Brevet FR2748353A1 — publié le 19971107

La présente invention est relative aux composants d'émission laser à réseau de Bragg distribué (DBR ou Distributed Bragg Reflector selon la terminologie anglosaxonne généralement utilisée par l'Homme du Métier). Le laser DBR est une source monofréquence à fort potentiel dans beaucoup d'applications, grâce en particulier à la possibilité d'accorder sa longueur d'onde d'émission par variation de l'indice de réfraction du matériau dans lequel est gravé le réseau de Bragg. Ce genre de composant est particulièrement intéressant pour des applications de transmission haute fréquence à 1,55 pm mettant en oeuvre un multiplexage en longueur d'onde (WDM ou Wavelength Division Multiplexing selon la terminologie anglo-saxonne). Son domaine d'accordabilité en longueur d'onde de l'ordre d'une dizaine de nanomètres comme indiqué dans les publications [1] "Butt-jointed DBR laser with 15 nm tunability grown in three MOVPE stems", F. DELORME et al., Electronics Letters, 20th July 1995, Vol. 31, No. 15, pp. 1244-1245, [2] "High performance tunable 1.5 pm InGaAs/InGaAsP multiple quantum well distributed Bragg reflector lasers", T.L. Koch et al., Appl. Phys. Lett. 53 (12), 19 September 1988, pp. 1036-1038, fait de ce composant un candidat tout désigné pour des applications multi longueurs d'onde à 16 canaux ou plus. Jusqu'à présent, les composants d'émission laser DBR étaient en matériaux massifs. On distingue parmi les composants en matériaux massifs les lasers DBR dits tout actifs et les lasers dits passifs. Dans le cas d'un laser DBR actif, tel qu'illustré dans [3] "Widely tunable active Bragg reflector integrated lasers in InGaAsP-InP", Bjorn Broberg and Stefan Nilsson, Appl. Phys. Lett. 52 (16), 18 April 1988, pp. 1285-1287, il s'agit d'utiliser le même matériau pour les zones amplificatrices et réseau du composant. Le réseau sélectionne la longueur d'onde correspondant au maximum de gain du matériau. Toutefois, du fait que le matériau du réseau de Bragg présente une énergie de transition qui correspond à la longueur d'onde d'émission laser, ces composants actifs présentent des pertes par absorption lorsqu'aucun courant n'est injecté dans le filtre. De ce fait, il est difficile avec de tels composants d'obtenir une grande accordabilité sans variation de puissance de sortie. Par ailleurs, les composants lasers DBR multisections, comprenant une zone de phase, sont également difficilement réalisables avec cette technologie. La zone de phase fonctionnerait en effet alors comme amplificateur optique. Par conséquent, une accordabilité continue avec une puissance de sortie stable ne peut être envisagée avec de tels composants actifs. En ce qui concerne les lasers DBR passifs, les matériaux des zones actives et réseau de Bragg sont différents. Le réseau de Bragg est par conséquent transparent à l'émission laser, puisque ces deux régions ont des énergies de bande interdite différentes : pour les applications sur fibres optiques, l'énergie de bande interdite de la zone active amplificatrice est de 1,55 pm, celle du miroir de Bragg est traditionnellement choisie dans la gamme 1,3 pm-1,45 Hm. Plusieurs techniques existent pour réaliser les deux régions du composant telles que la technique d'assemblage bout à bout ("butt-joint" selon la terminologie anglo-saxonne) décrite dans la référence [1] précitée, la technique de couplage vertical décrite dans la référence [2] ou encore l'épitaxie sélective, illustrée notamment dans [4] Monolithically integrated multi-wavelength MQW-DBR laser diodes fabricated by selective metalorganic vapor phase epitaxy", Tatsuya Sasaki et al., Journal of Crystal Growth 145 (1994), pp. 846-851. Dans le cas de l'assemblage bout à bout, l'empilement laser est d'abord épitaxié. Cet empilement est ensuite gravé localement dans des bandes où une reprise d'épitaxie localisée permet de faire croître le guide passif DBR. Le couplage vertical ou évanescent consiste à épitaxier l'une sur l'autre les couches servant de guide et de zone active. Il suffit alors par gravure d'enlever du côté guide l'empilement actif. Le couplage optique d'une région à l'autre se fait par onde évanescente suivant l'axe vertical d'où le nom de la technique. En ce qui concerne l'épitaxie sélective, il s'agit de faire croître simultanément des régions à énergie de bande interdite du semi-conducteur différente. Pour ce faire, un masque de diélectrique (typiquement de la silice ou du nitrure de silicium) composé de deux rubans parallèles est préalablement déposé sur le substrat. Le matériau ne se déposant pas sur le diélectrique mais à côté de celui-ci, il s'ensuit une vitesse de croissance