Comment notre diodes laser DFB 1550nm améliore-t-elle les performances et les coûts système?
Le 29 juil. 2024
Catégorie : Détection Optique & Communication Optique
Diode laser DFB à largeur de spectre étroit et réponse de modulation en fréquence unique
Les diodes laser à rétroaction distribuée (DFB) avec émission périphérique sont des sources laser de petite taille qui peuvent être produites en grandes quantités à un faible coût. Elles sont largement déployées dans les systèmes de télécommunication et ont prouvées leur fiabilité sur 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 commercialement présentent rarement des largeurs de spectre 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 / C-OTDR) 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 standards, la dépendance de l'indice de réfraction du milieu de gain par rapport à sa densité de porteurs de charge et à sa température est un facteur limitant pour maintenir une réponse de modulation de fréquence efficace jusqu'à des valeurs 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 la modulation de fréquence linéaire et de grande amplitude lorsqu’utilisé à des taux de répétition rapides dans les architectures de système appliquant une modulation directe sur l'électrode laser.
Surmonter la limitation de la réponse de modulation est donc bénéfique pour de nombreuses applications. Les boucles de verrouillage de fréquence et de phase sont utilisées dans les gyroscopes à résonance à fibre optique (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 la détection acoustique (DAS) dans le domaine des fréquences (également appelée OFDR) [3]. L'amélioration de la réponse en fréquence du laser et de son niveau natif de bruit de fréquence a un impact positif sur la résolution, la répétabilité et la portée des mesures.
Teraxion, en partenariat avec une usine de fabrication de semiconducteurs III-V, a développé son propre design de diode laser DFB, centré à 1550 nm, lequel offre plus de 150 mW de puissance et des améliorations significatives sur la largeur de spectre et la réponse de modulation en fréquence, relativement à des diodes laser DFB standards. Basé sur un design épitaxial et longitudinal unique, ce laser monolitique compact et de bon rapport coût-efficacité s’illustre avec un spectre intrinsèquement étroit et une réponse de modulation plate jusqu’à > 100 MHz de modulation en fréquence (voir figure 1 ci-bas).
Figure 1 : Propriétés intrinsèques de la diode laser DFB de TeraXion : spectre étroit et réponse de modulation plate.
a) Densité spectrale de puissance du bruit de fréquence (PSDFN) de la diode laser DFB de TeraXion par rapport à un laser DFB standard.
b) Réponse à la modulation de fréquence de la diode laser DFB TeraXion 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 TeraXion ne change que minimalement, 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 d’asservissement grâce à des approches d'intégration très compacts, permettent un verrouillage de phase et de fréquence du laser impressionnant, comme le montrent les figures ci-dessous :
Figure 2 : Bruit de fréquence différentiel du laser TeraXion dans une configuration RFOG
Gauche : Exemple d'intégration compacte de DFB TeraXion (flèches rouges) avec une puce photonique en silicium (SiP, flèche bleue) pour obtenir une source laser multifréquence à verrouillage de phase de haute performance pour les applications RFOG.
À 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 spectre étroit et de réponse de modulation de fréquence plate du laser sont nécessaires pour atteindre ce niveau de performance inégalé au niveau du système.
Figure 3 : PSDFN d'un laser DFB TeraXion verrouillé sur un discriminateur de fréquence (produit LXM-U présentant une largeur de ligne typique < 0,1 kHz) par rapport à un laser DFB standard verrouillé à l'aide d'une électronique de boucle de verrouillage de fréquence similaire (produit PS-NLL). La conception du laser TeraXion optimise les performances de verrouillage, ce qui se traduit par un bruit de fond à très basse fréquence et une largeur de bande de verrouillage augmentée de deux ordres de grandeur.
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 d’impulsion de modulation 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 TeraXion 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 lors de la 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.
Figure 4 : Linéarisation du laser DFB TeraXion à l'aide d'une pré-distorsion du courant d'entraînement. Une seule itération permet d'atteindre 0,02% de non-linéarité résiduelle pour des impulsions de module de fréquence de 2 GHz à un taux de répétition de 100 kHz.
Figure 5 : Linéarisation d'une impulsion de module de fréquence de grande amplitude (7,5 GHz à un taux de répétition de 10 kHz) à l'aide d'une pré-distorsion du courant d'entraînement. La correction converge après deux itérations (k=2) et atteint 0,04% de non-linéarité résiduelle.
Conclusion
TeraXion 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 ligne 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 LXM, une solution clé en main qui présente un spectre étroit typiquement < 0,1 kHz dans la configuration ultra-étroite (LXM-U).
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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 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)
Diode Laser DFB haute linéarité pour LiDAR FMCW
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