Brevet FR2686431A1 — publié le 19930723

i DOUBLEUR DE FREQUENCE OPTIQUE UTILISANT DES STRUCTURES QUANTIQUES SEMICONDUCTRICES L'invention concerne un doubleur de fréquence d'onde électromagné- tique comprenant une structure semiconductrice à puits quantiques capable d'ampli- fier les effets optiques non linéaires et notamment la génération de seconde harmo- nique. Les doubleurs de fréquence peuvent avantageusement être utilisés dans les systèmes d'enregistrement et de lecture optiques ou tout autre domaine dans le- quel on cherche à disposer de source de puissance à une longueur d'onde détermi- née que les matériaux classiques employés ne peuvent générer Cependant, le pro- l O blème majeur des doubleurs de fréquence réside dans l'accord de phase à réaliser impérativement entre la polarisation créée par l'onde électromagnétique incidente et l'onde harmonique créée En effet l'onde harmonique créée se propage dans un matériau avec un vecteur d'onde k 2 ow tel que: k 2 w= 2 ir 112 w)/X 22) = 2 x 2 ic 112 /X O TI 2 W est l'indice de réfraction du matériau à la fréquence 2 co, si wo est la fréquence de l'onde électromagnétique incidente qui se propage avec un vecteur k rl( étant l'indice de réfraction du matériau à la fréquence w. Généralement Va est différent de 112 (w et le déphasage existant entre la polarisation créée par l'onde électromagnétique incidente et l'onde harmonique li- mite de façon rédhibitoire l'efficacité de conversion de la fréquence en 2 On appelle longueur de cohérence Lc, la longueur de matériau au bout de laquelle ce déphasage atteint ns, Lc étant donc définie de la manière suivante: Lc(k 2 w)-2 k") = 7 C, soit encore Lc = XW/4 ( 112 w-iw). Une solution connue pour pallier ce problème consiste à utiliser une perturbation périodique avec un pas A de manière à former par exemple un réseau d'indice ou un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 notée x( 2) responsable de la génération de seconde harmonique A En choisissant astucieusement A tel que Le = on parvient à cumuler la puissance émise à la fréquence 2 W au cours du chemin parcouru par l'onde électromagnétique incidente comme l'illustre la figure 1 représentant l'évolution de la puissance créée à la fréquence 2 co, en fonction de la longueur 1 parcourue au sein du doubleur Sans réseau on obtient la courbe P 2 Uol en fonction de 1, en utilisant une structure réseau dans laquelle on crée périodiquement des domaines dans les- quels le coefficient x( 2) n'est pas nul, séparés de domaines dans lesquels le coeffi- s cient x( 2) est nul, on obtient la courbe P 2 oe,2 Enfin en créant un réseau de do- maines +X( 2) séparés de domaines -x( 2) on obtient la courbe P 2 ce,3 la plus perfor- mante. Pour obtenir une efficacité élevée au sein d'un doubleur de fréquence l'invention propose d'utiliser une structure semiconductrice à puits quantique dont on sait qu'une telle structure permet d'amplifier fortement les effets optiques non li- néaires, et d'inscrire dans cette structure un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 afin de réaliser la condition de quasi accord de phase, ledit réseau étant commandable optiquement ou électriquement Plus précisément, l'invention pro- pose un doubleur de fréquence d'onde électromagnétique de longueur d'onde X An comprenant une structure semiconductrice comportant un empilement de couches constituées de matériaux semiconducteurs permettant la création de puits de poten- tiel caractérisé en ce qu'il existe au moins deux niveaux discrets d'énergie ei et e 2 dans les puits tels que el est inférieur à e 2, que la densité de probabilité de présence d'électrons sur e 2 est une fonction asymétrique et que ledit doubleur comprend un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 résultant du peuplement en électrons du niveau el et de cette asymétrie, le pas du réseau étant dans le plan des couches, ledit réseau étant commandable optiquement ou électriquement et permettant d'assurer l'accord de phase entre une polarisation créée par une onde électromagnétique incidente et une onde harmonique créée, les deux ondes se propageant dans le plan de la structure semiconductrice. Le doubleur de fréquence selon l'invention peut avantageusement être obtenu à partir