plus grande entre les rubans de diélectrique. Si des puits quantiques ont été déposés, ils auront une énergie de transition plus faible dans les régions à forte croissance que dans les régions à faible croissance. Une accordabilité de 6 nm a été obtenue par une équipe japonaise ayant utilisé cette technique [4]. Comme on l'aura compris, la réalisation de lasers DBR passifs pose quelle que soit la technique utilisée des difficultés de mise en oeuvre. La méthode de joint bout à bout nécessite trois étapes d'épitaxie, dont une localisée et est assez délicate à mettre en oeuvre dans la mesure où les tolérances d'alignement qui déterminent l'efficacité du couplage optique entre les différentes zones sont difficiles à atteindre. La difficulté en ce qui concerne le couplage vertical est à la fois au niveau de la conception et de la réalisation. Le couplage optique entre les deux régions déposées l'une sur l'autre n'est pas optimal. Il est parfois nécessaire d'insérer un adaptateur modal entre les deux zones afin d'atteindre un très bon couplage, ceci pouvant être technologiquement assez complexe. L'épitaxie sélective est quant à elle délicate lorsqu'il s'agit obtenir une bonne qualité cristallographique à la fois entre les masques de diélectrique et loin de ceux-ci, dans la mesure où les vitesses de croissance entre ces deux régions peuvent être assez différentes. La maîtrise d'une telle technique du point de vue en particulier de la préparation des substrats avant épitaxie et du point de vue de la croissance elle-même n'est pas évidente. Un but de l'invention est donc de proposer un composant laser DBR dont le réseau de Bragg est transparent à l'émission laser et dont la réalisation est d'une mise en oeuvre simplifiée par rapport aux composants DBR passifs de l'art antérieur. Par ailleurs, on sait que l'intégration monolithique d'un laser monofréquence et d'un modulateur du flux lumineux fait l'objet de nombreux travaux, certains prototypes fonctionnant à 2,5 GHz commençant à être commercialisés (Philips, Hitachi, Fujitsu,...). Pour une présentation d'une technique d'intégration particulièrement simple, on pourra avantageusement se référer à la demande de brevet FR 93 06565. Néanmoins, peu de composants intégrant à la fois un laser monofréquence accordable en longueur d'onde, et un modulateur à électroabsorption ont été proposés à ce jour. A la connaissance des inventeurs, seule une équipe américaine des Laboratoires Bell a déjà réalisé ce type d'intégration. On pourra avantageusement se référer à la publication [5] "A 2.5 Gbit/s Return-to-Zero Integrated DBR Laser/Modulator Transmitter " , G. Raybon et al., IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 6, nO 11, November 1994, pp 1330-1331. L'accordabilité en longueur d'onde y est obtenue grâce à la variation d'indice effectif induite dans la zone de Bragg. Le composant décrit dans cette référence présente trois couches épitaxiées distinctes pour la zone amplificatrice, la zone où est gravé le réseau de Bragg et la zone du modulateur. Un couplage optique vertical est assuré entre la couche active du laser et la couche de Bragg qui sont empilées l'une sur l'autre. Une reprise d'épitaxie spécifique de la couche modulateur permet d'assurer un couplage de type bout-à-bout entre ce dernier et le laser accordable en longueur d'onde. Compte tenu des différentes épitaxies et des différentes étapes de gravure et de planarisation qui sont nécessaires, la fabrication d'un tel laser DBR-modulateur à électroabsorption est d'une mise en oeuvre délicate. Un autre but de l'invention est donc de proposer un composant laser accordable en longueur d'onde intégrant monolithiquement un modulateur électroabsorbant, d'une plus grande simplicité de réalisation que le composant décrit dans la publication précitée. Plus particulièrement, l'invention propose un composant présentant une structure d'émission laser à réseau de Bragg distribué, dont la zone active présente un empilement à multipuits quantiques, caractérisé en ce que la zone à réseau de Bragg présente le même empilement à multipuits quantiques, la longueur d'onde du réseau de Bragg en l'absence de tension ou de courant de commande étant décalée vers les longueurs d'onde supérieures par rapport à la longueur d'onde excitonique dudit empilement. Etant donné que la longueur d'onde d'émission est décalée par rapport à la longueur d'onde excitonique de l'empilement formant multipuits quantiques, le réseau de Bragg est transparent (ou tout du moins peu absorbant) pour la longueur d'onde d'opération du laser. Ceci est rendu possible grâce au spectre de gain très étendu des structures à multi-puits