Brevet FR2677499A1 — publié le 19921211

Laser semiconducteur monomodal à rétroaction distribuée et son procédé de fabrication La présente invention concerne un laser semiconducteur monomodal à rétroaction distribuée du type dit DFB. La cavité résonante d'un tel laser est au moins partiellement formée par un réseau de rétroaction optique. Le produit du pas H de ce réseau par l'indice de réfraction effectif de la structure du laser est usuellement sensiblement égal à la moitié de la longueur d'onde de la lumière à émettre. Ce réseau peut présenter un ou plusieurs déphasages localisés dont l'utilité apparaîtra plus loin. Un tel laser est typiquement destiné à un réseau de télécommunications à fibres optiques. Une caractéristique importante est alors la largeur de la raie spectrale de la lumière émise. Des articles théoriques (C.H. Henry "Theory of the linewidth of semiconductor lasers", IEEE J. Quantum Electron. pp 259-264, 1982) montrent que la largeur de raie DNU d'un laser semiconducteur est, selon certains modèles de fonctionnement de ce laser, inversément dépendante de la puissance lumineuse P qu'il émet DNU = c/P c étant un coefficient constant. La largeur de raie minimale atteinte dépendrait alors de la puissance maximale (en fonctionnement monomode) du laser. Cependant, ces modèles supposent une distribution de porteurs libres (électrons) et de photons homogène dans la cavité résonante du laser. Or, au dessus du seuil de résonance, les éléments constitutifs de cette cavité (les réflectivités éventuelles sur les faces externes, les éventuels déphasages du réseau et le coefficient de couplage de ce réseau à la lumière essentiellement) imposent un profil bien défini à la densité de photons (il s'agit ici de photons stimulés seulement). Ce profil est, surtout pour les lasers à déphasage unique de H/2 et à coefficient de couplage élevé, loin d'être homogène. Cette inhomogénéité se répercute sur la densité de porteurs : en effet, la création d'un photon stimulé provoque la désexcitation d'un électron de la bande de conduction, et donc une diminution du nombre d'électrons libres. Par conséquent, la densité de porteurs libres est plus faible dans les régions où la densité de photons, c'est-à-dire l'intensité de la lumière, est forte.Ce phénomène est communément appelé "spatial hole burning" c'est-à-dire "appauvrissement local". Des modèles prenant en compte cet appauvrissement (G. Morthier et al "Linewidth of single-mode DFB lasers in the presence of spatial and spectral hole burning", ECOC'89) montrent que celui-ci produit un décalage de la largeur de raie DNU = c/P +a a désignant le décalage. La largeur de raie atteignable est alors limitée par ce décalage. Celui-ci est dû au profil inhomogène de photons et de porteurs. De plus, cet appauvrissement est responsable de la dégradation du taux de réjection modale des lasers (H. Soda et al "Stability in single longitudinal Mode operation in GalnAsP/InP phase adjusted DFB lasers" IEEE J. Quantum Electron. pp 804-814, 1987) : il produit une remontée des modes secondaires, et le laser peut même devenir bimode au delà d'une certaine intensité du courant d'alimentation du laser. Cet appauvrissement limite ainsi également la puissance maximale monomode du laser. Une solution pour réduire l'appauvrissement local est d'introduire des déphasages multiples dans la cavité. Plusieurs publications ont été faites à ce sujet. Les déphasages sont au nombre de deux (deux déphasages de H/4 : J. Whiteaway et al. "The static and dynamic characteristics of single-mode and multiple phase-jump DFB laser structures", 12th IEEE International semiconductor laser conference, 1990, pp 110-111) ou de 3 (déphasages de 2H/5, -2H/5 et 2H/5 : Ogita et al "Long cavity, multiple phase-shift, distributed feedback laser for linewidth narrowing", Electron. Letters, llth May 1989). Ces déphasages modifient le profil de photons imposés par la cavité laser. Ils sont généralement optimisés pour créer une répartition relativement homogène de l'intensité de la lumière tout en gardant une bonne sélectivité modale.Les déphasages considérés sont : 2 déphasages de même signe, ou trois déphasages, soit de mêmes signes, soit de signes alternés répartis symétriquement par rapport au centre de la cavité laser. Selon un procédé interférentiel connu les déphasages de signes alternés peuvent avantageusement être gravés avec l'aide d'une lame de quartz, par réalisation