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Article

1 - MATÉRIAUX SEMI-CONDUCTEURS POUR LES SOURCES LASERS DE TÉLÉCOMMUNICATIONS

2 - AMPLIFICATEURS OPTIQUES À SEMI-CONDUCTEURS ET LASERS FABRY-PEROT

  • 2.1 - Présentation générale des SOA
  • 2.2 - Catégories de SOA
  • 2.3 - SOA en régime linéaire
  • 2.4 - SOA en régime non linéaire
  • 2.5 - Lasers Fabry-Perot

3 - SOURCES MONOMODES

  • 3.1 - Lasers à réseau de Bragg distribué (DFB)
  • 3.2 - Modulation directe
  • 3.3 - Laser intégré avec un modulateur externe

4 - LASERS ACCORDABLES

  • 4.1 - Lasers sélectionnables
  • 4.2 - Lasers à base de réseaux de Bragg
  • 4.3 - Lasers à cavité externe
  • 4.4 - Lasers en anneau
  • 4.5 - VCSEL

5 - LASERS IMPULSIONNELS

6 - LASERS POUR LES CIRCUITS PHOTONIQUES INTÉGRÉS

  • 6.1 - PIC monolithique sur InP
  • 6.2 - PIC sur silicium

7 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

8 - GLOSSAIRE – DÉFINITIONS

Article de référence | Réf : E7005 v1

Amplificateurs optiques à semi-conducteurs et lasers Fabry-Perot
Lasers et amplificateurs optiques à semi-conducteurs pour télécommunications optiques

Auteur(s) : Guang-Hua DUAN, Hélène DEBRÉGEAS, Romain BRENOT

Date de publication : 10 juil. 2015

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RÉSUMÉ

Cet article a pour objectif de présenter les lasers et les amplificateurs optiques à semi-conducteurs pour les applications en télécommunications optiques. Il décrit les matériaux, les structures et les caractéristiques principales de ce type de lasers/amplificateurs. Il passe en revue les lasers à contre-réaction distribuée, les lasers accordables, les lasers impulsionnels et les circuits photoniques intégrant des lasers. Enfin il se conclut par les perspectives de développement de ce type de lasers à semi-conducteurs dans les années à venir.

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ABSTRACT

Semiconductor lasers and optical amplifiers for optical communication

The purpose of this article is to present semiconductor lasers and optical amplifiers for communication applications. It describes the materials, structures and basic characteristics of this type of laser/amplifier. It then reviews distributed feedback lasers, tunable lasers, pulse lasers and the photonic circuits integrating semiconductor lasers. It concludes by indicating future directions for the development of this type of semiconductor laser in the coming years.

Auteur(s)

  • Guang-Hua DUAN : Ingénieur de recherche à - Lab

  • Hélène DEBRÉGEAS : Ingénieur de recherche à - Lab

  • Romain BRENOT : Ingénieur de recherche à - Lab - - Lab – Laboratoire conjoint entre « Alcatel Lucent Bell Labs », « Thales Research and Technology » et « CEA LETI » Palaiseau, France

INTRODUCTION

Les lasers à semi-conducteurs sont caractérisés par un faible volume, une utilisation facile, un fort rendement énergétique et un coût de production faible. Forts de ces avantages, ces lasers prennent une place exclusive en télécommunications optiques.

Les amplificateurs optiques à semi-conducteurs constituent la brique de base essentielle d'un laser à semi-conducteurs et, en même temps, remplissent des fonctions telles que l'amplification optique ou la conversion en longueur d'onde.

La plupart des systèmes de transmission optique dans une fibre nécessitent des lasers émettant une seule longueur d'onde, appelés lasers monomodes. Les lasers sont souvent utilisés en modulation directe pour coder l'information à transmettre. Les lasers à contre-réaction distribuée (DFB pour « Distributed Feedback Laser ») sont alors développés pour ce type d'application.

La plupart des réseaux à longue distance ou métropolitains utilisent le multiplexage dense en longueur d'onde (Wavelength Division Multiplexing : WDM). Pour ces applications, des lasers accordables en longueur d'onde ont été développés. Ce sont des lasers monomodes, dont la longueur d'onde est ajustable précisément, sur toute la bande C (1,53 à 1,565 μm) par exemple. Cela facilite beaucoup la gestion des stocks puisqu'il n'est plus nécessaire de disposer d'un laser de rechange par longueur d'onde. Ils sont également un élément clé des multiplexeurs à insertion-extraction accordables (Reconfigurable Optical Add and Drop Multiplexers : ROADM), qui effectuent le routage du trafic et son éventuelle conversion en longueur d'onde.

