Brevet FR2656168A1 — publié le 19910621

LASER SEMICONDUCTEUR A PUITS QUANTIQUES MODULABLE EN INTENSITE OU EN FREQUENCE PAR UN MODULATEUR INTEGRE La présente invention concerne un laser semiconducteur à puits quantiques, plus particulièrement un laser semiconducteur à puits quantiques modulable en intensité ou en fréquence par un modulateur intégré. Il est connu d'utiliser des hétéro-structures à puits quantiques comme matériau actif pour laser. Une telle utilisation est notamment décrite dans un article de la Revue Technique THOMSON-CSF de Mars 1987, Volume 19, intitulé "Diode laser à puits quantique". On a aussi proposé d'utiliser des hétéro-structures à puits quantiques comme matériaux à très fort coefficient électro-optique pour modulateur. Un tel modulateur est en particulier décrit par D.S.CHEMLA et al. dans Appl. Phys. Letters page 864 à 866, Volume 42 (10, 15 Mai 1983). Toutefois, il est difficile d'associer les deux fonctions de manière monolithique car, l'émission laser d'une diode laser à puits quantique a lieu à une longueur d'onde plus basse que la longueur d'onde de fonctionnement du modulateur électro-optique. La présente invention a pour but de remedier à cet inconvénient en proposant un laser semiconducteur à puits quantiques modulable en intensité ou en fréquence par un modulateur intégré. En conséquence, la présente invention a pour objet un laser semiconducteur à puits quantiques modulable en intensité ou en fréquence par un modulateur intégré, caractérisé en ce qu'il est constitué par une structure semiconductrice à au moins deux puits quantiques comportant une partie laser polarisée en direct et une partie modulateur polarisée en direct ou en inverse de manière à amener le niveau d'énergie de la structure en résonance avec l'émission laser. Selon un mode de réalisation préférentiel, la structure semiconductrice comporte au moins - une première couche de matériau semiconducteur dopé - une deuxième couche appelée couche active en un matériau semiconducteur non intentionnellement dopé et de faible épaisseur de manière à réaliser un puits quantique - une troisième couche appelée couche barrière en un matériau semiconducteur non intentionnellement dopé, de faible épaisseur et de composition telle qu'elle réalise une barrière de potentiel - une quatrière couche appelée couche active en un matériau semiconducteur non intentionnellement dopé et de faible épaisseur de manière à réaliser un puits quantique, et - une cinquième couche de matériau semiconducteur dopé, la structure étant recouverte respectivement d'électrodesde commande de la partie laser et d'électrodes de commande de la partie modulateur, une zone isolante étant prévue dans les première et cinquième couches entre les deux électrodes. D'autre part, selon une variante de réalisation, la structure comporte de plus entre la quatrième et la cinquième couches au moins - une couche barrière supplémentaire en un matériau semiconducteur non intentionnellement dopé, de faible épaisseur et de composition telle qu'elle réalise une barrière de potentiel, et - une couche active supplémentaire en un matériau semiconducteur non intentionnellement dopé et de faible épaisseur de manière à réaliser un puits quantique. Selon d'autres caractéristiques de la présente invention, la première couche et la cinquième couche sont dopées avec des impuretés de type opposé. D'autre part, les couches actives qui peuvent être réalisées en un matériau semiconducteur tel que GaAs, GaSb, InGaAs, ou similaire, ont des épaisseurs identiques ou différentes qui sont de préférence inférieures à 250 De même, les couches barrières qui sont réalisées de préférence en un matériau semiconducteur tel que AlGaAs > AlSb, InAlAs > etc..., ont des épaisseurs identiques ou différentes qui o sont de préférence comprises entre 150 et 20A. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, la description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'une structure semiconductrice utilisée dans la présente invention - la figure 2 est un diagramme montrant les niveaux d'énergie de la structure de la figure 1 en l'absence de champ électrique - la figure 3 est un diagramme donnant les niveaux d'énergie de la structure polarisée en inverse, et - la figure 4 est une vue en coupe schématique d'un laser à modulateur intégré conforme à l'invention. Sur la figure 1 on a représenté un mode de réalisation de la partie active d'une structure conforme à la présente invention. De manière connue de l'homme de l'art, cette partie active peut être placée dans toute structure laser habituelle telle qu'une structure à multi-puits quantiques, une structure laser à confinement séparé, un laser Mesa, un laser à guide enterré, etc... Comme représenté sur la figure 1, cette structure est constituée essentiellement d'un substrat 1 en un matériau semiconducteur tel qu'un matériau de la famille III-V sur lequel on a fait croître par épitaxie un certain nombre de couches de matériaux semiconducteurs référencés 2 à 6. La première couche 2 est une couche de matériau semiconducteur dopé avec un dopant de type P par exemple. La deuxième