Caractérisation spectrale des lasers semi- conducteurs par

Caractérisation spectrale des lasers semiconducteurs par transposition de fréquence
optique dans le domaine radio-fréquence
Pascal Dherbécourt, Olivier Latry, Eric Joubert, Mohamed Kétata
IUT - Université de Rouen Laboratoire Electronique Microtechnologie et
Iinstrumentation
Département Génie Electrique et Informatique Industrielle
76 821 Mont Saint Aignan CEDEX
[email protected]; [email protected]; [email protected] ; [email protected].
Section de rattachement : 63
Secteur : Secondaire
RÉSUMÉ. Le travail présenté dans cet article traite de la caractérisation des spectres des lasers
semi-conducteurs de type DFB largement utilisés dans les systèmes de télécommunication
optiques modernes à très haut débit. La méthode développée de manière théorique et
expérimentale repose sur la transposition de fréquence du spectre optique du laser dont on
cherche à connaître les caractéristiques spectrales vers le domaine des radio-fréquences par
mélange avec un laser de référence parfaitement connu. En s’appuyant sur cette technique, une
mise en évidence de la déformation du spectre (chirp laser) sous modulation directe est présentée.
Le mélange d’ondes optiques ouvre aujourd’hui de nouvelles perspectives pour la génération
d’onde GHz ou THz dans des domaines très variés.
MOTS-CLÉS : télécommunications, fibres optiques, lasers, spectre laser,laser DFB, photodiode
rapide, hétérodynage, transposition de fréquence, modulation d’amplitude, modulation de
fréquence, chirp laser, fonctions de Bessel, microondes, hyperfréquences, génération TéraHertz.
1.
Introduction
Le multiplexage en longueur d’onde DWDM combiné au multiplexage temporel
TDM est largement déployé aujourd’hui dans les réseaux optiques pour augmenter la
capacité de transmission (80 canaux espacés de 50 GHz sur une bande de 30 nm autour
de 1550 nm). Ces progrès imposent des contraintes technologiques sur les fibres
optiques par la réduction des pertes dépendant de la polarisation (PDL) et de la
1
dispersion modale de polarisation (PMD) mais aussi sur les composants d’extrémité
associés. Ainsi, des émetteurs laser semi-conducteurs monomode longitudinal de type
DFB à spectre étroit (quelques MHz) sont utilisés en DWDM, des photodiodes rapides
de bande passante 40 à 60 GHz sont installées en réception. Afin de tester les
performances de ces composants des outils de caractérisation doivent être mis en place
dans les laboratoires de recherche et chez les fabricants. Notre laboratoire a développé
des compétences dans ce domaine au niveau de la caractérisation spectrale des lasers
DFB et des mesures de bande passante de photodiodes ultra-rapides PIN (Demi), (Latr),
(Dher).
2.
Transposition de fréquence optique du spectre laser : théorie et
expérimentation
Le principe du mélange optique détecté par photodiode rapide repose sur la réponse
quadratique du transducteur opto-électrique. Le principe est illustré par la figure 1. Les
ondes issues des deux sources laser1 et laser2 de fréquences respectives ν1 et ν2 sont
couplées spatialement et ont la même direction de polarisation. Les sources sont de type
monomode longitudinal à spectre étroit. Le spectre en puissance détecté par la
photodiode présente une composante continue non exploitée et une composante de
fréquence ν = ν1-v2. Un faible écart en fréquence optique (ou en longueur d’onde)
engendre ainsi en réception un signal électrique facilement ajustable et mesurable par
analyseur de spectre radio-fréqence RF, (Dher).
Laser1
P.I.N
coupleur
Analyseur de spectres
Contrôle lasers
Laser2
Figure 1 . Principe de mélange optique de deux ondes et génération d’un signal RF
La figure 2 représente un spectre expérimental obtenu par mélange de deux ondes
laser centrées autour de 1550 nm, à la fréquence de νΒ=40 GHz par une photodiode
rapide « Discovery Semiconducteur ». Le signal expérimental obtenu au laboratoire
2
présente une forme Gaussienne ou Lorentzienne suivant la puissance émise, de largeur
de raie à mi-hauteur (FWHM) voisine de 50 MHz pour la figure 2. A partir du signal
RF, la largeur de raie des lasers peut être déduite très facilement (Char). En connaissant
précisément la largeur de raie d’une des sources (source étalon), il est alors possible de
mesurer précisément la largeur de raie de la source sous test dans le domaine des radiofréquences. Cette caractérisation de largeur de raie d’un laser ramenée dans le domaine
RF présente un intérêt certain car il est impossible de réaliser cette mesure directement
dans le domaine optique. Il est à noter que la résolution limitée des analyseurs de
spectres optiques typiquement égale à 100 pm ne permet pas cette analyse directe autour
de la longueur d’onde 1550 nm correspondant à une fréquence voisine de 193 THz.
