Brevet FR2737354A1 — publié le 19970131

COMPOSANT INTÉGRÉ MONOLITHIQUE LASER-MODULATEURS AMPLIFICATEUR À STRUCTURE DE MULTI-PUITS QUANTIQUES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un composant intégré monolithique à structure de multi-puits quantiques (" multiple quantum well structure "). Elle s'applique notamment au domaine des télécommunications optiques et, en particulier, aux liaisons de très hauts débits et sur de très longues distances. L'invention s' applique tout particulièrement à la génération d'impulsions optiques courtes, notamment de type soliton. L'invention trouve également des applications dans le domaine du multiplexage temporel ainsi que dans le domaine des ordinateurs optiques. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'intérêt croissant porté aux liaisons par fibres optiques, à très haut débit et sur de très longues distances, par exemple les liaisons sousmarines intercontinentales, a incité divers laboratoires à étudier de nouvelles impulsions du type soliton. Ces dernières présentent l'énorme avantage de ne pas se déformer pendant leur propagation dans une fibre optique. L'utilisation de ces impulsions nécessite de réaliser des composants optoélectroniques spécifiques. C'est ainsi que la mise au point d'une source à impulsions optiques de courte durée a fait l'objet de nombreux travaux. Les impulsions optiques de courte durée (inférieure à 10 ps par exemple) sont très intéressantes non seulement dans le domaine des solitons mais encore dans le domaine du multiplexage temporel. On a récemment proposé une technique de génération d'impulsions optiques courtes, ayant les caractéristiques requises pour une propagation par solitons. On consultera à ce sujet le document (1) qui, comme les autres documents cités par la suite, est mentionné à la fin de la présente description. Cette technique connue utilise un modulateur électro-absorbant qui met en forme les impulsions optiques en modulant la lumière qui le traverse. Cette modulation de lumière est obtenue par application d'une tension électrique sinusoïdale de haute fréquence au modulateur. Le codage des impulsions optiques peut également être obtenu grâce à un second modulateur qui est commandé par un signal électrique du type créneau et qui laisse ou ne laisse pas passer ces impulsions optiques. On peut ainsi obtenir une source optique complète constituée par - un laser qui émet en continu à une longueur d'onde voisine de 1,55 um, - un premier modulateur qui met en forme les impulsions et - un deuxième modulateur qui code ces impulsions. Afin d'obtenir la compacité la plus grande possible et de réduire les pertes qui résultent du couplage entre le laser et les modulateurs par l'intermédiaire de fibres optiques, l'idéal serait l'intégration monolithique de ce laser et des modulateurs. Le problème technologique majeur de ce type d'intégration est le fait de réaliser, sur un même substrat, des composants optiques nécessitant des couches actives dont les énergies de bande interdite sont différentes. En effet, le laser émet à une énergie sensiblement égale à celle de la bande interdite de sa couche active. Par contre, le modulateur ne fonctionne qu'à des longueurs d'onde décalées vers le rouge par rapport au bord d'absorption. La filière d'intégration adoptée doit répondre à ces deux exigences. Elle doit de plus être fiable et rester simple à développer en vue d'un meilleur rendement et de meilleures performances. On connaît également, par le document (2), un circuit photonique intégré comportant les composants précédemment décrits à savoir le laser et les deux modulateurs. Le principe d'intégration dont il est question dans ce document (2) est fondé sur l'utilisation de deux couches actives superposées, l'une pour le laser et l'autre pour les modulateurs. Dans ce cas, la lumière est couplée verticalement du laser aux modulateurs. D'autres filières d'intégration ont été étudiées mais uniquement pour l'intégration d'un laser avec un seul modulateur. On distingue deux grandes tendances 10 l'utilisation de deux épitaxies à raison d'une épitaxie par couche active 2" une solution " planaire " qui est fondée sur la variation localisée de la vitesse de croissance de matériaux entre des masques de nitrure ou des masques de silice dont la configuration est optimisée, et qui est de plus en plus adoptée pour l'intégration laser-modulateur. On connaît également par le document (3), auquel on se reportera, un dispositif qui comprend deux modulateurs ainsi qu'un amplificateur placé entre ces deux modulateurs et dans lequel les modulateurs et l'amplificateur utilisent une seule et même couche active. L'amplificateur intégré entre les modulateurs permet de limiter la diaphonie