Brevet FR2525778A1 — publié le 19831028

DISPOSITIF DE MODULATION D'ONDE TRANSMISE DANS UN GUIDE D'ONDE OPTIQUE La présente invention concerne un dispositif de modulation d'onde transmise dans un guide d'onde optique. Un guide d'onde optique est constitué d'une couche mince généralement de l'ordre du micron et de haut indice de réfraction, déposée sur un support (ou substrat) d'indice de réfraction plus faible et recouverte d'un milieu (généralement l'air) également d'indice de réfraction plus faible. La couche mince peut être réalisée dans divers matériaux. La présente invention s'applique au cas où elle est réalisée dans un matériau semi-conducteur. Pour réaliser un traitement de signal optique dans des circuits optiques intégrés, il est nécessaire de savoir moduler l'intensité d'une onde lumineuse se propageant dans un guide. Les dispositifs de modulation actuels reposent sur des effets électrosptiques ou acousto-optiques. Un dispositif de modulation utilisant un phénomène différent est également décrit dans l'article de Koichi Toyoda et Susumu Namba, intitulé "Modulation of the Optical Guided Wave by U V light and Electron Beam Excitations", et publié dans la revue J.Vac. Sci. Technol. Vol 10, nO 6, Nov/Dec 1973.Ce phénomène est celui de l'absorption de l'onde lumineuse transmise dans un guide d'onde optique par les porteurs libres créés en plus ou moins grand nombre au sein du semi-conducteur constituant ce guide ; ces porteurs libres sont créés par une excitation du semi-conducteur soit au moyen d'un rayonnement lumineux, soit au moyen d'un faisceau d'électrons, et leur densité varie avec l'intensité de l'excitation. En l'absence d'excitation, ce modulateur est transparent, c'est-à-dire laisse passer l'onde lumineuse, et suivant l'intensité de l'excitation, il est plus ou moins opaque, c'està-dire qu'il absorbe plus ou moins l'onde lumineuse. Le dispositif de modulation décrit dans cet article présente des inconvénients quant à sa commande. En effet, lorsqu'il est excité au moyen d'un rayonnement lumineux, le problème de la modulation de l'onde lumineuse transmise dans le guide n'est pas résolu mais est seulement reporté à celui de la modulation de l'onde lumineuse d'excitation, et l'excitation au moyen d'un faisceau d'électrons implique en pratique la présence d'un matériel assez complexe et encombrant. Le modulateiSf melon l'invention permet d'éviter ces inconvénients. Le dispositif de modulat on selon l'invention utilise également le phénomène d'absorption de l'onde lumineuse par les porteurs libres. Mais, à la différence du dispositif de modulation décrit dans l'article précité, les porteurs. 'ires préexistent dans le semiconducteur, et la modulation ne consiste pas à les créer mais à les faire disparaitre en quantité plus ou moins importante. Ceci permet de commander le dispositif de modulation de manière extrêmement simple et facile à mettre en oeuvre en pratique. De plus le dispositif de modulation selon l'invention est entièrement réalisé en circuit intégré, ce qui limite son encombrement et facilite son application à l'optique intégrée. Selon l'invention, le dispositif de modulation d'onde transmise dans un guide d'onde optique réalisé dans un matériau semiconducteur comporte une zone dopée réalisée dans le matériau semi-conducteur constituant le guide et des moyens pour créer une zone désertée d'épaisseur variable dans cette zone dopée. Les objets et caractéristiques de la présente invention apparaitront plus clairement à ia lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels: - ia figure 1 est un schéma d'un premier exemple de réalisation d'un dispositif de modulation suivant l'invention; - la figure 2 est un schéma d'un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif de modulation suivant l'invention; - la figure 3 est un schéma d'un troisième exemple de réalisation d'un dispositif de modulation suivant l'invention. Sur la figure 1 on a représenté en coupe longitudinale un guide d'onde optique comportant une couche mince 1 réalisée dans un matériau semi-conducteur et formant le guide proprement dit, et un substrat 2 sur lequel repose la couche mince 1. La couche mince 1 a un indice de réfraction supérieur à celui du substrat 2 et à celui du milieu qui la recouvre (généralement l'air). Elle est réalisée dans un matériau semi-conducteur tel que l'Arseniure de Callium ou le Tellurure de Cadmium par exemple. Par des procédés connus, tels que le couplage par prisme, une onde lumineuse est introduite et se propage dans le guide. Ce guide sert de support à un dispositif de modulation destiné à moduler l'onde lumineuse transmise. Le dispositif de modulation comporte une zone dopée 3 réalisée dans le matériau semi-conducteur 1 et représentée sur la figure 1 par des hachures. La zone dopée est avantageusement de type n car les électrons ont un pouvoir d'absorption de l'onde lumineuse supérieur à celui des trous. Conformément à un premier exemple de réalisation qui fait l'objet de la figure 1, I'épaisseur e (prise dans le sens