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Caractérisation de lasers auto-pulsants à réflecteur de Bragg distribué pour la
récupération d’horloge tout-optique à 40 Gbit/s
J.Renaudier1,2, B. Martin1, F. Pommereau1, H. Debregeas-Sillard1, F. Poingt1,
C. Cuisin1, F. Lelarge1, G-H. Duan1 et P. Gallion2
1 :Opto+, ALCATEL Research & Innovation
Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France
[email protected]
2 : Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications,
46, rue Barrault, 75634 Paris Cedex 13, France
[email protected]
RESUME
L’auto-pulsation par blocage de modes passif dans un laser à réflecteur de Bragg distribué
est obtenue pour une fréquence voisine de 40 GHz. La caractérisation expérimentale du
signal micro-onde généré, s’appuyant sur l’étude de la largeur spectrale ainsi que sur le taux
de réjection, démontre l’intérêt du laser à réflecteur de Bragg distribué pour la génération
d’auto-pulsation.
MOTS-CLEFS : récupération d’horloge, blocage de modes passif, auto-pulsation.
1. INTRODUCTION
La récupération d’horloge tout-optique, opération indispensable à la régénération 3R tout-optique,
apparaît d’un grand intérêt dans la mesure où elle pourrait permettre de supplanter les systèmes hybrides
optoélectroniques existants pour des débits de 40 Gbit/s et au-delà [1]. Parmi les différentes approches
envisagées jusqu’à présent, les lasers auto-pulsants fonctionnant en blocage de modes passif, susceptibles
de se synchroniser sur le rythme d’un signal optique modulé injecté, ont fait l’objet de nombreuses
recherches. Trois types de laser ont été particulièrement étudiés pour la récupération d’horloge à très hautdébit (> 40 Gbit/s) : les lasers à contre-réaction distribuée [2], les lasers Fabry-Perot [3,4] ainsi que les
lasers à réflecteur de Bragg distribué (DBR) [5]. L’approche à base de lasers DBR offre de nombreux
avantages de fonctionnement tels que la simplicité d’utilisation et le contrôle de la longueur d’onde
d’émission du laser en régime libre. Cet article présente les caractéristiques du laser DBR en régime de
fonctionnement libre d’auto-pulsation (AP) à 40 GHz.
2. DESCRIPTION DU LASER DBR
Le laser DBR étudié possède une structure de ruban enterré pour plus de robustesse et est
constitué de trois sections, comme le montre la figure 1. La section active a une longueur de 820 µm. La
couche guidante, composée d’un matériau quaternaire massif, est formée d’un ruban de section quasicarrée, de hauteur 0,5 µm et de largeur 0,7 µm. Cette configuration de la section de gain a été choisie afin
de conférer au laser un facteur de confinement élevé de l’ordre de 0,7, favorisant l’existence des effets
non linéaires à l’origine de la génération du signal d’AP. De plus, cette structure permet de diminuer
drastiquement la sensibilité à la polarisation du gain modal [5]. La section de phase, dont la largeur croît
jusqu’à atteindre celle de la section de Bragg de 1,8 µm afin d’améliorer le couplage au niveau de la
jonction actif-passif, a une longueur de 100 µm et permet un contrôle fin de l’accordabilité du laser. La
section de Bragg, comprenant un réseau de Bragg défini par holographie, présente un facteur de
confinement latéral plus important pour le mode TE que le mode TM, et se comporte tel un filtre de
polarisation, conduisant à l’obtention d’une émission laser TE. D’autre part, cette section offre la
possibilité de contrôler la longueur d’onde centrale d’émission (accordabilité de 5 nm) ainsi que le
nombre de modes optiques longitudinaux oscillant dans la cavité. En effet, la longueur du réseau de Bragg
(150 µm) est déterminée de telle sorte que le laser DBR fonctionne en régime multimode. Le laser DBR
résultant, clivé en face avant (section active) et traité anti-reflet en face arrière (section de Bragg), a une
longueur totale d’environ 1 mm, afin de générer un signal d’AP à une fréquence voisine de 40 GHz.
3. RESULTATS EXPERIMENTAUX
La caractérisation expérimentale du laser auto-pulsant s’effectue à l’aide du dispositif suivant : la
puissance émise par le laser est couplée à travers une fibre lentillée puis dirigée, après passage dans un
isolateur, soit vers un analyseur de spectre optique soit vers un analyseur de spectre électrique (à 50
GHz), après photo-détection. Les lasers DBR réalisés fournissent un signal auto-pulsant pour une large
gamme du couple de courants injectés respectivement dans la section active et dans la section de Bragg.
