Brevet FR2475813A1 — publié le 19810814

1. La présente invention concerne un dispositif laser à semi-conducteur permettant d'éliminer les auto-impulsions à haute fréquence, qui constituent une caractéristique indé- sirable de certains lasers à semi-conducteur. Les lasers à injection à semi-conducteur convien- nent particulièrement aux systèmes de transmission par fibres optiques à débit de données élevé, étant donné qu'ils peuvent être modulés dans la gamme GHz et ont une largeur de bande de sortie bien définie et étroite. Les deux difficultés rencontrées dans le fonction- nement des lasers à semi-conducteur à des taux de modulation élevés sont que (1) les oscillations de relaxation transitoi- res sont générées lorsque le laser est commuté pour la premiè- re fois, et (2) dans certaines circonstances pas encore tota- lement déterminées, les lasers à semi-conducteur présentent des impulsions entretenues dans une certaine gamme de condi- tions de polarisation. Dans le premier cas, la fréquence d'oscillation est de l'ordre de 1 GHz et le laser atteint un état constant en l'espace de quelques nanosecondes. Dans le second cas, on pense que les impulsions dont la fréquence est comprise entre 0,2 et 2 GHz, proviennent de défauts cristal- lins, entre autres de défauts qui se développent pendant le fonctionnement du laser. Cela explique pourquoi certains la- 2. sers ne présentent pas d'oscillations entretenues du tout, alors que d'autres ne sont sujets à des impulsions qu'avec le vieillissement du dispositif. Chinone et autres dans (Applied Physics Letters, Vol. 33, page 12, 15 décembre 1978) montrent que les oscil- lations de relaxation et les impulsions entretenues dans la sortie d'un laser à semi-conducteur peuvent être supprimées en réinjectant dans la cavité résonante du laser la lumière réfléchie par un miroir extérieur placé près de la facette de sortie du laser. Chinone et autres décrivent un agence- ment permettant de supprimer les oscillations, lequel fait appel à un laser, à une lentille convergente séparée du la- ser et un miroir plan séparé de la lentille. La lumière du laser est rendue parallèle à la lentille convergente et est transmise par un interstice d'air d'une longueur de l'or- dre de 1 cm avant d'être réfléchie, par l'intermédiaire de la lentille, vers le laser. Il est évident que, bien que la méthode et le dispo- sitif décrits par Chirone et ultérieurement, sous forme modi- fiée, par Kobayishi (brevet des Etats-Unis d'Amérique no 4.079.339) puissent donner entière satisfaction dans la mesu- re o les auto-impulsions sont étouffées, il serait préféra- ble que l'étouffement ait lieu dans la puce de semi-conduc- teur, elle-même sans avoir recours à un réflecteur et à un moyen extérieur de collimation de lumière, ce dernier étant à la fois encombrant et d'un réglage fastidieux. Dans ses aspects les plus généraux, la présente in- vention prévoit un dispositif laser a semi-conducteur com- prenant une puce de semi-conducteur formée dans une structure classique de laser à semi-conducteur, puce dans laquelle, en un endroit distant de la zone de fonctionnement laser, une émission spontanée est produite, cette émision étant couplée à la zone de fonctionnement laser. L'émission spontanée peut être produite par des structures de diodes à lueurs formées de chaque côté de la zone de fonctionnement laser. Les diodes à lueurs peuvent être placées à une distance suffisamment proche de la zone 3. de fonctionnement laser Four que la lumière soit couplée via l'agencement de la partie intermédiaire de la couche ac- tive. Dans une structure pratique, des contacts supérieurs du laser et des diodes à lueurs peuvent être déposés en une seule couche d'ensemble, puis photodéfinis de façon à produi- re des contacts séparés alors que le laser et les diodes peu- vent partager un contact inférieur commun. Les diodes à lueurs peuvent être réparties sur les deux côtés d'un laser et être polarisées individuellement de façon à avoir une in- fluence sur l'efficacité de l'action du fonctionnement la- ser pour qu'elle soit différente sur la longueur du laser. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec la figure ci- jQinte qui représente une vue en perspective d'un dispositif laser selon la présente invention. En liaison avec la figure, un dispositif laser à hétérostructure double 10 comprend un substrat 12 en GaAs de type n sur lequel sont formées une couche inférieure 14 en GaAlAs de type n d'environ 1,5 micron d'épaisseur, une cou- che active 16 en GaAlAs de type p d'environ 0,2 micron d'épaisseur, une couche supérieure 18 en GaAlAs de type p d'environ 1,5 micron d'épaisseur et une couche de tête 20 en GaAs de type p d'environ 0,8 micron d'épaisseur. La couche est rendue hautement résistante par bombardement de pro- tons à haute énergie sauf en ce qui concerne une bande 22 et des zones rectangulaires 24 sur le flanc de cette bande. La distance entre zones 22 et chacune des zones 24, l, est d'environ 5wm alors que leurs longueurs sont respectivement de 200 à 130om. Les contacts avec le laser à hétérostructure double sont déposés sous vide sous forme d'une couche en or 28 sur la couche 20 et d'une couche 30 en or-germanium d'environ o 1000 A d'épaisseur sur