Diode laser DFB à spectre étroit avec une réponse de modulation unique
Les diodes laser à rétroaction distribuée (DFB) émettant sur les bords sont des sources laser de petite taille qui peuvent être produites en grandes quantités à un faible coût. Elles sont largement utilisées dans les systèmes de télécommunication et se sont avérées fiables pendant des années de fonctionnement continu.
Les diodes DFB présentent généralement des niveaux élevés d'émission spontanée, ce qui se traduit par un bruit de fréquence susceptible d'affecter négativement les performances de certaines applications. Les diodes DFB disponibles dans le commerce présentent rarement des largeurs de ligne inférieures à 500 kHz, ce qui est encore 1 à 3 ordres de grandeur au-dessus des exigences d'applications telles que la détection acoustique distribuée (DAS) ou la détection et la télémétrie par la lumière (LiDAR) basées sur des architectures de détection cohérentes. Pour surmonter ces limitations, les diodes électroluminescentes sont souvent couplées optiquement à des cavités externes ; cependant, cette approche augmente le niveau de complexité du laser et affecte la stabilité du mode d'émission. Cela finit par limiter l'amplitude de la modulation de fréquence en raison des sauts de mode.
Dans les diodes laser DFB standard, la dépendance de l'indice de réfraction du milieu de gain par rapport à sa densité de porteurs et à sa température est un facteur limitant pour maintenir une réponse de modulation de fréquence efficace jusqu'à des fréquences de modulation élevées. Cela limite la largeur de bande maximale de la boucle de verrouillage qui peut être obtenue lorsque le laser est verrouillé sur une référence de fréquence ou lorsque différents lasers sont verrouillés ensemble en phase. Cela limite également les gazouillis de fréquence linéaires et de grande amplitude à des taux de répétition rapides dans les architectures de système appliquant une modulation directe à l'électrode laser.
La résolution de la limitation de la réponse de modulation est alors bénéfique pour de nombreuses applications. Les boucles de verrouillage de fréquence et de phase sont utilisées dans les gyroscopes à fibre optique à résonance(RFOG)[1,2], l'informatique quantique photonique, la détection quantique, les horloges atomiques et la biodétection. Les formes d'ondes triangulaires et en dents de scie sont utilisées dans les applications de métrologie basées sur l'interférométrie, le LiDAR à ondes continues modulées en fréquence(FMCW) et la réflectométrie optique dans le domaine des fréquences (OFDR) pour la détection distribuée de la température, de la déformation ou de l'acoustique(DAS)[3]. L'amélioration de la réponse en fréquence du laser et de son niveau naturel de bruit de fréquence a un impact positif sur la résolution, la répétabilité et la portée des mesures.
indie, en partenariat avec un fabricant de produits III-V, a mis au point une diode laser DFB exclusive, centrée sur 1550 nm, qui fournit une puissance de sortie >150 mW et présente des améliorations significatives du spectre et de la réponse à la modulation par rapport aux lasers DFB standard. Basé sur une conception épitaxiale et longitudinale unique, ce laser monolithique de petite taille et rentable présente un spectre intrinsèquement étroit (﹤20 kHz typique) et une réponse de modulation plate jusqu'à une fréquence de modulation de >100 MHz (voir la figure 1 ci-dessous).
a) Densité spectrale de puissance du bruit de fréquence (PSDFN) de indie Diode laser DFB par rapport à un laser DFB standard.
b) Réponse à la modulation de fréquence de la diode laser DFB d'indie par rapport à un laser DFB standard (amplitude de la modulation de fréquence et dépendance de la réponse de phase par rapport à la fréquence de modulation). La réponse du laser indie est presque plate, jusqu'à des centaines de MHz, alors que la réponse du laser DFB standard chute autour d'une fréquence de modulation de 100 kHz.
Ces propriétés, combinées à la capacité de minimiser le retard de la boucle grâce à des approches d'intégration à faible facteur de forme, permettent un verrouillage de phase et de fréquence du laser impressionnant, comme le montrent les figures ci-dessous :
Image de gauche : exemple d'intégration compacte des DFB d'indieavec une puce photonique en silicium pour obtenir une source laser multifréquence à verrouillage de phase de haute performance pour l'application RFOG.
Image de droite : bruit de fréquence différentiel de deux lasers verrouillés sur les résonances dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre d'un RFOG. Les propriétés intrinsèques de largeur de ligne étroite et de réponse de modulation de fréquence plate du laser sont nécessaires pour atteindre ce niveau de performance inégalé au niveau du système.
Bien que la modulation de la fréquence d'une diode laser DFB par l'application de fluctuations de courant à l'électrode du laser représente une méthode de modulation simple et rentable, l'obtention de gazouillis de fréquence de grande amplitude qui sont hautement linéaires à des taux de répétition rapides reste un défi. Grâce à sa réponse de modulation de fréquence plate, le laser indie peut facilement être linéarisé jusqu'à des centaines de kHz de taux de répétition en utilisant une pré-distorsion du signal de commande. Le faible niveau de bruit de phase du laser est également préservé en cas de modulation. Cela permet de générer des formes d'onde de fréquence de haute qualité qui maximisent la plage de mesure, la résolution et la répétabilité.
Conclusion
indie a mis au point un laser DFB à semi-conducteur monolithique unique qui apporte deux améliorations majeures par rapport aux DFB existants : une largeur de bande intrinsèque inférieure à 20 kHz et une réponse de modulation de fréquence plate jusqu'à une fréquence de modulation de > 100 MHz. Cette innovation est motivée par la nécessité d'offrir une technologie laser de petite taille et rentable , capable de répondre aux exigences des systèmes, de réduire leur complexité et d'améliorer leur stabilité et leurs performances. Cette diode laser DFB propriétaire est intégrée dans le module laser clé en main LXM, qui présente une largeur de ligne de﹤0,1 kHz dans la configuration ultra-étroite (LXM-U).
En savoir plus
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Bibliographie
[1] Ayotte, S. et al, "Compact silicon photonics-based multi laser module for sensing," Proc. SPIE 10537, 1053717 (2018).
[2] Ayotte, S. et al, "Compact silicon photonics-based multi laser module for sensing," Proc. SPIE 10537, 1053717 (2018). [2] Ayotte, S. et al, " Compact silicon photonics-based laser modules for FM-CW LiDAR and RFOG ", Proc. SPIE 11284, 1128421 (2020).
[3] Cardin, V. et al. " Narrow-linewidth semiconductor laser with highly linear frequency modulation response for coherent sensing ", Proc. SPIE 12905, 129050F (2024).