Brevet FR2664992A1 — publié le 19920124

La présente invention concerne des modulateurs electro- optiques et plus particulièrement ceux dans lesquels l'onde électrique que l'on veut faire interagir avec l'onde optique est du domaine des microondes. Dans les modulateurs de lumière où le signal électrique modulant est du domaine des microondes, la lumière se propage dans un guide optique, par exemple un isolant tel que LiNbO3 ou un semiconducteur tel qu un semiconducteur du groupe III-V, et l'onde électrique est appliquée sous forme d'une onde progressive se propageant dans la même direction (dans le même sens ou en sens opposé) que la lumière. Un incovnénient des modulateurs optiques à microondes connus réside dans le fait qu'ils présentent une bande de fré- quence de fonctiionnement réduite. Un objet de la présente invention est de prévoir un modulateur électro-optique microonde large bande ou fonctionnant de façon satisfaisante dans un domaine choisi. Pour atteindre cet objet, la présente invention se base sur l'analyse selon laquelle la limitation de largeur de bande est liée à la différez entre les vitesses de propagation des signaux optiques et microondes et propose une technique pour annuler ou au moins réduire cette différez Plus particulièrement, la présente invention prévoit un dispositif de modulation de phase d'une onde optique dans lequel la lumière se propage longitudinalement dans un guide optique en un semiconducteur III-V et dans lequel une onde progressive de fréquence microonde est appliquée au guide.Ce dispositif comprend des moyens pour appliquer au guide une polarisation continue, perpRiallazement à la direction de propagation et avec une amplitude propre à rendre égales les vitesses de propagation optique et micrconde sur la plage de face des microondes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la polarisation est appliquée par l'intermédiaire de métallisa tions formant avec la couche semiconductrice adjacente un contact de type Shottky ou jonction PN. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le semiconducteur est de l'arséniure de gallium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le guide optique comprend, sur un substrat d'arséniure de gallium fortement dopé, une première couche de confinement et une couche formant guide d'onde, une bande longitudinale de cette dernière couche étant en surépaisseur et étant métallisée de même que la face opposée du substrat. Selon un mode de réalisation de la présente invention, une deuxième couche de confinement est prévue sur la face de la couche de guide d'ande opposée à celle formée sur la première couche de confinement, cette deuxième couche de confinement ccnzprenant une bande en survpaisseur revêtue d'une métallisation. L'invention s'applique à la formation d'un dispositif de modulation d'amplitude d'une onde optique comprenant deux dispositifs de modulation de phase formés sur le même substrat, la polarisation continue étant appliquée selon la même polarité aux deux guides. La polarisation continue est appliquée entre les métallisations supérieures, reliées pour le continu, et la métallisation inférieure. Ces objets, caristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 représente un exemple de modulateur élec trooptique de phase, modifié selon la présente invention ; les figures 2 et 3 représentent respectivement une vue en coupe schématique et une vue de dessus schématique d'un modulateur électrooptique d'amplitude modifié selon la présente invention. La figure 1 représente, en coupe scbgmatique, un exemple de modulateur électrooptique de la phase d'une onde lumineuse destiné à fonctionner dans la plage des microondes. Ce modulateur comprend, sur un substrat 1 de GaAs de type N fortment dopée (N+), une première couche de confinement 2 en GaAlAs, une couche de guide optique proprement dit 3 en GaAs de type N faiblement dopé (N-) et une deuxième couche de confinement 4 sensiblement identique à la première couche de confi- nement 2. Au droit de l'emplacement où l'on veut localiser la propagation de lumière, la couche de confinement 4 comprend une surépaisseur 5. Cette struaure s'étend sur un plan perpendiculaire au plan de la feuille. La région de guide d'onde effective est illustrée dans la coche 3 par une région hachurée 6. L 'onde électrique de modulation est appliquée entre une électode supérieure 7 formée sur la nervure 5 et une électrode inférieure 8 formée sur la face opposée du substrat. On a matisé l'application d'un signal électrique par une source de signal électrique 9. En pratique, les microondes se propageront dans toute la cte, et en particulier dans la région de guide d'ande 3, sous forme d'une onde progressive dans la même direction (même sens ou sens opposé) que la lumière. Classiquement, les couches de confient et de guide d'onde 2, 3 et 4 ont des épaisseurs de l'ordre du microrétre. Dans les modulateurs classiques, les électrodes 7 et 8 sont réalisées en or ou en aluminium et présentent des contacts ahmiques avec les couches semiconductrices non dopées. Selon l 'invention, on prévoit un contact de type Schottky ou jonction PN entre les électrodes et les couches semi conductrices et on rajoute à la structure précédemment décrite, des moyens pour appliquer un champ continu perpendiculairement à la direction de propagation de la lumière dans la zone de guide d'onde. Dans la figure, ce champ continu est illustré par l'utilisatian d'une source de tensian continue 10 connectée comme la source alternative entre les métallisations 7 et 8. En pratique, on s 'aperçoit que l'application d'une telle polarisation continue, si l'on choisit convenablement son intensité, ce qui peut être fait par des essais simples et rapides, permet de modifier la largeur de bande possible des microondes. L'explication