la surface inférieure du substrat 12. La zone de contact supérieur est photodéfinie pour constituer un patin de contact laser 32 et des patins de contact 34 pour une paire de diodes à lueurs. La distance entre le patin de contact 32 et chacun des patins 34 est rendue aussi peti- 4. te que possible - elle est d'environ 5wm. Cela permet de maxi- maliser la largeur de la zone du patin de contact -32 immédia- tement au-dessus de la cavité de fonctionnement laser, mini- misant ainsi la résistance à l'injection de courant au con- tact supérieur du laser. Les patins de contact 34 recouvrent les zones 24 à faible résistivité qui sont encastrées dans des facettes clivées 26 sur environ 50pm. Les facettes extrêmes opposées 26 du dispositif la- ser à chauffage direct sont clivées de façon à former un ré- sonateur à cavité, permettant d'entretenir une émission de photons stimulée dans la couche active 16 lorsque la jonc- tion p-n entre la couche active 16 et la première couche 14 est polarisée dans le sens direct. En fonctionnement, lorsque le courant traverse le laser par l'intermédiaire des contacts 32 et 30, les porteurs de courant injectés dans la couche active 16 excitent les ato- mes à des états de haute énergie, la couche active 16 introdui- sant ainsi des porteurs en excès dans les bandes de conduc- tion et de valence. Pbur des niveaux de commande de courant suffisamment élevés, les densités de porteurs sont suffisam- ment en excès de leurs valeurs d'équilibre thermique pour que l'on puisse dire que la zone a sa population inversée. Lorsque cela se produit, lés porteurs sont stimulés par le champ optique (photo rs) pour une recombinaiso n, ajoutant ra- diativement leurs photons d'énergie au champ optique. L'émis- sion de photons se propage dans la couche active 16 provoquant le même changement d'énergie pour les porteurs adjacents, la lumière obtenue étant cohérente et correspondant à ce chan- gement. Les couches 14 et 18 et les facettes clivées 26 défi- nissent une cavité résonante à l'intérieur de laquelle ce processus de stimulation se produit. Les facettes extrêmes 26 agissent en miroirs à réflexion partielle, permettant à une fraction de cette lumière de quitter la cavité et de se propager dans une direction perpendiculaire aux facettes. Comme indiqué précédemment, les lasers à semi-con- ducteur présentent des oscillations de relaxation transitoi- res à partir du démarrage jusqu'à ce que leur sortie attei- 5. gne un état constant - durée de quelques nanosecondes. De plus, et en fonction de ce qui précède, on pense que, s'agis- sant de l'intégrité cristalline du laser, certains lasers présentent des impulsions spontanées entretenues dans la gamme de fréquence 0,2 - 2 GHz, la fréquence variant avec la polarisation appliquée du courant. En bref, on pense que les impulsions à haute fré- quence proviennent de la présence d'absorbeurs ou trappes saturables en des emplacements défectueux de la puce de semi-conducteur. Dans un cycle d'impulsions, le courant du la- ser produit des photons qui remplissent à l'origine les trap- pes. Tant que les trappes n'ont pas absorbé un nombre suf- fisamment grand de photons, la perte de la cavité sera élevée et le fonctionnement laser empêché. Entre temps, le nombre de porteurs injectés est passé à un niveau très élevé. Lorsque les trappes sont remplies pour la plupart, la perte de la ca- vité décroît, ce qui provoque brutalement un gain net d'excès dans la cavité laser, et une salve intense d'émission stimulée se produit. Etant donné que le courant injecté ne peut main- tenir le gain élevé du laser, la densité de photons chute alors que les trappes reviennent à leur état non excité. Le cycle se répète alors, de façon à créer une série d'impulsions optiques pointues. Ces deux fluctuations d'oscillation sont au moins supprimées en partie par une émission de lumière spontanée produite à l'intérieur des diodes à lueurs 35 et couplées via une partie intermédiaire de la couche active 16 à la cavité résonante du laser. Comme le montre la figure, un fil de polarisation commun 36 assure que les deux diodes 35 reçoivent le même courant de polarisation. Cependant, cela n'est pas nécessai- rement le cas. Ainsi, les diodes 35 peuvent être soumises in- dividuellement à des courants de polarisation différents, si, par exemple, les caractéristiques des diodes ou leur distan- ce du laser doivent être différentes les unes des autres.Une compensation peut être ainsi introduite qui permettra d'éga- liser le couplage de lumière dans les deux côtés du laser. 