Brevet FR2684245A1 — publié le 19930528

DESCRIPTION Dolai ne technique La présente invention a pour objet une matrice de lasers à semiconducteur. Elle trouve une application dans de nombreux domaines : télécommunications optiques, pompage optique, traitement de matériaux, etc.. Etat de La technique antérieure L'augmentation de la puissance des lasers à semiconducteurs ne peut pas être obtenue par la simpLe augmentation de La surface active, car il apparat des instabilités de modes et des filaments émetteurs mal contrôLés. On est donc amené à définir des émetteurs élémentaires formés par des zones actives de petites dimensions latérales. L'augmentation de puissance est alors réalisée par la multiplication de ces émetteurs élémentaires. On gagne beaucoup en qualité de faisceau en assurant une cohérence de la phase optique entre les émetteurs par couplage entre eux. Le couplage le plus simple est obtenu par onde évanescente, (c'est-à-dire par recouvrement des parties évanescentes des modes de deux émetteurs élémentaires voisins). Ce type de couplage favorise l'oscillation de deux émetteurs voisins en opposition de phase, ce qui induit un diagramme de rayonnement multilobe. Dans le cas des laser multirubans, où L'onde lumineuse se propage parallèlement à La surface du semiconducteur, divers moyens ont été proposés pour assurer un couplage en phase, qui produit une émission en un seul lobe, perpendiculaire à la face de sortie (généralement obtenue par clivage). Cette technique est décrite par exemple dans l'article de J. KATZ et al intitulé "Diffraction coupled phase locked s em i condu ct or laser array" pub lié dans Appl. Phys. Lett. 42, (7) 1 April 1983 pp. 554-556 et dans l'article de L.J. MAWST et al. intitulé "CW high-power diffraction-limited-beam operation from resonant optical waveguide arrays of diode lasers" publié dans Appl. Phys. Lett. 58 (1), 7 January 1991, pp. 22-24. Le développement récent de lasers à cavité verticale émettant par la surface permet d'envisager des matrices de points émetteurs au lieu d'une ligne émettrice, ainsi qu'une émission perpendiculaire à la surface de la puce de semiconducteur et non sur la tranche, ceci sans complications technologiques. De telles matrices sont décrites notamment dans l'article de M. ORENSTEIN et al intitulé "Twodimensional phase-locked arrays of vertical-cavity semiconductor lasers by mirror reflectivity modulation" publié dans Appl. Phys. Lett 58 (8) 25 February 1991, pp. 804-806. En général, une matrice de lasers de ce type comprend un substrat conducteur et, sur ce substrat, un miroir inférieur, une couche active (éventuellement encadrée par des couches de confinement), et un miroir supérieur formé d'une matrice de zones réfléchissantes (par exemple une matrice de 4 x 4 zones). Le couplage entre les différents éléments verticaux est obtenu par diffraction au niveau des bords des zones réfléchissantes. L'ensemble de cette structure se comporte comme une pluralité de lasers (16 dans le cas d'une matrice de 4 x 4) légèrement couplés entre eux. Si de telles structures sont intéressantes à certains égards, elles présentent encore l'inconvé- nient de conduire à un faisceau multilobe, donc peu directif. Cet inconvénient vient encore de ce que le couplage produit entra'inde une opposition de phase entre les lasers élémentaires voisins, ce qui conduit à un diagramme de rayonnement de type anti-symétrique. Exposé de l'invention L'invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient. A cette fin, elle propose une structure qui est encore du type matrice à cavités verticales mais dont le faisceau d'émission n'est plus multilobe mais monolube. Ce résultat est obtenu essentiellement par une nouvelle structure du miroir supérieur. Selon L'invention ce miroir comprend une matrice de zones à grande réflectivité et de zones à réflectivité plus faible et comprend en outre des zones métallisées servant d'amenées de courant, ces zones métallisées étant situées au-dessus des zones à réflectivité plus faible. Ainsi, dans la structure de l'invention, la densité de courant injecté n'est pas homogène et présente une répartition telle que les maximas de densité de courant correspondent aux minimas de réflectivité du miroir supérieur. Le Demandeur a observé que, dans ces conditions, le couplage optique provoquait une mise en phase des différents éléments lasers ce qui, globalement, conduit à un diagramme de rayonnement monolobe. Les avantages principaux procurés par l'inven- tion sont donc doubles - par rapport aux lasers multirubans couplés en phase, la possibilité d' avoir une sur face émissive au lieu d'une Ligne et, par conséquent, une divergence angulaire réduite dans les deux directions sans introduire d'optique cylindrique, ainsi qu'une densité de puissance limitée sur la face de sortie permettant une meilleure fiabilité ; - par rapport aux matrices de lasers à cavité verticale existantes, le couplage en phase qui produit un faisceau lumineux de bonne qualité géométrique utilisable directement ou par l'intermédiaire d'une optique sim ple. Brève description des dessins La figure unique annexée illustre, en coupe, une variante de réalisation d'une structure selon l'invention. Exposé détaiLLé d'un iode de réaLisation La structure illustrée sur la figure unique annexée comprend : - un substrat monocristallin conducteur 1 (par exemple en GaAs de type n+) qui peut etre transparent à la longueur d'onde émise, - un miroir inférieur 2, par exemple constitué d'un empilement de couches alternativement