Brevet FR2716762A1 — publié le 19950901

La présente invention est relative aux modulateurs électro-optiques à superréseau. Le développement des systèmes de télécommunications nécessite sans cesse l'augmentation du débit des liaisons numériques ainsi que des distances à couvrir sans répéteur. Les fibres optiques monomodes actuelles présentent un minimum d'absorption à 1,55 Hm, longueur d'onde à laquelle les atténuations du flux lumineux sont les plus faibles (0,2 dB/km). Pour des transmissions à très haut débit, l'introduction de modulateurs externes est essentielle afin d'obtenir une bonne modulation de l'intensité lumineuse délivrée par les émetteurs. L'utilisation de ltélectro-absorption d'un matériau, ou variation d'absorption optique sous l'effet d'un champ électrique, est un moyen permettant une modulation d'intensité efficace. Plusieurs techniques de modulation existent et se différencient par l'effet physique utilisé pour obtenir cette variation d'absorption. Parmi celles-ci - l'effet Franz-Keldysh produit un décalage vers le rouge ("red shift") du bord de bande d'absorption d'un semi conducteur massif; des variations d'absorption de l'ordre de 100 cm-1 ont pu être obtenues en appliquant des champs électriques de 50 kV/cm - l'effet Stark confiné quantiquement produit aussi un décalage vers le rouge du seuil d'absorption d'une structure à multipuits quantiques ; on peut dans ce cas, obtenir des variations d'absorption de l'ordre de 1000 cm-1 pour des champs électriques appliqués supérieurs à 100 kV/cm. Les performances d'un modulateur électro-absorbant se caractérisent principalement par trois paramètres Le taux d'extinction défini comme le rapport de l'intensité lumineuse sortant du modulateur à l'état passant, à l'intensité lumineuse sortant du modulateur à l'état bloquant. Ce taux peut être exprimé en % ou en dB et doit être le plus élevé possible ; il est directement relié à la variation d'absorption. L'atténuation à l'état passant, rapport de l'intensité lumineuse sortant du modulateur à l'état passant, à l'intensité lumineuse entrant dans le modulateur. Elle peut être exprimée en dB et doit être la plus faible possible. La tension de commande du dispositif qui doit être aussi faible que possible de manière à limiter les problèmes de dissipation de puissance. Les modulateurs précités, utilisant l'effet Franz Keldysh ou l'effet Stark confiné quantiquement, fonctionnent sous des tensions de commande élevées, entraînant une dissipation d'énergie importante. Pour pallier cet inconvénient, il a déjà été proposé, notamment dans les brevets français FR 2 607 628 et FR 2 655 433, des modulateurs optiques à superréseau. Un superréseau est une succession de puits de potentiel séparés par des barrières trés fines et couplés par effet tunnel résonant. On a représenté sur la figure 1 les énergies inférieure et supérieure des bandes de conduction et de valence BC et BV d'un tel superréseau le long de sa direction d'empilement, ainsi que les fonctions d'onde FE et FH des électrons et des trous. Le couplage entre les puits entraîne l'élargissement des niveaux d'énergie quantifiés d'électrons et de trous en minibandes MBE et MBH, l'énergie de transition fondamentale entre ces minibandes ayant été représentée par une double flèche sur la figure 1 ; les porteurs sont délocalisés sur l'étendue du superréseau. Ainsi qu'on la illustré sur la figure 2, l'application d'un faible champ électrique F parallèlement à l'axe de croissance rompt la périodicité de potentiel les niveaux d'énergie résultant forment un spectre discret constitué par des niveaux équidistants ("échelle de Wannier Stark") espacés de eFd, chute de potentiel sur une période d du superréseau. Un électron se localise sur plusieurs puits successifs répartis autour d'un puits central; un trou se localise sur un seul puits. Il en résulte, d'une part, une augmentation de l'énergie fondamentale E0 et, d'autre part, la possibilité de transitions obliques associant électron et trou localisés dans des puits séparés par p périodes, à une énergie égale à Ep = E0 + peFd, p entier, Les doubles flèches de la figure 2 illustrent les transitions obliques d'énergies égales à E-l et E+1 autour de la transition d'énergie fondamentale E0. Ainsi qu'on l'a