inférieure ou égale à 1/10 de c/f, de préférence au contact d'un des bords du guide ; et/ou
les résonateurs localisés sont au moins partiellement à l'intérieur du guide d'onde ; et/ou
chaque période du réseau périodique comprend entre 1 et 10 résonateurs localisés ; et/ou les résonateurs localisés sont constitué d'un méta-matériau, par exemple de nature diélectrique, métallique ou métallo-diélectrique ; et/ou
le facteur de qualité des résonateurs localisés est ajusté entre 10 et 100 à l'aide d'un matériau dissipatif à la fréquence de l'émission laser, tel qu'un métal.
L'invention se rapporte également à un dispositif de télécommunication comprenant comme source optique une diode laser selon l'invention.
Le dispositif de télécommunication selon l'invention peut ne pas comprendre d'isolateur optique.
La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de limiter ladite invention, accompagnée des figures suivantes :
- la figure 1 est une représentation schématique d'une diode laser à rétroaction répartie avec un réseau selon l'invention, et
- la figure 2 représente un spectre de transmission d'un guide d'onde avec un réseau selon l'invention mettant en évidence l'effet de transparence induite.
Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention.
Sur les différentes figures les différents éléments ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle afin de présenter une vue permettant de faciliter la compréhension de l'invention.
La figure 1 illustre schématiquement la structure d'une diode laser 10 selon un mode de réalisation de l'invention.
Comme illustré sur la figure 1, une diode laser 10 selon l'invention peut comprendre :
- un substrat semi-conducteur 12,
- une structure guidante latéralement 13,
- une couche active 14 disposée sur le substrat semi-conducteur 12,
- la couche active 14 est entourée de fines couches 16 et 16' formant une zone dite hétérostructure à confinement séparé "SCH", Separate Confinement Heterostructure en anglais
- un couche semi-conducteur 18 disposée sur la couche fine 16', - un guide d'onde formé par la combinaison des couches 12,14,16,16'et 18 et d'une limitation latérale de l'onde et du courant par la structure guidant latéralement 13. Une telle structure 13 est obtenue typiquement mais pas exclusivement par gravure enlevant la matière autour d'elle, et
- un réseau 20 disposé de part et d'autre du guide d'onde.
Généralement les différentes couches sont déposées sur un substrat semi-conducteur 12, par exemple au moyen d'un procédé d'épitaxie.
Le matériau de substrat semi-conducteur 12 est défini par le domaine de longueur d'onde souhaitée de la diode laser, suivant des considérations d'épitaxie bien connues de l'homme de l'art.
La couche active 14 peut être élaborée comme une couche mince, par exemple d'une épaisseur d'environ 0,2 μιη. Sa composition permet d'obtenir sous injection électrique un gain optique autour de la longueur d'onde souhaitée, d'une largeur spectrale Δλ=Δ(ο/ί) typique entre 3 et 300 nm.
La couche active 14 disposée sur le substrat semi-conducteur est la couche dans laquelle au moins une inversion de population partielle est possible. Les photons qui sont créés par émission spontanée sont émis notamment dans une direction longitudinale, et sont amplifiés par émission stimulée parce qu'ils subissent la rétroaction répartie, ainsi qu'une possible réflexion sur les miroirs aux extrémités du laser.
Pour les diodes laser ayant un couplage latéral, la modulation du gain net,— à savoir l'amplification pure due à l'émission stimulée réduite par l'absorption interne,— se traduit par la sélection d'un seul mode propre longitudinal de la cavité laser en raison de la fréquence où se produit la réflexion combinée au minimum d'absorption sélective des photons sur la structure de surface périodique.
Alors que le substrat semi-conducteur 12 est généralement dopé n, la couche de semiconducteur 18 disposée sur la couche active 16' est généralement dopé p, de façon à assurer une jonction pin formant diode, et aussi une minimisation des résistances ohmiques compte tenu des contraintes technologiques.