de bandes d'interférence lumineuses sur une résine pour photolithogravure. On fait varier l'épaisseur de cette lame sur la longueur de celle-ci et on choisit les angles des rayons lumineux pour obtenir le déphasage désiré. Celui-ci sera gravé dans la région de variation d'épaisseur de la lame. Ce procédé connu est décrit dans un article : "lambda/4 - Shifted DFB-LD corrugation formed by a novel spatial phase modulating mask. M. Shirasaki, M. Soda, S. Yamakashi and H. Nakajima, FUJITSU Lab Ltd. IOOC Ecoc' 85". Le cas de 2 déphasages de signes contraires placés symétriquement par rapport au centre de la cavité n'a pas été envisagé, car ces déphasages rendent le laser bimode lorsque ses faces sont traitées anti-réfléchissantes. Il n'y a alors pas d'avantage par rapport au DFB simple sans déphasages. La présente invention a notamment les buts suivants - Réaliser de manière plus simple un laser semiconducteur monomodal à rétroaction distribuée présentant un fonctionnement monomode et une répartition suffisamment homogène de l'intensité lumineuse sur la longueur de la cavité optique résonante de ce laser. - Diminuer le nombre des déphasages du réseau de rétro action optique d'un tel laser tout en permettant de réaliser aisément ce laser par un procédé interférentiel utilisant une lame de quartz d'épaisseur variable. - De manière générale réaliser un laser présentant un fonctionnement monomode et une disposition nouvelle des déphasages de son réseau de rétroaction optique sans appauvrissement local sensible de la densité de porteurs de charges. Dans ces buts elle a notamment pour objet un laser semiconducteur monomodal à rétroaction distribuée, caractérisé par le fait que son réseau de rétroaction optique présente deux déphasages alternés dont les positions sont dissymétriques par rapport au milieu de ce réseau. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être mise en oeuvre. La figure 1 représente une vue d'un laser réalisé selon la présente invention, en coupe par un plan vertical longitudinal. Les figures 2 et 3 représentent deux détails II et III à échelle agrandie de la figure 1 pour montrer les déphasages du réseau de rétroaction optique de ce laser. La figure 4 représente une vue de ce laser au cours d'une étape de sa fabrication, en coupe-partielle par un plan vertical longitudinal. Conformément à la figure 1 le laser donné en exemple comporte une plaquette semiconductrice 2 définissant une direction longitudinale X, une direction transversale Y perpendiculaire à cette direction longitudinale, et des plans horizontaux parallèles à ces directions longitudinale et transversale. Cette plaquette définit aussi une direction verticale Z perpendiculaire à ces plans horizontaux. Des longueurs et des épaisseurs sont mesurées selon ces directions longitudinale et verticale, respectivement. La plaquette 2 porte une couche d'électrode inférieure 4 et une couche d'électrodes supérieure 6, 8 pour faire passer des courants électriques internes de l'une à l'autre de ces faces à travers cette plaquette. La couche inférieure 4 comporte une électrode commune 4 tandis que la couche supérieure comporte une électrode de modulation 6 et une électrode d'amplification 8 longitudinalement successives. L'électrode 6 peut faire passer deux courants électriques superposés à savoir un premier courant d'alimentation constant I1 et un courant de modulation variable Im. L'électrode 8 fait passer un deuxième courant d'alimentation constant I2. Le courant de modulation Im est commandé pour faire varier provisoirement la fréquence du laser et réaliser ainsi une modulation de phase différentielle du type connu dit DPSK. La plaquette 2 comporte un ruban actif 10 présentant une longueur entre deux extrémités lOA, lOB. Ce ruban est constitué d'un matériau optiquement actif et il est interposé verticalement entre une couche de confinement inférieur 12 d'un premier type de conductivité et une couche de confinement supérieure 14 d'un deuxième type de conductivité opposé. Chaque courant d'alimentation passant à travers ce ruban actif permet à ce matériau actif d'amplifier une lumière de laser par recombinaison de porteurs de charges que ce courant injecte dans ce ruban actif à partir de ces couches de confinement. Ce ruban actif est inclus dans un ensemble de guidage qui s'étend longitudinalement en étant interposé verticalement et transversalement entre des matériaux présentant des indices de