FR2965642A1 - OPTICAL WAVELENGTH CONVERTER - Google Patents
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Abstract
Convertisseur optique de longueur d'onde comprenant un laser à cascade quantique, présentant une région active (RA) formée par un empilement asymétrique de puits quantiques, pour générer un premier rayonnement électromagnétique, caractérisé en ce qu'il comprend également : - des moyens d'injection (L), dans ladite région active, d'un deuxième rayonnement électromagnétique, colinéaire audit premier rayonnement et résonant avec une transition inter-bande dudit laser à cascade quantique ; et - des moyens (CG, CC1, E2) pour confiner lesdits premier et deuxième rayonnements électromagnétiques à l'intérieur de ladite région active. Procédé de conversion de longueur d'onde d'un rayonnement électromagnétique basé sur l'utilisation d'un tel convertisseur. Utilisation d'un tel convertisseur dans un système de télécommunications par fibre optique à division de longueur d'onde.Wavelength optical converter comprising a quantum cascade laser, having an active region (RA) formed by an asymmetrical quantum well stack, for generating a first electromagnetic radiation, characterized in that it also comprises: injecting (L) into said active region a second electromagnetic radiation collinear with said first radiation and resonating with an interband transition of said quantum cascade laser; and means (CG, CC1, E2) for confining said first and second electromagnetic radiations within said active region. A method of converting the wavelength of electromagnetic radiation based on the use of such a converter. Use of such a converter in a wavelength division optical fiber telecommunications system.
Description
CONVERTISSEUR OPTIQUE DE LONGUEUR D'ONDE L'invention porte sur un convertisseur optique de longueur d'onde, ainsi que sur un procédé de conversion de longueur d'onde basé sur l'utilisation d'un tel dispositif. The invention relates to a wavelength optical converter, as well as to a wavelength conversion method based on the use of such a device.
Le multiplexage en longueur d'onde (WDM, de l'anglais « Wavelength Division Multiplexing ») est utilisé couramment pour augmenter la capacité des réseaux de télécommunications à fibre optique. II consiste à utiliser, dans une même fibre ou faisceau de fibres, une pluralité de porteuses optiques à des longueurs d'onde différentes, associées à des canaux respectifs. Dans un système WDM idéal, chaque utilisateur du réseau serait caractérisé par une longueur d'onde propre, l'identifiant de manière univoque. Toutefois, cela n'est pas possible dans les réseaux de grandes dimensions, et des conversions de longueur d'onde doivent être mises en oeuvre pour changer le routage des signaux en fonction de la disponibilité des différentes porteuses. De manière conventionnelle, ces conversions de longueurs d'onde sont réalisées en utilisant un convertisseur optoélectronique, dans lequel le signal optique est converti en signal électronique, puis à nouveau en signal optique à une longueur d'onde différente. Ces dispositifs constituent des goulots d'étranglement qui limitent fortement la capacité du réseau ; pour cette raison, des convertisseurs purement optiques ont été développés. Les convertisseurs de longueurs d'onde purement optiques, qui font l'objet d'une intense activité de recherche, exploitent une interaction non-linéaire entre un signal optique à une fréquence UNIR (proche infrarouge ou visible) et un faisceau modulateur à une fréquence VTHZ«UNIR, typiquement dans le domaine Terahertz (THz). L'interaction non-linéaire (« mélange à trois ondes ») produit deux faisceaux secondaires aux fréquences somme (UNIR +VTHZ) et différence (UNIR-VTHZ), dont un - voire les deux - est amplifié et injecté dans le réseau en remplacement du signal d'origine. [Carter 2004] décrit un tel convertisseur optique de longueur d'onde utilisant, en tant que milieu non linéaire, un empilement asymétrique de puits quantiques dans lequel se produit une interaction à trois ondes résonante. D'une manière bien connue en soi, l'asymétrie est nécessaire pour qu'une interaction du second ordre soit possible. Dans le dispositif de [Carter 2004], le rayonnement THz est généré par un laser à électrons libres, ce qui est évidemment incompatible avec une utilisation pratique. Mais l'utilisation de lasers à cascade quantique est également envisagée. Les lasers à cascade quantique sont des sources de lumière cohérente émettant dans l'infrarouge moyen et lointain, jusqu'aux Terahertz. Ils présentent une région active formée par un empilement de puits quantiques et exploitent des transitions entre des sous-bandes énergétiques à l'intérieur de ces puits quantiques. Voir à ce propos [Faist 1994], [KOler 2002] et [Worral 2006]. Dans _[Zervos 2006] et WO 02/13344, un laser à cascade quantique est utilisé à la fois pour générer le faisceau modulateur à THz et en tant que milieu non-linéaire. La géométrie d'interaction exploitée par les convertisseurs décrits dans ces documents, ainsi que dans [Carter 2004], est non-colinéaire : alors que le laser à cascade quantique émet parallèlement au substrat, le