illustré sur la figure 3, sur laquelle a été portée l'absoption d'un superréseau en fonction de la longueur d'onde d'un rayonnement reçu, l'application d'un faible champ électrique F parallèle à la direction d'empilement du superréseau décale vers le bleu son seuil d'absorption et fait apparaître la transition oblique - 1 de basse énergie, qui rend le superréseau opaque à une longueur d'onde LO, à laquelle il est transparent en l'absence de champ électrique. L'utilisation du décalage vers le bleu du seuil d'absorption dans les superréseaux très couplés, pour réaliser des modulateurs d'intensité lumineuse, a été proposée dans FR-2.607.628 et permet d'obtenir des modifications importantes du spectre d'absorption avec des champs très faibles : de l'ordre de quelques 100 cm-1 pour environ 20 kV/cm dans le cas de la transition oblique à basse énergie. Cependant, de tels modulateurs à superréseau présentent une importante atténuation à l'état passant. Des modulateurs utilisant des transitions obliques à basse énergie ont quant à eux été proposés dans FR2.655.433. Ils présentent l'avantage de fonctionner sous faible tension de commande avec une atténuation à l'état passant inférieure à 3dB. Cependant, leur taux d'extinction est insatisfaisant. Pour les superréseaux GaInAs-AlInAs notamment, le taux d'extinction maximal est de 20 dB. Cette valeur est insuffisante pour la réalisation de composants opérationnels. La présente invention propose un modulateur à superréseau, utilisant les transitions obliques à basse énergie, qui, en plus des caractéristiques de faible tension de commande et de faible atténuation à l'état passant, présente un fort contraste. A cet effet, l'invention propose un modulateur électro-optique comportant au moins un empilement de couches constituant ensemble un superréseau de puits et barrières quantiques, cet empilement étant destiné à être soumis à un champ électrique de commande perpendiculaire au plan de ces couches, ledit modulateur présentant une longueur d'onde de fonctionnement correspondant à une transition oblique de basse énergie du superréseau, caractérisé en ce que l'énergie potentielle des électrons selon l'axe de l'empilement du superréseau présente une perturbation avec une composante et maximale paire autour d'un puits central du superréseau, cette perturbation favorisant la transition oblique correspondant à la longueur d'onde de fonctionnement. Cette perturbation de potentiel se superpose au potentiel électrique linéaire Q(z)= eFz pour, sur les puits qui correspondent aux transitions obliques -p, modifier le recouvrement des fonctions d'onde des électrons et trous, de façon à favoriser les transitions obliques -p. On sait en effet que le taux d'extinction est directement relié à la variation d'absorption, et donc à la force d'oscillateur de la transition oblique correspondante : l'absorption est proportionnelle à la force d'oscillateur. Classiquement, ces forces d'oscillateurs étaient déterminées à l'aide du modèle de Bleuse, qui rend très bien compte du phénomène de localisation des porteurs dans un superréseau sous champ électrique, mais attribue des forces d'oscillateurs égales aux transitions +p et -p. Ceci n'est cependant généralement pas le cas et il a récemment été proposé dans l'article "Oscillator strengths of the optical transitions in a semiconductor superlattice under an electric field" - P. Tronc - Laboratoire d'Optique Physique, Ecole Supérieure de Physique et Chimie Industrielles . Paris J. Phys. I France 2 (1992) - p:487-499 - dont l'enseignement est ici inclus par référence, une modélisation permettant de prendre en compte cette asymétrie. Cette modélisation met en oeuvre une perturbation avec des fonctions enveloppes de Bloch. Cette modélisation permet de déterminer les forces d'oscillateurs des transitions obliques, ces forces d'oscillateurs étant fonction du recouvrement des fonctions d'onde des électrons et trous, obtenu pour les transitions + p par translation de + pd par rapport à l'axe z (axe de croissance du superréseau), de la fonction d'onde de trou. La perturbation de potentiel que présente le modulateur à superréseau proposé par l'invention, permet, ainsi qu'en rend compte la modélisation précitée, de modifier l'asymétrie des forces d'oscillateurs correspondant aux transitions + p pour augmenter la probabilité des transitions - p et donc le taux d'extinction. