Lasers à semi-conducteurs

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1 Lasers à semi-conducteurs par Jean-Claude BOULEY Professeur Associé à GET/Télécom Paris 1. Domaines d applications... E Communications par fibres optiques Lecture et stockage de l information Pompage optique Divers Principes physiques Matériaux Longueur d onde Gain optique Dispositifs d injection et de confinement Structures laser Lasers à cavité Fabry-Pérot (F-P) Lasers à résonateur distribué Lasers à émission par la surface Propriétés statiques Caractéristique puissance-courant (P (I )) Caractéristiques spectrales Propriétés dynamiques Modulation par impulsion de courant Bande passante de modulation Élargissement spectral («chirp») Structures par applications Lasers Télécoms Spécifications Caractéristiques Packaging Source accordable en longueur d onde Lasers pour réseaux de données («Datacom») VCSEL 0,85 µm VCSEL 1,3 µm Diode laser de pompe Diode de pompe à ruban unitaire Barrettes à ruban multiples Diode laser CD/DVD Spécifications Description des structures Axes de recherche et évolution à long terme Nouvelles longueurs d onde Intégration monolithique Nanostructures Pour en savoir plus... Doc. E I nventés dans les années 1960, les lasers à semi-conducteurs, ou, plus exactement, les diodes laser à semi-conducteurs, ont aujourd hui atteint un niveau de maturité technologique garantissant leur omniprésence dans de nombreux secteurs d applications. Si les communications par fibre ont d abord est strictement interdite. Editions T.I. E

2 LASERS À SEMI-CONDUCTEURS été le moteur principal de leur développement, d autres applications comme la lecture et le stockage de l information sur disque optique (CD, DVD) ou le pompage optique de laser de puissance ont pris le relais. Cette maturité est le fruit de progrès spectaculaires réalisés tant sur la conception et l adaptation de structures à l application visée que sur la maîtrise de leur technologie de réalisation, sans oublier l aspect «packaging» qui constitue l élément majeur de leur coût. La maîtrise de l élaboration des semi-conducteurs en couches minces permet aujourd hui de réaliser des diodes à jonction p-n couvrant des longueurs d ondes d émission allant du bleu, pour les futurs lecteurs - enregistreurs DVD à haute résolution (norme Blu ray-disc ou HD DVD), jusqu au proche infrarouge (1,5 µm) pour les communications optiques longues distances. Un nombre important de structures (laser ruban à émission par la tranche, laser VCSEL à émission par la surface) et de structures oscillantes, cavités Fabry-Pérot ou à réseau (DFB), offre une grande variété de choix pour les applications. Les courants de seuil, les puissances d émission, les rendements énergétiques, les diagrammes de rayonnement, les puretés spectrales sont autant de propriétés qui pourront être optimisées en configurant au mieux les paramètres géométriques et les compositions des matériaux de la structure. Le conditionnement du laser dans un boîtier contenant les interfaces électriques et optique avec l environnement extérieur est aussi vital pour faciliter sa mise en œuvre dans son environnement système. Celui-ci passe aujourd hui par le développement de modules miniatures intégrant plusieurs fonctions électroniques de modulation et de contrôle de l émission. Les actions de normalisation menées actuellement sur ces modules contribuent à une réduction significative de leur coût. Enfin, ces lasers bénéficient encore des résultats de recherches et développements importants éméliorant les performances, créant de nouvelles fonctionnalités ou ouvrant encore de nouvelles applications. Ce dossier présente l état de l art de ces sources lasers. Certains aspects théoriques sont rappelés, d autres renverront le lecteur à des ouvrages ou des dossiers antérieurs publiés par les Techniques de l Ingénieur. 1. Domaines d applications 1.1 Communications par fibres optiques Grâce à leur compacité, à leur faible consommation électrique et à la possibilité de modulation de la lumière par le courant, les lasers à semi-conducteurs se sont très rapidement imposés dans les communications à base de fibre optique. Il n existe pas qu un seul type de laser, mais plutôt un grand nombre de structures dont les propriétés ont été adaptées pour satisfaire au mieux les spécifications requises par chaque application. Ainsi, pour tout le secteur des télécommunications traditionnelles à 1,3 et 1,5 µm, les structures et les propriétés des diodes ont été optimisées pour transmettre les données numériques sur fibre monomode dans les meilleures conditions. À l instar des fibres, des structures ont été inventées pour guider la lumière dans la diode et faciliter le couplage optique avec la fibre. Par ailleurs, suivant les cavités optiques utilisées, cavité Fabry-Pérot, ou cavité à réseau de type DFB (Distributed Feed-Back ), le laser oscillera sur plusieurs raies (longueurs d onde), ou sur une seule, ce dernier cas permettant de s affranchir des limitations de bande passante par la dispersion chromatique de la fibre à 1,55 µm dans les liaisons de grande portée. À l opposé, pour les communications à très courtes distances, comme celles déployées dans les réseaux informatiques des entreprises, ou des systèmes embarqués (avionique, véhicules terrestres), des liaisons de quelques centaines de mètres à quelques kilomètres utilisent des fibres optiques multimodes à base de silice, voire en plastique, dans le proche infrarouge ou le visible. La structure de la diode a alors des dimensions beaucoup plus relâchées que précédemment et supporte un fonctionnement multimode. Comme on le verra au paragraphe 3.2, les lasers à cavité verticale (VCSEL) sont particulièrement bien adaptés pour ce type de liaison. Les communications optiques font donc appel à plusieurs types de diodes émettant dans différentes plages spectrales. À chacune de ces diodes correspond un domaine d utilisation bien précis se caractérisant par le type de fibre et la portée accessible de la transmission. Ces considérations, développées dans le paragraphe 3, nous permettront de choisir la diode la mieux adaptée à chaque application. 1.2 Lecture et stockage de l information La disponibilité des lasers à semi-conducteurs au début des années 1980 dans le proche IR (780 nm) a été un élément déterminant dans le développement des premiers systèmes de stockage d informations numériques sur disque optique (Compact E est strictement interdite. Editions T.I.

3 LASERS À SEMI-CONDUCTEURS Disc : CD). Grâce à leurs propriétés de cohérence et aussi à leur compacité, on a su développer des têtes de lecture ultracompactes basées sur la mesure de la lumière réfléchie par les alvéoles gravées sur le disque. Les progrès technologiques effectués sur la puissance des diodes ont ensuite contribué au développement de systèmes d enregistrement de données sur couches photosensibles (CD-R), et ultérieurement, à celui de systèmes réinscriptibles un grand nombre de fois (CD-RW). Les progrès effectués sur les matériaux ont permis par la suite de développer des émetteurs à 650 nm au milieu des années 1990, puis à 405 nm au début des années À ces longueurs d onde correspondent respectivement, le standard du DVD (Digital versatile Disk ) et celui du Blu-ray ou HD DVD dont les premiers produits ont été mis sur le marché fin La diminution de longueur d onde de ces diodes associée à une amélioration de l ouverture numérique de l optique de focalisation a conduit à une augmentation spectaculaire de la densité d information par disque optique (4,7 Go à 650 nm et 23 Go à 405 nm). Les lasers pour les standards CD et DVD sont fabriqués en très grande quantité. Leurs volumes de production sont près de 200 fois plus importants que ceux des lasers dédiés aux applications Télécoms. 1.3 Pompage optique Comme on le verra au paragraphe 3.3, les structures des diodes lasers peuvent aussi être conçues pour émettre le plus grand nombre de photons avec le meilleur rendement énergétique possible. En ajustant précisément leur longueur d onde, ces diodes peuvent alors servir de source de pompage pour les lasers solides à terre rare, tels que les lasers YAG ou Al 2 O 3 dopée par du néodyme. Ces diodes offrent alors la possibilité de réalisation de lasers Nd très compacts utilisés essentiellement dans l industrie manufacturière pour l usinage, la découpe ou le marquage de pièces mécaniques. Ces diodes de pompe sont aussi utilisées dans les lasers solides émettant aux longueurs d onde non accessibles par les lasers semi-conducteurs traditionnels. Ces lasers solides (DPSS pour Diode Pumped Semiconductor Laser en anglais) reposent sur le doublement ou le triplement de la longueur d onde de pompe avec un cristal non linéaire placé à l intérieur ou à l extérieur de la cavité laser. Ils émettent à des fréquences vertes, à 530 nm, ou bleues-vertes à 473 nm. Les sources vertes sont utilisées dans les pointeurs lasers, celles à 473 nm visent les marchés couverts par les lasers argon traditionnels. Enfin, des diodes de pompes à 980 nm sont aussi développées pour les amplificateurs optiques, à base de fibres dopées erbium, utilisés en communication par fibres optiques. 1.4 Divers En plus des secteurs d application ci-dessus, les lasers à semi-conducteurs sont également utilisés dans les domaines très divers tels que : le biomédical pour certaines actions thérapeutiques et en particulier pour les soins esthétiques (épilation) ; la reproduction graphique sur imprimante laser ; la lecture de codes barres optiques ; les pointeurs lasers ; les interfaces informatiques (souris). Quelques informations sur le marché mondial des lasers à semi-conducteurs sont données dans le dossier [Doc. E 2660]. 2. Principes physiques Dans les années 1960, dès lors qu il avait été démontré que certains semi-conducteurs, comme l arséniure de gallium (GaAs), pouvaient émettre spontanément des photons par recombinaison de paires électrons-trous dans une jonction p-n, plusieurs expérimentateurs ont observé de l amplification de lumière par émission stimulée dans des jonctions traversées par un fort courant. Le seuil d émission stimulée est apparu pour une quantité de paires électrons-trous satisfaisant une condition analogue à celle de l inversion de population des systèmes atomiques. Ensuite, à l instar des lasers à gaz, en insérant ce milieu amplificateur dans une cavité optique de type Fabry-Pérot, on a multiplié les amplifications de lumière et créé ainsi, dès 1962 le premier oscillateur, ou laser à semi-conducteur émettant à 0,9 µm. Les structures et les propriétés des diodes ont considérablement évolué depuis. Ces progrès ont été obtenus grâce à la découverte de nouveaux semi-conducteurs, à une parfaite maîtrise de leur élaboration et la mise au point de nouvelles cavités optiques. 2.1 Matériaux Longueur d onde Rappelons que, dans un semi-conducteur, les énergies permises pour les électrons et les trous forment des bandes d énergie séparées par une bande interdite («gap») de valeur E g. L énergie du photon associé à la recombinaison électron-trou est alors égale à celle du «gap» auquel il faut ajouter les énergies des états excités de l électron et du trou dans chacune de ces bandes. Les énergies de ces états étant faibles vis-à-vis de E g, la longueur d onde de la recombinaison approximativement donnée par l expression : λ ( µm) = ,24 (1) E g ( ev) On sait aujourd hui réaliser des semi-conducteurs massifs dont la largeur de la bande interdite peut être contrôlée par la composition chimique du matériau. Ainsi l élaboration d alliage ternaire Al x Ga 1 x As sur substrat GaAs permet de couvrir des longueurs d onde comprises entre 0,7 et 0,9 µm en changeant la composition x de l aluminium de 0,28 à 0. De même, des alliages quaternaires Ga x ln 1 x As y P 1 y élaborés à l accord de maille sur un substrat de phosphure d indium (lnp) émettront entre 1,2 et 1,65 µm, domaine de longueur d onde privilégié des communications optiques. La maîtrise des épitaxies a aussi permis ces dernières années de fabriquer des structures dites quantiques constituées d empilements de couches de composition différentes et de quelques nanomètres d épaisseur. Ces structures artificielles impactent le mouvement des électrons dans la direction perpendiculaire aux couches en les confinant dans des puits de potentiel. Les énergies permises pour les électrons et les trous prennent alors des valeurs discrètes dont les valeurs sont directement reliées à l épaisseur du puits Gain optique Le phénomène d émission stimulée dans un semi-conducteur apparaît quand les populations des électrons et des trous injectés deviennent suffisamment importantes. Leurs valeurs peuvent être déduites de la condition de Bernard et Durrafourg qui stipule que la différence de leur niveau de Fermi respectif doit être au moins égale à l énergie de la transition optique. Cette condition d excitation, équivalente à celle d inversion de population des lasers à gaz, précise l état dans lequel le semi-conducteur amplifie la lumière générée par la recombinaison des paires électrons-trous. est strictement interdite. Editions T.I. E

