Brevet FR2745961A1 — publié le 19970912

Amplificateur optique à semiconducteur La présente invention concerne 1' a m pli fi c a t i o n de signaux optiques. Elle trouve typiquement application dans les réseaux de télécommunications à fibres optiques. Les signaux transmis par ces réseaux sont constitués d'impulsions portant sous forme binaire une information à transmettre. Ces impulsions doivent être amplifiées pour compenser des pertes de puissance qu'elles subissent au cours de leur propagation dans ces réseaux. Les a m pli fi c a t e u r s à semi-conducteurs constituent un moyen peu encombrant et intégrable pour réaliser cette amplification Cependant, en l'absence de dispositions particulières, leur gain est sensible à l'état de polarisation de la lumière qu'ils rec, oivent, ce qui sera plus simplement indiqué ci-après en mentionnant la sensibilité d'un amplificateur à la polarisation Cette invention trouve alors plus particulièrement application dans le cas où il convient de supprimer ou du moins de limiter cette sensibilité. Ce cas est fréquent Il apparait lorsque, d'une part la distance parcourue par des impulsions optiques à a m pli fi e r est telle que l'état de polarisation de ces impulsions a été affecté d'une manière importante et aléatoire au cours de leur propagation et lorsque, d'autre part il est préférable que les impulsions amplifiées présentent un ou plusieurs niveaux de puissance prédéterminés. De manière plus générale cette invention trouve application chaque fois que la sensibilité d'un amplificateur optique à la polarisation doit être nulle ou limitée. On sait qu'un a m pli fi c a t e u r optique à semiconducteur comporte une plaquette constituée de couches de matériaux semi-conducteurs ayant des indices de réfraction respectifs et formant un réseau cristallin commun. En l'absence de contraintes mécaniques, des réseaux formés respectivement par ces matériaux ont des dimensions caractéristiques constituant des mailles respectives de ces matériaux. Ces couches se succèdent selon une direction verticale formant un trièdre trirectangle avec deux directions horizontales constituant une direction longitudinale et une direction transversale , ces directions étant définies par rapport à cette plaquette. Cette dernière comporte au moins les couches ou groupes de couches ou partie de couche suivant s: -Un substrat constitué majoritairement d'un matériau de base semi-conducteur ayant un premier type de conductivité. Ce substrat présente une épaisseur suffisante pour imposer les dimensions de la maille du matériau de base à tout le réseau cristallin de la plaquette. -Une couche active incluant un matériau actif apte à a m pli fi e r une lumière par recombinaison stimulée de porteurs de charges des deux types i nj e c t é s dans ce materiau. -Un ruban présentant un indice de r é fr a c t io n plus petit que celui des matériaux environnants et s'étendant selon la direction longitudinale pour guider ladite lumière selon cette direction. Ce ruban présente une largeur et une épaisseur respectivement transversale et verticale. -Enfin une couche de c o n fi n e m e n t supérieure ( 18) constituée d'un matériau ayant un deuxième type de conductivité opposé au premier Cet a m pli fi c a t e u r comporte en outre une électrode i n fé r i e u r e et une électrode supérieure respectivement formées sur la face inférieure et la face supérieure de la plaquette pour permettre de faire passer entre ces faces un courant électrique injectant lesdits porteurs de charge des deux types dans le matériau actif. Les matériaux de base des amplificateurs optiques à semi-conducteurs connus sont du type 111-V. Ce sont typiquement le phosphure d'indium et l'arséniure de gallium. Leur matériau actif est typiquement un matériau ternaire ou quaternaire constitué avec les mêmes éléments chimiques Il est généralement souhaité que la largeur du ruban qui guide la lumière soit voisine d'un micromètre pour fa c i lit e r la fo r m a t i o n de ce ruban par gravure et surtout pour faciliter l'intégration de l'amplificateur avec d'autres composants optiques sur une même plaquette semiconductrice. L'épaisseur doit alors être t r ès inférieure à cette largeur pour assurer un guidage mononodal