Brevet FR2820517A1 — publié le 20020809

ABSORBANT OPTIQUE SATURABLE ET APPLICATION A LA REGENERATION D'UN SIGNAL MULTIPLEXE EN LONGUEUR D'ONDE. L'invention concerne un absorbant optique saturable et son application à la régénération d'un signal multiplexé en longueur d'onde. Un absorbant optique saturable est un dispositif optique constitué d'un matériau apte à absorber un signal optique de faible puissance, mais transparent aux signaux de puissance lumineuse élevée. Le matériau d'un absorbant saturable est d'autant plus transparent pour un faisceau lumineux que la puissance de ce faisceau est élevée. Un exemple d'utilisation d'un absorbant saturable est l'atténuation du bruit parasite présent entre les impulsions d'un signal optique modulé en puissance. Dans le cas de signaux optiques multiplexés en longueur d'onde le signal de chaque canal est modulé en puissance. Lorsqu'une impulsion de puissance optique est reçue par un absorbant saturable, ce dernier devient transparent et laisse passer l'impulsion. En revanche, pour le bruit parasite présent entre les impulsions, l'absorbant saturable devient absorbant et atténue ce bruit. On peut utiliser un absorbant saturable pour la régénération de signaux multiplexés en longueur d'ondes. Cependant, le matériau constituant les absorbants saturables utilisés à ce jour pour la régénération de signaux multiplexés en longueur d'onde imposent l'utilisation d'un démultiplexeur des signaux optiques de longueur d'onde différente formant le signal multiplexé, puis un multiplexeur de ces faisceaux pour 2 2820517 obtenir à nouveau après passage dans l'absorbant saturable, le signal multiplexé en longueur d'onde. Un dispositif de démultiplexage en longueur d'onde est nécessaire car il faut séparer les différents canaux du signal pour éclairer l'élément absorbant non pas en un seul point, ce qui serait le cas en l'absence de démultiplexage, mais en plusieurs points d'éclairement correspondant nécessairement à chaque canal d'une longueur d'onde donnée. En effet, le signal d'un canal de longueur d'onde kX est un signal constitué d'impulsions temporelles (correspondant à une modulation de puissance du signal optique) représentant des niveaux logiques hauts " 1 " et bas " 0 ". Or les éléments absorbants saturables existants sont constitués d'un matériau à puits quantiques uniformes présentant une absorption homogène pour toutes les longueurs d'ondes. La courbe d'absorption d'un tel élément est illustrée sur la figure lB. La courbe en pointillée SO correspond au spectre d'absorption pour une onde de faible puissance lumineuse, et la courbe en trait plein SA correspond au spectre d'absorption d'une onde de puissance lumineuse élevée. Cette figure montre bien que tout le spectre est modifié quelque soit la longueur d'onde. Or les signaux correspondant à chaque canal peuvent à un instant donné présenter un niveau haut " 1 " alors que d'autres présenteront un niveau bas " 0 ". Le bruit parasite présent sur des niveaux de puissance bas sera masqué vis-à-vis de l'élément absorbant saturable par les niveaux hauts en l'absence de démultiplexage des canaux. L'élément absorbant saturable ne pourra pas absorber le bruit des niveaux faible puissance dès lors que des niveaux hauts sont présents sur certains canaux du signal multiplexé. 3 2820517 L'élément est par conséquent inefficace sur un signal multiplexé en longueur d'onde et envoyé sur un même lieu de l'absorbant saturable, en l'absence d'élément de démultiplexage et de remultiplexage. La présente invention propose une solution simple ne nécessitant pas l'ajout d'un multiplexeur et d'un démultiplexeur. Cette solution est peu onéreuse par rapport aux solutions de l'état de la technique et moins encombrante. La présente invention a donc pour objet un absorbant optique saturable, principalement caractérisé en ce qu'il est constitué d'un matériau à absorption inhomogène comprenant une pluralité d'ensembles de boîtes quantiques, les boîtes quantiques d'un ensemble donné étant dimensionnées de manière à présenter une valeur de longueur d'onde d'absorption associée à cet ensemble. Selon