Brevet FR2635418A1 — publié le 19900216

La présente invention concerne des lasers à émis sion de surface, et plus particulièrement, des moyens pour le verrouillage ue p.aase et la combinaison des émissions d'une paire de tels lasers. Les lasers à émission de surface ont un avantage par rapport aux lasers à émission en coin en ce sens quc cou.e leur surface d'émission de lumière (la surface d'un réseau) est plus grande, la densité de puissance est plus faible, et par conséquent on peut engendrer plus de puis- ]0 sance sans effet d'écLauffer.ent destructeur. De plus, IL partie active d'un laser à émission de surface peut être rendue plus longue que celle d'un laser à cavité de Perot- FaLry pour plus de gain sans production de fréquences para- sites dues à l'utilisation du réseau. Pour des émissions de puissance encore plus élevée, on peut combiner les émissions de lasers à émission de surface en utilisant un guide d'onde optique et un réseau ou réflecteur de Bragg réparti tel que représenté à la figure] de l'article "Fonctionnement en moie de phase O' dynamiquement stable d'un réseau lasers- 0 diodes à émission de surface-réseau" (Dynamically Stable 0O Phase Mode Operation of A Grating-surface-emitting Diode- laser Array", par I.W. Carlson et ai., Optics Letters, Volume 13, n" 4 Avril]98b, pp.312-314. Cependant, dans de tels aispositifs, du fait des pertes dans]es guides d'onde, le verrouillage de phase des norbreux lasers peut ne pas être suffisant pour empêcher la production de fréquences parasites ainsi qu'un faisceau lumineux incoh.érent avec une granue largeur de faisceau principal et une amplitude élevée et une granue laxgeur ce faisceau des lobes latéraux. I] est connu d'après P. Zory et ai., "Lasers à diooe AiGaAs à uuuble Létérostructure couplés a un réseau" (Grating-Coupleâ Dcuble-heterostructure ALGaAs Diode Lasers) ILEE Journal Gt Quantum Llectronics, Vo]ume QL-]], N' 7, July 1975, pp. 451- 457, d'aligner]ongitudinalement deux lasers. Cependant, la puissance est limitée à celle d'une paire unique de lasers. Par conséquent, il est souhaitable d'obtenir une ér:isslon ue puissance élevée à partir de lasers à émission de surface avec un bon verrouillage de phase et un faisceau Lumineux de sortie cohérent. Un dispositif laser à semi-conoucteurs a émission de surface selon la présente invention pour I 'émission d'un signal lumineux de sortie perpendiculaire à une surface U principale de celui-ci, comprend un substrat ayant des premiere et seconde surfaces principales opposées; des premiers moyens de contact sur la première surface princi- pale de ce substrat; des première et seconde régions lasers espacées longitudina]ement et a]ignées latéralement définis- sant entre ell]]e une région centrale, ces régions lasers étant disposées sur la seconde surface principale du subs- trat; un milieu optique s'étendant sur la région centrale et les première et seconde régions lasers que traverse]a lumière engendrée par]es première et seconde régions la- sers; une couche d'enrobage et un second moyen de contact recouvrant le milieu optique; et une unique surface de réseau optique formée par attaque chimique dans le second moyen de contact et la couche d'enrobage de façon à s'éten- are sur la région centrale en communication optique avec le milieu optique pour définir cette surface principale du - 3 - dispositif laser, caractérisé ern ce que les premire Et seconde régions lasers sont disposées sur des côtés opposés longitudinalement à]a surface de réseau, cette surface oe réseau ayant des périodes de réseau pour le verrouill]] age de phase et la coMLinaison de la lumière se propageant dans le milieu opticue et engendrée par les première et secoriCe régions lasers et pour permettre au signal lumineux de sortie d'être émis perpendiculairement à la surface princl- pale de ce dispositif laser. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure], une vue de côté en coupe d'un laser à grance cavité optique et double hétérostructure utilisé dans une première réalisation de l'invention; figure 2, une vue de dessus de la figure]; figure 3, une vue de côté en coupe d'un laser à puits quantique (QW; utilisé àans une seconde réalisation de l'invention; et figure 4, une vue de dessus d'une réalisation ce c0 l'invention montrant un ensemble de lasers latéralement adjacents. La figure] représente un dispositif, généralement désigné par la référence]0, comprenant un contact-N Il tel que du Ni/Ge/Au fritté, en dessous d'un substrat]2, tel que du GaAs, de conductivité de type N avec un niveau de dopage d'environ 10 l par cm3 et une épaisseur d'environ]00 mricromètres. Le centre du dessus du substrat]2 possède un canal J13 de] mnicromètre de profondeur (décrit en détail ci-dessous) de sorte que les lasers (décrits ci-dessous) àC0 soient du type plan A substrat canalisé (CSP). Une couche d'enrobage-N]4 de conductivité de type N recouvre]e subs- trat]2. La couche]4 fournit également une barrière pour les trous. Recouvrant la couche 14 se trouve une couche o active lb avec une épaisseur entre environ 500 et 2000 A (0,5 et 2 nm), de préférence d'environ 800 A (0,6 nm). La -263 4 - couche active 16 n'est pas dopée intentionnelemrent, et se corpose typiquement de AI a] ZAs o O 4 z 4 0,]3. Une z -- couche écran 1ú, qui fournit une barrière vis-à-vis des électrons, recouvre la couche active]6 et a une épaisseur o_ d'environ 200-]000 A (0,2 nm) et n'est pas dopée inten- tionnellement. On doit comprendre que les couches]6 et]b acquièrent normalement un certain dopage à partir des couches adjacentes respectives lors de la fabrication. Une granue cavité optique (LOC) ou couche de guide d'onde à milieu optique 20 recouvre la couche 18 et comprend c]assi- cuement A] Ga As, o 0,]5 4 y. 0,4, avec une épais- y]-Y seur entre 'environ 0,2b et 1 micromètre et un dopage ue conductivité N d'environ 5 x 107 par cm. Au milieu de la surface supérieure de la couche de guide d'onde 20 se ]5 trouve une surface de réseau 22 comprenant de stries super- a ficielles avec une amplitude pic-vallée d'environ]00U A (Inn) et avec un espacement d'environ A/ne, o i est la longueur d'onue ce la lumière engendrée et ne est l'indice ce réfraction réel dans le moae guidé. Le profil des stries -. choisi de sorte que la structure périodique à /n com- prend des composants significatif à A/n, par exenmp]e, en e utilisant ces rainures en V o la largeur du sommet des rainures est environ la moitié de l'espace inter-rainures. La couche d'enrobage-P 24 possèce des segments 24a et 24b 2i qui recouvrent les extrémités de la couche 20, respective- ment, et est dopée avec un type de conductivité P. Les couches 14, 1& et 24 sont typiquement en A]xGa xAs, ou 0,3 4 x quement une épaisseur d'environ] micromètre et un niveau de 17 3 dopage d'environ 5 x 10 par cm. Une couche d'enrobage 26 possède des segments 26a et 26b qui recouvrent les seg- ments 24a et 24b, respectivement, et qui est typiquement du GaAs dopé de conductivité P avec un niveau de dopage entre environ 10]b et 109 par cm et une épaisseur d'en- viron 0,5 micromètre. Une couche de contact-P 28 possède des segyents 2ba et 2bb qui recouvrent les segments 2La et 2=L, respectivement et qui comprend typiquement des couches successives de Ui/Pt/ahu,]a couche de Ri étant adjacente à la couche 2X. bur les côtés de la structure se trouvent des couches à facettes réfléchissantes 30a et 30U telles que les extrémités clivées de façon appropriée avec un empilement oiélectrique de couches alternées ce &iO. et A 2O.. rypiquement on utilise environ trois telles paires (six couches), chaque couche ayant une épaisseur d'environ un quart de longueur d'onde, telle qu'indiqué dans US-A-4 092 659. On notera que des lasers Dh-LOC longitudinalement alignés J2a et 32b sont formés par la structure décrite ci-dessus, chacun ayant une longueur LI d'environ 200Cm. La longueur du réseau L2 est ce préférence d'environ 3U0 ir.. Ainsi, les lasers ou régions lasers 32a et 32b sont espacés sur des côtés opposés ce la surface de réseau 22, ce réseau 22 s'étenoant sur une zone centrale du dispositif laser entre les régions lasers 32a et 32b. Comme le montre la 0 figure 2 le dispositif Il a une]argeur Xi d'environ 300 lir. Le dessus du canal 13 