Phase III — Caractérisation d`un laser à semi

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Travaux pratiques — Phase III (1 séance)
Caractérisation d’un laser à semi-conducteurs
Objectifs
Les objectifs de cette phase des travaux pratiques sont :
a) d’opérer correctement un laser à semi-conducteurs ;
b) d’interpréter correctement les caractéristiques optiques observées ; et
c) d’interpréter correctement les caractéristiques électriques observées.
Matériel
La réalisation de ces travaux pratiques requiert l’utilisation de :
a) « honeycomb breadboard » ; optomécanique ;
b) laser à semi-conducteurs ML725B8F, de Mitsubishi ;
c) monture pour lasers, modèle TCLDM9, de Thorlabs ; câbles ;
d) adaptateur pour lentille asphérique, modèle S1TM09, de Thorlabs ;
e) lentille asphérique, modèle C230TM-C, de Thorlabs ;
f) source de courant et commande de température, modèle LCM-39440 ou LCM-39337,
de ILX Lightwave ;
g) boîtier, modèle LDC3900, de ILX Lightwave ;
h) photodétecteur au germanium étalonné, modèle 818-IR, de Newport Instruments ; filtre
neutre OD3 ;
i) wattmètre optique, modèle 1830-C, de Newport Instruments ;
j) analyseur de spectres optiques, modèle AQ6315E ou AQ6317, de Ando Electric Co. ;
câble à fibre optique (FC-PC à FC-APC) ; monture pour connecteur de fibres optiques ;
k) wattmètre, modèle IQ-1100 ou IQ-1200, de EXFO ; et
l) boîtier, modèle IQ-203, de EXFO.
Protocole
Dans cette phase des travaux pratiques, vous devez mesurer certaines caractéristiques
statiques d’un laser à semi-conducteurs fabriqué en InGaAsP de type Fabry-Perot, modèle
ML725B8F (de Mitsubishi). Ce laser opère nominalement à 1310 nm et peut fournir une
puissance maximale de 10 mW. Attention : lors de l’ajustement du courant du laser, respectez
scrupuleusement la limite de puissance ; un dépassement occasionnerait sa destruction.

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Avertissement : Compte tenu de l’intensité énergétique produite par la diode, il est essen-
tiel de ne pas regarder directement le faisceau, tout particulièrement si votre œil est situé à
moins de 10 cm du boîtier, afin d’éviter les lésions oculaires qui pourraient être provoquées
par son rayonnement infrarouge.
a) Le laser à semi-conducteurs est fixé dans une monture qui permet de le raccorder
correctement à une unité permettant de commander précisément son courant et sa
température. Cette monture doit être fixée solidement sur le « breadboard ». Assurez-
vous que le raccord entre la monture et la commande est opérationnel. Tout au long
des travaux pratiques, assurez-vous d’utiliser le laser à semi-conducteur à l’intérieur de
sa plage normale d’opération.
Placez le boîtier contenant la photodiode au germanium sur un poteau. Placez la pho-
todiode à une très courte distance du laser à semi-conducteurs, centrée sur l’axe de
ce dernier. Raccordez le photodétecteur au wattmètre Newport Instruments 1. Tour-
nez lentement la bague vissée tenant la lentille en face du laser à semi-conducteurs de
façon à maximiser la puissance optique mesurée au wattmètre. Si nécessaire, utilisez
une carte photosensible pour visualiser le faisceau infrarouge. Rajustez la position de
la photodiode au besoin. Assurez-vous que la contribution de l’éclairage ambiant est
négligeable.
Estimez approximativement la fraction de la puissance totale émise par le laser que
vous parvenez ainsi à mesurer au wattmètre. Pour ce faire, opérez le laser à ses condi-
tions nominales et comparez la puissance mesurée à la valeur nominale de puissance.
Compte tenu du rapport entre ces puissances, vous pourrez ainsi déterminer la valeur
de puissance mesurée à ne pas dépasser pour ne pas endommager le laser.
b) Relations Pet Vvs IAjustez la température du laser à semi-conducteurs à +30 ℃.
Attendez que la température soit stabilisée (±1℃).
Balayez ensuite le courant sur la plage permise par le fabricant. Pour chaque valeur
du courant, notez la tension aux bornes du laser à semi-conducteurs et la puissance
optique détectée. Portez une attention particulière à la région du seuil.
c) Ajustez maintenant la température du laser à semi-conducteurs à +5 ℃. Attendez que
la température soit stabilisée. Répétez ensuite les mesures de la section b).
d) Ajustez maintenant la température du laser à semi-conducteurs à +55 ℃. Attendez
que la température soit stabilisée. Répétez ensuite les mesures de la section b).
e) Tracez sur un même graphique la variation de la tension aux bornes du laser à semi-
conducteurs en fonction du courant pour les 3 températures.
Observez la variation de la tension de jonction en fonction de la température. Estimez
la tension de jonction en prenant la valeur de tension pour une valeur prédéterminée
(que vous choisissez) de courant près du « genou » de la courbe IV. Déduisez-en le
coefficient de variation en mV/K.
1. Vous devez indiquer la longueur d’onde de votre source au wattmètre, il vous fournira ainsi une mesure
de puissance étalonnée.