4 LASERS À SEMI-CONDUCTEURS L onde lumineuse voit alors son amplitude augmenter proportionnellement à exp (gz ) (avec g le coefficient de gain et z la distance parcourue). Une approximation simpliste de ce gain est donnée par l expression : g = aγ (N N t ) (2) avec N densité d électrons injectés par unité de volume, N t densité à la transparence optique, c est-à-dire lorsque la condition d inversion de population est satisfaite, Γ nombre sans dimension, donnant la proportion de lumière se propageant dans la région active, a coefficient de proportionnalité, appelé gain différentiel, qui mesure la vitesse d augmentation du gain avec N. Sa valeur dépend de la nature du milieu actif et du nombre de porteurs injectés. En réalité, dans les semi-conducteurs, contrairement aux systèmes atomiques, dès que l inversion de population est effective, du gain est obtenu sur une bande énergétique dont la largeur dépend de l extension spatiale des électrons dans le matériau. Cette bande énergétique est appelée bande de gain. Sa répartition à l allure d une courbe en cloche (voir figure 4) dont la valeur maximale peut être décrite par la relation (2) et dont la largeur augmente avec la densité de porteurs injectés. 2.2 Dispositifs d injection et de confinement L application d une tension positive à une jonction p-n permet de créer une forte densité de paires électrons-trous et donc une zone de recombinaison dans le plan de la jonction. Ce principe utilisé dans le premier laser GaAs a montré qu il fallait au moins injecter un courant de plusieurs ampères pour atteindre la condition d inversion de population. La cause essentielle de ce courant élevé est inhérente aux dimensions de la région de recombinaison dont l épaisseur est égale à la somme des longueurs de diffusion des électrons (L e ) et des trous (L h ) ayant diffusé de part et d autre du plan de jonction. Une étape très importante a été franchie dans les années 1970 lorsqu on a trouvé le moyen de diminuer ce volume de recombinaison en insérant une fine couche de plus petite bande interdite entre les régions n et p de la jonction. Les barrières de potentiel créées à l interface de cette couche avec les régions n et p de bande interdite plus élevée permettent de confiner les paires-électrons sur l épaisseur de la couche e. À surface égale, on augmente donc la densité d excitation dans le rapport (L e + L h )/e. Cette structure appelée double hétérojonction, forme également un guide optique pour les photons, ce qui contribue à une meilleure interaction avec les électrons et, par conséquent, à un taux d émission stimulée plus élevé. Pour un courant identique, le gain optique peut être 30 à 50 fois plus important dans une diode à double hétérojonction que dans une simple diode à homojonction de même surface. Une diminution du volume de cavité par réduction de la surface de la diode est aussi un moyen approprié pour diminuer le courant produisant l inversion. À l instar du dispositif de confinement réalisé dans la direction verticale, on fabrique dans la direction perpendiculaire un guide de section rectangulaire qui confine simultanément le rayonnement émis et les porteurs injectés. La géométrie de la diode a alors celle d un guide optique bidimensionnel en forme de ruban de section rectangulaire ou d un tube de section cylindrique suivant l orientation de l émission par rapport au plan des couches. Comme dans tout guide optique, les dimensions géométriques et les variations latérales d indice de réfraction imposent le mode de répartition de l intensité lumineuse à l intérieur de la cavité. On parle alors de laser monomode transverse lorsqu une seule répartition peut s établir dans la cavité, ou de laser multimode transverse, quand plusieurs distributions modales peuvent subsister. Miroir clivé GaInAsP Lumière Métal Miroir clivé Figure 1 Structure d un laser 1,3 m à cavité Fabry-Pérot On déduit la densité d électrons injectés à l aide de l expression suivante : I N = τ (3) qv avec V volume de la cavité (ruban ou cylindre), q charge de l électron, τ durée des porteurs en régime de recombinaison. 2.3 Structures laser InP-p InP-n Métal La cavité optique assurant l oscillation laser peut avoir différentes configurations. Comme on le verra au paragraphe 3, chacune d entre elles présente des spécificités qui sont mises à profit dans les diverses applications Lasers à cavité Fabry-Pérot (F-P) Une cavité Fabry-Pérot peut aisément être fabriquée dans la diode en utilisant les facettes de clivage naturel des couches semi-conductrices déposées sur leur substrat. Tous les ingrédients du laser, milieu actif, dispositif d injection et cavité peuvent donc être fabriqués en un seul bloc monolithique. La figure 1 montre l exemple d une telle structure F-P à 1,3 µm. Le laser se présente sous la forme d un parallélépipède dans lequel on a élaboré un guide bidimensionnel dans le matériau actif (GalnAsP), assurant à la fois le confinement des électrons et des photons, chaque extrémité se terminant par les facettes clivées. La taille du ruban fait typiquement 1,5 µm de large, 0,15 µm d épaisseur et 300 µm de long. Le courant injecté, via les contacts métalliques déposés sur chaque face de la diode, est canalisé jusqu au ruban grâce à la présence de régions latérales électriquement isolantes. Cet isolement est généralement efficace jusqu à un courant équivalent à 10 fois celui du courant d apparition de l oscillation laser Lasers à résonateur distribué Lumière Un autre type de cavité optique peut être réalisé en fabriquant, au voisinage du ruban actif, un réseau d indice de réfraction parallèlement au plan de jonction. Pour une valeur précise du pas, une petite quantité de la lumière générée est diffractée dans la direction opposée à son sens de propagation (diffraction de Bragg) (figure 2). L addition de toutes les rétrodiffractions produites à chaque pas du réseau peut constituer la contre-réaction optique nécessaire à l oscillation laser. On parle alors de laser dont la réaction optique est distribuée tout le long de la cavité. Ces cavités communément appelées par leur acronyme DFB, pour «Distributed Feed-Back», + E est strictement interdite. Editions T.I.

