EP1393419A1 - Laser amplificateur accordable a cavite verticale - Google Patents

Laser amplificateur accordable a cavite verticale

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Publication number
EP1393419A1
EP1393419A1 EP02747508A EP02747508A EP1393419A1 EP 1393419 A1 EP1393419 A1 EP 1393419A1 EP 02747508 A EP02747508 A EP 02747508A EP 02747508 A EP02747508 A EP 02747508A EP 1393419 A1 EP1393419 A1 EP 1393419A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
amplifier
electro
cavity
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02747508A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Louis De Bougrenet De La Tocnaye
Vivien Verbrugge
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Optogone
Optogone SA
Original Assignee
Optogone
Optogone SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Optogone, Optogone SA filed Critical Optogone
Publication of EP1393419A1 publication Critical patent/EP1393419A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18302—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] comprising an integrated optical modulator
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0607—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/50—Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30

Definitions

  • Tunable amplifier laser with vertical cavity Tunable amplifier laser with vertical cavity.
  • the present invention relates to the field of optical components, in particular for high speed optical networks. More specifically, the invention relates to amplifier lasers with tunable wavelength.
  • amplifier laser is meant here a laser which behaves like a laser source and / or amplifier.
  • the laser When the energy supplied to the laser is greater than a component-specific laser excitation threshold, the laser generally behaves as a laser source. By placing itself in other conditions, it behaves as an amplifier alone.
  • Tunable lasers can be grouped into two main families: wafer emission lasers; and vertical cavity lasers.
  • Tunable semiconductor amplifier lasers are generally obtained by means of wafer emission lasers, of the DBR type (from the English “Distributed Bragg Reflector” or “Réflecteur de Bragg Distribi” in French). The DBRs are described in particular in the document “Tune In! »Written by P. Heywood in April 2000, and visible on the website www.lightreading.com. These structures of the prior art have the particular disadvantage of having, in their elementary form, a low tunability range (of the order of 10 nm).
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • VGA Vertical Cavity Amplifier
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • VGA Vertical Cavity Amplifier
  • FFPSEL fiber surface emission lasers
  • MEMS technology is based on the use of DBR micro-mirrors which, by mechanical displacement, allow a modification of the thickness of an air layer.
  • MEMS technology has several drawbacks, in particular, great complexity, high cost and mechanical fragility.
  • FFPSEL devices are also based on the use of DBR, quantum wells and air thickness.
  • the FFPSEL technology also has several drawbacks, in particular, a high cost, the need for good control of the alignment and stability of the cavity and a high wavelength change time (of the order of a millisecond).
  • the invention aims in particular to overcome these drawbacks of the prior art.
  • an objective of the invention is to provide an easily tunable amplifier laser.
  • Another object of the invention is to provide such a laser, which has a high compactness and which is robust.
  • Yet another object of the invention is to provide such a laser, having good mechanical stability.
  • An objective of the invention is also to provide an amplifier laser which is particularly well suited to high speed telecommunications applications.
  • Such an amplifier laser can be very selective in wavelength here, but covers a wide band due to the tunability.
  • Another objective of the invention is to provide such a tunable amplifier laser at low cost of manufacture and implementation.
  • the invention particularly aims to allow industrialization of the component so that it can be manufactured at low cost.
  • the invention also aims to provide a tunable amplifier laser offering a high speed of wavelength change.
  • An additional objective of the invention is to provide a tunable amplifier laser with a good longitudinal overlap factor.
  • the invention also aims to provide such a laser to exhibit a significant gain when it behaves like an amplifier.
  • a laser amplifier with vertical cavity remarkable in that it comprises, inside the cavity, at least an electrooptical element for tuning the wavelength of the amplifying laser.
  • the amplifier laser is remarkable in that it further comprises means for applying a variable electric field to the electro-optical element (s) as a function of at least one electric voltage applied to the laser. amplifier.
  • the amplifier laser is remarkable in that at least one of the electro-optical elements comprises an isotropic material in a transverse plane.
  • transverse plane is understood here as a plane perpendicular to an axis of propagation of the light beam or beams passing through it.
  • the invention advantageously makes it possible not to have to control the polarization (in the sense of the English word "polarization") before the entry of the laser or, if the polarization is whatever, not having to separate the different polarizations at the output to compensate for a dispersion of polarization mode (PMD or "Polarization Mode Dispersion" in English) (which would require adding a component).
  • isotropic material means an isotropic material at the wavelength (s) considered (that is to say the wavelength (s) emitted by the amplifying laser).
  • the material is isotropic in a transverse plane which is sufficient to have an amplifier having a behavior insensitive to polarization.
  • the amplifier laser is remarkable in that at least one of the electro-optical elements comprises a material of nano-PDLC type.
  • the laser amplifier is remarkable in that it behaves like an amplifier.
  • the amplifier laser is remarkable in that it behaves like a laser generating at least one laser beam.
  • the invention is advantageously compatible with the different possible operating modes of an amplifier laser which can be used as an amplifier alone, as a laser beam generator alone or according to the two possibilities depending in particular on its polarization (here , in the sense of the English word "bias”) electrical or optical (depending on the type of pumping) relative to the laser threshold.
  • the laser amplifier is remarkable in that it comprises transparent or semi electrodes transparent allowing the application of the electric field (s) to the electro-optical element (s) and the passage of a light beam through these electrodes.
  • the light beam (s) emitted by the amplifying laser can pass through the electrodes, the latter also being able to create an appropriate electric field in the electro-optical element.
  • the amplifier laser is remarkable in that the electrodes are of the ITO type (from the English “Indium-Tin-Oxide” or in French “Tin and indium oxide”).
  • the electrodes are of the ITO type (from the English “Indium-Tin-Oxide” or in French “Tin and indium oxide”).
  • the amplifier laser is remarkable in that it further comprises at least one electrode allowing electrical pumping of the cavity.
  • the laser amplifier is relatively simple to produce and does not require the addition of an optical pump, which allows a low cost of implementation.
  • the invention also relates to a matrix of components remarkable in that the matrix comprises at least two amplifier lasers.
  • the matrix of components is remarkable in that each laser of the matrix comprises means for applying an electric field making it possible to tune a wavelength associated with the laser, so that the matrix is suitable to grant a plurality of wavelengths.
  • the invention makes it possible to obtain components at low cost.
  • the invention makes it possible to provide a component capable of generating and / or amplifying one or more laser beams with several wavelengths tuned independently of each other.
  • the invention also relates to a high speed telecommunications system characterized in that it comprises at least one laser amplifier such as previously described cooperating with at least one optical fiber allowing the emission of at least one light beam emitted by the amplifier laser.
  • the invention relates to a method of manufacturing a tunable amplifier laser with vertical cavity, characterized in that it comprises
  • a step of producing a first part of the amplifier laser comprising at least a first electrode
  • a step of producing a second part of the amplifier laser comprising at least a second electrode
  • the manufacturing process is remarkable in that it further comprises a step of depositing an element on at least one of the parts of the laser, allowing assembly and filling.
  • an economic element that is easy to deposit and engrave for example of the polyimide type, will be used.
  • FIG. 1 shows a general perspective view of an amplifier laser associated with an optical fiber, according to the invention according to a particular embodiment
  • FIG. 2 illustrates a block diagram of the amplifier laser of Figure 1;
  • FIG. 3A and 3B describe more precisely a part of the amplifier laser of Figures 1 and 2;
  • FIG. 4A, 4B and 4C show a method of manufacturing the amplifier laser of the previous figures;
  • FIG. 5 illustrates a spectrum of the reflection coefficient of the tunable amplifier laser of Figures 1 and 2;
  • FIG. 6 shows the emission wavelength as a function of the index of the nano-PDLC layer illustrated in Figure 2;
  • FIG. 7 illustrates the emission wavelength as a function of the bias voltage of the nano-PDLC layer illustrated in Figure 2;
  • FIG. 8 gives an example of evolution of the stationary intra-cavity field in the structure described in FIG. 2.
