Brevet FR2784811A1 — publié le 20000421

La présente invention concerne un laser à cavité verticale à grande longueur d'onde doté d'un laser de pompage à courte longueur d'onde intégré et, plus particulièrement, l'invention concerne un semblable laser formé par la combinaison de deux structures laser à émission en surface à cavité verticale (VCSEL) indépendantes, qui forment ensemble un laser à cavité verticale excité électriquement qui émet à une grande longueur d'onde. Comme cela est connu dans la technique des lasers, le développement de lasers à cavité verticale (VCL) émettant à une grande longueur d'onde (1300 à 1550 nm) a été rendu complexe du fait de l'absence de miroirs épitaxiaux appropriés, de pertes optiques élevées à l'intérieur de la cavité laser, et d'un gain optique faible et sensible à la température dans la structure des couches actives. Au lieu d'injecter un courant électrique, on peut obtenir un fonctionnement laser beaucoup plus facilement en excitant la matière active optiquement au moyen d'une source de lumière externe d'une longueur d'onde plus courte ("pompage optique"). Les pertes des porteurs libres dans une structure VCL optiquement pompée sont fortement réduites, car on n'emploie que des matières semi- conductrices nominalement non dopées. I est également possible d'employer des matières diélectriques par exemple comme des paires de couches de contraste d'indice élevé relativement à des miroirs de Bragg hautement réfléchissants. La source de pompage est plus facile à fabriquer au moyen d'un VCL à base de GaAs émettant à une longueur d'onde comprise dans l'intervalle de 780 à 980 nm. Dans la technique, de bons résultats ont été démontrés avec un VCL à 1300 nm monolithique, qui a été fabriqué avec un VCL de pompage à 850 nm placé sur le dessus de la structure à 1300 nm réelle. Ceci a été produit par V. Jayaraman et al., Uniform Threshold Current, Continuous-Wave, Single Mode, 1300 nm Vertical Cavity Lasers From 0 to 70 C, Electron. Lett. vol. 34, n 14, 1998, p. 1405. La fabrication de ce VCL excité électriquement/optiquement (e/o-VCL) nécessite un traitement assez avancé, comme par exemple deux opérations de fusion de plaquettes, et la fabrication d'un VCL de pompage du type "mesa" ayant des contacts coplanaires. l serait souhaitable d'obtenir les résultats de la technique antérieure en utilisant deux structures de VCL distinctes qui ne présentent aucun problème d'alignement et qui fournissent d'autres avantages du point de vue du coût, et analogues. La présente invention atteint ce but. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un laser à cavité verticale à grande longueur d'onde, comprenant: un laser à cavité verticale émettant par le dessus à courte longueur d'onde; et un laser à émission en surface à cavité verticale pompé optiquement à grande longueur d'onde, placé au-dessus du laser à courte longueur d'onde et en communication optique avec le laser à courte longueur d'onde. Selon un autre aspect d'un mode de réalisation de la présente invention, il est proposé un procédé de formation d'un laser à cavité verticale à grande longueur d'onde, comprenant les opérations suivantes: on fournit un laser à cavité verticale émettant par le dessus à courte longueur d'onde et un laser à émission en surface à cavité verticale pompé optiquement à grande longueur d'onde; on place le laser à courte longueur d'onde en relation de recouvrement avec le laser à grande longueur d'onde; on fait passer un courant électrique dans le laser à courte longueur d'onde afin de produire une émission de lumière; on fait passer la lumière émise au travers d'un miroir inférieur du laser à grande longueur d'onde; et on stimule une émission à grande longueur d'onde de la part du laser à grande longueur d'onde au travers d'un miroir supérieur du laser à grande longueur d'onde. Selon la présente invention, on propose un VCL excité électriquement/optiquement (e/o-VCL) qui fonctionne de la même manière que le dispositif révélé par Jayaraman et al. (voir ci-dessus), mais qui consiste en deux structures VCL planes séparées. Le concept général est de placer un VCL à grande longueur d'onde optiquement pompé en relation de recouvrement avec un VCL à courte longueur d'onde plan. Le contact mécanique entre les deux VCL est réalisé au moyen d'une colle optiquement transparente. La colle peut également être utilisée pour réduire la rétro-réflexion de la lumière de pompage. Les dimensions latérales de l'élément optiquement pompé sont plus petites que celles de l'élément de pompage de manière à donner accès à l'électrode métallique supérieure. L'alignement latéral entre les deux lasers n'est pas crucial et pourrait être facilité au moyen d'un équipement automatique de mise sous boîtier. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur le dessin annexé, illustrant un mode de réalisation préféré, et qui constitue une figure unique, à savoir: la figure 1 est une représentation simplifiée de la structure laser selon un mode de réalisation de la présente invention. On se reporte maintenant au dessin. La figure 1 illustre de manière simplifiée un mode de réalisation de l'invention, désigné dans son ensemble par la référence 10. Comme représenté, un VCSEL 12 pompé optiquement à grande longueur d'onde comprend un laser à grande longueur d'onde pompé optiquement qui possède une couche active 14 et un substrat en InP ou GaAs 16. Tous les éléments de ces VCSEL sont bien connus dans la technique. Dans le mode de réalisation représenté, le VCSEL à grande longueur d'onde 12 comporte une ouverture 18 qui est en communication optique avec un VCSEL à courte longueur d'onde, ce dernier étant désigné dans son ensemble par la référence 20. Le laser 20 comporte un substrat en GaAs 22 et des couches actives 24 typiques. Le laser 20 comporte en outre une ouverture 26 destinée à laisser passer l'émission de lumière et se trouvant en communication avec le laser 12 qui est disposé en relation de recouvrement. Le laser 20 est monté sur une monture auxiliaire 28 qui fait fonction de contact métallique 30, avec un contact métallique 32 placé sur le laser 20. Une source de courant électrique 34 est appliquée au laser à courte longueur d'onde 20 afin d'induire l'émission. En fonctionnement, un courant électrique est injecté dans le VCL de pompage 20. Ceci produit une émission stimulée (par exemple à 850 nm) audessus du seuil d'effet laser. Les coefficients de réflexion des miroirs (non représentés) sont choisis de façon que la plus grande partie de la lumière laser soit couplée vers le haut, via une ouverture ménagée dans l'électrode p 32, la colle transparente et le miroir inférieur du VCL à grande d'onde 12. La lumière de pompage de courte longueur d'onde est absorbée dans la région active 14 de la structure VCL supérieure 12, o elle produit une émission stimulée de grande longueur d'onde. L'émission de grande longueur d'onde est extraite via le miroir supérieur (non représenté) et le substrat en GaAs ou InP transparent 16. Ceci est indiqué globalement par la flèche apparaissant sur la figure. Eu égard au fait que la cavité du VCL optiquement pompé n'a pas à être électriquement conductrice, elle peut également impliquer des structures à espace libre intermédiaire (dite également "air-gap"), o on retire des couches sacrificielles par gravure sélective, comme enseigné par Streubel et al., dans 1,26 pm Vertical Cavity Laser with Two InP/Air-Gap Reflectors, Electron. Lett., vol. 32, 1996, p. 1369. On peut facilement faire croître, par des techniques épitaxiales ordinaires, la structure épitaxiale d'un VCL à grande longueur d'onde, I II qui fait intervenir un ou deux miroirs à espace libre intermédiaire. La structure à espace libre intermédiaire offre l'avantage supplémentaire de permettre d'accorder la longueur d'onde depuis l'extérieur, par exemple au moyen de forces électrostatiques. La structure selon l'invention combine tous les avantages d'un VCL excité électriquement/optiquement (e/o-VCL) avec des techniques ordinaires peu coûteuses de traitement et de mise sous boîtier. Les avantages fondamentaux d'un e/o-VCL sont les suivants: i) pertes réduites des porteurs libres dans le VCL à grande longueur d'onde du fait de l'absence de dopage; et ii) injection de courant et chauffage résistif dans le seul VCL de pompage à courte longueur d'onde. La structure du e/o-VCL présentée ici offre les avantages suivants: i) souplesse de conception dans le choix de la structure pompée optiquement (voir le tableau I); ii) la source de pompage et le VCL pompé optiquement peuvent être fabriqués, contrôlés et optimisés indépendamment; iii) le VCL de pompage à courte longueur d'onde peut être formé à partir de dispositifs déjà commercialisés, toute la technique nécessaire étant disponible; iv) la longueur d'onde émise est définie seulement par la structure pompée optiquement. Un VCL de pompage ordinaire monté sur une embase peut servir de bloc de construction de base pour différents VCL à grande longueur d'onde; et v) le boîtier de l'invention donne un produit peu coûteux. Les combinaisons de VCL suivantes sont possibles. - - 'TIFT - Tableau 1 - VCL émettant par le dessus à 850 nm - VCL émettant par le dessus ou le dessous à 980 nm VCL de pompage - VCL avec ouverture de courant à H implanté - VCL avec ouverture de courant à oxyde de AI - VCL du type mesa - VCL ayant deux miroirs à espace libre intermédiaire -VCL ayant un miroir à espace libre intermédiaire et un miroir diélectrique VCL pompés - VCL ayant deux miroirs en GaAs/AlGaAs avec fusion optiquement à 1300 nm de plaquettes - VCL ayant un miroir en GaAs/AIGaAs avec fusion de plaquettes et un miroir diélectrique - VCL ayant deux miroirs diélectriques -VCL ayant deux miroirs en GaAs/AlGaAs et une couche active en GaInNAs avec adaptation de réseaux -VCL ayant deux miroirs à espace libre intermédiaire - VCL ayant un miroir à espace libre intermédiaire et un miroir diélectrique VCL pompés - VCL ayant un miroir à espace libre intermédiaire et un optiquement à 1550 nm miroir réalisé par croissance épitaxiale (GaAs/AIGaAs ou GaInAsP/InP) - VCL ayant un miroir en GaAs/AIGaAs avec fusion de plaquettes et un miroir en InP/GaInAsP - VCL ayant deux miroirs en GaAs/AIGaAs avec fusion de plaquettes - VCL ayant un miroir en GaAs/AIGaAs avec fusion de plaquettes et un miroir diélectrique - VCL ayant deux miroirs diélectriques -VCL ayant deux miroirs en GaAs/AlGaAs et une couche active en GaInNAs avec adaptation de réseaux Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir des dispositifs et des procédés dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. I - - 7- REVENDICATIONS 1. Laser à cavité verticale à grande longueur d'onde, caractérisé en ce qu'il comprend: un laser (20) à cavité verticale émettant par le dessus à courte longueur d'onde, et un laser (12) à émission en surface à cavité verticale pompé optiquement à grande longueur d'onde, disposé de façon à recouvrir ledit laser (20) à courte longueur d'onde et en communication optique avec ledit laser (20) à courte longueur d'onde. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit laser à grande longueur d'onde (12) possède une longueur d'onde de 1300 nm. 3. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit laser à courte longueur d'onde (20) possède une longueur d'onde de 850 nm. 4. Laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit laser à courte longueur d'onde (20) est un laser émettant par le dessus. 5. Laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit laser à courte longueur d'onde (20) possède une ouverture de courant à implantation d'hydrogène. 6. Laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit laser à courte longueur d'onde (20) possède une ouverture de courant à oxyde d'aluminium. 7. Laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit laser à courte longueur d'onde (20) comprend un laser du type mesa. 8. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit laser à grande longueur d'onde (12) possède une longueur d'onde de 1550 nm. 9. Laser selon la revendication 2 ou 8, caractérisé en ce que ledit laser à grande longueur d'onde (12) comporte deux miroirs à espace libre intermédiaire. 10. Laser selon la revendication 2 ou 8, caractérisé en ce que ledit laser à grande longueur d'onde (12) comporte un miroir à espace libre intermédiaire et un miroir diélectrique. 11. Laser selon la revendication 2 ou 8, caractérisé en ce que ledit laser à grande longueur d'onde (12) comporte deux miroirs en GaAs/A1GaAs avec fusion de plaquettes. T! I 12. Laser selon la revendication 2 ou 8, caractérisé en ce que ledit laser à grande longueur d'onde (12) comporte un miroir en GaAs/AlGaAs avec fusion de plaquettes et un miroir diélectrique. 13. Laser selon la revendication 2 ou 8, caractérisé en ce que ledit laser à grande longueur d'onde (12) comporte deux miroirs diélectriques. 14. Laser selon la revendication 2 ou 8, caractérisé en ce que ledit laser à grande longueur d'onde (12) comporte deux miroirs en GaAs/AIGaAs et une couche active en GaInNAs avec adaptation de réseaux. 15. Laser selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit laser à grande longueur d'onde (12) comporte un miroir à espace d'air intermédiaire et un miroir réalisé par croissance épitaxiale. 16. Laser selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit laser à grande longueur d'onde (12) comporte un miroir en GaAs/AIGaAs avec fusion de plaquettes et un miroir en InP/GaInAsP. 17. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite communication optique et la fixation entre lesdits lasers est assurée par une colle optiquement transparente. 18. Procédé de formation d'un laser à cavité verticale à grande longueur d'onde, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: on fournit un laser à cavité verticale émettant par le dessus à courte longueur d'onde et un laser à émission en surface à cavité verticale pompé optiquement à grande longueur d'onde; on positionne ledit laser à courte longueur d'onde suivant une relation de recouvrement avec ledit laser à grande longueur d'onde; on fait passer un courant électrique dans ledit laser à courte longueur d'onde afin de produire une émission de lumière; on fait passer la lumière émise dans un miroir inférieur dudit laser à grande longueur d'onde; et on stimule une émission à grande longueur d'onde de la part dudit laser à grande longueur d'onde via un miroir supérieur dudit laser à grande longueur d'onde. 19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'opération consistant à sélectionner le coefficient de réflexion des miroirs de façon que la lumière laser soit dirigée vers le haut via une ouverture ménagée dans ledit laser à courte longueur d'onde. 20. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que la lumière émise par ledit laser à courte longueur d'onde est absorbée dans une région active dudit laser à grande longueur d'onde. 1T -11 -