5 LASERS À SEMI-CONDUCTEURS Face clivée avec revêtement antireflet Lumière GaInAsP 1300 nm GaInAsP 1550 nm InP-p InP-n Face clivée avec revêtement R max Puits quantiques GaAs/GaAlAs Oxyde + Lumière GaAlAs-p R 2 < R 1 Métal Miroir AlAs/GaAlAs R 1 = 99,99 % R max réflexivité maximale GaAs-n Figure 2 Coupe le long du ruban actif d un laser 1,55 m à cavité DFB ont la particularité de constituer aussi un filtre optique à bande étroite autour de la longueur d onde de Bragg du réseau, λ B, donnée, au premier ordre, par l expression : λ B = 2n eff Λ (4) avec Λ pas du réseau, n eff indice effectif du milieu de propagation dont la valeur ne dépend que de la géométrie du guide et des compositions des couches. La valeur de la fréquence de Bragg peut donc précisément être déterminée à partir des paramètres géométriques et structuraux de la cavité. Exemple : pour obtenir longueur d onde de Bragg de nm dans un guide d indice effectif 3,37, il faudra réaliser, d après la relation (4), un réseau du premier ordre avec un pas de 230 nm. D aspect extérieur, une structure laser DFB a la même allure que celle d un laser F-P. Les dimensions du guide actif sont sensiblement identiques. Dans la plupart des cas, au moins une des faces miroirs (face de sortie) est traitée antireflet (réflexion nulle) pour extraire le maximum de lumière de la cavité Lasers à émission par la surface Contrairement aux lasers F-P et DFB dont la lumière se propage parallèlement au plan de jonction, les lasers dits à émission par la surface émettent perpendiculairement au plan des couches. Cette fonctionnalité est obtenue grâce à la cavité optique formée par deux miroirs parallèles au substrat. On parle alors de laser à émission par la surface à cavité verticale, soit VCSEL pour «Vertical Cavity Surface Emitting Laser» en anglais. Les miroirs sont obtenus à l aide d une succession de paires de couches diélectriques de faible et fort indice optique n i, j et d épaisseur λ /4n i, j. Constituées au début avec des couches diélectriques (SiO 2, Al 2 O 3 ) rapportées sur le semi-conducteur, elles sont dorénavant aussi élaborées par épitaxie dans le même cycle que celui de la diode. Là aussi, on obtient donc une structure monolithique intégrant tous les éléments du laser. Le schéma d une structure VCSEL émettant à 0,8 µm est représenté sur la figure 3. Les deux miroirs sont formés d empilements de plusieurs dizaines de paires d AlAs et de Ga 0,9 Al 0,1 As transparents à la longueur d onde d émission du milieu actif. La région active a la forme d un disque d épaisseur égale à celle de la couche centrale de la double hétérostructure. Cette valeur est typiquement une fraction de micromètre, voire une centaine de nanomètres si la couche est formée d une succession de puits quantiques. La longueur de cavité est donc très faible, ce qui lui confère des spécificités uniques par rapport aux deux structures précédentes. Le diamètre du volume actif (disque) est quant à lui typiquement de 40 à 50 µm pour les structures standards supportant plusieurs modes transverses. Figure 3 Section d un laser VCSEL 0,9 m 2.4 Propriétés statiques Caractéristique puissance-courant (P (I)) La courbe donnant la puissance émise en fonction du courant traversant la diode caractérise les propriétés d émission du laser. Elle donne le courant correspondant à l oscillation laser (courant de seuil I s ). À ce courant, le gain optique créé dans le ruban est suffisant pour rendre le semi-conducteur transparent (condition d inversion de population) et compenser les pertes optiques de la cavité dues essentiellement à celles de la transmission des miroirs. Pour une cavité F-P de longueur L et dont R 1 et R 2 sont les réflectivités de chaque miroir, cette condition d oscillation s exprime par : g α int = + lg (5) 2L R 1 R 2 avec α int pertes internes de cavité. Les relations (2) (3) et (5) permettent de donner une bonne approximation du courant de seuil. Exemple : prenons le cas d un laser 1,3 µm dont les dimensions de la cavité sont de 500 µm de long, 2 µm de large et 0,2 µm d épaisseur. Avec des miroirs clivés de réflectivité 30 %, et des pertes internes de 10 cm 1, les pertes optiques pour atteindre le seuil sont, d après la relation (5) de 20,5 cm 1. La relation (2) nous permet de calculer la densité de porteurs à injecter, N s, pour atteindre ce seuil. Avec les données suivantes : a (gain différentiel) = 2,5 10 cm 1 N t = cm 3 et Γ = 0,5 on obtient : N s = 1, cm 3 Connaissant ainsi N s et la valeur de la durée de vie : τ = 1/BN s où B, le taux de recombinaison bande à bande est une donnée matériau (B = cm 3 /s), on déduit de la relation (3) un courant de seuil I s de 6,4 ma. On verra ultérieurement que cette valeur est assez proche de la réalité (cf. tableau 1 au ). Au-delà de I s, la courbe donne la gamme de puissance optique émise par la face de sortie. La figure 4 montre cette caractéristique pour un laser 1,3 µm dans la plage de température 20 à 100 o C. On constate que, pour chaque température, la caractéristique P (I) reste linéaire sur une plage de courant pouvant atteindre plusieurs fois le courant de seuil. Le coefficient de linéarité est le rendement quantique différentiel η D. Il mesure le rapport entre le nombre de est strictement interdite. Editions T.I. E

6 LASERS À SEMI-CONDUCTEURS P (mw) 50 2,5 25 C I (V) ,0 45 C 1,5 65 C 1,0 85 C 0, Courant laser (ma) Figure 4 Courbe puissance-courant d un laser 1,3 m en fonction de la température de fonctionnement V (V) Gain SPECTRES λ Pertes F-P λ Pertes Stop-band DFB λ B λ λ B Pertes VCSEL λ Figure 5 Comparaison du spectre de la lumière émise par des lasers à cavité F-P, DFB, et VCSEL λ λ λ photons émis et le nombre d électrons injectés. Il s exprime donc normalement en %, mais dans la pratique on l exprime plutôt en mw/ma. La valeur théorique de η D dépend du rendement interne de recombinaison du milieu actif (pratiquement 100 %), mais aussi des pertes internes de la cavité et de la réflexion des miroirs. La figure 4 montre aussi que I s et η D varie avec la température de fonctionnement du laser. L évolution du courant de seuil est inhérente à un mécanisme de recombinaison non radiatif des paires électrons-trous (recombinaison Auger). Ce mécanisme, proportionnel au cube du nombre de porteurs, impose d injecter de plus en plus de porteurs pour atteindre un gain positif. On observe expérimentalement qu il conduit à une variation exponentielle du courant de seuil suivant la loi : I s = I 0 exp (T/T 0) (6) avec T 0 coefficient de température. L origine des variations du rendement différentiel avec T est en revanche essentiellement due à l échauffement et aux courants de fuite de courant de la structure ruban sous forte injection. La courbure de la caractéristique conduit alors à une valeur maximale de la puissance émise au-delà d une certaine température. Un autre paramètre important est aussi le rendement total de puissance, appelé aussi rendement à la prise, donnant le rapport entre la puissance optique et la puissance électrique appliquée Caractéristiques spectrales Pour chaque cavité résonnante, seules les ondes retrouvant leur phase après un aller et retour dans la cavité sont susceptibles d être amplifiées. Cette condition définit pour les cavités F-P et VCSEL, un ensemble de longueurs d ondes, appelées aussi modes longitudinaux, formant un peigne de valeurs discrètes régulièrement espacées de la quantité : λ 2 λ = n g L avec n g indice de groupe du milieu actif. Exemple : l écart entre les modes d un laser 1,3 nm à base d une cavité F-P ou VCSEL de 300 µm et 3 µm de longueur de cavité, est respectivement de 0,8 nm et 78 nm en supposant le même indice de groupe (3,6). (7) Courant appliqué Puissance optique I p 0 Délai a Figure 6 Délai et oscillations de relaxation observés dans un laser à semi-conducteur modulé par le courant sans et avec prépolarisation Au seuil laser, les modes qui contribuent à l émission laser sont ceux qui coïncident avec la distribution en longueur de la bande de gain (figure 6). Dans les VCSEL, λ étant du même ordre de grandeur que la largeur de la bande de gain, un seul mode longitudinal est autorisé à osciller. Le laser est monofréquence. C est effectivement ce qui est observé lorsque les dimensions du VCSEL n autorisent le fonctionnement que sur le mode fondamental transverse. Pour les lasers F-P, seul le mode venant coïncider avec le maximum de la bande de gain devrait théoriquement osciller. Dans la pratique, les différences de gain avec les modes adjacents sont trop faibles (0,1 cm 1 ) pour obtenir un tel comportement. En réalité, plusieurs modes contribuent à l oscillation et leur enveloppe suit approximativement celle de la bande de gain (figure 5). Pour les lasers à cavité DFB, les modes sont aussi régulièrement espacés mais avec une particularité autour de la fréquence de Bragg qui se traduit par une bande interdite caractéristique de la force de contre-réaction du réseau de diffraction («Stop-band»). Alors que dans un laser F-P, toutes les pertes de chaque mode sont indépendantes de la longueur, pour une cavité DFB les pertes vont dépendre de la réponse spectrale du réseau et aussi de la réflectivité des miroirs fermant la cavité. Le laser oscille sur le mode présentant les pertes les plus faibles et situé, comme l indique la figure 5, à proximité immédiate de la fréquence de Bragg. P 1 P 0 b E est strictement interdite. Editions T.I.

7 LASERS À SEMI-CONDUCTEURS 2.5 Propriétés dynamiques Si moduler l intensité de lumière émise par la diode par le courant pour transmettre les informations paraît a priori simple à mettre en œuvre, les mécanismes mis en jeu à l intérieur de la diode sont complexes et conduisent à de fortes pénalités de transmission aux forts débits. Examinons d abord le comportement de la diode soumise à des impulsions de courant formant une succession de bits Modulation par impulsion de courant La réponse du laser à une impulsion de courant partant d un courant nul et retournant à l état initial après la durée du bit d information (figure 6a ) fait apparaître, après un délai à l émission, plusieurs oscillations que l on appellera par la suite oscillation de relaxation. Le délai à l émission s interprète par le temps nécessaire à la création du nombre de paires électrons-trous nécessaire pour compenser les pertes de la cavité et donc à celui de l oscillation laser. Une manière simple de le réduire, voire de l annuler, consiste à prépolariser le laser en continu à une valeur proche du courant de seuil de manière à ce que chaque électron supplémentaire injecté par l impulsion contribue directement à l émission stimulée. Comme indiqué sur la figure 6b, le délai disparaît mais le rapport des puissances P 1 et P 0 entre les états 1 et 0, appelé taux d extinction, diminue du fait de la présence d une émission résiduelle au voisinage du seuil. Sa valeur exprimée en db (10 lg (P 1 /P 0 )) doit être autour de 10 db pour minimiser les pénalités de détection dans les systèmes de transmission à haut débit. Les oscillations de relaxation observées après le démarrage de l impulsion mettent en évidence le couplage dynamique entre les électrons et les photons. Une grande quantité d électrons injectés génère d abord beaucoup de photons par émission stimulée. Puis, ce mécanisme de recombinaison étant plus rapide que celui du taux de génération, la quantité d électrons et celle des photons diminuent puis réaugmentent ensuite grâce à l injection. On observe alors des oscillations périodiques du nombre de porteurs et de photons dont l amplitude s amortit avec le temps. Les évolutions temporelles de ces deux populations sont très bien décrites à l aide de deux équations différentielles couplées par le taux d émission stimulée. Enfin, quand l amplitude de l impulsion de courant redevient nulle, l intensité lumineuse chute encore plus rapidement que lors de son établissement car les porteurs se recombinent à la vitesse du taux de l émission stimulée Bande passante de modulation La bande passante de modulation du laser détermine le débit de modulation maximal autorisé. Pour la déterminer expérimentalement, il suffit d enregistrer la réponse du laser soumis à une petite modulation du courant dont la fréquence varie de 0 à plusieurs dizaines de gigahertz. Les courbes correspondantes montrent une résonance au-delà de laquelle le signal optique se met à décroître très rapidement (pente de 20 db par décade). Cette fréquence dépend de la valeur du courant de polarisation autour duquel s applique la petite modulation (figure 7). Ce comportement est aussi décrit par les équations d évolution des populations d électrons et de photons. On montre que la fréquence de résonance est sensiblement identique à celle des oscillations de relaxation. C est cette grandeur que l on prend comme bande passante de modulation maximale du laser dont la théorie montre qu elle suit une loi en : B p I b 1 I s Elle sera donc d autant plus élevée que le laser pourra supporter une polarisation égale à plusieurs fois le courant de seuil. (8) Amplitude du signal modulé (db) ,01 0, Fréquence de modulation (GHz) Figure 7 Bande passante petit signal d un laser en fonction de son courant de polarisation Amplitude du laser modulé Fréquence d'émission Signal laser après propagation dans fibre à dispersion positive Courant de polarisation (I b ) Figure 8 «Chirp» et l élargissement de l impulsion d un laser DFB modulé en amplitude Élargissement spectral («chirp») Temps En plus de l effet sur le nombre de photons dans la cavité, la modulation du courant va fortement agir aussi sur les propriétés optiques du guide actif et donc sur la longueur d onde ou la fréquence d émission. Les oscillations du nombre de porteurs vont entraîner des fluctuations de l indice de réfraction et donc des fluctuations de la phase ou la fréquence de l onde. La relation entre les fluctuations de la fréquence ν (t) et celle de l amplitude P est décrite par l expression : ν ( t ) = α dp π P dt avec α coefficient de proportionnalité, appelé couplage phase-amplitude ou facteur de Henry. Cette modulation de fréquence, appelée aussi «chirp», est surtout visible sur un laser monofréquence de type DFB pour lequel α est toujours positif. Une mesure précise du spectre lors de l impulsion montre un glissement de la fréquence vers les valeurs positives (vers le bleu : blue shift ) en début d impulsion et un glissement vers le rouge (red shift ) en fin d impulsion. Lors de la propagation de ce signal dans une fibre à dispersion positive, la longueur d onde du début d impulsion est alors accélérée alors que celle de fin de l impulsion est ralentie. Au fur et à mesure de sa propagation, l impulsion s élargit et risque de venir interférer avec la suivante (figure 8). (9) est strictement interdite. Editions T.I. E

