Brevet FR2784514A1 — publié le 20000414

PROCEDE DE CONTROLE D'UN LASER SEMICONDUCTEUR UNIPOLAIRE Le domaine de l'invention est celui des lasers semiconducteurs unipolaires, particulièrement intéressant pour générer des longueurs d'ondes dans le domaine moyen infrarouge 4-12 m. Le fonctionnement de ce type de laser est illustré en figure 1. Un tel laser unipolaire est réalisé à partir d'un empilement de couches de matériaux semiconducteurs, d'épaisseur calibrée de manière à réaliser des structures à puits quantiques présentant des niveaux discrets d'énergie. Ce type de laser a déjà été décrit dans la littérature et notamment dans les références suivantes : F. Capasso, A.Y. Cho, J. Faist, A.L. Hutchinson, S. Luryi, C. Sirtori, D. L. Sivco Unipolar semiconductor laser EP 95 302112. 8. J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A.L. Hutchinson, A.Y. Cho, Quantum cascade laser, Science, vol. 264, p. 553. J. Faist, F. Capasso, C. Sirtori, D. L. Sivco, J.N. Baillarjeon, A.L. Hutchinson, S. N. G. Chu and A.Y. Cho, High power mid-infrared (# # 5 m) quantum cascade laser operating above room température , Appl. Phys. Lett., vol. 68, p. 3680. C. Sirtori, J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, A.L. Hutchinson and A.Y. Cho, Quantum cascade laser with plasmon enhanced waveguide operating at 8-4 m wavelength , Appl. Phys. Lett., vol. 66, p. 3242. Les lasers unipolaires généralement à cascade, mettent en jeu des transitions entre niveaux discrets d'énergie au niveau de la bande de conduction, c'est-à-dire par exemple entre les niveaux E1 et E2 illustrés en figure 1. Lorsqu'un flux d'électrons est injecté dans la structure, il y a émission de photons hu = E2 E1, lors du passage d'électrons du niveau d'énergie E2 au niveau d'énergie E1. Les niveaux d'énergie mis en jeu dans ce type de structure génèrent ainsi des longueurs d'onde dans le moyen infrarouge qu'il est difficile d'obtenir selon d'autres méthodes plus classiques. Actuellement, pour faire du contrôle de puissance sur de tels lasers, voire de la modulation d'amplitude, on utilise un contrôle purement électrique qui consiste à injecter un flux d'électrons plus ou moins important dans ledit laser. Avec une modulation électrique, il peut être difficile d'obtenir des cadences de modulation très élevées. Les alimentations pouvant commuter rapidement les forts courants d'alimentation de ces lasers sont en effet des alimentations haut de gamme . C'est pourquoi l'invention propose un procédé de contrôle optique de laser unipolaire. Ce procédé utilise des faisceaux optiques de contrôle de longueur d'onde beaucoup plus courte que la longueur d'onde du laser unipolaire et donc de fréquence pouvant être modulée très rapidement. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de contrôle d'un laser semiconducteur unipolaire comprenant un empilement de couches semiconductrices de manière à créer une structure à puits quantiques présentant dans au moins une des couches semiconductrices dite couche active, au moins un premier niveau discret d'énergie E1 et un second niveau discret d'énergie E2 dans la bande de conduction, de manière à créer une émission laser, d'énergie photonique correspondant à la différence de niveaux d'énergie entre ledit premier niveau d'énergie et ledit second niveau d'énergie, sous excitation électrique, caractérisé en ce qu'il comprend le pompage optique de ladite couche active ou d'une autre couche de l'empilement par des moyens optiques émettant au moins un faisceau de contrôle à une longueur d'onde, d'énergie photonique supérieure ou égale à la bande interdite de la couche pompée optiquement. De manière générale, les lasers semiconducteurs sont des lasers présentant un grand nombre de modes optiques comme le schématise la figure 2. Une façon de rendre de tels lasers monomodes consiste à créer au niveau de la couche active un réseau de diffraction dont la période fixe la longueur d'onde d'émission et donc le mode. Actuellement, le réseau de diffraction peut être obtenu par un réseau gravé dans la structure