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f) Tracez sur un même graphique la variation de la puissance optique en fonction du cou-
rant pour les 3 températures. Pour chaque température, déduisez la valeur du courant
de seuil, Is. Déduisez, en minimisant l’erreur quadratique, les paramètres de la relation
empirique, Ioet To, représentant le comportement observé :
Is=IoeT/To.
g) Tracez sur un même graphique la variation du rendement optique du laser en fonction
du courant pour les 3 températures. Faites de même pour le rendement électrique.
h) Densité spectrale de puissance optique Ajustez à nouveau la température du laser
à semi-conducteurs à +30 ℃. Ajustez son courant près des valeurs maximales utilisées
à la section b). Attendez que la température soit stabilisée.
Placez la monture pour connecteur de fibres optiques sur un poteau. Placez-y une
extrémité du câble à fibre optique et positionnez-le au plus à 1 cm du laser. Connectez
l’autre au wattmètre EXFO. Prenez soin de respecter les consignes de nettoyage des
connecteurs de fibres optiques.
Tournez lentement la bague vissée tenant la lentille en face du laser à semi-conducteurs
de façon à focaliser la lumière provenant du laser sur l’extrémité de la fibre. Utilisez
une carte photosensible pour visualiser le faisceau infrarouge. Ajustez la position du
connecteur de façon à maximiser la lumière mesurée par le wattmètre.
i) Déconnectez le wattmètre et connectez ensuite l’autre extrémité du câble à fibre optique
à l’analyseur de spectres optiques. Mesurez le spectre optique émis par le laser et
sauvegardez le résultat sur disquette.
j) En variant finement le courant et la température du laser, autour de votre premier point
d’opération à la section h), déterminez les coefficients de déplacement de la longueur
d’onde du mode dominant (en nm/mA et en nm/K).
k) Répétez la mesure de la section i) pour des courants 2 fois et 4 fois plus près du courant
de seuil. Observez comment varie le spectre lorsque vous variez le courant.
l) Tracez sur un même graphique (échelles linéaires) les densités spectrales de puissance
(étalonnées en W) émises par votre laser pour les 3 valeurs de courant testées aux
sections i)etk). Prenez soin d’y enlever la contribution intrinsèque de l’analyseur de
spectres, aussi appelée son « plancher de bruit ». Notez que la largeur des pics observés
est limitée par la résolution spectrale de l’analyseur de spectres.
m) À partir des courbes obtenues à la section l), déduisez, pour chaque courant :
– la longueur d’onde du mode dominant ;
– la longueur de la cavité laser ;
– l’ordre approximatif du mode dominant ;
– le rapport de suppression des modes secondaires ; et
– la fraction de la puissance totale associée aux modes secondaires.
Assurez-vous que votre rapport permette au lecteur de comprendre votre démarche. Soyez
clair et précis quant à votre méthodologie et à votre interprétation.

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