8 LASERS À SEMI-CONDUCTEURS On montre mathématiquement [1] qu un laser monofréquence modulé à un débit B voit son spectre s élargir d une quantité : (10) Les lasers DFB présentent une valeur de couplage phase-amplitude de l ordre de quelques unités (typiquement 4). Cela signifie qu un laser 1,5 µm modulé à 10 Gb/s voit son spectre s élargir de 0,31 nm. 3. Structures par applications 3.1 Lasers Télécoms Spécifications λ 2 λ α B c Les lasers pour applications Télécoms émettent dans les fenêtres de transmission des fibres optiques à 1,3 ou 1,5 µm. Ils sont utilisés dans les liaisons point à point sur de longues distances, les réseaux métropolitains et dans les réseaux d accès. Les distances mises en jeu étant au moins toujours supérieures à une dizaine de kilomètres, le support de transmission est toujours assuré par une fibre monomode. Les pertes et la dispersion de la fibre étant dépendantes de la longueur d onde, il faudra alors s attacher à bien définir le domaine spectral d émission de la source pour minimiser la dégradation du signal transmis tout au long de la transmission. Les paramètres déterminant la portée L Abs de la liaison sont le coefficient d absorption α F de la fibre, la puissance optique moyenne transmise par le laser (P t ) et la puissance moyenne minimale détectable par la photorécepteur (P r ) dont la valeur dépend du débit D de transmission. La valeur théorique de L Abs est donnée par : 10 L Abs lg P t = α F P r (11) avec P r = N Ph hvd, N Ph nombre minimal de photons requis pour détecter un bit d information. Exemple : à un débit de 1 Gb/s, une puissance moyenne injectée de 1 mw, des pertes de 0,4 et 0,25 db/km respectivement à 1,3 et 1,5 µm, et une valeur pratique pour N Ph de 500 à chaque longueur d onde, on déduit des portées respectives de 107 km et 172 km. Celles-ci peuvent être augmentées de 25 km et 40 km en multipliant la puissance de la source d un facteur 10. Pour des distances encore plus importantes, il est alors nécessaire de ré-amplifier le signal. La dispersion chromatique produit des distorsions dans la transmission à cause des différences entre les vitesses de propagation des longueurs d onde se propageant dans la fibre. Celles-ci produisent un élargissement temporel de l impulsion égal à : t = D λl (12) avec D dispersion exprimée en ps/(nm km), λ différence entre les longueurs d onde les plus rapides et la plus courte, L longueur. Dans un système de transmission NRZ (non-retour à zéro), on tolère un élargissement temporel égal à la moitié de la période des bits d information. La distance limite L disp au-delà de laquelle aucune transmission n est possible s exprime donc par : 1 L disp = B D λ (13) avec B débit de transmission de la liaison. (0) Tableau 1 Structures et caractéristiques typiques des sources 2,5 Gb/s Structure I s P max Portée (nm) (ma) (mw) (%) (km) F-P DFB à à 400 Exemple : la dispersion dans une fibre monomode standard dépend de la longueur d onde. Elle s annule à nm. À 1,55 µm, elle est égale à 17 ps/nm km. Dans le cas d une source 1,55 µm modulée à 10 Gb/s présentant un spectre de 3 nm de large, ne pourra pas transmettre d information au-delà de 1 km. On dit alors que la transmission est limitée par la dispersion chromatique de la fibre. On constate donc que lorsque que l on veut construire une transmission de débit donné entre deux points distants de L, les paramètres critiques qui servent à choisir la source optimale sont, dans l ordre d importance, la longueur d onde d émission, la largeur spectrale en régime de modulation et la puissance d émission Caractéristiques Qu ils soient implantés dans les réseaux longues distances ou métropolitains, les liens optiques actuellement installés ont des débits de 2,5 ou 10 Gb/s. On trouve chez les constructeurs des sources correspondant à ces deux familles avec, à chaque fois, la structure du composant la mieux adaptée à la longueur du lien envisagée Sources 2,5 Gb/s Dans la fenêtre 1,3 µm, des lasers F-P ou DFB sont utilisables sur des distances typiques respectivement de 10 et 100 km. Ces lasers directement modulables par le courant présentent des caractéristiques de courant de seuil et de puissance sensiblement identiques (tableau 1). Ils sont en général utilisés sans régulation de température dans la gamme 20 à 85 o C. La longueur maximale de la liaison des lasers F-P est limitée par la dispersion chromatique de la fibre (largeur typique 2 nm) alors que celle du laser DFB, pour lequel la dispersion est nulle à nm, est limitée par l absorption de la fibre. À 1,5 µm, les lasers DFB présentent des courants de seuil légèrement supérieurs à leurs homologues 1,3 µm (tableau 1). On observe également un rendement différentiel plus faible. Les portées accessibles, généralement annoncées par les constructeurs se situent entre 200 et 400 km. Celles-ci s expriment aussi chez quelques-uns à l aide de la dispersion totale admissible, en ps/(nm km), qu il suffit ensuite de transformer en distance à l aide de la relation (13). Ces variations de portée entre constructeur peuvent s expliquer par les différences entre les structures actives à puits quantiques dont le nombre et la composition agissent directement sur le gain différentiel et le facteur α Sources 10 Gb/s Les bandes passantes maximales des lasers pouvant dépasser 15, voire 20 GHz, on trouve actuellement sur le marché des lasers modulables par le courant jusqu à 10 Gb/s. Compte tenu de la faible dispersion des fibres autour de 1,3 nm, leur domaine d application concerne les liens de 10 à 20 km de long que l on déploie dans les réseaux métropolitains (tableau 2). Leurs caractéristiques électro-optiques autorisent aussi un fonctionnement sans régulation thermique dans la gamme de température 10 à 85 o C. (0) E est strictement interdite. Editions T.I.

