Brevet FR2589630A1 — publié le 19870507

ABSORBANT SATURABLE A TRES FAIBLES TEMPS DE COMMUTATION La présente invention a pour objet un absor- bant saturabLe à très faibLes temps de commutation. ELle trouve une application en optique, notamment dans La réaLisation de Lasers émettant des trains d'impuL- sions très brèves et dans La réalisation de portes lo- giques tout optique. Un absorbant saturabLe est un matériau dont Le coefficient d'absorption diminue de façon sensible Lorsqu'une quantité importante de lumière lui est ap- pliquée. Ce type de matériau trouve de très nombreuses applications. On peut citer, à titre non Limitatif: - La réaLisation de Lasers fonctionnant dans Le régime dit de verrouillage de modes (ou "mode-Loc- king") et émettant des trains d'impuLsions de largeur extrêmement courte situées en-dessous de La picosecon- de, - la réaLisation de portes Logiques tout op- tique dans LesqueLLes un premier faisceau Lumineux de forte puissance commande Le passage ou L'arrêt d'un second faisceau lumineux. Les absorbants saturabLes ont Longtemps été constitués par des matériaux amorphes comme les colo- rants en solution. Mais depuis queLques années, on s'intéresse à une nouveLLe cLasse de matériaux appeLés muLti-puits quantiques ("MuLtipLe Quantum Well" en ter- minoLogie angLosaxonne ou MQW en abrégé) et à des va- riantes de ces structures désignées par "super-réseaux" ("superLattices" en angLais). Un puits quantique est obtenu en insérant entre deux couches minces d'un premier matériau semi- conducteur une couche mince d'un second matériau ayant une bande interdite plus faible que celle du premier. Un puits de potentieL est ainsi créé pour Les porteurs 2 2589630 de charges dans Le semiconducteur central qui a La plus faible bande interdite, ce puits étant encadré par deux barrières de potentiel correspondant aux deux couches extrêmes. On obtient un multi-puits quantique en super- posant de telles structures, sans qu'il existe de cou- plage entre les puits (ce qui s'obtient en donnant aux barrières une épaisseur suffisante). Un super-réseau est obtenu Lorsque Les bar- rières de potentiel sont suffisamment minces pour qu'un couplage existe entre les différents puits. Un super- réseau est donc formé d'un empiLement de couches de deux matériaux semiconducteurs différents ayant des bandes interdites de hauteurs différentes. Des puits de potentieL sont créés dans les couches correspondant au semiconducteur ayant la plus faibLe bande interdite et une barrière de potentieL apparait dans chaque couche correspondant au semiconducteur ayant La plus forte bande interdite. La figure 1 illustre schématiquement cette structure et ces propriétés. On y voit, sur la partie (a), un empilement de couches de deux matériaux semi- conducteurs SC1 et SC2; Le diagramme énergétique est représenté sur la partie (b) o G1 et 62 représentent les bandes interdites ("gap") qui séparent la bande de valence (en bas) de la bande conduction (en haut). Sur la figure 1, il a été supposé que le semiconducteur SC1 avait la plus faible bande interdite. C'est donc dans ce matériau que se forment les puits de potentiel. Ces puits ont La largeur Lp qui correspond à L'épaisseur des couches correspondantes. Dans les couches de semi-' conducteur SC2 qui ont une épaisseur Lb, se forment au contraire des barrières de potentiel. Ces puits sont occupés par des électrons dans la bande de conduction et par des trous dans la bande de valence. De telles superstructures ont fait l'objet de nombreuses publications. On peut citer par exempLe deux articles généraux intitulés, Le premier: "Solid State Superlattices" pubLié par G.H. DOHLER dans Scientific American, Novembre 1983, volume 249, n 5, pp 144-151, et le second: "Les super-réseaux artificiels" publié par J.F. Palmer dans "L'Echo des Recherches", nO105, Juillet 1981, pp 41-48. Pour les puits quantiques, on peut citer encore l'article de R.M. KOLBAS et al. inti- tulé "Man-made quantum wells: a new perspective on the finite square-well probLem" publié dans American Jour- nal of Physics, 52(5) May 1984, p 431-437. De tels matériaux présentent une double pé- riodicité de structure, L'une due à La structure cris- taLLine propre aux semiconducteurs empLoyés, L'autre due à l'empilement réguLier de couches. IL en résuLte que, aussi bien dans la bande de valence que dans La bande de conduction, iL apparaît des niveaux