transversal) de la zone dopée 3 est égale à la hauteur h (également prise dans le sens transversal) du guide 1. Le dispositif de modulation comporte également des moyens pour créer une zone désertée 4 d'épaisseur variable w dans la zone dopée 3. Comme représenté sur la figure 1, les moyens pour créer une zone désertée d'épaisseur variable comportent une capacité MIS dont l'élément S (semi-conducteur) est constitué par la zone dopée 3, dont l'élément I (isolant) est constitué par une couche 5 réalisée dans un matériau isolant et recouvrant la zone dopée 3, et dont l'élément M (métal) est constitué par une électrode métallique 6 recouvrant la couche 5. On explique maintenant le fonctionnement du dispositif de modulation représenté sur la figure 1. La longueur d'onde de l'onde lumineuse transmise dans le guide doit être choisie supérieure à la longueur d'onde de coupure du modulateur, c'est-à-dire à une longueur d'onde en dessous de laquelle le modulateur est transparent, aucune absorption de photons par les porteurs libres ne se produisant . Cette longueur d'onde de coupure définissant le comportement d'un semi-conducteur fortement dopé à l'égard d'un ra"onnement lumineux est tout à fait comparable à celle définissant le compc.tement d'un plasma à l'égard d'un rayonnement lumineux. La longueur d'onde de l'onde lumineuse transmise dans le guide doit également être choisie intérieure j la longueur d'onde de coupure géométrique du guide, c'est-à-dssze à une longueur d'onde au delà de laquelle les ondes lumineuses ne se propagent plus dans le guide en raison des dimensions du guide. On considère tout d'abord le cas où aucun potentiel n'est appliqué sur l'électrode métallique 6. Dans ce cas les porteurs libres (électrons dans le cas d'un dopage de type n3 absorbent l'énergie des photons constituant l'onde lumineuse transmise dans le guide. Pour avoir une bonne absorption , on a intérêt à choisir un dopage très élevé car le coefficient d'absorption varie comme la densité de porteurs libres. Un dopage de l'ordre de 1018 électrons par cm3 convient parfaitement. On considère maintenant le cas où un potentiel (négatif dans le cas d'un dopage de type n) est appliqué sur l'électrode métallique 6. Suivant le fonctionnement bien connu des capacités MIS, une zone désertée apparait dans la zone dopée 3 à la jonction de celle-ci avec l'isolant 5. Les porteurs libres ayant quitté cette zone, aucune absorption de photons ne s'y produit ; le dispositif de modulation est donc transparent dans la zone désertée et opaque en dehors de la zone désertée. Cette zone désertée à une épaisseur w qui s'exprime de la façon suivante: où est la constante diélectrique du matériau semi-conducteur constituant le guide, N le dopage de ce semi-conducteur, q la charge de l'électron, et 'f S le potentiel de surface (directement lié au potentiel appliqué sur l'électrode métallique 6). Cette épaisseur w est donc facilement modulable par le potentiel de commande appliqué sur l'électrode métallique 6. De plus, par un choix convenable du matériau semiconducteur, du dopage et du potentiel de commande, cette épaisseur peut atteindre I à 2 microns, c'est-à-dire peut occuper toute l'épaisseur du guide, le guide étant alors totalement transparent. Les moyens pour créer, dans la zone dopée 3, une zone désertée 4 d'épaisseur variable peuvent également être réalisés à l'aide d'une jonction PN polarisée en inverse, I'un des éléments P et N étant alors constitué par la zone dopée 3, et la polarisation etant variable. Ces moyens peuvent également être réalisés à l'aide d'une barrière de Schottky, la zone dopée 3 servant alors de support à une électrode métallique sur laquelle est appliquée un potentiel variable. De meilleurs résultats sont cependant obtenus avec une capacité MIS ou une jonction PN car il est préférable que le guide 1 soit entouré de milieux isolants. D'après l'expression de l'épaisseur w de la zone désertée en fonction du dopage, il semble difficile de concilier les deux objectifs qui sont d'une part un dopage N très élevé, de manière à avoir une bonne absorption des photons par les porteurs libres, d'autre part la possibilité d'obtenir une zone désertée de grande épaisseur, de manière à avoir une bonne sensibilité du dispositif de modulation. L'exemple de réalisation représenté à la figure 2 permet de concilier ces deux objectifs. Des éléments identiques sur les figures 1 et 2 portent les mêmes repères. Cet exemple de réalisation ne diffère de celui représenté sur la figure 1 que par le fait que la zone dopée 3 a une épaisseur e inférieure à la hauteur h du guide 1. On appelle alors guide restreint la partie du guide I non occupée par la zone dopée 3. La longueur d'onde de l'onde lumineuse transmise est comme dans le cas de la figure 1, choisie inférieure à la longueur d'onde de coupure géométrique du guide, de sorte que la propagation de l'onde lumineuse dans ce guide est compatible avec ses dimensions géométriques La longueur d'onde de !'onde lumineuse est également choisie supérieure à la