Brevet FR2813450A1 — publié le 20020301

AMPLIFICATEUR OPTIQUE EN SEMI-CONDUCTEUR La présente invention concerne l'amplification de signaux optiques. Elle trouve typiquement application dans les réseaux de télécommunications à fibres optiques. Les signaux transmis par ces réseaux sont constitués d'impulsions portant sous forme binaire une information à transmettre. Ces impulsions doivent être amplifiées pour compenser des pertes de puissance qu'elles subissent au cours de leur propagation dans ces réseaux. Les amplificateurs à semi-conducteurs constituent un moyen peu encombrant et intégrable pour réaliser cette amplification. Cependant, en l'absence de dispositions particulières, leur gain est sensible à l'état de polarisation de la lumière qu'ils reçoivent, ce qui sera plus simplement indiquée ci-après en mentionnant la sensibilité d'un amplificateur à la polarisation. Cette invention trouve alors plus particulièrement application dans le cas où il convient de supprimer ou du moins de limiter cette sensibilité, qui peut s'exprimer par l'équation suivante : OG=GTE-GTM. On cherche à atteindre IAGI Le cas où la sensibilité doit être limitée ou supprimée est fréquent et apparaît, d'une part lorsque la distance parcourue par les impulsions optiques à amplifier est telle que l'état de polarisation de ces impulsions a été affecté d'une manière importante et aléatoire au cours de leur propagation et, d'autre part lorsqu'il est préférable que les impulsions amplifiées présentent un ou plusieurs niveaux de puissance prédéterminés. De manière plus générale cette invention trouve une application chaque fois que la sensibilité d'un amplificateur optique à la polarisation doit être nulle ou limitée. L'invention s'applique plus spécifiquement à des amplificateurs dits à ruban enterré , connu sous le terme de BRS (pour Burried Ridge Structure en anglais). On sait qu'un tel amplificateur optique à semiconducteur (dont une illustration est donnée sur la figure 1) comporte une plaquette 2 constituée de couches de matériaux semi-conducteurs ayant des indices de réfraction respectifs et formant un réseau cristallin commun. En l'absence de contraintes mécaniques, des réseaux formés respectivement par ces matériaux ont des dimensions caractéristiques constituant des mailles respectives de ces matériaux. Ces couches se succèdent selon une direction verticale DV formant un trièdre trirectangle avec deux directions horizontales constituant une direction longitudinale DL et une direction transversale DT, ces directions étant définies par rapport à cette plaquette 2. Ces couches forment une succession dans un sens ascendant de la direction verticale DV d'une face inférieure 4 à une face supérieure 6. Cette plaquette 2 comporte au moins les couches ou groupes de couches ou partie de couche suivants - Un substrat 8 constitué majoritairement d'un matériau de base semi-conducteur ayant un premier type de conductivité. Ce substrat présente une épaisseur suffisante pour imposer les dimensions de la maille du matériau de base à tout le réseau cristallin de la plaquette 2. - Une couche active 10 incluant un matériau actif apte à amplifier une lumière par recombinaison stimulée de porteurs de charges des deux types injectés dans ce matériau. - Une structure active guidante enterrée 12 réalisée dans la couche active 10 et présentant un indice de réfraction plus grand que celui des matériaux environnants 14, 16. Cette structure active 12 s'étend selon la direction longitudinale DL pour guider ladite lumière selon cette direction. Elle présente une largeur 1 et une épaisseur e respectivement transversale et verticale. - Enfin une couche de confinement supérieure 18 constituée d'un matériau ayant un deuxième type de conductivité opposé au premier. Cet amplificateur comporte en outre une électrode inférieure 20 et une électrode supérieure 22 respectivement formées sur la face inférieure 4 et la face supérieure 6 de la plaquette 2 pour permettre de faire passer entre ces faces un courant électrique injectant lesdits porteurs de charge des deux types dans le matériau actif 10. Les matériaux de base des amplificateurs optiques à semi-conducteurs connus sont du type III-V. Ce sont typiquement le phosphure d'indium et l'arséniure de gallium. Leur matériau actif est typiquement un matériau ternaire ou quaternaire constitué avec les mêmes éléments chimiques. I1 est généralement souhaité que la largeur 1 de la structure active guidante 12 qui guide la lumières soit voisine d'un micromètre pour faciliter sa formation par gravure et surtout pour faciliter l'intégration de l'amplificateur avec d'autres composants optiques sur une même plaquette semi-conductrice. L'épaisseur e doit alors être très inférieure à cette largeur 1 pour assurer un guidage mononodal de la lumière dont la longueur