électrique entre ces deux modulateurs. Les techniques connues mentionnées précédemment présentent des inconvénients. Les techniques qui nécessitent deux épitaxies présentent l'inconvénient d'être complexes et délicates à mettre en oeuvre du point de vue de l'épitaxie et du procédé technologique (épitaxie et étapes technologiques sur un substrat non plan). Il est alors difficile de conserver les performances des composants lors de leur intégration. Les techniques " planaires " ont par contre l'avantage d'utiliser un procédé similaire à celui qui l'est pour des composants discrets et donc plus simple à mettre en oeuvre avec un meilleur rendement. Dans le cas de l'épitaxie à vitesse de croissance localement variable, une optimisation de la configuration des masques est nécessaire. De plus, la préparation de la surface est une étape critique à réaliser. De ce fait, il s'agit d'un procédé délicat à mettre en oeuvre. En outre, le changement de longueur d'onde obtenu avec cette technique est graduel et s'étend sur une zone de transition importante, susceptible d'induire des perturbations. En ce qui concerne la structure lasertandem de modulateurs, qui est connue par le document (2), la séparation spatiale des deux modulateurs est très faible (50 um). Cette proximité est susceptible d'induire des effets de diaphonie électrique entre les deux voies qui polarisent les diodes utilisées. Ce phénomène serait d'autant plus fort que le débit augmenterait et cela réduirait les performances en transmission du composant intégré. On pourrait remédier à cet inconvénient en utilisant une séparation spatiale plus importante mais cela augmenterait les pertes d'insertion. On connaît également par le document (4), auquel on se reportera, un composant intégré monolithique laser-modulateur à structure de multipuits quantiques. Ce que divulgue ce document (4) se retrouve dans le document (5) auquel on se reportera également. Ce même composant intégré monolithique laser-modulateur est également mentionné dans le document (6). On connaît aussi par le document (7) un composant intégré à deux modulateurs en tandem. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour objet un composant électro-optique monolithique intégré comprenant - un laser à contre-réaction distribuée, (" distributed feedback laser ") - deux modulateurs électro-absorbants à effet Stark confiné et - un amplificateur optique placé entre les deux modulateurs, composant qui résout les problèmes précédemment évoqués. La fabrication de ce composant est très simple et très adaptée à une production industrielle. De plus, ce composant a une très grande fiabilité et a de meilleures performances que les composants connus, précédemment mentionnés. En particulier, le composant connu par le document (3) nécessite, pour son utilisation, d'être couplé à un laser par l'intermédiaire d'une fibre optique. Ce couplage induit des pertes optiques et un problème de stabilité du fait que le couplage optique est susceptible de changer au cours du temps. La présente invention résout ces problèmes en utilisant une même couche active réalisée au moyen d'une seule épitaxie plane pour former le laser, les deux modulateurs et l'amplificateur optique placé entre ces derniers. De façon précise, la présente invention a pour objet un composant électro-optique monolithique intégré, caractérisé en ce qu'il comprend - un substrat monocristallin, - un laser comportant un empilement de couches semiconductrices épitaxiées sur ledit substrat parmi lesquelles une couche active et un réseau de Bragg périodique fixant la longueur d'onde d'émission du laser à une valeur légèrement supérieure à la longueur d'onde correspondant au maximum du pic de gain du laser, - des premier et deuxième modulateurs électro-optiques formés chacun d'un empilement de couches semiconductrices épitaxiées sur ledit substrat parmi lesquelles une couche absorbante active, - un amplificateur optique placé entre ces premier et deuxième modulateurs, cet amplificateur étant formé d'un empilement de couches semiconductrices épitaxiées sur ledit substrat parmi lesquelles une couche active, - des moyens pour injecter sur l'empilement de couches du laser un courant entraînant l'émission par la couche active du laser d'un rayonnement traversant la couche absorbante du premier modulateur dans le plan de cette couche, - des moyens pour appliquer sur l'empilement de couches du premier modulateur une tension électrique inverse entraînant une absorption dudit rayonnement par la couche absorbante de ce premier modulateur, - des moyens pour injecter sur l'empilement de couches de l'amplificateur optique un courant entraînant une amplification dudit rayonnement par la couche active de cet amplificateur, et - des moyens pour appliquer sur l'empilement de couches du deuxième modulateur une tension électrique inverse entraînant une absorption dudit rayonnement par la couche absorbante de ce deuxième modulateur, et en ce que la couche active du laser, la couche active de l'amplificateur optique et les couches absorbantes respectives des premier et deuxième modulateurs sont formées par une même structure épitaxiée à multi-puits quantiques, chacun des premier et deuxième modulateurs fonctionnant selon l'effet Stark confiné. L'amplificateur optique intégré, placé entre les premier et deuxième modulateurs, permet de réduire la diaphonie et de compenser les pertes optiques. Il en résulte un circuit beaucoup plus performant que celui qui est mentionné dans le document (2). Selon un mode de réalisation préféré du composant optique objet de l'invention, le substrat est en InP. Le composant est alors capable d'engendrer et de coder des impulsions optiques courtes à 1,55 pin, par exemple du type soliton. Les puits quantiques de la structure épitaxiées peuvent être contraints (" strained "). Chaque couche active et chaque couche absorbante peuvent être formées de puits quantiques en InGaAsP ou en InGaAs non dopé, ces puits quantiques étant séparés par des couches-barrières également en InGaAsP ou en InGaAs non dopé, la composition en In et P étant choisie pour que les puits quantiques aient une bande d'énergie interdite inférieure à celle des couches-barrières. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence à la figure unique annexée qui est une vue en coupe transversale schématique d'un mode de réalisation particulier du composant monolithique intégré objet de la présente invention, comprenant un laser, deux modulateurs et un amplificateur optique entre ces derniers. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le composant électro-optique monolithique intégré, qui est schématiquement représenté sur cette figure, comprend successivement - un laser L, - un premier modulateur M1, - un amplificateur optique Al et - un deuxième modulateur M2 qui sont réalisés sur un même substrat 10 à surface 16 3 plane, en InP dopé N+, à 5x10'8 ions/cm3. Sur ce substrat 10, sont épitaxiées des couches semiconductrices identiques pour le laser L, le premier modulateur M1, l'amplificateur optique Al et le deuxième modulateur M2, à l'exception de la présence d'un réseau de Bragg périodique 12 pour le laser. Les couches semiconductrices sont épitaxiées selon la technique de dépôt chimique en phase vapeur utilisant des organométalliques, connue sous l'abréviation MOCVD. On trouve, dans l'ordre - une couche-tampon 14 en InP dopé N, typiquement à 2X1018 ions/cm3, de 500 nm d'épaisseur, - une couche inférieure de confinement optique 16 en InGaAsP non dopé de 100 nm d'épaisseur, - une couche active 18 de 150 nm d'épaisseur, comportant de 5 à 12 puits quantiques 18a séparés par des barrières de potentiel 18b, réalisée en InGaAsP non dopé, - une couche supérieure de confinement optique 20 également en InGaAsP non dopé et de 100 nm d'épaisseur, - le réseau de Bragg 12 qui est conservé uniquement du côté du laser L, - une couche 22 en InP dopé P complétant ainsi les diodes PIN du laser L, du modulateur M1, de l'amplificateur optique Al et du modulateur M2 et assurant l'enterrement de la structure active, cette 16 3 couche 22 étant dopée à 10l8 ions/cm3 et ayant une épaisseur de 1,8 pin, et - une couche de contact électrique 24 en InGaAs dopé P+ à 1019 ions/cm3, de 200 nm d'épaisseur. Les puits quantiques 18a peuvent être contraints. La composition en In et en P des couches de confinement 16 et 20 doit être telle que l'indice optique de ces couches soit supérieur à celui des couches 14 et 22 des diodes mais inférieur à celui des puits quantiques 18a. De plus, la composition en In et P des couches-barrières 18b de la structure à multi-puits quantiques doit être telle que la bande d'énergie interdite de ces barrières soit supérieure à celle des puits quantiques 18a. A titre d'exemple - les couches 16 et 20 sont faites d'un matériau quaternaire InGaAsP dont la longueur d'onde de photoluminescence se situe autour de 1,2 pin, - les couches-barrières 18b sont faites d'un matériau quaternaire InGaAsP dont la longueur d'onde de photoluminescence se situe autour de 1,25 pin, et - les puits quantiques 18a sont faits d'un matériau quaternaire InGaAsP dont la longueur d'onde de photoluminescence se situe autour de 1,55 pin. Le nombre de puits quantiques est par exemple égal à 10 afin d'améliorer les performances de modulation sans amoindrir celles du laser. L'épaisseur de ces dix puits est typiquement de 10 nm et celle des barrières correspondantes de 5 nm. Le réseau de Bragg périodique 