comme l'illustre l'article de J. Faist et al. Proceedings de la conférence CLEO, 1997. C'est pourquoi, avantageusement l'invention propose d'opérer le contrôle optique du laser unipolaire avec deux faisceaux optiques capables d'interférer le réseau de diffraction créé optiquement permettant de réaliser un laser unipolaire monomode contrôlé optiquement et de fabrication plus aisée que celle nécessitant des opérations de gravure. Plus précisément, l'invention a aussi pour objet un procédé de contrôle optique d'un laser semiconducteur unipolaire, caractérisé en ce que les moyens optiques de contrôle comprennent deux faisceaux optiques de même longueur d'onde et des moyens pour faire interférer lesdits faisceaux dans l'empilement de couches semiconductrices composant le laser de manière à créer un réseau de franges d'interférences dans ledit empilement. Selon une variante de l'invention, le réseau de franges optiques de contrôle peut être obtenu à partir d'un unique laser de contrôle et de moyens de recombinaison desdits faisceaux, utilisant des procédés d'interférence classique. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 schématise le fonctionnement d'un laser semiconducteur unipolaire, selon l'art connu ; - la figure 2, illustre l'allure des modes optiques obtenus avec un laser unipolaire semiconducteur classique ; - la figure 3 illustre un premier exemple de procédé de contrôle optique d'un laser unipolaire selon l'invention ; - la figure 4 illustre le fonctionnement du laser unipolaire utilisant le premier exemple de procédé de contrôle optique décrit en figure 3 ; - la figure 5 illustre un deuxième exemple de procédé de contrôle optique d'un laser unipolaire selon l'invention ; - la figure 6 illustre le fonctionnement du laser unipolaire utilisant le second exemple de procédé de contrôle optique décrit en figure 5 ; - la figure 7 illustre un premier exemple de procédé selon l'invention pour rendre monomode par un moyen optique un laser unipolaire ; - la figure 8 illustre un second exemple de procédé selon l'invention pour rendre monomode par un moyen optique un laser unipolaire ; - la figure 9 illustre un troisième exemple de procédé selon l'invention permettant de rendre monomode par un moyen optique un laser unipolaire ; - la figure 10 illustre un quatrième exemple de procédé selon l'invention permettant de rendre monomode par un moyen optique un laser unipolaire ; - la figure 11 illustre une structure en mesa d'un laser semiconducteur unipolaire utilisé dans le procédé selon l'invention. De manière générale, le procédé de contrôle optique d'un laser semiconducteur unipolaire, comprend un faisceau laser de contrôle venant agir au niveau de la couche active de la structure quantique du laser ou au niveau d'une couche quelconque de l'empilement de couches du laser. La longueur d'onde du faisceau laser de contrôle doit être suffisamment faible pour que des porteurs soient photoinjectés au-dessus du gap du matériau semiconducteur formant la couche que l'on désire pomper optiquement dans l'empilement de couches du laser unipolaire. Selon une première variante de l'invention illustrée en figure 3, le faisceau laser de contrôle émet à une longueur d'onde #1, associée à une énergie photonique h#1, telle que des électrons de la bande de valence BV situés sur un niveau d'énergie E3, sont injectés dans la bande de conduction sur le niveau d'énergie E1. Par pompage électrique du laser semiconducteur des électrons sont amenés sur le niveau d'énergie E2, puis en tombant au niveau d'énergie inférieur E1 libèrent une énergie photonique huo correspondant à l'émission du laser à la longueur d'onde #0 associée à la fréquence yo. Des électrons sont ainsi simultanément apportés sur le niveau d'énergie E1 par pompage électrique et pompage optique. Ceci entraîne une sorte d'encombrement sur ce niveau énergétique et conduit à une diminution du gain du laser semiconducteur. Ainsi avec ce type de pompage optique, il est possible de moduler le gain du laser, en diminuant ledit gain. La figure 4 