  • the general principle of the invention is based on the combination of: - an active element of the type, for example, quantum multi-well; and
  • phase shifting zone comprising an electro-optical element
  • the active element and the phase shift zone are between two mirrors
  • DBRs making it possible to obtain the generation and / or amplification of a light beam at a certain wavelength depending on the optical thickness of the cavity crossed by the beam (it is recalled that the optical thickness is equal to the product of physical thickness by the index of the medium).
  • This phase shifting zone is subjected to one or more electric fields on which one can act thanks to electrodes of which one can control the tension.
  • the index of the phase shifting region and therefore its optical thickness can vary as a function of the voltage applied to the electrodes.
  • a low cost, reliable tunable amplifier laser is thus obtained, of small size and having a high wavelength change speed (of the order of 10 ⁇ s).
  • the production of the amplifier lasers according to the invention requires a correct choice of certain parameters on which the tunability range of the amplifier laser will depend in particular. Characteristic formulas (variation of the wavelength, Free Spectral Interval, longitudinal overlap factor) essential for the study of the desired functionality and the implementation of the invention will be presented. 2.1 Variation of the wavelength.
  • - m etp are integers characterizing the thickness of the layers of the cavity described below with reference, in particular, to FIG. 2;
  • n mi are respectively the penetration length of the wave and the average index of the i th Bragg mirror considered (each of the two Bragg mirrors being numbered with a number i equal to 1 and 2 respectively).
  • ISL free spectral interval
  • L pen l + L pen 2 + L cav j where L cav and n eff are respectively the length of the cavity and the average index of the effective cavity formed by the cavity and by the penetration lengths in the mirrors.
  • Nano-PDLC modulator takes place over the entire cavity, penetration length in the mirrors included.
  • the electro-optical component consists of a mixture of liquid crystal (generally nematic) dispersed in polymer (PDLC from English “Polymer Dispersed Liquid Cristal” or in French “Liquid crystal dispersed in a polymer” described in particular by S. Matsumoto in an article “Nanosize fine droplets of liquid crystal for optical application” and published in the document “Material Research Society Symposium Proceeding", Vol. 457, in 1997).
  • PDLC liquid crystal dispersed in polymer
  • the size of the liquid crystal droplets of a nano-PDLC is between 100 and 200 nanometers in contrast to the standard PDLC which includes droplets of several microns.
  • the nano-PDLC is isotropic in all directions.
  • an electric field E is applied, the nano-PDLC crystals orient themselves isotropically in a plane perpendicular to the field.
  • the material behaves like an isotropic material in a transverse plane (that is to say in a plane perpendicular to the electric field which has the same direction as the laser beam generated and / or amplified by the component), the index of which can be modified with the electric voltage applied to it.
  • the index modulation for a nano-PDLC is given by the following relation:
  • a ⁇ l ⁇ An In relation (6) a tunability between 0.6% and 12% is obtained, i.e. a variation in wavelength ⁇ between 9 and 180 nm at 1.55 ⁇ m for an index no equal to 1.513.
  • the material used is: - spatially isotropic macroscrocopically (in particular the case of nano-PDLC at 0V); or
  • a preferred embodiment of a tunable amplifier laser 10 associated with an optical fiber 11 is presented.
  • the amplifier laser 10 is subjected to different electrical potentials, one of the points 14 being subjected to potentials VI, V2 ... Vn (n can vary from 1 to a few hundred) and the other point 15 to a zero potential.
  • the amplifier laser 10 is connected to n fibers. For the sake of clarity, a single fiber 11 has been shown in FIG. 1.
  • the fiber 11 cooperates with the amplifier laser 10 by one of its ends and emits by its other end a laser beam 17 itself emitted by the amplifier laser 10.
  • a fiber 12 supplies the amplifier laser 10 via the fiber 11 with a pump 16.
  • n is 1
  • a single fiber is connected to the component 10 and the point 14 is subjected to a single potential V.
  • FIG. 2 schematically illustrates in principle the laser amplifier as illustrated opposite Figure 1, in the form of a longitudinal section.
  • the amplifier laser includes a cavity closed by two DBR type mirrors:
  • These two mirrors 20 and 21 are perpendicular to the longitudinal axis z of emission of the light beam (they are in a transverse plane).
  • the optical pumping of the amplifier laser 10 is done by the second mirror 20. This also allows the collection of the laser emission by means of appropriate optics (for example, coupling micro-lenses).
  • the indices of the materials used in each of the mirrors 20 and 21 are taken to be 1.47 for the lowest index and 2.23 for the other index.
  • the cavity comprises, for its part, the following successive elements: - a first electrode 23 connected to a zero electrical potential;
  • n electrodes of which only three electrodes 241, 242 and 243 have been represented for the sake of clarity
  • n electrodes typically of length and width greater than 20 ⁇ m to allow the application of a voltage in a cavity of diameter between 10 and 20 ⁇ m
  • the electrodes 241, 242 and 243 are subjected to respective non-zero potentials V1, V2 and V3.
  • the set of three electrodes 241, 242 and 243 is replaced by a single electrode with non-zero potential V.
  • each strip of nano-PDLC of parallelepiped shape, parallel to the z axis and included inside the zone 25 between an electrode respectively 241, 242 and 243 under voltage VV 2 and V 3 is subjected to an almost constant and equal field respectively at EE 2 and E 3 (by way of illustration, the strip comprised between the electrode 242 and the electrode 23 is represented in FIG. 2 by a strip 29 delimited by dotted lines).
  • each of these nano-PDLC bands has its own index, respectively “_ .
  • the fiber 11 transmits a laser beam whose wavelength is granted by the electrode 242 (which is in alignment with the fiber 11 along the axis of propagation of the beam ).
  • the entire nano-PDLC zone 25 is subjected to a quasi-constant field equal to E.
  • the nano-PDLC layer has a single index and makes it possible to tune a single length wave.
  • the electrodes are taken thin enough (a few tens of nanometers) to be considered transparent.
  • the active area 22 is made in quaternary 1.18 of 1.5 ⁇ of optical thickness, ie approximately 0.7 ⁇ m for an index equal to 3.33.
  • This active zone 22 contains quantum multi-wells (5 wells of 7 nm wide with lOnm barriers per multi-well) placed on the intra-cavity field maxima when the polarization of the phase shifting zone is at mid-stroke. This makes a periodic gain.
  • the weakness of the reflection at the semiconductor / nano-PDLC interface eliminates the need for anti-reflection treatment which would complicate the structure and reduce the longitudinal overlap factor for the same length of cavity and phase shift zone .
  • provision may however be made for the use of an anti-reflection treatment.
  • the second mirror 20 is attached to the fiber 11 and has a lower reflectivity than that of the first mirror 21 to favor the emission on the side of the structure where the active area is located in order to reduce the absorption of the pump by the area of the nano-PDLC.
  • the total thickness for its part, is chosen to be sufficiently small to obtain an ISL compatible with a tunability (that is to say ISL greater than the tunability band) without any jump in mode and bias voltage of the nano-PDLC possible.
  • the ISL is inversely proportional to the length of the cavity. It is therefore the short length of the cavity that makes the ISL sufficiently large.
  • the parameters characterizing the amplifier laser 10 are as follows:
  • FIG. 3A describes more precisely the isolated end of the amplifier laser 10 and FIG. 4B its embodiment.
  • the realization 40 of the isolated end of the component (right part in FIG. 2) will be done in several stages.
  • a first step 401 the first dielectric Bragg mirror 21 is deposited on a glass plate 27 of optical quality by vacuum deposition.
