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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 accordables
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3. Sources monomodes
3.1 Lasers à réseau de Bragg distribué (DFB)
Lors de la transmission sur une fibre optique, les différentes longueurs d'onde se propagent à des vitesses différentes : c'est l'effet de la dispersion chromatique. Si l'on utilise des impulsions émises par un laser multimode (émettant sur plusieurs longueurs d'onde) comme un laser Fabry-Perot, celles-ci vont s'élargir lors de la transmission et se recouvrir, et les distances maximales permettant une transmission correcte ne seront alors que de quelques centaines de mètres. Pour pallier cet inconvénient, des lasers émettant à une longueur d'onde unique ont été développés à partir des années 1980. Le principe consiste à utiliser des miroirs sélectifs en longueur d'onde, c'est-à-dire qui ne réfléchissent qu'une très étroite gamme spectrale. Parmi ces lasers, les plus courants sont les lasers à réseau de Bragg distribué (Distributed FeedBack Lasers : DFB). Le miroir est distribué le long de la cavité : un réseau est gravé au-dessus de la couche guidante. La figure 13 a montre, sur une photographie au MEB de la coupe longitudinale, les trapèzes gravés rangés périodiquement, d'une hauteur typique de 50 nm. Ils correspondent à des régions de matériau de type InGaAsP d'indice supérieur à celui de l'InP. Le mode optique, qui s'étend au-delà de la couche guidante dans la direction verticale, voit donc son indice de propagation varier périodiquement. Seule la longueur d'onde pour laquelle une période correspond à un déphasage de 2π est réfléchie. Ce réseau est appelé réseau de Bragg et permet d'obtenir une discrimination modale pour sélectionner un mode proche de la longueur d'onde de Bragg. Cette dernière est égale à 2n effΛ pour un réseau de Bragg d'ordre 1, avec n eff l'indice effectif du mode et Λ le pas du réseau. Pour un fonctionnement vers 1,5 μm, la période est typiquement de 240 nm.
La figure 13 b montre le spectre d'émission d'un laser DFB qui présente un fonctionnement monomode. On voit que le rapport de puissance entre le mode dominant et le mode secondaire le plus important, appelé taux de réjection du mode secondaire (Side Mode Suppression Ratio : SMSR), est supérieur à 40 dB.
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BIBLIOGRAPHIE
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(6) - CONNELLY (M.J.) - Theoretical...
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