illustre ce type de fonctionnement pour une structure parcourue par un courant Io où passe de la puissance de sortie du laser Po (sans éclairement) à la puissance Pe (sous éclairement). Selon une autre variante, le faisceau laser de contrôle génère des paires électrons-trous dans une couche quelconque de l'empilement de couches du laser, qui n'est pas nécessairement la couche active. Cela a pour effet d'augmenter les pertes du laser dans cette couche par absorption de porteurs libres, et donc de diminuer le gain résultant du laser. Le résultat est donc le même que dans la première variante : En augmentant les pertes on a diminué le gain net du laser, et donc augmenté son seuil et diminué sa puissance de fonctionnement, sous éclairement de contrôle. Selon une seconde variante de l'invention, illustrée en figure 5, le faisceau laser de contrôle émet à une longueur d'onde #2, associée à une énergie photonique h#2, telle que des électrons de la bande de valence BV, situés sur un niveau d'énergie E3 sont injectés dans la bande de conduction sur le niveau d'énergie E2. Dans cette configuration, le gain du laser se trouve amplifié puisque le nombre de transitions d'électrons du niveau d'énergie E2 au niveau d'énergie inférieur E1 est amplifiée. Dans ce cas, le laser de contrôle agit comme un supplément de pompage optique qui s'ajoute au pompage optique du laser semiconducteur unipolaire. Le fonctionnement de cet exemple de laser est illustré en figure 6. Il apparaît notamment que dans le cas particulier où le laser unipolaire est pompé juste en-dessous de son seuil, le supplément apporté par le pompage optique permet au laser de fonctionner, le laser de contrôle agit ainsi comme un interrupteur optique du laser unipolaire. Nous venons de décrire des exemples de procédé de contrôle utilisant un faisceau laser de contrôle. Il peut être particulièrement intéressant d'effectuer le contrôle optique par un réseau de franges optiques pour obtenir un laser unipolaire monomode et dont la longueur d'onde d'émission peut être commandée par le pas du réseau de franges optiques. Pour cela, on réalise des franges de lumière perpendiculaires à la direction longitudinale de la cavité du laser unipolaire. En effet, la période des franges d est donné classiquement par la formule suivante : d = #c/2 sin Si #c est la longueur d'onde du laser de contrôle et 41 l'angle entre chacun des deux faisceaux interférents à la normale de la couche active. La longueur d'onde #u émise par le laser unipolaire est alors égale à cette période d Xu = d Par exemple, pour une émission du laser unipolaire à la longueur d'onde #o = 9 m dans le vide, un indice de réfraction de la couche active n = 3,3 (classique pour les matériaux semiconducteurs II-V), et des moyens optiques de contrôle émettant deux faisceaux optiques à la longueur d'onde #c = 700 nm l'égalité ku = 1...o/n = d = 1...cl2 sin , conduit à définir un angle = arc sin (n Xc/2Xo) ce qui donne dans ce cas = 7 37, angle qu'il est facile d'obtenir avec des procédés classiques d'interférences qui seront décrits ciaprès. Avec ce type de procédé de contrôle utilisant des franges d'éclairement on parvient à réaliser des sources unipolaires accordables en longueur d'onde et ce en changeant la période des franges d'éclairement. Cette période peut être changée en changeant simplement l'angle entre les deux faisceaux ou bien encore en changeant la longueur d'onde du laser de contrôle. Il apparaît en effet que la longueur d'onde du laser unipolaire dans le vide, répond à la formule suivante : 1...0 = n1...cl2 sin Cela suppose l'emploi d'un laser de contrôle accordable, ce qui est courant dans les domaines de longueur d'onde sub-micronique nécessaires pour le laser de contrôle. On obtient ainsi un laser unipolaire accordable, ce qui classiquement est plus difficile à obtenir dans le domaine de longueurs d'onde moyen-infrarouge (quelques microns). Un tel laser ne nécessite ni changement de courant de fonctionnement, ni changement de température, ce qui est un avantage énorme pour la stabilité