signal optique à convertir est injecté par la facette supérieure du dispositif, en incidence oblique. Le faisceau secondaire est également collecté par ladite facette supérieure. Cette configuration est nécessaire pour obtenir une longueur d'interaction très courte, de manière à minimiser l'absorption du signal et du faisceau secondaire par la région active du laser à cascade quantique. Cependant, elle est difficilement compatible avec l'utilisation du dispositif dans un système de télécommunication à fibre optique. [Dhillon 2007] décrit un convertisseur optique de longueur d'onde fonctionnant en géométrie colinéaire, donc plus facilement utilisable dans un système de télécommunication à fibre optique. Ce dispositif utilise à son tour un laser à cascade quantique en tant que générateur de rayonnement THz. Mais l'interaction non-linéaire, de type non-résonant, se produit à l'intérieur d'une couche en GaAs située au milieu de la région active du laser, couche où est confiné le signal optique à convertir. Le fait que l'interaction soit non-résonante élimine les problèmes précités d'absorption des signaux optiques. L'inconvénient principal de ce dispositif est que la susceptibilité optique non-linéaire (x('» non résonante du GaAs est relativement faible, ce qui impose d'assurer un accord de phase pour pouvoir obtenir un facteur de conversion suffisamment élevé. Wavelength division multiplexing (WDM) is commonly used to increase the capacity of fiber optic telecommunications networks. It consists in using, in the same fiber or bundle of fibers, a plurality of optical carriers at different wavelengths, associated with respective channels. In an ideal WDM system, each network user would be characterized by its own wavelength, uniquely identifying it. However, this is not possible in large networks, and wavelength conversions must be implemented to change the routing of the signals according to the availability of the different carriers. Conventionally, these wavelength conversions are performed using an optoelectronic converter, in which the optical signal is converted into an electronic signal, and then again into an optical signal at a different wavelength. These devices are bottlenecks that severely limit the capacity of the network; for this reason, purely optical converters have been developed. Purely optical wavelength converters, which are the subject of intense research activity, exploit a non-linear interaction between an optical signal at a UNIR frequency (near infrared or visible) and a modulator beam at a frequency VTHZ "UNIR, typically in the Terahertz (THz) domain. The non-linear interaction ("three-wave mixing") produces two secondary beams at the sum (UNIR + VTHZ) and difference (UNIR-VTHZ) frequencies, of which one - or both - is amplified and injected into the replacement network. of the original signal. [Carter 2004] describes such a wavelength optical converter using, as a nonlinear medium, an asymmetric quantum well stack in which a resonant three-wave interaction occurs. In a manner well known per se, asymmetry is necessary for a second order interaction to be possible. In the [Carter 2004] device, the THz radiation is generated by a free electron laser, which is obviously incompatible with practical use. But the use of quantum cascade lasers is also envisaged. Quantum cascade lasers are sources of coherent light emitting in the middle and far infrared, up to Terahertz. They have an active region formed by a quantum well stack and exploit transitions between energetic subbands within these quantum wells. See [Faist 1994], [KOler 2002] and [Worral 2006]. In [Zervos 2006] and WO 02/13344, a quantum cascade laser is used both to generate the THz modulator beam and as a nonlinear medium. The interaction geometry used by the converters described in these documents, as well as in [Carter 2004], is non-collinear: whereas the quantum cascade laser emits parallel to the substrate, the optical signal to be converted is injected by the upper facet of the device, in oblique incidence. The secondary beam is also collected by said upper facet. This configuration is necessary to obtain a very short interaction length, so as to minimize the absorption of the signal and the secondary beam by the active region of the quantum cascade laser. However, it is hardly compatible with the use of the device in a fiber optic telecommunication system. [Dhillon 2007] describes a wavelength optical converter operating in collinear geometry, thus more easily usable in an optical fiber telecommunication system. This device in turn uses a quantum cascade laser as a THz radiation generator. But the non-linear interaction, of non-resonant type, occurs inside a GaAs layer located in the middle of the active region of the laser, where the optical signal to be converted is confined. The fact that the interaction is non-resonant eliminates the aforementioned problems of absorption of the optical signals. The main disadvantage of this device is that the non-linear optical susceptibility (x ('' non-resonant GaAs is relatively low, which requires to ensure a phase agreement to obtain a sufficiently high conversion factor.
