Brevet FR2741489A1 — publié le 19970523

MODULATEUR D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES A PUITS QUANTIQUES L'invention concerne un modulateur d'ondes électromagnétiques à puits quantiques et notamment un modulateur à puits quantiques intersousbandes. Les transitions intersousbandes sont utilisées pour la détection infrarouge, pour la modulation et pour l'émission. Dans la plupart des systèmes épitactiques, et notamment dans le système GaAs/AIGaAs, les règles de sélection sur la polarisation de la lumière interdisent l'interaction (absorption ou émission) de la lumière avec les puits à incidence normale. Plus précisément, I'interaction est proportionnelle à sin20 où e est l'angle de la direction de propagation de la lumière mesuré par rapport à la normale au plan des couches de puits quantiques. Pour la détection et l'émission, le couplage s'effectue par un réseau. Dans le cas de la détection, les ordres diffractés par le réseau se propagent dans les puits quantiques sous des incidences élevées et sont donc fortement absorbés. Le couplage est particulièrement efficace si les ordres 1 et -1 se propagent parallèlement aux puits. Les autres ordres sont évanescents. Dans ce cas, les ordres 1 et -1, s'ils ne sont pas absorbés par les puits quantiques, peuvent éventuellement sortir du détecteur par la tranche ou sont absorbés par des absorptions parasites.Ils ne peuvent pas être directement collectés ni en face avant ni en face arrière en raison de la réflexion totale aux grands angles dont ils font l'objet aux interfaces air/GaAs (figure 1). L'ordre non diffracté (ordre 0) est transmis ou réfléchi spéculairement par le réseau et sort de l'échantillon. Pour la modulation, on utilise des structures à puits quantiques sensibles au champ électrique (effet Starck dans des puits asymétriques, transfert d'électrons dans des doubles ou triples puits couplés ...). En ce qui conceme le couplage, un certain nombre de possibilités ont été proposées. Premièrement, on peut utiliser une structure à puits quantiques sous incidence non nulle ; incompatible avec des utilisations en matrices, cette solution donne en outre des profondeurs de modulations faibles ( L'invention concerne un modulateur fonctionnant à incidence normale ou non, utilisant un couplage par réseau en transmission ou en réflexion, donnant des profondeurs de modulations importantes et parfaitement compatibles avec des utilisations en matrices. Les pertes dans l'état passant du modulateur sont faibles. Les puits quantiques utilisés sont les mêmes que précédemment. L'invention concerne donc un modulateur à puits quantique comprenant: - un empilement de couches de matériaux différents constituant un ou plusieurs puits quantiques et présentant une face d'incidence destinée à recevoir un faisceau lumineux à moduler et une face de sortie opposée à la face d'incidence; - des moyens d'application d'un champ électrique de modulation à l'empilement de couches; caractérisé en ce qu'il comporte également: - un réseau de diffraction associé à la face d'incidence. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple de réalisation du modulateur selon l'invention; - les figures 2a et 2b, des courbes de fonctionnement du modulateur de l'invention en transmission; - les figures 3a et 3b, des courbes de fonctionnement du modulateur de l'invention en réflexion. En se reportant à la figure 1, on va donc tout d'abord décrire un exemple de réalisation du modulateur de l'invention. Ce modulateur comporte sur un substrat S transparent, un empilement de couches PQ présentant des largeurs de bandes interdites différentes et constituant des puits quantiques. Par exemple, chaque puits quantique est constitué d'une couche de AlGaAs enserrée entre deux couches de GaAs formant les couches barrières. Comme cela est connu dans ia technique un tel puits quantique peut fonctionner par transitions intersousbandes. Ainsi, recevant une longueur d'onde adaptée, il peut donner lieu à des transitions d'électrons entre deux niveaux d'énergie dans la bande de conduction. L'empilement de couches PQ comporte, sur l'une de ses faces, un réseau de diffraction. Des électrodes El et E2 permettent d'appliquer un champ de part et d'autre de l'empilement de couches PQ. La lumière Fl incidente à moduler est supposée perpendiculaire au plan du dispositif. Selon l'exemple de la figure 1, la lumière FI est incidente sur le réseau de diffraction. La lumière