Realisation et caractérisation d’un laser DFB bi-mode pour application radio sur fibre

On nous prévoit dans un futur proche le besoin d’avoir des communications sans fils courte portée et haut débit et ceci principalement pour des applications domestiques ou de bureau. Une habitation, un lieu de travail, une résidence hôtelière,… nécessitera le déploiement d’un réseau interne capable de transporter des données allant jusqu’au Gbit/s. Ces données correspondent soit à de nouveaux services, soit à l’augmentation de la capacité des services existants, tels que:
– La multiplication du nombre de terminaux connectés, tels que les ordinateurs, imprimantes, téléphones, serveurs multimédias, écrans haute définition, lecteurs DVD, etc.. enfin tout ce qui nécessite un flux de données extérieur,
– La multiplication des services accessibles aux utilisateurs tels que la sauvegarde à distance des données, la visioconférence, la vidéo à la demande, la téléphonie sur IP, le très haut débit mobile etc.…
– L’accroissement de la place mémoire nécessaire pour les services de vidéos haute résolution, photos numériques, etc…

Cette demande en débits élevés a d’ores et déjà atteint la limite des solutions câblées actuelles (ligne électrique, câbles coaxial) et la fibre optique a déjà supplanté ces supports de transmission. De plus, la fibre optique est vue comme le prolongement naturel des réseaux d’accès qui, eux-aussi deviennent progressivement optiques. En plus de ces exigences en termes de débit, le réseau domestique devra répondre aux exigences d’usage que les utilisateurs actuels ont déjà adoptées et qu’il faudra garantir à l’avenir, notamment en termes de mobilité. Actuellement le seul format radio qui permette de transporter des flux de données suffisamment importants (>1Gb/s) est le format radio Ultra Large Bande (ULB) [1]. De nombreuses variations à ces formats radio existent mais les caractéristiques générales sont la très large bande passante occupée par le signal d’une part et la courte portée utile d’autre part (<10 m). La norme 802.15.3c [2] vient de voir le jour, elle standardise un principe de communication dans la gamme de fréquence 59-66 GHz, allouant ainsi une bande passante spectrale de 7 GHz (libre de droit) pour les transmissions de données multigigabits. Le débit de transmission maximal est de l’ordre de 2 Gb/s avec une portée d’une dizaine de mètres. La conséquence principale est donc la nécessité d’avoir recours à plusieurs points d’accès radio pour assurer la couverture haut débit de toute la maison.

Ces techniques de transmission de signaux de communication sans fils sur fibre optique font partie de ce que l’on appelle les systèmes « radio sur fibre ». En fonction de la fréquence porteuse désirée et de l’application visée, ces techniques trouvent une multitude de déclinaisons. Le principal intérêt d’un système « radio sur fibre » dans ce contexte est donc l’unification du réseau d’antennes en un seul « macro-réseau » radio, le regroupement des éléments intelligents, la simplification de la conception des points d’accès (bornes antenne déportée) et finalement le fait que ces points d’accès soient transparents vis-à-vis des systèmes radio utilisés.

Les techniques radio sur fibre et les composants photoniques sont donc la clé technologique pour la conception des futurs réseaux d’accès sans fil à haut débit. La radio sur fibre offre de nombreux avantages: la fibre optique possède une faible atténuation (0,2dB/km à une longueur d’onde de 1500nm sur fibre silice par rapport aux 500dB/km du câble coaxial à 5GHz [3]), une bande passante théorique de plusieurs THz couplée à la possibilité de multiplexage en longueurs d’onde [4], une immunité aux interférences électromagnétiques, une facilité d’installation et de maintenance, une consommation de puissance faible, un gain de poids important en ce qui concerne les liaisons entre la passerelle et le point d’accès (0,07g/m à comparer au 50g/m du câble coaxial) ainsi qu’une flexibilité d’évolution et d’allocation dynamique grâce à un contrôle centralisé.

Mais tout ceci n’est peut-être que la partie émergée de l’iceberg et les applications de la radio sur fibre sont nombreuses. On peut citer les réseaux de (télé)communications mobiles haut débit bien sûr mais encore, les réseaux de distribution d’oscillateurs locaux et de signaux d’observation ou de radar intra- satellitaires, la distribution de signaux vidéo satellitaires, la communication automobile, les échanges de données informatiques, les systèmes de visualisation THz pour la sécurité, etc….. Nous voyons que le domaine fréquentiel couvert est très vaste puisque les fréquences mises en jeu vont de quelques GHz au domaine THz. Dans ce contexte, nous nous intéressons plus particulièrement, dans le travail présenté ci-après, à la manière de générer au sein des points d’accès la fréquence porteuse, micro-onde, millimétrique voire (sub)terahertz.