de la lumière dont la longueur d'onde est typiquement 1 3 10 ou 1550 nm. En l'absence de dispositions particulières c'est cette forme rectangulaire de la section du ruban qui tend à entrainer la sensibilité à la polarisation précédemment mentionnée. Diverses familles de tels amplificateurs connus se distinguent les unes des autres par les diverses dispositions qui y sont prises pour rendre ces amplificateurs insensibles à la polarisation Une première fa m il le d'a m pli fi c a t e u r s connus comporte un ruban du type dit "ridge" c'est à dire érigé en saillie sur la plaquette semi-conductrice. Compte tenu du fait que les deux faces latérales d'un tel ruban le séparent d'un milieu gazeux tel que l'air dont l'indice de réfraction est très inférieur à celui du matériau semi-conducteur, un ajustement de la hauteur du ruban permet de donner à la section de ce ruban une forme qui, tout en étant fortement rectangulaire, peut laisser I' a m p I i fi c a t e u r insensible à la polarisation. Un amplificateur de cette première famille est décrit notamment dans un article S.Pajarola, J.Eckner, P.A.Besse, G.Guekos and D.Syvridis, "Temperature behaviour of a bulk InGaAsP/InP ridge waveguide structure for polarisation insensitive optical amplifier operation", Appl. Physics Lett.65, No.22, pp. 2762-2764, 1994. Les amplificateurs de cette première famille présentent notamment l'inconvénient que l'ajustement nécessaire de la hauteur du ruban peut être d i ffi c ile à réaliser. On peut aussi noter que la chaleur dégagée en service dans le matériau actif est difficilement évacuée en raison de la faible conductivité thermique du milieu gazeux qui entoure le ruban et dont le matériau actif est nécessairement proche Un tel ajustement de hauteur de ruban n'est par contre pas nécessaire dans une deuxième et troisième fa m ill e s d'amplificateurs connus qui sont dit s "à ruban enterré" Dans ces amplificateurs le matériau actif constitue le ruban guidant la lumière et il est entouré de toutes parts par un matériau semi-conducteur binaire. Ce dernier présente l'avantage de bien conduire la chaleur mais son indice de ré frac t i o n n'est que légèrement i n fé r i e u r à celui du matériau active. Dans ladite deuxième famille d'amplificateurs connus à puits quantiques la section du ruban enterré est fortement rectangulaire. Compte tenu de la faible différence d'indice entre ce ruban et le matériau binaire environnant, le c o n fi n e m e n t d'une onde à polarisation horizontale est supérieur à celui d'une onde à polarisation verticale, la différence entre ces deux confinements étant d'autant plus grande que le rapport de la largeur à l'épaisseur du ruban est grand. Le confinement mentionné ici à propos d'une onde est considéré dans un plan transversal. Il est égal au rapport de la puissance de cette onde transitant dans l'aire occupée par le ruban à la puissance totale de cette onde. Le confinement est défini pour chaque polarisation et pour chaque longueur d'onde par la forme et les dimensions de la section du ruban et par les indices de r é fr a c t io n du matériau de ce ruban et du matériau environnant. Dans le cas d'une section de ruban rectangulaire il peut être considéré comme étant le produit d'un confinement directionnel selon la direction horizontale par un c o n fi n e rn e n t directionnel selon I a direction verticale, chacun de ces deux confinements directionnels dépendant de la polarisation. Compte tenu du fait que le phénomène d'amplification de l'onde par recombinaison de porteurs et émission stimulée n'est réalisé que dans le matériau actif, ctest à dire dans le ruban, le gain de l'amplificateur pour une onde est d'autant plus grand que le confinement de cette onde est plus grand Il en résulte que, si le matériau du ruban était un matériau homogène, et de plus isotrope, donc insensible à la polarisation, le gain de 1' a m pli fi c a t e u r serait plus grand pour les ondes à polarisation horizontale et que pour celles à polarisation verticale C'est pourquoi, dans les a m pli fi c a t e u r s connus de cette deuxième fa m ill e le le matériau du ruban n'est ni homogène, ni isotrope Il est tout d'abord non homogène, ctest à dire composite. parce qu'il présente la forme