Retards optiques variables à 1,55 µm par modification

Amplificateurs et Lasers à semi-conducteurs
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RETARDS OPTIQUES VARIABLES A 1,55 µM PAR MODIFICATION DE LA VITESSE
DE GROUPE DANS UN AMPLIFICATEUR OPTIQUE A BASE DE BATONNETS
QUANTIQUES INAS/INP
A. Martinez1, G. Aubin1, F. Lelarge2, R. Brenot2, J. Landreau2 and A. Ramdane1
1
CNRS Laboratory for Photonics and Nanostructures, Route de Nozay, 91460 Marcoussis
2
Alcatel-Thales III-V Lab, Route de Nozay, 91460 Marcoussis
[email protected]
RESUME
Nous démontrons pour la première fois des retards optiques variables à température
ambiante à 1.55 µm grâce à un amplificateur optique à semi-conducteur à base de
batônnets quantiques InAs/InP. La vitesse de groupe d’une onde optique modulée en
intensité par un signal hyperfréquence est contrôlée électriquement. La modification du
courant du composant a permis d’augmenter la vitesse de groupe et de réaliser des
retards optiques relatifs maximum de 136 ps à 250 MHz et de 55 ps à 2 GHz. Cette
variation d’indice de groupe est attribuée à l’efficacité du mélange 4 ondes et à
l’oscillation cohérente de population.
MOTS-CLEFS : ralentissement de la lumière, boîtes quantiques, amplificateur optique
à semiconducteur, mélange 4 ondes.
1. INTRODUCTION
La possibilité de contrôler la vitesse de groupe de la lumière trouve de nombreuses
applications telles que les mémoires optiques pour les télécommunications, ou le contrôle optique
de signaux hyperfréquences pour les antennes à phase variable pour la défense [1]. Les techniques
de ralentissement de la lumière reposent sur la modification de la dispersion du guide optique et/ou
de la dispersion du matériau [1]. Le contrôle de la dispersion du matériau par le changement du
spectre de gain ou d’absorption dans les matériaux à semiconducteurs s’avère très attractif pour la
réalisation de retards optiques variables à température ambiante avec une bande passante de
plusieurs GHz. L’utilisation du mélange 4 ondes (Four Wave Mixing, FWM) et de l’oscillation
cohérente de population (Cohérent Population Oscillation, CPO) ont récemment permis de réaliser
des retards variables de 160 ps avec une bande passante de 1 GHz dans des amplificateurs optiques
(Semiconductor Optical Amplifiers, SOAs) à base de puits quantiques (Quantum Wells, QW) à 1,3
µm [1]. Grâce au confinement tridimensionnel de porteurs de charges, les matériaux à base de
boîtes quantiques (BQs) présentent une densité d’états correspondant à une distribution de Dirac qui
leur confère des propriétés uniques par rapport aux QWs. C’est ainsi que la réduction de la vitesse
de groupe de 10 % avec une bande passante de 13 GHz a été récemment démontrée dans un SOA à
base de BQs InAs/GaAs à 1,3 µm grâce à la CPO [2]. Plus récemment, une variation de phase de
25° a été démontrée à 1 GHz grâce à un amplificateur à base de BQs à 1.52 µm [3]. Le système de
matériau à base de batônnets quantiques InAs/InP ou QDashes, présente des propriétés très
intéressantes comme un fort gain modal et une efficacité de mélange 4 ondes exaltée, permettant
notamment la génération d’impulsions subpicoseconde grâce à des lasers autopulsants [4]. Nous
rapportons ici pour la première fois la génération de retards optiques variables à température
ambiante grâce à un SOA à base de QDashes fonctionnant à 1,55 µm.
2. PROPRIETES LINEAIRES ET NON LINEAIRES DU SOA A BASE DE QDASHES
La structure est obtenue par croissance par épitaxie par jets moléculaires sur substrat InP
(100). La couche active comporte 6 plans de QDashes optimisée présentant un gain modal de ~ 45
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cm-1. Des guides d’ondes monomodes enterrés sont fabriqués à partir de cette structure. Ces guides
sont désalignés de 7° par rapport à l’axe [110] et les facettes des SOA sont traitées anti-reflets pour
diminuer les réflexions à moins de 10-4. Le composant testé mesure 2 mm et le pic d’émission
spontanée amplifié se situe à 1550 nm. La figure 1 représente le gain fibre-à-fibre du SOA (pour
une onde polarisée TE) en fonction de la puissance couplée dans la fibre en sortie du SOA. Un gain
linéaire maximal fibre-à-fibre de 16 dB est obtenu pour un courant de 240 mA.
Fig.1. Gain fibre à fibre à 1,55 µm en function de la
puissance de sortie couplée dans la fibre optique
pour différents courant de polarisation.
Fig.2. Efficacité de conversion du conjugué et du
signal issus du mélange 4 ondes en fonction du
désaccord spectral pompe-sonde à 240 mA. L’insert
montre un spectre typique mesuré à l’OSA.