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels la figure 4 illustre les transitions obliques dans un superréseau avec un champ électrique appliqué, tel que la fonction d'onde des électrons est localisée sur trois puits la figure 5 représente la fonction d'onde des électrons perturbée par le champ électrique, avec et sans perturbation selon l'invention ; la figure 6 est une représentation schématique de la structure d'un modulateur conforme à un mode de réalisation posssible pour l'invention la figure 7 représente le champ électrique dans la structure de la figure 6, à laquelle une tension de fonctionnement a été appliquée la figure 8 est une représentation analogue à la figure 6 d'un modulateur conforme à un autre mode de réalisation possible pour l'invention ; . la figure 9 représente le niveau inférieur d'énergie de bande de conduction dans un superréseau de la structure de la figure 8 les figures 10 et 11 représentent le niveau inférieur d'énergie de bande de conduction dans la structure de la figure 8, respectivement sans et avec champ électrique appliqué. On se réfère plus particulièrement à la figure 4 sur laquelle ont été représentés les niveaux d'énergies inférieur et supérieur des bandes de conduction et de valence BC et BV d'un empilement constituant ensemble un superréseau classique de trois puits P+1, PO, P-1 séparés par des barrières fines B. Cet empilement est soumis à un champ électrique F parallèle à son axe z d'empilement. On a également porté sur cette figure, d'une part, la fonction d'onde FE des électrons localisés sur ces trois puits et, d'autre part, les fonctions d'ondes FH des trous localisés dans chacun de ces puits. On voit sur cette figure 4 que la fonction d'onde FE des électrons est fortement asymétrique par rapport au puits central PO. Les recouvrements des transitions +1 et -1 ne sont en conséquence pas identiques, de sorte que les probabilités associées à ces transitions sont asymétriques. On a représenté sur le graphe de la figure 5 - en traits mixtes, le niveau énergétique inférieur de la bande de conduction et la fonction d'onde des électrons, de l'empilement soumis au champ F correspondant à la figure 4 - en traits pleins, le niveau énergétique inférieur de la bande de conduction et la fonction d'onde des électrons, du même empilement soumis au champ F et complété, conformément à l'invention, par des moyens assurant sur ledit empilement une perturbation de potentiel paire par rapport au puits central PO et maximale au niveau de celui-ci. On voit sur cette figure 5 que cette perturbation se traduit par une modification du niveau d'énergie inférieur de la bande de conduction, ainsi que de fonction d'onde des électrons. On comprend que cette modification de fonction d'onde modifie le recouvrement correspondant à la transition -1 de façon à augmenter la force d'oscillateur correspondante et à favoriser cette transition. De façon schématique, on peut considérer que la perturbation a abaissé le potentiel des électrons correspondant au puits de transition -1 et a ainsi favorisé cette transition. On a illustré sur la figure 6 une structure de modulateur électro-absorbant conforme à une variante préférée de l'invention. Ce modulateur est du type à configuration "ondes guidées". Cette structure comprend, entre deux empilements EC1 et EC2 de confinement optique, une succession de plusieurs empilements 51. Si.. constituant chacun un superréseau à trois puits. Deux superréseaux Si et Si+1 successifs sont séparés par une barrière épaisse BE. Les différentes couches de la structure sont déposées sur un substrat en utilisant les techniques classiques de croissance épitaxiale. Les superréseaux S1..Si sont du type Ga047In053As- Al048In052As. Les largeurs des puits et des barrières sont respectivement égales à 65 À et 10 . Les barrières épaisses BE séparant deux superréseaux successifs sont des couches d'AlInAs de 60 . L'empilement de confinement optique EC1 est constitué - d'une couche 1 externe de GaInAs de 1000 À d'épaisseur, dopée par un dopant donneur de 1019 at/cm2 de concentration, - d'une couche 2 intermédiaire de Alitas de 2000 