Brevet FR2623635A1 — publié le 19890526

"aCmmutateur-coupleur distribué" La présente invention concerne un commutateur-cou- pleur distribué Etant donné leur grande vitesse de commutation et leur aptitude à opérer à de basses ten- sions de commande, les commutateurs-coupleurs électro- optiques distribués (également appelés commutateurs-cou- pleurs électrooptiques directionnels; cités ci-dessous sous le nom de commutateurs EDC) employant des guides d'onde semi-conducteurs sont considérés comme des élé- ments commutateurs optiques prometteurs pour les systè- mes de commutation optiques. On a proposé divers semi- conducteurs _ccmposite, ccmprenant les matières de type GaAs et InP, pour les guides d'onde semi-conducteurs de ces commutateurs EDC. La figure 1 montre une vue oblique d'un commutateur EDC typique de la technique antérieure. Le commutateur dans ce dessin comprend un substrat n±GaAs 10, une couche d'incrustation inférieure n-AlGaAs 12 formée sur le substrat 10, une couche guide-lumière i-GaAs-14 formée sur la couche d'incrustation inférieure 12, des couches d'incrustation supérieures pAlGaAs à géométrie en bandes parallèles 16a et 16b, disposées sur la couche guide- lumière 14 séparées l'une de l'autre par un espace d'écar- - tement approprié, des couches de protection p-GaAs 18a et 18b formées sur les couches d'incrustation supérieures 16a et 16b, des électrodes positives 20a et 20b formées sur les couches de protection 18a et 18b, une électrode néga- tive 22 disposée en-dessous du substrat 10. La couche d'incrustation supérieure 16a, la couche de protection 18a et l'électrode 20a forment une première nervure 24a. La couche d'incrustation supérieure 16b, la couche de protec- tion 18b et l'électrode 20b forment une seconde nervure 24b. On crée les couches d'incrustation supérieures 16a et 16b en recouvrant tout d'abord la surface entière de la couche guide lumière 14 d'une couche de p-AlGaAs, puis en gravant ou en enlevant d'une autre manière les parties indésirables pour ne laisser que les bandes sou- haitées dans les régions des première et seconde nervures 24a et 24b. Dans le commutateur EDC de la figure 1, la partie de la couche guide lumière 14 située directement sous les première et seconde nervure 24a et 24b forme une paire de guides d'ondes optiques. La figure 2 montre une vue en coupe des parties principales de la figure 1, montrant la localisation du premier guide d'onde optique 26a et du second guide d'onde optique 26b. La lettre W dans la figure 2 représen- te la largeur des couches d'incrustation supérieures 16a et 16b qui est également la largeur des premier et second guides d'ondes optiques 26a et 26b; la lettre S représente l'espacement entre les couches d'incrustation supérieures 16a et 16b, qui est également l'espacement entre les premier et second guides d'onde optiques 26a 3U et 26b; la lettre T représente l'épaisseur de la couche guide lumière 14; la lettre H représente la hauteur d'échelon des couches d'incrustation supérieures 16a et 16b. La figure 3 montre le commutateur optique de la figure 2 avec des indications concernant sa répartition approximative d'indice de réfraction: n1 dénote l'indice de réfraction de la couche guide lumière 14, n2 désigne l'indice de réfraction de la couche d'incrustation inférieure 12, n3 désigne l'indice de réfraction des couches d'incrusta- tion supérieures 16a et 16b et n4 désigne l'indice de réfraction des couches de protection 18a et 18b. Dans la couche guide lumière 14, on désigne par A les régions des premier et second guides d'ondes optiques 26a et 26b et par B les autres régions. Alors neq est un indi- ce de réfraction équivalent qui vient de la différence entre les coefficients de propagation SA et %B lorsque les régions A et B sont considérées comme guides d'ondes en plaques. L'indice de réfraction équivalent neq peut être calculé d'après la formule ci-dessous: neq = [n12 - (BA/k0o)2 + (aB/Ko)211/2 2U o k0 = 2T/0, k0 étant la longueur d'onde de la lumiè- re dans le vide. La figure 4 montre la relation entre la longueur de couplage Lc et la largeur de la nervure W calculée d'après la répartition de l'indice de réfraction dans la figure 3. La largeur de nervure W est donnée en micro- mètres