Brevet FR2648245A1 — publié le 19901214

DISPOSITIF SEMICONDUCTEUR INTEGRE INCLUANT UN COMMUTATEUR OPTO-ELECTRONIQUE' Descriptin L'invention concerne un dispositif semiconduc- teur intégré formant un commutateur opto-électronique qui comprend - d'une part une structure de coupleur directif dans la- quelle l'un des guide reçoit la puissance lumineuse d'entrée et l'autre guide est formé de multipuits quantiques, structure dont les dimensions sont telles qu'à l'état statique le commu- tateur est dans l'état croisé, O10 - et d'autre part des moyens de commande de la commuta- tion. L'invention concerne également des dispositifs semiconducteurs intégrés incluant des matrices de commutation réalisées au moyen de tels commutateurs. L'invention trouve son application dans le domaine des télécommunications par exemple. Un coupleur opto-électronique de structure verti- cale est déjà connu de l'état de la technique par la publica- tion intitulée 'Quantua well wave-guide coupler' par Dietrich V. Langer & Marech Chamielovski dans 'Superlattices, Micro- structures and Micro-devices' publication qui reprend les exposés de la '4th International Conference on Super- lattices, Microstructures and Micro-devices, TRIESTE, ITALY, 8-12 August 1988' Ce commutateur connu comprend un substrat de type N+ en GaAs aur la face arrière duquel est disposé un contact électrique I une couche inférieure de confinement en GO,2 A10,8 As, d'indice de réfraction 3,136; un premier guide de lumière formé de couches alternées de GaAs/GaAlAs pour cons- tituer une structure de multipuits quantiques (MQV); une couche de séparation en GaO,57 A10,43 As d'indice de ré- fraction 3,355; un second guide de lumière formé de Gao.65 A10,35 As d'indice de réfraction 3,38 et une couche supé- rieure de confinement de Gao,2 A10,8 As d'indice de ré- fraction 3,136 couverte par une seconde électrode pour pouvoir appliquer une tension qui commande la commutation entre les deux guides. Le second guide, c'est-à-dire celui qui se trouve dans la partie supérieure du dispositif et le plus loin du substrat de type N+, est donc formé de matériau ternaire, dis- posé entre deux couches également de matériau ternaire mais d'indice plus faible; alors que le premier guide est celui qui est formé d'une structure de multipuits quantiques (MQw). Ce dispositif connu présente une longueur calculée en fonction des indices des matériaux et de l'épaisseur de la couche de séparation pour que, en l'absence de tension appli- quée entre les deux électrodes, toute la lumière injectée dans le second guide de composition ternaire passe dans le premier guide de structure MQW et sorte & l'extrémité de ce guide. In- versement, lorsqu'une tension est appliquée entre les électro- des, alors l'indice de réfraction de la structure QW change et la lumière reste confinée dans le guide d'entrée, c'est-à- dire le second guide de composition ternaire. L'avantage obtenu par l'utilisation d'une structu- re NQW pour faire l'un des guides est que, du fait des pro- priétés quantiques spécifiques liées au matériau, la variation de l'indice de réfraction en fonction de la tension appliquée est beaucoup plus grande que s'il s'agissait d'un guide de composition ternaire ordinaire. Donc pour obtenir la commuta- tion, on peut utiliser & la fois des dispositifs de longueur de couplage moins grande et leur appliquer des tensions moins fortes. Ainsi, les dispositifs obtenus présentent une compa- tibilité accrue avec les circuits intégrés, puisque leur surface est plus petite et leur consommation moindre. Ce dispositif connu présente cependant comme principal inconvénient le fait de devoir recourir, pour commander la commutation, & une commande extérieure. Il est encore connu de l'état de la technique une diode PIN dont la région intrinsèque est formée d'une structu- re de multipuits quantique (NQW). Une telle diode est décrite dans la publication intitulée The Quantum Vell Self Electro- Optic Effect Device' par David A.B. MILLER et alii dans IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-21, N'9, SepteMber 1985'. Ce document décrit une diode PIN formée successi- vement d'un substrat en GaAs de type f; d'une couche en GiAs de type N pour former un contact de type N; d'une région de super-réseau (SL) formée de 50 couches alternées de GaAs (28,5A) et de GaAlAs (68,51), les 20 premières de ces couches étant dopées N; d'une structure de multlpuits quantiques (MQW) constituant la région intrinsèque de l1 diode et composée de 50 couches alternées de GaAs (9SA) et de GaAlAs (98A), les 20 dernières de ces couches étant dopées P et recouvertes d'un anneau en or pour former l'électrode de type P. Toutes ces couches forment un MESA, noyé dans une résine époxy. Un fil conducteur constitue le contact avec l'anneau d'or, et l'ensemble est couvert d'un substrat en sa- phir. Le dispositif prend le non abrégé de QWSEED (de l'an- glais 'Quantum Weil Self Electrooptic Device'). Ce dispositif reçoit d'une part un rayonnement perpendiculaire aux couches, passant dans le centre de l'an- neau d'or, et d'autre part une tension qui peut être appliquée en direct ou en inverse entre les électrodes. Cette publication enseigne que lorsqu'on envoie un rayonnement perpendiculairement à la structure NQW, pour une tension de polarisation V - 0, le dispositif présente en fonc- tion de l'énergie eV photonique proportionnelle à I/A, o A est la longueur d'onde du rayonnement, deux pics d'absorp- tion. D'abord un pic de valeur élevée pour une longueur d'onde élevée ou une plus basse énergie de photon correspondant à l'exciton dit de trou lourd', puis un pic de valeur plus bas- se pour une longueur d'onde moins élevée ou une plus grande énergie de photon, correspondant & l'exciton dit de trou lé- ger'. Lorsqu'on applique & la diode PIN ainsi forméie, une tension de polarisation en inverse, ces pics se déplacent dans le sens o ils apparaissent pour des longueurs d'onde plus grandes ou des énergies de photon moins fortes. Si l'on choisit une longueur d'onde de fonctionne- ment intermédiaire pour le rayonnement appliqué sur la photo- diode, et si l'on fait varier la valeur de la polarisation inverse, on obtient alors une absorption dans la structure NQW qui augmente d'abord lorsque la valeur de la polarisation augmente, qui passe par un maximum, puis qui redécrolt si l'on continue à augmenter la valeur de cette polarisation. Du