Brevet FR2337449A1 — publié le 19770729

La présente invention concerne un circuit optique du type à guides ondes à structure multiple et hétérogène, dans lequel différents circuits fonctionnels sont ménagés sur une plaquette en couplant des éléments à couche mince à un guide d'ondes, par 1' intermédiaire de coupleurs directionnels. On va tout d'abord décrire la relation existant entre les éléments optiques passifs et actifs et un guide d1 ondes de 1' art antérieur. Dans ce but, on va expliquer la relation entre un laser à semiconducteurs et un guide d'ondes, Dans un laser à semiconducteur classique, un réflecteur est fixé sur chaque extrémité d'un milieu laser, de manière que le laser à semiconducteur puisse fonctionner comme un résonateur. I1 a été très difficile de fixer un guide d'ondes sur le résonateur pour dériver une partie de la lumière du laser par 1' intermédiaire du réflecteur.On a proposé d'utiliser un coupleur directionnel pour coupler un guide d' ondes à un laser à semiconducteur du type à résonateur en anneau. Cependant, la fixation du guide d'ondes reste difficile dufait qu'une partie de la lumière du laser est dérivée. En outre, ces dispositifs ne peuvent pas titre réalisés sous la forme d'un circuit intégré. On a également proposé d'utiliser un réflecteur de répartition qui est fixé sur une partie d'un laser à semi conducteur à couche mince et qui fait partie intégrante d'un guide d'ondes. Cependant, la perte de transmission dans le guide d' ondes est très importante pour la longueur d'onde de la lumière du laser étant donné que le guide d' ondes à couche mince a la méme composition que celle du milieu laser à semiconducteur. Il existe aussi l'inconvénient que la lumière de sortie diverge du fait que ltpaisseur du milieu laser à couche mince est très mince pour réduire le courant de seuil d'oscillation.En outre, pour intégrer ces dispositifs avec d'autres éléments optiques, il est nécessaire d'utiliser des éléments optiques fabriqués individuellement. De plus, il apparait une perte de couplage lorsque les éléments optiques sont couplés, et la durée de vie est courte du fait que les cristaux croissent sur le réflecteur de répartition une fois que ce dernier est termine. La présente invention se propose de réaliser un circuit optique intégré du type à guide d'ondes et à structures multiples et hétérogènes, dans lequel des éléments à couches minces, comme par exemple un laser à semiconducteur, est couplé, par l'intermédiaire d'un coupleur directionnel, à un guide d'ondes qui présente une perte de transmission minimale. La présente invention se propose aussi de réaliser un circuit optique intégré à structure multiple et hétérogène, dans lequel des éléments à couche mince du type mesa sont formés de facon à faire partie intégrante d'un guide d'ondes à structure multiple et hétérogène, et y sont couplés par l'intermédiaire d'un coupleur directionnel de manière à pouvoir former simultanément, par croissance des cristaux, des oscillateurs laser, des modulateurs, des amplificateurs, des détecteurs ou des démodulateurs, des modulateurs spaciaux, etc. La présente invention se propose encore de réaliser un circuit optique intégré du type à guide d'ondes à structure multiple et hétérogène, dans lequel des circuits d'entrée et de sortie de transformation de mode, et des lentilles à couche mince qui ne sont pas directement liées à la durée de vie des éléments à couche mince sont réalisés sous la forme d'un circuit intégré, de sorte que le circuit optique intégré peut etre plus compact, et plus efficace avec une perte minimale par rapport suc circuits optiques intégrés antérieurement connus. Ceci est obtenu suivant l'invention grace au fait qu'elle fournit un circuit optique intégré du type à guide d'ondes à structure multiple et hétérogène, dans lequel un oscillateur à couche mince du type mesa, constitué par des éléments optiques actifs et/ ou passifs, est formé de façon à faire partie intégrante d'un guide d'ondes dans lequel les pertes de transmission à la longueur d'onde dalla lumière laser devant être transmises sont moindres, et y est couplé par l'intermédiaire d'un coupleur directionnel. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de plusieurs formes de réalisation données à titre d'exemples et représentées au dessin annexé dans lequel les figures 1, 2 et 3 sont des vues schématiques utilisées pour décrire un laser à semiconducteur associé à un guide d'ondes antérieurement connus. La figure 4 est une vue en perspective d'une première forme de réalisation de l'invention. La figure 5 est un schéma montrant la relation existant entre les indices de réfraction des couches du dispositif représenté dans la figure 4. La figure 6 est un schéma du dispositif représenté dans la figure 4. Les figures 7 et 8 sont des vues utilisées pour expliquer le mode de fonctionnement du dispositif représenté dans la figure 4. les figures 9a et 9b sont des schémas servant à expliquer les relations existant entre les constantes de propagation et les formes d'ondes. La figure 10 représente les différentes phases de fabrication du dispositif de la figure 4. les figures 11 à 22 sont des schémas représentant respectivement des variantes de llinvention. la figure 1 représente schématiquement un exemple de circuit de sortie laser antérieurement connu. Un coupleur 4 d'un guide d'ondes 3 constitué par un matériau diélectrique est placé au-dessous d'un laser à semiconducteur 1 comportant des extrémités réfléchissantes 2, de manière qu'une partie de la lumière laser produite dans le laser 1 puisse être transmise dans le guide d'ondes 3. Cependant, la fixation du guide d'ondes partiellement courbe est difficile. Dans une autre forme de réalisation antérieurement connue, représentée dans la figure 2, une partie du faisceau laser produit par un laser semiconducteur la du tyte à résonateur en anneau, est dérivée par l'intermédiaire d'un coupleur directionnel 3a, mais la fixation du guide d'ondes à faible perte est également difficile du fait qu'il faut utiliser des techniques de fabrication plus précises. Dans un autre agencement antérieurement connu, représenté dans la figure 3, un réflecteur de répartition 3b est fixé sur une partie d'un laser à semiconducteur 1 à couche mince, mais les pertes pour la longueur d'ondes de la lumière laser sont importantes du fait que le guide d'ondes est constitué par une couche mince ayant la mème composition que celle du laser. En outre, ltépaisseur du laser à couche mince est très faible pour faire décrotte le courant de seuil i:oscillatisn, de sorte qutit apparatt l'inconvénient que la lumière de sortie diverge. Un autre inconvénient, réside dans le fait que pour intégrer ce circuit avec d'autres éléments optiques, il est nécessaire d'utiliser des éléments optiques fabriqués de façon individuelle. Il apparat également l'inconvénient que des pertes de couplage sont induites entre les éléments traversés par la lumière. Les cristaux doivent croître sur le réflecteur de répartition 3b après qu'il ait été fabriqué, de sorte qu'il apparatt le problème que la durée de vie est courte. La figure 4 représente la première forme de réalisation de l'invention, comportant un oscillateur 10 et un guide d'ondes 20. L'oscillateur 10 est constitué par une couche 11 de GaAs, une couche 12 de AlzGal une couche active 13 constituée par du AlxGal-xAs, une première électrode 14 est des extrémités réfléchis santes 16 et 16a, des couches isolantes transparentes 15 et 15a étant interposées entre les extrémités réfléchissantes 16 et 16a et les couches ll à 13. la guide d'ondes 20 comportent une couche 21 de AlzGl zAs, qui est une couche destinée à coupler ltoscilla- teur 10 et le guide d'ondes 20, une couche 22 de Aly Gal As qui constitue un guide d'ondes de sortie, une couche 23 de AlzGal~z, une couche 24 de GaAs, et une électrode 25. las indices x, y et z sont liés par la relation suivante : x las indices de réfraction des couches sont représentés dans la figure 5, p et n indiquant le type du matériau semiconducteur. On va maintenant décrire le mode de fonctionnement en se référant à la figure 6 qui est une vue schématique du dispositif représenté dans la figure 4, et à la figure 7 représentant la façon dont une partie de la lumière laser est dérivée de l'oscillateur 10 vers le guide d'ondes 20. La longueur de couplage t c dépend des épaisseurs 2a, 2b et 2c, et des indices de réfraction nl, n2 et n3 de la couche active 13, de la couche 22 du guide d'ondes de sortie et de la couche de couplage 21. ss1,ss2 et ss3 sont les constantes de propagation. L'onde laser A1 présentant la longueur de couplage # c qui apparat à une extrémité de l'oscillateur 10 se propage dans la direction indiquée par la flèche en traits pleins, et se transforme progressivement pour devenir l'onde laser A2. Une partie de l'onde laser se propage dans le guide d'ondes 20 alors que l'onde laser A3, transmise dans ce guide d'ondes, constitue la sortie. A l'intérieur de l'oscillateur 10, l'onde laser est réflèchie par le miroir réfléchissant 16a suivant la forme d'onde Ala indiquée par les pointillés. L' onde laser Ala se transforme