Brevet FR2813448A1 — publié le 20020301

AMPLIFICATEUR OPTIQUE A 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 : AG=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 guidante 12 comportant au moins un ruban enterré présentant un indice de réfraction plus grand que celui de matériaux environnants. Le ruban 12 s'étend selon la direction longitudinale DL pour guider ladite lumière selon cette direction. Ce ruban 12 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. 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 du ruban 12 qui guide la lumières soit voisine d'un micromètre pour faciliter la formation de ce ruban par gravure et surtout pour faciliter l'intégration de l'amplificateur avec d'autres composants optiques sur une même plaquette semiconductrice. L'épaisseur e doit alors être très inférieure à cette largeur 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 du ruban 12 qui tend à entraîner la sensibilité à la polarisation précédemment mentionnée. Dans les amplificateurs à ruban enterré, ou BRS, le matériau actif constituant le ruban 12 guidant la lumière est entouré de toutes parts par un matériau semi-conducteur binaire 14, 16. 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 du ruban enterré 12 est fortement rectangulaire. Compte tenu de la faible différence d'indice entre ce ruban 12 et le matériau binaire environnant 14, 16. 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 du ruban est grand. Le confinement mentionné ici à propos d'une onde est considéré dans un plan transversal. Il est égal au rapport de la puissance de cette onde transitant dans l'aire occupée par le ruban 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 du ruban et par les indices de réfraction du matériau de ce ruban et du matériau environnant. Dans le cas d'une section de ruban 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 le ruban 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 du ruban 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 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 et le matériau de base. 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 est constituée par un ruban à section fortement rectangulaire, la contrainte de tension à appliquer à un matériau actif homogène formant ce ruban pour obtenir l'insensibilité à la polarisation est suffisamment faible pour que l'épaisseur de ce ruban 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 : k=1,57 N.m, - matériau actif : In,-,Ga,Pl-yAsy - contrainte en tension de la couche active Aa/a=-0, 015 - épaisseur de la couche active : e = 0,2 gm - largeur de ruban 1 = l@m Une telle structure présente néanmoins des inconvénients. il a en effet été établi, 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 (Aa/a) de -0,015 à 0,014 ou -0,016 induit un décalage du gain OG de 0,8dB vers une sensibilité respective du mode TE ou du mode TM. De même, une légère modification de quelques pourcents de l'épaisseur de la couche active induit directement un décalage du gain AG de l'ampli. 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 dans le brevet précité US 5 982 531. A cet effet, la présente invention propose une structure telle que la sensibilité à la polarisation du gain global AG de l'amplificateur soit contrôlée facilement par courant pour un ajustement de cette sensibilité dite active L'amplificateur optique selon l'invention présente ainsi au moins deux sections distinctes munies chacune d'une électrode, chaque section présentant une géométrie et/ou une contrainte en tension différentes de manière à favoriser respectivement un gain plus élevé du mode TE et du mode TM. Une telle structure à deux sections a déjà été proposée, en particulier dans la demande de brevet japonais JP 10154841. Cette demande de brevet explore une solution consistant à faire varier l'épaisseur de la couche active d'une section à l'autre de manière à influer sur le gain en favorisant respectivement le mode TE avec une faible épaisseur puis le mode TM avec une épaisseur plus importante. Par un ajustement des courants injectés sur chaque électrode de chaque section, les gains des deux sections peuvent être ajustés de manière à obtenir un amplificateur indépendant de la polarisation. Néanmoins, la solution proposée par cette demande de brevet japonais présente des inconvénients, en particulier sur le plan de la réalisation technique. D'une part, la transition entre les deux sections est abrupte ce qui induit une modification non adiabatique des tailles des modes se propageant dans la couche active et provoque une réflexion des ondes lumineuses au niveau de cette transition. Or, les réflexions dans un SOA ne sont pas acceptables. D'autre part, la réalisation d'une telle structure nécessite une étape de gravure de la couche active qui doit être parfaitement contrôlée ainsi qu'une étape de croissance épitaxiale après cette gravure. Or, une gravure bien contrôlée nécessite une gravure sèche suivie d'une gravure chimique. Une telle technique est généralement évitée sur des matériaux actifs car elle induit des effets