discrets d'énergie (ou des microbandes) qui sont offertCes) aux trous et aux électrons. Sur la figure 1, on a représen- té à titre schématique un niveau Ee dans La bande de conduction, qui peut être occupé par un éLectron (e) et un niveau Eh situé dans La bande de valence, qui peut être occupé par un trou Ch). La position de ces niveaux d'énergie dépend évidemment des matériaux utiLisés et de L'épaisseur des couches. L'intérêt de ces structures est considéra- ble. Il s'est encore accru depuis qu'on a observé qu'elles présentaient des raies d'absorption satura- ble. L'absorption a lieu dans Les couches 'correspondant au semiconducteur de plus faibLe bande interdite, o se trouvent les puits. Dès cette découverte, ces disposi- tifs ont été utilisés: - dans les lasers à verrouillage de modes: on a pu ainsi réaliser un Laser à semiconducteur émet- 4 2589630 tant un train d'impuLsions de Largeur égale à 1,3 ps avec un taux de répétition égaL à 16Hz; Le processus de verrouillage passif est obtenu grâce à une cavité résonnante extérieure et à une super-structure du genre muLtipLuits quantique collée sur L'un des miroirs de La cavité; cette expérience est décrite dans L'articLe de Y. SILBERBERG et aL. intitulé "Passive mode Locking of a semiconductor diode Laser" pubLié dans Optics Let- ters, Novembre 1984, vol.9, n 11, pp 507-509; - dans La Logique optique: on a pu réaLiser une porte Logique de type NOR présentant un temps de commutation inférieur à La picoseconde; une teLLe ap- plication est décrite dans L'articLe de A. MIGUS et at., intitulé "Onepicosecond optical NOR gate at room temperature with a GaAs-ALGaAs multiple-quantum-well non Linear Fabry-Perot etaLon" pubLié dans Applied Physics Letters, 46(1), Janvier 1985, pp 70-72. L'établissement des phénomènes mis en jeu dans ces applications est extrêmement court et de l'ordre de ou inférieur à La picoseconde, qui est Le temps de commutation que l'on peut quaLifier de "on" et qui traduit L'apparition de La saturation de L'absorp- tion. Mais le retour à L'équiLibre, qui caractérise un temps de commutation que L'on peut quaLifier de "off" est beaucoup plus Long et de L'ordre de la nanoseconde. IL est communément admis que c'est ce dernier temps qui limite essentieLLement les performances de ces dispositifs. Diverses soLutions ont été proposées pour éviter ce défaut et notamment L'irradiation de L'absorbant par des électrons, ce qui réduit La durée de vie radiative dans La structure et donc Le temps de retour à l'équiLibre. Mais ces palliatifs sont comple- xes de mise en oeuvre. L'invention poursuit le même objectif, qui est de réduire le temps de commutation "off", mais par 2589630 un moyen entièrement différent et beaucoup plus simple. SeLon l'invention, au Lieu de donner aux différents puits des Largeurs toutes identiques, on Leur donne des Largeurs différentes: certains puits sont Larges, d'autres sont étroits. Un certain nombre de puits Lar- ges peuvent alterner avec un certain nombre de puits étroits. Dans une variante avantageuse, un puits sur deux est Large, et un sur deux étroit. L'absorption saturabLe est obtenue dans Les puits étroits tandis que Les puits Larges servent à recueiLlir Les porteurs pho- toexcités qui ont été créés dans Les puits étroits adjacents. L'introduction d'un puits éLargi dans un su- per-réseau a déjà fait L'objet de travaux et de pubLi- cations. On peut citer par exempLe L'articLe de A. CHOMETTE et aL. intituLé "Enlarged Wells as Probes for Study SuperLattices" pubLié dans "SupperLattices and Microstructures", vol.1, n 3, 1985, Academic Press. L'introduction d'un puits éLargi a pour effet de créer, dans ce puits, un ou des niveaux d'énergie situés en-dessous du niveau d'énergie Le plus bas de la bande de conduction et au-dessus du niveau d'énergie Le plus haut de La bande de valence. Les porteurs ont donc tendance à s'accumuLer dans Le ou Les puits Large(s) sur ces niveaux d'énergie faibLe. L'appLication seLon L'invention de ce phéno- mène à La réduction du temps de recouvrement de L'ab- sorption saturabLe peut aLors être expLiquée de La ma- nière suivante. Ce qui empêche La restauration de L'absorp- tion dans un dispositif seLon L'art antérieur, c'est La présence d'un nombre important de porteurs chauds. Ces porteurs en excès ne se thermaLisent que Lentement avant de se recombiner encore plus Lentement. Dans La structure objet de L'invention, Les