L'invention vise à remédier aux inconvénients précités de l'art antérieur. Conformément à l'invention, ce but est atteint par l'utilisation d'une interaction non-linéaire de type résonant à l'intérieur de la région active d'un laser à cascade quantique, mais en géométrie colinéaire. Cela est rendu possible par des moyens de guidage du signal optique (visible ou proche infrarouge), qui assurent une bonne superposition entre ledit signal et le faisceau modulateur THz à l'intérieur de ladite région active. Le problème de l'absorption du faisceau secondaire dans la région active est éliminé en faisant en sorte que ledit faisceau secondaire soit composé de photons d'énergie inférieure à la largeur de la bande interdite de ladite région active. The invention aims to remedy the aforementioned drawbacks of the prior art. According to the invention, this object is achieved by the use of a non-linear resonant type interaction within the active region of a quantum cascade laser, but in collinear geometry. This is made possible by means of guiding the optical signal (visible or near infrared), which ensure a good superposition between said signal and the modulator beam THz within said active region. The problem of the absorption of the secondary beam in the active region is eliminated by ensuring that said secondary beam is composed of photons of energy less than the width of the forbidden band of said active region.
Un objet de l'invention est donc un convertisseur optique de longueur d'onde comprenant un laser à cascade quantique, présentant une région active formée par un empilement asymétrique de puits quantiques, pour générer un premier rayonnement électromagnétique, caractérisé en ce qu'il comprend également : - des moyens d'injection, dans ladite région active, d'un deuxième rayonnement électromagnétique, colinéaire audit premier rayonnement et résonant avec une transition inter-bande dudit laser à cascade quantique ; et des moyens pour confiner lesdits premier et deuxième rayonnements électromagnétiques à l'intérieur de ladite région active. En particulier, ledit empilement asymétrique de puits quantiques peut être déposé sur un substrat et dans lequel lesdits premier et deuxième rayonnements électromagnétiques se propagent parallèlement audit substrat. An object of the invention is therefore a wavelength optical converter comprising a quantum cascade laser, having an active region formed by an asymmetrical quantum well stack, for generating a first electromagnetic radiation, characterized in that it comprises also: - injection means, in said active region, a second electromagnetic radiation collinear with said first radiation and resonant with an inter-band transition of said quantum cascade laser; and means for confining said first and second electromagnetic radiation within said active region. In particular, said asymmetric quantum well stack can be deposited on a substrate and in which said first and second electromagnetic radiations propagate parallel to said substrate.