d'une structure constituée par une succession, selon la direction verticale de couches constituant alternativement des puits quantiques et des barrières Les puits quantiques sont constitués du matériau actif et ont des épaisseurs de l'ordre de 8nm. Les barrières sont constituées du matériau de base et ont des épaisseurs de l'ordre de I Onm. Cette structure à puits quantiques est à distinguer d'autres structures qui sont constituées également de couches successives mais dans lesquelles les épaisseurs des couches sont beaucoup plus grandes, par exemple 50nm Un matériau homogène ou constitué de telles couches épaisses étant dit "massif" ou, internationalement, "bulk material", Le matériau du ruban n'est pas isotrope parce que la maille du matériau actif est inférieure à celle du matériau de base. Les puits quantiques sont donc soumis à une contrainte de tension bidirectionnelle dans le plan horizontal Cette contrainte a pour effet de rendre un gain gV du matériau actif pour les ondes à polarisation verticale plus grand qu'un gain correspondant gH pour les ondes à polarisation horizontale, ces gains étant des gains linéiques, c'est à dire par unité de longueur. La différence entre ces deux gains croit avec cette contrainte. Or le gain linéique effectif de l'amplificateur GH ou GV pour une onde à polarisation horizontale ou verticale est le produit du confinement CH ou CV de cette onde par le gain gH ou gV du matériau du ruban pour cette onde, respectivement. Le choix d'une contrainte convenable du matériau actif permet alors de réaliser l'égalité CH.gH = CV.gV c'est à dire GH = GV, c'est à dire d'obtenir l'insensibilité de l'amplificateur à la polarisation. Les amplificateurs de cette deuxième famille présentent notamment l'inconvénient d'une mauvaise position spectrale c'est à dire que les longueurs d'ondes des lumières susceptibles d'être amplifiées efficacement par les rubans à puits quantiques contraints sont mal adaptées à leur transmission à grand e distance par fibres optiques lorsque les contraintes appliquées à ces puits sont suffisantes pour rendre ces amplificateurs insensibles à la polarisation Des amplificateurs de cette deuxième famille ont été décrits notamment dans les articles "1.5 um Multiquantum-Well Semiconductor Optical Amplifier with Tensile and Compressively Strained Wells for Polarization-independent Gain" M A Newkirk, B.I. Miller, U. Koren, M.G Young, M. Chien, R M Jopson, and C A. Burrus. IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.4, NO 4, APRIL 1993 et, "Polarization insensitive multiple quantum well laser amplifiers for the 1300nom window" L.F. Tiemeijer, P. A. Thijs, T. van Dongen, R. W. M. Slootweg, J. M. M. van der Heijden, J. J. M. Binsma, and M. P. C. M. Krijn, Appl. Phys. Lett. 62 (8), 22 February 1993 De manière connue l'application d'une contrainte de tension à un matériau actif favorise le gain gV de ce matériau pour les ondes à polarisation verticales aussi bien lorsque ce matériau est mis en oeuvre sous la forme massive que lorsqu'il l'est sous celle de puits quantiques. C'est pourquoi, il a été considéré que cet effet d'une telle contrainte pouvait peut etre permettre d'obtenir l'insensibilité d'un amplificateur à la polarisation avec un matériau actif massique. Une disposition éventuellement utile a été proposée dans ce but. Avant de décrire cette disposition il convient de préciser les difficultés qui apparaissent lorsqu'on veut utiliser une telle contrainte dans ce but Une telle difficulté est que la contrainte peut favoriser une démixion, c'est à dire une ségrégation des composants d'un matériau quaternaire. La difficulté la plus importante est cependant liée à l'existence inévitable de dislocations dans le réseau cristallin du matériau semiconducteur. Elle tient au fa i t que toute contrainte de tension appliquée à un tel matériau tend à provoquer la propagation et l'amplification des dislocations de son réseau cristallin. De telles dislocations nuisent notamment au rendement énergétique de l'amplificateur et peuvent même le rendre inutilisable Il est connu que, pour chaque valeur de la contrainte et pour chaque matériau, il existe une épaisseur de couche, dite "épaisseur critique", au d e 1 à de laquelle les