Brevet FR2558271A1 — publié le 19850719

La présente invention a pour objet un coupleur directif électrooptique à double hétérostructure et à rubans. Parmi les diverses formes que peut prendre un coupleur directif électro-optique, la plus simple est celle qui est représentée sur la figure 1. I1 s'agit d'un dispositif comprenant une structure de propagation de la lumière, constituée par un substrat 10 contenant deux guides d'onde optiques G1 et G2 réalisés en un matériau électro-optique. Cette structure est recouverte par une structure d'électrodes comprenant deux microbandes conductrices MB et MB' déposées sur le substrat et recouvrant au moins par- tiellement les deux guides optiques. L'une des électrodes est reliée à une source de tension 12, l'autre à la masse. La lumière pénètre par le guide G1 et ressort par l'un et/ou l'autre des guides.Pour des raisons de commodité d'accès, les guides s'éloignent l'un de l'autre à leurs extrémités suivant la forme évasée représentée sur la figure 1. Le fonctionnement de e dispositif est le suivant. Les deux guides sont suffisamment proches l'un de l'autre pour que, par onde évanescente, un couplage existe entre eux. Dans chaque guide, la propagation de la lumière est caractérisée par une constante de propagation, respectivement ssl et 52? dont la valeur peut être modifiée par application d'un champ électrique. Lorsque deux champs différents sont appliqués aux deux guides, un "déphasage" Ass=ssl-ss2 apparat. On définit alors une longueur de transfert régale à it/2k, où k est le coefficient de couplage entre guides : c'est la longueur minimum des guides nécessaire à l'obtention d'un transfert total de la lumière d'un guide vers l'autre.Si le déphasage AD est nul, on obtient un transfert total du guide d'en trée G1 vers le guide G2, lorsque la longueur totale du dispositif L est un multiple entier impair de la longueur de transfert 1. La lumière incidente pénétrant dans le guide G1 ressort alors par le guide G2. Cet état est désigne généralement par "état croisé" et est noté O. Si la longueur L du coupleur est un multiple pair de , la lumière ressort par le guide G1. Cet état est désigné par "état direct" et est noté é. En appliquant une tension à l'une des électrodes, on modifie le déphasage A , et l'on peut passer d'un état croisé à un état direct. En d'autres termes, on réalise une modulation de l'intensité lumineuse extraite de l'un des guides. Une variante plus élaborée de ce dispositif est représentée sur la figure 2. Selon cette variante, deux sections identiques S1 et S2 sont constituées de microbandes MB1, MB'î et MB2, MB '2 Ces sections présentent des déphasages alternés +Ass et -AR, l'alternance étant obtenue en permutant les connexions électriques d'une section à l'autre. Le fonctionnement de ce dispositif est un peu plus complexe mais revient encore à deux états croisé et direct. L'intérêt de cette structure, dite à déphasage alterné, est de conduire à une tolérance assez grande sur la longueur de la zone active. Le dispositif élémentaire de la figure 1 exigeait au contraire une très grande précision de fabrication. Par ailleurs, avec un coupleur à déphasage alterné le fonctionnement est possible dans une large bande spectrale. Toutes ces considérations sont connues de l'homme de l'art et sont développées, par exemple, dans l'article de H. KOGELNIK et R.V. SCHMIDT, intitulé "Switched Directional Couplers with Alternating A", publié dans la revue IEEE Journal Qf Quantum Electronics, vol QE-12, nO 7, Juillet 1976, pages 396-401. L'intérêt des coupleurs directifs électrooptiques dans le domaine des télécommunications par fibre optique n'est plus à démontrer. Un large domaine d'applications est possible utilisant la modulation rapide, ou la commutation, ou la bistabilité, ou encore le multiplexage en longueur d'onde, etc... Pour les transmissions