LASER A SEMI-CONDUCTEUR A ADRESSAGE OPTIQUE DE LA

LASER A SEMI-CONDUCTEUR A ADRESSAGE OPTIQUE DE LA LONGUEUR D’ONDE
Nicolas Dubreuil, Gilles Pauliat, Gérald Roosen
Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique, du Centre National de la Recherche Scientifique et
de l’Université Paris Sud, Centre Scientifique, Bât. 503, 91405 Orsay Cedex, France.
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RESUME
Nous avons proposé et étudié une source à diode laser accordable dont la longueur d’onde
de fonctionnement est fixée par l’injection optique temporaire d’un faisceau issu d’un
laser maître. La source présente la particularité de disposer dans sa cavité d’un milieu
holographique dynamique de type photoréfractif qui lui permet, après arrêt de l’injection,
de conserver un fonctionnement à la longueur d’onde préalablement imposée par le laser
maître. En utilisant un laser maître accordable en longueur d’onde, nous avons réalisé
l’adressage optique de la longueur d’onde d’une telle source suivant un peigne quasi
périodique.
MOTS-CLEFS : laser à semi-conducteur, laser accordable, injection optique, holographie.
1. INTRODUCTION
Le domaine des lasers accordables pour les télécommunications optiques a connu récemment de
nombreux développements. Ils permettent aux réseaux de communication optique de type WDM
d’être plus flexibles et potentiellement reconfigurables. Les techniques les plus répandues consistent à
disposer dans un laser à semi-conducteur d’une section à réseaux de Bragg (diode laser de type DBR)
où à réseau de Bragg échantillonné (diode laser de type SGDBR) [1]. Une des variantes consiste à
disposer d’une source à diode laser de type cavité étendue où le réseau de Bragg est inscrit dans une
fibre optique [2].
Nous avons abordé cette problématique d’un point de vue différent, en se basant sur notre
expérience des lasers à semi-conducteur montés en cavité étendue dans laquelle est inséré un milieu
holographique dynamique [3]. Ils sont constitués d’une diode laser dont la face de sortie dispose d’un
traitement anti-reflet, la cavité étant formée par la face arrière de la diode et d’un miroir distant. Nous
avons montré que l’insertion dans ce type de cavité d’un cristal photoréfractif, qui joue le rôle d’un
milieu holographique dynamique, permet de forcer le laser à osciller en régime monomode. La
sélection des modes suit un processus d’auto-organisation qui tend vers un état final monomode stable.
Il ne persiste alors dans le cristal photoréfractif qu’un unique réseau de Bragg adapté à la longueur
d’onde de fonctionnement du laser. En revanche, le processus ne permet pas de prédire a priori la
longueur d’onde de fonctionnement.
C’est en cherchant à fixer cette longueur d’onde que nous avons étudié le fonctionnement de ce
type de laser en régime d’injection optique. Nous avons montré que la présence d’un tel milieu
holographique dans la cavité permet au laser, après arrêt de l’injection, de conserver la longueur
d’onde de fonctionnement imposée au préalable par un laser ‘‘maître’’. Nous présentons la
démonstration de ce principe sur un laser à semi-conducteur monté en cavité étendue fonctionnant
autour de 1580 nm. Auparavant, nous décrivons les propriétés de ce laser isolé de toute perturbation
extérieure. Enfin, nous illustrons les potentialités offertes par ce type de configuration dans le domaine
des systèmes de communication WDM.
2. DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT DU LASER ESCLAVE
Le laser esclave qui est utilisé dans le banc d’injection optique décrit dans la figure 1 est
constitué d’une diode laser limitée par diffraction, fonctionnant autour de 1580 nm. Sa face de sortie
est traitée anti-reflet. Le faisceau issu de la diode est collimaté à l’aide d’une lentille asphérique de
courte focale puis réfléchi dans la diode par l’intermédiaire d’un miroir de 50 % de réflectivité, distant