La figure 2 montre un exemple typique de fonctionnement du laser DBR présentant une configuration à
quatre modes pour un courant injecté de 90 en mA dans la section active. La forme asymétrique de ce
spectre est la signature des effets non linéaires au sein du laser qui déplacent le maximum de gain net vers
les grandes longueurs d’onde. La figure 3 présente le spectre électrique correspondant du signal d’AP
généré, assimilable à une lorentzienne, dont la largeur spectrale à mi-hauteur est de l’ordre de 1 MHz. On
peut constater sur cette même figure que le rapport de puissance entre le pic du signal d’AP et le niveau
de bruit atteint 30 dB pour une résolution de 300 kHz. Cependant, cette valeur étant fortement dépendante
de la puissance d’entrée reçue par la photodiode précédant l’analyseur de spectre électrique, nous
souhaitons nous en affranchir en introduisant le terme d’intensité relative d’auto-pulsation (Relative
Intensity of Self-Pulsation : RISP), défini similairement à l’intensité relative du bruit (Relative Intensity
Noise) :
RISP =
SP(ν AP)
< P >?
où SP(νAP) représente la densité spectrale moyenne de puissance à la fréquence d’AP (dB/Hz) du signal, et
< P > sa puissance optique moyenne. La figure 4 présente les évolutions du RISP et de la largeur spectrale
à mi-hauteur du signal d’AP pour un courant de Bragg variable, le courant de la section active étant
maintenu à 90 mA. Cette figure montre que le RISP obtenu est quasi-constant autour de -75 dB/Hz, étant
donné que ses variations n’excèdent pas 1 dB/Hz. De plus, sachant qu’une valeur de -115 dB/Hz a été
mesurée pour le RIN du même signal à la fréquence des oscillations de relaxation, ces résultats démontre
la qualité du signal d’AP obtenu. D’autre part, nous pouvons constater sur cette même figure que la
largeur spectrale du signal d’AP varie peu, bien qu’elle soit supérieure à celle mesurée sur la figure 3. Cet
élargissement spectral est principalement dû au bruit introduit par la source de courant de la section
Bragg.
CONCLUSION
En conclusion, il est démontré que les lasers à semi-conducteurs à réflecteur de Bragg distribué,
fonctionnant en régime multimode longitudinal, permettent de générer un signal d’auto-pulsation à 40
GHz. La caractérisation expérimentale de ces derniers permet de mettre en avant leur simplicité de mise
en œuvre ainsi que la qualité du signal généré, tant au niveau de l’intensité (par l’intermédiaire du RISP)
que de la largeur spectrale. Ces résultats montrent que les lasers à réflecteur de Bragg distribué
représentent une solution compétitive pour la récupération d’horloge tout-optique à 40 Gbit/s.
L’étude présentée dans cet article a été menée dans le cadre du projet RNRT ‘ROTOR’.
REFERENCES
[1] O. Leclerc et al., Optical Fiber Telecommunications IV-B, (Academic Press, 2002), Chapter 15.
[2] M. Möhrle et al., “Multi-section DFB lasers for high-speed signal processing/regeneration ”, paper
TuU1, Proc. OFC’2002, Anaheim (2002).
[3] K. Sato et al, “Wide-locking-range 160-GHz optical clock recovery from 160-Gbit/s using a modelocked laser diode”, paper WD5, Proc. OFC’2004, Los Angeles (2004).
[4] Y. Nomura et al., “Mode locking in Fabry-Perot semiconductor lasers”, Phys. Rev. A, vol. 65 (2002).
[5] G-H. Duan et al., “40 GHz all-optical clock recovery using polarization-insensitive distributed Bragg
reflector lasers “, paper CThQ5, Proc. CLEO’2003, Baltimore (2003).
Fig. 1: Schéma du laser DBR à structure de ruban enterré
Fig. 2: Spectre optique observé pour un courant injecté de
90 mA dans la section active
Fig. 3: Spectre électrique du photocourant observé pour un
courant injecté de 90 mA dans la section active pour une
résolution de 300 kHz
Fig. 4: Evolution du RISP (à gauche) et de la largeur
spectrale à mi-hauteur (à droite) du signal auto-pulsant en
fonction du courant injecté dans la section de Bragg pour un
courant injecté de 90 mA dans la section active