un premier mode de réalisation, chacun des ensembles de boîtes quantiques est formé de plusieurs couches de matériau absorbant, des couches appartenant à des ensembles différents étant superposées et forment une structure d'absorption élémentaire. Pour obtenir l'absorption maximale, l'absorbant est constitué d'un empilement de plusieurs structures d'absorption élémentaires tel que prédéfini ci-dessus. Selon un deuxième mode de réalisation, l'absorbant comporte plusieurs couches de matériau absorbant formant un empilement, tous les ensembles de boîtes quantiques étant formés dans chacune des couche de matériau absorbant de l'empilement. Pour limiter la hauteur de cet empilement, par conséquent son encombrement, mais aussi le temps de fabrication du composant, l'absorbant comporte deux miroirs réfléchissants disposés de part et d'autre de 4 2820517 l'empilement et parallèlement à cet empilement ou parallèles entre eux mais légèrement inclinés par rapport à celui-ci, ou légèrement inclinés entre eux. Dans le cas o les miroirs sont parallèles entre eux, le composant obtenu forme ainsi une cavité résonnante à l'intérieur de la quelle le signal optique d'entrée subit plusieurs réflexions. Selon un exemple de réalisation, le matériau absorbant saturable est constitué d'une couche de mouillage en matériau binaire (AsIn), puis d'une couche de AsIn à boîtes quantiques, l'ensemble est déposé sur un substrat tel que par exemple de l'Arséniure de Gallium (AsGa). L'invention a également pour objet une application de l'absorbant saturable dont les caractéristiques viennent d'être énoncées, pour la régénération d'un signal multiplexé en longueur d'onde, les valeurs de longueur d'onde associées respectivement aux ensembles étant les valeurs de longueur d'onde de chaque canal spectral des signaux multiplexés. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci après et en regard des dessins annexés sur lesquels: La figure 1A, représente le schéma d'un système de régénération de signaux à absorbant saturable selon l'état de la technique, La figure lB, représente le schéma des courbes d'absorption selon le niveau de puissance lumineuse du signal incident en fonction de la longueur d'onde, pour un matériau absorbant saturable selon l'art antérieur, La figure 2A, représente le schéma d'un absorbant saturable selon l'invention, 2820517 Les figures 2b et 2c, représentent le schéma des courbes d'absorption SO et SA selon le niveau de puissance lumineuse du signal incident en fonction de la longueur d'onde, pour un matériau absorbant saturable selon l'invention, La figure 3 représente la structure d'un absorbant saturable selon un premier mode de réalisation, La figure 4A représente la structure d'un absorbant saturable selon un deuxième mode de réalisation, La figure 4B représente le détail D de la structure d'une couche de matériau absorbant. L'élément absorbant saturable 10, illustré sur la figure 2A a une structure qui lui permet de recevoir un signal optique d'entrée SEx multiplexé en longueur d'onde de régénérer ce signal et de fournir un signal SRMuXmultiplexé en longueur d'onde, régénéré. Cet élément comporte une structure A constituée d'un matériau absorbant saturable inhomogène placé entre deux miroirs semi-réfléchissants Ml, M2. La structure A est constituée de n structures d'absorption élémentaires a (ou b) formant un empilement multicouche à plans parallèles, les deux miroirs étant placés respectivement de part et d'autre de cet ensemble. Chaque structure d'absorption élémentaire a ou b peut comprendre selon les modes de réalisations détaillés dans la suite, une ou plusieurs couches à boîte quantique, les boîtes quantiques de chaque structure étant dimensionnées de manière à présenter 6 2820517 une valeur de longueur d'onde d'absorption pour chacune des longueurs d'onde du signal multiplexé SEMUx. La figure 2b illustre le spectre d'absorption SO non saturée SO, de bande passante AX prédéfinie, de l'élément absorbant selon l'invention. Cette courbe correspond au spectre initial (absence de puissance incidente) ou lorsque le signal est bas sur les canaux