sur]e dessus du substrat 12, indiqué par les lignes en tirets 34a et 34b, a une largeur de préfé- rence d'environ 4 à 8 Pm, cependant que le fond du canal 13, indiqué par les traits en tirets 36a et 36b, est plus étroit. Les parois latérales 30, désignées 38a et 36b font un angle d'environ 57 degrés avec le sommet du substrat 12. Ce dispositif peut être réalisé par le procédé d'épitaxie en phase liquide avec des réactifs et des dopants appropriés, tous connus dans la technique. On peut former le canal 13 par attaque chimique du substrat 12 le long de son plan]MA en utilisant]a solution de Caros à 20'C, qui dans ce cas est un mélange de H2S04/H202/h20 dans un rapport volumique de 5/l/1. De même, on peut former les segments respectifs des couches 24, 26 et 28 en attaquant chimiquement les parties centrales des couches 24, 26 et 28, _ 6 3_ tout en masquant leurs parties d'extrémité qui font partie oes lasers 32a et à2b. Un produit d'attaque recommandé est une solution ue Caros]/]/b. Ln fonctionnement, une tension positive est appli- S qude au contact-P 2b et une tension négative au contact-N 1]. Des trous sont injectés à partir du contact-P 2b dans la couche active)6, la couche d'enrobage]4 fournissant une Larrière contre un déplacement par trous plus vers]e bas. De même, ues électrons sont injectés à partir du contact-t lu l] aans]a couche active]6,]a couche d'écran]8 fournis- sant une barrière contre un déplacement plus vers le haut par]électrons. A un courant de seuil apparait une inversion ae population et, par conséquent, une émission stimulée de photons. Les piotons engendrés par les deux régions lasers 32a et 32b sont présents dans le guide d'onde 20 et une première partie des photons incidents sur la surface du réseau, au moyen de l'interaction avec la composante A/n e du réseau, est émise perpendicu]airement au guide d'onde 20 comme indiqué par les flèches 34. Une seconde partie des photons incidents sur la surface de réseau 22 est renvoyée par réflexion dans les régions lasers 32a et 32b au moyen de l'action de la composante A/n de la surface de réseau 22, accroissant ainsi la réaction optique et augmentant l'effet laser. Comme le taux de réflexion dépend de la longueur d'once Qe la lumière émise par chaque dispositif laser, une quantité significative de réaction n'est présente qu'à une période spécifique. La lumière engendrée par les régions lasers 32a et 32b est ainsi verrouillée en fréquence. La partie restante des photons incidents sur la surface de réseau 22 engendrée par chacune des régions lasers 32a et 32b est transmise à travers le milieu optique 20 à l'autre région laser, verrouillant ainsi en phase les deux régions lasers. Comme le- deux régions lasers 32a et 32b partagent le même dispositif, la lumière engendrée par les deux ré- gions lasers est verrouillée à la fois en fréquence et en -7- plase, et est émise à travers la surface ce réseau perpen- uicu]airement à cette surface de réseau. On notera que, comme on utilise seulement deux régions lasers 32a et 32b longitudinalement a]ignées, le guide d'onoe 20 peut être relativement court et, par suite, avoir une faible perte, et par conséquent le verrouillage de phase et de fréquence des deux lasers 32a et 32b est plus grand qui si on utilisait plus de tels lasers. Par suite, ceci se traduit par la stabilisation du mode longitudinal des lasers 32 conduisant à une fréquence d'émission unique comparée à l'ensemble des modes dans un laser à cavité de Perot-Fabry. De plus, une émission lumineuse de puissance plus grande est disponible comparée à l'uti]isation d'un unique laser. ]5 La figure 3 représente une seconde réalisation des régions lasers 32a et 32b qui sont du type Qui. On a repré- senté seulement Je laser 32a car le laser 32b est identique. Les éléments de la figure 3 qui correspondent aux éléments ce la figure] portent les mêmes numéros de référence. Les couches d'enrobage]4 et 24 ont environ 0,5 à 2,5 micro- mètres d'épaisseur et comprennent AIxGa xAs o 0,4 compose de A]xGa2 xAs, o O % x % l. En général, la réalisation QW de la figure 3 a un courant de seui] inférieur, une variation