  • a thin layer of ITO constituting the first electrode allowing the polarization of the layer of nano-PDLC is deposited.
  • the ITO layer is etched to allow the production of strips of electrodes (241, 242, 243) which can be polarized independently. This step therefore leads to the production of a strip of independent components and more generally allows the production of a matrix of independent components.
  • a sacrificial layer (26) of polyimide is deposited with the spinner with a thickness controlled to within 2%.
  • FIG. 3B describes more precisely the end of the amplifier laser 10 through which the light beam is emitted and FIG. 4C its embodiment.
  • the realization 41 of the non-insulated end of the component (left part in FIG. 2) will be done in several stages.
  • the second dielectric Bragg mirror 20 is deposited on a glass plate 28 of optical quality by vacuum deposition.
  • the active part 22 of the component is made to grow thanks to a resumption of epitaxy.
  • a thin layer of ITO constituting the electrode 23 is deposited.
  • FIG. 4A more generally describes the production of the amplifier laser 10. During the first two steps 40 and 41, the two parts of the component are produced as illustrated with reference to FIGS. 4B and 4C.
  • the cavity formed by assembling the two parts is filled with nano-PDLC in the form of droplets of liquid crystal dispersed in a liquid polymer and the polymer is left to polymerize.
  • each of the crystal droplets has isotropy properties in a certain plane but has a different optical index in a perpendicular direction.
  • the cavity is isotropic.
  • the cavity does not introduce optical polarization.
  • the error on the thickness of the phase shift layer was simulated and an offset of about lnm on the resonance wavelength per% error of thickness was obtained in the case of an error not exceeding 5%.
  • the loss of tunability is of the order of a nanometer, which is negligible compared to the band considered.
  • the error on the thickness envisaged of less than 2% is therefore without consequence for the proper functioning of the component (despite the fact that the index (1.513) of the zone achieving tunability is greater than that of MEMS type structures (tunability obtained by modulation of an air thickness).
  • the amplifier laser 10 was simulated by the method of the product of propagation matrices. FIG.
  • the abscissa axis represents the wavelength expressed in nanometers while the ordinate axis represents the intensity reflection coefficient.
  • the peaks correspond to the wavelengths which can be amplified by the laser amplifier 10.
  • FIG. 6 gives the evolution 60 of the emission wavelength of the component 10 (expressed in nanometers on the ordinate axis) as a function of the index of the nano-PDLC layer. A tunability range of about 40 nm can be observed. Thus, the ISL (greater than 45 nm) is largely compatible with the range of tunability highlighted in FIG. 6.
  • Curve 70 gives the variation 70 of the emission wavelength of the component (expressed in nanometers on the ordinate axis) as a function of the bias voltage (expressed in volts on the abscissa axis). Curve 70 is calculated under the same conditions as curve 60 in the previous figure. Less than 185V is sufficient to obtain the desired tunability range.
  • FIG. 8 gives the evolution 80 of the intensity of the intra-cavity stationary field in the different layers of the component characterized by their respective index.
  • the PDLC zone 25 "consumes" a large part of the intensity, which consequently reduces the recovery factor.
  • this zone has a lower index
  • the intensity in this zone would be even greater due to more intense bellies and a greater physical thickness for the same optical thickness, hence an even more confinement factor. low.
  • the person skilled in the art can make any variant in the shape of the structure of the amplifier laser, the composition of the variable index zone.
  • the manufacturing method is not limited to the mode described but extends to any manufacturing method allowing the association of a laser and an electro-optical material preferably isotropic in a plane perpendicular to the propagation of the or light beams and which can be subjected to at least one electric field along the axis of propagation of the light beam (s).
  • the invention also applies to the case where the emission and / or the pump is done by the two ends of the laser or in the case where the pump is done by one end of the laser and the emission by the other. side.
  • the invention also applies to the case where the electro-optical zone is composed of a material which is not nano PDLC, while having electro-optical properties isotropic in a transverse plane.
  • the invention applies of course, also to the case where the electrodes have geometries different from those described, (since they make it possible to apply an electric field parallel to the axis of propagation of the laser beam) and / or are made of a transparent or semi-transparent material for the laser beam, without being of the ITO type.
  • the invention can be applied to the case where the other parts of the laser component are different from those of the embodiment described, in particular for the active area or the ends. These may, in particular, be in a material different from the fiber or the glass substrate and which will in particular be transparent or almost transparent at the end (or at the ends) by which the laser emission takes place and, where appropriate , pumping.
  • the Bragg mirrors for example are not necessarily dielectric DBRs, but can also be semiconductor DBRs.
  • the invention applies not only to the case where the component is coupled to one or more fibers directly (the component is then close enough to the fiber or fibers so that the diffraction effect of the air is negligible) or with an interface comprising one or more collimators (in the form of an optical network or a coupling lens) but also to any other medium for transmitting a laser beam, such as, in particular, free air (in this case it is possible to use , a collimated pump slightly offset by a certain angle and passing through a collimating micro-lens before entering the component; one can also use a polarized separator cube with a polarized pump or any other solution allowing an optical pump to be introduced into the component).
  • the invention is not limited to the case of optical pumping of the cavity. It also applies to the case of electric pumping of the cavity by means of another electrode. This electrode can in particular be located between the DBR on the side of the laser emission and the quantum wells. The energy provided by a voltage applied to the quantum wells is thus electric and does not require the use of a pump laser which can be expensive.
  • a step of defining the cavity is provided, for example, by implantation of protons (it is an insulating zone around the cavity) or by selective oxidation a layer of the component leaving a disc of material unoxidized.
  • the invention finds applications in the field of telecommunications (in particular in the transmission of data at low or high speed, in the transmission of data over multimode fibers, etc.) but also in many other fields implementing laser beams.

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Abstract

Laser amplificateur à cavité verticale. L'invention concerne un laser amplificateur accordable à cavité verticale, comprenant, à l'intérieur de la cavité (25), au moins un élément électro-optique de façon à accorder la longueur d'onde μ du laser amplificateur, au moins un des éléments électro-optiques comprenant un matériau isotrope dans un plan transverse. L'invention concerne également un système de télécommunications comprenant le laser amplificateur accordable, une matrice comprenant une pluralité de lasers amplificateurs et un procédé de fabrication.

Description

Laser amplificateur accordable à cavité verticale.
La présente invention se rapporte au domaine des composants optiques, notamment pour les réseaux optiques à haut débit. Plus précisément, l'invention concerne les lasers amplificateurs à longueur d'onde accordable.
Par laser amplificateur, on entend ici, un laser qui se comporte comme une source laser et/ou amplificateur. Lorsque l'énergie apportée au laser est supérieure à un seuil d'excitation laser propre au composant, le laser se comporte généralement en tant que source laser. En se plaçant dans d'autres conditions, il se comporte en tant qu'amplificateur seul.
Les lasers accordables peuvent être regroupés en deux grandes familles : les lasers à émission par la tranche ; et les lasers à cavité verticale. Les lasers amplificateurs accordables semi-conducteurs sont généralement obtenus au moyen de lasers à émission par la tranche, du type DBR (de l'anglais « Distributed Bragg Reflector » ou « Réflecteur de Bragg Réparti » en français). Les DBR sont notamment décrits dans le document « Tune In ! » écrit par P. Heywood en avril 2000, et visible sur le site internet www.lightreading.com. Ces structures de l'art antérieur ont notamment pour inconvénient de présenter, dans leur forme élémentaire, une plage d'accordabilité faible (de l'ordre de 10 nm).
