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 spectre étroit et réponse de modulation en fréquence unique
Les diodes laser à rétroaction distribuée (DFB) avec émission latérale 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 prouvé 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 dans 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 double 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 à des vitesses de modulation élevées. Cela affecte la largeur de bande de verrouillage qui peut être obtenue pour un asservissement en fréquence sur une référence optique ou un asservissement en phase avec un autre laser. Cette propriété mène aussi à une diminution de l’amplitude de modulation maximale atteignable à des taux de répétition élevés, en plus d’affecter la linéarité de la forme d’onde lorsqu’un profil triangulaire ou en dent de scie est recherché.
Surmonter la limitation de la réponse de modulation en fréquence est donc bénéfique pour de nombreuses applications. Les boucles d’asservissement en fréquence ou en 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'onde 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 détection optique dans le domaine fréquentielle (OFDR) pour les mesures distribuées de contrainte mécanique, de température et d’acoustique (DAS) [3].L'amélioration de la réponse en fréquence du laser et la diminution de son niveau natif de bruit de fréquence ont un impact positif sur la portée, la résolution et la répétabilité des mesures pour ces applications.
Teraxion, en partenariat avec une usine de fabrication de semiconducteurs III-V, a développé sa propre diode laser DFB centrée à 1550 nm, laquelle offre plus de 150 mW de puissance ainsi que des améliorations significatives de la largeur de raie et de la réponse de modulation en fréquence par rapport aux diodes lasers DFB standards. Basé sur une épitaxie et un profil longitudinal uniques, ce laser monolithique compact et à faible coût s’illustre avec un spectre intrinsèquement étroit et une réponse de modulation plate jusqu’à > 100 MHz de fréquence de modulation (voir figure 1 ci-bas).
En savoir plus sur notre Module laser DFB à spectre étroit
Figure 1 : Diode laser DFB de TeraXion avec largeur spectrale intrinsèquement étroite et réponse de modulation plate.
a) Densité spectrale du bruit de fréquence (PSDFN) de la diode laser DFB de TeraXion par rapport à un laser DFB standard.
b) Réponse de la modulation en fréquence de la diode laser DFB TeraXion par rapport à un laser DFB standard (amplitude et phase de la modulation de fréquence en fonction de la fréquence de modulation).
Ces propriétés, combinées à la capacité d’intégrer la diode dans des sous-modules compacts (permettant ainsi de minimiser les délais de propagation des boucles d’asservissement), 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 multi-fréquence à verrouillage de phase de haute performance pour les applications RFOG.
À droite : Bruit de fréquence différentiel de deux lasers asservis sur les résonances horaire et anti-horaire d'un RFOG. Les propriétés de largeur de raie étroite et de réponse plate de modulation 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 raie typique < 0.1 kHz) par rapport à un architecture équivalente qui intègre un laser DFB standard (produit PS-NLL). La diode laser DFB de TeraXion optimise les performances de l’asservissement en fréquence, ce qui se traduit par un plancher de bruit diminué et une bande passante d’asservissement 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 uniforme, 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 de contrôle. 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 modulation en 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 : un spectre intrinsèquement plus étroit que 25 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 plus étroit que 0,1 kHz dans la configuration ultra-étroite (LXM-U).
En savoir plus:
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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