d'onde est typiquement 1310 ou 1550 nm. En l'absence de dispositions particulières, c'est cette forme rectangulaire de la section de la structure active guidante 12 qui tend à entraîner la sensibilité à la polarisation précédemment mentionnée. Dans les amplificateurs à ruban enterré, ou BRS, le matériau actif 10 constituant la structure active 12 guidant la lumière est entouré de toutes parts par un matériau semi-conducteur binaire. Ce dernier présente l'avantage de bien conduire la chaleur mais son indice de réfraction n'est que légèrement inférieur à celui du matériau actif. On considère en outre le cas où le matériau actif est homogène et est alors dit massique (ou bulk material en anglais). En général, la section de la structure active guidante enterrée 12 est fortement rectangulaire. Compte tenu de la faible différence d'indice entre cette structure guidante 12 et le matériau binaire environnant le confinement d'une onde à polarisation horizontale est supérieur à celui d'une onde à polarisation verticale, la différence entre ces deux confinements étant d'autant plus grande que le rapport de la largeur 1 à l'épaisseur e de la structure guidante 12 est grand. Le confinement mentionné ici à propos d'une onde est considéré dans un plan transversal. I1 est égal au rapport de la puissance de cette onde transitant dans l'aire occupée par la structure guidante 12 à la puissance totale de cette onde. Le confinement est défini pour chaque polarisation et pour chaque longueur d'onde par la forme et les dimensions de la section de la structure active guidante 12 et par les indices de réfraction du matériau de cette structure 12 et des matériaux environnants 14, 16, 8 et 18. Dans le cas d'une section rectangulaire il peut être considéré comme étant le produit d'un confinement directionnel selon la direction horizontale par un confinement directionnel selon la direction verticale, chacun de ces deux confinements directionnels dépendant de la polarisation. Compte tenu du fait que le phénomène d'amplification de l'onde par recombinaison de porteurs et émission stimulée n'est réalisée que dans le matériau actif, c'est à dire dans la structure 12, le gain de l'amplificateur pour une onde est d'autant plus grand que le confinement de cette onde est plus grand. I1 est résulte que, si le matériau de la structure guidante 12 était un matériau homogène, et de plus isotrope, donc insensible à la polarisation, le gain de l'amplificateur serait plus grand pour les ondes à polarisation horizontale et que pour celles à polarisation verticale. Plusieurs recherches ont été effectuées dans l'art antérieur pour rendre ces amplificateurs insensibles à la polarisation de la lumière à amplifier. En particulier, le brevet américain US 5 982 531, du déposant, propose un tel amplificateur rendu insensible à la polarisation de la lumière. Cet amplificateur est caractérisé par le fait que son matériau actif 10 est soumis à une contrainte de tension suffisante pour rendre son gain insensible à la polarisation de ladite lumière à amplifier. Cette contrainte résulte généralement d'un désaccord de maille entre le matériau actif 10 et le matériau de base du substrat 8. Typiquement le confinement horizontal est égal au produit du confinement vertical par un coefficient de dissymétrie de confinement. Cette demande de brevet est basée sur l'observation que, même en présence d'un coefficient de dissymétrie de confinement élevé résultant, par exemple, du fait que la structure guidante 12 est constituée par un ruban à section fortement rectangulaire, la contrainte de tension à appliquer à un matériau actif homogène formant cette structure pour obtenir l'insensibilité à la polarisation est suffisamment faible pour que l'épaisseur de cette structure reste inférieure à l'épaisseur critique correspondante relative aux dislocations. Un tel amplificateur présente une faible sensibilité à la polarisation. Les principaux paramètres d'un tel amplificateur sont - longueur d'onde de la couche active amplificatrice : ;,=1,57 4un, - matériau actif : Inl_,Ga,Pl_yAsy - contrainte en tension de la couche active Aa/a=-0,015 - épaisseur de la structure guidante : e = 0,2 um - largeur de la structure guidante : 1 = lpun Une telle structure présente néanmoins des inconvénients. I1 a en effet été établit, expérimentalement et théoriquement, que la polarisation dépendait fortement du contrôle de l'épaisseur de la couche active ainsi que des contraintes auxquelles elle est soumise. Par exemple, une modification de cette contrainte (Da/a) de -0,015 à -0,014 ou -0,016 induit un décalage du gain AG de O,8dB vers une sensibilité respective du mode TE ou du mode TM. De même, une légère modification de quelques pourcents de l'épaisseur de la structure active guidante induit directement un décalage du gain OG de