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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 impulsionnels
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4. Lasers accordables
La plupart des réseaux à longue distance ou métropolitains utilisent le multiplexage dense en longueur d'onde (Dense Wavelength Division Multiplexing : DWDM) : les lasers émettent indépendamment sur des longueurs d'onde normalisées, espacées typiquement de 100 GHz (c'est-à-dire 0,8 nm en longueur d'onde) ou 50 GHz (0,4 nm), ce qui permet de multiplier le débit transmis par le nombre de longueurs d'onde . Par exemple, dans la fenêtre de transmission autour de 1,5 μm, on utilise en réalité des lasers émettant sur une bande appelée bande C, allant de 1 525 à 1 565 nm. On obtient ainsi jusqu'à 100 canaux de transmission pour un espacement de 50 GHz. 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. 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. L'attribution des longueurs d'onde est alors reconfigurable dynamiquement en fonction de l'évolution du trafic.
La longueur d'onde d'émission d'un laser à semi-conducteurs peut être accordée en jouant sur trois mécanismes principaux :
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l'accordabilité thermique : la longueur d'onde d'émission du laser DFB varie avec la température avec une efficacité de l'ordre de 0,1 nm/oC, en raison de la dilatation des cristaux semi-conducteurs qui modifie leurs indices de réfraction ;
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l'accordabilité mécanique : des éléments de la cavité sont déplacés (translation, rotation) ;
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l'accordabilité par injection de porteurs : lorsqu'on injecte des porteurs électriques dans un guide optique semi-conducteur passif, la densité de porteurs augmente...
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Lasers accordables
BIBLIOGRAPHIE
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(6) - CONNELLY (M.J.) - Theoretical...
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