Le document de P. Heywood, cité précédemment indique que des valeurs supérieures (par exemple 40 nm) peuvent être obtenues avec des DBR de type SSG (de l'anglais « Super Structure Grating » ou « réseau de super structure » en français) et GCSR (ou « Grating-assisted Co-directional Coupler with Sampled Reflector» ou, en français « Coupleur co-directionnel assisté par réseau, avec réflecteur échantillonné»). Néanmoins, un inconvénient de ces techniques est leur coût de fabrication plus élevé, notamment pour des applications de télécommunication à haut débit, notamment WDM (de l'anglais « Wavelength Division Multiplexing » ou en français « multiplexage de longueur d'onde »). Dans ce contexte, les lasers à émission par la surface (VCSEL de l'anglais « Vertical Cavity Surface Emitting Laser ») et/ou les amplificateurs à cavité verticale (VGA en anglais « Vertical Cavity Amplifier ») présentent de nombreux avantages par rapport à leurs homologues à émission par la tranche, dont, notamment, une plus grande sélectivité spectrale, une meilleure adaptation modale avec les fibres du fait de la nature circulaire et peu divergente du faisceau émis, un comportement mono-mode transverse et longitudinal, une possible disposition sous forme matricielle et surtout un coût de fabrication pour des performances comparables, nettement moins élevé, sans oublier, pour un amplificateur, la possibilité d'un gain entre un signal d'entrée et de sortie de l'ordre de 30dB (tel qu'indiqué notamment dans l'article « Vertical cavity amplifying photonic switch » ou, en français, « interrupteur photonique à amplification par cavité verticale » écrit par Raj, Oudar et Bensoussan et publié dans la revue Applied Physical Letters du 31 octobre 1994 par « American Institute of Physics »). Une accordabilité en longueur d'onde à partir de ces structures a été montrée suivant diverses techniques, décrites notamment dans les articles suivants :
- « 10.1 nm range continuous wavelength-tunable vertical-cavity surface-emitting lasers », écrit notamment par L. Fan et M.C. Wu et paru dans la revue Electronics Letters (Vol. 30, n°17, pp 1409-1410,
1994) ; et
- « Tunable Extremely Low Threshold Vertical-Cavity Laser Diodes », écrit, notamment, par T. Wipiejewski et K. Panzlaff, et paru dans la revue IEEE Photonics Technology Letters (Vol.5, n°8, pp 889- 892,1993).
Toutefois, les performances, en termes de plage d'accordabilité, restent modestes. Elles peuvent être améliorées par l'introduction dans la cavité d'une zone non-active réalisant la fonction d'accordabilité. Plusieurs réalisations ont été proposées sur ce principe telles que, principalement : - les VCSELs à technologie MEMS (de l'anglais « Micro Electro- Mechanical Systems » ou « systèmes micro électro-mécaniques ») décrits par D. Vakhshoori dans le document « 2mW CW single mode opération of a tunable 1550nm VCSEL, with 50 nm tuning range » et paru dans la revue Electronics Letters (Vol. 35, pp 900-901, 1999) ; et
- les lasers à émission surfacique fibre (FFPSEL) décrits par K. Hsu et CM. Miller dans le document « Continuously Tunable Photopumped 1.3-μm Fiber Fabry-Perrot Surface Emitting Lasers » dans la revue IEEE Photonics Technology Letters (Vol. 10, n°9, ppll99-1201, 1998).
La technologie MEMS est basée sur l'utilisation de micro-miroirs DBR qui, par déplacement mécanique, permettent une modification de l'épaisseur d'une couche d'air.
La technologie MEMS présente plusieurs inconvénients, notamment, une grande complexité, un coût élevé et une fragilité mécanique.
Les dispositifs FFPSEL sont également basés sur l'utilisation de DBR, de puits quantiques et d'une épaisseur d'air.
La technologie FFPSEL présente aussi plusieurs inconvénients, notamment, un coût important, la nécessité d'un bon contrôle de l'alignement et de la stabilité de la cavité et un temps de changement de longueur d'onde élevé (de l'ordre d'une milliseconde).
L'invention selon ses différents aspects a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur.
Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir un laser amplificateur aisément accordable.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel laser, qui présente une grande compacité et qui soit robuste.
Encore un autre objectif de l'invention est de fournir un tel laser, ayant une bonne stabilité mécanique. Un objectif de l'invention est également de fournir un laser amplificateur qui est particulièrement bien adapté aux applications de télécommunications à hauts débits.
On note qu'un tel laser amplificateur peut être ici très sélectif en longueur d'onde, mais couvre une large bande du fait de l'accordabilité.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel laser amplificateur accordable à faible coût de fabrication et de mise en œuvre.
L'invention a notamment pour objectif de permettre une industrialisation du composant de sorte qu'il puisse être fabriqué à faible coût. L'invention a également pour objectif de fournir un laser amplificateur accordable offrant une vitesse importante de changement de longueur d'onde.
Un objectif complémentaire de l'invention est de fournir un laser amplificateur accordable avec un bon facteur de recouvrement longitudinal.
L'invention a aussi pour objectif de fournir un tel laser permettant d'exhiber un gain important lorsqu'il se comporte comme un amplificateur.
Ces objectifs ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints selon l'invention, à l'aide d'un laser amplificateur à cavité verticale, remarquable en ce qu'il comprend, à l'intérieur de la cavité, au moins un élément électrooptique destiné à accorder la longueur d'onde du laser amplificateur. Selon une caractéristique particulière, le laser amplificateur est remarquable en ce qu'il comprend, en outre, des moyens d'application d'un champ électrique variable à ou aux éléments électro-optiques en fonction d'au moins une tension électrique appliquée au laser amplificateur.
Selon une caractéristique particulière, le laser amplificateur est remarquable en ce qu'au moins un des éléments électro-optiques comprend un matériau isotrope dans un plan transverse.
On note que « plan trans verse » s'entend ici comme un plan perpendiculaire à un axe de propagation du ou des faisceaux lumineux le traversant. Ainsi, en particulier dans l'utilisation du laser dans un mode amplificateur, l'invention permet avantageusement de ne pas avoir à contrôler la polarisation (au sens du mot anglais « polarisation ») avant l'entrée du laser ou, si la polarisation est quelconque, à ne pas avoir à séparer les différentes polarisations à la sortie pour palier une dispersion de mode de polarisation (PMD ou « Polarisation Mode Dispersion » en anglais) (ce qui nécessiterait un ajout de composant).
On note qu'ici «matériau isotrope » signifie un matériau isotrope à la ou aux longueurs d'ondes considérées (c'est-à-dire la ou les longueurs d'ondes émises par le laser amplificateur). On note, en outre, que le matériau est isotrope dans un plan transverse ce qui est suffisant pour avoir un amplificateur présentant un comportement insensible à la polarisation.
Selon une caractéristique particulière, le laser amplificateur est remarquable en ce qu'au moins un des éléments électro-optiques comprend un matériau de type nano-PDLC.
Ainsi, on dispose de manière avantageuse d'un matériau présentant de bonnes caractéristiques optiques et facile à mettre en œuvre.
Selon une caractéristique particulière, le laser amplificateur est remarquable en ce qu'il se comporte comme un amplificateur. Selon une caractéristique particulière, le laser amplificateur est remarquable en ce qu'il se comporte comme un laser générant au moins un faisceau laser.
Ainsi, l'invention est avantageusement compatible avec les différents modes de fonctionnement possibles d'un laser amplificateur qui peut être utilisé en tant qu'amplificateur seul, que laser générateur de faisceau seul ou selon les deux possibilités en fonction notamment de sa polarisation (ici, au sens du mot anglais « bias ») électrique ou optique (en fonction du type de pompage) par rapport au seuil laser.
Selon une caractéristique particulière, le laser amplificateur est remarquable en ce qu'il comprend des électrodes transparentes ou semi transparentes permettant l'application du ou des champs électriques au ou aux éléments électro-optiques et le passage d'un faisceau lumineux au travers de ces électrodes.