à longue distance et à fort débit, où la dispersion chromatique de la fibre peut limiter les performances de la liaison, les coupleurs directifs permettent de conserver à l'émission une finesse de spectre optique convenable, ce qui n'est pas toujours le cas lorsque la modulation est obtenue directement par action sur le courant du laser. Pour fabriquer des coupleurs directifs, les matériaux semiconducteurs de la famille III-V sont particulièrement attrayants du fait de leurs qualités optiques et électroniques, qui les rendent particulièrement aptes à l'intégration monolithique et à l'obtention de très larges bandes passantes. L'un des matériaux les plus utilisés est le composé GaAs. Cependant, les coupleurs directifs à base d'homostructure en GaAs présentent des pertes de propagation relativement importantes. D'autres composés comme AlxGal~xAs (où x est inférieur à 1) ont été employés. Par exemple l'article de K. TADA et al intitulé "Theory and Experiment on Coupled-Waveguide Optical Modulators with Schottky Contacts" publié dans la revue Japanese Journal of Applied Physics, vol. 18 (1979) Supplement 18-1, p. 393-398 décrit une structure à rubans avec contacts Schottky utilisant un substrat en AlxGal xAs et une couche de GaAs de type n servant de guide. I1 s'agit donc d'une simple hétêrostructure. Cette structure est également décrite dans l'article de K. TADA et al intulé "New Coupled-Waveguide Optical Modulators with Schottky Contacts" et publié dans la revue-Journal of Applied Physics 49 (11) Novembre 1978, p. 5404. On connaît aussi des coupleurs directifs formés d'une double hétérostructure en ce sens qu'ils utilisent un substrat en GaAs, une première couche en AlxGal~xAs de confinement, une deuxième couche en AlyGal yAs guidante et une couche mince de contact en GaAs. Une telle structure est décrite par exemple dans l'article de A.R. REISINGER et al intitulé "GaAlAs Schottky Directional-Coupler Switch" publié dans la revue "Applied Physics Letters", 31 (12), 15 décembre 1977, p. 836-838. Une telle structure planaire est recouverte d'une ligne formée de trois bandes de métal formant contact Schottky. Le confinement de la lumière dans le plan des couches est obtenu par cette ligne, la lumière se propageant dans la partie située sous l'intervalle entre les couches métalliques. Dans le but de réduire encore les pertes de transmission et d'améliorer les performances du coupleur, l'invention propose une nouvelle configuration qui combine des éléments séparément connus à savoir une double hétérostructure et des rubans surmontés de contacts Schottky. De façon précise, l'invention a pour objet un coupleur directif électrooptique comprenant un substrat en GaAs surmonté de couches semiconductrices épitaxiées de type III-V, caractérisé par le fait que les couches comprennent, en partant du substrat, une première couche en AlxGal xAs, une deuxième couche de guidage en GaAs, une troisième couche en AlyGa1yAs. La première couche de confinement en AlxGal xAs évite l'absorption du mode guidé par les porteurs libres du substrat conducteur. De la meme façon, la deuxième couche de confinement en AlyGa1yAs empêche l'absorption de la lumière par le métal de l'électrode. Ces deux dernières couches sont gravées plus ou moins profondément suivant le degré de confinement souhaité du mode guidé pour former deux rubans parallèles, au sommet desquels sont déposés des contacts Schottky, la lumière se propageant sous l'un et/ou l'autre des rubans, dans la couche en GaAs. L'isolement électrique entre chaque électrode résulte de la résistivité des couches épitaxiées. Dans la pratique z et y sont de l'ordre de 0,05 à 0,1. Le coupleur est soit de type simple (figure re 1), soit de type à déphasage alterné (figure 2), soit de tout autre type. La structure enterrée des guides permet de réduire les pertes de propagation