6. En variante,il peut être avantageux d'avoir une entrée de lumière provenant d'une diode différant de celle de l'autre diode. De fait, l'uniformité du fonctionnement laser sur sa longueur peut être influencée en ayant une série de diodes à lueurs réparties de chaque côté de la cavité résonante. En polarisant différentiellement les diodes, un niveau élevé d'émission de lumière spontanée peut être couplé dans le la- ser en un endroit o le fonctionnement laser est plus faible qu'en un endroit o ce fonctionnement est fort. L'émission de lumière spontanée se produit dans toutes les directions depuis la partie de la couche active 16 dans laquelle se produit la génération de lumière par diode. Les zones actives des dbdes à lueurs sont par consé- quent séparées d'une distance, 1m, d'environ 50m des facet- tes 26 de sorte que l'émission de lumière spontanée par dio- de ne réduit pas le rapport d'extinction du laser qui pour- rait influencer de façon néfaste le laser s'il était utili- sé dans un système numérique. Bien que l'invention soit décrite en termes de la- ser à hétérostructure double, il-apparaîtra à l'homme de l'art que des dispositifs à laser à hétérostructure simple ou homojonction peuvent être fabriqués d'une manière simi- laire. De plus, bien que dans l'exemple décrit, la lumière spontanée générée dans la couche active atteigne la zone de fonctionnement laser par pénétration dans une partie inter- médiaire de la puce du dispositif laser, la lumière sponta- née pourrait être guidée vers la zone de fonctionnement la- ser au moyen d'une couche de guide d'onde. Finalement, bien qu'il soit commode de produire l'émission de lumière sponta- née et la lumière laser dans la même couche active, il y a des avantages à produire la lumière dans une couche active séparée spatialement, étant donné qu'avec un choix approprié de la composition chimique des couches du-dispositif, des couches actives ayant des lignes d'émission différentes peuvent être obtenues. On a trouvé que l'étouffement des au- 7. to-impulsions était plus efficace si une lumière spontanée de longueur d'onde plus courte que la lumière laser était injectée dans la région de fonctionnement laser. La présente invention n'est pas limitée aux exem- ples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 8. REVENDICATIONS 1 - Dispositif laser à semi-conducteur comprenant une puce de semi-conducteur comportant une zone de fonction- nement laser active, dans laquelle la lumière laser est gé- nérée, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (24, 34, 36) à l'intérieur de la puce en un endroit distant de la zo- ne de fonctionnement laser pour la production d'une émission de lumière spontanée et pour la direction d'une partie d'au moins l'émission de lumière spontanée dans la zone de fonc- tionnement laser. 2 - Dispositif laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de fonctionnement laser est située à l'intérieur d'une couche active (16) et l'émission de lumière spontanée est produite en un endroit de la couche active distant de la zone de fonctionnement laser. 3 - Dispositif laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie de la couche active (16) est placée suffisamment près de la zone de fonctionnement laser pour que ladite partie d'au moins l'émission de lumière spon- tanée pénètre via la partie intermédiaire de la puce dans la zone de fonctionnement laser. 4 - Dispositif laser selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif (10) est du type à hétérostructure double, la zone de fonctionnement laser étant définie longitudinalement par des facettes à miroir couches supérieure et inférieure (18, 14) au-dessus et au- dessous de la zone de fonctionnement laser, et latéralement par la largeur d'une bande conductrice de faible résistivité (22) de matériau au- dessus de la couche supérieure (18j pour diriger le courant vers la zone de fonctionnement laser. - Dispositif laser selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen de génération d'émis- sion de lumière spontanée comprend une diode à lueurs (35) formée près de la zone de fonctionnement laser. 6 - Dispositif laser selon la revendication 5, ca- ractérisé en ce que deux diodes à lueurs identiques (35) sont 9. situées aux flancs de la zone de fonctionnement laser de fa- çon à constituer une structure symétrique. 7 - Dispositif laser selon la revendication 5, ca- ractérisé en ce que la diode à lueurs (35) et la zone de fonc- tionnement laser sont formées sur un substrat (12), à la sur- face inférieure duquel est formé un contact inférieur commun (30) pour le laser et la diode à lueurs. 8 - Dispositif laser selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif (10) a une couche de tête (20) de haute résistivité à l'exception de zones prédétermi- nées (22, 24), zones qui dirigent le courant vers le laser et vers la diode à lueurs (35) par l'intermédiaire de con- tacts (28, 34) formés sur une surface supérieure de la couche de tête (20). 9 - Dispositif selon la revendication 8, caractéri- sé en ce qu'une pluralité de diodes à lueurs (35) s'étendent le long de chaque côté de la zone de fonctionnement laser et en ce que les diodes à lueurs (35) de chaque côté sont po- larisées individuellement. 10 - Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que les contacts supérieurs (34) des diodes à lueurs sont connectés en commun. 11 - Dispositif selon la revendication 5, caractéri- sé en ce que la diode à lueurs (35) est plus courte que la zone de fonctionnement laser, les extrémités respectives de la diode à lueurs (35) étant distantes vers l'intérieur des fa- cettes à miroir (26) de la zone de fonctionnement laser. 12 - Dispositif selon la revendication 5, caractéri- sé en ce que les contacts supérieurs (28,34) pour la zone de fonctionnement laser et la diode à lueurs (35) sont dans le même plan parce qu'ils sont formés en une seule couche, cou- che qui est ensuite photodéfinie.