porteurs sont pié- gés extrêmement rapidement dans Les puits Larges. Si L'on prend La précaution de faire en sorte que Les puits Larges soient nettement plus Larges (au moins 1,5 6 2589650 fois et de préférence 2,5 fois) que Les puits étroits, on aboutira à une différence d'énergie importante (de L'ordre de 50 meV) entre Les niveaux de confinement électronique dans ces deux types de puits (de même pour Les niveaux offerts aux trous). Bien que La thermalisa- tion et La recombinaison radiative dans Les puits Lar- ges ne soient pas plus rapides que dans Les puits étroits, Les porteurs chauds seront maintenant dans Les puits Larges et n'empêcheront plus La formation d'exci- tons dans Les puits étroits. La conséquence importante est que Le temps moyen de restauration de L'absorption excitonique après L'arrêt de L'excitation de commande sera Limité par La sonnmme de deux temps caractéristiques: - Le temps de piégeage dans Les puits élar- gis, qui sera, dans une structure du type de L'inven- tion, extrêmement court: il n'y a aucune difficulté à obtenir des temps très inférieurs à 1 ps, - Le temps de refroidissement des porteurs piégés à une température (électronique) inférieure à ceLLe à LaqueLLe ils pourraient être rédmis dans Les puits étroits. A ce sujet iL faut noter que Le refroidisse- ment des porteurs chauds se fait par deux mécanismes qui ont des temps caractéristiques très différents: a) diffusion par Les phonons optiques: cette diffusion est extrêmement rapide (inférieure à 1 ps) mais ne peut se produire que Lorsque Les porteurs ont une énergie supérieure à 36 meV; b) Lorsque Les porteurs ont une énergie infé- rieure à 36 meV, La relaxation est gouvernée par in- teraction avec Les phonons acoustiques et eLle est beaucoup plus Lente. IL faut donc, pour que te temps de refroidis- sement ne soit pas préjudiciabLe, que Les niveaux éLec- troniques dans Les puits de chacune des Largeurs soient 7 2589630 distants de plus de 40 meV environ. C'est Le cas dans La structure de l'invention. On aboutit ainsi, en utiLisant Le dispositif proposé par L'invention, à des temps de commutation "on et "off" extrêmement courts (typiquement 1 ps), ce qui ouvre la porte à des applications très importantes. De façon précise, L'invention a donc pour objet un absorbant saturabLe, du genre de ceux qui sont constitués par un super-réseau formé d'un empiLement de couches de deux matériaux semiconducteurs différents, ayant des bandes interdites de hauteurs différentes, un puits de potentieL étant créé dans chaque couche cor- respondant au semiconducteur ayant La plus faibLe bande interdite et une barrière de potentieL dans chaque couche correspondant au semiconducteur ayant La plus forte bande interdite, cet absorbant saturable étant caractérisé par le fait que les couches correspondant au semiconducteur ayant la plus faible bande interdite ont une épaisseur qui aLterne régulièrement entre une vaLeur faible et une valeur forte. De préférence, l'épaisseur forte et l'épais- seur faible dés puits sont dans un rapport R supérieur à 1,5. De manière avantageuse, ce rapport R est compris entre 2 et 3 (par exemple 2,5). Les caractéristiques de l'invention apparai- tront mieux à la lumière de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement Limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, représente sché- matiquement un super-réseau selon l'art antérieur, - la figure 2 représente un super-réseau selon l'invention. Sur la figure 2 on voit (partie a) un empiLe- 8 2589630 ment de couches de deux matériaux semiconducteurs SC1 et SC2, L'épaisseur des couches de SC2 étant toujours La même, mais L'épaisseur des couches de SC1 étant égale soit à une faibLe vaLeur Lp1, soit à une forte valeur Lp2. Sur la partie b) on voit Le diagramme d'énergie de La bande de conduction (La bande de valen- ce n'est pas représentée mais elle a une allure simi- Laire quoique symétrique). Des barrières de Largeur Lb séparent des puits de Largeur alternativement LP1 et LP2. Dans les puits larges, le plus bas niveau d'éner- gie E1 est situé en-dessous du niveau E'1 qui est le plus bas niveau dans Les puits étroits. Les matériaux utilisabLes dans L'invention sont ceux que l'on rencontre dans La réalisation des muttipuits quantiques et autres superstructures. Des matériaux privilégiés sont GaAs, ALAs et Ga1_xAlxAs. Dans ce dernier cas, le paramètre x (qui est