9 LASERS À SEMI-CONDUCTEURS Tableau 2 Caractéristiques typiques des sources 10 Gb/s à base de semi-conducteurs Structure I s P max Portée (nm) (ma) (mw) (km) DFB DFB + EA à 2 40 à 80 Modulateur Laser DFB à électro-absorption + - R max InP-p InP-n InP-p Puits quantiques GaInAs/InP Lumière Figure 9 Schéma de principe d une structure monolithique intégrant un laser DFB et un modulateur à électro-absorption Lorsque les longueurs des liaisons dépassent plusieurs centaines de kilomètres, on utilise bien entendu une source émettant au minimum de la bande d absorption de la fibre (autour de nm) afin d avoir à ré-amplifier le signal le moins souvent possible. Cependant, à cause de la forte dispersion des fibres standard à cette longueur d onde, la portée maximale entre deux amplificateurs est déterminée par l élargissement spectral de la source en régime de modulation. Un simple calcul effectué à l aide de la relation (13) montre qu elle ne peut pas être supérieure à 10 à 20 km avec un laser directement modulé par le courant. La solution trouvée pour contourner ce problème consiste à moduler la lumière du laser fonctionnant en continu à l aide d un modulateur externe n induisant quasiment pas d élargissement spectral en régime de modulation rapide. Les modulateurs de ce type sont des modulateurs à base de structures interférométriques à ondes guidées de type Mach-Zehnder (M-Z) fabriqués dans des matériaux non-semi-conducteurs (LiNbO 3 ). Avec des choix judicieux des tensions électriques appliquées sur chacune des électrodes, il est possible de contrôler l intensité et aussi le «chirp» du signal transmis grâce aux variations d indice de réfraction induites dans chaque guide par effet électro-optique. Des valeurs du coefficient de couplage phase-amplitude (α ) aussi faible que 0,1 peuvent ainsi être obtenus. Cette solution est celle actuellement retenue pour les liaisons de très grandes portées (supérieures à km). La capacité de transmission de la fibre est ici exploitée au maximum en utilisant le multiplexage en longueur d onde (WDM : Wavelength Division Multiplexing ) de plusieurs dizaines de longueurs d ondes séparées d une fraction de nanomètre (0,8 nm, voire 0,4 nm) dans la bande passante des amplificateurs optiques à fibre dopés erbium (par exemple dans les bandes C entre et nm, et L entre et nm). Les lasers utilisés dans ces applications sont de simples lasers DFB fonctionnant en continu, émettant 20 à 30 mw avec des longueurs d onde précises coïncidant avec celles du peigne WDM. Elles sont accordées sur celles du peigne en contrôlant la température du laser. En effet, grâce à la variation d indice induite par les variations de température, la longueur d onde du laser, sensiblement identique à celle de la fréquence de Bragg, varie de 0,09 nm/ o C. Dans le contexte des réseaux métropolitains, il est utile de disposer de sources 10 Gb/s bon marché permettant de couvrir des distances typiques de plusieurs dizaines de kilomètres de long (50 à 80 km). L utilisation d un modulateur externe à électroabsorption est la solution retenue par tous les constructeurs. Ce modulateur, fabriqué aussi à l aide de semi-conducteur de la filière lnp, peut alors être intégré au laser pour former une structure monolithique, très compacte et surtout beaucoup moins coûteuse que l association laser DFB-modulateur M-Z (figure 9). Le modulateur à électro-absorption (MEA) est constitué d une double hétérostructure p-n analogue à celle d un laser dans laquelle on réalise un guide optique bidimensionnel dans l alignement du ruban laser. La composition de la couche formant le guide du modulateur est ajustée de manière à ce qu elle soit transparente pour l émission du laser. En revanche, l application d une tension inverse à la jonction a pour effet de décroître légèrement sa bande interdite (effet Franz-Keldysh) et donc d absorber la lumière transmise. Des impulsions d intensité lumineuse avec des taux d extinction supérieurs à 10 DB, peuvent alors être obtenues en modulant la tension appliquée à la diode de quelques volts (2 à 3 V). Cependant, la variation d absorption résultant des changements de tension appliqués au semi-conducteur s accompagne aussi d une variation d indice de réfraction du guide dans lequel se propage l émission laser. On observe alors, comme dans les lasers directement modulés par le courant, un «chirp» mais dont la valeur est beaucoup plus faible et reste généralement inférieure à 1. Certains points de fonctionnement, autour duquel s appliquent les variations de tension, permettent même de l annuler, voire le rendre négatif. Suivant leur conception, les caractéristiques de ces sources permettent d atteindre des portées de 40 ou de 80 km (tableau 2) Packaging La mise en œuvre pratique de ces sources dans un système de transmission nécessite de les conditionner dans des boîtiers ou des modules facilitant leur intégration dans les équipements électroniques et leur connexion à la fibre optique. Le boîtier est le premier sous-ensemble optique dans lequel on conditionne la puce. Il rassemble les premières interfaces avec l environnement extérieur du laser (dispositif de couplage avec la fibre, connexions électriques avec les circuits de commande, système de refroidissement par élément Peltier). Le module quant à lui, est un dispositif regroupant dans un même package le boîtier et toute l électronique de commande et de contrôle de la source ainsi que tous les circuits électroniques assurant l interface avec les équipements de transmissions (MUX/DEMUX, regénérateur...). Le prix de ces modules pouvant représenter jusqu à 70 % du coût d un système, la plupart des constructeurs ont, depuis le début des années 2000, établi plusieurs accords (MSA : Mutual Source Agreement) visant une diminution des coûts d assemblage en normalisant les dimensions, les consommations, les implantations des connexions électriques et les interfaces optiques Boîtiers fibrés et connectables Dans un boîtier fibré, l interface optique est constitué par une fibre de quelques dizaines de centimètres de long solidement fixée à l une des parois du boîtier. Le couplage laser-fibre est optimisé grâce à l emploi d une microlentille directement usinée en extrémité de fibre ou par un doublet constitué de deux lentilles intercalées entre la face de sortie de la puce et celle de la fibre. Ces boîtiers portent le nom du type de connexions électriques assurant l interface avec l environnement extérieur. On parle de boîtiers de type «butterfly» ou DIL (Dual in Line ) selon que les broches de sorties (14 au total) sont respectivement dans un plan parallèle ou perpendiculaire au boîtier. Ces boîtiers sont suffisamment volumineux (typiquement 2 cm 1,4 cm 1 cm) pour contenir un système de refroidissement par élément Peltier et un isolateur optique. Ils sont typiquement dédiés au laser DFB pour applications WDM nécessitant un contrôle précis de la longueur d onde par la température. Les interconnexions par broches autorisent des fonctionnements jusqu à 2,5 Gb/s. Aux débits supérieurs, les connexions doivent être assurées à l aide de connecteurs hyperfréquences. est strictement interdite. Editions T.I. E

10 LASERS À SEMI-CONDUCTEURS Connecteur optique enfichable Entrée / Sortie optiques à 10 Gb/s Laser PIN Driver TIA ICs Remise en forme Entrée / Sortie électriques à 10 Gb/s I DBR I actif R max + + InP-p InP-n Lumière a Connecteur électrique enfichable schéma de principe (PIN : photodiode pin) GaInAsP 1300 nm GaInAsP 1550 nm a schéma de principe de la structure Longueur d'onde I act = constant Courant (I DBR ) b vue d un produit commercial b dépendance de la longueur d onde avec le courant injecté dans la section de Bragg Figure 10 «Transceiver» XFP (origine : site avanex.com) Figure 11 Laser accordable en longueur d onde de type DBR Dans un boîtier connectable, l interface avec la fibre optique est constituée par un demi-connecteur optique normalisé (type LC). Toute connexion d une fibre possédant à son extrémité le demi-connecteur complémentaire peut alors aisément se raccorder au boîtier, ce qui procure une grande souplesse dans les opérations de contrôle de test ou de maintenance des systèmes. Ces boîtiers ont un volume 5 fois plus petit que les précédents. Développés initialement pour les émetteurs multimode à base VCSEL (cf. 3.2), leur emploi se généralise pour les communications développées pour les réseaux métropolitains et d accès pour lesquels les aspects coûts sont primordiaux. Ces boîtiers ne contiennent en général qu une seule puce laser (F-P ou DFB) non refroidie par élément Peltier. Certains boîtiers ont été aussi conçus pour contenir une structure intégrée laser-modulateur fonctionnant à des débits de 2,5 ou 10 Gb/s. Notons aussi que, en anglais, ces boîtiers portent le nom de TOSA pour Transmit Optical Sub-assembly Modules transceiver et transpondeurs Dans les systèmes de transmission de brassage ou de routage, il est toujours nécessaire de connecter les équipements entre eux à l aide de paires de fibres pour assurer des liaisons bidirectionnelles. Pour chaque équipement, il est donc nécessaire d associer à chaque émetteur un photorécepteur décodant les informations de la voie descendante. Les fabricants ont convenu de rassembler ces deux fonctions au sein d un même module appelé transceiver lorsque les entrées et sorties optiques et électriques sont au même débit (il s agit alors d une interface série) ou transpondeur lorsqu elles sont à des débits différents. Ces deux types de modules bénéficient aussi actuellement de normes visant à minimiser la taille et les consommations. La figure 10 montre le schéma de principe du transceiver XFP pour extra Flat Package. Il contient un TOSA et son alter ego, le ROSA pour Received Optical Sub-assembly, et les circuits de commande (driver ) du laser et d amplification (TIA) du photodétecteur, ainsi que les circuits électroniques de récupération d horloge et de re-synchronisation des signaux. Comme pour les connexions optiques, les connexions électriques permettent d enficher le module dans un réceptacle électrique analogue à celui équipant les clés USB par exemple. La taille normalisée d un XFP (7 cm de long, 1,8 cm de large et 1 cm d épaisseur) est d ailleurs assez voisine de celle d une clé. Ces modules sont disponibles à 1,3 et 1,5 µm pour des applications monocolores et à des débits de 2,5 et 10 Gb/s. Dans un transpondeur, les débits des signaux optiques et électriques sont dissymétriques. Par exemple, dans le cas d un transpondeur 10 Gb/s, les connexions électriques s effectueront à 622 Mb/s. Il est alors nécessaire d ajouter des circuits de multiplexage/démultiplexage électriques auxquels il convient également d ajouter les inévitables fonctions de récupération d horloge et de remise en forme des signaux. Ces modules plus volumineux font aussi l objet de normalisations, notamment dans la taille (10,54 cm 8,9 cm 1,34 cm), le nombre de connecteurs électriques (300) et l interfaçage optique qui, dans ce cas, utilise un boîtier fibré. Ces modules sont surtout développés pour les liaisons 10 Gb/s multicolores à 1,5 µm Source accordable en longueur d onde Disposer d une source permettant d accorder la longueur d onde à une valeur prédéterminée est une fonctionnalité de plus en plus recherchée dans les systèmes Télécoms multilongueur d onde (WDM). En effet, dans le cas d une défaillance d un des émetteurs du peigne de longueurs d onde, une seule de ces sources pourrait servir à remplacer l émetteur défaillant, alors qu aujourd hui, par sécurité, on stocke autant de lasers qu il y a de longueurs d onde. Par ailleurs, on s oriente aussi de plus en plus, dans les réseaux WDM, vers la mise en œuvre de fonctions d insertion et d extraction ou d approvisionnement de longueur d onde dont le nombre et la valeur absolue dépendent de l état du trafic et de l encombrement du réseau. Là encore, cette allocation dynamique du canal est plus aisée à mettre en œuvre avec une seule source susceptible de couvrir un large peigne d émission plutôt qu avec plusieurs émetteurs à longueur d onde fixe. Depuis une quinzaine d années, de nombreuses recherches ont porté sur le développement de telles sources en utilisant les mêmes matériaux et technologies développées pour les lasers à semi-conducteurs. Elles aboutissent, depuis peu, aux premières commercialisations et à leur utilisation dans les équipements. La structure de base d un laser accordable à semi-conducteur repose sur l utilisation d une cavité à réflecteur de Bragg à onde guidée, mais qui, contrairement au laser DFB, se situe à l extérieur de la région de gain (figure 11). La cavité optique comprend alors un miroir clivé en face avant et en face arrière, le miroir à réseau de Bragg (DBR : Distributed Bragg Reflector ). Par ailleurs, le guide optique du miroir étant aussi formé dans une double hétérojonction E est strictement interdite. Editions T.I.