de ses performances (notamment la puissance de sortie), en fonction de la longueur d'onde. Nous allons décrire quelques exemples de dispositifs optiques permettant à partir d'un unique faisceau optique émis par un laser de contrôle de générer les franges d'éclairement. Ces dispositifs comprennent un moyen de séparation de faisceau optique en deux faisceaux optiques et un moyen de recombinaison selon un procédé d'interférence. Dans tous les cas de figures, les franges d'interférences sont réalisées de manière à ce que le pas du réseau ainsi créé soit selon une direction X parallèle à la direction selon laquelle le laser unipolaire émet. La figure 7 illustre un premier exemple de procédé de contrôle optique d'un laser unipolaire accordable. Ce procédé utilise l'illumination du laser unipolaire 1, émettant selon la direction X, par deux faisceaux optiques F, et F2 issus d'un laser de contrôle 2 émettant un faisceau divergent Fo au travers d'une lentille 3. Plus précisément, le faisceau incident Fo passe au travers d'un biprisme 4 qui génère les deux faisceaux d'interférences Fi et F2. La figure 8 illustre un second exemple de procédé de contrôle optique d'un laser unipolaire dans lequel les interférences sont créées à l'aide de deux miroirs de Fresnel 40 et 41, faisant un angle entre eux. La figure 9 illustre un troisième exemple de procédé de contrôle optique d'un laser unipolaire dans lequel les interférences sont créées deux réseaux de diffraction agissant en transmission 42 et 43. Il peut s'agir typiquement d'un même masque contenant localement un réseau 42 de pas d1 et localement un réseau 43 de pas d2. Il est également possible de réaliser les franges d'interférences à l'aide d'une lame séparatrice 44 et d'un miroir de renvoi 45 comme l'illustre la figure 10 sur un quatrième exemple de procédé. Dans tous les exemples de procédé de contrôle optique précédemment décrits, il est nécessaire d'illuminer l'empilement de couches du laser unipolaire par le laser de contrôle. Pour cela, il est indispensable d'aménager un accès au niveau de la couche de contact métallique, toujours présente dans un laser semiconducteur qui permet le pompage électrique du laser. La figure 11illustre une structure de laser unipolaire semiconducteur dans laquelle la lumière émise est confinée grâce à une architecture en forme de mesa, et à l'intérieur de l'empilement de couches grâce à des couches de matériaux semiconducteurs adéquats. La couche supérieure de contact électrique est localement retirée sur une largeur de quelques microns environ. Plus précisément, la figure 11 montre une ouverture optique 10, dans la couche de contact supérieur 11. La couche active 13 est insérée entre différents empilements de couches, déposés à la surface d'un substrat 12. Une couche isolante 14 et localement gravée permet d'assurer localement le transport d'électrons. Les tableaux ci-après décrivent un exemple d'empilement de couches semiconductrices pouvant être utilisé dans un laser de contrôle selon l'invention. Le tableau 1 fait référence à l'ensemble des couches, le tableau 2 détaille la région active, les tableaux 3,4 et 5 font référence à des empilements particuliers déterminés pour obtenir les niveaux d'énergie requis. TABLEAU 1 n+ GaInAs 3x 1 0'ocm-3 100 A n+ GaAs 9x1018cm-3 7000A n AlxGa(1-xAs x = 0.3 0 (top) 6x1017cm-3 300 A n AIO.75Gao 25As 6x1017cm-3 10000 A n AlxGa(1-xAs x = 0 - 0.3 (top) 6x1017cm-3 300 A n GaAs SxiOcm"3 15500 A n Alo33Gao67As Tableau 3 4xl 017Crn-3 220 A x 3C i Région Active Tableau 3 237 A i Al0 33Ga0 67As Tableau 4 151 A n GaAs 5x1016cm-3 14000 A n Alo 33GaO 67As (x = 0 0.3) Tableau 5 6x1017cm-3 300 A n Alo 75GaO 2sAs 6x1017cm-3 6000 A n Ala Gao 6As (x = 0.3 # 0) Tableau 5 6x1017cm-3 300 A n GaAs 3x1018cm-3 3000 A GaAs substrate doped n = 2-3x1018cm-3 TABLEAU 2 : Région Active i AIGaAs (A1 % = 33) 58 A i GaAs 15 A i AIGaAs (A1 % = 33) 20 A i GaAs 49 A i AIGaAs (A1 % = 33) 17 A i GaAs 40 i AIGaAs (A1% = 33) 34 A TABLEAU 3 i GaAs 32 A i AlGaAs (A1% = 33) 20 A i GaAs 28 A n AIGaAs (A1 % = 33) 23 A n