12 est constitué d'un matériau tricouches InP/InGaAsP/InP non dopé, gravé pour former une structure périodique dont le pas p fixe la longueur d'onde d'émission du laser. Pour des couches 12a, 12b et 12c respectivement de 50, 30 et 30 nm d'épaisseur, on utilise un pas p de 240 nm de façon à obtenir un laser fonctionnant à 1,550 pin. Le réseau de Bragg est réalisé par les techniques classiques d'holographie puis d'attaque chimique humide, en utilisant un masque approprié sur la partie correspondant aux modulateurs et à l'amplificateur optique afin de ne former ce réseau que sur la partie laser. Les couches 12, 14, 16, 18 et 20 sont formées au cours d'une première épitaxie planaire et les couches 22 et 24 sont formées au cours d'une seconde épitaxie planaire. Pour réaliser le composant représenté sur la figure, différentes techniques d'intégration peuvent être utilisées, notamment la technique " ridge-ridge" ou la technique " BRS-ridge ". Le composant de la figure comporte en outre une couche métallique 26 formée sur la surface inférieure du substrat 10 et destinée à être portée au potentiel de la masse. Ce composant comporte aussi une couche métallique supérieure déposée sur la couche de contact 24. Afin d'assurer l'isolation électrique du laser L, du modulateur M1, de l'amplificateur optique Al et du modulateur M2, une gravure de cette couche métallique supérieure et de la couche de contact 24 est réalisée. On forme ainsi - une électrode supérieure 28 sur le laser L, - une électrode supérieure 30 sur le modulateur M1, - une électrode supérieure 32 sur l'amplificateur Al et - une électrode supérieure 34 sur le modulateur M2. Cette gravure est suivie d'une implantation de protons dans les tranchées 36, 38, 40 ainsi formées et sur toute l'épaisseur de la couche 22. L'électrode supérieure 28 du laser L est reliée à une source de courant I1. L'électrode 30 du modulateur M1 est polarisée en inverse par une source de tension Vil. L'électrode 32 de l'amplificateur optique Al est reliée à une source de courant I2. L'électrode supérieure 34 du modulateur M2 est polarisée en inverse par une source de tension Vi2. On conçoit que l'épitaxie successive des différentes couches conduise à un couplage optique excellent entre le laser, le premier modulateur, l'amplificateur optique et le deuxième modulateur. La longueur LL du ruban laser est typiquement de 1'ordre de 300 pin à 400 pin. La longueur LA1 du ruban de l'amplificateur est typiquement de 500 pin. La longueur LM1 du ruban du modulateur M1 et la longueur LM2 du ruban du modulateur M2 sont typiquement de 200 pin. Afin de minimiser la capacité du composant de la figure 1, les prises de contact électrique, du côté du modulateur M1, de l'amplificateur Al et du modulateur M2 sont obtenues à l'aide de plots réalisés sur du polyimide. On précise que l'extrémité du composant de la figure 1, qui est située du côté du laser L, est revêtue d'un ensemble de couches fortement réfléchissantes C1 par exemple en Al203 et en Si. L'autre extrémité de ce composant, par laquelle sort la lumière et qui est située du côté du modulateur M2, est revêtue d'une couche anti-reflet C2, par exemple en SiOx. Le composant représenté sur la figure permet de constituer une source intégrée pour la génération et le codage d'impulsions optiques courtes, en particulier de type soliton. Le laser L fonctionne alors en continu. Le modulateur M1 sert à la mise en forme et à la génération des impulsions optiques courtes et fonctionne en haute fréquence. Le modulateur M2 est destiné à coder ces impulsions et fonctionne en haute fréquence. Il convient d'éloigner l'un de l'autre les modulateurs M1 et M2 pour éviter les interférences électriques entre ces modulateurs. L'amplificateur Al fonctionne en continu et permet d'amplifier la lumière issue du modulateur M1 pour éviter des pertes optiques du fait de l'éloignement des modulateurs M1 et M2. Une caractéristique importante de l'invention est la compatibilité en longueur d'onde des éléments intégrés à l'aide d'un décalage positif de la longueur d'onde d'émission du laser vers les grandes longueurs d'onde grâce au réseau de Bragg. La grande bande passante des modulateurs et la faible diaphonie électrique entre ces derniers (qui est rendue possible grâce à l'intégration de l'amplificateur entre les deux modulateurs) permettent la génération et le codage d'impulsions optiques courtes, du type soliton ou autre. La puissance optique de sortie d'un composant conforme à l'invention est élevée grâce à l'amplificateur optique intégré entre les modulateurs, ce qui permet de réduire le bruit lié à l'amplification nécessaire avant l'envoi, dans une fibre optique, d'une impulsion de trop faible énergie. L'intégration de