amorces de dislocation se propagent d'une manière telle que le matériau devient inutilisable. L'existence de cette épaisseur critique est notamment décrite dans l'article "Defects in epitaxial multilayers" J. W. Matthews and A.E. Blakeslee, J. Crystal Growth 27, 118 (1974). Cette difficulté liée aux dislocations n'a pas empeché la réalisation des a m pl i fi c a t e u r s connus de la deuxième famille 1 e ci-dessus parce que les épaisseurs des puits quantiques sont sensiblement i n fé r i e u r e s aux épaisseurs critiques correspondant aux contraintes appliquées. C'est pourquoi, pour le cas où des épaisseurs de couches de matériaux a c t i fs devraient dépasser celles des puits quantiques, et être par exemple supérieures à 30 nm, la disposition éventuellement utile mentionnée ci-dessus consisterait à séparer de telles couches par des couches d'un autre matériau semi-conducteur auquel serait appliquée une contrainte de compression qui réaliserait en moyenne, une compensation des contraintes. Mais cette disposition éventuellement utile n'est pas apparue en pratique comme pouvant surmonter utilement la difficulté liée aux dislocations. Cette disposition théorique est notamment décrite dans "1.55-,um Polarization-Insensitive Optical Amplifier with Strain-Balanced Superlattice Active Layer" A. Godefroy, A. Le Corre, F. Clérot, S. Salaün, S. Loualiche, J. C. Simon, L. Henry, C Vaudry, J. C. Kéromnès, G. Joulié, and P. Mamouler, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 7, NO 5 MAY 1995 Les inconvénients des a m pli fi c a t e u r s connus de la deuxième fa m i 1 1 et les d i ffi c u 1 t ès s connues qui seraient liées à l'emploi de la disposition théorique ci-dessus sont évités dans une troisième famille d'amplificateurs connus dans laquelle une autre disposition est mise en oeuvre et permet de manière effective d'éviter la sensibilité d'un amplificateur à la polarisation Le ruban des amplificateurs de cette troisième famille est constitué d'une manière homogène par un matériau actif massif dont la maille est identique à celle du matériau de base de sorte que ce matériau n'est pas contraint et est alors isotrope. Une insensibilité au moins approximative à la polarisation résulte du fait que la section de ce ruban est carrée ou sensiblement carrée c'est à dire que sa largeur par exemple 500nm, est égale ou peu supérieure à son épaisseur, par exemple 400nm. On rencontre alors les inconvénients déjà mentionnés tenant à une largeur trop petite du ruban, c'est à dire notamment une difficulté d'intégration de l'amplificateur avec d'autres composants optiques sur une meme plaquette semi-conductrice. Cette troisième famille est notamment décrite dans un article "1.55 llm Polarisation Independent Semiconductor Optical Amplifier with 25 dB Fiber to Fiber Gain" F. Doussière, F. Garabedian, C. Graver, D. Bonnevie, T. Fillion, E. Derouin, M. Monnot, J. G. Provost, D. Leclerc, Associate. IEEE, and M. Klenk. IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 6, NO 2, FEBRUARY 1994. Ces trois familles d' a m pl i fi c a t e u r s connus sont notamment mentionnées dans un compte rendu "High Performance MQW Laser Amplifiers for Transmission Systems Operating in the 13 10 nm Window at Bitrates of I OGbit/s and Beyond", L.F. Tiemeijer, Proc. 21 st Eur. Conf. on Opt. Com. (ECOC'95-Brussels) P.259 et suivantes . La présente invention vise à éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus. Elle a pour but de permettre la réalisation d'un a m pli fi c a t e u r optique à semi-conducteur ayant autant que possible les qualités suivantes -facilité de réalisation et d'intégration, -insensibilité à la polarisation, -bonne position spectrale. -bon rendement énergétique, et/ou -forte puissance de sortie Dans ce but elle a pour objet un amplificateur optique à semi-conducteur à ruban homogène, cet amplificateur étant caractérisé par le fait que ledit ruban présente une section rectangulaire et est soumis à une contrainte de tension suffisante pour rendre cet amplificateur insensible à la polarisation d'une lumière à amplifier. Cette contrainte résulte classiquement d'un désaccord de maille entre le matériau actif et le matériau de base. Le ruban peut etre enterré ou érigé en