quantiques, et particulièrement des structures à puits quantiques contraints. Par ailleurs, sur un composant du type de celui proposé, les zones actives et passives sont constituées par une même structure, de sorte que sa réalisation est particulièrement simple et ne nécessite qu'une technologie standard de croissance connue de l'homme de l'art. Du fait de cette simplicité de réalisation, le composant est d'une bonne reproductibilité et fiabilité. Il permet également des rendements de fabrication satisfaisants. Avantageusement, la longueur d'onde du réseau de bragg en l'absence de tension ou de courant de commande est voisine de la longueur d'onde excitonique dudit empilement. Le composant peut en outre comporter une zone de phase et une zone formant modulateur qui présente le même empilement formant multipuits quantiques que la zone active et la zone à réseau de Bragg. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une représentation schématique en coupe d'un composant conforme à un mode de réalisation possible pour l'invention - la figure 2 est un graphe sur lequel on a porté le photocourant (unité arbitraire) de la structure à multipuits quantiques du composant de la figure 1 en fonction de la longueur d'onde - la figure 3 est un graphe sur lequel on a porté la puissance délivrée par le composant de la figure 1 en fonction du courant appliqué à sa zone active - la figure 4 illustre un exemple de type spectre d'émission obtenu avec le composant de la figure 1 - la figure 5 est un graphe sur lequel on a porté la longueur d'onde d'émission du laser en fonction de la tension appliquée à son réseau de Bragg - les figures 6a et 6b illustrent respectivement le taux de réjection et la puissance de sortie en fonction de la tension appliquée au réseau de Bragg - la figure 7 illustre un composant intégrant monolithiquement une barrette de lasers semblables à celui de la figure 1 - la figure 8 est une représentation en coupe semblable à celle de la figure 1 illustrant un autre mode de réalisation possible pour l'invention - la figure 9 est un graphe sur lequel on a porté le taux d'absorption en fonction de la tension appliquée à la zone de modulation électroabsorbante du composant de la figure 7 - la figure 10 illustre un composant intégrant monolithiquement une barrette de lasers semblables à celui de la figure 7. Le composant représenté sur la figure 1 comporte une zone active A et une zone à réseau de Bragg (zone DBR). Plus particulièrement, il comprend sur un substrat 1 d'InP dopé n+ la succession de couches suivantes : une couche 2 d'InP dopée n, une couche 3 d'InGaAsP non dopée, un empilement multipuits quantiques 4, une couche 5 d'InGaAsP, ainsi qu'au niveau de la zone à réseau de Bragg DBR un empilement tricouche 6 InP/InGaAsP/InP, sur lequel est gravé le réseau de Bragg. La structure représentée sur la figure 1 est de type à ruban enterré (BRS ou Burried Ridge Stripe selon la terminologie anglosaxonne). Elle comprend une couche 7 d'InP dopée p+ et une couche 8 d'InGaAs qui recouvrent le guide d'onde défini par la succession de couches précitées. Bien entendu, d'autres structures que les structures BRS peuvent être envisagées et notamment des structures utilisant les technologies communément désignées par l'Homme du Métier par : ridge ou SIPBH (Semi-Insulating Blocked Planar Buried Heterostructure). La couche 8 porte au droit de la zone active A et de la zone DBR des contacts métallisés 9a et 9b qui permettent, avec un contact 10 porté par le substrat 1, de commander chacune de ces deux zones. Ainsi qu'on l'a illustré sur la figure 2, le pas du réseau de Bragg est choisi de façon que la longueur d'onde d'émission kDBR de ce composant laser en absence de courant ou de tension de commande sur la zone DBR soit décalée vers les grandes longueurs d'onde, par rapport au pic d'absorption excitonique kE de l'empilement à puits quantiques. Ce décalage de la longueur d'onde de sélection du réseau de Bragg par rapport au maximum de gain est permis grâce au spectre étendu de gain optique des structures à multi-puits quantiques. On notera que le front d'absorption étant très abrupt, il est possible de faire fonctionner le laser à une longueur d'onde proche du pic d'absorption excitonique (60 nm, plutôt que 100 à 250 nm pour les techniques standards) sans pénalisation par les pertes optiques d'insertion. Ceci offre de plus l'avantage de permettre un effet d'injection de porteurs dans le réseau de Bragg - et donc une accordabilité - plus importante. Il a en effet été montré que la variation d'indice est d'autant plus grande que la longueur d'onde d'opération est proche du front d'absorption. On