sur l'axe horizontal dans la figure 4, et la lon- gueur de couplage Lc est donnée en millimètres sur l'axe vertical. L'épaisseur T de la couche guide lumière 14 est de 0,7 pm, et la longueur d'onde de la lumière est X = 1,3 pm. Les courbes de la figure 4 correspondent aux espacements des nervures S de 3 pm, 2,5 Vm, 2 vm, 1,6 pm, et 1 pm, montrant la caractéristique W-Lc séparé- ment pour chacune de ces valeurs d'espacement. Il appa- raît que plus la largeur de nervure W est courte et plus l'espacement des nervures S est faible, plus la longueur de couplage Lc est courte. Bien que l'on puisse réduire la longueur de coupla- ge Lc d'un commutateur EDC de la technique antérieure tel que décrit ci-dessus en diminuant la largeur des nervures W et l'espacement de nervures S, les valeurs minimum de W et S sont déterminées par la technique d'usi- nage, qui pose une limite inférieure à Lc. Cette limite inférieure de Lc à son tour devient une contrainte pour la fabrication d'un commutateur de petite taille. L'invention a donc pour objet de fournir un commuta- teur EDC ayant une courte longueur de couplage Lc. Pour réaliser cet objectif, un commutateur EDC selon l'invention comprend un substrat, une couche d'in- crustation inférieure disposée sur le substrat, une cou- che guide lumière disposée sur la couche d'incrustation inférieure, deux couches d'incrustation supérieures à géométrie en bandes parallèles disposées sur la couche guide lumière, et une région additionnelle d'accroissement du couplage formée dans l'espace compris entre les deux couches d'incrustation supérieures, de la même matière que les couches d'incrustation supérieures, mais de moin- dre hauteur d'échelon. Toutes les couches mentionnées ci-dessus comprennent des matières semi-conducteurs compo- sites. Le fait de fournir une région d'accroissement du couplage dans l'espace compris entre les deux couches d'incrustation supérieures renforce le couplage de champ électrique dans la couche guide lumière. On peut obtenir une courte longueur de couplage Lc en fournissant une région d'accroissement du couplage ayant une hauteur d'échelon d'importance appropriée. La figure 1 est une vue oblique d'un commutateur EDC de la technique antérieure. La figure 2 est une vue en coupe des pièces prin- cipales de la figure 1. La figure 3 est un diagramme montrant la distribu- tion approximative des indices de réfraction dans la section de la figure 2. u10 La figure 4 est un graphe montrant la relation entre la longueur de couplage Lc et la largeur de nervure W dans ce commutateur EDC de la technique antérieure. La figure 5 est une vue en oblique d'un mode de réalisation de commutateur EDC selon l'invention. La figure 6 est une vue en coupe montrant les pièces principales de la figure 5. La figure 7 est un diagramme montrant la réparti- tion approximative des indices de réfraction dans la section de la figure 6. La figure 8 est un graphe montrant la dépendance de la'répartition du champ électrique envers la hauteur d'échelon h. La figure 9 est un graphe montrant la relation entre la longueur de couplage Lc et la largeur de nervu- re W dans un commutateur EDC selon l'invention. Un mode de réalisation de l'invention sera présenté en se référant aux dessins. La figure 5 est une vue en oblique d'un mode de réalisation de commutateur EDC selon l'invention. Une vue en coupe des pièces principales de la figure 5 est présentée dans la figure 6. Ces deux dessins sont de nature schématique, ne représentant que les détails nécessaires pour comprendre l'invention; les formes, dimensions et relations de positions des éléments composants ne sont pas restreintes à celles qui sont représentées dans ces dessins. Dan un mode de réalisation à expliquer en se réfé- rant à la figure 5 et à la figure 6, les matières semi- conducteurs ccposites sont GaAs et AlGaAs. Les éléments composants identiques à ceux des figures 1 et 2 sont marqués des mêmes numéros de référence; les descriptions détaillées de ces composants seront omises. Dans ce mode de réalisation, sur un substrat n±GaAs , il est fourni, successivement de bas en haut, une couche d'incrustation inférieure nAlGaAs 12, une couche guide lumière i-GaAs 14, une paire de couches