-6
1.2
x 10
1
Puissance (mW)
0.8
0.6
0.4
0.2
0
3.99
3.995
4
4.005
Fréquence (Hz)
4.01
4.015
10
x 10
Figure 2 . spectre du signal RF obtenu par mélange de deux ondes optiques dans une
photodiode rapide à une fréquence νB voisine de 40 GHz.
3.
Mesure de largeur spectrale de lasers DFB par simulation
La simulation est une alternative intéressante à la mesure pour la mise au point de la
technique de caractérisation de largeur de raie de lasers semi-conducteurs. L’utilisation
d’outils performants dédiés aux communications optiques permet de prendre en compte
différents paramètres et d’étudier leur influence, citons par exemple la puissance des
sources, leur stabilité en longueur d’onde, le bruit de phase et d’amplitude qui
constituent des paramètres primordiaux au niveau de la qualité et de la stabilité du
signal. La figure 3 présente les résultats de l’évolution de la largeur de raie du signal
3
généré par la photodiode en fonction de la largeur de raie des deux lasers supposés
identiques. Une largeur double de celle des sources est mesurée à droite et reportée en
ordonnée, les largeurs de raie des lasers varient entre 20 et 100 MHz, le signal en
réception présente une largeur de raie double typique d’un spectre de forme
Lorentzienne. Il est à noter que le fittage réalisé avant la mesure doit intervenir après
filtrage du signal mesuré sur l’analyseur de spectres RF afin de s’affranchir du bruit
d’amplitude du signal hyperfréquence. La mesure de la largeur de raie d’un laser
inconnu est ainsi réalisée de manière précise grâce à l’emploi d’un laser étalon dont on
connaît parfaitement les caractéristiques spectrales. Le choix de la fréquence du signal
généré, donc le décalage en longueur d’onde des deux sources doit être choisi de façon à
être détecté efficacement par la photodiode dans sa plage de détection.
Largeur de raie du signal hyper
en MHz
Mesure de largeur de raie de laser
250
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
largeur de raie FWHM des lasers en MHz
Figure 3 . A gauche : Spectre du signal RF obtenu en simulation autour de 10 GHz , à
droite évolution de la largeur de raie du signal hyperfréquence généré en fonction de la
largeur de raie des deux lasers supposés identiques.
4.
Mise en évidence du défaut de chirp des lasers DFB sous modulation
directe
Par extension au principe développé précédemment, la mise en évidence de la
déformation du spectre d’un laser DFB peut être effectuée efficacement dans le domaine
des radio-fréquences. Il est ainsi possible de contrôler les fluctuations de longueur
d’onde très faibles (chose impossible à assurer dans le domaine optique). Ces
4
100
120
fluctuations trouvent des origines très variées et sont regroupées de façon générale sous
le terme « chirp ». Les causes principales provoquant ces variations de fréquence sont
les effets thermiques, les effets de rétroaction optique et les effets de modulation directe.
Pour les diodes lasers, une variation de courant δI entraîne alors une variation de
fréquence optique δν (Toff). Ces variations de fréquence optique de la porteuse,
considérées comme des défauts, peuvent affecter le fonctionnement des systèmes
multiplexés en longueur d’onde DWDM. Ce phénomène engendre par ailleurs une
limitation du débit dans les transmissions rapides. L’expression du chirp ou excursion en
fréquence de l’onde laser δν est donnée par l’équation [1].
δν = -αH / (4.π) .( (dP/dt) / P + υ.P)
m = δI / (I0 – IS),
β = δν / fm,
αH = 2.β / m
[1]
[2],[3],[4]
Figure 4. Montage simulé permettant de mettre en évidence la déformation du spectre
laser dans le domaine des hyperfréquences.
P représente la puissance du laser, αH le facteur d’élargissement de raie de Henry,
υ une constante définissant les effets thermiques à basse fréquence de modulation. Soit
m l’indice de modulation en amplitude par rapport au courant laser, l’indice de
5
modulation de fréquence β est donné en fonction du chirp et de la fréquence de
modulation fm par les équations [2],[3],et [4].