réfraction inférieurs à celui de matériaux de cet ensemble. Cet ensemble constitue ainsi un guide de lumière pour guider ladite lumière de laser selon la direction X. Plus particulièrement l'ensemble de guidage comporte, outre le ruban actif 10 constitué d'un alliage ternaire InGaAs, un guide passif 18 constitué d'un alliage quaternaire InAsGaP et séparé du ruban actif 10 par une couche intermédiaire 16. Cette couche est constituée, comme les couches de confinement 12 et 14, d'un alliage binaire InP dont l'indice de réfraction est plus faible que ceux du ruban actif et du guide passif. Son épaisseur est suffisamment petite pour réaliser un couplage optique entre ce ruban et ce guide. Plus particulièrement encore on rencontre, de bas en haut, la couche de confinement inférieure 12, le ruban actif 10, la couche intermédiaire 16, le guide passif 18 et la couche de confinement supérieure 14. D'autres couches sont classiquement formées dans la plaquette 2 et ne sont pas représentées. Ce sont notamment des couches latérales situées transversalement de part et d'autre de l'ensemble de guidage, et des couches de contact formées entre les couches de confinement et les électrodes. Un réseau de rétroaction optique 20 est constitué par l'ensemble de guidage. Il s'étend longitudinalement entre deux extrémités 20A, 20B qui coincident longitudinalement avec les deux extrémités lOA, lOB du ruban actif 10. Il est formé par une surface de réseau qui sépare deux matériaux 16, 18 d'indices de réfraction différents et qui s'étend longitudinalement en s'élevant et s'abaissant périodiquement selon un pas de réseau H mesuré longitudinalement. Ce pas est adapté à une longueur d'onde de ladite lumière de laser pour réfléchir cette lumière longitudinalement d'une manière distribuée sur la longueur de ce réseau et pour faire apparaltre ainsi au moins un mode de résonance pour cette lumière, chaque tel mode de résonance étant associé à une longueur d'onde de cette lumière proche de la longueur d'onde à laquelle ce pas de réseau est adapté.Ce réseau a pour effet que l'ensemble de guidage constitue, pour la lumière de laser, une cavité résonante, les faces longitudinalement extrêmes de la plaquette 2 portant des revêtements antiréfléchissants. Selon une disposition connue précédemment indiquée il présente une succession longitudinale de déphasages de réseau dont les positions et les valeurs sont choisies pour sélectionner un seul dit mode de résonance et la longueur d'onde associée et pour régulariser la répartition longitudinale de l'intensité de la lumière présentant cette longueur d'onde dans le ruban actif. Ces déphasages sont alternés c'est-à-dire que leurs valeurs absolues sont égales et qu'ils présentent un signe algébrique alternativement positif et négatif. Dans les lasers connus, de tels déphasages, alternés ou non, sont répartis symétriquement dans la longueur de la cavité résonante. De plus, lorsqu'ils sont alternés, ils sont en nombre impair pour que la symétrie du réseau soit complète, c'est-à-dire concerne les positions, les valeurs et les signes des déphasages, un déphasage étant situé au milieu de la cavité. Au contraire, selon la présente invention, ladite succession de déphasages est constituée par deux déphasages 22, 24, les positions de ces déphasages étant dissymétriques par rapport aux extrémités 20A, 20B du réseau de rétroaction 20. Plus particulièrement ces déphasages sont situés d'un même côté d'un milieu 20M du réseau de rétroaction 20. Plus particulièrement encore ils ont une même valeur absolue égale à 25 %, à plus ou moins 10 % près, du pas de réseau H et sont situés, à partir d'une même extrémité 20B du réseau de rétroaction 20, à deux distances respectivement égales à 13 % et à 46 %, à plus ou moins 4 % près, de la longueur de ce réseau. Ils sont illustrés sur les figures 2 et 3, étant entendu que la forme réelle de la gravure est sensiblement différente de la forme très schématique représentée. Le choix de ces valeurs et positions des déphasages a pour effet, dans le cas où les faces extrêmes de la plaquette 2 ne sont pas réfléchissantes et où le réseau de rétroaction s'étend continument d'une extrémité à l'autre du ruban actif, d'assurer un fonctionnement monomode du laser et une répartition suffisamment homogène de l'intensité lumineuse sur la longueur de ce ruban. D'autres dispositions dissymétriques seraient cependant préférables dans d'autres cas, la