11 LASERS À SEMI-CONDUCTEURS p n, son indice de réfraction et donc la fréquence de Bragg à laquelle sa réflectivité est maximale varient avec le courant injecté. L indice optique diminuant avec le nombre de porteurs injectés, la longueur d onde évolue vers le bleu. On observe ainsi une variation discontinue de la longueur d onde correspondant à chaque coïncidence du réflecteur de Bragg avec les modes discrets de la cavité. Une vingtaine de longueurs d ondes discrètes couvrant une plage de 10 à 15 nm peuvent alors être successivement adressées en changeant le courant dans le réflecteur de 0 à sa valeur maximale (typiquement 100 ma). Afin de pouvoir couvrir une plage plus large comme celle de la bande C des amplificateurs à fibre (32 nm), des structures de type DBR plus complexes intégrant plusieurs réflecteurs de Bragg pour chacune des faces du laser ont été mises au point. Dans ces structures appelées SG (Sampled Grating ), deux courants sont alors nécessaires pour obtenir une valeur précise de la longueur d onde. Les lasers SG-DBR actuellement commercialisés permettent d adresser les 80 fréquences ITU séparées de 50 GHz de la bande C. Un transpondeur 10 Gb/s, intégrant ce laser avec un seul modulateur LiNbO 3 pouvant coder n importe quel canal, est aussi disponible. 3.2 Lasers pour réseaux de données («Datacom») On appelle réseau de données, un ensemble d interconnexions optiques permettant de transférer des données numériques à un grand nombre d utilisateurs ou de terminaux d extrémité. Il s agit typiquement d un réseau d ordinateurs implantés au sein d une même entreprise (LAN : Local Area Network ), ou implantés dans un gros calculateur à architecture partagée, ou bien dans un véhicule terrestre ou aérien. Les distances mises en jeu étant faibles, de quelques mètres à quelques centaines de mètres, le transport de transmission est typiquement la fibre multimode en SiO 2, voire en fibre plastique pour les très courtes distances. Au-delà du kilomètre, la fibre monomode est privilégiée. Suivant les applications, les débits nécessaires peuvent être de quelques Mb/s à quelques Gb/s, des normes de protocoles de connexion comme le Gigabit Ethernet ou Fiber Chanel répondent bien à ces enjeux. Les interconnexions entre ordinateurs requièrent aussi l utilisation de câbles multivoies pouvant transporter plusieurs centaines de Gb/s. Au fil du temps, la structure à émission par la surface (VCSEL) s est progressivement imposée dans ces applications. Sa très faible consommation électrique, son faible coût et sa capacité de production en grand volume sont les raisons essentielles de ce choix VCSEL 0,85 m De par leur très faible volume actif, l émission laser des structures à base de GaAs telle que celle de la figure 3 apparaît à un courant typique de 2 ma. Une excursion de 10 ma permet d atteindre une puissance maximale de 2 mw. Pour des courants plus élevés, la pente de la courbe s infléchit (le rendement différentiel diminue) et peut s annuler, voire devenir négative (la caractéristique prend alors une forme de cloche). L impact de l échauffement de la diode sur le déconfinement des porteurs injectés et du désalignement du mode autorisé de la cavité avec la bande de gain expliquent ce comportement. Les faibles valeurs de courant nécessaire pour atteindre le seuil et la puissance maximale conduisent à une très faible consommation électrique. La résistance série typique de la diode étant de 50 ohms, la puissance électrique totale appliquée est de seulement 8 mw, 3 mw pour atteindre le courant de seuil + 5 mw dissipée dans la résistance série. (0) Le diagramme de rayonnement et le spectre de ces diodes vont fortement dépendre du diamètre effectif de la diode. Avec une Tableau 3 Portée maximale obtenue à différents débits pour trois types de fibres multimodes caractérisées par leur géométrie (rapport entre les diamètres du cœur et de la gaine) et leur bande passante Débit 62,5/ MHz km ouverture dans la couche d oxyde située au-dessus de la couche active d une vingtaine de micromètres de diamètre (figure 2), la cavité optique supporte plusieurs modes transverses. Au seuil, le laser peut fonctionner sur le mode fondamental et son spectre est monofréquence car l intervalle spectral de la cavité est plus grand que la largeur de la bande de gain (cf. Exemple 2.4.2). En revanche, dès que le courant augmente, plusieurs modes transverses sont excités et le spectre est alors constitué de plusieurs raies faiblement séparées, leur enveloppe n excédant pas au total plus de 0,5 nm. La puissance d émission de ces lasers peut aussi être modulée par le courant d injection. La bande passante petit signal, observée chez la plupart des constructeurs, dépasse 10 GHz (12 GHz par exemple chez Picolight). Ces performances autorisent alors une modulation jusqu à 10 Gb/s. Ce VCSEL 0,85 µm, conditionné en module «transceivers» de petite dimension, fait l objet de normes spécifiant les caractéristiques d émission et de réception pour différents protocoles de transmission. Les débits les plus courants sont 1,25 Gb/s (Gigabit Ethernet), 2,125 Gb/s (Fibre Channel) et 10 Gb/s (10 G Ethernet). La portée maximale de la liaison dépendra de la dispersion modale de la fibre qui, suivant le type de fibre, varie à 0,85 µm de 200 à MHz km (tableau 3). Une transmission 10 G Ethernet de 300 m de long peut par exemple être établie à l aide de la fibre la plus performante VCSEL 1,3 m Fibre, dispersion 50/ MHz km 50/125 étendu MHz km 1,25 Gb/s 300 m 500 m / 2,125 Gb/s 150 m 300 m / 10 Gb/s / 65 m 300 m Annoncés depuis plusieurs années, les premiers VCSEL 1,3 µm sont disponibles depuis décembre 2005 chez Picolight. L intérêt de ces structures est important car, à nm, la bande passante des fibres multimodes est au moins 2 fois plus importante qu à 850 nm. Exemple : la dispersion de la fibre Multimode standard (OM2) passe de 500 à MHz km à 1,3 µm, ce qui autorise une augmentation de portée dans les mêmes proportions dans la mesure où les performances de VCSEL restent égales. Par ailleurs, lorsque ces structures fonctionnent en régime monomode transverse, elle concurrencent les structures F-P conventionnelles. Les besoins de telles sources sont actuellement très importants pour les applications 10 Gb Ethernet sur de longues distances (10 km) dans les réseaux d entreprise étendus (réseaux de sauvegarde de données par exemple), voire aussi dans les réseaux d accès des opérateurs de télécommunications. L obtention d une structure VCSEL à 1,3 µm s est heurtée à de nombreux problèmes techniques liés à la fabrication des miroirs dans la filière de matériau lnp/lngaasp. L idée au départ de reproduire une structure monolithique intégrant, comme dans le VCSEL GaAs (figure 3), les miroirs et le milieu actif à base d lnp n a pu être mise en œuvre à cause d un trop grand nombre d alternances lnp/lngaasp nécessaire à la réalisation d un miroir de réflectivité est strictement interdite. Editions T.I. E

12 LASERS À SEMI-CONDUCTEURS R max Ruban étroit Ruban large Ruban évasé Figure 12 Structure ruban des lasers de puissance (vue de dessus) a Région active barrette de diodes R min Figure 13 Schéma d une barrette de diodes et d un empilement équivalente à celui de la structure GaAs. Parmi les nombreuses solutions techniques proposées pour contourner cette difficulté, la plus simple consiste à remplacer la couche active du VCSEL 0,85 µm par un alliage quaternaire Ga 1 x ln x N y As 1 y dont les compositions sont choisies pour accorder le paramètre de maille cristalline à celle du GaAs et la longueur d émission de la bande interdite autour de 1,3 µm. Le fonctionnement sur le mode fondamental transverse est obtenu en injectant le courant, au travers d une ouverture, dans la couche d oxyde de la taille du cœur d une fibre monomode (φ 6 µm). Ces lasers commercialisés aussi en module de type «transceiver» garantissent une puissance de 0,5 mw à 70 o C. Les spécifications des modules garantissent un fonctionnement à 4 Gb/s sur des distances de 10 km. Plusieurs laboratoires s activent aujourd hui pour porter le débit avec un fonctionnement compatible avec la norme 10 G Ethernet sur la même distance. Un laser de ce type serait 10 fois moins cher qu un laser F-P 1,3 µm couvrant la même application (cf. tableau A de [Doc. E 2 660]). 3.3 Diode laser de pompe Fibre avec réseau de Bragg Les lasers de pompe sont conçus pour émettre le maximum de puissance optique à une longueur d onde spécifiée par les bandes d absorption de la terre rare du laser solide ou à fibre (cf. 1.3). Les structures des diodes diffèrent selon le niveau de puissance. Pour les lasers de puissances modérées (d une fraction de watt à quelques watts), la diode est formée par un ruban unique de b empilement La pile de barrettes (stack en anglais) est électriquement connectée en série afin d obtenir le fonctionnement simultané de tous les rubans laser. quelques micromètres de large (figure 12). Le fonctionnement et monomode (cas du laser 980 nm dédié aux amplificateurs à fibre dopée erbium) ou multimode transverse. Pour les puissances supérieures de quelques dizaines de watts, plusieurs rubans lasers sont implantés côte à côte sur la même puce pour former une barrette (figure 13) contenant plusieurs dizaines de diodes individuelles (intégration 1D). Enfin, pour obtenir des sources émettant encore plus de puissance (de l ordre du kilowatt), on juxtapose ces barrettes l une à côté de l autre et/ou on réalise une intégration bidimensionnelle en les empilant l une sur l autre Diode de pompe à ruban unitaire Élaborée en matériau à puits quantiques contraints GalnAs/AlGaAs sur substrat GaAs, la structure des lasers de pompe 980 nm pour amplificateur à fibre dopée erbium, est formée par une cavité F-P avec un ruban actif de 4 à 5 µm de large (figure 12). Des couches diélectriques sont déposées sur les faces clivées pour obtenir une réflectivité du miroir de sortie de l ordre du pour-cent et une réflectivité proche de l unité en face arrière. Pour éviter des dégradations catastrophiques de la facette de sortie sous l effet de la forte densité de puissance, chaque constructeur a mis au point un procédé propriétaire (dépôt sous ultravide, ajout d une fenêtre transparente) minimisant l accumulation des porteurs injectés, génératrice d échauffements intempestifs au voisinage de la facette. Par ailleurs, pour obtenir plus de puissance dans la bande d absorption de l erbium, le spectre émis par la diode est stabilisé à l aide d un réseau de Bragg gravé dans la fibre de sortie. Les lasers, conditionnés en module de type «Butterfly», délivrent jusqu à 500 mv en continu dans une bande spectrale étroite de 1 nm de large, le courant nécessaire étant typiquement de 1 A et la tension de polarisation de 1,9 à 2 V. Une augmentation du courant conduit à des instabilités dans la cavité se traduisant par des défauts de linéarité dans la caractéristique P (I ). Dans la même filière de matériaux, plusieurs fabricants proposent des lasers F-P à ruban plus large (90 à 100 µm) émettant alors plus de puissance (4 à 7 W), mais au détriment d une bien moins bonne qualité de faisceau (figure 12). L intensité lumineuse sous le ruban est formée de plusieurs lobes de taille inhomogène. Le spectre est aussi multimode et son enveloppe a une largeur typique de 4 nm. Un faisceau de meilleure qualité peut être obtenu en donnant au ruban une forme évasée (figure 12). Grâce au filtre spatial constitué par la partie étroite du ruban, la distribution spatiale du mode de sortie reste homogène jusqu à une puissance maximale de 1,5 W Barrettes à ruban multiples Les fabricants de ce type de source ont, semble-t-il, standardisé la largeur de la barrette à 1 cm de large. Suivant les performances recherchées, entre 20 à 60 diodes individuelles d une centaine de micromètres de large sont régulièrement réparties sur la barrette. Le facteur de remplissage, qui donne la proportion de la surface active par rapport à la surface totale de la barrette, joue un rôle important dans la puissance maximale émise. Cette puissance est aussi fortement dépendante du dispositif de refroidissement et du type de fonctionnement : fonctionnement en mode continu ou en mode quasi continu (impulsions de plusieurs centaines de microsecondes de large avec un taux de répétition de quelques pour-cent. Exemple : nlight Corporation commercialise des barrettes continues de 40 W et refroidies par élément Peltier avec un taux de remplissage de 30 %. Avec des barrettes de 80 %, la puissance continue atteint 100 W quand elles sont refroidies par un système de refroidissement à circulation d eau. Par ailleurs, un fonctionnement en mode quasi continu permet de doubler ces puissances. (0) L épaisseur totale d une barrette étant de l ordre de 2 mm (quelques centaines de micromètres pour la puce et le reste pour son support mécanique), il est relativement aisé de les empiler les E est strictement interdite. Editions T.I.