d'au moins un ensemble de couches de matériaux MI, MII, Mm et MIV de manière à définir des puits quantiques asymétriques présentant deux lar- geurs centrales de bande interdite différentes, les puits ayant au moins deux niveaux discrets d'énergie ei et e 2 Le niveau électronique ei peut être peuplé optiquement sous l'action d'un faisceau optique de longueur d'onde Ip telle que hc/Xp est supé- rieure à (el-hl); h étant la constant de Planck et c la vitesse de la lumière En utili- sant deux faisceaux lumineux émettant à Xp et faisant des angles e de part et d'autre de la normale au plan des couches, on peut ainsi définir des franges d'interférences capables localement d'irradier ou non la structure semiconductrice de manière à peupler localement et périodiquement le niveau énergétique el Sous l'incidence d'une onde électromagnétique de longueur d'onde Xco, on crée ainsi de la généra- tion de seconde harmonique dans les régions o le niveau ei est peuplé; on définit alors optiquement un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 dont le pas est ajustable en fonction de l'angle 20 entre les faisceaux incidents à la longueur d'onde Ip. Dans un doubleur selon l'invention on peut également utiliser une struc- ture semiconductrice comportant au moins un ensemble de couches de matériaux M'I, M'II, M'm et M'IV de manière à définir des puits quantiques présentant trois largeurs centrales de bande interdite E'gj, E'gjj, E'gj, E'g IV, E'gl I et E'g IV étant égales et supérieures à E'gj et les puits quantiques étant rendus asymétriques par l'application d'un champ électrique perpendiculaire au plan des couches Dans le cas d'une telle structure possédant un puits quantique symétrique rendu asymé- trique par l'application d'un champ électrique le matériau M'm peut être dopé de manière à avoir intrinsèquement un niveau el peuplé et la génération de seconde harmonique peut avantageusement se faire localement et périodiquement en dépo- sant des électrodes interdigitées à la surface de la structure semiconductrice créant des régions de susceptibilités d'ordre 2: + X( 2) et des régions de susceptibilités d'ordre 2: -( 2). La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et des figures annexées parmi lesquelles: la figure 1 illustre le comportement de la puissance créée à la fré- quence 2 o sous l'action d'une onde électromagnétique en fonction du chemin par- couru au sein de la structure doubleur de fréquence: la courbe P 2 o, 1 représente l'évolution de la puissance 2 c" d'une structure sans réseau la courbe P 2 co,2 représente l'évolution de la puissance 2 oe d'une structure comprenant des domaines + x( 2) séparés périodiquement par des domaines o la susceptibilité d'ordre 2 est nulle la courbe P 2 oe,3 représente l'évolution de la puissance 2 W d'une structure comprenant des domaines + x( 2) séparés périodi- quement par des domaines x( 2) la figure 2 schématise un puits quantique à 2 niveaux énergétiques sur lesquels sont représentées les densités de probabilité de présence d'électrons; la figure 3 illustre un exemple de puits asymétrique avec les densités de probabilité de présence d'électrons sur les niveaux énergétiques au sein du puits, pouvant être réalisé dans une structure semiconductrice utilisée dans un doubleur de fréquence selon l'invention; la figure 4 illustre un puits quantique asymétrique: la figure 4 a: puits à 3 niveaux avec les transitions possibles figure 4 b: puits à 2 niveaux avec les transitions possibles la figure 5 illustre un exemple de doubleur de fréquence selon l'invention utilisant une commande optique d'un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 réalisé au sein d'une structure semiconductrice à puits quantique asymétriques; la figure 6 illustre un exemple de structure semiconductrice utilisée dans un doubleur de fréquence selon l'invention, conçue autour des matériaux Ga As/Ga Al As; la figure 7 illustre un exemple de puits quantique symétrique pouvant être réalisé dans une structure semiconductrice utilisée dans un doubleur de fréquence selon l'invention la figure 7 a montre la densité de probabilité de présence d'électrons sur les niveaux énergétiques au sein du puits en l'absence de champ électrique la figure 7 b montre la