saillie. De préférence sa largeur est comprise entre deux fols et vingt fols son épaisseur. Cette invention résulte notamment du fait qu'il a été trouvé que, meme en présence d'un ruban à section fortement rectangulaire, la contrainte de tension à appliquer à un matériau actif homogène formant ce ruban pour obtenir l'insensibilité à la polarisation était suffisamment faible pour que l'épaisseur de ce ruban reste inférieure à l'épaisseur critique correspondante relative aux dislocations. En se référant à la figure schématique unique ci-jointe on va indiquer ci-après, à simple titre d'exemple, comment cette invention peut etre mise en oeuvre. Cette fi g u r e unique représente une vue en perspective d'un amplificateur à ruban enterré réalisé selon l'invention. L'amplificateur donné en exemple comporte de manière connue une plaquette (2) constituée de couches de matériaux semi-conducteurs du type III-V ayant des indices de ré fr a c t io n r e Sp e c t i fs et fo r m a n t un réseau cristallin commun. Des réseaux cristallins r e sp e c t i fs peuvent etre formés par ces matériaux en l'absence de contraintes. Ils ont alors des dimensions caractéristiques constituant des mailles respectives de ces matériaux. Ces couches se succédent selon une direction verticale (DV) formant un trièdre trirectangle avec deux directions horizontales constituant une direction longitudinale (DL) et une direction transversale (DT) Ces directions sont bien entendu d é fi n i e s par rapport à cet a m pl i fi c a t e u r . Ces couches forment une succession dans un sens ascendant de ladite direction verticale d'une face inférieure (4) à une fa c e supérieure (6) de la plaquette. Cette succession inclut au moins les couches ou groupe ou partie de couches suivants: -Un substrat (8) constitué maj oritairement d'un matériau de base semi-conducteur à deux composants ayant un premier type de conductivité ce substrat présentant une épaisseur s u ffi s a n t e pour imposer les dimensions de la maille de ce matériau de base audit réseau cristallin commun -Une couche active (10) incluant ledit ruban (12) entre deux bandes latérales (14 et 16). Ce ruban est constitué de manière homogène par un matériau actif à au moins trois composants Ce matériau est dit actif parce qu'il est apte à amplifier une lumière par recombinaison stimulée de porteurs de charges des deux types injectés dans ce matériau. Les dimensions horizontales de sa maille sont inférieures à celles de la maille du matériau de base. Elles présentent par rapport à ce matériau de base un écart relatif de maille typiquement compris entre -0,12% et 0. 18% pour que le substrat applique à cette couche une contrainte de tension. Ce ruban présente un indice de réfraction plus grand que celui des matériaux environnants et s'étend selon la direction longitudinale pour guider la lumière selon cette direction Il présente une largeur et une épaisseur respectivement transversale et verticale. Cette largeur est de préférence comprise entre deux fois et vingt fois cette épaisseur. Elle est typiquement comprise entre 500 et 2000nm pour faciliter la formation du ruban par gravure d'une couche complète du matériau actif. Cette épaisseur est typiquement comprise entre 100 et 400nm environ pour assurer un guidage mononodal de la lumière. Cette succession comporte e n fi n une couche de confinement supérieure (18) constituée d'un matériau ayant un deuxième type de conductivité opposé au premier. L' a m p i i fi c at e u r comporte en outre une électrode inférieure (20) et une électrode supérieure (22) respectivement formées sur la face inférieure et sur la face supérieure de la plaquette pour permettre de faire passer entre ces deux fa c e s un courant électrique. C'est ce courant qui injecte lesdits porteurs de charges des deux types dans le ruban à partir du substrat et de la couche de confinement supérieure Dans un cas particulier la longueur d'onde de fonctionnement de l'amplificateur est 1 550 nm. Le matériau de base est le phosphure d'indium InP, le substrat est de type n, le matériau actif est un matériau quaternaire In1x Gax Pî.y Asy, les paramètres x et y valant respectivement 0,45 et 0,93 de manière que l'écart relatif de maille vaille -0,15%. La couche