de recombinaison en surface qui nuisent à la qualité de la couche active. En outre, l'étape de recroissance est particulièrement délicate sur une couche active fine. La présente invention cherche à résoudre ces inconvénients en proposant une autre structure à deux sections favorisant respectivement un gain plus élevé du mode TE et du mode TM pour un ajustement actif . La structure proposée par l'invention consiste à réaliser deux sections comportant une couche active de même épaisseur, mais soumises à des contraintes de tensions différentes et/ou présentant des géométries différentes, tout en conservant une continuité des indices effectifs de réfraction de la couche active dans les deux sections pour une transition adiabatique ou sans saut d'indice. La présente invention concerne plus particulièrement un amplificateur optique à semiconducteur comportant au moins deux sections amplificatrices favorisant chacune, respectivement, un gain plus élevé du mode TE et du mode TM de polarisation de la lumière à amplifier, lesdites section comprenant chacune une structure active guidante présentant la même épaisseur, caractérisé en ce que la structure active guidante des deux sections est respectivement soumise à des contraintes de tension différentes et/ou présente une géométrie différente de manière à rendre le gain global de l'amplificateur insensible à la polarisation de ladite lumière à amplifier, et en ce que la transition entre les différentes sections présente une continuité des indices effectifs de réfraction. Selon un premier mode de réalisation, la structure active guidante des différentes sections présente une largeur respective différente. Selon un deuxième mode de réalisation, la structure active guidante d'au moins une des sections présente une courbure. Selon un troisième mode de réalisation, la structure active guidante des différentes sections est soumise à des contraintes de tension respectives différentes. Selon une particularité du troisième mode de réalisation, la structure active guidante est composée d'un matériau présentant des rapports stoechiométriques différents entre les éléments composant ledit matériau pour les différentes sections. Selon une caractéristique, le matériau des structures actives guidantes est constitué d'un matériau quaternaire. Selon une particularité, le matériau quaternaire est de l'InGaAsP. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui suit, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et faite en référence aux figures annexées dans lesquelles - La figure 1, déjà décrite, illustre schématiquement un amplificateur à ruban enterré réalisé selon l'art antérieur ; - La figure 2 est une vue schématique de dessus d'un amplificateur selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - La figure 3 est une vue schématique de dessus d'un amplificateur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - La figure 4 est une vue schématique de dessus d'un amplificateur selon un troisième mode de réalisation de l'invention. L'invention consiste à réaliser un amplificateur optique dont le gain est indépendant de la polarisation de la lumière à amplifier. Selon l'invention, l'amplificateur comporte deux sections amplificatrices 30 et 40 favorisant chacune, respectivement, un gain plus élevé du mode TE et du mode TM de polarisation de la lumière à amplifier, chaque section 30 et 40 étant respectivement commandée par une électrode distincte 23 et 24. Ainsi, par un ajustement dit actif au moyen du courant injecté sur chaque électrode 23 et 24, il est possible de favoriser l'un ou l'autre mode de polarisation de la lumière à amplifier afin de rendre le gain global de l'amplificateur insensible à cette polarisation. Le courant appliqué doit être suffisant pour éviter les nuisances dues au bruit, sans être trop élevé, ce qui diminuerai les effets de la commande électrique sur la polarisation de la lumière. Selon une particularité de l'invention, l'amplificateur comporte une unique structure active guidante 12 constituée d'un ruban gravé et enterré. Ce ruban 12 est commun aux différentes sections 30 et 40 et présente la même épaisseur partout. Préférentiellement, le matériau constituant la structure active guidante est un matériau quaternaire tel que de l'InGaAsP par exemple. La structure active guidante 12 présente néanmoins des particularités propres à chaque section 30 et 40 permettant de favoriser l'un et l'autre mode de polarisation de la lumière à amplifier. Selon un premier mode de réalisation, illustré sur la figure 2, la structure active guidante 12 présente une largeur différente 11, 12 pour chaque section 30 et 40. Le confinement de la portion de ruban la plus large favorisera le mode de propagation TE alors que le confinement de la portion de ruban la plus étroite favorisera le mode de propagation TM. Un tel ruban 12 est aisément réalisable par gravure avec un masque adapté qui définie les largeurs respectives de chaque section 30 et 40. Selon des exemples de modes de mise en #uvre, la largeur 11 de la structure active guidante 12 de la section 