L'épaisseur et la quantité de dopage de la couche de semi-conducteur 18 et du substrat semi-conducteur 12 sont généralement d'ordres de grandeur comparables.
Comme illustré sur la figure 1 , lorsque le processus d'épitaxie est terminé, la couche de semi-conducteur 18 entre les miroirs du laser 17 et 19 est retirée autour de l'arête du guide d'onde par exemple au cours d'une étape de gravure. La partie centrale restante 13 de la couche semi-conducteur 18 forme l'arête du guide d'onde. Cette dernière peut être droite, tel que représenté sur la figure, ou de toute autre forme permettant le guidage de l'onde.
Comme représenté sur la figure 1, la diode laser selon l'invention comprend un réseau 20 disposé de part et d'autre de l'arête du guide d'onde.
Le réseau 20 est formé par une répartition d'éléments 22 distribués le long de l'axe du guide d'onde.
On définit le facteur de confinement Γ de ce réseau comme le taux de recouvrement entre le profil d'intensité du mode optique qui se propage dans le guide d'onde et la section dans un plan transverse des éléments du réseau périodique.
Au moins un sous-ensemble des éléments 22 du réseau 20 comprend des résonateurs localisés 24.
La répartition des éléments 22 le long du guide d'onde est telle que la fréquence caractéristique de la rétroaction induite sur l'onde du guide par cette répartition diffère de moins de 50%, par exemple de moins de 40%, de la fréquence de résonance desdits résonateurs localisés 24.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le réseau et le guide d'onde sont configurés de sorte que la fréquence caractéristique de la rétroaction induite par le réseau formé par les éléments 22 diffère de moins de 30%, par exemple moins de 20% de la fréquence de résonance des résonateurs localisés 22 eux-mêmes.
Comme représenté sur la figure 1 , les éléments 22 sont répartis sous forme de réseau périodique le long de l'axe principal du guide d'onde.
Sur le mode de réalisation représenté sur la figure 1, chaque élément 22 du réseau comprend deux résonateurs localisés. Cependant, l'invention ne se limite pas à ce mode de réalisation. En particulier, seule un sous-ensemble f des éléments 22 du réseau peut comprendre des résonateurs localisés, par exemple un élément sur deux ou un sur trois. De plus le nombre de résonateurs localisés 24 par élément 22 peut être supérieur à deux, par exemple comprise entre 1 et 10, et ce nombre peut être différent d'un élément à l'autre.
La distance entre les bords des résonateurs localisés les plus proches du guide d'onde et le flanc du guide d'onde est typiquement inférieure ou égale à 1/10 de c/f, avec c la vitesse de la lumière et f ia fréquence de l'émission du laser. De préférence, les résonateurs localisés les plus proches du guide d'onde sont en contact avec le flanc de l'arête du guide d'onde.
Bien que non représenté sur la figure 1, au moins une partie, par exemple l'ensemble, des résonateurs localisés peuvent être au moins partiellement à l'intérieur du guide d'onde. Ceci a l'avantage de renforcer l'interaction avec le mode guidé. Les résonateurs localisés comprennent au moins un élément ayant une dimension comprise entre 1/5 et 1/20 du rapport entre la vitesse de la lumière c et la fréquence f de l'émission laser, dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe principal du guide d'onde.
Comme illustré sur la figure 1, les éléments des résonateurs localisés peuvent avoir une forme sensiblement parallélépipédique.
Selon un mode de réalisation, les éléments formant les résonateurs localisés résonants sont disposés de façon à ce que la plus grande dimension soit orientée suivant la direction d'un des champs électriques non nul de l'onde guidée, en particulier suivant la direction du champ électrique dominant de l'onde guidée.
De plus, comme illustré sur la figure 1, les résonateurs localisés sont disposés selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe principal du guide d'onde avec une séparation entre eux inférieure à la dimension des résonateurs localisés selon ladite direction, par exemple la séparation est comprise entre 1/10 et 1/50 de c/f, avec c la vitesse de la lumière et f ia fréquence d'émission du laser.