Lesdits moyens pour confiner lesdits premier et deuxième rayonnements électromagnétiques peuvent comprendre au moins une couche, interposée entre ladite région active et ledit substrat, présentant un 4 index de réfraction inférieur à ceux de ladite région active et dudit substrat. Cette couche peut notamment être semi-conductrice. En particulier, les moyens pour confiner lesdits premier et deuxième rayonnements électromagnétiques peuvent comprendre une première couche pour confiner 5 ledit deuxième rayonnement électromagnétique, et une deuxième couche pour confiner ledit premier rayonnement électromagnétique. En variante, une couche métallique peut être prévue pour confiner tant le premier que le deuxième rayonnement électromagnétique. Avantageusement, le convertisseur peut comprendre 10 également une couche métallique déposée sur ou au-dessus de ladite région active, du côté opposé à celui dudit substrat. Cette couche a alors une triple fonction : elle sert de contact électrique et elle assure le confinement tant du premier que du deuxième rayonnement. Un autre objet de l'invention est un procédé de conversion de 15 fréquence d'un rayonnement électromagnétique, comportant les opérations suivantes : - pomper électriquement ou optiquement le laser à cascade quantique d'un convertisseur tel que décrit ci-dessus, de manière à induire la génération dudit premier rayonnement électromagnétique ; 20 - injecter dans la région active dudit laser à cascade quantique ledit deuxième rayonnement électromagnétique, avec une direction de propagation parallèle à celle dudit premier rayonnement ; et - extraire dudit convertisseur au moins un rayonnement obtenu par mélange à trois ondes dudit premier et dudit deuxième 25 rayonnement. Avantageusement, la structure de bandes dudit laser à cascade quantique et la longueur d'onde dudit deuxième rayonnement peuvent être choisies de telle manière que le rayonnement obtenu par différence de fréquence desdits premier et deuxième rayonnements se 30 compose de photons d'énergie inférieure à la bande interdite de la région active dudit laser à cascade quantique. Said means for confining said first and second electromagnetic radiations may comprise at least one layer, interposed between said active region and said substrate, having a refractive index lower than those of said active region and said substrate. This layer may in particular be semiconductive. In particular, the means for confining said first and second electromagnetic radiations may comprise a first layer for confining said second electromagnetic radiation, and a second layer for confining said first electromagnetic radiation. Alternatively, a metal layer may be provided to confine both the first and the second electromagnetic radiation. Advantageously, the converter may also comprise a metal layer deposited on or above said active region, on the opposite side to that of said substrate. This layer then has a triple function: it serves as an electrical contact and it ensures the confinement of both the first and the second radiation. Another object of the invention is a method of frequency conversion of electromagnetic radiation, comprising the following operations: electrically or optically pump the quantum cascade laser of a converter as described above, so as to inducing the generation of said first electromagnetic radiation; Injecting into the active region of said quantum cascade laser said second electromagnetic radiation, with a propagation direction parallel to that of said first radiation; and extracting from said converter at least one radiation obtained by mixing three waves of said first and said second radiation. Advantageously, the band structure of said quantum cascade laser and the wavelength of said second radiation may be chosen such that the radiation obtained by difference in frequency of said first and second radiations consists of photons of energy less than forbidden band of the active region of said quantum cascade laser.
Ledit premier rayonnement électromagnétique peut être un rayonnement dans l'infrarouge moyen ou lointain, ou un rayonnement Terahertz, tandis que ledit deuxième rayonnement électromagnétique peut être un rayonnement dans l'infrarouge proche ou dans le visible. Said first electromagnetic radiation may be medium or far infrared radiation, or Terahertz radiation, while said second electromagnetic radiation may be near-infrared or visible radiation.