d'ordre 0 non diffractée par le réseau RZ est transmise (faisceau FS) sans être déviée. Le réseau diffracte de la lumière selon le faisceau FD. Pour un certain champ électrique appliqué au dispositif, les puits n'absorbent pas. Le faisceau FD ne subit pas d'absorption par l'empilement de couches PQ. L'intensité non diffractée (dans l'ordre 0) est alors transmise selon la direction du faisceau FS, avec une certaine valeur lo. Par contre, sous l'effet de l'application d'un champ électrique (électrodes El, E2), le faisceau FD subit une absorption lors de sa traversée de l'empilement du puits quantique PQ. Le calcul montre que l'intensité dans l'ordre 0 s'en trouve modifiée. L'effet est d'autant plus important que les faisceaux FD sont réfléchis vers le réseau (par une couche d'indice plus faible, ou par la face de sortie M). En l'absence d'absorption, les ordres diffractés se recouplent avec le réseau et l'intensité totale lo est importante. La lumière diffractée selon l'ordre 0 est transmise. La lumière diffractée selon les autres ordres est absorbée selon le processus qui vient d'être décrit. La diffraction par un réseau diélectrique (GaAs gravé) utilisable en transmission étant moins efficace que la diffraction par un réseau métallique (GaAs gravé et métallisé) utilisé en réflexion, les modulations accessibles en transmission sont plus faibles que celles accessibles en réflexion. Enfin, les réseaux peuvent etre à une dimension (une seule polarisation n'est modulée) ou à deux dimensions (les deux polarisations sont modulées) et peuvent être de forme variable (lamellaire, triangulaire, blasé ...) sans que le principe de fonctionnement ne soit changé. Un exemple de modulation en transmission est donné par les figures 2a et 2b. Une couche de 40 puits dopés 3x101 cm-2 peut présenter une transition soit à 8 pm soit à 10.1 pm par transfert d'électrons entre 2 puits. Utilisée sans réseau à l'angle de Brewster, cette couche peut absorber et donc moduler 6 % en polarisation TM. Avec un réseau lamellaire de période d = 3.15 pm, de hauteur h = 1.5 pm et de profil c/d = 0.7 pm, I'absorption en TM dépasse 25 % et la modulation atteint 23.5 %. II y a donc pour cet exemple un gain de 4 sur la profondeur de modulation. Un autre intérêt de ce modulateur réside dans la transmission dans l'état passant qui dépasse 90 %. On a supposé ici que la face arrière du dispositif est traitée antireflet.Le réseau gravé en face avant fait également d'office d'antireflet. Un exemple de modulateur en réflexion est donné par les figures 3a et 3b. La même couche que précédemment mais avec un dopage plus faible (1011cl~2) est maintenant terminée par un réseau à 1 dimension gravée et métallisée de période d = 3 um, h = 0.4 pm et c = 1.5 pm. L'absorption et donc la modulation pour cette couche utilisée sans réseau en polarisation TM à l'angle de Brewster vaut 2 %. Avec le réseau, en polarisation TM, I'absorption et la modulation dépassent 82 %. On suppose également ici que la face arrière est traitée antireflet. II est possible de concevoir un tel modulateur sous forme matricielle. Dans ce cas, les différents modulateurs à puits quantiques sont réalisés sur un même substrat. Les prises de contact sur les électrodes El, E2 se feront par des techniques connues. REVENDICATIONS 1. Modulateur à puits quantique comprenant: - un empilement de couches (PQ) de matériaux différents constituant un ou plusieurs puits quantiques et présentant une face d'incidence destinée à recevoir un faisceau lumineux à moduler et une face de sortie opposée à la face d'incidence; - des moyens d'application (El, E2) d'un champ électrique de modulation à l'empilement de couches; caractérisé en ce qu il comporte également: - un réseau de diffraction (RZ) associé à l'une des faces. 2. Modulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens de réflexion associés à la face de sortie transmettant la lumière parallèle à la direction de la lumiére non diffractée par le réseau de diffraction et réfléchissant la lumière non parallèle à cette direction. 3. Modulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face de sortie est traitée antireflet pour l'ordre non diffracté. 4. Modulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau de diffraction est associé à la face d'incidence. 5. Modulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau de diffraction est associé à la face opposée à la face d'incidence et en ce qu'il est métallisé.