fait que la tension qui traverse le système in- flue sur l'absorption de la lumière par la structure NQW, lorsque le flux de lumière est injecté perpendiculairement aux couches, elle influe donc sur le photocourant. Ceci montre qu'il existe en fonction de la tension une région de photocon- ductance négative. Ainsi une contre-réaction est établie. Ce document enseigne que ce phénomène de conduc- tance négative conduit & plusieurs possibilités: d'une part l'hystérésis liée à ce phénomène permet d'obtenir par contre- réaction positive un système bistable et donc un effet mémoi- re; d'autre part le système peut aussi fonctionner en oscil- lateur, et Si l'on applique une tension de polarisation sinu- soïdale entre les électrodes, la lumière est modulée en puis- sance à la sortie de la diode PIN. Enfin par contreréactlon négative, le comportement est différent: on obtient une modulation autollnarisée. La présente invention a pour but principal de pro- poser un commutateur optoélectronique qui est muni de moyens d'auto-aiguillage et qui peut notamment être commandé optique- ment. Selon l'invention, ce but est atteint au moyen d'un dispositif tel que décrit dans le préambule en outre ca- ractérisé en ce que: - d'une part la structure comprend des couches formant au os05 moins une structure PIN dans laquelle le guide formé de multi- puits quantiques constitue une région intrinsèque I, - et d'autre part les moyens de commande incluent des moyens de polarisation en inverse de la structure PIN agissant en contre réaction pour obtenir que la commutation d'un état dans l'autre soit initiée par un changement de niveau de la puissance lumineuse injectée dans le guide d'entrée. L'avantage inhérent au dispositif selon l'invention est que la commande de commutation ne dépend que de la puis- sance lumineuse d'entrée et que le circuit électrique pour po- lariser la structure PIN est beaucoup plus simple qu'un cir- cuit de commande électrique de commutation classique ayant la mène propriété. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante illustrée par les figures annexées dont - la figure la qui représente une structure verticale pour former un commutateur optoélectronique selon l'inven- tion; - les figures lb, lc et ld, qui représentent des va- riantes de cette structure verticale pour réaliser un comnu- tateur optoélectronique selon l'invention - la figure 2s qui représente un circuit de polarisa- tion applicable au commutateur opto électronique selon l'in- vention pour réaliser une commande en tension; - la figure 2b qui représente d'une part l'absorption a et d'autre part la quantité de lumière détectée Q dans le multipuits quantique NQV, en fonction de la tension V inverse aux bornes de la structure. - la figure 2c qui représente les courbes de la puissance lumineuse de sortie dans chacun des guides du commu- tateur optoélectronique en fonction de la tension V; - la figure 2d qui représente la quantité de courant photogénéré dans la structure & multipuits quantiques en fonc- tion de la tension de polarisation; - la figure 2e qui représente d'une part la détectivité S (courbe C) et d'autre part les droites de charge du circuit de polarisation (courbes do & du) en fonction de V; - la figure 2f qui représente les rapports des puis- sances de sortie ol et 02 dans chacun des guides en fonction de la puissance d'entrée; - la figure 3a qui représente une variante du circuit de polarisation du commutateur selon l'invention pour réaliser une commande en courant; - les figures 3b et 3c qui représentent les puissances de sortie respectivement *l et *2 en fonction des rapports des puissances d'entrée *o au courant Io dans un tel système; - la figure 4a qui représente une autre variante du système de polarisation du commutateur selon l'invention pour réaliser une commande en courant; - la figure 4b qui représente schématiquement une mise en oeuvre de ce dispositif de polarisation; - les figures 5 qui représentent le séquencement de si- gnaux transportés par le commutateur dans le cas d'une polari- sation en tension appliquée en inverse sur la structure PIN. - les figures 6 qui représentent le séquencement de si- gnaux transportés par le commutateur dans le cas o une commande en courant est appliquée sur la structure PIN. - la figure 7 qui représente un commutateur selon l'in- vention de structure horizontale; - la figure 8 qui représente un élément de comutation réalisé au moyen d'un commutateur vertical selon l'invention, pour faire une matrice de commutation. Exemple de réalisation Tel que représenté sur la figure la, pour faire un commutateur optoélectronique intégré, on réalise donc une structure PIN à multipuits quantiques, munie d'un dispositif de polarisation formant une contre-réaction, au moyen de couches de type N directement disposées au-dessus d'un subs- trat 10 qui pourra éventuellement être choisi semi-isolant, surmontée d'une région intrinsèque I constituée de multipuits quantiques (MQW), et d'une couche de type P. Puis on adapte cette structure PIN pour réaliser un commutateur optoélectronique à structure verticale. Ce com- mutateur est par exemple lui-même constitué à partir du subs- trat 10 d'une première couche de confinement 1, d'un premier quide de lumière Gl en un matériau 2, d'une couche de sépara- tion 3, d'un second guide de lumière G2 en un matériau 4. et d'une seconde couche de confinement. Pour réussir l'adaptation de la structure PIN au commutateur optoélectronique, la première couche de confine- ment 1 est de type N, le matériau 2 pour constituer le premier guide de lumière GC est de type N, la couche de séparation 3 est de type N, le matériau 4 pour constituer le second guide de lumière G2 coïncide avec la région intrinsèque I formée de multlpuits quantiques, et la seconde couche de confinement est de type P. La couche S de type P et la couche 1 de type N sont munies de contacts, respectivement P et N. réalisés comue il est connu de l'homme du métier au moyen de couches ohniques. La puissance lumineuse d'entrée e0 est injectée dans le guide G1 de type N. Entre les contacts N et P est monté un circuit électrique fournissant aux bornes de la diode PIN constituée selon l'invention, une polarisation en in- verse, De tels circuits sont représentés & titre d'exemple sur les figures 2a, 3a, 44. Dans une mise en oeuvre de l'invention, la pre- mière couche 1 de confinement