Encore un autre objet de l'invention est l'utilisation d'un tel convertisseur de longueur d'onde dans un système de télécommunications par fibre optique à division de longueur d'onde. On entend : - Pour « rayonnement visible », un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde comprise entre 380 nm et 780 nm ; - Pour « rayonnement dans le proche infrarouge », un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde comprise entre 780 nm et 3 pm ; le proche infrarouge inclut la bande spectrale utilisée dans les télécommunications optiques (1250 - 1700 nm, et plus particulièrement 1530 - 1565 nm) ; - Pour « rayonnement dans le moyen infrarouge », un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde comprise entre 3 pm et 50 pm ; - Pour « rayonnement dans l'infrarouge lointain », un 20 rayonnement électromagnétique de longueur d'onde comprise entre 50 pm et 1 mm - Pour « rayonnement Terahertz », un rayonnement électromagnétique dans l'infrarouge lointain ayant plus précisément une longueur d'onde comprise entre 100 pm et 1 mm (fréquence comprise entre 25 300 GHz et 3 THz environ). D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : - la figure 1, la structure d'un convertisseur de longueur 30 d'onde selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2, la distribution d'intensité optique et THz à l'intérieur de la structure de la figure 1 ; et - la figure 3, un diagramme de bandes simplifié du convertisseur de la figure 1, illustrant les transitions énergétiques impliquées dans le processus de conversion de longueur d'onde. La figure 1 montre la structure d'un convertisseur de longueur 5 d'onde selon un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif est obtenu par croissance épitaxiale à faisceaux moléculaire sur un substrat en GaAs semi-isolant SS présentant une épaisseur de 500pm. Une couche CG de AIo,5Gao,5As de 300 nm d'épaisseur est déposée sur une surface dite supérieure du substrat SS ; comme cela 10 sera expliqué en détail plus loin, elle sert au guidage du signal optique d'entrée, ou deuxième rayonnement électromagnétique, ainsi que du signal converti en longueur d'onde, ou faisceau secondaire. Au-dessus de cette couche de guidage est déposée une couche CC1 en GaAs dopé n, d'une épaisseur de 600 nm, destinée à assurer 15 le contact électrique avec l'électrode inférieure E1. En même temps, cette couche CC1 forme un guide d'onde plasmonique réalisant un confinement partiel du rayonnement THz de modulation (voir l'article précité [Kbhler 2002]). Encore au-dessus est déposé un empilement de puits quantiques AIGaAs/GaAs formant la région active d'un laser à cascade 20 quantique pour émission à 2,1 THz. Cet empilement est asymétrique, dans le sens qu'il n'a pas de plan de symétrie parallèle à la surface du substrat. Un empilement de ce type est décrit par l'article précité [Worral 2006]. Au-dessus de la région active est déposée une deuxième couche de contact CC2 en GaAs dopé n (70 nm), sur laquelle est déposée 25 une couche métallique (Au) formant l'électrode supérieure E2. Cette dernière, en plus de sa fonction électrique, contribue au confinement tant du rayonnement de modulation que des signaux optiques d'entrée et converti en longueur d'onde. La structure présente une épaisseur totale de 15 pm au-30 dessus de la surface supérieure du substrat. L'ensemble est soumis à une gravure humide pour isoler les régions actives des différents dispositifs (largeur : 220 pm) et exposer la couche CC1, sur laquelle est réalisé un dépôt métallique formant les électrodes inférieures E1. Ensuite le substrat SS est aminci jusqu'à une épaisseur de 200 pm et une couche métallique SM est déposée sur sa surface inférieure. Les différents dispositifs, d'une longueur de 3 mm (on remarquera que la figure 1 n'est pas à l'échelle) sont ensuite séparés et soudés sur un support en cuivre avec revêtement en or. Le signal optique d'entrée SOE, qui se propage parallèlement au substrat, est injecté dans le dispositif par une facette latérale F1 par l'intermédiaire de la lentille L ; le signal converti en longueur d'onde SOC, qui se propage lui aussi parallèlement au substrat, est extrait de la facette opposée F2. Ces deux facettes définissent également la cavité du laser à cascade quantique, la réflexion étant assurée par le saut d'indice optique entre la région active et le vide. La lentille L est de préférence asphérique pour optimiser le couplage avec le mode guidé à l'intérieur du convertisseur. Yet another object of the invention is the use of such a wavelength converter in a wavelength division optical fiber telecommunications system. The following is meant: - For "visible radiation", electromagnetic radiation of wavelength between 380 nm and 780 nm; - For "near-infrared radiation" means electromagnetic radiation with a wavelength between 780 nm and 3 pm; the near infrared includes the spectral band used in optical telecommunications (1250 - 1700 nm, and more particularly 1530 - 1565 nm); - For "mid-infrared radiation", electromagnetic radiation of wavelength between 3 pm and 50 pm; - For "far-infrared radiation", electromagnetic radiation of wavelength between 50 pm and 1 mm - for "Terahertz radiation", far-infrared electromagnetic radiation having more precisely one wavelength between 100 pm and 1 mm (frequency between 25 300 GHz and 3 THz approximately). Other characteristics, details and advantages of the invention will emerge on reading the description given with reference to the appended drawings given by way of example and which represent, respectively: FIG. 1, the structure of a length converter Wave according to one