Ainsi, le ou les faisceaux lumineux émis par le laser amplificateur peuvent traverser les électrodes, celles-ci pouvant par ailleurs créer un champ électrique approprié dans l'élément électro-optique.
Selon une caractéristique particulière, le laser amplificateur est remarquable en ce que les électrodes sont de type ITO (de l'anglais « Indium-Tin- Oxyde » ou en français « Oxyde d'étain et d'indium »). Ainsi, on dispose de manière avantageuse d'électrodes ayant de bonnes propriétés optiques et faciles à mettre en œuvre, par exemple par dépôt et gravure.
Selon une caractéristique particulière, le laser amplificateur est remarquable en ce qu'il comprend en outre au moins une électrode permettant un pompage électrique de la cavité. Ainsi, le laser amplificateur est relativement simple à réaliser et ne nécessite pas l'adjonction d'une pompe optique, ce qui permet un faible coût de mise en œuvre.
L'invention concerne également une matrice de composants remarquable en ce que la matrice comprend au moins deux lasers amplificateurs. Selon une caractéristique particulière, la matrice de composants est remarquable en ce que chaque laser de la matrice comprend des moyens d'application d'un champ électrique permettant d'accorder une longueur d'onde associée au laser, de sorte que la matrice est apte à accorder une pluralité de longueurs d'onde. Ainsi, l'invention permet d'obtenir des composants à faible coût.
En outre, l'invention permet de fournir un composant susceptible de générer et/ou d'amplifier un ou des faisceaux laser à plusieurs longueurs d'ondes accordées indépendamment les unes des autres.
L'invention concerne également un système de télécommunications à haut débit caractérisé en ce qu'il comprend au moins un laser amplificateur tel que décrit précédemment coopérant avec au moins une fibre optique permettant l'émission d'au moins un faisceau lumineux émis par le laser amplificateur.
Les avantages des systèmes de télécommunications sont les mêmes que ceux du laser amplificateur, ils ne sont pas détaillés plus amplement. De plus, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un laser amplificateur accordable à cavité verticale, caractérisé en ce qu'il comprend
- une étape de réalisation d'une première partie du laser amplificateur comprenant au moins une première électrode ;
- une étape de réalisation d'une deuxième partie du laser amplificateur comprenant au moins une deuxième électrode ;
- une étape de réalisation d'une cavité obtenue comprenant elle-même une sous-étape d'assemblage des premières et deuxième parties; et
- une étape de remplissage de la cavité par au moins un élément électrooptique. Ainsi, on dispose de manière avantageuse de fabrication du laser amplificateur simple à mettre en œuvre, fiable et à bas coût.
Selon une caractéristique particulière, le procédé de fabrication est remarquable en ce qu'il comprend, en outre, une étape de dépôt d'un élément sur au moins une des parties du laser, permettant l'assemblage et le remplissage. On utilisera préférentiellement un élément économique et facile à déposer et à graver, par exemple de type polyimide.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels :
- la figure 1 présente une vue générale en perspective d'un laser amplificateur associé à une fibre optique, conforme à l'invention selon un mode particulier de réalisation ;
- la figure 2 illustre un schéma de principe du laser amplificateur de la figure 1 ; - les figures 3A et 3B décrivent plus précisément une partie du laser amplificateur des figures 1 et 2 ;
- les figures 4A, 4B et 4C présentent un procédé de fabrication du laser amplificateur des figures précédentes ; - la figure 5 illustre un spectre du coefficient de réflexion du laser amplificateur accordable des figures 1 et 2 ;
- la figure 6 présente la longueur d'onde d'émission en fonction de l'indice de la couche de nano-PDLC illustrée en figure 2 ;
- la figure 7 illustre la longueur d'onde d'émission en fonction de la tension de polarisation de la couche de nano-PDLC illustrée en figure 2 ;
- la figure 8 donne un exemple d'évolution du champ stationnaire intra cavité dans la structure décrit en figure 2.
1. Principe général de l'invention
Le principe général de l'invention repose sur la combinaison : - d'un élément actif de type, par exemple, multi-puits quantique ; et
- d'une zone déphasante comprenant un élément électro-optique ; l'ensemble formant une cavité.
L'élément actif et la zone déphasante sont compris entre deux miroirs
DBRs permettant d'obtenir la génération et/ou l'amplification d'un faisceau lumineux à une certaine longueur d'onde dépendant de l'épaisseur optique de la cavité traversée par le faisceau (on rappelle que l'épaisseur optique est égale au produit de l'épaisseur physique par l'indice du milieu).
Cette zone déphasante est soumise à un ou plusieurs champs électriques sur lesquels on peut agir grâce à des électrodes dont on peut contrôler la tension. L'indice de la zone déphasante et donc son épaisseur optique peuvent varier en fonction de la tension appliquée aux électrodes. On obtient ainsi un laser amplificateur accordable à bas coût, fiable, de petite taille et ayant une vitesse de changement de longueur d'onde élevée (de l'ordre de 10 μs).
En outre, il est possible d'obtenir une matrice de tels composants, émettant donc plusieurs longueurs d'ondes en ayant des électrodes séparées et ayant des potentiels électriques différents, chacune de ces électrodes générant à l'intérieur de la zone déphasante des champs distincts. 2. Valeurs caractéristiques.
La réalisation des lasers amplificateurs selon l'invention nécessite un choix correct de certains paramètres dont dépendra notamment la plage d'accordabilité du laser amplificateur. Des formules caractéristiques (variation de la longueur d'onde, Intervalle Spectral Libre, facteur de recouvrement longitudinal) indispensables pour l'étude de la fonctionnalité recherchée et la mise en œuvre de l'invention vont être présentées. 2.1 Variation de la longueur d'onde.
Tout d'abord, la variation de longueur d'onde λ du composant consécutive à une variation de l'indice n de la couche déphasante est donnée par :
relation (1) où :
- m etp sont des entiers caractérisant l'épaisseur des couches de la cavité décrites plus loin en regard, notamment, de la figure 2 ;
- Lpéni et nmi sont respectivement la longueur de pénétration de l'onde et l'indice moyen du ième miroir de Bragg considéré (chacun des deux miroirs de Bragg étant numéroté avec un nombre i valant respectivement 1 et 2). On se place dans le cas de miroirs de Bragg diélectriques présentant des matériaux d'indices éloignés et donc des longueurs de pénétration faibles. On peut donc réécrire la relation (1) sous la forme :
Aλ m Δn 1 .
— - = . — relation (2)
Λ m + p n
2.2 Intervalle Spectral Libre.
L'intervalle spectral libre (ou ISL) de la structure est donné par : ISL = . , r relation (3)
2neff. Lpén l + Lpén 2 + Lcavj où Lcav et neff sont respectivement la longueur de la cavité et l'indice moyen de la cavité effective formée par la cavité et par les longueurs de pénétration dans les miroirs.
2.3 Facteur de recouyrement longitudinal.
Enfin, pour caractériser le milieu à gain constitué de puits quantiques qui est à la base de l'émission laser, on s'intéresse au facteur de recouvrement longitudinal caractérisant la proportion de champ stationnaire intra-cavité situé sur les puits quantiques. Ce facteur évolue bien entendu avec la variation de l'indice de la couche déphasante. Il est donné par :
r = relation (4) où E(z) est le champ stationnaire en z (axe longitudinal du faisceau) et QW(z) est une fonction valant 1 sur les puits quantiques et 0 en dehors.
L'intégration se fait sur toute la cavité, longueur de pénétration dans les miroirs comprise. 3. Modulateur à nano-PDLC.