est en un matériau ternaire 111-V tel que par exemple G4AlAs, ainsi que le matériau 2 pour le premier guide Gi, la couche de séparation 3 et la seconde couche de confinement 5. Dans ces couches, la concentration en aluminium (Al) est alors choisie de telle sorte que l'indice de réfraction des couches de confinement et de séparation soit plus faible que celui des guides de lumière. Cet effet est obtenu en choisissant par exemple la concentration en alumi- nium (Al) dans les couches de confinement 1 et 5 et de sépara- tion 3: xo, 0,16 et en choisissant la concentration en aluminium (Al) dans la couche ternaire 2 formant le guide G1 de l'ordre de X1* 0,11 Les multipuits quantiques (MQW) 4 pour former le guide G2 peuvent être constitués d'une alternance de 30 cou- ches de matériau ternaire et 30 couches de matériau binaire de composés III-V, tels que par exemple pour les couches binaires l'arséniure de gallium et pour les couches ternaires l'arsé- niure de gallium et d'aluminium (GaAs/GaAlAs). Chaque couche aura favorablement une épaisseur de l'ordre de 10 nm. La com- position du matériau ternaire sera favorablement GaO,7 A10,3 As. Pour véhiculer une onde monomode transverse, l'é- paisseur totale des couches 2 et 4 pour former les guides G1 et G2 sera de l'ordre de 0,4 & 0,7pm, et favorablement O,6um. L'épaisseur des première et seconde couches 1, 5 de confi- nement n'est pas critique, et peut être de l'ordre de 0,5 à 1jm. L'épaisseur D de la couche de séparation 3 est dé- terminée en fonction de la longueur L de l'élément de commuta- tion pour obtenir que, à l'état statique, c'est-à-dire en l'absence de toute polarisation V appliquée entre les contacts N et P (V - 0), toute la puissance lumineuse o0 appliquée à l'extrémité dite entrée du guide G1 soit transférée au cours de ce trajet L, dans le guide G2 à travers la couche de sépa- ration 3. Le commutateur est alors dit être dans l'état croisé. On notera que, à partir de là, le fonctionnement du dispositif selon l'invention est complètement différent de celui du commutateur connu de l'état de la technique, ou du fonctionnement de la diode PIN également connue de l'état de la technique. En effet, en ce qui concerne le commutateur connu de l'état de la technique, d'abord il ne peut être commandé que de l'extérieur, ce qui nécessite un circuit supplémentaire pour effectuer cette commande, alors que dans le dispositif selon l'invention, la coemmutation est induite par une varia- tion d'intensité lumineuse, donc par le signal lumineux lui- mme; et ensuite, l'ordre dans lequel sont réalisées les couches du circuit connu fait qu'il ne pourrait fonctionner selon l'invention car on ne pourrait pas l'adapter en struc- ture de type PIN. En ce qui concerne la diode PIN connue, son fonc- tionnement est du à un principe différent de celui qui est mis en oeuvre dans le commutateur selon l'invention. En effet, comme on l'a vu précédemment, dans la diode connue qui est éclairée perpendiculairement aux couches, l'absorption dans les multipuits quantiques, considérée pour une longueur d'onde donnée, en fonction de la tension de pola- risation appliquée en inverse aux bornes de cette diode, par exemple au moyen d'un circuit tel que représenté sur la figure 2a, montre deux pics. La partie décroissante de ces courbes au delà du premier maximum correspond à une région de photocon- ductance négative. Au contraire selon l'invention et tel qu'illustré par la figure 2b, la courbe en pointillés repré- sentant l'absorption a (ce-1) dans les multipuits quantiques en fonction de la polarisation appliquée en inverse V(v) contre une augmentation monotone. Cela est d au fait que l'on choisit de travailler dans une zone ou l'énergie photonique est fixée à environ 30 meV en dessous du seuil de la première transition d'énergie de l'exciton dit de trou lourd, énergie à laquelle le puits quantique est peu absorbant. D'autre part dans le dispositif selon l'invention, du fait de l'existence des deux guides de lumière couplés, l'absorption n'est pas le seul phénomène qui entre en jeu pour établir une contre-réaction lorsqu'une tension de polarisation est appliquée en inverse sur la diode PIN. En effet, il faut tenir compte aussi de la quan- tité de lumière détectée par le guide G2 formé de multipuits quantiques (MQW). La courbe en trait plein de la figure 2b montre l'évolution de cette quantité de lumière Q en fonction de la même tension de polarisation V. Les courbes a et Q de la figure 2b, conduisent & montrer que le dispositif fonctionne selon les principes exposés ci-après, en accord avec une propriété des multipuits quantiques dite effet Quantun Confine Stark fffct' (QCSE) et cependant différents des principes qui régissent le fonction- nement de la diode PIN ou du commutateur connu, lequel fonc- tionne en modulateur. Les propriétés optiques du multipuits quantique (MQW) sont dépendantes de la tension appliquée en inverse aux bornes de la jonction PIN car elles sont influencées par le champ électrique créé perpendiculairement aux couches. Tel qu'illlustré par la figure 2c, et comme dans le premier dispositif de commutation décrit au titre d'état de la technique, le système est concu pour que, lorsque la ten- sion de polarisation est nulle (V-0) dû au choix de la lon- gueur de couplage L, toute la lumière qui entre dans le pre- mier guide GI passe dans le second guide G2 formé de multi- puits quantiques (MQW): on est alors dans l'état croisé, cou- me illustré par les courbes de la figure 2c. La courbe A en trait plein représente la puissance z, relative à une puis- sance d'entrée eo constante, qui sort du guide G2 en fonction de la valeur de la tension de polarisation V en volts. La courbe B en traits pointillés représente la puissance *1, re- lative & la puissance d'entrée So, qui sort du guide Gi en fonction de la valeur de la tension de polarisation V en volts. Quand on augmente la tension de polarisation, on change les propriétés optiques du guide formé de multipuits 1 1 quantiques (MQW) et pour des tensions V suffisamment élevées, toute la lumière reste dans le guide d'entrée G1 (état direct), le phénomène de couplage étant modifié. En effet, du fait de l'absorption importante des os05 multipuits quantiques (MQW) on a intérêt & ce qu'un minimum de signal soit transporté par le guide G2 aux fortes valeurs de polarisation. C'est pourquoi, on choisit la longueur de