en onde laser A2a dont une partie se propage dans le guide d'ondes 20.L'onde laser A3a est réflèchie au niveau du miroir réfléchissant 16 pour former l'onde laser A1 représenté en trait plein. Dans ce cas, l'onde laser dans le guide d'onde 20 devient l'onde de sortie. Le mode de sortie de 1' onde laser avec une longueur de couplage Rc/2 est représenté dans la figure 8. Lorsque FI = 2 et ss1 # ss2 les ondes laser se présentent comme la superposition de deux ondes, comme représenté dans les figures 9(a) et 9(b). Comme décrit ci-dessus, l'osciîlateur à couche mince, constitué par un milieu laser et le circuit de sortie à couche mince, présentant une faible perte pour la longueur d'onde laser peuvent etre réalisés sous la forme d'une structure à plusieurs couches. Onva maintenant décrire le procédé de fabrication du dispositif représenté dans la figure 4. Dans le dispositif représenté dans la figure 4, les extrémités 16 de l'oscillateur 12, sur lesquelles sont formés les miroirs réfléchissants 16, ne peuvent pas etre clivés ou finis par polissage. Un exemple du procédé de fabrication suivant l'invention permettant de résoudre ce problème va etre décrit en se référant à la figure 10. Sur la plaquette constituée par, comme représenté dans la figure 10 (i), la couche Il de GaAs, la couche 12 de AlzGal zAs, la couche 13 de Al=Gal xAs, la couche 21 de AlzGal zAs, la couche 22 de AlyGal yAs, la couche 23 de Alz Ca l-z et la couche- 24 de GaAs est placé un masque 26, comme représenté dans la figure lO(ii). Le masque 26 est constitué par un cristal de GaAs dont les deux extrémités 27 et 27a sont clivées pour former des surfaces réfléchissantes. Le masque 26 est pLacé sur la couche 11 de manière que les surfaces des cristaux puissent cotncider les unes avec les autres. Après quoi, la plaquette est soumise à une pulvérisation inverse, de sorte que les parties déliminées par les pointillés peuvent etre éliminées, Ainsi, l'oscillateur 10 de type mesa peut etre formé de la façon représentée dans la figure lO(iii). Les surfaces extremes de l'oscillateur 10 sont finies de façon à avoir des surfaces réfléchissantes comme cela est le cas des surfaces extremes 27 et 27a du masque 26.Après quoi, comme représenté dansla figure lO(iv), les électrodes 14 et 25 sont fixées, les couches isolantes transparentes 15 et 15a sont fixées sur les surfaces extrèmes de l'oscilla- teur 10, puis les miroirs réfléchissants 16 et 16a sont fixés sur les couches isolantes transparentes 15 et 15a Ainsi, on peut obtenir un circuit optique intégré du type à guide d'ondes à structure multiple et hétérogène. Par expérience, on a trouvé que les surfaces réfléchissantes pouvaient etre obtenues sur la surface c110 ) du AtxGaS xAs, grace au procédé ci-dessus, les surfaces réfléchis santes ainsi obtenues permettent un effet laser. D'autres formes de réalisation de l'invm tion sont représenté tées dans les figures 11, 12 et 13. Dans le dispositif représenté dans la figure 11, ltoscillateur 10 ne possede pas d'extrémité réfléchissante, mais des réflecteurs de répartition 28 et 28a sont fixés sur la surface supérieure du circuit de sortie 20. Dans le dispositif représenté dans la figure 12, au lieu d'utiliser des réflecteurs de répartition 28, un miroir réfléchissant 27 est fixé sur le circuit de sortie 20, une couche isolante transparente 26 étant interposée entre les deux. Dans le dispositif représenté dans la figure 13, le miroir réfléchissant 27 fait partie intégrante de l'oscillateur 10.Dans ces formes de réalisation, la largeur de la couche du guide d'ondes constituée par du AtyGal yAs du circuit de sortie est représentée comme étant égale à celle de la plaquette, mais on comprendra que cette largeur peut etre choisie de façon arbitraire. Dans la cinquième forme de réalisation représentée dans la figure 14, un circuit de sortie 30 est associé au dispositif représenté dans la figure 4. L'oscillatetr 10 et le guide d'ondes 20 sont réalisés sous la forme d'un bloc unitaire, après quoi un circuit de sortie 30 de transformation de mode et réalisé en couche mince est formé sur le guide d'ondes 20, et y est couplé directionnellement. La lumière laser provenant de l'oscillateu: 10 est transmise, par l'intermédiaire du guide d'ondes 20, au circuit de sortie 30, à partir duquel la lumière laser est transmise, par l'intermédiaire d'une ligne de transmission 70 à fibres optiques, vers une destination souhaitée. Dans la sixième forme de réalisation représentée dans la figure 15, un amplificateur 40 et l'oscillateur 10 sont intégrés grace à une pulvérisation