de 20 mm. Il est bien connu que ce type de géométrie ne permet pas un fonctionnement monomode du
laser. En revanche, l’insertion entre la lentille de collimation et le miroir distant, d’un cristal
photoréfractif de CdTe de 4,5 mm d’épaisseur suffit à forcer le laser à osciller en régime monomode
sur toute sa plage de fonctionnement. Ce cristal, dont les faces sont traitées anti-reflet afin de
minimiser les effets de cavités parasites et les pertes d’insertion, a été fabriqué par la société Imarad
Imaging Systems Ldt (Israël). La structure d’ondes stationnaires associées à chacun des modes
longitudinaux enregistre dans le cristal un hologramme d’indice. Il peut être vu comme une
superposition de réseaux de Bragg : chaque réseau est enregistré par un mode particulier. L’inscription
d’un réseau d’indice fait suite à un déplacement de charges électriques disponibles dans le cristal. Le
nombre de charges étant fixe, il s’en suit un phénomène d’effacement et de renforcement des réseaux
entre eux. Ce processus d’auto-organisation, couplé aux phénomènes de compétitions qui ont lieu dans
le milieu à gain, conduit, sous certaines conditions, à l’oscillation du laser en régime monomode. Le
réseau de Bragg présent dans le cristal force le laser à fonctionner en régime monomode stable en
induisant suffisamment de pertes sur les autres modes.
Fig. 1. Schéma du banc d’injection optique utilisé. Fig. 2. Spectre optique du laser esclave isolé.
Le spectre typique d’un tel laser mesuré à l’aide d’un analyseur de spectre optique est présenté
dans la figure 2. Il est composé d’un pic principal autour de 1584 nm, avec un taux de suppression des
modes latéraux supérieur à 40 dB. La mesure du spectre à l’aide d’un interféromètre à balayage de
type Fabry-Perot confocal, démontre un fonctionnement du laser en régime monomode sur toute sa
plage de fonctionnement. Le courant opérationnel de la diode est égal à 120 mA, pour lequel la
puissance de sortie est égale à 7 dBm. Bien que la position en longueur d’onde du mode varie d’un
point de fonctionnement à l’autre, la qualité spectrale et la puissance optique délivrés par le laser
correspondent aux exigences minimales pour une utilisation dans des systèmes de communication
optique.
3. FONCTIONNEMENT DU LASER ESCLAVE EN REGIME D’INJECTION : RESULTATS
EXPERIEMENTAUX PRELIMINAIRES
Le laser esclave présenté ci-dessus est dorénavant soumis à l’injection dans sa cavité d’une
partie du faisceau issu d’un laser maître (voir schéma de la figure 1). Sous certaines conditions, liées à
la puissance du faisceau injecté et à son désaccord en fréquence avec un mode du laser, le laser maître
réussi à imposer son fonctionnement au laser esclave. Ce dernier oscille alors à une longueur d’onde
proche, voire identique, à celle du laser maître. Sans cristal photoréfractif, ce verrouillage de mode ne
dure que le temps de l’injection, le laser esclave retrouvant son fonctionnement propre une fois l’arrêt
de l’injection. Dans le cas où le laser esclave intègre un cristal photoréfractif, on s’attend à un
comportement différent. Au cours de la phase d’injection, le réseau de Bragg qui s’inscrit dans le
cristal est adapté au mode qui est verrouillé en phase avec le mode du laser maître. Dès que le laser
maître est éteint, et en respectant des conditions de puissance, le réseau présent dans le cristal est
conservé et continue à imposer au laser esclave un fonctionnement autour de la longueur d’onde
précédemment fixée par le laser maître. La longueur d’onde imposée au cours de la phase d’injection
est en quelque sorte mémorisée dans le milieu holgraphique et permet donc un adressage tout optique
de la longueur d’onde du laser esclave.
Le laser maître utilisé dans le montage de la figure 1 est une source à diode laser (Tunics)
accordable continûment de 1480 à 1600 nm. Un atténuateur variable et un contrôleur de polarisation

placés en sortie de la source permettent de fixer le niveau de puissance et l’état de polarisation du
faisceau injecté dans le laser esclave. L’injection se fait par l’intermédiaire d’un circulateur optique.
La puissance injectée dans le laser esclave est ajustée autour de 100 µW. Lorsqu’il est isolé du laser
maître, le laser esclave oscille autour de 1584,67 nm (voir le spectre de la figure 2). Le laser maître
est allumé et sa longueur d’onde est finement ajustée jusqu’à observer le phénomène de verrouillage
de mode. La longueur d’onde de fonctionnement du laser esclave est alors imposée par le laser maître.
Ce dernier est alors éteint et le spectre du laser esclave enregistré à l’aide de l’analyseur de spectre
optique. Cette opération est renouvelée plusieurs fois pour diverses longueurs d’onde de
fonctionnement du laser maître, tout en appliquant au laser esclave le même courant d’injection. Il est
à noter qu’à chaque phase d’injection, le réseau initialement présent dans le cristal s’efface
automatiquement pour laisser place à un nouveau réseau adapté à la nouvelle longueur de
fonctionnement du laser. Afin d’illustrer les potentialités de cette technique dans le domaine des
télécommunications optiques, le laser maître a été successivement accordé sur une grille quasi-
périodique de pas égal à 0,4 nm. La superposition de l’ensemble des spectres obtenus en sortie du laser
esclave après injection temporaire du faisceau issu du laser maître, est présentée sur la figure 3. Les
carrés correspondent à la mesure de l’écart en longueurs d’onde de deux longueurs d’onde adjacentes.
On constate que la périodicité de la grille ainsi programmée est perfectible. Néanmoins, nous avons
réussi à accorder le laser esclave sur plus de 27 longueurs d’onde différentes et ce par adressage
optique. Le taux de suppression reste meilleur que 40 dB.
Fig. 3. Superposition des spectres du laser esclave obtenus après plusieurs injections temporaires du
faisceau issu du laser maître accordable.
CONCLUSION
Nous avons réalisé une source à diode laser dont la longueur d’onde est fixée grâce à l’injection
temporaire d’un faisceau issu d’un laser maître accordable. Le réseau de Bragg qui s’enregistre au
cours de la phase d’injection dans le cristal photoréfractif présent dans la source, lui permet de
conserver un fonctionnement à la longueur d’onde imposée préalablement par le laser maître. L’intérêt
d’une telle technique est à considérer dans la configuration où un seul laser maître accordable
commande en longueur d’onde le fonctionnement de plusieurs lasers esclave, ces lasers pouvant être
distants du laser maître [4].
Nous tenons à remercier Aurélien Bergonzo et Joël Jacquet pour leurs aides techniques et leur
soutien.
RÉFÉRENCES
[1] L.A Coldren, Monolithic tunable diode lasers, IEEE J. Selected Topics in Quantum Electrnics,
Vol. 6 (2000) 988-999.
[2] A. Bergonzo et al., Widely Vernier tunable external cavity laser including a sampled Bragg
grating with digital wavelength selection, IEEE Photon. Techno. Lett., 15 (2003) 1144-1146.
[3] S. Maerten et al., Laser diode made single-mode by a self-adaptive photorefractive filter, Opt.
Comm. 208 (2002) 183-189.
[4] D. J. Shin et al., Hybrid WDM/TDM-PON for 128 subscribers using
λ -selection-free transmitters,
OFC’04, PDP4 (2004).