Brevet FR2275078A1 — publié le 19760109

L'invention a pour objet un système de télécommunications sur fibres optiques utilisant un seul composant permettant dans certaines conditions de fonctionner comme photodiode, c'est-à dire comme organe émetteur, et diode électroluminescente fonctionnant dans la même bande de fréquence. Chaque station termi nale peut alors fonctionner en alternat, c1est-à-dire par action sur le composant, alternativement comme station émettrice, ou comme station réceptrice. De tels composants ont été décrits dans la demande de brevet français déposée par la Demanderesse le 28 Mai 1974 pour "Composant détecteur et émetteur de lumière sous le numéro national d'enre gistrement 74.18 461. D'autres composants peuvent être utilisés à cet effet. Ces composants ont déjà été utilisés à d'autres fins. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après en se reportant aux dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 est un schéma de principe du dispositif selon l'invention ; - la figure 2 est un schéma de composant pouvant servir de photodiode ou de diode électroluminescente. Sur la figure, on peut voir un composant i muni de deux contacts 2 et 3 sur ses deux faces opposées. Ce composant est une diode qui peut être photodétectrice quand elle est polarisée dans le sens bloqué ou photoémissive quand elle est polarisée dans le sens passant. Dans le cas présent, ,elle possède une zone 4, dite zone active, qui s'étend perpendicu lairexent au champ électrique créé par l'application d'une tension aux deux contacts électriques 2 et 3. C'est dans cette zone active dont l'épaisseur est très faible, de l'ordre en général de 0,1 micron à 1 mic#ron, que les deux phénomènes de photoconduction et de photoémission prennent naissance. A cette zone active est couplée une fibre optique 40 de très faible dimension transversale, de façon que pour la longueur d'onde de fonctionnement un seul mode de vibra tion puisse sty propager. Les contacts 2 et 3 sont connectés respectivement à deux commutateurs à deux positions et commande interconnectée 6 et 7. Le premier de ces commutateurs 6 dans sa position I, connecte le contact 2 au pôle - d'une batterie 8, dont le pôle 7 est connecté par l'intermédiaire d'un circuit de réception 92 et du contacteur 7 également dans sa position I, au contact 3. Dans cette position la diode est bloquée, et la zone active est le siège d'un phénomène de photodétection. L'ensemble est dans la position de réception. Dans la position Il des deux contacteurs 6 et 7, le contact 2 est au pôle + d'une batterie 9, dont le pôle est connecté par l'intermédiaire d'un circuit modulateur 91 au contact 3. La zone 4 est dans les conditions d'électroluminescence. Le flux lumineux émis est recueilli par la fibre. La difficulté est de réaliser une diode qui ait des performances convenables à l'émission comme à la détection. D'une part la zone de la diode où a lieu l'émission doit avoir une géométrie et un coefficient d'absorption tels que le rayonnement émis y soit peu absorbé D'autre part, la zone de la diode où a lieu la détection doit complètement absorber le rayonnement à détecter ces contraintes sont apparemment contradictoires. La contradiction peut être levée en utilisant deux phénomènes. L'amplification par émission stimulée (genre LASER), compense l'absorption à l'émission lorsque le courant de polarisation dans le sens direct est assez élevé, de l'ordre de 2000 Amp./cm2. L'absorption du matériau augmente quand il est soumis à un champ électrique tel que celui existant dans la zone déserte d'une diode polarisée en inverse le coefficient d'absorption à la longueur d'onde d'émission peut atteindre 100 cl 1. La figure 2 représente un exemple de réalisation de diode utilisable dans un tel système. Cette diode est réalisée par épitaxie en phase liquide dans un bain de gallium sur un substrat 10, d'Arséniure de Gallium AsGa de type n , de densité d'impureté donatrice supérieure à 1018 At/cm3 et d'épaisseur supérieure à 100 microns successivement - d'une couche 11, de composition de formule Ga0,7 A10 As de type n, de densité d'impureté donatrice supérieure à 1018 At/cm3, d'épaisseur comprise entre 1 et 10 microns. -d'une couche 12 en Gal,x AlxAs avec x de l'ordre de 0,1 et d'épaisseur comprise entre 0,1 et 1 micron. Le paramètre x est choisi de manière à ajuster la longueur d'onde de fonctionnement au voisinage d'un minimum d'absorption pour les fibres optiques utilisées : avec x f 0,1, X est de l'ordre de 0,83 micron. Cette zone est la région active, où ont lieu l'émission et la détection, suivant que la diode est polarisée en direct ou en inverse respectivement. Cette couche est du type intrinsèque avec une densité de porteurs inférieure à 1016 At/cm3. dune couche 15 de formule Ga0 , 7AI0,3As de type p de densité d'impureté supérieur à 1018 at/cm3 et d'épaisseur comprise entre 