13 LASERS À SEMI-CONDUCTEURS Tableau 4 Longueur d onde des lasers utilisés dans les standards des systèmes de stockage numérique Caractéristiques unes sur les autres pour former une source de section rectangulaire. En empilant ainsi 10 barrettes, nlight fabrique une source délivrant W en continu. Plusieurs petites sociétés proposent aussi d autres formes de modules dont la configuration optimise le pompage optique de la cavité du laser solide (anneau, barreau ). 3.4 Diode laser CD/DVD Spécifications Ces diodes dédiées à la lecture et à l inscription sur disques optiques ont fait l objet de normes relatives à leur longueur d onde d émission. En effet, à cause des effets de diffraction, leur longueur d onde joue un rôle crucial sur la quantité de données directement accessibles par le disque. Une plus petite longueur d onde permet une plus petite taille de faisceau et donc une plus grande densité d information par unité de surface. Dans l approximation du faisceau gaussien, celle-ci est approximativement donnée par 0,6 λ/na (avec NA l ouverture numérique du système de focalisation optique sur le disque). Le tableau 4 donne les capacités de stockage accessibles pour les trois longueurs d ondes normalisées : 780 nm, 650 nm et 405 nm. Une autre spécification importante concerne la puissance émise. En effet, dans tous les systèmes ré-inscriptibles (CD/DVD, R ou RW), l information est transmise au disque en modifiant de façon irréversible (CD ou DVD R) un matériau photosensible (cynanine) déposé sur les pistes du disque, ou de manière réversible (CD ou DVD RW), la phase physico-chimique d un composé cristallin. Plusieurs centaines de milliwatts en régime impulsionnel sont nécessaires pour provoquer ces changements d états Description des structures Standard Les lasers CD à 780 nm sont élaborés dans le système de matériau GaAlAs-GaAs. Pour étendre la longueur d onde dans le domaine visible jusqu à 650 nm, l alliage quaternaire ln 0,5 (Ga 1 x Al x ) 0,5 P est le plus intéressant, car il permet de réaliser des doubles hétérostructures ou des structures quantiques, tout en restant à l accord de maille avec GaAs. La région active est en In 0,5 Ga 0,5 P et les largeurs de la bande interdite des couches de confinement peuvent être ajustées avec la composition x de l aluminium. Les diodes bleues quant à elles sont de réalisation récente (1996). Leurs double hétérostructures sont élaborées en composés ternaires ln x Ga 1 x N/Al y Ga 1 y N de la famille du nitrure de gallium (GaN). Ces structures sont cependant beaucoup plus difficiles à réaliser que les précédentes à cause de l absence de substrats GaN de grande dimension. Des technologies plus complexes et donc plus coûteuses ont été mises en œuvre pour élaborer la double hétérostructure en minimisant le nombre de défauts cristallins induits par le désaccord de paramètre cristallin avec le substrat (saphir). (0) CD DVD Blu-ray ou HD DVD Longueur d onde...(nm) NA 0,45 0,6 0,85 Capacité de stockage (1)...(Go) 0,65 4,7 23 (1) Les capacités en giga-octets correspondent à celles d un disque numérique de même taille (diamètre 12 cm). Tableau 5 Caractéristiques des lasers utilisés dans les formats CD, DVD et Blu-Ray des systèmes de stockage de l information sur disque optique Matériau Standard Structure (nm) CD DVD Blu-ray ou HD DVD GaAlAs 780 lngap 650 GaN 405 F-P F-P F-P I s (ma) P (mw), continu (Pulsé) Application Ces trois types de laser ont une cavité du type Fabry-Pérot. Pour garantir une excellente stabilité de la taille et de la divergence du faisceau avec la puissance d émission, la propagation du mode optique dans le ruban est stabilisée à l aide d un guide optique bidimensionnel de quelques micromètres de large (typiquement 3 à 5 µm suivant les fabricants). À l opposé des lasers Télécoms, ce type de guidage ne permet pas d obtenir simultanément un confinement latéral des porteurs. Il s ensuit, par conséquent, un courant de seuil plus élevé compris entre 20 et 60 ma suivant les structures et l application visée (tableau 5). On notera aussi dans ce tableau les plages de puissance proposées par les constructeurs. Ces niveaux allant jusqu à 200 mw en pulsé sont par exemple ceux requis pour les graveurs CD ultrarapides X Axes de recherche et évolution à long terme L extension du domaine de longueur d onde d émission des lasers à semi-conducteurs constitue un axe de recherche important. De nouvelles structures émettant dans l UV peu profond (350 à 250 nm) trouveraient de nombreuses applications dans l instrumentation biomédicale, dans les techniques de purification et aussi dans le stockage de l information pour poursuivre l augmentation des capacités de stockage des disques optiques. Les recherches de structures couvrant le proche infrarouge (3 à 10 µm) visent également le développement de nouvelles applications en matière d analyse et de détection de gaz et dans les dispositifs spécifiques développés pour les besoins militaires. Comme on a pu le voir précédemment ( 3.1 et 3.2), la recherche de réduction des coûts des dispositifs d émission est omniprésente à tous les niveaux des systèmes de communications optiques. Cela est surtout vrai dans les systèmes de communication basés sur le multiplexage en longueur d onde qui nécessitent un grand nombre de sources individuelles interconnectées à des multiplexeurs ou des dispositifs d insertion ou d extraction à fibre. La simplification de toute cette architecture d interconnexion passe par l intégration monolithique de tous ces émetteurs et ses fonctions de traitement optique. L économie portera alors sur le coût total du packaging dont le nombre de modules à réaliser diminuera d un facteur au moins égal à celui du nombre de longueur d onde. Enfin, à plus long terme, les progrès dans la maîtrise des matériaux et de la technologie de fabrication de ces structures permettent de construire des dispositifs dont les tailles du milieu actif ou les dimensions de la cavité requièrent des précisions à l échelle nanométrique. Les nanostructures qui en découlent permettent une amélioration des performances des diodes et la réalisation de nouveaux composants pour le traitement quantique de l information, en particulier pour la cryptographie à à (280) (250) Lecture Enregistrement Lecture Enregistrement 40 à Lecture est strictement interdite. Editions T.I. E