inverse de la plaquette représentée dans la figure 10(i) pour former simultanément l'oscillateur 10 et l'amplifi- cateur 40. Par conséquent, les couches actives du laser de l'oscil- lateur 10 et de l'amplificateur 40 ont la meme composition, de sorte que l'on peut obtenir un excellent amplificateur 40. La septième forme de réalisation représentée dans la figure 16 comporte en outre un modulateur 50, faisant partie intégrante de l'oscillateur 10 et de l'amplificateur 40 sur le guide d'ondes. La figure 17 représente en détail le dispositif de la figure 16. La référence 80 désigne une électrode supérieure qui sert aussi de réservoir de chaleur ; les références 81, 84 et 85 dési gnent des électrodes inférieures fixées ou formées sur la surface inférieure du guide d'ondes 20, respectivement pour ltoscillateur 10, l'amplificateur 4G 40 et le modulateur 50. Les références 81a, 84a et 85a désignent respectivement des régions de faible résistance formées au voisinage des électrodes inférieures 81, 84 et 85 par diffusion d'impuretés. Dans la huitième forme de réalisation représentée dans la figure 18, un détecteur ou démodulateur 60 est formé de façon à faire partie intégrante du guide d'ondes 20. A l'opposé des formes de réalisation décrites ci-dessus, seuls les éléments optiques passifs sont formés sur le guide d'ondes 20, ce dispositif étant conçu pur etre utilisé pour la détection, la démodulation ou le contrtle. Dans la neuvième forme de réalisation représentée dans la figure 19, l'amplificateur 40 est tout d'abord formé de façon à faire partie intégrante du guide d'ondes 20, puis on forme le circuit d'entrée 30a et le circuit de sortie 30. Dans la dixième forme de réalisation représentée dans la figure 20, un filtre 70 est incorporé au dispositif représenté dans la figure 18. Lorsque des lumières laser possédant les fréquences fl et f2 sont transmises à travers le guide d'ondes 20, le filtre 20 supprime la lumière laser présentant la fréquence 2 de façon à permettre la détection de la lumière laser présentant la fréquence f1 par k détecteur 60. Dans la figure 21, on a représenté un circuit arithmétique suivant l'invention, qui utilise la transformation de Fourier dans l'espace. La lumière laser provenant de lloscillateur 10 est transmise, par l'intermédiaire d'une lentille 91 à couche mince, dans un modulateur spatial 92 et est modulée avec le signal g. La lumière laser modulée est transmise, par l'intermédiaire d'une lentille 95 à couche mince, à un modulateur spatial 94 et est modulée par le signal h. Ensuite, le signal modulé est transmis, par l'intermédiaire d'une lentille 95 à couche mince, à un banc de détecteur 96 de façon à pouvoir obtenir (g x h) sorties. Suivant l'invention, ces composants peuvent etre réalisés sous la forme d'un circuit intégré. Dans le dispositif représenté dans la figure 22, on forme N oscillateurs, lOA, lOB... lON en parallèle de façon que leurs sorties puissent etre ajoutées par l'intermédiaire d'une lentille 97 à couche mince pour fournir une sortie de valeur élevée. Dans les formes de réalisation ci-dessus, on a utilisé des lasers à semiconducteurs en GaAs, mais on peut utiliser n'importe quel laser à diode à structure hétérogène appropriée , par exemple en InGaAs, AlGaASb, InGaAsP, etc. R E V E N~I C A T~I O N S 1 - Circuit optique intégré du type à guide- d'ondes à structures multiples hétérogènes, caractérisé par le fait qu'un oscillateur à couche mince du type mesa, comportant les éléments optiques passifs ou actifs, est formé sur un guide d'ondes à structure multiple hétérogène, présentant de faibles pertes pour la longueur d'ondes de la lumière laser qui doit etre transmise, de façon à en faire partie intégrante, par l'intermédiaire d'un coupleur direc tionnel. 2 - Circuit suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit oscillateur est constitué par une couche de GaAs, une couche de AQz Ca l-z' une couche active constituée par du AlxGal-x, une électrode fixée sur la couche de GaAs, et des miroirs réfléchissant formés par l'intermédiaire de couches isolantes déposées sur les surfaces extremes de l'oscillateur. 3 - Circuit suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit coupleur directionnel est constitué par une couche de AlzGal-zAs, une couche de A,tGaAsSb, ou une couche de InGaAs. 