À d'épaisseur, dopée par un dopant donneur de 5.1017 at/cm2 de concentration, - d'une couche 3 d'AlInAs adjacente aux superréseaux, de 2500 À d'épaisseur, cette couche 3 étant non dopée. L'empilement de confinement optique EC2 présente - une couche 4 d'AlInAs adjacente aux superréseaux de 1500 À d'épaisseur non dopée, - une couche 5 d'AlInAs de 1500 À d'épaisseur dopée par un dopant accepteur de 5.1017 at/cm2 de concentration, - une couche 6 de GaInAs de 2000 À d'épaisseur dopée par un dopant accepteur de 1019 at/cm2 de concentration, - une couche 7 d'InP dopée par un dopant accepteur. Les moyens conformes à l'invention qui réalisent la perturbation de potentiel paire par rapport au puits central PO et maximale au niveau de celui-ci, comprennent une couche surfacique CSA de dopant accepteur disposée au milieu dudit puits central PO. Le dopant est par exemple du béryllium déposé selon une concentration de 1,5 x 1011 at/cm2 (quelques fractions de monocouches). Le champ électrique F est avantageusement choisi de façon que la chute de potentiel électrique sur les trois puits soit du même ordre de grandeur que la minibande électronique (3 eFd = LE), ce qui correspond pour la structure de modulateur à superréseau qui vient d'être décrite à un champ électrique de l'ordre de 40 kv/cm. Afin d'assurer sur chacun des superréseaux Si un champ électrique de même ordre de grandeur, il est disposé au milieu de chaque barrière épaisse BE une couche CSD surfacique de dopant donneur, qui permet de découpler les différents superréseaux de trois puits entre eux. Le dopant donneur est par exemple le silicium. On a représenté sur la figure 7 la répartition du champ électrique F selon la direction z d'empilement des couches, lorsqu'une différence de potentiel électrique de lkV est appliquée entre les couches externes 1 et 7 du modulateur. On voit sur cette figure que les couches CSD des barrières épaisses BE remontent le champ électrique F entre deux superréseaux Si successifs et maintiennent le champ F entre deux superréseaux autour d'un ordre de grandeur sensiblement constant d'un superréseau à l'autre. D'une façon générale, à partir d'une méthode utilisant la résolution simultanée des équations de Poisson et de continuité du courant, il est possible d'obtenir le profil des bandes et la densité surfacique de la couche CSA de dopant en fonction de l'amplitude de la perturbation paire souhaitée. On donne ci-dessous pour plusieurs superréseaux envisageables la valeur de l'augmentation (en pourcentage) de la force d'oscillateur de la transition -1 par rapport au même superréseau non perturbé par des couches CSA (ayant un contraste aux alentours de 20 dB), ainsi que la valeurs du gain en taux d'extinction (gain de contraste) (différence de taux d'extinction en dB) Type de Augmentation Gain superréseau de la force de d'oscillation contraste 1) GaInAs/AlInAs 60 À / 15 À 24 % 4,8 2) GaInAs/AlInAs 65 À / 10 À 27,50 % 5,5 3) GaInAs/AlGaInAs 50 À / 25 À 23,60 % 4,7 4) GaInAs/AlGaInAs 55 À / 20 À 25,90 % 5,2. Les modulateurs utilisant la transition oblique -1 de basse énergie et des perturbations de potentiel de forme linéaire donnent les taux d'extinction optima. D'autres formes de perturbations sont cependant bien entendu possibles. En particulier, l'invention s'applique de façon générale aux modulateurs à superréseau utilisant les transitions obliques de type -p et présentant une perturbation de potentiel dont une composante paire permet de rompre le caractère impair de l'asymétrie de la perturbation résultant du champ électrique appliqué et d'augmenter l'efficacité de la transition -p. A titre d'exemple, on a représenté schématiquement sur la figure 6 une structure de modulateur conforme à l'invention constituée d'une succession de superréseaux S'1. .S'i à trois puits, qui présentent une perturbation de potentiel de type parabolique. Les superréseaux S'1. .S'i sont de la. même façon que pour la variante de réalisation de la figure 6 du type GaInAs et AlInAs. Contrairement à la réalisation de la figure 6, le puits central PO de chaque superréseau ne présente pas de couche dopée du type des couches référencées par CSA sur la figure 6. Chaque superréseau S'i est compris entre deux couches BE' d'AlInAs dopées par un