cou- plage pour que, aux faibles valeurs de V, ou à V a O, le com- mutateur soit dans l'état croisé, et aux fortes valeurs à l'état direct. Cela était déjà connu de l'état de la technique. Mais l'originalité de la présente invention repose sur l'exis- tence du circuit de polarisation qui est appliqué non plus à la simple structure PIN connue, mais à la structure complexe de commutateur. Un premier circuit de polarisation est montré sur la figure 2a, ce circuit est constitué d'une résistance R et d'une source de tension VO constante appliquée en inverse sur la diode PIN à travers la résistance. Ce circuit de polarisa- tion.impose une relation entre le courant qui circule dans le circuit et la tension aux bornes de la diode PIN qui est de la forme: I = f(V) (1) Pour une certaine tension aux bornes du disposi- tif, le circuit de commande réagit pour que s'établisse une certaine intensité définie par la relation 1, et vice-versa. Or la lumière absorbée dans le multipuits quantiques (OQV) est aussi une source de courant. En effet chaque fois qu'un photon est absorbé dans les multipuits quantiques, on a création d'une paire électron-trou récoltée par le champ électrique existant dans la jonction PIN et qui crée un courant. Si l'on considère alors la puissance lumineuse *e injectée dans le guide d'entrée GI, la quantité de lumière O effectivement détectée dans la région du multipults quantiques ou second guide G2 dépend de l'état du commutateur. Si le commutateur est dans l'état direct, la région de multipuits quantiques ne détecte rien, il en résulte que Q. 0. Si au contraire le commutateur est dans l'état croisé, la quantité de lumière Q détectée effectivement présente dans la région intrinsèque du dispositif est grande. Ainsi le photocourant généré est & la fois propor- tionnel & deux facteurs: - d'une part & l'absorption dans les multipuits quan- tiques (MQW) G2, - d'autre part & la quantité de lumière Q I e0 qui se trouve effectivement au même moment dans lesdits multlpuits *quantiques (MQW) G2. Le dispositif selon l'invention montre alors plu- sieurs types de fonctionnement. D'abord deux cas extrsmeo et ensuite un cas intermédialre. Dans les cas extrêmes - ou bien l'absorption est à peu près nulle dans les MQW, le photocourant généré est très petit, et toute la lu- mière passe dans le guide Gr; on se trouve alors dans l'état croisé; - ou bien l'absorption est forte, le photocourant généré est encore très petit car toute la lumière reste dans le guide Gi. Dans le cas intermédiaire - il s'établit un compromis entre l'absorption À dans les MQW, c'est & dire la capacité des MQW A détecter la lu- mière, et la fraction de la puissance lumineuse susceptible d'être détectée. Le rapport de la quantité de courant photogénéré à la puissance optique en entrée *0, appelée détectivité S * I/0o, est alors proportionnel & la fois à l'absorption a et à la quantité Q. Donc la détectivité S est la composition des deux courbes représentant a et Q de la figure lb. Elle eut alors de la forme représentée par la courbe C de la figure 2d, c'està-dire qu'elle présente un maximum en fonction de la tension de polarisation V. La détectivité générée est donc une fonction de V. Elle est notée S(V). On obtient alors comme dans l'état de la tech- nique, une région correspondant à la partie décroissante de la courbe S(V) o la photoconductance est négative, mais l'origine du phénomène physique est différente, du fait qu'il y a ici composition de l'absorption a et de la quantité Q, et non pas l'effet de l'absorption seule comme dans l'art anté- rieur. Le courant photogénéré I est alors à la fois propor- tionnel à la puissance *o injectée et & la détective S(V) ! * S(V)x *o (2) Comme d'autre part, le courant dO au circuit de polarisation est donné par la relation (1), l'état du commuta- teur sera donné par la composition de ces deux fonctions (1) et (2) I. f(V) (1) I - S(V) x *o (2) Si le circuit de polarisation est formé d'une fa- con simple, comme représenté sur la figure 2a, d'une alimenta- tion électrique de tension Vo et d'une résistance R montées en série, le courant I dans la résistance R en tenant compte de la tension d'alimentation Vo et de la tension V aux bornes de la diode PIN est donné par la relation: I - (Vo - V)/R (3) D'autre part la quantité de courant photogénéré S(V) est donné par: S(V) - I/*o0 (4) à partir de la ralation (2) L'état du système sera donc donné par la résolu- tion du système: i(Vya (Ve-V)/R*o (5) La figure 2e montre différentes droites do, dl, d2, d3 représentant: (Ve - V)/R*o pour différentes valeur *'o, 'oo "'o etc.. de la puissance d'entrée Po. Ainsi pour ce circuit de polarisation de la figure 2a et pour chaque valeur de la puissance d'entrée o00, il existe une droite do, dl, d2, d3 etc... dont la pente est fonction de cette puissance d'entrée, la tension d'alimenta- tion continue Vo et la résistance R étant des constantes. En choisissant Ve a 5,5 Volts R a 1MQ pour différentes valeurs de la puissance lumineuse d'entrée Oc, on obtient, représentées sur la figure 2e la droite do pour Roo * 0 la droite dl pour Roo a 1 la droite d2 pour R*o - 100 et la droite dl pour Roo - 10. La résolution du système (5) peut se faire graphi- quement& l'aide des courbes de la figure 2e par l'lntersec- tion de l'une des courbes do, dl, d2, dl et de la courbe C représentant S(V). Cette intersection permet de lire graphi- quement la valeur de la tension V qui se trouve aux bornes de la diode PIN. La tension V lue sur la figure 2e & l'intersection de la courbe C et des droites dl, d2, dz, d4 est reportée sur la figure 2c et permet de connaître l'état du comutateur pour cette valeur de la tension V. Le commutateur se trouve alors dans l'état direct ou croisé, et cet état dépend uniquement de la puissance eo injectée & l'entrée. La figure 21 représente les rapports z2/l1 des puissances lumineuses recueillies respectivement en sortie du guide G2 (MQV) et du guide Gi, en fonction de la puissance lu- mineuse O injectée dans le guide d'entrée Gi dans le cas o il n'est pas MW. Cette courbe a été tracée dans l'exemple o X R a 1 MQ Ve * 5,5 Volts avec le circuit de polarisation de la figure 2a. Cette figure 2f montre sur la courbe E en trait plein qu'une puissance injectée de 100 MW permet d'obtenir dB de différence entre la sortie de G2 et la sortie de Gi. La courbe F en pointillée sur la mine figure 2f a été