l'amplificateur. Ainsi, la sensibilité à la polarisation de la lumière de l'amplificateur dépend de sa structure et ne peut pas être facilement contrôlée. L'objet de la présente invention est de résoudre les inconvénients de la technologie proposée le brevet précité US 5 982 531. L'invention part du constat, théorique et expérimental, que la sensibilité d'un amplificateur optique en semi-conducteur à la polarisation de la lumière à amplifier ne dépend pas uniquement de la géométrie de la structure active guidante et des contraintes internes auxquelles elle peut être soumise (telle q'un désaccord de maille), mais également des contraintes extérieures appliquées à cette structure active guidante, par exemple lors de l'implémentation ou de l'utilisation du composant optique. A cet effet, l'invention propose d'appliquer au composant amplificateur une contrainte externe induite à proximité de la structure active guidante, seule ou en combinaison avec les effets d'une contrainte interne de tension dépendant de la structure épitaxiale de la couche active comme cela a été développé dans l'art antérieur. La contrainte externe peut être paramétrée de manière à obtenir une contrainte globale de la structure active guidante qui rend le gain de l'amplificateur optique insensible à la polarisation de la lumière à amplifier. L'invention concerne plus particulièrement un amplificateur optique à semi-conducteur comportant une structure active guidante enterrée, caractérisé en ce qu'une contrainte extérieure est appliquée à ladite structure active guidante de manière à ce qu'elle soit soumise à une contrainte globale qui rend le gain dudit amplificateur insensible à la polarisation de la lumière à amplifier, ladite contrainte extérieure provenant d'une force induite par un dépôt d'un matériau contre un ruban encadrant ladite structure active guidante. Selon une caractéristique, le ruban encadrant la structure active guidante présente une profondeur comprise entre 1 et 4 pm. Selon une autre caractéristique, le ruban encadrant la structure active guidante présente une largeur comprise entre 4 et 6 um. Selon une autre caractéristique, le matériau déposé sur le ruban encadrant la structure active est un oxyde. Selon un mode de réalisation, le matériau déposé est du Si0Z pour une contrainte extérieure en compression. Selon un autre mode de réalisation, le matériau déposé est du Si3N4 pour une contrainte extérieure en tension. Selon une caractéristique, l'épaisseur du matériau déposé contre le ruban encadrant la structure active est comprise entre 0.1 et 0.5 um. Selon une application, la structure active guidante est soumise à une contrainte interne due à un désaccord de maille du matériau semi-conducteur, la contrainte externe étant une contrainte supplémentaire à cette contrainte interne. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un amplificateur optique en semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - réalisation d'un amplificateur optique en semi-conducteur à structure active guidante enterrée, - gravure d'un ruban encadrant ladite structure active guidante, - dépôt d'un oxyde sur les contours du ruban gravé, - réalisation d'une électrode. L'amplificateur optique selon l'invention permet d'atteindre une sensibilité à la polarisation de la lumière inférieure ou égale à 1 dB. Le procédé de gravure du ruban encadrant la structure active guidante peut être réalisé à la fin du procédé de fabrication de l'amplificateur optique, selon des techniques connues et faciles à mettre en ceuvre. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui suit donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et faite en référence aux figures dans lesquelles: - La figure 1, déjà décrite, est un schéma d'un amplificateur optique en semiconducteur à ruban enterré selon l'art antérieur. - La figure 2, est un schéma d'un amplificateur optique en semi-conducteur soumis à une contrainte externe selon l'invention. - Les figures 3a à 3d illustrent schématiquement les étapes de réalisation de l'amplificateur optique selon l'invention. La description qui suit fait référence à la figure 2 et aux figures 3a à 3d. L'amplificateur optique selon l'invention présente une structure analogue à celle décrite en référence à l'art antérieur et à la figure 1. Les mêmes références seront utilisées pour désigner les mêmes éléments. Le procédé de fabrication d'un tel amplificateur comporte donc les mêmes étapes consistant à réaliser un amplificateur à structure active guidante 12 enterrée. Selon une première application, la structure active guidante 12 peut être soumise à une contrainte interne due à un désaccord de maille du matériau semiconducteur, tel que cela a été décrit en référence au brevet US 5 982 531. L'invention consiste alors à compléter ou à compenser cette contrainte