d'incrusta- tion supérieures p-AlGaAs à géométrie en bandes parallèles 16a et 16b, une paire de couches de protection p-GaAs 18a et 18b, et une paire d'électrodes positives 20a et b, tandis qu'une électrode négative 22 est disposée en-dessous du substrat n±GaAs 10. La couche d'incrusta- tion supérieure 16a, la couche de protection 18a et l'élec- trode positive 20a forment une première nervure 24a. La couche d'incrustation supérieure 16b, la couche de protection 18b et l'électrode positive 20b forment une seconde nervure 24b. Dans ce mode de réalisation, outre les éléments composants ci-dessus, une région d'accroissement du cou- plage 28 est prévue entre les couches d'incrustation supérieures 16a et 16b, elle est formée de la irame matière que les couches d'incrustation 16a et 16b et unie avec elles dans sa structure, mais ayant une hauteur d'échelon h inférieure à la hauteur d'échelon H des couches d'incrusta- tion supérieures 16a et 16b. La hauteur d'échelon h est un paramètre de conception qui est choisi selon les dimensions de la couche guide lumière 14, de la cou- che d'incrustation supérieure 16a et 16b et d'autres éléments Lorsque la hauteur d'échelon H est de 1 pm et que l'épais- seur de la couche guide lumière 14 est de 0,5 pm, il est souhaitable de régler la hauteur d'échelon h à une valeur inférieure à 0,1 pm. On peut créer la région d'ac- croissement du couplage 28 en formant tout d'abord une couche d'incrustation p-AlGaAs sur toute la surface de la couche guide lumière 14, puis en enlevant par gravure les parties indésirables. De manière spécifique, les régions des première et seconde nervures 24a et 24b, qui en ce point comprennent la couche d'incrustation supérieure 16a et la couche d'incrustation-supérieure 16b ne sont pas gravées du tout, la couche d'incrus- tation p-AlGaAs dans l'espace compris entre elles est partiellement gravée pour laisser une région d'accroisse- ment du couplage ayant une hauteur d'échelon h, et la couche de p-AlGaAs dans la zone restante extérieure aux couches d'incrustation supérieures 16a et 16b est complè- tement enlevée par gravure jusqu'à la surface de la cou- che guide lumière 14. Dans cette configuration, les parties de la cou- che guide lumière 14 disposées directement en-dessous de la première nervure 24a et de la seconde nervure 24b fonctionnent comme premier guide d'onde optique 26a et second guide d'onde optique 26b, respectivement. La figure 7 montre le commutateur optique de la figure 6 avec des indications concernant sa répartition approxima- tive d'indice de réfraction: n1 dénote l'indice de réfrac- tion de la couche guide lumière 14, n2 désigne l'indice de réfraction de la couche d'incrustation inférieure 12, n3 désigne l'indice; de réfraction des couches d'incrus- tation supérieures 16a et 16b et n4 désigne l'indice de réfraction des couches de protection 18a et 18b. Dans la couche guide lumière 14, A désigne les régions des premier et second guides d'ondes optiques 26a et 26b, B désigne les régions extérieures aux première et seconde nervures 24a et 24b et la région d'accroisse- ment du couplage 28, et C désigne la région o la région d'accroissement du couplage 28 est présente. Alors neq1 et neq2 sont des indices de réfraction équivalents qui viennent de la différence entre les coef- ficients de propagation eA, %B et SC lorsque les régions A, B et C sont considérées comme des guides d'ondes en plaques. Dans la discussion qui suit sur la dérivation de ces indices de réfraction équivalents, le système de coordonnées x-y est celui qui est indiqué dans la figure 7, l'origine de l'axe des x étant centrée entre le premier guide d'ondes optique 26a et le second guide d'ondes optique 26b, et l'origine de l'axe des y étant située à la surface de la couche guide lumière 14. L'in- dice de réfraction équivalent neql dans la région B et l'indice de réfraction équivalent neq2 dans la région C sont donnés par les formules: neql = [nl2 -(A/ko)2 + (eB/k0)2jl/2 (1) neq2 = Enl2-(eA/ko)2 + (eC/k0)2] J1/2 (2) o k0 = 2ú'/Xo, ko étant la longueur d'onde de la lumière dans le vide. Si l'on considère seulement le mode de guide d'ondes Epqx dans les premier et second guides d'ondes optiques 26a et 26b (ce qui équivaut au mode