de c o n fi n e m e n t supérieure est constituée de phosphure d'indium de type p. La largeur et l'épaisseur de ruban sont respectivement 1000 et 400nm De nombreuses autres dispositions de cet amplificateur sont classiques ou à la portée du spécialiste. Dans le cas d'un amplificateur à ruban érigé en saillie l'écart relatif de maille du matériau actif par rapport au matériau de base est typiquement compris entre les deux valeurs précédemment indiquées dans le cas du ruban enterré. REVENDICATIONS 1 Arn p 1 i fi c a t e u r optique à semi-conducteur à ruban homogène, cet amplificateur étant caractérisé par le fait que ledit ruban (12) présente une section rectangulaire et est soumis à une contrainte de tension s u ffi s a n t e pour rendre cet amplificateur insensible à la polarisation d'une lumière à amplifier. 2- Amplificateur selon la revendication I, ledit ruban (12) présentant une largeur comprise entre deux fois et vingt fois son épaisseur et étant constitué par un matériau actif ayant au moins trois composants appartenant aux deux colonnes III et V du tableau périodique des éléments, le dit ruban étant formé dans une plaquette semi-conductrice (2) constituée m aj o r i t a i r e me n t d 'u n matériau de base ayant deux composants appartenant respectivement à ces deux colonnes. 3- Amplificateur selon la revendication 2, le dit matériau actif présentant par rapport audit matériau de base un écart relatif de maille compris entre -0,12% et -0,18% pour que ladite plaquette applique ladite contrainte de tension à ce ruban 4-Amplificateur selon la revendication I comportant une plaquette (2) constituée de couches de matériaux semiconducteurs du type III-V ayant des indices de réfraction respectifs et formant un réseau cristallin commun, des réseaux cristallins respectifs pouvant être formés par ces matériaux en l'absence de contraintes et ayant alors des dimensions caractéristiques constituant des mailles respectives de ces matériaux, ces couches se succédant selon une direction verticale (DV) formant un trièdre trirectangle avec deux directions horizontales constituant une direction longitudinale (DL) et une direction transversale (DT), ces directions étant définies par rapport à cet a m pli fi c a t e u r, ces couches formant une succession dans un sens ascendant de ladite direction verticale d'une face inférieure (4) à une face supérieure (6) de ladite plaquette, cette succession constituant au moins -un substrat (8) constitué m aj o r i t a i r e ment d 'u n matériau de base semi-conducteur à deux composants ayant un premier type de conductivité, ce substrat présentant une épaisseur s u ffi s a nt e pour imposer les dimensions de la maille de ce matériau de base audit réseau cristallin commun, -une couche active (10) incluant ledit ruban (12) entre deux bandes latérales (14 et 16), ce ruban étant constitué par un matériau actif à au moins trois composants apte à amplifier une lumière par recombinaison stimulée de porteurs de charges des deux types injectés dans ce matériau, les dimensions horizontales de la maille de ce matériau actif étant inférieures à celles de la maille du matériau de base, ce ruban présentant un indice de réfraction plus grand que celui des matériaux environnants et s'étendant selon ladite direction longitudinale pour guider ladite lumière selon cette direction, ce ruban présentant une largeur et une épaisseur respectivement transversale et verticale, cette largeur étant comprise entre deux fois et vingt fois cette épaisseur, -et une couche de c o n fi n e m e n t supérieure (1 8) constituée d'un matériau ayant un deuxième type de conductivité opposé au premier, cet a m p I i fi c a t e u r comportant en outre une électrode inférieure (20) et une électrode supérieure (22) respectivement formées sur ladite face inférieure et sur ladite face supérieure de la plaquette pour permettre de fa i r e passer entre ces deux fa c e s un courant électrique injectant lesdits porteurs de charges des deux types dans ledit ruban à partir dudit substrat et de ladite couche de confinement supérieure. 5- Amplificateur selon la revendication 4, la largeur dudit ruban étant comprise entre 500 et 2000nm, son épaisseur étant comprise entre 100 et 400nm environ.