GaAs 4x1017cm-3 23 A n AIGaAs (A1 % = 33) 25 A n GaAs 4x1017cm-3 23 A i AIGaAs (A1 % = 33) 25 i GaAs 21 A TABLEAU 4 i GaAs 32 A i AlGaAs (A1% = 33) 20 A i GaAs 28 A i AIGaAs (A1 % = 33) 23 A i GaAs 23 A i AIGaAs (A1 % = 33) 25 TABLEAU 5 n AIGaAs (A1 % = 33) 12 A n GaAs 48 A n AIGaAs (A1 % = 33) 24 A n GaAs 36 A n AIGaAs (A1 % = 33) 36 A n GaAs 24 A n AIGaAs (A1 % = 33) 48 A n GaAs 12 A n AIGaAs (A1 % = 33) 60 A REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle d'un laser semiconducteur unipolaire comprenant un empilement de couches semiconductrices de manière à créer une structure à puits quantiques présentant dans au moins une des couches semiconductrices dite couche active, au moins un premier niveau discret d'énergie (E1) et un second niveau discret d'énergie (E2) dans la bande de conduction, de manière à créer une émission laser, d'énergie photonique correspondant à la différence de niveaux d'énergie entre ledit premier niveau d'énergie et ledit second niveau d'énergie, sous excitation électrique, caractérisé en ce qu'il comprend le pompage optique d'une couche semiconductrice de l'empilement de couches formant le laser par des moyens optiques émettant au moins un faisceau de contrôle à une longueur d'onde d'énergie photonique supérieure ou égale à la bande interdite de cette couche semiconductrice. 2. Procédé de contrôle d'un laser semiconducteur unipolaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche semiconductrice pompée optiquement est la couche active. 3. Procédé de contrôle optique d'un laser semiconducteur unipolaire selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens optiques de contrôle comprennent deux faisceaux optiques de même longueur d'onde et des moyens pour faire interférer lesdits faisceaux dans l'une des couches semiconductrices de l'empilement de couches du laser, de manière à créer un réseau de franges d'interférences dans ladite couche. 4. Procédé de contrôle optique d'un laser unipolaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens optiques de contrôle comprennent un laser de contrôle émettant un faisceau laser incident et un biprisme de manière à générer deux faisceaux laser capables d'interférer à partir du faisceau laser incident, au niveau de la couche semiconductrice pompée optiquement. 5. Procédé de contrôle optique d'un laser unipolaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens optiques de contrôle comprennent un laser de contrôle émettant un faisceau laser incident et deux réseaux de diffraction en transmission de manière à générer deux faisceaux laser capables d'interférer à partir du faisceau laser incident, au niveau de la couche semiconductrice pompée optiquement. 6. Procédé de contrôle optique d'un laser unipolaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens optiques de contrôle comprennent un laser de contrôle émettant un faisceau laser incident et deux miroirs de Fresnel de manière à générer deux faisceaux laser capables d'interférer à partir du faisceau laser incident, au niveau de la couche semiconductrice pompée optiquement. 7. Procédé de contrôle optique d'un laser unipolaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens optiques de contrôle comprennent un laser de contrôle émettant un faisceau laser incident, une lame séparatrice et un miroir de renvoi, de manière à générer deux faisceaux laser capables d'interférer à partir du faisceau laser incident, au niveau de la couche semiconductrice pompée optiquement. 8. Procédé de contrôle optique d'un laser unipolaire selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le laser unipolaire présente une couche supérieure de contact électrique, métallique, ladite couche supérieure de contact comprenant une ouverture, de manière à pouvoir éclairer la couche semiconductrice pompée optiquement du laser unipolaire par le faisceau de contrôle. 9. Procédé de contrôle optique d'un laser unipolaire selon la revendication 8, caractérisé en ce que le laser unipolaire présente une structure en mesa, l'ouverture étant réalisée à la surface de la mesa.