embodiment of the invention; FIG. 2, the optical intensity distribution and THz inside the structure of FIG. 1; and FIG. 3, a simplified band diagram of the converter of FIG. 1, illustrating the energy transitions involved in the wavelength conversion process. Figure 1 shows the structure of a wavelength converter according to one embodiment of the invention. The device is obtained by molecular beam epitaxial growth on a SS semi-insulating GaAs substrate having a thickness of 500 μm. A CG layer of Al0, 5Gao, 5As of 300 nm thick is deposited on a so-called upper surface of the SS substrate; as will be explained in detail later, it serves to guide the input optical signal, or second electromagnetic radiation, as well as the signal converted to wavelength, or secondary beam. Above this guiding layer is deposited an n-doped GaAs layer CC1 of a thickness of 600 nm intended to provide electrical contact with the lower electrode E1. At the same time, this layer CC1 forms a plasmonic waveguide providing a partial confinement of the modulation THz radiation (see the aforementioned article [Kbhler 2002]). Above is deposited a stack of AIGaAs / GaAs quantum wells forming the active region of a quantum cascade laser for emission at 2.1 THz. This stack is asymmetrical, in the sense that it has no plane of symmetry parallel to the surface of the substrate. A stack of this type is described by the aforementioned article [Worral 2006]. Above the active region is deposited a second contact layer CC2 n-doped GaAs (70 nm) on which is deposited a metal layer (Au) forming the upper electrode E2. The latter, in addition to its electrical function, contributes to the confinement of both modulation radiation and input optical signals and converted to wavelength. The structure has a total thickness of 15 μm above the upper surface of the substrate. The assembly is subjected to wet etching to isolate the active regions of the different devices (width: 220 μm) and to expose the layer CC1, on which a metal deposit is formed forming the lower electrodes E1. Subsequently, the SS substrate is thinned to a thickness of 200 μm and a metal layer SM is deposited on its lower surface. The various devices, a length of 3 mm (it will be noted that Figure 1 is not to scale) are then separated and welded on a copper support with gold coating. The optical input signal SOE, which propagates parallel to the substrate, is injected into the device by a lateral facet F1 through the lens L; the signal converted into wavelength SOC, which is also propagated parallel to the substrate, is extracted from the opposite facet F2. These two facets also define the cavity of the quantum cascade laser, the reflection being provided by the optical index jump between the active region and the vacuum. The lens L is preferably aspherical to optimize the coupling with the guided mode inside the converter.
Dans des modes de réalisation plus compacts, le signal optique d'entrée peut être amené par une fibre optique, couplée au convertisseur au moyen de lentilles-boules ou simplement par aboutement. Le faisceau converti est ensuite filtré pour supprimer les composantes spectrales non souhaitées (à la fréquence initiale, à la fréquence somme si l'on souhaite récupérer la fréquence différence, ou inversement), amplifié, mis en forme et/ou injecté dans une fibre optique. La figure 2 montre la distribution de l'intensité optique dans le proche infrarouge (signaux optique d'entrée et converti) - courbe NIR - e Terahertz (rayonnement de modulation, émis par le laser à cascade quantique) - courbe THZ - à l'intérieur de la structure de la figure 1. Le rayonnement dans le proche infrarouge est confiné à l'intérieur de la région active grâce à la couche de guidage CG et à la couche métallique supérieure E2, qui présentent - à ces longueurs d'onde - un indice de réfraction inférieure à celui de la région active. Le rayonnement à THz est lui aussi confiné, bien que de manière moins efficace, grâce à la couche conductrice CC1 dont la constante diélectrique est négative dans cette région spectrale. Cet effet de guidage du rayonnement THz est expliqué par [Kôhler 2965642 s 2002]. La structure du convertisseur forme ainsi un « guide d'onde dual », confinant tant un rayonnement dans le proche infrarouge (ou dans le visible) qu'un rayonnement dans l'infrarouge lointain/à THz. La figure 3 illustre le processus de mélange résonant à trois 5 ondes qui se produit à l'intérieur de la région active du convertisseur de l'invention. Sur cette figure, les références BC et BV dénotent respectivement la bande de conduction et la bande de valence, « e » dénote les électrons et « h » les trous. Chaque couche de GaAs, d'épaisseur « a » de quelques nanomètre et enserrée entre de couches de AIGaAs de plus grande bande 10 interdite, forme un puits quantique (un seul est représenté dans la figure) qui confine les porteurs ; ces derniers occupent donc des niveaux d'énergie discrets, ou « sous-bandes ». On indique par 11 h) l'état des trous de plus basse énergie, par 