interne par une contrainte externe appliquée à la structure active guidante 12 de manière à ce qu'elle soit soumise à une contrainte globale qui rend le gain de l'amplificateur insensible à la polarisation de la lumière à amplifier. Selon une autre application, aucune contrainte interne n'a été appliquée à la structure active guidante 12 lors de l'épitaxie de la couche active 10, et l'invention consiste alors à appliquer une contrainte externe à la structure active guidante 12 de manière à ce qu'elle soit soumise à une contrainte globale qui rend le gain de l'amplificateur insensible à la polarisation de la lumière à amplifier. Dans un cas comme dans l'autre, la contrainte externe provient d'une force induite par un dépôt d'un matériau 50 contre un ruban 15 encadrant la structure active guidante 12. Le ruban 15 encadrant la structure active guidante 12 est gravé selon une quelconque technique connue de l'art antérieur. Par exemple, par une gravure sèche à travers un masque 17, en Si02 par exemple, déposé sur la couche de confinement 18 de l'amplificateur. Préférentiellement, le ruban 15 présente une profondeur comprise entre 1 et 4 um et une largeur comprise entre 4 et 6 um. En général, la structure active guidante 12 enterrée présente une largeur de 2 um environ et se situe à une profondeur de la face supérieure 6 du composant comprise entre 2 et 4 um (pour un composant d'environ 100 um d'épaisseur en incluant le substrat 8). Le ruban 15 encadre donc bien la structure active guidante 12 et les forces exercées sur ce ruban 15 se répercuteront sur la structure active 12 pour induire un effet sur le gain global et la sensibilité de l'amplificateur à la polarisation de la lumière à amplifier. Préférentiellement, le matériau 50 déposé contre le ruban 15 encadrant la structure active 12 est un oxyde. Par exemple, du Si02 pour une contrainte extérieure en compression (traits pointillés de la figure 3c) ou du Si3N4 pour une contrainte extérieure en tension (traits pleins de la figure 3c). L'épaisseur de ce matériau 50 est avantageusement comprise entre 0.1 et 0.5 um. Les paramètres permettant d'ajuster la contrainte extérieure sur le ruban 15 encadrant la structure active guidante 12 de l'amplificateur sont essentiellement la largeur et profondeur de la gravure du ruban 15, la nature du matériau déposé 50 et son épaisseur. Une électrode 22 est ensuite réalisée sur la face supérieure 6 du composant optique, par exemple en ouvrant le dépôt d'oxyde 50 sur le dessus de la structure active 12 pour y déposer une métallisation. Eventuellement, la métallisation peut être déposée sur l'ouverture de l'électrode 22 et par-dessus le matériau 50 de contrainte extérieure. REVENDICATIONS 1. Amplificateur optique en semi-conducteur comportant une structure active guidante enterrée (12), caractérisé en ce que la structure active guidante (12) est soumise à une contrainte extérieure de manière rendre le gain dudit amplificateur insensible à la polarisation de la lumière à amplifier, ladite contrainte extérieure provenant d'une force induite par un dépôt d'un matériau (50) contre un ruban (15) encadrant ladite structure active guidante (12). 2. Amplificateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ruban (15) encadrant la structure active guidante (12) présente une profondeur comprise entre 1 et 4 un. 3. Amplificateur optique selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le ruban (15) encadrant la structure active guidante (12) présente une largeur comprise entre 4 et 6 um. 4. Amplificateur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau (50) déposé contre le ruban (15) encadrant la structure active (12) est un oxyde. 5. Amplificateur optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau déposé (50) est du Si02 pour une contrainte extérieure en compression. 6. Amplificateur optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau déposé (50) est du Si3Na pour une contrainte extérieure en tension. 7. Amplificateur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur du matériau (50) déposé contre le ruban (15) encadrant la structure active (12) est comprise entre 0.1 et 0.5 um. 8. Amplificateur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure active guidante (12) est soumise à une contrainte interne due à un désaccord de maille du matériau semi-conducteur, la contrainte externe étant une contrainte supplémentaire à cette contrainte interne. 9. Procédé de fabrication d'un amplificateur optique en semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - réalisation d'un amplificateur optique en semi-conducteur à structure active guidante (12) enterrée, - gravure d'un ruban (15) encadrant ladite structure active guidante (12), - dépôt d'un oxyde (50) sur les contours du ruban gravé (15), - réalisation d'une électrode (22).