Brevet FR2770913A1 — publié le 19990514

La présente invention concerne le domaine des cellules photoréfractives. Par dispositif "photoréfractif', on entend les dispositifs dans lesquels est susceptible de se manifester un effet photoréfractif, c'est-à-dire une création d'un champ de charges d'espace résultant de la photo-excitation de porteurs de charges redistribués de façon inhomogène sous l'effet d'un éclairement inhomogène, tel qu'une figure d'interférence. On pourra trouver des explications sur cet effet photoréfractif dans les documents Pepper et coll. [1] et Glass et coll. [2]. De nombreux dispositifs photoréfractifs ont déjà été proposés. En particulier, on a déjà proposé plusieurs dispositifs photoréfractifs à base de structure à puits quantiques multiples. En dehors de leurs applications potentielles dans le domaine du calcul optique, les modulateurs spatiaux de lumière (MSL) à base de multipuits quantiques (MPQ) présentent un grand intérêt dans le cadre des interconnections optiques et de la commutation rapide nécessaires aux futurs réseaux tout optique des télécommunications (Picoli et coll. [3], Pelekanos et coll. [4]. Ces modulateurs permettent de défléchir des faisceaux lumineux suivant un angle accordable qui dépend du pas du réseau de diffraction photo-inscrit (à l'aide d'une figure d'interférence). Ce réseau de diffraction résulte de la modulation des propriétés non linéaires des multipuits quantiques liées à l'effet Stark confiné, au voisinage de la résonance excitonique. Cette modulation spatiale est induite par la variation du champ de charge d'espace associée à l'écrantage du champ électrique appliqué par les porteurs photo-générés. Les réseaux de diffraction à base de puits quantiques multiples [3], sont bien adaptés pour la commutation rapide. Grâce à des temps de transit très courts (de l'ordre de quelques picosecondes), on peut atteindre des temps de réponse très courts. Ainsi, il est envisageable de concevoir des composants diffractants avec des temps de montée de l'ordre de 100ns. Ce type de composant devient ainsi compatible avec de la commutation de paquets optiques de type ATM (Asynchronous Transfer Mode). Compte-tenu du fait qu'un paquet ATM possède un durée de 1 us, il est nécessaire de maintenir le réseau de diffraction pendant une période équivalente. Pour cela il a été proposé de fixer les charges photogénérées de part et d'autre du MPQ en utilisant soit un matériau semi-isolant (De Matos et Coll. [5]), soit des boîtes quantiques (Le Corre et Coll. [6]). Le rendement de diffraction d'un tel dispositif ne dépasse cependant pas 0.1%. Par ailleurs, l'efficacité de diffraction de ce dispositif (rapport de l'intensité du faisceau diffracté sur l'intensité du faisceau transmis: cette quantité ne tient pas compte de l'absorption du matériau contrairement au rendement de diffraction) est-elle proche de 1% [5, 6]. Un tel rendement de diffraction est beaucoup trop faible pour envisager de réaliser un commutateur. II est donc absolument crucial d'améliorer ce rendement de diffraction pour réaliser un système de commutation utilisant de tels composants (il faudrait atteindre environ 5%). Pour tenter d'améliorer la situation, il a été proposé (Lambert et Coll. [7]) d'insérer la structure photoréfractive à MPQ dans une micro-cavité optique. Cette proposition a certes donné des résultats intéressants, cependant elle ne donne pas totalement satisfaction. En particulier, elle présente une largeur spectrale très faible, de l'ordre de 10nm, à rendement de diffraction acceptable. La présente invention a maintenant pour but de proposer une nouvelle structure adaptée pour améliorer le rendement de diffraction sur une large bande spectrale. Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un dispositif photoréfractif comprenant une zone optiquement active et deux réflecteurs disposés respectivement de part et d'autre de la zone optiquement active pour former une cavité optique, caractérisé par le fait que la cavité est réalisée sous forme d'une cavité de longueur accordable. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention! I'un des réflecteurs est placé sur un pont suspendu de sorte que la longueur de la cavité peut être réglée sous l'action d'un champ électrique. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels: - la figure 1 représente une vue schématique en perspective d'un dispositif photoréfractif à multipuits quantiques conforme à la présente invention, - la figure 2 illustre le rendement de diffraction, en fonction de la longueur d'onde, d'une part pour un dispositif classique à cavité fixe et d'autre part pour un dispositif conforme à la présente invention possédant une cavité accordable, - la figure 3 illustre la variation de l'espace d'air, en fonction de la longueur d'onde correspondant à la seconde courbe de la figure 2, et - les figures 4a à 4f représentent schématiquement diverses étapes successives de réalisation du dispositif conforme à la présente invention illustré sur la figure 1. L'équation du rendement de diffraction d'une structure photoréfractive à base de multipuits quantiques, en transmission, est la suivante: avec L la longueur totale des puits quantiques, X la longueur d'onde du faisceau de lecture, O I'angle interne sous lequel arrive le faisceau de lecture, a la variation d'absorption créée par effet Stark et An la variation d'indice correspondante calculée par la transformée de Kramers-Kronig. Sur cette équation, on constate que le rendement de diffraction varie comme le carré de L, pondéré par une exponentielle en -aL. II existe donc une longueur L optimum pour laquelle le rendement est maximum. Comme indiqué précédemment, il a été proposé antérieurement de disposer la structure photoréfractive entre deux réflecteurs pour former une cavité augmentant la longueur optique du matériau (voir document [7]). Cependant dans le cadre de la présente invention, la cavité ainsi mise en oeuvre est non pas une cavité fixe, mais une cavité accordable. La structure conforme à la présente invention offre notamment les avantages suivants: 1) la maitrise de la longueur d'une cavité est extrêmement difficile. Ainsi, à l'aide d'une cavité accordable, on peut ajuster le point de fonctionnement de la cavité optique, 2) les simulations numériques montrent qu'avec une cavité fixe, la largeur spectrale du rendement de diffraction est de l'ordre de îOnm (cf, courbe en pointillés sur la figure 2). Cette largeur spectrale n'est pas compatible pour insérer ce type de composant dans un système utilisant une transmission WDM (Wavelength Division Multiplexing). En ajustant la longueur de la cavité pour différentes longueurs d'onde, comme représenté dans le cadre de l'invention, la plage peut atteindre 50 à 60 nm (cf. courbe en trait continu sur la figure 2). Plus précisément encore dans le cadre de la présente invention, I'un des réflecteurs formant la cavité est placé sur un pont suspendu. Un tel pont suspendu peut être formé par attaque sélective de couches semi conductrices. Sous l'action d'un champ électrique, le pont est déformé et ainsi l'épaisseur d'un intervalle d'air entre ledit réflecteur et la zone active est modifiée ce qui fait varier la longueur de la cavité. On a illustré sur la figure 1 une telle structure. Celle-ci comprend principalement: - un substrat 10, - un réflecteur de Bragg 20l - une cellule photoréfractive 30 à multipuits quantiques, - une couche sacrificielle 40 formant entretoise, - une couche support 50 portée par la couche sacrificielle 40 et montée en porte à faux au-dessus de la cellule photoréfractive 30, pour former le pont suspendu, et - un second réflecteur de Bragg 60. L'application d'une tension de commande entre deux électrodes 12, 36 prévues respectivement sur le substrat 10 et sur la cellule photoréfractive 30 permet de contrôler le fonctionnement du dispositif. L'application d'une tension d'accord entre l'électrode 36 prévue sur la cellule photoréfractive 30 et une électrode 52 portée par la couche support 50 permet de contrôler les déformations du pont suspendu et donc la longueur de la cavité. Sur la figure 1, le faisceau incident est schématisé sous la référence A, le faisceau réfléchi sous la référence B et le faisceau diffracté sous la référence C. Sur la figure 2 sont représentés des résultats obtenus avec une