Brevet FR2792122A1 — publié le 20001013

La présente invention concerne les lasers à émission en surface à cavité verticale (VCSEL) et, plus particulièrement, un laser du type VCSEL possédant une structure de miroir configurée selon un certain motif ainsi qu'un procédé permettant de le fabriquer. Les lasers, et notamment les lasers à semiconducteur, sont largement utilisés comme émetteurs dans les système de transmission employant des fibres optiques. Les premiers types de lasers comportaient des lasers à émission par le bord, dans lesquels le faisceau laser sortait d'une face latérale de la cavité de Pérot-Fabry. Récemment, on a mis au point des lasers à émission en surface, et notamment des lasers à émission en surface à cavité verticale (lasers du type VCSEL) pour les utiliser dans ces systèmes de transmission employant des fibres optiques. Les lasers à émission en surface ont des avantages particuliers du point de vue de la fabrication, en ce qu'on peut utiliser des procédures de traitement de circuit intégré plus classiques. En outre, les lasers du type VCSEL peuvent être couplés à des fibres optiques de façon à donner de meilleures caractéristiques d'émission. Dans les applications de transmission optique à grande vitesse faisant intervenir des fibres multimodes, il a été établi que les conditions d'émission étaient très importantes en ce qui concerne le produit largeur de bande- distance (MHz-km). Par exemple, il a été déterminé que, pour des conditions d'émission optimales, 75 % du flux cumulé devait se trouver à l'intérieur d'un rayon de pm, et pas plus de 25 % du flux cumulé à l'intérieur d'un rayon de 5 nm. Dans un laser du type VCSEL classique, le diagramme de modes tend à être instable. Ceci est particulièrement vrai pour les lasers du type VCSEL dans lesquels l'ouverture de courant est formée par des techniques d'implantation de protons disponibles commercialement. Le diagramme de modes varie principale- ment en fonction du courant, mais d'autres paramètres, comme la température, sont également importants. Par conséquent, même si un émetteur a été soigneuse- ment optimisé au laboratoire, une variation du courant d'excitation ou de la température pourrait amener le dispositif à émettre suivant un autre profil de faisceau, donnant alors naissance à un plus petit produit largeur de bande- longueur, et, par conséquent, un taux d'erreur binaire supérieur dans le réseau de transmission. On a étudié plusieurs procédés dans le but d'améliorer la fiabilité des lasers du type VCSEL et, en particulier, des procédés visant à améliorer le profil de mode malgré les variations de courant et, ou bien, de température ci-dessus mentionnées. Ces procédés comprennent la tâche très laborieuse de trier les dispositifs du point de vue des profils de modes non voulus et de ne retenir que les dispositifs qui satisfont une exigence particulière. On a également utilisé la sélection de fibres optiques qui ne sont pas aussi sensibles à la variation des profils de modes provenant d'un laser du type VCSEL. Des procédés de commande des modes via une injection de courant ont également été discutés dans la technique antérieure. De ce point de vue, la demande de brevet britannique n 9802049.8, déposée le 31 janvier 1998 sous le titre "Vertical Cavity Surface Emitting Laser", qui a été cédée à la demanderesse, discute une technique d'ajustement de la structure de contacts de la surface d'émission visant à améliorer le profil de mode. Par conséquent, le besoin existe donc de produire un laser du type VCSEL ayant des caractéristiques améliorées en ce qui concerne le profil de mode. Ainsi, selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un laser à émission en surface à cavité verticale (laser du type VCSEL) comprenant: une première structure de miroir d'un premier type de conductivité; une couche active disposée sur la première structure de miroir; une deuxième structure de miroir d'un deuxième type de conductivité disposée sur la couche active; des contacts électriques avec les première et deuxième structures de miroirs; et une couche de miroir diélectrique disposée audessus d'une surface d'émission de la deuxième structure de miroir, o au moins l'un des miroirs est configuré suivant un certain motif. De préférence, le miroir configuré selon un certain motif comprend des régions choisies ayant des valeurs différentes de réflectivité visant ou bien à renforcer ou bien à réduire l'effet laser. Selon un deuxième aspect de l'invention, il est proposé un laser à émission en surface à cavité verticale (laser du type VCSEL) comprenant: une première structure de miroir d'un premier type de conductivité; une couche active disposée sur la première structure de miroir; une deuxième structure de miroir d'un deuxième type de conductivité disposée sur la couche