Les résonateurs localisés peuvent être constitué d'un méta-matériau, par exemple de nature diélectrique, métallique ou métallo-diélectrique. Avantageusement, les propriétés résonnantes du méta-matériau permettent d'augmenter d'un ordre de grandeur la force de la rétroaction du réseau de Bragg.
En outre, selon un mode de réalisation de l'invention, le facteur de qualité des résonateurs localisés est ajusté entre 10 et 100 à l'aide d'un matériau dissipatif à la fréquence de l'émission laser, tel qu'un métal. Dans ce cas, la fréquence de rétroaction et la fréquence propre des résonateurs doit être ajustées en conséquence, afin que l'une tombe dans la largeur spectrale de l'autre.
Selon un mode de réalisation préféré, le réseau et le guide d'onde sont configurés de sorte que le que le facteur de confinement optique de l'onde du guide avec des résonateurs localisés est ajusté afin de permettre un phénomène de transparence induite.
Le phénomène de transparence induite correspond à l'effet d'interférence destructive entre des oscillateurs résonants couplés conduit à l'apparition d'une étroite fenêtre de transparence au milieu d'une bande d'absorption. Ce phénomène représente une analogie classique de l'effet de transparence induite observé dans la physique atomique. Dans le cas de résonateur plamoniques, l'effet d'interférence destructive de plasmons de surface localisés dû au couplage évanescent entre des éléments plasmoniques résonants conduit à l'apparition d'une étroite fenêtre de transparence au milieu d'une bande d'absorption.
En particulier, il est possible d'agir sur la proximité et/ou l'indice des résonateurs localisés.
Le régime de transparence induite présente un grand nombre d'avantages.
Contrairement au cas usuel des guides à réseau de Bragg, la grande densité d'états photoniques favorisant l'action du laser est également accompagnée d'un maximum dans la transmission.
Le faible facteur de qualité de nano -résonateurs plasmoniques rend la transparence induite particulièrement robuste par rapport aux perturbations de la phase du front d'onde. C'est notamment cette propriété qui est visée pour rendre le laser très tolérant par rapport aux rétroactions parasites dans les communications optiques à 1,5μιη.
Le fonctionnement spectral monomode du laser selon l'invention est la conséquence directe de la grande densité d'états associés au phénomène de transparence induite.
Le fonctionnement du laser dans le régime de transparence induite réduit fortement les pertes liées à l'absorption du métal et par conséquent le niveau du gain ainsi que le courant d'injection utilisé pour atteindre le seuil d'émission laser.
Comme illustré sur la figure 2, la fenêtre spectrale associée au régime de transparence induite est très fine, permettant un très fort rendement mono -fréquence.
De plus, la réduction des pertes ohmiques due au fonctionnement dans le régime de transparence induite permet d'augmenter d'un ordre de grandeur le facteur de confinement Γ du mode guidé avec la perturbation périodique du réseau de Bragg.
Une plus grande force du réseau de Bragg permet de réduire la longueur du dispositif et d'aller vers une plus grande miniaturisation des sources lasers qui peuvent trouver leur place dans des applications de communication par fibre optique.
Les propriétés résonnantes du méta-matériau dépendent fortement de la polarisation du mode optique. Les inventeurs ont pu mettre en évidence une tolérance élevée, de 15dB, pour la rétroaction optique dans le régime de transparence induite. Une tolérance de 19 dB est considérée comme bonne pour plusieurs applications, en particulier selon la norme IEEE 802.3. L'invention se rapporte également à un dispositif de télécommunication comprenant comme source optique une diode laser selon l'invention.
Avantageusement l'utilisation d'une diode laser selon l'invention permet de s'affranchir d'isolateur optique.
Une diode laser selon l'invention peut également être ingérée dans un circuit photonique intégré (PIC en anglais « Photonic Integrated Circuit ») ou dans des capteurs ou instruments optiques.
L'invention a été décrite ci-dessus avec l'aide de modes de réalisation présentés sur les figures, sans limitation du concept inventif général.