structure photoréfractive conforme à la présente invention, dont les paramètres sont les suivants: cellule photoréfractive 30 à multipuits quantiques de 50 périodes avec des puits de GalnAs (9nm) et des barrières d'lnP (6nm), épaisseur d'lnP totale de 0.7 > m (comprenant les régions p et n pour la jonction p-n supérieure et les deux zones de piégeage) intervalle d'air de 1 pLm coefficient de réflexion face avant (pour le réflecteur de Bragg 20) de 82% coefficient de réflexion face arrière (pour le réflecteur de Bragg 60) de 100%. La courbe en pointillés illustrée sur la figure 2 représente le rendement de diffraction en fonction de la longueur d'onde pour une cavité fixe conforme à l'état de la technique. On constate que le maximum du rendement de diffraction atteint une valeur autour de 7%. Cette valeur peut être acceptable pour envisager l'insertion de ce type de composants dans un système de commutation optique. Cependant, la largeur spectrale est beaucoup trop faible. En revanche, la courbe en trait plein illustrée sur la figure 2, qui représente le rendement de diffraction en fonction de la longueur d'onde pour une cavité accordable conforme à la présente invention, présente une largeur spectrale nettement améliorée. L'examen comparé des deux courbes illustrées sur la figure 2, montre que l'invention permet de gagner un facteur cinq sur la bande passante. La courbe en trait plein de la figure 2 est obtenue en ajustant l'épaisseur de l'intervalle d'air par variation de la tension appliquée entre les électrodes 36 et 52, et ainsi déformation du pont suspendu. En faisant varier l'épaisseur de l'intervalle d'air, on fait varier la longueur de la cavité et donc on décale légèrement, en longueur d'onde, la résonance Fabry-Perot. Cet ajustement de la résonance de la cavité permet d'obtenir un rendement de diffraction maximum à chaque longueur d'onde. Ainsi ce type de cellule photoréfractive, conforme à la présente invention, possède toutes les caractéristiques requises pour son insertion dans un système de commutation optique. La réalisation d'un tel dispositif conforme à la présente invention nécessite de préférence: un bâti d'épitaxie équipé soit en jets moléculaires (sources solides ou gazeuses), soit en dépôt phase vapeur d'organométalliques, un ensemble de photolithogravure (source UV profond), un équipement de gravure humide bien contrôlé ou un équipement de gravure sèche. Selon une mise en oeuvre avantageuse, mais non limitative, le dispositif conforme à la présente invention est réalisé à l'aide d'un procédé comprenant les étapes suivantes: a) épitaxie Comme illustré sur la figure 4a, sur un substrat 10 de type n on réalise par épitaxie par jets moléculaires successivement: 1) un empilement 20 de couches (12 paires) de quaternaire Go035 In0 65 As075 P0.25 (114,3nm)/lnP (122,2nm) de façon à obtenir un miroir de Bragg de coefficient de réflexion 82%. Ces couches constituant le réflecteur sont de plus dopées de type n. 2) faisant suite à ce miroir de Bragg, la couche photoréfractive 30 est réalisée par empilement de plusieurs périodes de multipuits quantiques, typiquement 50 périodes de Gaz47 In0s3 As (9nom)/ InP (6nm) ou encore 50 périodes de Ga0.47 In0 53 As (8nm) I Ga0.2ln0.sAs043P057 (8nm). 3) une zone 35 d'lnP de type p+ d'épaisseur 150nom. 4) une couche sacrificielle 40 en Gaz.47 lino.53 As d'épaisseur 1 micron. 5) une couche support 50 d'lnP dopée de type n et d'épaisseur 250nm. b) gravure Comme illustré sur la figure 4b, par photolithographie on définit la surface utile de la diode formant la zone 32 optiquement active. (le mésa est réalisé jusqu'à la zone n du miroir de Bragg 20). Cette zone active 32 peut être de géométrie circulaire, le diamètre de la diode étant de l'ordre de 400cil. La zone 32 peut cependant être de contour polygonal, par exemple rectangulaire comme illustré sur la figure 4b. Plus précisément encore, comme illustré sur la figure 4b, L'étape de gravure est destinée à définir dans la structure épitaxiée précédemment, un premier pavé 100 définissant la zone 32 optiquement active de la diode, et un second pavé 110, par exemple de contour rectangulaire, destiné à servir