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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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Amplificateurs optiques à semi-conducteurs et lasers Fabry-Perot
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1. Matériaux semi-conducteurs pour les sources lasers de télécommunications
Il existe principalement deux systèmes de matériaux semi-conducteurs pour les sources lasers utilisées en télécommunications : le système basé sur un substrat en arséniure de gallium (GaAs) et celui basé sur un substrat en phosphure d'indium (InP) . Le système GaAs couvre la bande de 0,8 à 1,3 μm et le système InP la bande de 1,3 à 1,6 μm. Ces matériaux sont élaborés avec des techniques de croissance telles que l'épitaxie par jet moléculaire ou l'épitaxie en phase vapeur, qui permettent de réaliser des cristaux semi-conducteurs d'excellente qualité. Ces deux systèmes de matériaux présentent des bandes interdites directes : une bande de conduction et une bande de valence dont les extremums correspondent à un même vecteur d'onde, et séparées par une bande interdite d'énergie E g (gap energy ). Les porteurs injectés par un courant électrique peuvent se recombiner en émettant des photons, dont l'énergie est voisine de l'énergie E g . Cette recombinaison s'effectue suivant deux processus : l'émission spontanée ou l'émission stimulée comme dans le cas d'un système d'atomes. Lors de l'émission stimulée, sous l'influence d'un photon incident ayant une énergie E proche de E g , deux porteurs peuvent se recombiner en générant un deuxième photon identique au photon incident. C'est cette émission stimulée qui permet d'obtenir un gain optique et éventuellement un effet laser. Les semi-conducteurs largement utilisés en électronique tels que le silicium (Si) ou le germanium (Ge) présentent des bandes interdites indirectes : les recombinaisons radiatives générant des photons sont moins aisées et il est alors plus difficile d'obtenir l'effet laser. Cependant, des progrès récents ...
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BIBLIOGRAPHIE
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