14 E 2 E 3 LASERS À SEMI-CONDUCTEURS E 1 fonctionner en continu à température ambiante avec néanmoins des tensions appliquées 10 fois plus fortes que celles des lasers traditionnels. Beaucoup de développements récents ont permis l obtention de fortes puissances optiques (500 mw) ainsi qu un fonctionnement monofréquence. Alpes laser, spin-off de l Université de Neuchâtel co-inventeur de ces structures, propose quelques prototypes commerciaux. 4.2 Intégration monolithique Cet empilement de 2 puits quantiques couplés est reproduit 30 à 50 fois afin qu un électron puisse générer autant de photons d énergie E 1 et E 2 qu il y a de cellules. Figure 14 Cellule de base de lasers à cascade quantique 4.1 Nouvelles longueurs d onde L obtention de longueurs d onde encore plus courte que celle des lasers bleus à 410 nm pose plusieurs problèmes métallurgiques auxquels s attaquent de nombreux chercheurs. L alliage ternaire Al x Ga 1 x N devrait permettre théoriquement d explorer une gamme de longueur d onde allant jusqu à 250 nm en augmentant la quantité d aluminium. Comme pour les diodes bleues, l absence de substrats GaN, permettant la croissance du composé ternaire avec un quasi-accord de paramètre cristallin, est très préjudiciable à l obtention d hétérostructures exemptes de défauts. La faisabilité de diodes électroluminescentes à 250 nm a cependant été démontrée avec une région active contenant 72 % d aluminium, mais avec un rendement externe très faible (0,01 %). Pour ce qui concerne les lasers, la plus courte longueur d onde obtenue à ce jour en fonctionnement continu est de 350 nm. En attendant la résolution de ces problèmes, les émetteurs UV actuellement commercialisés sont réalisés par génération d harmoniques dans des cristaux non linéaires. Exemple : une émission à 355 nm, s obtient par triplement de la fréquence optique de lasers solides YAG-Nd émettant à nm et eux-mêmes pompés par des diodes lasers GaAs de puissance. L obtention de longueur d onde au-delà de nm, valeur la plus élevée accessible avec I lngaas accordé à l lnp, nécessite de réaliser les doubles hétérostructures dans des systèmes de matériaux de plus petite bande interdite. Des lasers élaborés dans le système lngaassb/algaassb sur substrat GaSb ont fonctionné autour de 2,5 µm en continu à température ambiante. Les alliages aux sels de plomb Pb 1 x Sn x Te, Pb S 1 x Se x sont connus et utilisés depuis plusieurs années pour fournir des diodes entre 5 et 30 µm. Ces lasers ne peuvent, en revanche, fonctionner à température ambiante. À cause de mécanismes de recombinaison non radiatif trop importants (effet Auger) et d un confinement électronique trop peu efficace, les T 0 de ces lasers atteignent des valeurs de seulement 10 à 20 K au-delà de 100 K. Un refroidissement par éléments thermoélectriques à 77 K permet néanmoins de les utiliser dans des systèmes de détection spectroscopique de gaz. Des sources fonctionnant sans refroidissement dans les deux fenêtres de transmissions atmosphériques, à 5 et 10 µm respectivement, peuvent être obtenues à l aide d une structure laser dite à cascade quantique. Les recombinaisons radiatives dans ces structures se produisent en faisant transiter les électrons sur les niveaux d énergie de puits quantiques couplés (figure 14). Le milieu actif, composé de n empilements du type de la figure 14, peut aussi devenir amplificateur en appliquant une tension électronique suffisante pour qu un même électron transite n fois entre les niveaux E 1 et E 2. Ces lasers unipolaires ont l avantage de L idée de réunir dans un même circuit monolithique plusieurs fonctions optiques, voire électroniques, pour obtenir, à l instar des circuits microélectroniques, plus de fonctionnalités et une réduction significative des coûts est omniprésente depuis le début des années En laboratoire, de nombreuses réalisations ont été effectuées pour démontrer la faisabilité de l intégration de diode avec des guides, des amplificateurs optiques à semi-conducteurs, des modulateurs, des mutiplexeurs et aussi des transistors, dans la même filière de matériau (GaAs ou lnp). De ce foisonnement d idées, on peut dire actuellement, que les seuls «circuits» vraiment opérationnels et commercialisés ne rassemblent pas plus que 2 ou 3 fonctions optiques différentes sur la même puce. II s agit de la puce laser-modulateur intégrée éventuellement avec un SOA (Semiconductor Optical Amplifier : amplificateur optique à semi-conducteur) pour augmenter la puissance de sortie (cf ). Quoique plus facile à réaliser, on pourrait bien sûr ajouter les barrettes intégrant plusieurs lasers identiques F-P ou VCSEL sur la même puce (cf ). Les raisons de la lenteur de ces progrès sont multiples. La première d entre elles est le très faible rendement de production inhérent à une immaturité des procédés technologiques mis en œuvre. La non-uniformité des caractéristiques physico-chimiques des matériaux (compositions, épaisseurs des couches, qualité cristalline) est bien souvent la cause des faibles rendements des opérations individuelles (lithographie, gravure ). Par ailleurs, l intégration dans le plan de guides optiques de compositions différentes, telle que celle du guide laser avec le guide modulateur, pose de véritables challenges pour éviter toute discontinuité d indice à la transition entre les deux guides. Les problèmes d isolement électrique et optique entre les composants conduisent aussi à effectuer un certain nombre de compromis dans les performances finales du composant. On observe depuis le début des années 2000, un déploiement important d efforts pour pallier tous ces inconvénients grâce à l utilisation de substrats de grande surface (4 pouces voire prochainement 6 pouces en lnp) et aussi très faiblement disloqués. Par ailleurs, de nouveaux procédés de gravure sèche permettant de grande vitesse de gravure avec peu de défauts sont dorénavant disponibles. Certains industriels conscients de ces difficultés proposent également de rationaliser le nombre d approches technologiques pour constituer, comme en technologie silicium, les fondements de futures fonderies optoélectroniques. Un transmetteur WDM intégrant plusieurs dizaines de composants a été récemment fabriqué avec ces nouvelles approches. Il s agit d un circuit optique composé de 10 lasers DFB émettant chacun sur un peigne ITU (International Telecommunication Union) de 200 GHz d espacement entre longueur d onde et intégrant chacun un modulateur à électro-absorption (EAM pour Electro Absorption Modulateur). De plus la puissance optique de chaque canal, contrôlée par un amplificateur à semi-conducteur, est multiplexée dans un seul guide de sortie à l aide d un coupleur à réseau de phase (AWG : Array Waveguide Grating) (figure 15). La démonstration fonctionnelle de ce circuit a été effectuée sur une liaison de 100 km de long à un débit total de 400 Gb/s (10 40 Gb/s). Les premiers produits à Gb/s sont commercialisés par la nouvelle société américaine, Infinera formée par d anciens chercheurs de Lucent, JDS et Agilent. E est strictement interdite. Editions T.I.

15 LASERS À SEMI-CONDUCTEURS Entrées électriques 10 x 10 Gb/s Trou d'air Canal 1 Alimentations continues Détecteurs Lasers DFB EAM SOA Multiplexeur AWG sortie optique λ λ x 10 Gb/s InP Canal 10 Figure 16 Exemple de matériau à gap photonique à deux dimensions constitué de trous gravés dans lnp Puce monolithique InP Les 40 composants et le multiplexeur AWG sont tous intégrés sur une puce unique fabriquée en technologie InP. Figure 15 Schéma de l architecture du circuit optique InP d Infinera intégrant 10 canaux WDM au pas de 200 GHz 4.3 Nanostructures L intérêt de poursuivre le confinement électronique des porteurs de la couche active dans les trois dimensions de l espace a été intensivement étudié dans les lasers à semi-conducteurs. En restreignant le mouvement des électrons à une boîte de quelques dizaines de nanomètres de diamètre, et quelques nanomètres d épaisseur, on s attend théoriquement à une diminution très importante de la largeur de la bande de gain (les transitions optiques n ayant lieu qu entre niveaux d énergie, on se rapproche du fonctionnement des lasers atomiques) et notamment à une très forte augmentation du gain différentiel (le gain varie plus vite avec le nombre de porteurs injectés). Ces nouvelles propriétés conduisent normalement à de meilleures performances en termes de courant de seuil, de largeur de raie en régime de modulation (Chirp théoriquement nul) et une insensibilité du courant de seuil avec la température (T 0 infini). Ces prévisions théoriques sont sur le point d être vérifiées grâce aux nouvelles méthodes de croissance développées pour la fabrication de ces îlots. Contrairement aux premières idées consistant à façonner ces petits objets par gravure externe (approche «top down»), on préfère utiliser aujourd hui une technique de croissance où les îlots se forment naturellement au cours du dépôt, cette croissance auto-organisée appelée également «bottom-up» par opposition à la méthode traditionnelle, se produit lorsque on essaie de déposer une couche de composition fortement désadaptée par rapport à son substrat d origine. La couche ne pouvant pas se déposer de manière uniforme, de petits amas se forment de manière aléatoire sur la surface et relaxent leur énergie en formant des îlots de taille identique. Ces approches sont actuellement surtout mises en œuvre dans les lasers 1,3 et 1,5 µm. Des démonstrations de lasers 1,3 µm avec un élargissement spectral à 10 GHz inférieur à 0,01 nm ont déjà été effectuées. Quant à la stabilité de température, là aussi, des coefficients de température T 0 supérieurs à 400 K ont déjà été mesurés. Ces nouveaux résultats très encourageants, devraient permettre encore de simplifier les transmetteurs en s affranchissant de la régulation thermique et en utilisant la modulation directe à 10 Gb/s et même au-delà sans induire de pénalités de transmission excédentaires. Enfin, une autre rupture est en train de se produire grâce à la maîtrise des structures à bandes photoniques. La maîtrise à l échelle nanométrique des technologies de gravure permet aujourd hui de fabriquer des structures composées de fortes discontinuités d indice dans lesquelles toutes les longueurs d ondes ne peuvent se propager. Comme dans un laser DFB dont l émission ne peut se produire dans une bande autour de la fréquence de Bragg (cf ), la propagation de la lumière dans une structure creusée de trous cylindriques réguliers, telle que celle schématisée sur la figure 16, est interdite sur une bande de fréquence dépendant de la taille et de la périodicité des trous. Ces propriétés sont mises en œuvre aujourd hui pour réaliser des microcavités à fort coefficient de surtension. Elles s obtiennent en réalisant les miroirs des cavités F-P ou le confinement latéral des structures verticales à l aide de ces matériaux microstructurées. Des réductions significatives des courants de seuil à l échelle du microampères sont attendues avec ces approches. Par ailleurs en enfermant une seule boîte quantique dans cette microcavité, on sait qu il est théoriquement possible de réaliser une source capable d émettre à la demande des impulsions ne contenant qu un seul et unique photon. Ce comportement est le résultat du filtrage spectral induit par les modes de la microcavité sur les transitions électroniques de la boîte. Cette source à photon unique, qui en découle, présente un intérêt considérable pour les futurs systèmes de cryptographie reposant sur le codage de l information par des grandeurs quantiques. est strictement interdite. Editions T.I. E