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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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Guang-Hua DUAN : Ingénieur de recherche à III-V Lab
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Hélène DEBRÉGEAS : Ingénieur de recherche à III-V Lab
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Romain BRENOT : Ingénieur de recherche à III-V Lab - III-V 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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7. Conclusion et perspectives
Les technologies de réalisation de lasers à semi-conducteurs ont atteint un très haut niveau de maturité technologique. Cela permet aujourd'hui de développer des systèmes de transmission optique performants pour les réseaux de télécommunication. Les développements de lasers à semi-conducteurs pour les applications en télécommunication vont suivre plusieurs directions. Premièrement, le développement des nouveaux matériaux tels que les boîtes quantiques devra se poursuivre dans le but d'obtenir des lasers plus performants en ce qui concerne la tenue en température, la bande passante de modulation et le chirp. Deuxièmement, de nouvelles structures de lasers à semi-conducteurs vont être étudiées afin d'étendre l'accordabilité en longueur d'onde et de les rendre plus simples à contrôler.
L'intégration des lasers dans des PIC de plus en plus denses est également un axe majeur du futur développement. Les PIC vont permettre de réduire drastiquement les coûts et la consommation électrique, ouvrant la voie vers de nouvelles architectures de réseaux. Ils sont également nécessaires à la réalisation de circuits photoniques pour les nouveaux formats de modulations complexes, aussi bien en émission qu'en réception, afin de transmettre sur des canaux rapprochés en longueur d'onde, et sur de très longues distances.
Par ailleurs, les débits de modulation augmentent sans arrêt, et s'appuient désormais sur une intégration de plus en plus forte entre l'électronique de contrôle ultrarapide et le composant optoélectronique. Une évolution à plus long terme serait par exemple l'intégration conjointe de la photonique et de l'électronique sur le même substrat silicium ou par une technique d'intégration en 3D, afin de réaliser des fonctions à la fois photoniques (émission, modulation, détection de la lumière) et électroniques (circuits de modulation et de détection, etc.), ce qui permettrait l'utilisation de la technologie industrielle de masse du silicium.
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BIBLIOGRAPHIE
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