tracée pour une valeur R = 100 KQ. Dans l'un conue dans l'autre cas (courbe E ou courbe F) on constate que la transi- tion qui permet de passer de l'état croisé à l'état direct est très abrupte. On optimise alors le dispositif selon l'invention en choisissant une valeur de la résistance R appropriée, en fonction de la puissance *o. Dans une variante, le circuit de polarisation de la structure PIN pourobtenir la contreréaction, est une alimentation en courant représentée par exemple sur la figure 3a. Dans ce cas I(V) = Ia si V Vo On choisira par exemple V * 7 Volts. Ceci peut être obtenu au moyen d'une photodiode externe à disposée en série avec une alimentation en tension continue comme montré sur la figure 4a. Le point de polarisa- tion du système est déterminé par: S(V) a I(V)/o0 (6) Le nombre de solutions de cette équation dépend de la valeur du rapport Io0/o0. Ainsi, si Io/Oo est supérieur à S(V), alors V - Vo et le commutateur est dans l'état direct. Si IC/Oa est plus petit que S(VO), le seul état stable est la région de faible polarisation qui entraîne que le commutateur est dans l'état croisé. Entre ces deux extrêmes, le système est bistable. Ceci est montré sur les figure 3b et 3c o l'on a représenté les puissances de sortie *el et 2 respectivement du guide GI et du guide G2 en fonction du rapport *o/Io, pour une valeur fixe de ole. La bistabilité peut être induite de deux façons, soit en changeant l0, soit en changeant sa. Dans le cas du contrôle par la puissance optique eo, les puissances de commu- tations peuvent être ajustées par l0, mais sont limitées par le courant d'obscurité de la jonction PI-N. Des commutations avec des puissances de quelques pW peuvent néanmoins être aisément réalisées. Tel que représenté sur la figure 4b, dans un exemple de mise en oeuvre de cette variante du dispositif de polarisation, une diode PIN est réalisée en surface de la dernière couche de la structure verticale au moyen de couches de matériaux du groupe III-V, par exemple avec les mènes maté- riaux que la structure de l'élément de commutation. D'une manière générale, afin de minimiser les pertes dans l'état croisé, les calculs pour la conception des dispositifs selon l'invention sont faits pour une énergie de photon 30 meV'en dessous de la première transition d'énergie d'exciton de trou lourd, énergie à laquelle le puits quantique est peu absorbant. Il a été pris en compte que dans le cas des multi- puits quantiques (MQW) réalisés au moyen d'une alternance de couches de GaAs/GaAlAs, avec la concentration en Al dans le matériau ternaire de xi = 0,11, l'indice de réfraction est environ 1% plus élevé que dans un alliage de GaAlAs équiva- lent. Dans cet exemple de réalisation & une seule struc- ture MQW, l'épaisseur de la couche de séparation était de préférence D = 1 pm et l longueur de couplage L - 228 po. L'indice de réfraction est pour une structure réalisée au moyen des matériaux GaAs et GaAlAs ni - 3,5433 dans le guide Gi (non MQWV) et ne 3,5061 dans les couches de confinement 1 et 5 et de séparation 3. KI fPlE RE AliATION Il Tel que représenté sur la figure lb, dans une va- riante de l'invention, la structure verticale de couches de matériaux semiconducteurs pour réaliser le commutateur forme un phototransistor. A cet effet, cette structure verticale comprend: - un substrat 10 qui peut être semi-isolant, - une première couche de confinement 11 de type P, une région 12 pour former le guide Gi qui reçoit la puissance lumineuse d'entrée et qui coïncide avec une première OS zone intrinsèque I, - une couche de séparation 3 de type N, - une région 4 de multipuits quantiques (NQV) pour for- mer le second guide G2 et qui coïncide avec une seconde région intrinsèque I, - une seconde couche de confinement 5 de type P. Les dimensions de cette structure, c'est-à-dire les indices des matériaux, l'épaisseur de la couche de sépara- tion et la longueur de couplage L sont prévues pour qu'à l'état statique (V - 0) le commutateur soit & l'état croisi. Les matériaux et les couches peuvent étre des iê- mes composés que décrit précédemment. D'une façon générale, les matériaux seront choisis de la façon suivante, en fonction du substrat pour obtenir & la fois l'accord de maille et l'indice de réfraction nécessaire au confinement X - Si le substrat est en arséniure de gallium, les couches non MQW pour former le guide de lumière G1 (région 12) pourront être ternaires, par exemple en arséniure de gallium et d'aluminium 4GaAlAs) ainsi que les couches de confinement. - si le substrat est en phosphure d'indium (InP) les couches non MQW pour former le guide de lumière Gi (région 12) pourront être ternaires ou quaternaires, par exemple en arsé- niure de gallium et d'indium (GainAs) ou en un composé de gallium, indiua, phosphore, arsenic (GaInAsP) ainsi que les couches de confinement. Les structure NQV seront formées alors d'une alternance des couches binaires choisies et des couches ter- naires ou quaternaires choisies. On pourra aussi utiliser un substrat en silicium (Si) couvert d'une couche tampon pour réaliser l'accord de maille, puis d'une couche de GaAs ou d'InP qui sera alors con- sidérée comme substrat. Les circuits de polarisation sont les mèmes que pour le dispositif & une seule région intrinsèque, décrite précédemment et illustré par la figure la. Dans cette variante, le dispositif selon l'inven- tion présente un gain entre 10 et 100 et dans ce cas, les puissances optiques nécessaires au fonctionnement sont d'au- tant plus petites. YFSPLZDE RFALISATION III Tel que représenté sur la figure lc dans une autre variante de la structure verticale, cette dernière constitue, un phototransistor, comme dans l'exemple II. A cet effet cette structure verticale comprend - un substrat 10 qui peut être semi-isolant, - une première couche de confinement 11 de type P, - une région 22 de multipuits quantiques (MQW1) pour former le guide G, qui reçoit la puissance lumineuse d'entrée et qui coïncide avec une première zone intrinsèque r, - une couche de séparation 3 de type N, - une autre région 4 de multipuits quantiques (MQW2) pour former le second guide G2 et qui coïncide avec une se- conde région intrinsèque I, - une seconde couche de confinement 5 de type P. Les dimensions et caractéristiques de cette struc- ture sont prévues pour qu'à l'état statique (V - O) le com-u- tateur soit à l'état croisé. Les matériaux peuvent