couche 3 appelée couche active est une couche en un matériau semiconducteur non intentionnellement dopé de faible épaisseur de manière à réaliser un puits quantique. La troisième couche 4 appelée couche barrière est réalisée en un matériau semiconducteur non intentionnellement dopé de faible épaisseur et de composition telle que cette couche réalise une barrière de potentiel à travers laquelle les porteurs peuvent passer par effet tunnel. La quatrième couche 5 appelée couche active est une couche en matériau semiconducteur non intentionnellement dopé et de faible épaisseur de manière à réaliser un puits quantique, et la cinquième couche 6 est une couche en un matériau semiconducteur fortement dopé par exemple avec un dopant de type N. Selon le mode de réalisation représenté, le substrat 1 a été réalisé en arséniure de gallium GaAs. D'autre part, la première et la cinquième couches 2,6 sont réalisées dans le même matériau semiconducteur. Ce matériau semiconducteur est du GaAlAs dans le mode de réalisation représenté. Il pourrait être aussi choisi parmi AlSb, InAlAs > InP. Ces couches présentent une épaisseur de l'ordre de 0,5 Cun. Cette épaisseur n'est pas une caractéristique essentielle de l'invention. Les couches actives 3 et 5 sont réalisées en un matériau semiconducteur tel que GaAs dans le mode réalisation représenté.Elle pourrait être réalisée en GaSb, InGaAs, InGaAsP ou en des matériaux similaires dont la largeur de bande interdite (gap en terminologie anglo-saxonne) est faible de manière à réaliser un puits quantique. L'épaisseur de ces couches qui peut être identique ou différente est faible, à savoir comprise entre 250 o et 20 A pour réaliser un puits quantique pour les porteurs. D'autre part, la couche barrière 4 est réalisée en GaAlAs. Elle pourrait être réalisée en un matériau semiconducteur tel que AlSb, InAlAs, InP ou similaire. Ce matériau a une composition telle qu'il réalise une barrière de potentiel. L'épaisseur de la couche barrière est comprise entre o 150 et 20 A. Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, entre les couches 5 et 6, on peut éventuellement rajouter au moins une couche barrière supplémentaire en un matériau semiconducteur non intentionnellement dopé, de faible épaisseur et de compostion telle qu'elle réalise une barrière de potentiel et une couche active supplémentaire en un matériau semiconducteur non intentionnellement dopé et de faible épaisseur de manière à réaliser un puits quantique. La ou les couches barrières supplémentaires peuvent être réalisées dans le même matériau que la couche barrière 4 et présenter une épaisseur identique ou différente. De même, la ou les couches actives supplémentaires peuvent être réalisées dans le même matériau que les couches actives 3 et 5 et présenter des épaisseurs identiques ou différentes. De manière connue de l'homme de l'art, ces différentes couches seront obtenues par épitaxie, de préférence par épitaxie par jets moléculaires (connue sous la dénomination MBE) ou par épitaxie en phase vapeur d'organo-métallique (connue sous la dénomination MOCVD). Ces épitaxies seront réalisées de manière connue en utilisant éventuellement des couches intermédiaires supplémentaires non décrites pour réaliser une adaptation du paramètre de maille entre les différentes couches. En l'absence de champ électrique, la structure représentée à la figure 1 présente une structure de bande avec les niveaux d'énergie schématisés sur la figure 2. Cette structure est en fait constituée d'une jonction n-p constituée par les couches 6 et 2, séparée par deux puits quantiques P1 et P2, eux-mêmes séparés par une barrière B1 de largeur telle qu'elle permet un couplage par effet tunnel. Si, comme dans le mode de réalisation représenté, les deux couches actives ont une même épaisseur, la largeur des deux puits P1 et P2 est identique et les niveaux n = 1 et n = 2 dans les puits sont aussi identiques, lorqu aucune tension n'est appliquée sur la structure. Comme représenté sur la figure 4 et conformément à la présente invention, avec la structure de la figure 1 l'on a réalisé un laser à modulateur intégré. La partie laser est constituée par la partie gauche de la figure 4, tandis que la partie modulateur est constituée par la partie droite. Ces deux parties sont séparées en réalisant respectivement dans la première couche 2 et la cinquième couche 6 une zone isolante 9,9'. Cette zone peut être obtenue par injection de protons dans les couches de GaAlAs dopées ou par tout autre moyen. D'autre part, sur les couches 2 et 6, on a réalisé, de manière connue de l'homme de part, respectivement des électrodes 7,7' pour la partie laser et des électrodes 8,8' pour la partie modulateur. Conformément à la présente invention, la partie laser est polarisée en direct, à savoir l'électrode 7 reçoit une tension négative tandis que l'électrode 7' reçoit une tension positive. De même, la partie modulateur peut être polarisée en inverse ou en direct. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 4, on utilise une modulation en inverse et les électrodes 8 et 8' reçoivent respectivement une tension positive et négative. Une autre possibilité est d'appliquer une seule tension de référence sur une électrode déposée sur tout le substrat 1, et de polariser séparément les électrodes 7 et 8 négativement d'une part, négativement ou positivement d'autre part. On expliquera ci-après le fonctionnement de la structure de la figure 4 en utilisant éventuellement la figure 3. La transition laser a lieu à énergie El déterminée par les niveaux d'énergie des électrons et des trous dans la structure définie par l'ensemble des couches 2, 3, 4, 5, 6. Suivant le champ appliqué à la partie modulateur entre les électrodes 8 et 8', on absorbe ou non le rayonnement émis par la partie active laser située entre les électrodes 7 et 7'. Suivant les conditions d'injection électrique dans la partie laser et la structure considérée, deux cas peuvent alors se produire - en cas d'injection forte, au moins trois fois le courant de seuil, lorsque lteffet laser sur la transition n = 1 est interrompu par les pertes, l'inversion de population se produit sur le niveau 2, ce qui induit un gain très supérieur permettant de surmonter les nouvelles pertes et de produire un effet laser à l'énergie de photons E2. On a ainsi changé l'énergie des photons émis de El à E2 et réalisé un modulateur de longueur d'onde intégré au laser - en cas d'injection plus faible, ou si la structure des niveaux ne permet pas d'inversion sur un niveau excité, l'émission laser s'arrête dès que les pertes sont supérieures au gain. On a réalisé un modulateur d'amplitude. REVENDICATIONS 1. Laser semiconducteur à puits quantiques modulable en intensité ou en fréquence par un modulateur intégré, caractérisé en ce qu'il est constitué par une structure semiconductrice à au moins deux puits quantiques (3, 5) comportant une partie laser polarisée en direct et une partie modulateur polarisée en direct ou en inverse de manière à amener le niveau d'énergie de la structure en résonance avec l'émission laser. 2. Laser semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure semiconductrice comporte au moins - une première couche (2) de matériau semiconducteur dopé - une deuxième couche (3) appelée couche active en un matériau semiconducteur non intentionnellement dopé et de faible épaisseur de manière à réaliser un puits quantique - une troisième couche (4) appelée couche barrière en un matériau semiconducteur non intentionnellement dopé, de faible épaisseur et de composition telle qu'elle réalise une barrière de potentiel - une quatrième couche (5) appelée couche active en un matériau semiconducteur non intentionnellement dopé et de faible épaisseur de manière à réaliser un puits quantique, et - une cinquième couche (6) de matériau semiconducteur dopé, la structure étant recouverte respectivement d'électrodes (7, 7') de commande de la partie laser et d'électrodes (8, 8') de commande de la partie modulateur, une zone isolante (9, 9') étant prévue dans les première et cinquième couches entre les deux électrodes. 3. Laser semiconducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte de plus entre la quatrième et la cinquième couches au moins - une couche barrière supplémentaire en un matériau semiconducteur non intentionnellement dopé, de faible épaisseur et de composition telle qu'elle réalise une barrière de potentiel, et - une couche active supplémentaire en un matériau semiconducteur non intentionnellement dopé et de faible épaisseur de manière à réaliser un puits quantique. 4. Laser semiconducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure semiconductrice est déposée sur un substrat recouvert d'une électrode de commande recevant une tension de référence, la cinquième couche étant recouverte d'une électrode (7) de commande de la partie laser et d'une électrode (8) de commande de la partie modulateur. 5. Laser semiconducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première couche et la cinquième couche sont dopées avec des impuretés de type opposé. 6. Laser semiconducteur selon l'une quelconque des revendications 2 et 5, caractérisé en ce que la première et la cinquième couche sont réalisées en GaAlAs, AlSb, InAlAs, InGaAsP. 7. Laser semiconducteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les couches actives sont réalisées en GaAs, GaSb, InGaAs, InGaAsp. 8. Laser semiconducteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les couches actives ont des épaisseurs identiques ou différentes. 9. Laser semiconducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'épaisseur des couches actives est o comprise entre 250 et 10 A. 10. Laser semiconducteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que les couches barrière sont réalisées en GaAlAs > AlSb, InAlAs, InP. 11. Laser semiconducteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les couches barrière ont des épaisseurs identiques ou différentes. 12. Laser semiconducteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'épaisseur des couches barrière est o comprise entre 150 et 20 A. 13. Laser semiconducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les zones isolantes sont réalisées par injection de protons.