11 e) l'état d'électrons de plus haute énergie, par 12e) un état d'électrons d'énergie plus élevée, par Eh l'énergie de confinement des trous, 15 par Ee l'énergie de confinement des électrons et par EG la largeur de la bande interdite dans le puits quantique. Le signal optique d'entrée présente une énergie photonique EmR, résonante avec la transition inter-bande 11n) - 11e) ; la transition laser, d'énergie EQCL, se produit entre les états 12e) et 11 e). Dans ces conditions se produit une interaction résonante qui génère deux faisceaux 20 secondaires aux fréquences somme et différence. Etant donné la longueur importante de l'interaction (3mm), le faisceau à la fréquence somme - dont l'énergie photonique est supérieure à la largeur EG de la bande interdite - est absorbé presque entièrement. En revanche, le faisceau à la fréquence différence - dont l'énergie photonique est inférieure à EG, n'est que 25 faiblement atténué. Comme le montre la figure 3, la génération de la fréquence différence peut être interprétée comme un processus résonant entre deux états réels, 11e) et 11 h), et un état virtuel Iv) situé à l'intérieur de la bande interdite. Au contraire, dans cette configuration, la génération de la fréquence 30 somme met en jeu trois états réels, 11 h), 11 e) et 12e). II serait également possible de générer une fréquence somme à partir du un signal optique d'entrée d'énergie EN,R résonante avec la transition I1h) lv) et une énergie EQcL résonante avec la transition lv) -> Il e) ; mais même dans ce cas, le rayonnement à la fréquence somme serait susceptible d'être absorbé par le matériau actif, avec une perte d'efficacité de conversion. In more compact embodiments, the input optical signal can be fed through an optical fiber, coupled to the converter by means of ball lenses or simply by abutting. The converted beam is then filtered to suppress unwanted spectral components (at the initial frequency, at the sum frequency if it is desired to recover the difference frequency, or vice versa), amplified, shaped and / or injected into an optical fiber. . Figure 2 shows the distribution of near infrared optical intensity (input and converted optical signals) - NIR - e curve Terahertz (modulation radiation, emitted by the quantum cascade laser) - THZ curve - at FIG. 1 shows that the near-infrared radiation is confined within the active region by means of the guiding layer CG and the upper metal layer E2, which at these wavelengths a refractive index lower than that of the active region. The THz radiation is also confined, although less efficiently, thanks to the conductive layer CC1 whose dielectric constant is negative in this spectral region. This effect of guiding the THz radiation is explained by [Kohler 2965642 s 2002]. The converter structure thus forms a "dual waveguide", confining both near-infrared (or visible) radiation and far-infrared / THz radiation. Figure 3 illustrates the three-wave resonant mixing process that occurs within the active region of the converter of the invention. In this figure, the references BC and BV respectively denote the conduction band and the valence band, "e" denotes the electrons and "h" the holes. Each layer of GaAs, of thickness "a" of a few nanometers and sandwiched between layers of AIGaAs of greater forbidden band, forms a quantum well (only one is represented in the figure) which confines the carriers; the latter thus occupy discrete energy levels, or "sub-bands". 11 h) indicates the state of the lowest energy holes, by 11 e) the state of electrons of higher energy, by 12e) a state of electrons of higher energy, by Eh the energy of confining the holes, 15 by Ee the confinement energy of the electrons and by EG the width of the forbidden band in the quantum well. The input optical signal has a photonic energy EmR, resonant with the interband transition 11n) - 11e); the laser transition, EQCL energy, occurs between states 12e) and 11e). Under these conditions, a resonant interaction occurs which generates two secondary beams at the sum and difference frequencies. Given the large length of the interaction (3mm), the beam at the sum frequency - whose photon energy is greater than the width G of the forbidden band - is absorbed almost entirely. On the other hand, the difference frequency beam - whose photon energy is less than EG - is only weakly attenuated. As shown in FIG. 3, the generation of the difference frequency can be interpreted as a resonant process between two real states, 11e) and 11h), and a virtual state Iv) located inside the forbidden band. In contrast, in this configuration, the generation of the sum frequency involves three real states, 11 h), 11 e) and 12 e). It would also be possible to generate a sum frequency from an energy input optical signal EN, R resonant with the transition I1h) lv) and a resonant energy EQcL with the transition lv) -> Il e); but even in this case, the radiation at the sum frequency would be likely to be absorbed by the active material, with a loss of conversion efficiency.