de support au pont suspendu, et un ruban de liaison 120 interconnectant les deux pavés 100, 110, par exemple à mi largeur de faces en regard de ces deux pavés. c) métallisation Un dépôt de contact ohmique 12 de type n est opéré sur la face arrière du substrat 10, c'est-à-dire la face de celui-ci opposé au réflecteur 20. d) gravure Comme illustré sur la figure 4c, par photolithographie on réalise une attaque chimique dans les couches 50, 40 jusqu'à atteindre la zone 35 de type p du composant photoréfractif 30. Comme illustré sur la figure 4c, cette étape de gravure peut consister par exemple à conformer dans le premier pavé 100 une structure circulaire 102 de diamètre inférieur aux côtés dudit pavé 100, et dans le second pavé 110 un ensemble 112 de dimension inférieure, le ruban 120 de liaison étant quant à lui préservé. e) métallisation Un contact 36 de type p est déposé, par exemple, par la technique lift off sur la couche 35 autour de la structure gravée dans les couches 40 et 50 à l'étape d) ci-dessus, au-dessus de la zone active 32, comme illustré sur la figure 4d. La tension de fonctionnement est appliquée entre les contacts 36 et 12. f) dépôt Un réflecteur supérieur 60 est réalisé sur la face avant du dispositif, c'est-à-dire sur la surface de la couche 50, par empilement de neuf paires de couches SiO2/TiO2 (42,2nm, I'ensemble) de façon à approcher une réflexion de 100%, comme illustré sur la figure 4e. Comme on le voit sur la figure 4e, de préférence ce dépôt du réflecteur supérieur 60 est réalisé sous forme d'un dépôt de couches dont le contour est en retrait du contour des éléments 102,120 et 112 précités. g) métallisation On procède au dépôt par exemple par la technique lift off d'un contact 52 de type n autour du réflecteur supérieur 60, sur la couche 50, comme illustré sur la figure 4f. Ce contact 52 est utilisé pour l'application d'une tension d'accord de la cavité, entre les contacts 36 et 52. h) formation du bras suspendu Par photolithographie on définit la zone des couches 50 et 60 qui sont suspendues (cette zone se trouve en regard de la surface définie pour la diode 32), par attaque sélective de la couche sacrificielle 40 en GalnAs, par voie humide. Comme on le voit à l'examen comparé de la figure 1 qui illustre le dispositif achevé et la figure 4f qui montre la structure avant cette photolithographie, l'attaque sélective destinée à générer le pont suspendu est formée dans la couche sacrificielle 40, essentiellement au niveau des éléments 102 et 120 précités. La photolithographie est adaptée pour supprimer quasi-totalement la couche sacrificielle 40 au niveau de ces éléments 102 et 120, tout du moins pour supprimer toute liaison mécanique entre les couches 35 et 50 au niveau de ces éléments 102 et 120. En général, cette attaque sélective entraîne également une gravure, en périphérie, de la couche sacrificielle 40, au niveau de l'élément 112. A la fin de cette étape de photolithographie, les couches 50 et 60 se trouvent ainsi isolées de la couche 35, au niveau du pavé 102 et du ruban de liaison 120. Ainsi, les couches 50 et 60, formant réflecteur, délimitées dans le pavé 102 en regard de la zone optiquement active 32 de la diode, sont suspendues en regard de celle-ci par un pont constitué des couches 50, 60 au niveau du ruban de liaison 120. Ainsi lorsque l'étape de photolithographie est achevée, le pont suspendu 120 prolongeant la couche support 50 et les couches correspondant au second réflecteur 60 formées dans le pavé 112, supporte un élément évasé 102 formé de la couche support 50 et des couches correspondant au second réflecteur 60, situées en bout du pont suspendu 120, en regard de la zone active 32, et en porte à faux sur celle-ci. Les dimensions du pont suspendu ainsi formé sont typiquement de l'ordre de: longueur de 1001lm et largeur de îOum pour le pont 120 et un diamètre de 200pm pour le réflecteur 601102. Un tel dispositif photoréfractif à multipuits quantiques fonctionne à 1.55clam avec un fort rendement de diffraction, de l'ordre de 7%, et une grande largeur spectrale, de l'odre de 30 à 40nm. En appliquant une tension (VCAV) sur la jonction p-n supérieure 35/50 on déforme le pont suspendu et ainsi on fait varier la longueur de la cavité optique. Ainsi, on ajuste la résonance Fabry-Perot afin d'obtenir un rendement de diffraction maximum pour chaque longueur d'onde. Une variante de ce système consiste à tenir la zone suspendue par plusieurs bras, par exemple deux ou quatre bras. Cette variante permet d'optimiser la tension de commande (VCAV). Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit, mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. Ainsi par exemple, une autre variante conforme à l'invention consiste à remplacer le réflecteur de Bragg SiO2iTiO2 60 par un réflecteur de Bragg réalisé par épitaxie (dans la filière InP), ce qui est technologiquement une voie plus simple. Cependant pour cette solution, il faut adapter la longueur d'onde d'écriture (pompe) selon la composition du réflecteur. BIBLIOGRAPHIE [1] L'effet photoréfractif, David Pepper, Jack Feinberg, Nicolai Kukhtarev, Pour la Science, N"158, déc. 1990, pages 58 à 64 [2] Topics in Applied Physics, Springer verlag, Vol. 61, Photorefractive materials and their applications, Tome 1, Chapitre 8, The Photorefractive Effect in Semiconductors, Alastair M. Glass and Jefferson Strait [3] G. Picoli, P. Gravey et J.E. Viallet "Dispositif Photoréfractif' - Brevet FR-A-2678093 [4] N.Pelekanos, B. Deveaud et B. Lambert "Cellule Photoréfractive" - Brevet FR-A-27 12732 [5] C. De Matos, A. Le Corre, H. L'Haridon, B. Lambert, S. Salaün, J. Pleumeekers, S. Gosselin, Appl. Phys. Lett. 68, 3576 (1996). [6] A. Le Corre, C. De Matos, H. L'Haridon, S. Gosselin et B. Lambert, Appl. Phys. Lett. 70,1575 (1997). [7] B. Lambert, A. Le Corre et P. Gravey "Cavité optique pour photoréfractif" - Brevet FR-A-2732782 REVENDICATIONS i. Dispositif photoréfractif comprenant une zone optiquement active (30) et deux réflecteurs (20, 60), disposés respectivement de part et d'autre de la zone optiquement active (30) pour former une cavité optique, caractérisé par le fait que la cavité est réalisée sous forme d'une activité d'une longueur accordable. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'un des réflecteurs (60) est placé sur un pont suspendu (120) de sorte que la longueur de la cavité peut être réglée sous l'action d'un champ électrique. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le pont suspendu (120) est réalisé par attaque d'une couche sacrificielle (40) intercalée entre différentes couches semi-conductrices. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le pont suspendu (120) est réalisé par attaque d'une couche sacrificielle (40) intercalée entre la zone active (30) et un réflecteur (60). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le pont suspendu (120) est réalisé par attaque d'une couche sacrificielle (40) en GalnAs. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend: - un substrat (10), - un premier réflecteur (20), tel qu'un réflecteur de Bragg, - une cellule photoréfractive (30) à multi puits quantiques, - une couche sacrificielle (40) formant entretoise, - une couche support (50) portée par la couche sacrificielle (40) et montée en porte-à-faux au dessus de la cellule photoréfractive (30), pour former le pont suspendu, et - un second réflecteur (60), tel qu'un réflecteur de Bragg. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comprend, sur un substrat (10), un pavé (112) comprenant un empilement de couches (30) identique à celles composant la zone active, une couche sacrificielle (40) en partie préservée, une couche (50) formant support et des couches (60) identiques à celles composant le second réflecteur, un pont suspendu (120) prolongeant la couche support (50) et les couches correspondant au second réflecteur (60) précité, et un élément évasé (102) formé de la couche support (50) et des couches correspondant au second réflecteur (60), situées en bout du pont suspendu (120), en regard de la zone active (32). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le pont (120) a une longueur de l'ordre de i îOOum et une largeur de l'ordre de îOpm. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que l'un des réflecteurs (60) est supporté par plusieurs bras suspendus.