4 - Circuit suivant la revendication I, caractérisé par le fait que ledit guide d'ondes est formé par une couche de couplage constituée par du A#zGal-zAs destinée à établir un couplage entre l'oscillateur et le guide d'ondes, une couche constituant le guide d'ondes de sortie étant constituée par cht du AQyGal yAs, une couche de GaAs et une seconde électrode étant fixée sur la couche de GaAs. 5 - Circuit suivant la revendication 4, caractérisé par le fait qu'un réflecteur de répartition est formé sur la surface supérieure du guide d'ondes, de façon à en faire partie intégrante. 6 - Circuit suivant la revendication 4, caractérisé par le fait qu'un réflecteur de répartition et un miroir réfléchissant sont formés sur le guide d'ondes. 7 - Circuit suivant la revendication 4, caractérisé par le fait qu'un réflecteur réfléchissant est formé de façon à faire partie intégrante à la fois de 1' oscillateur et du guide d1 ondes. 8 - Circuit suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un circuit de sortie à couche mince, permettant d'adapter le mode, est formé sur la surface supérieure du guide d'ondes, de façon à en faire partie intégrante, et y est couplé de façon directionnelle. 9 - Circuit suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un amplificateur est formé sur la surface supérieure du gui de d'ondes, de façon à en faire partie intégrante. 10 - Circuit suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que plusieurs oscillateurs sont formés sur le guide d'ondes et sont agencés en parallèle de manière à pouvoir dériver les si- gnaux de sortie des oscillateurs par l'intermédiaire d'une lentille à couche mince. 11 - Circuit suivant la revendication 9, caractérisé par le fait qu'un modulateur est formé sur la surface supérieure du guide d1 ondes, de façon à en faire partie intégrante. 12 - Circuit suivant la revendication 11, caractérisé par le fait qu'un détecteur ou démodulateur est formé sur la surface supérieure du guide d'ondes, de façon à en faire partie intégrante. 13 - Circuit suivant la revendication 12, caractérisé par le fait qu'un filtre est en outre formé sur la surface supérieure du guide d'ondes, de façon à en faire partie intégrante. 14 - Circuit optique intégré du type à guide d'ondes à structure multiple hétérogène, caractérisé par le fait qu'il comporte un oscillateur laser à semiconducteurs, une première lentille à couches minces par l'intermédiaire de laquelle est transmise la lumière laser à partir de 1'oscillateur, un premier banc de modulateurs spatiaux agencés en parallèle de façon à moduler la lumière laser transmise par l'intermédiaire de la première lentille à couches minces, une seconde lentille à couche mince destinée à transmettre la lumière laser modulée provenant du premier banc de modulateurs spatiaux, un second banc de modulateurs spatiaux agencés en parallèle pour moduler en outre la lumière laser transmise par l'intermédiaire de la seconde lentille à couche mince, une troisième lentille à couche mince destinée à transmettre la lumière laser provenant du second banc de modulateurs spatiaux, et un bande détecteurs agencés en parallèle pour détecter ou démoduler la lumière modulée transmise par 11 intermédiaire de la troisième lentille à couches minces. 15 - Procédé de fabrication d'un circuit optique intégré du type à guide d'ondes à structure multiple hétérogène, caractérisé par le fait qu'il consiste à préparer une plaquette multicouche comportant une première couche constituée par du GaAs, une seconde couche constituée par du At .Gal~,As, lesdites première et seconde couches constituant un oscillateur, une troisième couche constituée par du A% CaîzAs et constituant une couche de couplage, une qua- trième couche constituée par du A 9Gal yAs et constituant un guide d'ondes de sortie, une cinquième couche constituée par du A#zGal-zAs, et une sixième couche constituée par du GaAs, lesdites couches étant disposées dans l'ordre cité du haut vers le bas, à placer un masque sur la première couche, à attaquer chimiquement la plaquette de façon à éliminer les couches non souhaitées au-dessus de la moitié inférieure de la couche de couplage constituée par du z zAs, formant ainsi un oscillateur de type mesa, à finir les surfaces extremes de ltoscillateur du type mesa de façon à obtenir des surfaces réfléchissantes, à fixer des couches isolantes transparentes sur les surfaces extremes réfléchissantes, et à former des miroirs réfléchissants sur les couches isolantes transparentes. 16 - Procédé suivant la revendication 15, caractérisé par le fait que ledit masque est constitué par un cristal de GaAs dont les extrémités sont clivées pour obtenir des surfaces réfléchissantes, ce masque étant placé sur la première couche de GaAs de l'- cillateur de manière que les surfaces cristallines cotncident l'une avec l'autre.