Le besoin croissant d'augmenter les fonctionnalités des composants, conjugué à une maturité de la technologie sur semi-conducteurs III-V et silicium, conduit aujourd'hui au développement rapide des circuits photoniques intégrés (Photonic Integrated Circuits : PIC). Il s'agit d'intégrer, sur le même substrat semi-conducteur, plusieurs éléments pour réaliser des fonctions complexes. Il existe actuellement deux techniques développées parallèlement pour la fabrication des PIC intégrant des fonctions actives (émission, modulation et détection) : l'intégration monolithique sur InP et l'intégration hybride III-V sur silicium.

Cet article a pour objectif de présenter les lasers et les amplificateurs optiques à semi-conducteurs pour les applications en télécommunications optiques. Il décrit les matériaux, les structures et les caractéristiques principales de ce type de lasers. Puis il passe en revue les lasers à contre-réaction distribuée (DFB pour « Distributed Feedback Laser »), les lasers accordables, les lasers impulsionnels et les circuits photoniques intégrant des lasers. Enfin, cet article se conclut par les perspectives de développement de ce type de lasers à semi-conducteurs dans les années à venir.

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KEYWORDS

semiconductor lasers   |   semiconductor optical amplifiers

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e7005


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2. Amplificateurs optiques à semi-conducteurs et lasers Fabry-Perot

Les amplificateurs optiques à semi-conducteurs, ou SOA (Semiconductor Optical Amplifier  ), sont constitués d'un guide actif délimité par deux facettes antiréfléchissantes. Leur rôle est d'amplifier par émission stimulée les photons injectés par une facette, puis de les collecter par l'autre facette.

La principale difficulté de réalisation consiste à réduire autant que possible les réflexions pour que les photons amplifiés n'effectuent qu'un seul passage, au moins pour la grande majorité d'entre eux.

Pour ce faire, des couches minces sont déposées sur les facettes afin d'obtenir des coefficients de réflexion en puissance inférieurs à 0,1 %. Le guide est en général non perpendiculaire à la facette de sortie pour réduire davantage les réflexions. Enfin, des adaptateurs de modes appelés tapers sont introduits aux extrémités du SOA afin d'améliorer le couplage du mode optique à une fibre standard. Ces tapers permettent aussi de réduire les réflexions aux facettes en augmentant la taille du mode, ce qui diminue la probabilité pour un photon réfléchi d'être couplé au mode .

2.1 Présentation générale des SOA

Un signal optique dont les photons ont une énergie proche de celle de bande interdite du matériau actif du SOA est injecté à une extrémité du guide (figure 3). Un courant électrique appliqué dans la zone active du SOA permet de contrôler la densité de porteurs électriques, le signal optique qui se propage est ainsi amplifié par émission stimulée. Il est ensuite couplé dans une fibre à l'autre extrémité du SOA. Ces composants peuvent amplifier un signal optique avec un gain de typiquement 20 à 30 dB en un simple passage, pour des signaux incidents dans une bande spectrale de 30 à 80 nm.

Un phénomène essentiel dans un SOA est la présence d'émission spontanée amplifiée (Amplified Spontaneous...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - AGRAWAL (G.P.), DUTTA (N.) -   Semiconductor lasers.  -  Kluwer Academic Publishers, 2e édition (2001).

  • (2) - LIU (J.), SUN (X.), CAMACHO-AGUILERA (R.), KIMERLING (L.), MICHEL (J.) -   A Ge-on-Si laser operating at room temperature.  -  Optics Lett., 35, p. 679-681 (2010).

  • (3) - BIMBERG (D.), GRUNDMANN (M.), LEDENTSOV (N.N.) -   Quantum-Dot heterostructures.  -  John Wiley and Sons (1999).

  • (4) - LELARGE (F.) et al -   Recent advances on InAs/InP quantum dash based semiconductor lasers and optical amplifiers operating at 1,55 μm.  -  Invited paper, Journal of Selected Topics on Quantum Electronics, 13, p. 111-127 (2007).

  • (5) - DE VALICOURT (G.) et al -   Experimental and theoretical investigation of mode size effects on tilted facet reflectivity.  -  IET Optoelectronics, 5, p. 175-180 (2011).

  • (6) - CONNELLY...

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