Nous avons ensuite mesuré l’efficacité du mélange 4 ondes. Une diode laser à cavité externe
accordable est utilisée comme sonde. Deux contrôleurs de polarisation permettent d’ajuster
indépendamment la polarisation de la pompe et de la sonde selon TE pour maximiser l’interaction
non linéaire. Un coupleur directionnel 50/50 permet d’injecter la pompe et la sonde dans le SOA,
tandis que le second port d’entrée permet de mesurer les puissances injectées. L’efficacité de
conversion du mélange 4 ondes est déterminée par le rapport de la puissance du signal FWM en
sortie du SOA divisée par la puissance de sonde couplée en entrée du SOA (connaissant les pertes
de couplage), i.e. KFWM = Pout FWM/ Pin sonde. On définit également pour le signal conjugué
cFWM:KcFWM = Pout cFWM/ Pin sonde. Les puissances optiques sont mesurées grâce à un analyseur de
spectre optique (OSA) de résolution 10 pm, sachant que Pin pompe = - 8.5 dBm, Pin sonde = - 18.5 dBm
et que le courant vaut 240 mA. Les deux efficacités de conversion diminuent avec le désaccord
spectral en raison de la condition d’accord de phase du mélange 4 ondes. Les pentes sont de l’ordre
de ~ -13 dB/decade, traduisant une décroissance réduite par rapport aux SOA à base de QWs où
cette valeur vaut typiquement – 20 dB/dec.KcFWM et KFWM sont comparables aux valeurs publiées
par un autre groupe alors que dans notre cas, les puissances injectées sont plus faibles d’environ 8
dB [5]. Ces résultats mettent en valeur les effets non linéaires exaltés de la structure optimisée à
base de QDashes.
3. RETARDS OPTIQUES CONTROLABLES ELECTRIQUEMENT
Les retards optiques sont mesurés par deux méthodes. La première repose sur l’analyse des
traces temporelles à l’oscilloscope. Un laser monofréquence modulé en intensité, grâce à un
modulateur externe en LiNbO3, correspond à la pompe et les deux bandes latérales de modulation
jouent le rôle de sondes. Le signal en sortie du SOA est amplifié par un EDFA et un atténuateur fixe
permet d’éviter la saturation d’une photodiode rapide, pouvant créer un retard optique indésirable.
Un filtre passe bande élimine la distortion potentielle aux fréquences étudiées (fm =250 MHz, 1 et 2
GHz). La puissance optique moyenne est de – 17 dBm, inférieure à la puissance de saturation en
entrée du SOA.
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Fig.3. Traces temporelles mesurées à l’oscilloscope
d’un signal sinusoïdal à 2 GHz quand le courant
varie de 190 à 240 mA.
Fig.4. Variation de la phase mesurée en fonction de
la fréquence avec un analyseur de réseau pour une
variation de courant de 200 à 230 mA.
Pour une fréquence fm = 2 GHz, quand le courant augmente de 190 mA à 240 mA, le signal
sinusoïdal se déplace à gauche de la trace temporelle initiale: un retard optique négatif est obtenu,
donc une augmentation de la vitesse de groupe est mise en évidence (Fig.3). Ce comportement est
cohérent avec les travaux rapportés dans les SOAs à base de QWs. Ce phénomène s’explique par
l’oscillation cohérente de population entre la pompe à f0 et chaque bande latérale de modulation,
ainsi que le mélange 4 ondes, qui créent un réseau de porteurs oscillant à la fréquence de
modulation fm. Ce dernier induit un réseau d’indice de réfraction et un réseau de gain modifiant la
relation de dispersion des bandes latérales de modulation. Les retards relatifs maximaux valent ~
136 ps et ~ 55 ps respectivement à 250 MHz et 2 GHz. Ces mesures sont confirmées par la méthode
dite de « phase shift experiment » consistant à comparer à l’aide d’un analyseur de réseau la phase
d’un signal radiofréquence en entrée (modulant la porteuse optique) avec la phase du même signal
après passage dans le SOA (Fig. 4). L’intervalle de fréquence étudié couvre la bande de 300 kHz à
3 GHz. La puissance optique moyenne est identique à celle utilisée dans la première méthode (~ –
17 dBm). Lorsque le courant du SOA varie de 200 à 230 mA, le déphasage relatif mesuré vaut ~
45° à 2 GHz, ce qui donne un retard relatif 't ~ 62 ps sachant que 't = ('I/360)(1/fm). Un retard de
~ 144 ps est également déduit à 250 MHz. Ces valeurs sont en accord avec celles déterminées par la
première méthode. Les retards mesurés étant comparables à ceux obtenus avec les SOA à base de
QWs, les SOA à base de QDashes présentent un comportement analogue aux matériaux à base de
QWs.
CONCLUSION
Nous rapportons pour la première fois des expériences de contrôle de la vitesse de groupe
dans un amplificateur optique à base de batônnets quantiques InAs/InP fonctionnant à 1,55 µm. Des
retards optiques relatifs de ~ 136 ps et ~ 55 ps ont été obtenus respectivement à 250 MHz et 2 GHz.
Ces mesures indiquent un comportement analogue à celui observé dans les SOAs à base de QWs.
Ces retards s’expliquent par des effets non linéaires tels que le mélange 4 ondes et l’oscillation
cohérente de population.
RÉFÉRENCES
[1] C. J. Chang-Hasnain and S.L. Chuang, J. Lightw. Technol. 24, 4642 (2006)
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[3] A. Matsudaira, D. Lee, P. Kondratko, D. Nielsen, S. L. Chuang, N. J. Kim, J. M. Oh, S. H. Pyun, W. G.
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and F. Lelarge, Appl. Phys. Lett., 88, 241105, 2006
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