dissymétrie permettant d'utiliser utilement deux déphasages alternés, à condition de rechercher dans chaque cas les valeurs et positions optimales. Un procédé de fabrication d'un tel laser comporte les opérations suivantes - des opérations de dépôt de couches semiconductrices pour former la couche de confinement inférieure 12, l'ensemble de guidage 10, 16, 18 et la couche de confinement supérieure 14, - une opération de gravure de réseau qui est longitudinalement sélective et qui est effectuée entre deux dites opérations de dépôt de deux couches semiconductrices 16, 18 d'indices de réfraction différents pour former la surface de réseau 20, - une opération de gravure de délimitation qui est transversalement sélective pour délimiter transversalement ledit ensemble de guidage, - des opérations de dépôt de couches latérales pour compléter la plaquette semiconductrice 2 de part et d'autre de cet ensemble de guidage, - et des opérations de formation des électrodes 4, 6, 8. Conformément à la figure 4, l'opération de gravure de réseau comporte les opérations suivantes - Dépôt d'une couche de résine photosensible 30 sur une couche semiconductrice qui constitue une couche de base de réseau et qui est par exemple la couche intermédiaire 16. - Mise en place sur cette couche de résine d'une lame de déphasage 31. Cette lame est transparente. Elle s'étend longitudinalement en présentant alternativement une première et une deuxième épaisseurs El et E2 séparées par des zones de transition 32 et 34 recouvrant les futurs déphasages de réseau. Cette lame est par exemple constituée de silice. La variation de son épaisseur est obtenue par usinage ionique. Elle porte des revêtements antiréfléchissants 31A et 31B. - Insolation de cette couche de résine à travers cette lame de déphasage par deux faisceaux lumineux B1 et B2 issus d'une même source d'insolation 36. Ces deux faisceaux présentent des directions dissymétriques par rapport à la surface à insoler. Ils font apparaltre des raies d'interférence transversales grâce auxquelles cette résine présente, vis-à-vis d'un milieu de lavage sélectif, une sensibilité sélective selon ces raie. Cette source d'insolation est par exemple constituée par un laser 36. Le faisceau qu'elle émet est divisé par une lame semitransparente 38 et renvoyé par des miroirs 40, 42 et 44 pour former les faisceaux B1 et B2. - Lavage de cette résine à l'aide de ce milieu de lavage sélectif pour que des bandes résiduelles de cette résine résistent à ce milieu et constituent un masque de réseau reproduisant ces raies. - Attaque de cette couche de base de réseau à travers ce masque de réseau. - Et lavage de ces bandes résiduelles de résine. REVENDICATIONS 1/ Laser semiconducteur monomodal à rétroaction distribuée, caractérisé par le fait que son réseau de rétroaction optique (20) présente deux déphasages alternés (22, 24) dont les positions sont dissymétriques par rapport au milieu (20M) de ce réseau. 2/ Laser selon la revendication 1, ce laser comportant une plaquette semiconductrice (2) définissant une direction longitudinale (X), une direction transversale (Y) perpendiculaire à cette direction longitudinale, et des plans horizontaux parallèles à ces directions longitudinale et transversale, cette plaquette définissant aussi une direction verticale (Z) perpendiculaire à ces plans horizontaux, des longueurs et des épaisseurs étant mesurées selon ces directions longitudinale et verticale, respectivement, cette plaquette portant une couche d'électrode inférieure (4) et une couche d'électrodes supérieure (6, 8) pour faire passer des courants électriques internes de l'une à l'autre de ces couches à travers cette plaquette, cette plaquette comportant un ruban actif (10) présentant une longueur entre deux extrémités (1ou, lOB), ce ruban étant constitué d'un matériau optiquement actif et étant interposé verticalement entre une couche de confinement inférieur (12) d'un premier type de conductivité et une couche de confinement supérieure (14) d'un deuxième type de conductivité opposé au premier pour qu'un dit courant électrique interne constituant un courant d'alimentation et passant à travers ce ruban actif permette à ce matériau actif d'amplifier une lumière de laser par recombinaison de porteurs de charges que ce courant injecte dans ce ruban actif à partir de ces couches de confinement, cette plaquette comportant un ensemble de guidage (10, 16, 18) qui inclue ce ruban actif