active; des contacts électriques avec les première et deuxième structures de miroirs, les contacts disposés sur le deuxième miroir définissant une surface d'émission; et une couche diélectrique réfléchissante disposée sur une partie de la surface d'émission. Selon un troisième aspect de l'invention, il est proposé un procédé de préparation d'un laser à émission en surface à cavité verticale (laser du type VCSEL), qui possède une structure de miroir configurée suivant un certain motif, comprenant les opérations suivantes: fournir une première structure de miroir d'un premier type de conductivité; fournir une couche active disposée sur la première structure de miroir; fournir une deuxième structure de miroir d'un deuxième type de conductivité disposée sur la couche active; fournir des contacts électriques avec les première et deuxième structures de miroirs, le contact placé sur le deuxième miroir définissant une surface d'émission; et fournir une couche diélectrique réfléchissante configurée suivant un certain motif disposée sur au moins une partie de la surface d'émission. 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 les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure I est une vue en section droite d'un laser du type VCSEL selon un mode de réalisation de l'invention; et - la figure 2 est une vue de dessus du dispositif de la figure 1. Sur la figure 1, est présentée une vue simplifiée d'un laser du type VCSEL, montrant un miroir diélectrique configuré suivant un certain motif, selon l'invention. I faut comprendre que le substrat 1 a un premier type de conductivité, normalement le type n, sur lequel on a fait croître par épitaxie un premier miroir, typiquement un miroir de Bragg, 2. Dans cette structure, le miroir de Bragg 2 sera également un matériau de type de conductivité n. Le miroir de Bragg 2 comporte les habituelles couches de matériau semiconducteur, typiquement des composés mI-V, par exemple de l'arséniure de gallium et de l'arséniure d'aluminium dopés. Chacune des couches alternées a une épaisseur d'environ un quart de la longueur d'onde d'émission depuis la région active. La région active 3, qui comprend typiquement un ou plusieurs puits quantiques, avec une couche de confinement optique de part et d'autre, est formée par croissance épitaxiale sur le dessus du miroir de Bragg 2. Un deuxième miroir 4, qui est également un miroir de Bragg, lequel, dans cette structure, est un matériau de type de conductivité p, est formé par épitaxie de la même manière que le miroir de Bragg 2 et est réalisé par croissance sur le dessus de la région active 3. Des régions 7 de blocage de courant sont formées par implantation de protons de manière à confiner la circulation de courant dans la configuration voulue de la région active. Typiquement, la région active sera circulaire, bien que d'autres formes soient possibles. Un contact de type n est fourni avec le substrat, ou bien sur la face inférieure non représentée, ou bien sur une partie de dessus du substrat qui a été exposée après enlèvement des couches supérieures de la structure. De tels processus sont bien sûr connus dans la technique. Typiquement, on forme un contact de type p au-dessus de la partie supérieure du miroir de Bragg supérieur 4, comme indiqué en 5 sur la figure I. Ce contact est circulaire dans le mode de réalisation présenté à titre d'exemple sur la figure 2, mais on comprendra que d'autres configurations de contact sont envisagées selon l'invention. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on fait croître un miroir diélectrique 6 sur la surface supérieure du miroir de Bragg 4. Sur la figure 1, ce miroir diélectrique est représenté comme couvrant le bord périphérique de la surface d'émission de lumière, o la surface d'émission de lumière est la partie du miroir de Bragg non revêtue par le contact de type p. Il est également envisagé selon l'invention qu'une couche réfléchissante diélectrique 6 couvre la seule partie centrale de la surface d'émission. Comme représenté sur la figure 1, un deuxième revêtement, ou revêtement séparé, 8 couvre la partie centrale de la surface d'émission de lumière. Il faut comprendre que, si la partie réfléchissante 6 couvre la région centrale, alors le revêtement anti-réfléchissant 8 sera disposé au niveau de la partie périphérique de la surface d'émission de lumière. Les deux régions 6 et 8 ont des valeurs différentes de réflectivité. Selon un mode de réalisation de l'invention, la région 6 a une réflectivité théorique de 99,97 %, tandis que la région 8 a une valeur théorique de réflectivité de 99,37 %. Selon l'invention, la partie miroir réfléchissant 6, qui possède la plus haute valeur de réflectivité, agit en liaison avec les miroirs de Bragg 2 et 4 pour renforcer l'effet laser, tandis que la région 8, qui possède