de fort et de faible indices, d'épaisseur X/4 où À est La longueur d'onde utilisée, fortement dopées du même type que le substrat (exemple : 15 à 25 périodes de GaXAl1-xAs/GayAl1-yAs de type n dopé à 3 à 10 x 1018cm3), - une couche de confinement 3 à indice graduel, - une couche active 4, par exemple constituée d'un ou plusieurs puits quantiques de composition et d'épaisseur adaptées à la longueur d'onde souhaitée (par exemple en Ga0,81n0,2As de 8 nm entre des barrières en GaAs), de dopage faible ou nul, - une couche de confinement 5 sensiblement symétrique de la couche 3, - une partie commune 6 de miroir supérieur, de struc ture analogue à la structure 2, avec un nombre de couches plus faible et un dopage de type opposé (par exemple 8 à 12 périodes de GaxAl1~xAs/GayAl1~yAs de type p dopé à 3 à 10 x 1018cl~3), - une partie complémentaire 7 du miroir supérieur (par exemple 5 à 10 périodes de structure équivalente au miroir 6 ou 2 à 5 périodes de Si/SiO2 déposées avec une épaisseur de A/4 par pulvérisation), - des métallisations 8. Pour réaliser une telle structure ou toute structure équivalente on peut s'y prendre de deux manières différentes, l'une de type tout épitaxié, l'autre mixte a) Voie "tout épitaxié" Dans la voie tout épitaxié", on réalise, dans une première phase, l'épitaxie d'un système multicouches complet, comprenant le miroir inférieur, la ou les couches actives, et le miroir supérieur (partie commune et partie complémentaire). Cet ensemble d'opérations est réalisé, selon des techniques de l'art antérieur, par une méthode d'épitaxie telle que l'épitaxie par jets moléculaires ou par dépôt chimique en phase vapeur. La plaquette issue du bâti d'épitaxie est ensuite traitée par des moyens classiques de photolithogravure (dépôt de résine, insolation pour masquage, attaque chimique ou plasma pour creuser les tranchées nécessaires dans La partie supérieure du miroir (miroir complémentaire). Un dépôt métallique suivi d'une deuxième étape de masquage achève la défini tion des électrodes. b) Voie mixte Dans la voie "mixte", l'empilement de couches épitaxiées est réalisé de la même façon jusqu'à la partie commune du miroir supérieur. La plaquette est alors extraite du bâti d'épitaxie pour subir une métallisation, puis on effectue la photolithogravure des amenées de courant. On procède ensuite au dépôt du miroir complémentaire. Ce dépôt peut être réalisé sans inconvénient par des moyens conventionnels tels que pulvérisation cathodique ou évaporation sous vide et porter sur des matériaux différents des alliages utilisés dans La partie active, tels que silicium et silice, qui permettent des sauts dtindice optique plus fort et donc un plus petit nombre de couches.Une étape supplémentaire de masquage et de lithogravure donnera accès électriquement aux métallisations, mais il n'est pas nécessaire d'ouvrir cet accès à l'ensemble des électrodes et cette étape est donc peu critique. Les miroirs 2, 6 et 7 peuvent être calculés pour que l'émission de lumière se fasse soit à travers les miroirs 6 et 7, soit à travers le substrat et ces deux miroirs, soit à travers le substrat seul qui dans ces deux derniers cas doit être transparent à La longueur d'onde émise. Il va de soi qu'on ne sortirait pas du cadre de la présente invention en remplaçant l'empilement de couches A/4 dans les miroirs par un empilement réflecteur plus complexe destiné, par exemple, à améliorer la conduction du courant. De même, tout en conservant la même structure, on peut aménager un accès électrique indépendant à au moins certaines des amenées de courant, ce qui permet de contrôler électriquement les couplages correspondants et donc l'indicatrice d'émission de la matrice de Lasers. REVENDICATIONS 1. Matrice de lasers à semiconducteur, cette matrice comprenant - un substrat conducteur (1), et sur ce substrat, successivement - un miroir inférieur (2), - une couche optiquement active (4), - un miroir supérieur (6, 7), cette matrice de lasers étant caractérisée par le fait que le miroir supérieur comprend une matrice de zones à grande réflectivité (7) et des zones à réflectivité plus faible (6) et comprend en outre des zones métallisées (8) servant d'amenées de courant, ces zones métallisées (8) étant situées au-dessus des zones à réflectivité plus faible (6). 2. Matrice de lasers selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le miroir supérieur comprend un empilement de couches d'indice alternativement fort et faible avec un nombre de couches plus faible dans les zones à réflectivité plus faible que dans les zones à grande réflectivité. 3. Matrice de lasers selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le miroir supérieur comprend un empilement de couches d'indice alternativement fort et faible et, dans les zones à grande réflectivité, un moyen réfléchissant supplémentaire pour augmenter cette réflectivité. 4. Matrice de lasers selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le miroir supérieur comprend un empilement de couches d'indice alternativement fort et faible, cet empilement présentant des zones gravées définissant les zones à réflectivité plus faible. 5. Matrice de lasers selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la couche active (4) est encadrée par deux couches de confinement (3, 5). 6. Matrice de lasers selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la couche active (4) est du type à multipuits quantiques. 7. Matrice de lasers selon la revendication 1, caractérisée par Le fait que le substrat (1) est transparent.