à 2dB/cm, sans pour autant perdre en efficacité de modulation (tension de commande de 14V à la longueur d'onde de 1,15 Bm pour 20 dB de taux d'extinction sur un dispositif de 8 mm de long). Un affaiblissement moindre peut être obtenu par optimisation de la structure et du procédé de fabrication. De toute façon les caractéristiques de l'invention apparaitront mieux près la description qui suit d'un exemple de réalisation. Cette description se réfère à des dessins annexés qui font suite aux figures déjà décrites - la figure 1 montre un coupleur selon l'art antérieur, - la figure 2 montre une variante de coupleur à déphasage alterné, selon l'art antérieur, - la figure 3 illustre la structure selon l'invention. Le coupleur représenté sur la figure 3 comprend un substrat 20 en GaAs recouvert d'une couche 22 en AlxGal xAs, elle-même recouverte d'une couche 24 en GaAs. Une seconde couche 26 en AlyGal yAs, recouvre la couche 24. Les couches 24-et 26 sont gravées pour former deux rubans parallèles. Des dépôts métalliques 33, 34, 35, 36 (par exemple en or) recouvrent ces rubans et forment des contacts Schottky avec la couche en AlyGal yAS sous-jacente. Ce sont les électrodes du coupleur. Eventuellement, une couche supplémentaire en GaAs de très faible épaisseur (S 0,1 um) peut faciliter les prises de contact Schottky. Un contact ohmique 40, sous le substrat complète l'ensemble. La lumière pénètre dans le dispositif sous forme de faisceau incident 42 et ressort par l'un et/ou l'autre des deux guides G1, G2 selon que l'état du coupleur est direct ou croisé. On observera que dans l'art antérieur mentionné plus haut (article de A.R. REISINGER) la lumière n'est pas guidée, comme dans l'invention, dans la couche de GaAs intercalée entre deux couches épitaxiées non absorbantes de Al xGa îxAs, mais dans une couche de AlxGal xAs. Par ailleurs, dans cet art antérieur, les contacts Schottky sont disposés sur une couche de GaAs planaire de part et d'autre des guides et non pas sur les guides eux-mêmes. Un procédé de fabrication possible pour la structure de l'invention dans le cas particulier d'un fonctionnement vers la longueur d'onde de 1,3 lam comprend les opérations suivantes - dépôt par épitaxie en phase liquide (ou vapeur) sur un substrat conducteur en GaAs de type n (#1018 cm-3) d'une couche de Al0,05Ga0,1,695AS de 3 nm d'épaisseur environ, de type n ( # 10 cm- ), d'une couche de GaAs de 1,5 m de type n (î015 cm- ), d'une couche de Al0,05Ga0,95As de 1,5 m de type n (61015 cm-3), - dép8t d'une couche de Si3N4 de 0,1 m environ et gravure du motif des guides rubans dans cette cou che mince, - attaque chimique, à travers cette réserve de nitru re de silicium, des rubans de 7 um de largeur, es pacés de 3 llm, cette attaque s'arrêtant à la pre mière interface GaAs-AlyGal yAst c'est-à-dire à environ 1,5 m de la surface, - dépôt d'indium et recuit à 4000C en atmosphère ré ductrice pour assurer le contact ohmique sur le substrat, - dépôt localisé sur les rubans d'une couche d'or, pour obtenir les deux paires d'électrodes Schottky, - clivage des faces d'entrée et de sortie. Ce type de structure peut être réalisé avec d'autres matériaux semiconducteurs électro-optiques, comme par exemple InP et les composés dérivés. REVENDICATION Coupleur directif électrooptique comprenant un substrat (20) en GaAs surmonté de couches semiconductrices épitaxiées de type III-V, caractérisé par le fait que ces couches comprennent, en partant du substrat (20), une première couche (22) en AlxGal,xAs, une deuxième couche (24) de guidage en GaAs, une troisième couche (26) en Al AlyGal~yAs, ces deux dernières couches (24, 26) étant gravées pour former deux rubans parallèles au sommet desquels sont déposés des contacts Schottky (33, 36), la lumière (42) se propageant sous l'un et/ou l'autre des rubans, dans la couche de guidage (24) en GaAs.