1 et 10 microns. Une quatrième couche en Tassa très dopée de type p+ peut etre ajoutée pour la prise de contact sur la diode. Les dimensions de la diode sont dans le sens de la propagation de la lumière de 10 à 500 microns, et dans le sens transversal de 10 à 100 microns. -La fibre optique est couplée directement à la couche 12. L'ensemble fonctionne en LASER à semiconducteur en double hétérojonction à l'émission, le courant dû au déplacement de porteurs de charge assurant en quelque sorte la fonction de pompage. Les performances que l'on peut espérer d'un tel dispositif sont - -bande passante supérieure à I GH , - rendement quantique à l'émission nem = 0,1 à la détection ndét = 0,5. Ce système peut être utilisé en alternat dans les voies de télécommunications optiques à grand débit en utilisant les possibilités de modulation rapide des diodes "LASER" et de transmission sans dispersion des fibres optiques monomodes. Des dispositifs peuvent être fabriqués à partir de deux diodes intégrées sur le même substrat. Dans la demande de brevet français déposée le 28 Mai 1974 pour "Composants détecteur et émetteur de lumière sous le numéro d'enregistrement national, 7L'.18 461, on a décrit un cuveau composant comportant deux diodes superposées, fonctionnant l'une en diode photodétectrice, l'autre en diode électroluminescente. De telles diodes peuvent être employées dans le système selon l'invention, mais la différence essentielle réside dans le fait que les couches détectrices et émettrices sont superposées, et que la lumière émise ou reçue traverse les deux jonctions, c 'est-à-dire les couches qui la forment, ce qui n'est pas le cas dans l'exemple qui vient d'être décrit. La figure 3 représente un exemple de schéma d'un tel dispositif Il comporte deux diodes 20 et 21 montées tête bêche. Elles sont intégrées sur le même substrat, comme dans la demande citée. La diode 21 est connectée comme dans la figure 1 par l'intermédiaire d'un commutateur 7 et d'une batterie 8 à un dispositif de réception 91, aux bornes duquel est placée une résistance de charge 93. Cette diode quand elle est polarisée en inverse est le siège d'un courant, fonction du rayonnement lumineux reçu. Un commutateur 6 relié au commutateur 7 permet grâce à une batterie 9, de polariser en direct la diode électroluminescente 20. Cette batterie est en série avec le circuit de modulation 92. Le commutateur 7 déconnecte la diode 21, quand le commutateur 8 connecte la diode 20 et vice versa. On a un système moins simple que le système précédent, mais qui peut lui être préférable dans certaines circonstances. Il est à remarquer que dans cette configuration, le flux lumineux, tant émis que reçu est perpendiculaire aux jonctions semiconductrices et non parallèles comme dans le cas précédent. REVENDICATIONS 1. Système de télécommunication optique bidirectionnel, comportant des stations intermédiaires et terminales, et des fibres optiques pour les interconnecter, caractérisé en ce que dans chaque station un élément semiconducteur unique est utilisé en alternat, pour émettre et recevoir des rayons lumineux dans la même bande de fréquences. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément semiconducteur comporte une diode électroluminescente et une diode photodétectrice superposées et intégrées sur le même substrat, la jonction électroluminescente étant traversée par les rayons lumineux absorbés par la zone photodétectrice. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant unique comprend une seule diode, ladite diode comportant une couche faiblement dopée émettant des rayons lumineux par émission stimulée, quand elle est polarisée en direct, et absorbant les rayons lumineux de même longueur d'onde quand elle est polarisée en inverse, une fibre optique étant directement couplée à ladite couche faiblement dopée. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la diode comporte, déposées successivement sur un même substrat une première couche, d'un premier type de conductivité, ladite couche très faiblement dopée, et une deuxième couche de type de conductivité opposée à la première. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les trois couches sont déposées par épitaxie sur un substrat en Arséniure de Gallium, la première ayant la composition Gag,7 Ale 3 As et une denté d impureté donatrice supérieure à 1018 At/cm3, et une épaisseur de 0,1 à 1 micron, la couche intrinsèque ayant une composition répondant à la formule Ga1#xAI xAs avec une densité de porteurs libres inférieurs à 101 At/cm3, x voisin de 0,1 ayant une épaisseur comprise entre 0,1 et 1 micron et la deuxième couche ayant une composition répondant à la formule Ga0,7Al0,3As de type p fortement dopée de densité supérieure à 10 At/cm3, d'épaisseur comprise entre 1 et 10 microns, les dimensions dans le sens de propagation de la lumière étant de l'ordre de 100 à 500 microns.