Comment notre diodes laser DFB 1550nm améliore-t-elle les performances et les coûts système?
Le 17 févr. 2022
Catégorie : Détection Optique & Communication Optique
Diode laser DFB faible coût et haute performance
Les diodes laser à rétroaction distribuée (DFB) sont des sources laser étroites qui peuvent être produites en grande quantité et à faible coût. Ils sont largement déployés dans les systèmes de télécommunication optique et se sont avérés êtres des sources laser fiables dans un contexte d’opération continue de longue durée (i.e. plusieurs années).
Pour certaines applications, les niveaux élevés d'émission spontanée de la diode DFB entraînent un bruit de fréquence qui peut être prohibitif du point de vue des performances systèmes. Les lasers DFB conventionnels présentent rarement une largeur spectrale inférieure à 500 kHz. Un tel bruit de fréquence affecte les performances de systèmes de détection acoustique distribuée (DAS) ou de télémétrie optique (LiDAR) basées sur des architectures de détection cohérente. Pour pallier ces limitations, les diodes laser DFB sont souvent couplées à des cavités externes ; cependant, cette approche augmente le niveau de complexité du laser et affecte sa stabilité ainsi que la possibilité de moduler la diode sur de larges plages en fréquence.
La double dépendance de l'indice de réfraction du milieu de gain d’une diode DFB à la température et à la densité de porteurs de charge est un autre facteur limitatif qui caractérise les DFB. Cette double dépendance limite (1) la bande passante maximale applicable pour une boucle de rétroaction et (2) la linéarité des rampes en fréquence qu’on peut obtenir par modulation direct du courant électrique traversant le laser. Dans le cas (1), cela affecte la performance des boucles de réduction de bruit et des boucles de verrouillage en phase ou en fréquence qu’on peut appliquer au laser. Ces boucles sont bénéfiques et/ou nécessaire pour des applications telles que le gyroscope à résonance de fibre optique (RFOG) [1,2], l'informatique quantique photonique, la biodétection, ainsi que la détection distribuée par fibre optique. Pour (2), la non-linéarité de la rampe en fréquence a un impact direct sur les performances en portée et en précision du LiDAR FMCW, car il en résulte un étalement du contenu spectral du signal d’acquisition.
TeraXion, en partenariat avec le Conseil national de recherches Canada, a développé une diode laser DFB centrée à 1550 nm, qui peut fournir une puissance de sortie > 100 mW et qui présente des améliorations significatives par rapport aux limitations décrites ci-dessus. Basé sur une conception épitaxiale unique, ce laser monolithique présente un faible bruit de fréquence avec une largeur spectrale typiquement inférieure à 20 kHz. Il présente également une réponse de modulation plate jusqu'à des fréquences de modulation > 100 MHz. Ces propriétés permettent d’atteindre des performances impressionnantes pour des boucles de verrouillage en phase et en fréquence. De plus, la possibilité d’intégrer la puce laser à proximité de composants photoniques permet de minimiser les délais de boucle de rétroaction. Les figures ci-dessous présentent cet aspect de la technologie.
Figure 1 : Exemple d'intégration compacte de 3 diodes laser DFB de TeraXion (flèches rouges) avec une puce photonique en silicium (SiP, flèche bleue) pour obtenir une source laser multifréquence à verrouillage de phase haute performance pour l'application RFOG.
Figure 2 : Mesures de la bande passante de modulation en fréquence et du bruit de fréquence de la diode laser DFB TeraXion
a) Comparaison de la bande passante de modulation entre le laser DFB de TeraXion et un DFB standard (amplitude de la réponse en fréquence et effet de phase). La réponse de la diode DFB de TeraXion est plate jusqu'aux centaines de MHz, alors que la réponse du DFB standard plonge bien en dessous de 1 MHz.
b) Densité spectrale en puissance de bruit de fréquence (PSDFN) de la diode laser TeraXion pour différents modes de fonctionnement.
La courbe bleue est associée au mode de fonctionnement libre et montre une largeur spectrale de bruit de fréquence inférieure à 10 kHz (flèche rouge).
La courbe orange montre la PSDFN lorsque le laser est verrouillé sur un discriminateur de fréquence. Cette boucle permet une réduction de bruit de phase de plus de 2 ordres de grandeur pour un contenu spectral jusqu'à 10 MHz.
La courbe jaune présente la PSDFN du signal de battement entre un laser DFB esclave et son maître verrouillés en phase. Le pic de bruit de fréquence est associé à la limite de la bande passante de la boucle de correction. Cette limite apparaît à 1 MHz avec un DFB standard (données non affichées sur le graphique), ce qui est deux ordres de grandeur en dessous des performances de la boucle de rétroaction avec le DFB de TeraXion (pic à 100 MHz).
Le laser DFB de TeraXion se distingue aussi par la linéarité entre sa réponse en fréquence et la variation de courant d’opération. Aux taux de répétitions de rampes généralement utilisés dans les systèmes FMCW LiDAR (dizaines aux centaines de kHz), la réponse de modulation en fréquence du DFB de TeraXion est 50 fois plus linéaire que celle d’un DFB standard. Une comparaison est présentée à la figure 3.
Figure 3 : Comparaison de la distorsion de fréquence d'un laser DFB commercial et du laser DFB de TeraXion (excursion de fréquence de 1,4 GHz). Le DFB de TeraXion est 50 fois plus linéaire que le DFB standard.
Conclusion
TeraXion a développé une diode laser DFB monolithique unique qui offre trois améliorations majeures par rapport aux lasers DFB existants : (1) une largeur spectrale intrinsèque inférieure à 20 kHz, (2) une bande passante de modulation de fréquence supérieure à 100 MHz et (3) une réponse en fréquence linéaire avec le courant d’opération (pilotage direct).
Le développement et l’innovation technologiques ont été motivés par la nécessité d'offrir une technologie laser de petite taille, rentable, qui peut répondre à des requis exigeants, réduire la complexité de divers systèmes et améliorer leur stabilité. Nous développons actuellement un produit laser basé sur une approche de packaging à bas coûts pour commercialiser cette technologie.
Des modules d'évaluation sont disponibles pour adopter cette technologie laser : Fiche technique LXM.
[1] Ayotte, S. et al., "Module multilaser compact basé sur la photonique au silicium pour la détection", Proc. SPIE 10537, 1053717 (2018).
[2] Ayotte, S. et al., "Modules laser compacts à base de photonique au silicium pour LIDAR FM-CW et RFOG", Proc. SPIE 11284, 1128421 (2020).
Diode Laser DFB haute linéarité pour LiDAR FMCW
La diode laser DFB hautement linéaire combine une grande longueur de cohérence avec une réponse de modulation en fréquence linéaire.