densité de probabilité de présence d'électrons sur les niveaux énergétiques au sein du puits en présence d'un champ électrique la figure 8 illustre un exemple de doubleur de fréquence selon l'invention utilisant une commande électrique d'un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 réalisé au sein d'une structure semiconductrice à puits quantiques symétrique. De façon générale, l'association d'au moins trois couches de matériaux semiconducteurs ayant des largeurs de bande interdite différentes permet la création d'un puits de potentiel pour les électrons dans la bande de conduction et pour les trous dans la bande de valence Lorsque les dimensions de ce puits sont proches de longueurs d'ondes de Broglie associées à ces particules, l'énergie totale qui leur est permise ne peut prendre qu'un nombre fini de valeurs discrètes Ce nombre de valeurs et ces valeurs sont directement fonction des dimensions des puits quantiques et des caractéristiques des matériaux semiconducteurs Dans le cas d'un puits quantique obtenu par l'association de trois matériaux telle que ce puits présente deux niveaux discrets d'énergie e A et e B illustrés par la figure 2, il est possible sous l'action d'une onde électromagnétique de générer une transition du niveau e A au niveau e B, les densités de probabilité de présence sur les niveaux e A et e B sont représentées sur cette figure ainsi que les bandes de conduction (BC) et de valence (BV) de la structure Pour cela la longueur d'onde I Xo de l'onde électromagnétique doit être telle que (e B-e A) soit proche de hc/XIW Dans le cas d'une structure présentant un puits quantique symétrique tel que celui représenté à la figure 2, la densité de probabilité de présence d'un électron sur le niveau supérieur est une courbe symétrique qui ne présente pas de dipôle et donc de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 Dans le cas d'une structure à puits quantique asymétrique telle que celle représentée à la figure 3 obtenue à partir de quatre matériaux MI, MlI, MIII et MIV, la densité de probabilité de présence d'électrons sur le niveau énergétique e 2 est asymétrique et contribue à créer des dipôles, responsables de la susceptibilité non linéaire d'ordre 2 qui se trouve alors nettement augmentée par rapport à celle créée au sein des matériaux MI, MII, ME et MIV lorsqu'ils sont sous leur forme "massive", c'est-à-dire dans une configuration qui ne permet pas l'observation des phénomènes quantiques évoqués ici. Cette résonance de la susceptibilité non linéaire d'ordre 2 peut être mise à profit en particulier dans le domaine de la génération de seconde harmonique. Pour cela on élabore de préférence une structure semiconductrice qui possède trois niveaux discrets d'énergie el, e 2 et e 3 dans la bande de conduction et trois niveaux discrets d'énergie hl, h 2 et h 3 dans la bande de valence tels que: ei hl est compris entre Eg II et Eg I e 2 h 2 est compris entre Eg I et Eg IV e 3 h 3 est compris entre Eg I et Eg IV et tel que (e 3-h 3) (e 2 h 2) est peu différent de (e 2 h 2) (el hl), Ega I, Eg III et Eg IV étant les trois largeurs de bande interdite du puits, une telle configuration est particulièrement favorable à l'émission d'une onde à la fréquence 2 oe sous l'action d'une onde électromagnétique à la fréquence co. La figure 4 a illustre les transitions permises avec une structure semiconductrice présentant trois niveaux discrets d'énergie La figure 4 b montre que les mêmes transitions sont possibles avec une structure à deux niveaux, le niveau e 3 discret et alors remplacé par un continuum d'états (C) dans la bande de conduction configuration moins favorable à la génération de seconde harmonique. Le doubleur de fréquence selon l'invention utilise avantageusement ce type de structure semiconductrice conduisant à une augmentation de la valeur X( 2) de la susceptibilité non linéaire d'ordre 2 qui est spatialement modulée pour obtenir l'accord de phase Pour créer de la génération de seconde harmonique, il faut que les transitions inter sous bandes (entre el et e 2) se produisent effectivement et donc que le niveau fondamental ei soit peuplé d'électrons Si ce niveau ei n'est pas peuplé, aucune transition ne se produit et la valeur x( 2) reste