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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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2. Amplificateurs optiques à semi-conducteurs et lasers Fabry-Perot
Les amplificateurs optiques à semi-conducteurs, ou SOA (Semiconductor Optical Amplifier ), sont constitués d'un guide actif délimité par deux facettes antiréfléchissantes. Leur rôle est d'amplifier par émission stimulée les photons injectés par une facette, puis de les collecter par l'autre facette.
La principale difficulté de réalisation consiste à réduire autant que possible les réflexions pour que les photons amplifiés n'effectuent qu'un seul passage, au moins pour la grande majorité d'entre eux.
Pour ce faire, des couches minces sont déposées sur les facettes afin d'obtenir des coefficients de réflexion en puissance inférieurs à 0,1 %. Le guide est en général non perpendiculaire à la facette de sortie pour réduire davantage les réflexions. Enfin, des adaptateurs de modes appelés tapers sont introduits aux extrémités du SOA afin d'améliorer le couplage du mode optique à une fibre standard. Ces tapers permettent aussi de réduire les réflexions aux facettes en augmentant la taille du mode, ce qui diminue la probabilité pour un photon réfléchi d'être couplé au mode .
2.1 Présentation générale des SOA
Un signal optique dont les photons ont une énergie proche de celle de bande interdite du matériau actif du SOA est injecté à une extrémité du guide (figure 3). Un courant électrique appliqué dans la zone active du SOA permet de contrôler la densité de porteurs électriques, le signal optique qui se propage est ainsi amplifié par émission stimulée. Il est ensuite couplé dans une fibre à l'autre extrémité du SOA. Ces composants peuvent amplifier un signal optique avec un gain de typiquement 20 à 30 dB en un simple passage, pour des signaux incidents dans une bande spectrale de 30 à 80 nm.
Un phénomène essentiel dans un SOA est la présence d'émission spontanée amplifiée (Amplified Spontaneous...
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BIBLIOGRAPHIE
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(6) - CONNELLY (M.J.) - Theoretical...
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