Grâce au caractère résonant de l'interaction non linéaire, une efficacité de conversion satisfaisante (de l'ordre de 10-2 ou plus pour une puissance d'entrée de 1 mW) peut être obtenue sans accord de phase. A titre d'exemple, le laser à cascade quantique du convertisseur de la figure 1 génère un rayonnement de modulation à 2,1 THz, ce qui correspond à une énergie photonique EQcL=8,7 meV et à une longueur d'onde de 143 pm. Le signal optique d'entrée peut avoir une longueur d'onde de 817 nm (ENIR=1,5177 eV) ; dans ce cas, les deux faisceaux secondaires générés par mélange à trois ondes présentent une longueur d'onde de 812,3 nm (fréquence sommé, énergie EN,R+EQcL=1,5264 eV) et 821,7 nm (fréquence différence, énergie ENIR-EQcL=1,5090 eV). L'énergie d'émission du laser à cascade quantique, et donc le décalage de longueur d'onde induit parle convertisseur, peut être accordée dans certaines limites en modifiant le courant d'alimentation injecté à travers les électrodes E1 et E2. Due to the resonant nature of the nonlinear interaction, a satisfactory conversion efficiency (of the order of 10-2 or more for an input power of 1 mW) can be obtained without phase agreement. By way of example, the quantum cascade laser of the converter of FIG. 1 generates a modulation radiation at 2.1 THz, which corresponds to a photonic energy EQcL = 8.7 meV and at a wavelength of 143. pm. The input optical signal may have a wavelength of 817 nm (ENIR = 1.5177 eV); in this case, the two secondary beams generated by mixing with three waves have a wavelength of 812.3 nm (summed frequency, energy EN, R + EQcL = 1.5264 eV) and 821.7 nm (difference frequency, ENIR-EQcL energy = 1.5090 eV). The emission energy of the quantum cascade laser, and therefore the wavelength shift induced by the converter, can be tuned within certain limits by modifying the supply current injected through the electrodes E1 and E2.
Le convertisseur de l'invention a été testé à 60K, dans un cryostat refroidi à l'hélium liquide. Cependant, le fonctionnement des lasers à cascade quantique à THz a été démontré jusqu'à 186 K, et il est attendu que des développements futurs permettent d'atteindre un fonctionnement à 240K, auquel cas le refroidissement pourrait se faire très simplement par effet Peltier. Des lasers à cascade quantique à plus petite longueur d'onde peuvent fonctionner à température ambiante ; des lasers de ce type sont susceptibles d'introduire des décalages de longueur d'onde plus importants, permettant par exemple de transférer un signal d'une bande de télécommunications optiques à une autre. The converter of the invention was tested at 60K, in a cryostat cooled with liquid helium. However, THz quantum cascade lasers have been demonstrated to be up to 186 K, and future developments are expected to achieve 240K operation, in which case cooling could be done very simply by Peltier effect. Smaller wavelength quantum cascade lasers can operate at room temperature; lasers of this type are likely to introduce larger wavelength shifts, allowing for example to transfer a signal from one optical telecommunications band to another.
L'invention a été décrite en référence à un exemple spécifique, mais plusieurs variantes sont envisageables. 2965642 lo Premièrement, différents types de laser à cascade quantique, opérant dans diverses régions spectrales du lointain et moyen infrarouge peuvent être utilisés. Leurs bandes d'énergie peuvent être réglées de manière à s'adapter à des signaux de longueurs d'onde différentes (en particulier, 5 autour de 1,55 pm) et à introduire des décalages plus ou moins importants. Les dimensions du dispositif peuvent être modifiées sans en modifier sensiblement le fonctionnement. D'autres moyens de confinement que ceux décrits ici peuvent être utilisés. Par exemple, 1a couche de guidage CG peut être réalisée en un 10 autre matériau semi-conducteur, tel que le GaInP. En variante, elle peut être remplacée par une couche métallique, ce qui présente l'avantage d'améliorer le guidage du rayonnement THz. The invention has been described with reference to a specific example, but several variants are possible. First, different types of quantum cascade lasers operating in various spectral regions of the far and middle infrared can be used. Their energy bands can be adjusted to accommodate different wavelength signals (in particular around 1.55 μm) and to introduce more or less significant offsets. The dimensions of the device can be modified without substantially modifying the operation thereof. Other means of containment than those described herein may be used. For example, the guiding layer CG may be made of another semiconductor material, such as GaInP. Alternatively, it may be replaced by a metal layer, which has the advantage of improving the THz radiation guidance.
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