celle prise dans les matériaux lorsqu'ils sont sous leur forme "massive", c'est-à-dire beaucoup plus faible (environ trois ordres de grandeur de différence) Dans un doubleur de fréquence selon l'invention on propose de commander optiquement le peuplement en électrons de la bande de conduction et en trous de la bande de valence, en éclairant avec une onde dont l'énergie photonique est suffisante pour susciter des transitions inter-bandes c'est-à-dire entre bande de valence et bande de conduction. Pour réaliser le réseau permettant l'accord de phase entre onde électromagnétique et onde harmonique, on utilise de préférence une commande optique obtenue par interférence de deux faisceaux optiques faisant des angles O de part et d'autre de la normale au plan des couches de manière à définir périodiquement des zones dans lesquelles le niveau el est peuplé et des zones dans lesquelles le niveau ei n'est pas peuplé On constitue ainsi le réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 au sein de la structure semiconductrice (SP) déposée sur un substrat S, décrit à la figure 5, qui utilise la juxtaposition de plusieurs puits asymétriques pour accroître davantage la conversion de fréquence Les régions dans lesquelles les faisceaux optiques ont des interférences destructives ont des valeurs de x( 2) très faibles devant celles des régions voisines et sont schématisées sur la figure 4 par des valeurs de x( 2) proches de zéro Ce type de commande optique est particulièrement intéressante dans la mesure o le contrôle de l'angle O permet d'ajuster le pas du réseau à la longueur d'onde le) de l'onde électromagnétique dont on cherche à doubler la fréquence On dispose ainsi d'un doubleur de fréquence comprenant un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 reconfigurable par commande optique. A titre d'exemple la structure semiconductrice utilisée dans un doubleur de fréquence selon l'invention peut être conçue autour des matériaux Ga As/Ga Al As Plus précisément les matériaux MI, MII, M II Iet MIV peuvent ètre les suivants: MI: Ga 0,6 A 10,4 As MII: Ga As MIII: Ga 0,9 A 10,1 As Mi V: Ga 0,6 A 10,4 As L'épaisseur de la couche de matériau MII étant de 59,4 Angstroems et l'épaisseur de la couche de matériau Mim étant de 42,4 Angstroems. Dans une telle structure, il existe trois niveaux discrets d'énergie ell, e 21 et e 31 dans la bande de conduction du puits Cet exemple de structure est illustré par la figure 6. Le puits quantique asymétrique de la structure est tel que le niveau ell ne soit pas préalablement peuplé afin de bien contrôler optiquement le peuplement du niveau el 1 Typiquement les écarts énergétiques sont les suivants: e 21 ell = 118,8 me V e 31 e 21 = 114,7 me V Ainsi une telle structure est particulièrement bien adaptée au doublement de fréquence d'une onde électromagnétique de longueur d'onde Xa) = 10,6 gm En effet dans ce cas hc/X(o est de l'ordre de 117 me V Avec un pompage optique permettant une concentration de porteurs de 1017 électrons/cm 3 on obtient une valeur de susceptibilité d'ordre 2 X( 2) voisine de 2 105 pm/V (notons que dans Ga As sous sa forme "massive", la valeur de x( 2) est de l'ordre de 4 10 102 pm/V). Pour atteindre la condition de quasi accord de phase on cherche à obtenir un éclairement périodique dont l'interfrange est égale à 2 longueurs de cohérence. L'angle O que font les deux faisceaux avec la normale au plan des couches doit alors vérifier la condition Sin O = Xp/4 Lc si Xp est la longueur d'onde de ces deux faisceaux Dans le cadre des matériaux utilisés pour la structure semiconductrice choisie Xp est voisine de 0, 84 /m La longueur de cohérence étant de l'ordre de /m on détermine ainsi un angle O égal à 0,12 . Les doubleurs de fréquence décrits précédemment utilisent avantageusement une structure semiconductrice à puits quantique asymétrique. L'invention propose également de faire du doublage de fréquence dans un puits symétrique En effet une configuration symétrique peut être modifiée en puits asymétrique sous l'effet d'un champ électrique La figure 7 illustre un exemple de puits symétrique utilisant cinq matériaux différents M'I, M'11, M'm, M'IV et M'V Sur la figure 7 a les densités de probabilité de présence d'électrons