la réflectivité la plus basse, agit de façon à réduire la réflectivité globale de la structure et, par conséquent, à réduire dans une certaine mesure l'effet laser. Ainsi, en sélectionnant un motif particulier pour les couches 6 et 8, on peut ajuster le niveau de sortie optique et le profil de mode du signal de sortie laser. Il faut comprendre qu'il est possible d'omettre de la structure la couche 6 ou la couche 8, mais qu'au moins l'une de ces couches est nécessaire. On peut obtenir lesdites valeurs différentes de réflectivité pour les deux couches ou régions (6 et 8) en choisissant une composition appropriée pour le matériau diélectrique (SiNx) utilisé pour former les couches. Selon une autre possibilité, on peut obtenir le résultat voulu au moyen du procédé, plus facile à réaliser, qui consiste à utiliser des épaisseurs différentes d'une même composition diélectrique pour chaque couche ou région diélectrique. Naturellement, on peut également faire appel à une combinaison des procédés ci-dessus indiqués. En ajustant le motif du miroir réfléchissant, on peut configurer le laser de façon que l'émission n'ait lieu que dans la partie de la surface d'émission o le miroir possède la valeur la plus élevée de réflectivité. De cette manière, il est possible d'obtenir une lumière qui n'est émise que depuis la partie centrale du dispositif ou que depuis le bord du dispositif. Les miroirs diélectriques peuvent également être conçus pour donner un niveau optique qui est limité à celui des règlements dits de "sécurité pour les yeux", par exemple le laser de classe I (voir les normes IEC ou les règlements FDA). Il est également compris dans le domaine de l'invention d'obtenir une amélioration du profil de mode laser en utilisant, au lieu d'une variation de la réflectivité des miroirs diélectriques 6, 8, une variation du gain de l'un ou l'autre des miroirs de Bragg 2 et 4, par exemple par une implantation de protons localisée ou une oxydation sélective. Des techniques de recroissance épitaxiale et, ou bien, gravée visant à produire des miroirs de Bragg configurés selon un certain motif ont été discutées dans la technique antérieure. On pourra par exemple se reporter au brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 5 478 774, qui a été délivré le 26 décembre 1995 à Ackley et al. Les techniques selon l'invention peuvent être utilisées pour obtenir des dispositifs à un seul mode, ce qui constitue une application importante, o une gamme étroite de longueur d'onde ou une polarisation définie est nécessaire. Il est également possible, en définissant un motif non symétrique pour l'amélioration de la réflectivité d'obtenir au niveau de suppression de polarisation même si le dispositif n'est pas à un seul mode. Une configuration de mode changeante a été reconnue comme une source possible de bruit et d'instabilité dans les systèmes de transmission à grande vitesse utilisant des composants du type VCSEL. L'invention surmonte ces problèmes dans la mesure o une configuration de mode définie donne peu de place aux transitions entre modes. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir des dispositifs et de procédés dont la description vient d'être donnée simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Laser à émission en surface à cavité verticale (VCSEL), caractérisé en ce qu'il comprend: une première structure de miroir (1) d'un premier type de conductivité; une couche active (3) disposée sur ladite première structure de miroir; une deuxième structure de miroir (2) d'un deuxième type de conductivité disposée sur ladite couche active; des contacts électriques (5) avec lesdites première et deuxième structures de miroirs; et une couche de miroir diélectrique (6; 8) disposée sur une surface d'émission de ladite deuxième structure de miroir, o au moins l'un desdits miroirs est configuré suivant un certain motif. 2. Laser du type VCSEL selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un miroir configuré suivant un certain motif comporte des régions ayant des valeurs différentes de réflectivité. 3. Laser à émission en surface à cavité verticale (VCSEL), caractérisé en ce qu'il comprend: une première structure de miroir (1) d'un premier type de conductivité; une couche active (3) disposée sur ladite première structure de miroir; une deuxième structure de miroir (2) d'un deuxième type de conductivité disposée sur ladite couche active; des contacts électriques (5) avec lesdites première et deuxième structures de miroirs, ledit contact disposé sur ledit deuxième miroir définissant une surface d'émission; et une couche diélectrique réfléchissante (6; 8) disposée sur une partie de ladite surface d'émission. 4. Laser du type VCSEL selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite couche diélectrique réfléchissante (6; 8) possède une première valeur de réflectivité qui renforce l'effet laser. 