Généralités sur les lasers accordables

Le laser à base de matériaux semi-conducteurs a été inventé vers 1961. Ce type de laser, par sa structure a été le premier à âtre fabriqué en production de masse. Il a les particularités suivantes:
– Petite taille (300 µm x 10µm x 50µm ); il peut donc être incorporé très facilement à l’intérieur d’autres instruments.
– On peut le pomper directement par un courant électrique (< 50 mA à 2V); on peut donc l’intégrer facilement dans un dispositif (opto-) électronique.
– Il possède un bon rendement de conversion électrique/optique, de l’ordre de 20%.
– Il peut être modulé à de très hautes fréquences (>10GHz), ce qui permet d’assurer un haut débit de transmission pour les télécommunications par fibres optiques, par exemple.
– Il peut être intégré monolithiquement sur un même substrat avec d’autres dispositifs pour former des circuits optoélectroniques. Bien que très alléchante depuis longtemps, cette capacité d’intégration se heurte à de nombreux problèmes technologiques, liés notamment à la compatibilité des structures épitaxiales requises pour les différentes fonctions.
– Il peut être fabriqué par les techniques développées pour les circuits intégrés à semi-conducteurs.
– Il s’adapte très bien, notamment lorsqu’il est réalisé dans la filière matériau InP, aux propriétés de propagation des fibres optiques.

Du point de vue des télécommunications par fibres optiques, plusieurs considérations d’ordre pratique s’ajoutent aux caractéristiques qui viennent juste d’être mentionnées ci-dessus. Ce sont des exigences imposées pour tous les systèmes implantés à grande échelle. Dans le cas des lasers à semi-conducteurs, il s’agit des exigences suivantes:
– Opération continue à température ambiante.
– Durée de vie pouvant dépasser les 20 années avec dégradation minime et faible probabilité de panne.
– Courant de polarisation faible (sinon le coût d’opération devient trop élevé en raison de la consommation de puissance).

– Linéarité de l’émission optique avec le courant de polarisation. Cette exigence est relaxée dans le cas de la modulation numérique.
– Émission dont la divergence peut être adaptée, de manière monolithique (une partie de ce travail s’y reporte) ou hybride, de manière à fournir un bon couplage avec la fibre optique.
– Stabilité de l’émission lumineuse à court et à long terme (peu ou pas de fluctuations).
– Luminance élevée.
– Largeur spectrale étroite.

La structure des lasers à beaucoup évolué afin de répondre à certains problèmes apparus depuis les premières fabrications. Ces problèmes sont évidement liés à la performance recherchée et donc aux paramètres de conception de ces dispositifs.

Lasers accordables à cavité externe 

Les lasers accordables à cavité externe sont des lasers qui ne possèdent pas de miroirs au niveau du composant semi-conducteur. Le miroir est externe et prend, dans les versions les plus intégrées, la forme d’un MEMS. La méthode consiste à utiliser une barrette de composants émetteurs individuellement accordables (Figure 1-2). Chacun de ces lasers possède une longueur d’onde d’émission différente. La somme des gammes d’accord permet donc d’augmenter la plage d’accordabilité. La sélection grossière de la longueur d’onde émise s’effectue grâce à la rotation du MEMS qui effectue alors un aiguillage spatial des différents faisceaux émis. Le réglage fin est réalisé par un changement de température. On obtient alors une accordabilité continue sans sauts de modes, sur une gamme de 40nm voir 70nm avec pour unique paramètre de réglage l’angle d’incidence du miroir et une puissance couplée supérieure à 7dBm [33 à 35].

Une autre solution consiste à utiliser une cavité externe comprenant un étalon Fabry-Pérot dont les pics sont espacés de 50 GHz des uns par rapport aux autres (par exemple, si l’on désire réaliser une source pour systèmes DWDM) et limitée par un miroir à cristaux liquides contrôlé par tension. L’autre extrémité de la cavité est formée par un miroir non sélectif en longueur d’onde (Figure 1-3). Le maximum de réflectivité du miroir à cristaux liquides est réglé à la longueur d’onde souhaitée. Le courant injecté dans la section de phase permet donc de faire coïncider le mode de la cavité avec cette longueur d’onde. On peut ainsi obtenir une accordabilité continue voisine de 40nm avec une puissance de 20dBm [36].