compris entre 0 et 1) permet de régler La hauteur de la bande interdite sachant que plus x augmente plus la bande s'élargit. En général x est compris entre 0,2 et 0,4. Les demandeurs ont réalisé et étudié des absorbants seton ce principe dans deux cas: Exemple 1: Lb 5 nm Lp1 = 5 nm Lp2 = 12,7 nm SC1 = GaAs SC2 = Ga_xALxAs avec x = 0,30 Exemple 2: Lb = 7 nm Lp1 = 6,5 nm Lp2 = 15,5 nm SC1 = GaAs SC2 = Ga1_xALxAs avec x = 0,30 9 2589630 Des échantiLLons selon ces deux exempLes ont été étudiés par Les Demandeurs à L'aide de diverses techniques expérimentales et Les caractères suivants ont pu être vérifiés: - comme prévu, Le temps de piégeage dans Les puits Larges est extrêmement court; dans Les deux échantiLLons, L'absorption excitonique correspondant au puits étroit persiste à 300 K; eLLe est plus faibLe cependant dans l'échantillon N01, mais celui-ci présen- te un temps de piégeage plus court. IL faut donc pré- voir un effet de balance entre La qualité de l'absorp- tion à 300 K et Le temps de commutation "off". - en revanche, La résonance excitonique per- siste à 300K dans Les échantiLLons du second exempLe qui sont un plus grand pas, et Le temps de piégeage reste encore extrêmement court. En utilisant L'absorbant saturabLe de L'in- vention, on peut améliorer considérabLement des dispo- sitifs décrits dans L'introduction: - dans Le cas d'un Laser à verrouiLLage de modes, on peut travailLer à des fréquences supérieures à 100 GHz (ce qui nécessite de réaLiser une cavité de moins de 3 mm de Long) , - dans Le cas d'une porte optique, il est possible d'atteindre un taux de répétition pouvant aLLer jusqu'à 1000 Gbit/sec. D'autres structures peuvent bien sûr être utilisées pour donner Le même effet: par exempLe Le nombre de puits Larges peut ne pas être égal à La moi- tié des puits, mais on peut envisager des proportions de 1/3, 1/4,... On peut aussi réaliser des structures o Le puits étroit est composé d'un alLiage Gal_xALxAs avec un x faible (Le puits pourrait alors être plus Large). On peut aussi améliorer L'efficacité du transfert en mettant en résonance Le niveau fondamental 2589630 E' du puits étroit et un des niveaux du puits Large E2 par exempLe. C'est ce qui a été réaLisé dans les échan- tiLLons et représenté sur La figure 2. 1 1 2589630 REVENDICATIONS 1. Absorbant saturable, du genre de ceux qui sont constitués par un super-réseau formé d'un empile- ment de couches d'au moins deux matériaux semiconduc- teurs différents (SC1, SC2,...), ayant des bandes in- terdites (G1, G2,... ) de hauteurs différentes, un puits de potentiel étant créé dans chaque couche correspon- dant à un semiconducteur ayant une faible bande inter- dite et une barrière de potentiel dans chaque couche correspondant à un semiconducteur ayant une forte bande interdite, cet absorbant saturable étant caractérisé par le fait que les couches correspondant au semicon- ducteur ayant une faible bande interdite (SC1) ont une épaisseur qui peut prendre deux valeurs, l'une faible (Lp1) et l'autre forte (Lp2). 2. Absorbant saturable selon la revendica- tion 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un cer- tain nombre de puits de largeur faible alternant avec un certain nombre de puits de largeur forte. 3. Absorbant saturable selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'un puits sur deux a une largeur faible et un puits sur deux une largeur forte. 4. Absorbant saturable selon la revendica- tion 1, caractérisé par le fait que l'épaisseur forte (Lp2) et l'épaisseur faible (Lp1) sont dans un rapport R supérieur à 1,5. 5. Absorbant saturable selon La revendica- tion 4, caractérisé par le fait que le rapport R est compris entre 2 et 3. 6. Absorbant saturable selon la revendica- tion 1, caractérisé par le fait que l'un des semicon- ducteurs (SC1) est en GaAs. 7. Absorbant saturable selon la revendica- tion 1, caractérisé par le fait que l'un des semicon- ducteurs (SC2) est en AlAs. 12 2589630 8. Absorbant saturabLe seLon La revendica- tion 1, caractérisé par Le fait que L'un des semicon- ducteurs est en Ga1_xAlxAs avec x compris entre 0 et 1. 9. Absorbant saturabLe selon La revendica- tion 8, caractérisé par Le fait que x est voisin de 0,30. 10. Absorbant saturabLe seLon La revendica- tion 1, caractérisé par Le fait que Le niveau fondamen- taL (E1) d'un puits de faible Largeur est en résonance avec un des niveaux d'un puits de forte Largeur.