Le composant électro-optique est constitué d'un mélange de cristal liquide (généralement nématique) dispersé dans du polymère (PDLC de l'anglais « Polymer Dispersed Liquid Cristal » ou en français « Cristal liquide dispersé dans un polymère » décrit notamment par S. Matsumoto au sein d'un article « Nanosize fine droplets of liquid crystal for optical application » et publié dans le document « Material Research Society Symposium Proceeding », Vol. 457, en 1997).
La dimension des gouttelettes de cristal liquide d'un nano-PDLC est comprise entre 100 et 200 nanomètres contrairement au PDLC standard qui comprend des gouttelettes de plusieurs microns. En l'absence de champ électrique, le nano-PDLC est isotrope dans toutes les directions. En revanche, si un champ électrique E est appliqué, les cristaux de nano-PDLC s'orientent de manière isotropiques dans un plan perpendiculaire au champ. Compte tenu des dimensions des gouttelettes par rapport à la longueur d'onde (autour de 1550nm), le matériau se comporte comme un matériau isotrope dans un plan transverse (c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire au champ électrique qui a la même direction que le faisceau laser généré et/ou amplifié par le composant), dont on peut modifier l'indice avec la tension électrique qui lui est appliquée.
La modulation d'indice pour un nano-PDLC est donnée par la relation suivante :
An = kE2 relation (5). où E est exprimé en V/μm et k est une constante proportionnelle à la dimension et à la densité des gouttelettes. La valeur de k est généralement comprise entre 10"5 et 2.10"4 pour ne valant 1,716 et no valant 1,513. Avec un champ de 30V/μm, on peut ainsi obtenir une modulation de l'indice no de plus de 12% pour k valant 2.10"4 et de 0,6% pour k égal à 10"5. Si on considère que la modulation spectrale Aλ/λ est pour une largeur de cavité, l, très grande par rapport à la largeur de la zone des puits quantiques, L, donnée en première approximation par la relation suivante :
Aλlλ = An In relation (6) on obtient une accordabilité entre 0,6% et 12% soit une variation de longueur d'onde Δλ comprise entre 9 et 180 nm à l,55μm pour un indice no égal à 1,513.
Si on considère un champ appliqué de 30V/μm et une couche de nano- PDLC d'épaisseur optique 6λ, par exemple, il suffit d'appliquer une tension comprise entre 0V et 185V pour avoir toute la gamme de longueur d'onde.
D'une manière générale, on note que le matériau utilisé est: - isotrope spatialement de manière macroscrocopique (cas notamment du nano-PDLC à 0V); ou
- simplement isotrope dans un plan transverse (c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire à l'axe de propagation du faisceau laser) (cas, par exemple du nano-PDLC soumis à un champ électrique orienté selon l'axe de propagation). La tension ne peut être augmentée indéfiniment ; ainsi, l'effet de la saturation de la réorientation du cristal liquide limite la plage de variation de l'indice. 4. Réalisation d'un laser amplificateur selon l'invention.
On présente, en relation avec la figure 1, un mode préféré de réalisation d'un laser amplificateur accordable 10 associé à une fibre optique 11.
On note que le laser amplificateur 10 est soumis à différents potentiels électriques, l'un des points 14 étant soumis à des potentiels VI, V2...Vn (n pouvant varier de 1 à quelques centaines) et l'autre point 15 à un potentiel nul.
Le laser amplificateur 10 est relié à n fibres. Par souci de clarté, une seule fibre 11 a été représentée sur la figure 1.
On note que la fibre 11 coopère avec le laser amplificateur 10 par l'une de ses extrémités et émet par son autre extrémité un faisceau laser 17 lui-même émis par le laser amplificateur 10.
Une fibre 12 alimente le laser amplificateur 10 via la fibre 11 avec une pompe 16.
Selon une première variante de l'invention, n vaut 1, une seule fibre est reliée au composant 10 et le point 14 est soumis à un seul potentiel V. La figure 2 illustre schématiquement de principe du laser amplificateur tel qu'illustré en regard de la figure 1, sous la forme d'une coupe longitudinale.
Le laser amplificateur comprend une cavité fermée par deux miroirs de type DBR :
- un premier miroir diélectrique 21 à 8 couches et accolé à un substrat transparent 27; et - un deuxième miroir diélectrique 20 à 7 couches et accolé à un substrat transparent 28.
Ces deux miroirs 20 et 21 sont perpendiculaires à l'axe longitudinal z d'émission du faisceau lumineux (ils sont dans un plan transverse). Le pompage optique du laser amplificateur 10 se fait par le deuxième miroir 20. Celui-ci permet également la collecte de l'émission laser par le biais d'optiques appropriées (par exemple, des micro-lentilles de couplage).
Ainsi, les miroirs sont calculés pour être :
- très réflectifs à 1,55 μm (99,5% de réflexibilité pour le deuxième miroir 20 et 99,8% pour le premier miroir 21) ; et
- transparent à 980 nm (la réflectivité est inférieure à 5%).
Les indices des matériaux utilisés dans chacun des miroirs 20 et 21 sont pris égaux à 1,47 pour l'indice le plus faible et 2,23 pour l'autre indice.
La cavité comprend, quant à elle, des éléments successifs suivants : - une première électrode 23 reliée à un potentiel électrique nul ;
- une zone 25 de nano-PDLC ;
- un ensemble de n électrodes (dont seulement trois électrodes 241, 242 et 243 ont été représentées par souci de clarté) sous forme de barrettes rectangulaires parallèles entre elles et perpendiculaires à l'axe z (typiquement de longueur et de largeur supérieures à 20 μm pour permettre l'application d'une tension dans une cavité de diamètre compris entre 10 et 20μm); et
- une zone 22 à puits quantiques.
Les électrodes 241, 242 et 243 sont soumises à des potentiels respectifs Vl, V2 et V3 non nuls.
Selon la première variante de réalisation, l'ensemble de trois électrodes 241, 242 et 243 est remplacé par une seule électrode au potentiel V non nul.
La zone 25 de nano-PDLC de 6λ d'épaisseur optique, soit environ 6,15 μm d'épaisseur pour un indice no égal à 1,513, est prise en sandwich entre l'électrode 23 et les électrodes 241, 242 et 243 de type ITO. On peut considérer que chaque bande de nano-PDLC de forme parallépipédique, parallèle à l'axe z et comprise à l'intérieur de la zone 25 entre une électrode respectivement 241, 242 et 243 sous tension V V2 et V3 est soumise à un champ quasi constant et égal respectivement à E E2 et E3 (à titre illustratif, la bande comprise entre l'électrode 242 et l'électrode 23 est représentée sur la figure 2 par une bande 29 délimitée par des pointillés). Ainsi, chacune de ces bandes de nano-PDLC possède son propre indice respectivement «_., n2 et n3 permettant d'accorder indépendamment, avec un seul composant, des longueurs d'ondes λ__, Xj et λj . Ainsi, il est possible d'émettre vers chacune des fibres associées au composant un faisceau d'une longueur d'onde précise, accordée en fonction du potentiel V_ appliquée à l'électrode correspondante indépendamment des autres faisceaux. On note qu'ainsi, sur la figure 2, la fibre 11 transmet un faisceau laser dont la longueur d'onde est accordée par l'électrode 242 (qui est dans l'alignement de la fibre 11 suivant l'axe de propagation du faisceau). Selon la première variante de réalisation, toute la zone 25 de nano-PDLC est soumise à un champ quasi-constant et égal à E. Dans ce cas, la couche de nano-PDLC possède un seul indice et permet d'accorder une seule longueur d'onde.
Les électrodes sont prises suffisamment peu épaisses (quelques dizaines de nanomètres) pour être considérées comme transparentes.
La zone active 22 est réalisée en quaternaire 1,18 de 1,5 Λ d'épaisseur optique soit environ 0,7μm pour un indice égal à 3,33.