dopant donneur avec une concentration de 3,5.1015 at/cm2, les couches BE' étant de 2000 À d'épaisseur. Deux superréseaux sucessifs sont séparés par deux couches BE'. Entre ces deux couches BE'est interposé une couche surfacique CSD intermédiaire d'un dopant donneur, permettant de découpler les superréseaux entre eux. Cette couche CSD présente une concentration de 3,5.1015 x L, où L est la largeur de la barrière (0,4 hum). La structure de la figure 8 présente également des empilements EC'1 et EC'2 de confinement optique analogues aux empilements EC1 et EC2. La perturbation énergétique parabolique du niveau inférieur de la bande de conduction dans les superréseaux à trois puits S'i a été illustrée sur la figure 9. On a représenté, à une échelle différente, sur les figures 10 et 11, la perturbation énergétique du niveau inférieur de la bande de conduction sur toute l'épaisseur du modulateur, le long de sa direction d'empilement, respectivement sans et avec un champ électrique superposé. On donne ci-dessous, de la même façon que dans le cas de la perturbation linéaire, pour plusieurs superréseaux envisageables avec une perturbation parabolique, la valeur de l'augmentation (en pourcentage) de la force d'oscillateur de la transition -1 par rapport au même superréseau non perturbé par des couches CSA, ainsi que la valeurs du gain en taux d'extinction (différence de taux d'extinction en dB) Type de Augmentation Gain superréseau de la force de d'oscillation contraste 1) GaInAs/AlInAs 60 À / 15 À 11,4 % 2,3 2) GaInAs/AlInAs 65 À / 10 À 14 % 2,8 3) GaInAs/AlGaInAs 50 À / 25 À 13 % 2,7 4) GaInAs/AlGaInAs 55 À / 20 À 14,60 % 2,9. REVENDICATIONS 1. Modulateur électro-optique comportant au moins un empilement de couches constituant ensemble un superréseau (Si, S'i) de puits et barrières quantiques, cet empilement étant destiné à être soumis à un champ électrique (F) de commande perpendiculaire au plan de ces couches, ledit modulateur présentant une longueur d'onde de fonctionnement correspondant à une transition oblique de basse énergie du superréseau, caractérisé en ce que l'énergie potentielle des électrons selon l'axe (z) de l'empilement du superréseau (Si, S'i) présente une perturbation avec une composante paire et maximale autour d'un puits central du superréseau, cette perturbation favorisant la transition oblique correspondant à la longueur d'onde de fonctionnement. 2. Modulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'empilement est un empilement de trois puits (P-1, P0, P+1), la perturbation d'énergie potentielle favorisant la transition oblique - 1. 3. Modulateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la perturbation est constituée de deux perturbations linéaires selon la direction (z) d'empilement du superréseau (Si), ces deux perturbations étant symétriques par rapport au puits central (PO). 4. Modulateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le puits central (P0) comporte au moins une couche présentant un dopage accepteur. 5. Modulateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le puits central (PO) présente une couche surfacique (CSA) de dopant accepteur disposée au milieu dudit puits. 6. Modulateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau des puits est GaInAs et en ce que le dopant accepteur est le béryllium. 7. Modulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la perturbation est parabolique. 8. Modulateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que un empilement (S'i) de trois puits est compris entre deux couches (BE') dopées par un dopant donneur. 9. Modulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs tels empilements (Si, S'i) de trois puits, deux empilements successifs étant séparés par une barrière épaisse (BE; BE'- CSD - BE') interdisant l'effet tunnel entre deux empilements successifs. 10. Modulateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la barrière épaisse (BE; BE'- CSD BE') comporte une couche surfacique (CSD,CSD') de dopant donneur qui découple entre eux les empilements formant superréseau entre lesquels elle est interposée. 11. Modulateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le matériau de la barrière épaisse (BE; BE'- CSD - BE') est AlInAS est en ce que le dopant est le silicium.