Table des matières

Introduction
Chapitre 1
1- Génération de signaux radio-fréquences par voie optique
1.1 – Principe de base
1.2 – Techniques de génération
2 – Généralités sur les lasers accordables
2.1 – Lasers accordables à cavité externe
2.2 – Lasers accordables intégrés
2.2.1 – Les lasers émettant verticalement (VCSEL)
2.2.2 – Les lasers émettant par la tranche (DFB, DBR)
2.2.2.1 Longueur d’onde d’émission
2.2.2.2 Le laser à rétroaction distribuée (DFB)
2.2.2.3 Le laser à réflecteur de Bragg distribué (DBR)
2.2.2.4 Les lasers bi-modes accordables
3 – Solution développée
Bibliographie du Chapitre 1
Chapitre 2
1 – Introduction
2 – Dimensionnement du réseau
2.1 – Le pas du réseau
2.2 – Le coefficient de couplage k
3 – Fabrication des réseaux de Bragg
3.1 – Lithographie holographique (par interférences)
3.1.1 – Principe
3.1.2 – Fabrication
3.2 – Lithographie électronique
3.2.1 – Procédé utilisant un masque diélectrique
3.2.2 – Procédé utilisant un masque de résine électronique PMMA
3.2.3 – Procédé utilisant un masque de résine électronique de type HSQ
3.2.3.1 La résine Hydrogène SilsesQuioxane (HSQ)
3.2.3.2 – Gravure RIE des réseaux réalisés avec un masque de résine électronique HSQ
3.2.3.3 – Gravure ICP-RIE des réseaux réalisés avec un masque de résine électronique HSQ
4 – Conclusion
Bibliographie du Chapitre 2
Chapitre 3
1 – Introduction
2 – Les différentes structures de convertisseurs de mode
2.1 – Modification des dimensions latérales de la structure
2.2 – Modification des dimensions verticales de la structure
2.3 – Convertisseur de mode combiné
2.4 – Orientation de notre choix
3 – Optimisation du convertisseur de mode
3.1 – Convertisseur de mode de base
3.2 – Optimisation de la topologie du convertisseur de mode
3.2.1 – Optimisation des dimensions du convertisseur
3.2.2 – Optimisation du profil latéral du convertisseur de mode
4 – Modélisation de la zone de transition
4.1 – Laser DFB
4.1.1 – Section active: couche active composée de boites quantiques
InP P
4.1.2 – Section active: couche active composée de puits quantiques
4.1.3 – Section passive (convertisseur de mode)
4.1.4 – Résultats
4.2 – Laser DBR
4.2.1 – Section active: couche active composée de boites quantiques
4.2.2 – Section active: couche active composée de puits quantiques
4.2.3 – Section passive (convertisseur de mode)
4.2.4 – Résultats
5 – Face de sortie
6 – Conclusion
Bibliographie du Chapitre 3
Chapitre 4
1 – Structures épitaxiales
1.1 – Description de la structure à puits quantiques
1.2 – Description de la structure à boites quantiques
2 – Procédé technologique global
3 – Détail du procédé technologique
3.1 – Réalisation de l’aboutement « butt joint »
3.1.1 – Définition du caisson de reprise d’épitaxie
3.1.2 – Reprise d’épitaxie
3.2 – Réalisation des réseaux de Bragg
3.2.1 – Inscription des réseaux de Bragg
3.2.2 – Reprise sur réseaux
3.3 – Définition du ruban et de la tranchée profonde
3.4 – Séparation des électrodes
3.5 – Implantation de protons
3.6 – Planarisation de la surface
3.7 – Reprise des contacts
3.9 – Amincissement et contact face arrière
4 – Conclusion
Bibliographie du Chapitre 4
Chapitre 5
1 – Présentation générale des composants
2 – Puissance optique et caractéristique courant-tension
3 – Mesure du coefficient de couplage
4 – Accordabilité de l’écart intermodal
4.1 – Introduction
4.2 – Laser sans saut de phase
4.2.1 – à faible coefficient de couplage
4.2.2 – à coefficient de couplage moyen
4.2.3 – à fort coefficient de couplage
4.3 – Laser avec saut de phase
4.3.1 – à faible coefficient de couplage
4.3.1 – à coefficient de couplage moyen
4.3.1 – à fort coefficient de couplage
4.4 – Conclusion
5 – Mesure des largeurs de raie optique et électrique des
signaux générés
5.1 – Introduction
5.2 – La méthode self-hétérodyne
5.2.1 – Présentation de la méthode
5.2.2 – Interprétation du spectre de battement
5.2.3 – Montage expérimental
5.2.4 – Caractérisation
5.3 – Conclusion
6 – Caractérisation du convertisseur de mode
7 – Conclusion
Bibliographie du Chapitre 5
Bilan et perspectives
Bibliographie personnelle

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