actuelle donnée à ce phénomène est que, normalement, la largeur de bande d'un dispositif électrooptique est limitée par la diffèrece d'indice du matériau actif (la ouche 3) pour les ondes optiques et pour les microandes. En appliquant à un matériau semiconducteur de type 111-V une polarisation convenable, on modifie l'indice équivalent de la couche active dans le domaine des microondes pour arriver à le rendre égal à l'indice optique sur une très large bande de fréquence. En d'autre termes, on égalise les vitesses de propagation optiques et microondes. On peut donc moduler en phase la lumière sur une triés large bande de fréquence. Plus généralement, la présente invention s'applique à toute configuration dans laquelle an fait interagir le loeg d'un guide d'ande en matériau semiconducteur de type III-V une onde optique et une onde électrique haute fréquence. En eux-mêmes, les modulateurs de phase ont peu d'application mais l'on cherche par contre souvent à réaliser des modulateurs d'amplitude optique. De tels modulateurs d'amplitude peu vent être réalises à partir de modulateurs de phase en leur associant divers dispositifs de polarimétrie ou bien en faisant interférer des ondes différemment modifiées en phase. C'est un exemple de ce deuxième type de structure qui est donné en figures 2 et 3, la figure 3 étant une vue de dessus de la figure 2. En figure 2, on retrace un substrat 1, une couche de confit 2 et une couche de guide d'onde 3. Toutefois, on a considéré un cas où il n'est pas prévu de deuxième couche de confinement mais où il est directement prévu des surépaisseurs de localisation 11 et 12 sur la couche de guide d'onde 3. Chacune de oes surépaisseurs est revêtue d'une métallisation, respectivement 13 et 14, la métallisation sur l'autre face du substrat étant encore désignée par la référence 8. Une onde électrique (microonde) est appliquée par un générateur 15 entre les métallisations de faoe supérieure 13 et 14, de sorte que des champs opposés sont appliquée aux deux régions actives 16 et 17.A ce champ alternatif est superposé un champ continu fourni par une souroe 10, oe champ étant de même polarite pour chacune des régions actives 16 et 17. On a considéré dans le schéma que la source de micmoedes 15 constituaIt un court-circuit pour le courant continu. Dans la vue de dessus de la figure 3, an peut voir les métallisations 13 et 14. De la lumière provenant d'un guide optique d'entrée 20 est envoyée vers chacune des zones actives 16 et 17 puis, après avoir subi des déphasages de sens opposé dans chacune des zones de modulation, est rasserrblée à nouveau dans un guide optique de sortie 21. Pour appliquer le champ électrique original aux régions de modulation, an utilise de préférence des métallisations en un matériau formant avec le semiconducteur de type III-V un contact Schottky tel que les diodes Schottlg résultantes présentent une tension de claquage inverse supérieure à la tension de polarisation continue qu'il convient d'appliquer pour obtenir le résultat recherche. on évite ainsi toute oenscrrrrlation de courant continu. A titre d'exemple, avec une structure du type de celle de la figure 1, dans laquelle l'épaisseur du substrat était de l'ordre de la centaine de micromètres, une tension continue de l'ordre de 25 à 30 volts permettait d'obtenir une linéarisation de l'indice pour les microondes sur une très large bande de fré quence allant de 1 à 20 GigaMrtz. Les contacts Schottky étaient formés en utilisant une couche de métallisation en or-niclsel. REVENDICATIONS 1. Dispositif de modulation de phase d'une onde optique dans lequel la lumière se propage longitudinalement dans un guide optique (6 ; 16, 17) en un semiconducteur III-V et dans lequel une onde progressive de fréquence micmonde est appliquée audit guide, caractérisé en oe qu'il comprend des moyens (10) pour appliquer au guide une polarisation continue, perpendiculairement à la direction de propagation et avec une amplitude propre à rendre égales les vitesses de propagation optiques et micros sur la plage de fréquence des microondes. 2. Dispositif de modulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite polarisation est appliquée par l'intermédiaire d'électrodes formant avec la couche semiconductrice adjacente un contact de type Shottky ou jonction PN. 3. Dispositif de modulation selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites électros (6, 8 ; 13, 14, 8) sont des métallisations d'or-nickel. 4. Dispositif de modulation selon la revendication 1, caracterisé en ce que ledit semiconducteur est de l'arséniure de gallium. 5. Dispositif de modulation selon la revendication 1, caracterisé en ce que le guide optique oooprend, sur un substrat d'arséniure de gallium fortement dopé (1), une première cruche de confinement (2) et une ce (3) formant guide d'onde, une bande longitudinale (5) de cette dernière couche étant en surépaisseur et étant métallisée de même que la face opposée du substrat. 6. Dispositif de modulation selon la revendication 5, catactérisé en oe qu'une deuxième ouche de confinement (4) est prévue sur la face de la couche de guide d'onde opposée à celle formée sur la première couche de confinement, cette deuxième couche de confirment comprenant une bande en surépaisseur revêtue d'une métallisation. 7. Dispositif de modulation d'amplitude d'une ande optique caraXrisé en oe qu'il comprend deux dispositifs de modulation de phase selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, formés sur le même substrat, ladite polarisation continue étant appliquée selon la même polarité aux deux guides. 8. Dispositif de modulation selon la revendication 7, caractérisé en ce que la polarisation continue est appliquée entre les métallisations supérieures, reliées pour le continu, et la métallisation inférieure.