TEpq), les constantes de phases kx et ky dans les directions x et y sont données par les équations suivantes: [/ n \2 ktq n 2 k.,2 k.W=n r tant.tan' } ' nez/kx \n.k2/ k l:exp(-k.q2 S)j (3) ( k \2 k3 k3 k4- kT=m n -ta' tan-'.... k, ' -k k3" *k 4 o [(n2 1/2 keqi = [(n2 - neqI)kO - kx2]l ( = 1, 2) kj = [(nl2 - nj2)'ko2 _ ky2]1/2 (J = 2, 3, 4) 1 + exp(2k31lt) a = - (région A) 1 - exp(2'k311) 1 + exp(2'k3h) a= (région C) 1 - exp(2'k3h) Dans les signes - et + dans l'équation (3), le signe supérieur représente les modes pairs et le signe inférieur les modes impairs. Si la constante de phase en mode pair kxe et la constante de phase en mode impair kxO sont déterminées à partir des équations ci-dessus, on peut trouver les constantes de propagation Be.et Bo dans ces modes comme suit: Be = f(nlkO)2 - ky 2 - kxe2J1/2 B0: (nlko)2 - ky2 - kxo23 1/2 La longueur de couplage Lc est alors donnée par la formule: Lc = -/(en) La répartition du champ en fonction de la hauteur d'échelon h de la région d'accroissement du couplage 28 sera décrite en se référant à la figure 8, qui montre la répartition du champ électrique dans la direction des x dans la couche guide lumière 14 pour deux valeurs différentes de h. Une vue en coupe du commu- tateur EDC de l'invention est présentée au bas de la figure 8, et l'intensité de champ correspondante dans la couche guide lumière 14 est montrée sous la forme d'un graphe au-dessus d'elle. L'axe horizontal du graphe de répartition du champ représente la position sur l'axe des x, l'axe vertical représente l'intensité de champ relative E(x). On calcule les courbes de répartition du champ avec un commutateur EDC ayant une largeur de nervure W de 3 pm, un espacement de nervure S de 2 pm, et une couche guide lumière 14 avec une épaisseur T de 0,7 pm. Les couches d'incrustation supérieure et infé- rieure se composent de n- et p-A10,3 Ga 0,7As. La courbe I est pour le cas de la technique antérieure o h = 0 La courbe II est pour le cas de l'invention o h = 0,07 pm. L'intensité de champ E(x) est la somme du champs en mode pair Ee(x) et du champ en mode impair Eo(x); autrement dit E(x) = Ee(X) + Eo(x). La partie hâchurée du graphe de la figure 8 représen- te le couplage CE du champ électrique dans le second guide d'ondes optique 26b en-dessous de la seconde nervure 24b. On voit d'après la figure 8 que dans un commutateur EDC selon l'invention (courbe II) la surface de CE est agrandie par comparaison avec la technique antérieure (courbe I). Ceci indique que l'augmentation de la hauteur ll d'échelon h de la région d'accroissement du coupla- ge 28 accroît le couplage de champ électrique entre le premier guide d'onde optique 26a et le second guide d'ondes optique 26b. L'augmentation du couplage de champ de cette manière permet de commuter la lumière du premier guide d'onde optique 26a au second guide d'ondes optique 26b en une distance plus courte que dans la technique antérieure, ce qui signifie que la longueur de couplage Lc d'un commutateur EDC selon l'invention peut être réduite. La figure 9 montre la relation entre la longueur de couplage Lc et la largeur de nervure W dérivée d'après des: résultats de simulation. Dans cette relation, l'épais- seur T de la couche guide lumière 14 est de 0,7 pm, l'es- pacement de nervure S est de 2 pm, la hauteur d'échelon h de la région d'accroissement du couplage 28 varie comme un paramètre prenant les valeurs 0 pm, 0,03 vm, 0,05 vm, et 0,C7 pm, et la relation entre la largeur de nervureW (Pm) et la longueur de couplage Lc (mm) est calculée par simulation à une longueur d'onde lumineuse de À = 1,3 pm. On porte la largeur de nervure W sur l'axe horizontal dans la figure 9 et la longueur de couplage LC sur l'axe vertical. Comme on le voit d'après ces résultats, pour une largeur de nervure constante W, l'augmentation de la hauteur d'échelon h de la région d'accroissement du cou- plage 28 réduit la longueur de couplage Lc. La même ten- dance se vérifie pour d'autresvaleurs de l'espacement de nervu- re S. Ainsi, pour une largeur de nervure W et un espace- ment de nervure S donnés, on peut obtenir un commutateur EDC ayant une longueur de couplage Lc réduite en augmen- tant la hauteur d'échelon h de la région d'accroissement