réduite de ce courant de seuil avec la température, et un rendement quan- tique différentiel accru comparé aux lasers DH-LOC. La figure 4 représente 'un dispositif selon une réalisation de]'invention pour obtenir une puissance d'émission plus grande comparée à la simple utilisation d'une aire unique de lasers, tout en maintenant la cohérence de phase et de fréquence. Dans cette réalisation, le subs- trat 12 est] atéralement étendu comparé à la figure 2, comme le sont les couches à facettes réfléchissantes 30a et 30b et la surface de réseau 22. La surface de réseau 22 comprend, par conséquent, seulement un unique moyen intégré pour le ]0 verrouillage de phase et la combinaison des émissions de tous les lasers afin d'obtenir une cohérence élevée. Pour des raisons de clarté, seuls les canaux 13 sont représentés dans les régions lasers CSP-LOC 32a et 32b. Chacun des cinq canaux]3 s'étend sous seulement une paire de lasers corres- pondants, longitudina]ement alignés comme à la figure]. Aussi, il y a un total de 10 lasers. Ainsi, les canaux]3a, 13b,]3c,]3d et 13e sont -mutuel]ement latéralement alignés avec un espacement type centre à centre "d" entre environ 4 et 10 lm. Ainsi, les lasers ont leurs modes optiques]até- raux (parall]]èles au plan de jonction) couplés ensemble ce qui se traduit par un couplage de phase et de fréquence et une cohérence pour la totalité du réseau. Le réseau tout entier fournira par conséquent une émission lumineuse de longueur d'onde unique depuis la surface de réseau 22 norma- ]ement au substrat 32. En fonction de LI et du rendement de la surface de réseau 22 il est possible d'accroître l'émis- sion lumineuse de 10 à 50 fois environ par rapport A un laser unique. On peut aussi utiliser dans la figure 4 des lasers QW tels que représentés à la figure 3 à la place des lasers DH-LOC. REVENDICATIONS ]. Dispositif laser à semiconducteurs à émission de surface pour l'émission d'un signal lumineux de sortie perpendiculaire à une surface principale de celui-ci carac- térisé en ce qu'il comprend: un subtrat ayant des première et seconde surfaces principales opposées; un premier moyen de contact (]]) sur la première surface principale du substrat des première et seconde régions lasers (32a, 32b) longitudinalement espacées et latéralement alignées définis- sant entre elles une région centrale, ces régions lasers étant disposées sur la seconde surface principale du subs- trat; ]5 un milieu optique (20) s'étendant au-dessus de la région centrale et les première et seconde régions lasers à travers lequel se propage]a lumière engendrée par les premiere et seconde régions lasers; une couche d'enrobage (26) et un second moyen de contact (28) recouvrant le milieu optique; une unique surface de réseau optique (22) formée par attaque chimique dans le second moyen de contact et la couche d'enrobage et s'étendant sur la région centrale en communication optique avec le milieu optique pour définir la surface principal du dispositif laser, caractérisé en ce que les première et seconde régions lasers sont disposées sur les c6tés opposés longitudinalement a la surface du réseau, cette surface de réseau ayant des périodes de réseau pour le verrouillage de phase et la combinaison de la lumière se propageant dans le milieu optique et engendrés par ces première et seconde régions lasers et pour permettre au signal luimineux de sortie d'être émis perpendiculairement à la surface principale de ce dispositif laser. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les première et seconde régions lasers (32a, -]0 _ 32b) comprennent chacune un ensemble de lasers latéralement alignés, verrouillés en phase, disposés sur la seconde surface principale du substrat (32) avec des lasers espacés correspondants de chacune des première et seconde régions lasers longitudinales alignés longitudinalement. 3. Dispositif selon la revendication 2, caracté- risé en ce que chacun des lasers comprend un laser à grande cavité optique et double hétérojonction. 4. Dispositif selon la revendication 2, caracté- risé en ce que chacun des lasers comprend un laser à puits quantique.