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RÉSUMÉ
Cet article a pour objectif de présenter les lasers et les amplificateurs optiques à semi-conducteurs pour les applications en télécommunications optiques. Il décrit les matériaux, les structures et les caractéristiques principales de ce type de lasers/amplificateurs. Il passe en revue les lasers à contre-réaction distribuée, les lasers accordables, les lasers impulsionnels et les circuits photoniques intégrant des lasers. Enfin il se conclut par les perspectives de développement de ce type de lasers à semi-conducteurs dans les années à venir.
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Guang-Hua DUAN : Ingénieur de recherche à III-V Lab
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Hélène DEBRÉGEAS : Ingénieur de recherche à III-V Lab
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Romain BRENOT : Ingénieur de recherche à III-V Lab - III-V Lab – Laboratoire conjoint entre « Alcatel Lucent Bell Labs », « Thales Research and Technology » et « CEA LETI » Palaiseau, France
INTRODUCTION
Les lasers à semi-conducteurs sont caractérisés par un faible volume, une utilisation facile, un fort rendement énergétique et un coût de production faible. Forts de ces avantages, ces lasers prennent une place exclusive en télécommunications optiques.
Les amplificateurs optiques à semi-conducteurs constituent la brique de base essentielle d'un laser à semi-conducteurs et, en même temps, remplissent des fonctions telles que l'amplification optique ou la conversion en longueur d'onde.
La plupart des systèmes de transmission optique dans une fibre nécessitent des lasers émettant une seule longueur d'onde, appelés lasers monomodes. Les lasers sont souvent utilisés en modulation directe pour coder l'information à transmettre. Les lasers à contre-réaction distribuée (DFB pour « Distributed Feedback Laser ») sont alors développés pour ce type d'application.
La plupart des réseaux à longue distance ou métropolitains utilisent le multiplexage dense en longueur d'onde (Wavelength Division Multiplexing : WDM). Pour ces applications, des lasers accordables en longueur d'onde ont été développés. Ce sont des lasers monomodes, dont la longueur d'onde est ajustable précisément, sur toute la bande C (1,53 à 1,565 μm) par exemple. Cela facilite beaucoup la gestion des stocks puisqu'il n'est plus nécessaire de disposer d'un laser de rechange par longueur d'onde. Ils sont également un élément clé des multiplexeurs à insertion-extraction accordables (Reconfigurable Optical Add and Drop Multiplexers : ROADM), qui effectuent le routage du trafic et son éventuelle conversion en longueur d'onde.
Le besoin croissant d'augmenter les fonctionnalités des composants, conjugué à une maturité de la technologie sur semi-conducteurs III-V et silicium, conduit aujourd'hui au développement rapide des circuits photoniques intégrés (Photonic Integrated Circuits : PIC). Il s'agit d'intégrer, sur le même substrat semi-conducteur, plusieurs éléments pour réaliser des fonctions complexes. Il existe actuellement deux techniques développées parallèlement pour la fabrication des PIC intégrant des fonctions actives (émission, modulation et détection) : l'intégration monolithique sur InP et l'intégration hybride III-V sur silicium.
Cet article a pour objectif de présenter les lasers et les amplificateurs optiques à semi-conducteurs pour les applications en télécommunications optiques. Il décrit les matériaux, les structures et les caractéristiques principales de ce type de lasers. Puis il passe en revue les lasers à contre-réaction distribuée (DFB pour « Distributed Feedback Laser »), les lasers accordables, les lasers impulsionnels et les circuits photoniques intégrant des lasers. Enfin, cet article se conclut par les perspectives de développement de ce type de lasers à semi-conducteurs dans les années à venir.
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Lasers pour les circuits photoniques intégrés
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5. Lasers impulsionnels
Le développement de lasers impulsionnels est motivé par la transmission à très haut débit. Il existe plusieurs méthodes pour augmenter le débit : le multiplexage temporel (Time Division Multiplexing : TDM), qui augmente le débit par canal, et le multiplexage en longueur d'onde WDM (Wavelength Division Multiplexing ), qui augmente le nombre de canaux. Aujourd'hui, c'est la technique WDM qui s'impose comme la solution la plus avantageuse. Cependant, la technique TDM offre également des possibilités pour la transmission à très haut débit, notamment à 160 Gbit/s. Dans ce type d'application, des sources impulsionnelles générant des impulsions à très haute cadence et de faible durée s'avèrent nécessaires. De plus, ces sources peuvent avoir d'autres applications telles que l'échantillonnage optique, la conversion analogique-numérique, etc.
Plusieurs solutions existent pour la génération d'impulsions dans les lasers à semi-conducteurs : la commutation de gain, la commutation par déclenchement de pertes et le blocage (verrouillage) de modes. La cadence pour la commutation de gain étant limitée par la durée de vie des porteurs, il est difficile d'atteindre des fréquences de répétition au-delà de 10 GHz. Les impulsions générées sont surtout très larges temporellement, au-dessus de la centaine de picosecondes, lorsque la commutation de gain ou la commutation par déclenchement de pertes sont utilisées.
La technique de blocage ou verrouillage de modes, donne de bien meilleurs résultats. Elle est schématisée figure 24, et consiste à utiliser un laser multimode, dont les modes sont séparés typiquement de 40 GHz (soit 0,32 nm). Une modulation active du gain, de l'absorption ou de l'indice à cette même fréquence permet de mettre en phase tous les modes. La puissance émise présente alors des impulsions à la fréquence de 40 GHz. Cette technique de verrouillage de modes permet d'obtenir des impulsions très brèves, en dessous de la picoseconde, et à des fréquences de répétition très élevées (> 100 GHz).
Les lasers à semi-conducteurs à base de boîtes/bâtonnets quantiques offrent un intérêt considérable pour le verrouillage de modes ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - AGRAWAL (G.P.), DUTTA (N.) - Semiconductor lasers. - Kluwer Academic Publishers, 2e édition (2001).
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(6) - CONNELLY (M.J.) - Theoretical...
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