sont s représentées sur deux niveaux énergétiques discrets e'l et e'2 Sur le niveau supérieur e'2 la densité est une courbe symétrique En présence d'un champ électrique E, il est possible de déformer l'allure du puits symétrique et de créer une asymétrie au niveau de la densité de probabilité de présence d'électrons sur le niveau e'2 et ainsi générer un dipôle responsable de la génération de seconde harmonique Suivant le sens du champ on est ainsi capable de créer des zones de susceptibilité non linéaire d'ordre 2: + X( 2) et des zones de susceptibilité non linéaire d'ordre 2: ( 2) La figure 8 montre un exemple de doubleur de fréquence selon l'invention utilisant un puits symétrique rendu asymétrique par la présence d'électrodes interdigitées (Ed) déposées à la surface de la structure semiconductrice (SP'), elle-même déposée sur un substrat (S') Pour obtenir le réseau l+ x( 2), - X( 2)l, les matériaux employés peuvent être dopés de manière à disposer de niveaux énergétiques e'1 peuplés électroniquement. REVENDICATIONS 1 Doubleur de fréquence d'onde électromagnétique de longueur d'onde XB comprenant une structure semiconductrice comportant un empilement de couches constituées de matériaux semiconducteurs permettant la création de puits de potentiel caractérisé en ce qu'il existe au moins deux niveaux discrets d'énergie et et e 2 dans les puits tels que et est inférieur à e 2, que la densité -de probabilité de présence d'électrons sur e 2 est une fonction asymétrique et que ledit doubleur comprend un réseau de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 résultant du peuplement en électrons du niveau ei et de cette asymétrie, le pas du réseau étant dans le plan des couches, ledit réseau étant commandable optiquement ou électriquement et permettant d'assurer l'accord de phase entre la polarisation créée par une onde électromagnétique incidente et une onde harmonique créée, les deux ondes se propageant dans le plan de la structure semiconductrice. 2 Doubleur de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure semiconductrice comporte au moins un ensemble de couches de matériaux MI, MII, MIII et MIV de manière à définir des puits quantiques asymétriques présentant deux largeurs centrales de bande interdite différentes, le puits ayant au moins deux niveaux discrets d'énergie et et e 2. 3 Doubleur de fréquence selon la revendication 2, caractérisé en ce que la structure semiconductrice est localement et périodiquement irradiée par un faisceau optique de longueur d'onde Xp de manière à peupler électroniquement le niveau énergétique el. 4 Doubleur de fréquence selon la revendication 3, caractérisé en ce que deux faisceaux optiques faisant des angles O de part et d'autre de la normale au plan des couches, irradient l'ensemble de la structure et définissent des franges d'interférences capables de réaliser périodiquement des régions de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 x( 2) séparées par des régions de susceptibilité non linéaire d'ordre 2 beaucoup plus faible que X( 2). Doubleur de fréquence selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que Ip est voisine de 0,8 gm. 6 Doubleur de fréquence selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que Xco est voisine de 10 gm. 7 Doubleur de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure semiconductrice comporte au moins un ensemble de couches de matériaux M'I, M'II, M'I, M'IV et M'V de manière à définir des puits quantiques présentant trois largeurs centrales de bande interdite E'gij, E'glj, et E'gj V, E'gl I et E'g V étant égales et supérieures à E'gjj et les puits quantiques étant rendus asymétriques par l'application d'un champ électrique perpendiculaire au plan des couches. 8 Doubleur de fréquence selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau M'11 est dopé et que son niveau e'1 est peuplé. 9 Doubleur de fréquence selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les électrodes interdigitées déposées à la surface de la structure semiconductrice permettent d'appliquer localement et périodiquement des potentiels alternés capables de créer des régions de susceptibilités non linéaire d'ordre 2 +X( 2) et des régions de susceptibilité non linéaire d'ordre 2: -( 2).