Cette zone active 22 contient des multi-puits quantiques (5 puits de 7nm de large avec barrières de lOnm par multi-puits) placés sur les maxima de champ intra-cavité lorsque la polarisation de la zone déphasante est à mi-course. On réalise ainsi un gain périodique.
La faiblesse de la réflexion à l'interface semi-conducteur/nano-PDLC permet de s'affranchir du recours au traitement anti-reflet qui compliquerait la structure et réduirait le facteur de recouvrement longitudinal pour une même longueur de cavité et de zone de déphasage. Pour certains modes de réalisation, on peut cependant prévoir d'avoir recours à un traitement anti-reflet.
On pompe du coté où est présente la zone active. Le deuxième miroir 20 est accolé à la fibre 11 et présente une réflectivité inférieure à celle du premier miroir 21 pour favoriser l'émission du coté de la structure où se trouve la zone active afin de réduire l'absorption de la pompe par la zone du nano-PDLC. D'une manière générale, on choisit un miroir de réflectivité plus faible du coté où l'on veut avoir l'émission.
Le choix des épaisseurs relatives des deux éléments constituant la cavité constitue un compromis entre :
- une valeur raisonnable d'épaisseur active (c'est-à-dire suffisamment grande) pour obtenir un facteur de recouvrement raisonnable donc un seuil laser classique ; et
- une zone déphasante la plus grande possible pour obtenir une plage d' accordabilité la plus grande possible.
L'épaisseur totale quant à elle est choisie suffisamment faible pour obtenir un ISL compatible avec une accordabilité (c'est-à-dire ISL supérieur à la bande d'accordabilité) sans saut de mode et de tension de polarisation du nano-PDLC envisageables. Selon la relation (3) mentionnée précédemment, l'ISL est inversement proportionnel à la longueur de la cavité. C'est donc la faible longueur de la cavité qui fait que l'ISL est suffisamment grand.
Les paramètres caractérisant le laser amplificateur 10 sont les suivants :
- indice du verre (substrat) : 1,5 ;
- indice haut du DBR : 2,23 - indice bas du DBR : 1,47
- indice du quaternaire : 3,33
- Indice de l'InGaAs (puits quantique) : 3,56
- Indice no du nano-PDLC : 1,513 ;
- p : 3 ; - m : 12 : - Nombres de paires du DBR 20 : 7 ;
- Nombres de paires du DBR 21 : 8 ;
- Champ appliqué : 30V/μm. 6. Réalisation des différentes parties du composant.
La figure 3 A décrit plus précisément l'extrémité isolée du laser amplificateur 10 et la figure 4B son mode de réalisation.
La réalisation 40 de l'extrémité isolée du composant (partie droite sur la figure 2) se fera en plusieurs étapes. Au cours d'une première étape 401, le premier miroir 21 de Bragg diélectrique est déposé sur une plaque de verre 27 de qualité optique par dépôt sous vide.
Ensuite, au cours d'une étape 402, une couche fine d'ITO constituant la première électrode permettant la polarisation de la couche de nano-PDLC est déposée.
Puis, au cours d'une étape 403, la couche d'ITO est gravée pour permettre la réalisation de bandes d'électrodes (241,242, 243) que l'on pourra polariser indépendamment. Cette étape conduit donc à la réalisation d'une barrette de composants indépendants et plus généralement permet la réalisation de matrice de composant indépendants.
Ensuite au cours d'une étape 404, une couche sacrificielle (26) de polyimide est déposée à la tournette avec une épaisseur contrôlée à moins de 2% près.
Puis au cours d'une étape 405, cette couche est attaquée par gravure sélective de manière à laisser des plots permettant ensuite de coller cette partie à la seconde partie du laser amplificateur 10 en faisant apparaître un espace d'épaisseur contrôlé à moins de 2% près dans la cavité qui pourra être remplie de nano-PDLC. La figure 3B décrit plus précisément l'extrémité du laser amplificateur 10 par laquelle se fait l'émission du faisceau lumineux et la figure 4C son mode de réalisation.
La réalisation 41 de l'extrémité non isolée du composant (partie gauche sur la figure 2) se fera en plusieurs étapes.
Au cours d'une première étape 411, le deuxième miroir 20 de Bragg diélectrique est déposé sur une plaque de verre 28 de qualité optique par dépôt sous vide.
Ensuite, au cours d'une étape 412, on fait croître grâce à une reprise d'épitaxie la partie active 22 du composant.
Puis, au cours d'une étape 413, une couche fine d'ITO constituant l'électrode 23 est déposée.
La figure 4A décrit plus globalement la réalisation du laser amplificateur 10. Au cours des deux premières étapes 40 et 41, on réalise les deux parties du composant comme illustré en regard des figures 4B et 4C.
Puis, au cours d'une étape 42, on colle les deux parties du composant ainsi réalisées.
Ensuite, au cours d'une étape 43, on remplit la cavité formée par assemblage des deux parties, de nano-PDLC sous forme de gouttelettes de cristal liquide dispersées dans un polymère liquide et on laisse polymériser le polymère.
On note qu'après l'étape 42, chacune des gouttelettes de cristal possède des propriétés d'isotropie dans un certain plan mais a un indice optique différent dans une direction perpendiculaire. Néanmoins, à une échelle macroscopique, la cavité est isotropique. Ainsi, la cavité n'introduit pas de polarisation optique.
L'erreur sur l'épaisseur de la couche déphasante a été simulée et un décalage d'environ lnm sur la longueur d'onde de résonance par % d'erreur d'épaisseur a été obtenu dans le cas d'erreur n'excédant pas 5%. Ainsi, la perte d'accordabilité est de l'ordre du nanomètre, ce qui est négligeable devant la bande considérée. L'erreur sur l'épaisseur envisagée inférieure à 2% est donc sans conséquence pour le bon fonctionnement du composant (malgré le fait que l'indice (1,513) de la zone réalisant l' accordabilité soit plus grand que celui des structures de type MEMS (accordabilité obtenue par modulation d'une épaisseur d'air)). Le laser amplificateur 10 a été simulé par la méthode du produit de matrices de propagation. La figure 5 donne le spectre 50 de réflectivité du composant par une polarisation de la zone déphasante telle que l'émission est centrée à l,55μm. L'axe des abscisses représente la longueur d'onde exprimée en nanomètres alors que l'axe des ordonnées représente le coefficient de réflexion en intensité.
Les pics (avec un coefficient de réflexion proche de 0) correspondent aux longueurs d'ondes qui peuvent être amplifiées par le laser amplificateur 10. On peut observer un pic de résonance 51 à 1,55 μm. On note un ISL (Intervalle Spectral Libre tel que défini précédemment) (correspondant à la différence entre la longueur d'onde associé au pic de résonance 51 et la longueur d'onde associée au pic de résonance le plus proche 52 ou 53) supérieur à 45 nm .
La figure 6 donne l'évolution 60 de la longueur d'onde d'émission du composant 10 (exprimée en nanomètres sur l'axe des ordonnées) en fonction de l'indice de la couche de nano-PDLC. On peut observer une plage d'accordabilité d'environ 40 nm. Ainsi, l'ISL (supérieur à 45 nm) est largement compatible avec la plage d'accordabilité mise en valeur par la figure 6.