être les mêmes que ceux des régions correspondantes des exemples I et II. Les circuits de polarisation déjà décrits peuvent aussi être utilisés. Il faut noter que l'intérêt de cet exemple de réa- lisation réside: - d'une part dans l'obtention d'un gain, comme dans l'exemple II, - d'autre part dans le fait que les deux guides sont ldentlques, ce qui est plus facile à réaliser sur le plan technologique. Les guides montrent ainsi le èmme indice de ré- fraction. Ceci est contrebalancé par le fait que le guide G1 a des pertes plus importantes lorsqu'il est réalisé en structure MQW, que lorsqu'il est réalisé en matériau ternaire comme dans l'exemple II. EXEMPLE DE REALISATION IV Tel que représenté sur la figure id, dans une autre variante de la structure verticale, cette dernière constitue un phototransistor, comme dans les exemples II et II. A cet effet, cette structure verticale comprend - un substrat 10 qui peut être semi-isolant, - une première couche de confinement 11 de type P, - une région 32 de type P pour former le premier guide G1 qui reçoit la puissance lumineuse d'entrée, - une couche de séparation 3 de type N, - une région 4 de multipuits quantiques (MQV) pour former le second guide G2 et qui coïncide avec une région lntrinsèque I, - une seconde couche de confinement 5 de type P. Les dimensions et caractéristiques de cette struc- ture sont prévues pour qu'à l'état statique le commutateur soit à l'état croisé. Les matériaux pour faire les couches peuvent être les mêmes que ceux des régions correspondantes des exemples I, II et III. Les circuits de polarisation déjà décrits peuvent aussi être utilisés. L'intérêt de cet exemple de réalisation réside dans le fait qu'il présente un gain en courant plus élevé que dans les exemples II et III, et en particulier plus élevé que dans l'exemple II. EUXPLE DúREALISATION V Dans cet exemple de réalisation, le coupleur di- rectif a une structure horizontale. D'une manière prléféren- tielle, cette structure sera du type dit à rubans érigés au- dessus d'un substrat (en anglais: RIB waveguides). A cet effet, cette structure horizontale peut être formée de: - un substrat 10, - une couche inférieure de confinement 31 de type N. - une région 32 de aultipuits quantiques (MOW) pour former la couche guidante G, c'est-à-dire les régions guidées G1 et G2, et qui coincide avec une région intrinsèque I, - une couche supérieure de confinement 35, de type P dans laquelle sont formés, par exemple par gravure, des rubans respectivement R1 pour Gi et R2 pour G2, rubans érigés en relief au- dessus du dispositif. Du fait de la différence d'indice qui apparaît dans la couche supérieure de confinement due à la différence d'épaisseur dans les régions des rubans Ri, R2 et en dehors de ces régions, la lumière est guidée dans les parties de la couche guidante G qui se trouvent direc- tement sous les rubans, donc dans les parties Gi et G2. Les guides de lumière GI, G2 sont donc directement délimités par les rubans Ri, R2 respectivement. Les matériaux pour réaliser une telle structure horizontale peuvent être - l'arséniure de gallium pour le substrat 10. Ce der- nier peut être par exemple semi-isolant ou de type N; - une couche ternaire de GaAlAs pour la couche infé- rieure de confinement 31. L'épaisseur peut être favorablement 0,15 um; la structure de multipuits quantiques pour former la couche 32 guidante G peut être identique aux structures de multipuits quantiques décrites dans les exemples précédents. L'épaisseur peut être favorablement 0,5 m; - une couche ternaire de GaAlAs pour la couche supérieure de confinement 35. Après gravure pour former les rubans, il restera favorablement une épaisseur de couche de confinement de 0,3 un, et les rubans seront érigés au-dessus de la surface, d'une hauteur de 0,5 vu. Comme il a été noté précédemment, le matériau GaAlAs ternaire est choisi si le substrat est l'arséniure de gallium (GaAs). D'autres composés déjà cités sont utilisés si le substrat est en phosphure d'indium (InP). L'intérêt de cet exemple de réalisation réside d'abord dans la simplicité de la mise en oeuvre. En effet, pour réaliser une structure horizontale, il suffit de déposer 3 couches (31, 32, 35), alors qu'il faut au minimum 5 couches pour réaliser une structure verticale. D'autre part, le confinement latéral du faisceau induit moins de pertes par diffusion liée à la rugosité dans le cas d'un coupleur directif & structure horizontale, que dans le cas d'une structure verticale, ce qui compense le fait que la longueur L de couplage est plus grande pour la struc- ture horizontale du fait que la distance entre les guides d'onde est on général plus grande, comme il est connu de l'hoemme du métier. En outre, la structure horizontale est plus favo- rable pour réaliser une matrice de commutation, car les éléments de commutation sont plus faciles à réaliser. Enfin, la gravure qui permet de réaliser les rubans (RIB) de la structure horizontale est plus facile & réaliser que celle qui est nécessaire à la réalisation du con- finement latéral de la structure verticale (voir la figure 6 qui montre comment l'ensemble de la structure verticale cascadable est érigée en relief sur un substrat du fait d'une gravure latérale). Donc chacune des structures verticale et horizon- tale montre des avantages et des inconvénients différents. On choisira la structure verticale pour sa compacité favorable aux dispositifs lntégrés a très grande échelle; on choisira au contraire la structure horizontale pour sa facilité de mise en oeuvre et ses faibles pertes. Dans l'un comme dans l'autre cas, on réalisera les contacts électriques au moyen d'une couche ou d'un plot d'un matériau formant contact ohmique par exemple Ti/Pt/Au (référence 37 sur la figure 7) sur une couche de GaAs de type P+ (référence 36 sur la figure 7) pour former le contact de type P; - par exemple Au/Ge sur une couche de GaAs de type N OS pour former le contact de type N. La structure PIN simple (structure de diode - exemple I), sera de préférence commandée en tension et la structure de phototransistors (exemples Ii, III, IV, V) sera de préférence commandée en courant. Les dispositifs selon l'invention dans la version structure PIN simple, ou dans les versions phototransistors trouvent par exemple leur application soit dans la commutation pure et simple commandée par la puissance d'entrée *o, soit dans la commutation de