et qui s'étend longitudinalement en étant interposé verticalement et transversalement entre des matériaux présentant des indices de réfraction inférieurs à celui de matériaux de cet ensemble, de manière à constituer un guide de lumière pour guider ladite lumière de laser selon ladite direction longitudinale, cet ensemble de guidage constituant un réseau de rétroaction optique (20) qui s'étend longitudinalement entre deux extrémités (20A, 20B) coïncidant sensiblement, selon la direction longitudinale, avec les deux extrémités (lOA, lOB) du ruban actif (10), ce réseau étant formé par une surface de réseau qui sépare deux matériaux (16, 18) d'indices de réfraction différents et qui s'étend longitudinalement en surélevant et s'abaissant périodiquement selon un pas de réseau (H), ce pas étant mesuré longitudinalement et étant adapté à une longueur d'onde de ladite lumière de laser pour réfléchir cette lumière longitudinalement d'une manière distribuée sur la longueur de ce réseau et pour faire apparaître ainsi au moins un mode de résonance pour cette lumière, chaque tel mode de résonance étant associé à une longueur d'onde de cette lumière proche de la longueur d'onde à laquelle ce pas de réseau est adapté, ce réseau de rétroaction présentant une succession longitudinale de déphasages de réseau dont les positions et les valeurs sont choisies pour sélectionner un seul dit mode de résonance et la longueur d'onde associée et pour régulariser la répartition longitudinale de l'intensité de la lumière présentant cette longueur d'onde dans ledit ruban actif, ces déphasages étant alternés, ce laser étant caractérisé par le fait que ladite succession de déphasages est constituée par deux déphasages (22, 24), les positions de ces déphasages étant dissymétriques par rapport aux extrémités (20A, 20B) du réseau de rétroaction (20). 3/ Laser selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les deux dits déphasages de réseau (22, 24) sont situés d'un même côté d'un milieu (20M) du réseau de rétroaction (20). 4/ Laser selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les deux dits déphasages de réseau (22, 24) ont une valeur absolue égale à 25 %, à plus ou moins 10 % près, dudit pas de réseau H et sont situés, à partir d'une même extrémité (20B) du réseau de rétroaction (20), à deux distances respectivement égales à 13 % et à 46 %, à plus ou moins 4 % près, de la longueur de ce réseau. 5/ Procédé de fabrication d'un laser selon la revendication 2, ce procédé comportant - des opérations de dépôt de couches semiconductrices pour former ladite couche de confinement inférieure (12), ledit ensemble de guidage (10, 16, 18) et ladite couche de confinement supérieure (14), - une opération de gravure de réseau qui est longitudinalement sélective et qui est effectuée entre deux dites opérations de dépôt de deux couches semiconductrices (16, 18) d'indices de réfraction différents pour former ladite surface de réseau (20), - une opération de gravure de délimitation qui est transversalement sélective pour délimiter transversalement ledit ensemble de guidage, - des opérations de dépôt de couches latérales pour compléter ladite plaquette semiconductrice (2) de part et d'autre de cet ensemble de guidage, - et des opérations de formation desdites électrodes (4, 6, 8), ladite opération de gravure de réseau comportant les opérations suivantes - dépôt d'une couche de résine photosensible (30) sur une dite couche semiconductrice qui est une couche de base de réseau 16, - mise en place sur cette couche de résine d'une lame de déphasage (31) transparente s'étendant longitudinalement et présentant alternativement une première (El) et une deuxième (E2) épaisseurs séparées par des zones de transition (32, 34) recouvrant les futurs dits déphasages de réseau, - insolation de cette couche de résine à travers cette lame de déphasage par deux faisceaux lumineux (B1, B2) issus d'une même source dtinsolation (36) pour former des raies d'interférence transversales grâce auxquelles cette résine présente, vis-à-vis d'un milieu de lavage sélectif, une sensibilité sélective selon ces raies, - lavage de cette résine à l'aide de ce milieu de lavage sélectif pour que des bandes résiduelles de cette résine résistent à ce milieu et constituent un masque de réseau reproduisant ces raies, - attaque de cette couche de base de réseau à travers ce masque de réseau, - et lavage de ces bandes résiduelles de résine.