pourra à cet égard avantageusement se référer à [6] "Carrier-Induced Change in Refractive Index InP, GaAs, and InGaAsP", Brian R. BENNETT et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 26, No. 1, January 1990, pp. 113-122. Les étapes principales d'élaboration du composant illustré sur la figure 1 sont décrites ci-après. Epitaxie de la couche active L'épitaxie réalisée sur le substrat 1 InP dopé n+ est de type MOCVD (MetalOrganic Vapor Deposition). L'empilement multipuits quantiques 4 est constitué de 10 puits. On donne ci-après les épaisseurs des différentes couches du guide d'onde, ainsi que leur dopage. MATERIAU EPAISSEUR DOPAGE (nm) Couche 6c InP 30 p, 5.1017 Couche 6b InGaAsP 30 non dopé Couche 6a InP 50 non dopé Couche 5 InGaAsP 30 non dopé Empilement 4 lOx(8nm 160 non dopé multipuits InGaAsP/8nm quantiques InGaAsP) Couche 3 InGaAsP 30 non dopé Couche 2 InP 500 n, 2.1018 Substrat 1 InP - Les épaisseurs et concentrations des couches 7 et 8 (cas de la structure BRS) sont classiques et ne seront pas ici plus particulièrement décrites. Bien entendu, d'autres types de matériaux pourraient être envisagés. Notamment, l'empilement 4 à multipuits quantiques peut être à base de matériaux GaAs, la longueur d'onde d'émission étant de l'ordre de 0,8 m. Réseau de Bragg localisé Le réseau de Bragg est gravé en utilisant la technique standard d'holographie et attaque chimique humide. Le pas de ce réseau est calculé de manière à obtenir le décalage souhaité entre la longueur d'onde d'opération et le pic excitonique du matériau. Dans l'exemple qui vient d'être décrit, pour une longueur d'onde de Bragg de l'ordre de 1566 nm en l'absence de tension ou de courant de commande, le pas du réseau est de l'ordre de 240 nm. La zone amplificatrice sur laquelle il n'y a pas de réseau est masquée par du nitrure de silicium lors de cette étape. Gravure de ruban laser et dépôt des couches de recouvrement La structure BRS est employée pour obtenir le confinement optique et électrique du laser. Elle consiste à graver chimiquement un ruban d'environ 2 Hm de large que l'on enterre ensuite par reprise d'épitaxie d'InP dopé p+ (de 1,5 pm d'épaisseur) et d'InGaAs dopé p++ (de 300 nm d'épaisseur). Prise de contact et isolation électrique Une étape de métallisation et d'usinage permet de prendre le contact sur les différentes zones du laser. Ces zones sont alors électriquement isolées par gravure de la métallisation de contact entre les deux sections (contacts 9a, 9b). Après amincissement du substrat à 100 pm et métallisation de la face arrière (contact 10), les composants ou puces ainsi obtenus sont clivés et montés sur embase. Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 3, sur laquelle on a représenté la puissance délivrée en fonction de l'intensité du courant de commande appliqué à la zone active A, la puissance en sortie du composant qui vient d'être décrit est de 19 mW pour un courant de 200 mA et le courant de seuil est de l'ordre de 20 mA. Le spectre optique d'émission obtenu en l'absence de courant ou de tension de commande sur la zone DBR et pour un courant d'injection dans la zone active A de 100 mA a été illustré sur la figure 4. Il correspond à un taux de réjection de 50 dB. La longueur d'onde d'émission du laser est accordée par injection de courant. Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 5, une plage d'accordabilité de 6,25 nm est obtenue lorsque la zone DBR est polarisée en direct de 0 à + 1v. On notera que la plage d'accordabilité est directement proportionnelle au facteur de confinement, suivant la formule ## #n r = r X neff avec, Ak : plage d'accordabilité, X : la longueur d'onde d'opération du laser, r : le facteur de confinement, An : la variation maximale de l'indice de réfraction de l'empilement 4 multi-puits quantiques lorsqu'on y injecte des porteurs, neff : l'indice effectif de l'empilement. Ce facteur de confinement (qui est de 20 % pour la structure qui vient d'être décrite) peut être encore augmenté, offrant de la sorte une plus grande accordabilité. En ce qui concerne les sauts de mode, il est possible d'en maîtriser le nombre en variant la longueur de la cavité laser. Pour le composant de la figure 1, la zone active a une longueur de 350 vm, tandis que le réseau de Bragg est d'une longueur de 250 ym. Par ailleurs, le composant peut également être multisections et comprendre une zone de phase et zone réseau de Bragg. Un courant est injecté dans chacune des régions pour obtenir une accordabilité soit par sauts, soit continue. Le taux de réjection ainsi que la variation de puissance de sortie lors de l'injection dans le réseau de Bragg sont représentés sur les figures 6a et 6b en fonction de la tension de polarisation. Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 6a, le taux de réjection garde une très bonne valeur supérieure à 40 dB. La puissance de sortie (figure 6b) ne varie quant à elle pratiquement pas. Cette caractéristique - qui est spécifique à la structure proposée par l'invention - est particulièrement intéressante pour des applications multi-longueurs d'onde où l'on souhaite une bonne homogénéité en puissance entre les divers canaux. La structure qui vient d'être décrite est avantageusement appliquée à la réalisation d'un composant intégrant monolithiquement une pluralité de lasers disposés en barrette et émettant à différentes longueurs d'onde, cette structure comportant un empilement à multipuits quantiques qui est le même pour les différents lasers. Une telle structure en barrette permet une gamme de longueurs d'onde plus importante. Un tel composant a été illustré sur la figure 7 sur laquelle on a référencé par Al à A4 et DBR1 à DBR4 les différentes zones actives et DBR de quatre lasers émettant respectivement aux longueurs d'onde R1 à ?4 intégrés monolithiquement sur un composant comportant un empilement à multipuits quantiques qui est le même pour les quatre lasers, pour des polarisations de la section de Bragg différentes. On se réfère maintenant à la figure 8 sur laquelle on a illustré une variante avantageuse de l'invention. Le composant illustré sur cette figure 8 est semblable à celui de la figure 1 et intègre en outre une zone de modulation M disposée du côté de la zone DBR opposée à la zone active A. Cette zone de modulation M présente une structure identique à celle de la zone active A et est commandée par un contact électrique 9c. Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 9 sur laquelle on a illustré le taux d'absorption obtenu pour un courant d'émission laser de 60 mA en fonction de la tension de polarisation inverse appliquée à la zone de modulation, la structure de la figure 8 permet une modulation de plus de 12 dB pour une tension de polarisation variant de O à 3 Volts. Bien entendu, de la même façon que dans l'exemple illustré sur la figure 7, un même composant peut intégrer monolithiquement plusieurs lasers modulateurs dont l'empilement à multipuits quantiques est identique. C'est ce qu'on a illustré sur la figure 10 sur laquelle on a référencé par M1 à M4 les différentes zones de modulation de quatre lasers intégrés monolithiquement sur un tel composant et émettant respectivement à des longueurs d'onde k1 à k4. REVENDICATIONS 1. Composant présentant une structure d'émission laser à réseau de Bragg distribué, dont la zone active (A) présente un empilement à multipuits quantiques (4), caractérisé en ce que la zone à réseau de Bragg (DBR) présente le même empilement à multipuits quantiques (4), la longueur d'onde du réseau de Bragg (4BR) en l'absence de tension ou de courant de commande étant décalée vers les longueurs d'onde supérieures par rapport à la longueur d'onde excitonique (kE ) dudit empilement (4). 2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur d'onde du réseau de bragg (kDBR) en l'absence de tension ou de courant de commande est immédiatement voisine de la longueur d'onde excitonique ( kE ) dudit empilement (4). 3. Composant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une zone de phase qui présente le même empilement (4) formant multipuits quantiques que la zone active (A) et la zone à réseau de Bragg (DBR). 4. Composant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une zone formant modulateur (M) qui présente le même empilement (4) formant multipuits quantiques que la zone active (A) et la zone à réseau de Bragg (DBR). 5. Composant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les couches de l'empilement (4) formant multipuits quantiques sont des couches d' InGaAsP. 6. Composant selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat (1) d'InP dopé n+, ainsi que la succession de couches suivantes déposées sur ledit substrat : une couche (2) d'InP dopée n, une couche (3) d'InGaAsP non dopée sur laquelle est déposé l'empilement multipuits quantiques (4), une couche (5) d'InGaAsP déposée sur ledit substrat, ainsi qu'au niveau de la zone à réseau de Bragg DBR un empilement tricouche (6) InP/InGaAsP/InP, sur lequel est gravé le réseau de Bragg. 7. Composant selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'empilement à multipuits quantiques (4) est à base de matériaux GaAs, la longueur d'onde d'émission étant de l'ordre de 0,8 m. 8. Composant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de telles structures d'émission disposées en barrette.