5. Laser du type VCSEL selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite couche diélectrique réfléchissante (6; 8) est placée sur une partie centrale de ladite surface d'émission. 6. Laser du type VCSEL selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite couche diélectrique réfléchissante (6; 8) se trouve sur une partie périphérique de ladite surface d'émission. 7. Laser du type VCSEL selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite couche diélectrique réfléchissante (6; 8) possède une deuxième valeur de réflectivité qui réduit l'effet laser. 8. Laser du type VCSEL selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite couche diélectrique réfléchissante (6; 8) est composée d'une partie miroir réfléchissant (6) possédant une première valeur de réflectivité et d'une partie revêtement anti-réfléchissant (8) ayant une deuxième valeur de réflectivité. 9. Laser du type VCSEL selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite couche diélectrique réfléchissante (6; 8) composée de ladite partie miroir (6) et de ladite partie revêtement anti-réfléchissant (8) couvre toute la surface d'émission. 10. Laser du type VCSEL selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite partie miroir réfléchissant (6; 8) renforce l'effet laser et ladite partie revêtement anti-réfléchissant réduit l'effet laser. 1 1. Laser du type VCSEL selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite partie miroir réfléchissant (6; 8) est disposée au centre de ladite surface d'émission et ladite partie revêtement anti-réfléchissant se trouve sur le reste de la surface d'émission. 12. Laser du type VCSEL selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite partie miroir réfléchissant (6) est disposée périphériquement sur ladite surface d'émission et ladite partie revêtement anti- réfléchissant (8) est disposée centralement sur ladite surface d'émission. 13. Laser du type VCSEL selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite première valeur de réflectivité est supérieure à ladite deuxième valeur de réflectivité. 14. Laser du type VCSEL selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite partie miroir réfléchissant (6) possède une valeur théorique de réflectivité d'environ 99,97 % et ladite partie revêtement antiréfléchissant (8) possède une valeur théorique de réflectivité d'environ 99,37 %. 15. Procédé de préparation d'un laser à émission en surface à cavité verticale (VCSEL), qui possède une structure de miroir configurée suivant un certain motif, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: fournir une première structure de miroir d'un premier type de conductivité; fournir une couche active disposée sur ladite première structure de miroir; fournir une deuxième structure de miroir d'un deuxième type de conductivité disposée sur ladite couche active; fournir des contacts électriques avec lesdites première et deuxième structures de miroirs, ledit contact disposé sur ledit deuxième miroir définissant une surface d'émission; et fournir une couche diélectrique réfléchissante configurée suivant un certain motif disposée sur au moins une partie de ladite surface d'émission. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que ladite couche diélectrique réfléchissante est composée d'une partie miroir réfléchissant disposé sur une partie de ladite surface d'émission o l'effet laser doit être renforcé. 17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que ladite couche diélectrique réfléchissante est un revêtement anti-réfléchissant disposé sur une partie de ladite surface d'émission o l'effet laser doit être réduit. 18. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que ladite couche diélectrique réfléchissante est composée d'une partie miroir réfléchissant qui possède une première valeur de réflectivité et d'une partie revêtement anti- réfléchissant possédant une deuxième valeur de réflectivité. 19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que ladite première valeur de réflectivité est supérieure à ladite deuxième valeur de réflectivité. 20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que lesdites valeurs différentes de réflectivité s'obtiennent par utilisation de matériaux diélectriques différents. 21. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que lesdites valeurs différentes de réflectivité s'obtiennent par utilisation d'épaisseurs différentes de matériau diélectrique. 22. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que lesdites valeurs différentes de réflectivité s'obtiennent par une oxydation sélective. 23. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que lesdites valeurs différentes de réflectivité s'obtiennent par une implantation de protons localisée sélective.