de couplage 28. Ainsi, si l'on fabrique un commutateur EDC selon l'invention avec la même largeur de nervure W et le même espacement de nervure S que dans la technique antérieure, en fournissant une hauteur d'échelon h suffisante, il est possible de réduire la longueur de couplage Lc à moins de la moitié de la longueur de couplage de la tech- nique antérieure. On peut ainsi fabriquer un plus petit commutateur EDC. L'invention fournit donc un avantage significatif dans les dispositifs dans lesquels la taille du commutateur EDC est une considération importante. L'invention est également utile dans les dispositifs pour lesquels le coût de fabrication plutôt que la taille est la considération majeure, car pour une longueur de couplage Lc donnée, l'augmentation de la hauteur d'éche- lon h de la région d'accroissement du couplage 28 per- met à la largeur de nervure W et à la largeur de nervure S d'être plus grandes que dans la technique antérieure. Ceci simplifie la fabrication du commutateur EDC et élè- ve le rendement du processus de fabrication, réduisant ainsi le coût par dispositif. La portée de l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus, mais comprend de nombreu- ses modifications et variations qui seront évidentes pour les spécialistes. Ainsi, les matières semi-conduc- trices ne sont pas nécessairement GaAs et AlGaAs; l'in- vention est également applicable à des commutateurs EDC faits à partir d'InP/InGaAsP et d'autres matières semi- conductrices composites. En outre, la couche guide lumière peut être faite d'une matière semi-conductrice de type n ou de type p au lieu d'une matière semi-conductrice du type i. De plus, il est possible d'inverser les types conducteurs n et p de matières utilisées dans toutes les couches du mode de réalisation. REVENDICATIONS 1. Commutateur-coupleur distribué comprenant: un substrat (10); une couche d'incrustation inférieure (12) disposée sur ledit substrat; une couche guide lumière (14) disposée sur ladite couche d'incrustation inférieure (12); et une paire de couches d'incrustation supérieures à géométrie en bandes parallèles (16a et 16b) dis- posée sur ladite couche guide lumière (14); les éléments composants ci-dessus étant faits des- dites matières semi-conductrices caoposites; caractérisé en ce qu'il camprend. en outre une ré- gion de couplage (28) disposée sur ladite couche guide lumière (14) entre lesdites couches d'incrustation su- périeures (16a et 16b) faits de la même matière que lesdites couches d'incrustation supérieures mais ayant une hauteur d'échelon inférieure à la leur. 2. Commutateur-coupleur distribué selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que ladite couche d'incrusta- tion inférieure (12) comprend une matière semi-confductri- ce cnoposite de type n et en ce que lesdites couches d'in- crustation supérieures (16a et 16b) comprennent une matiè- re semi-conductrice ccposite de type p. 3. Commutateur-coupleur distribué selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que ladite couche d'incrus- tation inférieure (12) est une couche de n-A10,3Ga0,s et en ce que lesdites couches d'incrustation supérieu- res (16a et 16b) sont des couches de p-A0lo 3Ga0,A- 4. Commutateur-coupleur distribué selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que ladite couche d'incrusta- tion inférieure (12) comprend une matière semi-conduc- trice caposite de type p et en ce que lesdites couches d'incrustation supérieures (16a et 16b) comprennent une matière semi-conductrice composée de type n. 5. Commutateur-coupleur distribué selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que ladite couche d'incrusta- tion inférieure (12) est une couche de p-Al03Ga07As et en ce que lesdites couches d'incrustation supérieures (16a et 16b) sont des couches de n-A10,3Ga0,7As. 6. Commutateur-coupleur distribué selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que ladite couche guide lumière (14) comprend une matière i-GaAs. 7. Commutateur-coupleur distribué selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les régions de ladite couche guide lumière (14) disposées directement en-dessous desdites couches d'incrustation supérieures (16a et 16b) fonctionnent comme guides d'ondes optiques.