longueur d'onde de coupure géométrique du guide restreint de sorte que la propagation de l'onde dans le guide restreint est impossi7r Ainsi, en l'absence de potentiel appliqué sur l'électrode métallique 6 de la capacité MIS, le dispositif de modulation est opaque, et ceci pour deux raisons, une p -esnière raison tenant au phénomène d'absorption des photons par les porteurs libres dans la zone dopée 3, et une deuxième raison tenant à l'impossibiilté de propagation de l'onde dans le guide restreint. Par contre, lorsqu'un potentiel 'négatif en cas de dopage de type n > est appliqué sur l;électrode métallique 6 de la capacité MIS, et lorsque ce potentiel est suffisant pour créer une zone désertée d'épaisseur w égale à l'épaisseur e de la zone dopée, le dispositif de modulation est transparent pour l'onde lumineuse. En effet, il n'y a plus alors de porteurs libres dans la zone dopée 3 et la propagation de l'onde lumineuse est possible dans le guide 1. Cette variante de réalisation permet bien de réduire l'épaisseur de zone désertée nécessaire à la bonne sensibilité du dispositif de modulation, et ceci indépendemment du dopage N qui peut donc demeurer très élévé. Une variante de réalisation permettant de réduire le potentiel de commande nécessaire est représentée à la figure 3. Sur la figure 3, on a représenté en coupe transversale un guide d'onde optique comportant une couche mince 7 de matériau semiconducteur formant ie guide proprement dit, complètement entourée par un matériau semi-conducteur 8 d'indice de réfraction inférieur à celui du semiconducteur 7, le tout reposant sur un substrat 9. Les semi-conducteurs 7 et 8 sont dopés, leurs dopages étant de types opposés. Le semi-conducteur 7 est avantageusement dopé de type n et le semi-conducteur 8 de type p. Par polarisation inverse delta jonction PN ainsi obtenue, on crée dans le guide 7 une zone désertée d'épaisseur w qui s'étend sur toute la périphérie du guide 7, et non plus seulement sur une partie de la périphérie du guide comme c'était le cas pour les figures I et 2. Ceci permet donc de réduire la tension de commande nécessaire. Le dispositif de modulation selon l'invention est utilisable pour les longueurs d'onde comprises dans les domaines du visible, de l'infra-rouge et de l'ultra-violet, avec une préférence toute particulière pour l'infra-rouge, car le coefficient d'absorption d'une onde lumineuse par des porteurs libres est d'autant plus élevé que la longueur d'onde de l'onde lumineuse est grande. REVENDICATIONS ì. Dispositif de modulation d'onde transmise dans un guide d'onde optique (1) réalisé dans un matériau semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comporte une zone dopée (3) réalisée dans le matériau semi-conducteur constituant le guide (1) et des moyens (3, 5, 6) pour créer Jne zone désertée (4) d'épaisseur variable (w) dans cette zone dopée ( 2. Dispositif selcr kz revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur (e) de la zon ^ dopée (3i est egale à la hauteur (h) du guide (1). 3. Dispositif selon la revendica-ion 1, caractérisé en ce que l'épaisseur (e) de la zone dopée (3) est inférieure à Ia hauteur (h) du guide (1). 4. Dispositif selon la revendicat50n 3, caractérisé en ce que la longueur d'onde de l'onde lumineuse est inférieure à la longueur d'onde de coupure géométrique du guide il ' et supérieure à la longueur d'onde de coupure géométrique du guide restreint formé par la partie du guide (1) non occupée par la zone dopée (3). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la zone dopée (3) est de type n. 6. Dispositif selon l'une des revendications I à S, caractérisé en ce que les moyens pour créer une zone désertée (4) d'épaisseur variable (w) dans la zone dopée f3) comportent une capacité du type MIS dont l'élément S est constitué par la zone dopée (3), dont l'élément I consiste en une couche isolante (5) recouvrant la zone dopée (3), et dont l'élément M consiste en une électrode métallique (6) recouvrant la couche isolante (5), le potentiel appliqué sur l'électrode métallique (6) étant variable. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens pour créer une zone désertée (4) d'épaisseur (w) variable dans la zone dopée (3) comportent une barrière de Schottky où l'élément semi-conducteur est constitué par la zone dopée (3) et où l'élément métallique est constitué par une électrode métallique recouvrant la zone dopée (3), le potentiel appliqué sur l'électrode métallique étant variable. 8. Dispositif selon l'une des revendications I à 5, caractérisé en ce que les moyens pour créer une zone désertée (4) d'épaisseur (w) variable dans la zone dopée (3) comportent une jonction PN polarisée en inverse, I'un des éléments P et N étant constitué par la zone dopée (3) et la tension de polarisation étant variable. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'autre élément de la jonction PN recouvre la zone dopée (3). 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'autre élément de la jonction PN entoure complètement la zone dopée (3).