l'amplificateur optique permet de réduire la diaphonie électrique entre les modulateurs adjacents à moins de 40 dB et les pertes de propagation dans le composant. Ces pertes peuvent être élevées comme le rapporte le document (7) (de l'ordre de 15 dB). L'amplificateur présente un gain de 8 dB pour un courant de 200 mA. Les modulateurs permettent d'obtenir un taux d'extinction meilleur que 25 dB pour une tension appliquée inférieure à 2V. Ce composant fonctionne avec succès à 20 Gbit/s. Les documents cités dans la présente description sont les suivants (1) M. Suzuki, H. Tanaka, K. Utaka, N. Edagawa and Y. Matsushima, " Transform-limited 14 ps optical pulse generation with 15 GHz repetition rate by InGaAsP electroabsorption modulator ", Electronics Letter, 1992, vol.28, n011, pp 1007-1008 (2) K. Sato, K. Wakita, I. Kotaka, Y. Kondo and M. Yamamoto, " Multisection electroabsorption modulators integrated with distributed feedback lasers for pulse generation coded at 10 Gbit/s ", Electronics Letters, 1994, vol.30, n014, pp 1144 1145 (3) N. Souli, F. Devaux, A. Ramdane, P. Krauz, A. Ougazzaden, F. Huet and M. Carré, " 10 Gbit/s high performance MQW tandem modulator for soliton generation and coding ", Electronics Letters, 1994, vol.30, n020, pp 1706-1707 (4) A. Ramdane, F. Devaux, A. Ougazzaden, Composant intégré monolithique laser-modulateur à structure multi-puits quantiques, Demande de brevet français ne9306565 du 2 juin 1993 (5) EP-A-0627798 (6) A. Ramdane, A. Ougazzaden, F. Devaux, F. Delorme, M. Schneider, J. Landreau et A. Gloukhian, " Novel high performance strained layer MQW monolithically integrated DFB laser-electroabsorption modulator using one identical single active layer ", 14th IEEE International Semiconductor Laser Conference, September 19-23, 1994, Hawaï, paper n M4.6 (7) H. Tanaka, S. Takagi, M. Suzuki and Y. Matsushima, " Optical short pulse generation and data modulation by a single-chip InGaAsP Tandem integrated electroabsorption modulator (TEAM) ", Electronics Letters, 1993, vol.29, ne11, pp 1002 1004. REVENDICATIONS 1. Composant électro-optique monolithique intégré, caractérisé en ce qu'il comprend - un substrat monocristallin (10), - un laser (L) comportant un empilement de couches semiconductrices épitaxiées sur ledit substrat parmi lesquelles une couche active et un réseau de Bragg périodique fixant la longueur d'onde d'émission du laser à une valeur légèrement supérieure à la longueur d'onde correspondant au maximum du pic de gain du laser, - des premier et deuxième modulateurs électro-optiques (M1, M2) formés chacun d'un empilement de couches semiconductrices épitaxiées sur ledit substrat parmi lesquelles une couche absorbante active, - un amplificateur optique (Al) placé entre ces premier et deuxième modulateurs, cet amplificateur étant formé d'un empilement de couches semiconductrices épitaxiées sur ledit substrat parmi lesquelles une couche active, - des moyens (I1) pour injecter sur l'empilement de couches du laser un courant entraînant l'émission par la couche active du laser d'un rayonnement traversant la couche absorbante du premier modulateur dans le plan de cette couche, - des moyens (Vil) pour appliquer sur l'empilement de couches du premier modulateur une tension électrique inverse entraînant une absorption dudit rayonnement par la couche absorbante de ce premier modulateur, - des moyens (I2) pour injecter sur l'empilement de couches de l'amplificateur optique un courant entraînant une amplification dudit rayonnement par la couche active de cet amplificateur, et - des moyens (Vi2) pour appliquer sur l'empilement de couches du deuxième modulateur une tension électrique inverse entraînant une absorption dudit rayonnement par la couche absorbante de ce deuxième modulateur, et en ce que la couche active du laser, la couche active de l'amplificateur optique et les couches absorbantes respectives des premier et deuxième modulateurs sont formées par une même structure épitaxiée à multi-puits quantiques (18), chacun des premier et deuxième modulateurs fonctionnant selon l'effet Stark confiné. 2. Composant optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (10) est en InP. 3. Composant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les puits quantiques (18a) sont contraints. 4. Composant selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que chaque couche active et chaque couche absorbante sont formées de puits quantiques (18a) en InGaAsP ou en InGaAs non dopé, ces puits quantiques étant séparés par des couches-barrières (18b) également en InGaAsP ou en InGaAs non dopé, la composition en In et P étant choisie pour que les puits quantiques aient une bande d'énergie interdite inférieure à celle des couchesbarrières.