On peut observer que cette courbe d'accordabilité est quasi-linéaire avec l'indice. La variation de l'indice choisie s'étend sur 3% de sa valeur ce qui correspond à k égal à 5,5.10"5, un champ appliqué de 30 V/μm et un indice du nano-PDLC de 1,513. On peut observer que, dans ce cas, il n'y a pas de phénomène de saut de mode. Ceci est dû au fort ISL de la cavité. Pour le même champ appliqué, elle pourrait varier d'environ 9 nm à 180 nm pour des valeurs de k variant de 10"5 à 2.10"4 en considérant l'expression (6) valide et que l'on n'est pas dans la zone de saturation de l'expression 5. La figure 7 donne la variation 70 de la longueur d'onde d'émission du composant (exprimée en nanomètres sur l'axe des ordonnées) en fonction de la tension de polarisation (exprimée en volts sur l'axe des abscisses). La courbe 70 est calculée dans les mêmes conditions que la courbe 60 de la figure précédente. Moins de 185V suffisent pour obtenir la plage d'accordabilité désirée.
La figure 8 donne l'évolution 80 de l'intensité du champ stationnaire intra- cavité dans les différentes couches du composant caractérisés par leur indice respectif.
On peut observer que la zone PDLC 25 « consomme » une grande partie de l'intensité ce qui réduit en conséquence le facteur de recouvrement. Dans le cas où cette zone posséderait un indice moins élevé, l'intensité dans cette zone serait plus importante encore du fait de ventres plus intenses et d'une épaisseur physique plus grande pour une même épaisseur optique d'où un facteur de confinement encore plus faible. Cela confirme bien l'avantage de cette structure sur celles réalisant l' accordabilité grâce à une zone d'air. On obtient une valeur du facteur de confinement de E égal à 0,005 lorsque l'émission est centrée à 1,55 μm alors qu' on obtiendrait E = 0,0015 si la couche déphasante était constituée d'air comme dans un MEMS.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation mentionnés ci-dessus.
En particulier, l'homme du métier pourra apporter toute variante dans la forme de la structure du laser amplificateur, la composition de la zone à indice variable.
De même, le mode de fabrication n'est pas limité au mode décrit mais s'étend à tout mode de fabrication permettant l'association d'un laser et d'un matériau électro-optique préférentiellement isotrope suivant un plan perpendiculaire à la propagation du ou des faisceaux lumineux et pouvant être soumis à au moins un champ électrique suivant l'axe de propagation du ou des faisceaux lumineux. En outre, l'invention s'applique également au cas où l'émission et/ou la pompe se fait par les deux extrémités du laser ou au cas où la pompe se fait par une extrémité du laser et l'émission par l'autre coté.
L'invention s'applique également au cas où la zone électro-optique est composée d'un matériau qui n'est pas du nano PDLC, tout en possédant des propriétés électro-optique isotropes dans un plan transverse.
L'invention s'applique bien sûr, également au cas où les électrodes ont des géométries différentes de celles décrites, (dès lors qu'elles permettent d'appliquer un champ électrique parallèle à l'axe de propagation du faisceau laser) et/ou sont constituées d'un matériau transparent ou semi-transparent pour le faisceau laser, sans être de type ITO.
En outre, l'invention peut s'appliquer au cas où les autres parties du composant laser sont différentes de celles du mode de réalisation décrit, notamment pour la zone active ou les extrémités. Celles-ci pourront, notamment, être dans un matériau différent de la fibre ou du substrat de verre et qui seront notamment transparents ou quasi transparents à l'extrémité (ou aux extrémités) par laquelle se font l'émission laser et, le cas échéant, le pompage.
Selon l'invention, les miroirs de Bragg par exemple ne sont pas nécessairement des DBR diélectriques, mais peuvent également être des DBR semi-conducteurs.
De plus, l'invention s'applique non seulement au cas où le composant est couplé à une ou plusieurs fibres directement (le composant est alors suffisamment proche de la ou des fibres pour que l'effet de diffraction de l'air soit négligeable) ou avec une interface comprenant un ou plusieurs collimateurs (sous forme de réseau optique ou de lentille de couplage) mais aussi à tout autre médium de transmission de faisceau laser, tel que, notamment, l'air libre (on peut utiliser, dans ce cas, une pompe collimatée légèrement décalée d'un certain angle et traversant une micro-lentille de collimation avant de pénétrer dans le composant ; on peut également utiliser un cube séparateur polarisé avec une pompe polarisée ou tout autre solution permettant d'introduire une pompe optique dans le composant).
L'invention ne se limite pas au cas du pompage optique de la cavité. Elle s'applique également au cas du pompage électrique de la cavité grâce à une autre électrode. Cette électrode peut notamment être située entre le DBR du coté de l'émission laser et les puits quantiques. L'énergie apportée grâce à une tension appliquée aux puits quantiques est ainsi électrique et ne nécessite pas l'utilisation d'un laser de pompe qui peut coûter cher. Dans le cas de la réalisation d'un composant avec pompage électrique, on prévoit une étape de définition de la cavité, par exemple, par implantation de protons (il s'agit d'une zone isolante autour de la cavité) ou par oxydation sélective d'une couche du composant laissant non oxydé un disque de matériau.
L'invention trouve des applications dans le domaine des télécommunications (notamment dans la transmission de données à faible ou fort débit, dans la transmission de données sur fibres multimodes...) mais également dans de nombreux autres domaines mettant en œuvre des faisceaux lasers.

Claims

REVENDICATIONS
1. Laser amplificateur à cavité verticale, caractérisé en ce qu'il comprend, à l'intérieur de ladite cavité (25), au moins un élément électro-optique destiné à accorder la longueur d'onde (λ) dudit laser amplificateur, au moins un desdits éléments électro-optiques comprenant un matériau isotrope dans un plan transverse.
2. Laser amplificateur accordable à cavité verticale selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens d'application (23, 241, 242, 243, 15, 14) d'un champ électrique variable audit élément électro-optique en fonction d'au moins une tension électrique (V1;V2,V„) appliquée audit laser (10) amplificateur.
3. Laser amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chacun dudit ou desdits au moins un élément électro-optique est entièrement réalisé dans un matériau isotrope dans un plan transverse.
4. Laser amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins un desdits éléments électro-optiques comprend un matériau de type nano-PDLC.
5. Laser amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il se comporte comme un amplificateur.
6. Laser amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il se comporte comme un laser générant au moins un faisceau laser.
7. Laser amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des électrodes (23, 241, 242, 243) transparentes ou semi-transparentes permettant l'application dudit au moins un champ électrique auxdits éléments électro-optiques et le passage d'un faisceau lumineux au travers de ces électrodes.
8. Laser amplificateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites électrodes sont de type ITO.
9. Laser amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une électrode permettant un pompage électrique de ladite cavité.
10. Matrice de composants caractérisé en ce que ladite matrice comprend au moins deux lasers amplificateurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
11. Matrice de composants selon la revendication 10 caractérisé en ce que chaque laser de ladite matrice comprend des moyens d'application d'un champ électrique permettant d'accorder une longueur d'onde associée audit laser, de sorte que ladite matrice est apte à accorder une pluralité de longueurs d'onde.
12. Système de télécommunications à haut débit, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un laser amplificateur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 coopérant avec au moins une fibre optique (11) permettant l'émission d'au moins un faisceau lumineux émis par ledit laser amplificateur.
13. Procédé de fabrication d'un laser amplificateur à cavité verticale, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une étape de réalisation (40) d'une première partie dudit laser amplificateur comprenant au moins une première électrode ;
- une étape de réalisation (41) d'une deuxième partie dudit laser amplificateur comprenant au moins une deuxième électrode ; - une étape de réalisation (42) d'une cavité obtenue comprenant elle-même une sous-étape d'assemblage desdites premières et deuxième parties; et
- une étape de remplissage (43) de ladite cavité par au moins un élément électro-optique.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une étape de dépôt (404) d'un élément sur au moins une desdites parties dudit laser, permettant ledit assemblage et ledit remplissage.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, caractérisé en ce qu'au moins un desdits éléments électro-optiques comprend un matériau isotrope dans un plan transverse.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce qu'au moins un desdits éléments électro-optiques comprend un matériau de type nano-PDLC.
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