signaux portés par une porteuse, comme montré sur les figures 5. Pour une longueur d'onde donnée par exemple à - 865 nm les signaux *s portés par un signal de faible puissance lumi- neuse d'entrée *o représentée sur la figure Sa en fonction du temps t sortent directement dans le guide Gi alors que les si- gnaux 2 portés par une forte puissance lumineuse d'entrée passent dans le second guide G2 (figures 5b et Sc). La commutation ne dépend que de la puissance d'entrée *g comme il avait été démontré par les courbes de la figure 2f. Dans la mise en oeuvre o la polarisation de la structure PIN est une commande en courant (figures 3 et 4) on obtient un effet mémoire illustré schématiquement par les figures 6a à 6c. La puissance d'entrée o est représentée par la courbe de la figure 6a. Pour un top dans un sens appliqué & cette puissance d'entrée 0*o, la sortie passe dans l'un des guides. Lorsque la puissance d'entrée *o revient à sa valeur initiale le signal reste dans le méme guide. Pour un top dans un autre sens appliqué à la puissance d'entrée *0, le signal passe dans l'autre guide et y reste meme si la puissance d'en- trée *o revient & sa valeur initiale (voir les figures 6b et 6c). Dans les calculs, l'absorption dans toutes les couches a été négligée excepté dans les structure QW. L'invention n'est pas limitée & la réalisation dans un système GaAlAs/GaAs, mais peut être étendue par exem- ple au système GaInAs/lInP comme il a été dit précédemment, ou encore au système GaInAsP/InP. De même le substrat peut être de tout matériau de maille compatible, et même en silicium, par exemple muni d'une couche d'adaptation de maille, puis d'une couche par exemple de GaAs ou d'InP. Le dispositif selon l'invention est à partir de là réalisé comme il a été dit précédemment. *EPLIE DE REALTSATION I Dans cet exemple, on donne un procédé de réalis&- tion d'un élément de commutation muni de moyens pour séparer les faisceaux des premier et second guides, dans le but de taire un élément de comîmutation cascadable pouvant servir de base à la réalisation d'une matrice de commutation de Q entrées dans Q sorties. Cet exemple est appliqué à l'une des structures verticales décrites dans les exemples I, II, III ou IV, et est illustré schématiquement par la figure 8. Tel que représenté sur la figure 8, cet élément comprend un substrat 10 sur lequel est réalisé un premier cou- pleur directif Cg à structure verticale comme déjà décrit. A l'extrémité de sortie de ce coupleur directif Ci, c'est-à-dire après une longueur égale à la longueur de couplage L, est disposé un miroir M seulement sur le trajet du faisceau du guide supérieur, ici G2. Ce miroir M peut être constitué par un flan vertical faisant un certain angle avec l'axe optique de la structure du guide. Un tel flanc vertical peut être réalisé par une gravure partielle en smme temps que la gravure totale qu permet le confinement latéral des guides de la structure verticale. Symétriquement par rapport & la normale au miroir M, on réalise un second coupleur directif C2 identique au pre- mier. Ce système est évidemment formé en sème temps que le coupleur Ci et le miroir M, au moyen d'un jeu de masques et par la gravure des couches. On prévoira de prolonger le guide Gi en Gel, et de prolonger le symétrique du guide G1 en G'l au-delà de la lon- gueur de couplage L, alors que le guide supérieur G2 et son symétrique G'2 sont limités à la longueur de couplage L. Selon la puissance d'entrée *e, un faisceau entrant dans G1, ou bien sortira par l'extraémité G' prolon- gement du guide d'entrée Gi1 avec une puissance *o, ou bien passera dans Gz. Dans ce dernier cas, il sera réfléchi par le miroir M, et passera dans le symétrique G'2 de G2. Du fait que le coupleur C2 est prévu d'une longueur L correspondant à une sortie croisée, dans l'état de polarisation zéro, le signal passera dans G'l et sera ensuite véhiculé par le prolongement de G'I avec une puissance *2. Ainsi conçcue, cette structure nécessitera donc seulement la réalisation de contacts électriques de polarisation pour le premier coupleur CI et non pas pour le second. Les contacts électriques seront donc réalisée soit seulement sur les couches 3 extrêmes de CI (si CI est constitué selon les exemples II, III, V) soit sur les couches N et P de C1 (si Ci et constitué selon l'exemple I). Les éléments formés de C1+C2 sont directement cascadables. Il sont dits éléments de base. On pourra alors réaliser une matrice de commuta- tion de Q dans Q guides, en plaeçant QxQ de ces éléments de base en cascade dans deux directions du plan d'un substrat. D'une façon préférentielle, le miroir M est réalisé à 45' de l'axe optique du premier coupleur C1. Les deux coupleurs C1, Cz sont donc dans des directions ortho- gonales. Revendications 1. Dispositif semiconducteur intégré formant un com- mutateur optoélectronique qui comprend d'une part une struc- ture de coupleur directif dans laquelle l'un des guides reçoit OS la pluissance lumineuse d'entrée et l'autre guide est formé de multipluits quantiques, structure dont les dimensions sont telles qu'à l'état statique le commutateur est dans l'état croisé, et d'autre part des moyens de commande de la comuta- tion, caractérisé en ce que - d'une part la structure comprend des couches formant au moins une structure PIN dans laquelle le guide formé de multipuits quantiques constitue une région intrin- sèque I, - et d'autre part les moyens de commande incluent des moyens de polarisation en inverse de la structure PIN agissant en contre-réaction pour obtenir que la commutation d'un état dans l'autre soit initiée par un changement de niveau de la puissance lumineuse injectée dans le guide d'entrée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une seconde structure PIN dont le guide d'entrée constitue la région intrinsèque et qui est polarisée en direct. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le guide d'entrée est aussi formé de multipuits quantiques. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 & 3, caractérisé en ce que la structure du coupleur directif est de type vertical et comprend une couche de séparation d'un pre- mier type de conductivité disposée entre les deux guides, et des première et seconde couches de confinement d'un second type de conductivité opposé disposées de part et d'autre des guides. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans la mesure o cette dernière dépend directement de la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la couche de confinement adja- cente au guide d'entrée, dite première couche de confinement et le guide d'entrée sont du méme type de conductivité que la os05 couche de séparation. 6. Dispositif selon la revendication 4, dans la mesure o elle dépend directement de la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la couche de confinement adjacente au guide d'entrée, dite première couche de confinement et le guide d'entrée sont du type de conductivité opposé à celui de la couche de séparation 7. Dispositif selon la revendication 4, dans la mesure o cette dernière dépend de l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la couche de confinement adjacente au guide d'entrée est du type de conductivité opposé & celui de la couche de séparation. 8. Dispositif selon l'une des revendications 4 & 7, caractérisé en ce qu'un miroir est disposé sur le trajet du guide supérieur de la structure verticale, à l'extrémité de la longueur de couplage, et en ce qu'un second coupleur directif de structure et dimension identiques est disposé dans l'axe de réflexion de ce miroir. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le miroir est constitué par une interface plane per- pendiculaire au plan des couches et disposée à 45 sur l'axe optique du premier coupleur directif. 10. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que la couche de séparation entre les deux guides de la (des) structure(s) de coupleur directif, est de type de conductivité N. 11. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure du coupleur directif est de type hori- zontal et comprend une couche guidante formée de multipuits quantiques pour former le guide d'entrée et le second guide, de part et d'autre de laquelle sont disposées des couches inférieure et supérieure de confinement de type de conducti- vité opposé, couche guidante qui constitue la région intrin- sèque des deux structures PIN. 12 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la couche supérieure de confinement est munie de rubans érigés en relief pour délimiter le guide d'entrée et le second guide. 13. Dispositif selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que la couche de confinement inférieur est de type de conductivité N. 14. Dispositif selon l'une des revendications précé- dentes caractérisé en ce qu'un contact de type P est disposé sur la (les) couche(s) de type P, et un contact de type N est disposé sur la couche de type N de la (ou de chaque) structure PIN. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent l'application d'une tension entre les bornes N et P. 16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens de polarisation consistent en une résis- tance en série avec une alimentation en tension continue dis- posées entre les bornes N et P. 17. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens de commande consistent en des moyens de polarisation par une alimentation en courant. 18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que ces moyens comprennent une diode. 19. Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que ces moyens comprennent une diode photodétectrice. 20. Dispositif selon la revendication 19 dans la mesure o cette dernière dépend de la revendication 4, carac- térisé en ce que la diode photodétectrice est réalisée en surface de la structure verticale. 21. Dispositif selon l'une des revendications 1 i 10 caractérisé en ce que les matériaux pour faire la (les) structures) 264C245 de multipuits quantiques consistent en une alternance de couches binaires et ternaires ou quaternaires de matériaux du groupe III-V. 22. Dispositif selon la revendication 21, caractérisé os05 en ce que les couches autres que les structures NQV sont ter- naires ou quaternaires. 23. Dispositif selon la revendication 22, caractérisé en ce que les matériaux binaires sont formés d'arséniure de gallium (GaAs) et les matériaux ternaires d'arséniure de gallium et d'aluminium (GaAlAs), le substrat étant en arsé- niure de gallium (GaAs). 24. Dispositif selon la revendication 23, caractérisé en ce que la concentration en aluminium (Al) du composé d'ar- senic de gallium et d'aluminium éventuellement dans les MQW est 0,3, en ce que dans l'autre guide s'il est non NQV, la concentration en aluminium (Al) est 0,11, et dans les autres couches, la concentration en aluminium (Al) est 0,16. 25. Dispositif selon la revendication 24, caractérisé en ce que l'épaisseur des guides pour obtenir la propagation d'une onde monomode est O,6pu. 26. Dispositif selon la revendication 24, caractérisé en ce que pour le fonctionnement à une longueur d'onde de 865 nu, l'épaisseur de la couche de séparation est D * lum et la longueur de couplage des guides de lumière dans le cas d'un seul guide & MQWV est L * 288 M. 27. Dispositif selon la revendication 22, caractérisé en ce que les matériaux binaires sont le phosphure d'indium (INP), les matérlaux ternaires l'arséniure de gallium et d'indiuu (GalnAs), et les matériaux quaternaires éventuel- lement, en un composé d'arsenic, indium, phosphore, gallium, le substrat étant en phosphure d'indium (InP). 28. Utilisation du dispositif selon l'une des reven- dications 14 ou 15, pour commuter un signal porteur modulé en puissance, le signal porteur restant dans le guide d'entrée lorsque sa puissance d'entrée est faible et passant d'une façon abrupte dans le second guide de lumière lorsque sa puissance d'entrée est forte. 29. Utilisation du dispositif selon l'une des revendications 17 à 20, pour effectuer la commutation bistable d'un signal, commutation commandée par un top lumineux appliqué & un signal d'entrée, le signal continuant dans le smme guide de lumière lorsque le top est un top de puissance négative, et le signal passant dans l'autre guide lorsque le top est un top de puissance positive, le signal se propageant alors continuement jusqu'à l'apparition d'un nouveau top, alors que le signal d'entrée à repris sa puissance initiale après le top de commande. 30. Dispositif semiconducteur intégré Incluant une matrice de commutation formée de QxQ dispositifs commutateurs opto-électroniques selon l'une des revendications précédentes, dans la mesure o chacune d'elles dépend de l'une des revendi- cations 8 ou 11, ces dispositifs étant montés en cascade dans deux directions du plan du substrat.