30 favorisant un gain plus élevé du mode TE est comprise entre 0.8 et 1.2 gm, et la largeur 12 de la structure active guidante 12 de la section 40 favorisant un gain plus élevé du mode TM est comprise entre 0.6 et 1.0 um, avec la condition 11>12 toujours remplie. Cette différence de largeur du ruban actif 12, contrairement à une différence d'épaisseur, permet une transition adiabatique des modes entre les deux sections 30 et 40, ce qui élimine les risques de réflexion des ondes lumineuses. Selon un deuxième mode de réalisation, illustré sur la figure 3, la structure active guidante 12 présente une courbure 13 sur la section 30 favorisant le mode TE de propagation de la lumière à amplifier. Comme précédemment, le matériau de la structure active guidante est le même sur les deux sections 30 et 40, ainsi que son confinement. La section courbe 13 du ruban 12 va favoriser le mode TE de propagation de la lumière alors que les sections droites vont favoriser le mode TM (de par la nature du matériau constituant le ruban). Les sections à ruban droit 40 sont séparées par la section courbe 13, dans l'exemple illustré, mais sont électriquement reliées par des électrodes 24, 24' connectées entre elles. Un tel ruban 12 avec une courbure 13 est aisément réalisable par gravure avec un masque adapté. Là encore, on obtient une transition adiabatique des modes entre les deux sections 30 et 40, ce qui élimine les risques de réflexion des ondes lumineuses. Selon un troisième mode de réalisation, illustré sur la figure 4, la structure active guidante 12 est soumise à des contraintes de tension respectives différentes sur les différentes sections 30 et 40. La structure active guidante 12 est composée d'un matériau quaternaire. La différence de contrainte de tension entre les deux sections 30 et 40 est obtenue par une différence entre les rapports stoechiométriques des éléments constituant le matériau de ladite structure active 12. L'utilisation d'un même matériau (InGaAsP) permet d'éviter les sauts d'indice d'une section à l'autre et par conséquent les réflexions d'ondes lumineuses entre ces sections 30 et 40. C'est la composition de ce matériau qui varie. Ainsi, pour une longueur d'onde donnée ;, de la lumière à amplifier (1.5 p.m, par exemple), plusieurs couples (x, y) sont possibles pour donner des tensions de mailles différentes du matériau Inl_xGaxAsl_yPy sur chaque section. Le ruban 12 est réalisé par une double épitaxie pour chaque section selon la technique connue et maîtrisée du butt-coupling . Les trois modes de réalisation décrits ne sont pas limitatifs, et en particulier, ils peuvent être combinés entre eux sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Amplificateur optique à semi-conducteur comportant au moins deux sections amplificatrices (30, 40) favorisant chacune, respectivement, un gain plus élevé du mode TE et du mode TM de polarisation de la lumière à amplifier, lesdites section comprenant chacune une structure active guidante (12) présentant la même épaisseur (e), caractérisé en ce que la structure active guidante (12) des deux sections (30, 40) est respectivement soumise à des contraintes de tension différentes et/ou présente une géométrie différente de manière à rendre le gain global de l'amplificateur insensible à la polarisation de ladite lumière à amplifier, et en ce que la transition entre les différentes sections (30, 40) présente une continuité des indices effectifs de réfraction. 2. Amplificateur optique à semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure active guidante (12) des différentes sections (30, 40) présente une largeur respective différente (11, 12)- 3. Amplificateur optique à semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure active guidante (12) d'au moins une des sections (30) présente une courbure (13). 4. Amplificateur optique à semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure active guidante (12) des différentes sections (30, 40) est soumise à des contraintes de tension respectives différentes. 5. Amplificateur optique à semi-conducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la largeur (11) de la structure active guidante (12) de la section (30) favorisant un gain plus élevé du mode TE est comprise entre 0.8 et 1.2 um. 6. Amplificateur optique à semi-conducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la largeur (12) de la structure active guidante (12) de la section (40) favorisant un gain plus élevé du mode TM est comprise entre 0.6 et 1.0 jun. 7. Amplificateur optique à semi-conducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la structure active guidante (12) est composée d'un matériau présentant des rapports stoechiométriques différents entre les éléments composant ledit matériau pour les différentes sections (30, 40). 8. Amplificateur optique à semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau des structures actives guidantes (12) est constitué d'un matériau quaternaire. 9. Amplificateur optique à semi-conducteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau quaternaire est de l'InGaAsP.