Bien d'autres modifications et variations se suggèrent d'elles-mêmes à l'homme du métier, après réflexion sur les différents modes de réalisation illustrés dans cette demande. Ces modes de réalisation sont donnés à titre d'exemple et ne sont pas destinés à limiter la portée de l'invention, qui est déterminée exclusivement par les revendications ci-dessous.
Dans les revendications, le mot « comprenant » n'exclut pas d'autres éléments ou étapes, et l'utilisation de l'article indéfini « un » ou « une » n'exclut pas une pluralité. Le simple fait que différentes caractéristiques sont énumérées en revendications mutuellement dépendantes n'indique pas qu'une combinaison de ces caractéristiques ne puisse être avantageusement utilisée. Enfin, toute référence utilisée dans les revendications ne doit pas être interprétée comme une limitation de la portée de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Diode laser (10) à rétroaction répartie comprenant un guide d'onde avec milieu à gain assisté d'un réseau formé par une répartition d'éléments (22) dont un sous-ensemble comprenant des résonateurs localisés (24) distribués le long de l'axe du guide d'onde, caractérisée en ce que la fréquence caractéristique de la rétroaction induite sur l'onde du guide par la répartition spatiale desdits éléments diffère de moins de 50% de la fréquence de résonance desdits résonateurs localisés.
2. Diode laser selon la revendication 1, configuré de sorte que le facteur de confinement optique de l'onde du guide avec des résonateurs localisés est ajusté afin de permettre un phénomène de transparence induite.
3. Diode laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les éléments sont répartis sous forme de réseau périodique le long de l'axe principal du guide d'onde.
4. Diode laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la fréquence caractéristique de la rétroaction induite par le réseau formé par les éléments distribués diffère de moins de 20% de la fréquence de résonance des résonateurs localisés eux-mêmes.
5. Diode laser selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les résonateurs localisés comprennent au moins un élément ayant une dimension comprise entre 1/5 et 1/20 du rapport entre la vitesse de la lumière c et la fréquence f (c/f) de l'émission laser dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe principal du guide d'onde.
6. Diode laser selon la revendication précédente, dans laquelle les éléments formant les résonateurs localisés résonants sont disposés de façon à ce que la plus grande dimension soit orientée suivant la direction d'un des champs électriques non nul de l'onde guidée.
7. Diode laser selon la revendication précédente, dans laquelle les éléments résonants les résonateurs localisés sont disposés de façon à ce que la plus grande dimension soit orientée suivant la direction du champ électrique dominant de l'onde guidée.
8. Diode laser selon la revendication précédente, dans laquelle les résonateurs localisés sont disposés selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe principal du guide d'onde avec une séparation entre eux inférieure à la dimension des résonateurs localisés selon ladite direction, par exemple la séparation est comprise entre 1/10 et 1/50 de c/f
9. Diode laser selon l'une des revendications 7 ou 8, dans laquelle la distance entre les résonateurs localisés les plus proches du guide d'onde et le flanc du guide d'onde est inférieure ou égale à 1/10 de c/f, de préférence au contact d'un des bords du guide.
10. Diode laser selon l'une des revendications 7 ou 8, dans laquelle les résonateurs localisés sont au moins partiellement à l'intérieur du guide d'onde.
11. Diode laser selon l'une des revendications 7 à 9, dans laquelle chaque période du réseau périodique comprend entre 1 et 10 résonateurs localisés.
12. Diode laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les résonateurs localisés sont constitué d'un méta-matériau (de nature diélectrique, métallique ou métallo-diélectrique).
13. Diode laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le facteur de qualité des résonateurs localisés est ajusté entre 10 et 100 à l'aide d'un matériau dissipatif à la fréquence de l'émission laser, tel qu'un métal.
14. Dispositif de télécommunication comprenant comme source optique une diode laser selon l'une des revendications précédentes.
15. Dispositif de télécommunication selon la revendication 14, ne comprenant pas d'isolateur optique.
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