Aux fréquences de modulation élevées (plusieurs dizaines de MHz), le spectre est
constitué de plusieurs raies dont le nombre et les amplitudes sont données par les
fonctions de Bessel de première espèce typiques des modulations de fréquence FM. Le
montage décrit en figure 4
Figure 5 . Spectres du laser en modulation directe par un signal sinusoïdal : Mise en
évidence du chirp pour deux puissance de modulation par les fonctions de Bessel.
Une onde laser étalon (polarisée en DC) très pure spectralement est mélangée par
couplage optique au laser à tester modulé en amplitude directement par un signal
sinusoïdal de fréquence fm =1GHz. Le signal résultant est détecté via la photodiode par
l’analyseur de spectres RF autour d’une fréquence résultante voisine de 10 GHz. Le
facteur αH du laser sous test est fixé à la valeur 5, valeur typique pour les lasers DFB
dédiés aux télécommunications. La figure 5 représente le spectre du signal RF détecté
par la photodiode pour deux valeurs d’amplitude du courant de modulation du laser sous
test, (m = 0.25 à gauche et m = 0.5 à droite). Nous regroupons dans le tableau suivant
6
les différents paramètres calculés dans les deux cas à partir des équations [3] et [4].
Nous observons comme prévu pour les deux cas un spectre constitué de raies espacées
de la valeur de la fréquence de modulation fm = 1 GHz. Le nombre de raies contenues
dans le spectre augmente en même temps que la valeur de l’indice de modulation de
fréquence β. La méthode de mesure ainsi développée permet de caractériser la
déformation du spectre optique d’un laser par transposition de fréquence dans le
domaine RF par modélisation par les fonctions de Bessel.
Indice
de
modulation
d’amplitude : m
Indice de modulation de
fréquence : β
Excursion de fréquence
pour fm = 1 GHz : δν GHz
m = 0.25
β = 0.625
δν = 0.625
m = 0.5
β = 1.25
δν = 1.25
5.
Conclusion
Les travaux présentés dans cet article permettent de mettre en évidence l’intérêt du
mélange de deux ondes optiques. Le mélange permet de transposer le spectre d’un laser
vers le domaine des radio-fréquences pour une mesure précise des propriétés spectrales
des sources ainsi que la stabilité en fréquence optique ou longueur d’onde. La
connaissance précise de ces paramètres est primordiale dans l’utilisation des émetteurs
dans les systèmes haut débit DWDM. Le mélange d’onde optique trouve aussi des
applications dans la mesure de bande passante de photorécepteur. Par balayage en
fréquence optique d’un des laser, le signal RF est ramené vers le domaine des microondes, par mesure de la puissance du signal électrique fourni par le photorécepteur, un
banc automatisé de mesure de bande passante de photodiodes rapides InGaAs a été
développé au sein du laboratoire (Latr).
Le mélange optique trouve aujourd’hui des applications dans le domaine de la
génération d’ondes GHz ou THz, domaine jusqu’ici inaccessible par les oscillateurs
électroniques. De nouvelles perspectives apparaissent au niveau de la génération de
fréquence porteuse supérieures à 60 GHz pour la distribution radio par fibre optique à
l’intérieur des bâtiments. Dans une plage de fréquence plus haute, les ondes Térahertz
possèdent des caractéristiques intéressantes en termes de perméabilité. L’imagerie THz
peut ainsi être envisagée dans des domaines variés, citons à titre d’exemple, la sécurité
des accès, la médecine, le domaine de la physique et de la chimie, l’astronomie,
l’archéologie ou les travaux publics. Ajoutons enfin que des domaines tels que les
7
radars pour l’aviation ou pour l’automobile (radar anticollision) sont concernés par ces
fréquences élevées.
La génération d’ondes THZ très stables en fréquence ne peut être obtenue qu’à partir
de laser bi-fréquences générant deux fréquences optiques à l’intérieur d’une même
structure. Ces structures sont aujourd’hui à l’étude avec un objectif de coût réduit
[Sydl], [Mush].
Bibliographie
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Demiguel Stéphane, Photodiodes rapides à adaptateur de mode intégré pour les liaisons
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de l’Université de Rouen, octobre 2001
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Toffano Zéno., Optoélectronique : Composants photoniques et fibres optiques, Paris, Editions
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