du signal multiplexé ici les 4 canaux (Xl, X2, X3, X4) = (O,O,o,O). La figure 2c illustre le spectre d'absorption saturée SA de l'élément absorbant selon l'invention. Ce spectre correspond à un exemple particulier pour lequel deux canaux ici X2, U3 présentent un pic de puissance (la puissance incidente est élevée pour ces deux canaux) alors que les autres Xl, X4... ont une puissance incidente nulle. Selon cet exemple le nombre de canaux dans la bande passante de l'absorbant (nombre de canaux acceptés) est donné par le rapport AX/6X, KX étant la longueur d'onde d'une raie d'absorption. Deux exemples de réalisation pratiques sont donnés dans la suite et illustrés respectivement par les figures 3 et 4. Ces exemples sont relatifs aux deux structures déjà évoquées. Sur la figure 3 est illustré le cas o chaque structure élémentaire a est formée de plusieurs couches référencées respectivement nl,... np et de manière à ce que pour une couche donnée ni, cette couche comprenne des boîtes quantiques Bi dimensionnées pour présenter une longueur d'onde d'absorption Xi correspondant à 7 2820517 l'une des longueurs d'onde du signal multiplexé d'entrée. Ainsi, la couche n1 comprend des boîtes B1 dimensionnées pour présenter une longueur d'onde d'absorption I1 correspondant au canal Xl du signal multiplexé. La couche np comprend des boîtes Bp dimensionnées pour présenter une longueur d'ondes d'absorption Xp correspondant au canal Xp du signal multiplexé, etc. Cette structure élémentaire a est répétée N fois comme cela est illustrée sur cette figure 3. Ainsi chacun des ensembles de boîtes quantiques est formé de plusieurs couches de matériau absorbant. Des couches appartenant à des ensembles différents sont superposées et forment la structure d'absorption élémentaire a. La figure 4 représente un deuxième mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode, les ensembles de boîtes quantiques sont réalisés dans une même couche ni. Cette couche constitue une structure élémentaire b. Cette structure est répété N fois de manière à former un empilement A de couches La structure A comprend nN couches c'est à dire N structures élémentaires d'absorption b. Ainsi par exemple la couche n, comprend des boîtes quantiques B1 dimensionnées pour présenter une valeur de longueur d'onde d'absorption associée à la longueur d'onde Il correspondant au canal X1 du signal multiplexé; des boîtes d'absorption B2 dimensionnées 8 2820517 pour présenter une valeur de longueur d'onde d'absorption associée à la longueur d'onde 2 correspondant au canal X2 du signal multiplexé; des boîtes d'absorption Bp dimensionnées pour présenter une valeur de longueur d'onde d'absorption associée à la longueur d'onde Xp correspondant au canal Xp du signal multiplexé. Les structures élémentaires a ou b formés sont répétés N fois. Avec la présence des miroirs Ml et M2, semi-réfléchissants et possédant un taux de réflectivité de 70%, on peut choisir N égal à 80. La structure de matériau absorbant correspondant aux deux modes de réalisation qui viennent d'être décrits est illustrée par le détail de la figure 4B. Cette structure peut être obtenue par le mode de croissance décrit dans la méthode de Stranski- Krastanow. Cette méthode consiste à: - épitaxier un matériau par exemple de l'Arséniure d'Indium Cl (AsIn) qui présente une légère désadaptation (7%) de maille par rapport à une couche initiale C2 de matériau par exemple de l'Arséniure de Gallium (GaAs) jusqu'à ce que se forment des îlots ou boîtes quantiques (épaisseur critique: 1.5 à 1.7 monocouches); on fait croître le matériau de la couche initiale S (GaAs) pour enterrer les boîtes quantiques; 9 2820517 - on fait croître à nouveau sur cette nouvelle couche GaAs; le matériau InAs présentant une désadaptation de maille avec cette dernière jusqu'à ce que cette couche ait une certaine épaisseur et qu'il se forme à nouveau des boîtes quantiques. - Ces étapes sont renouvelées autant de fois que nécessaire pour obtenir l'empilement correspondant au mode de réalisation de la figure 3 ou de la figure 4. D'autres couples de matériaux peuvent aussi donner des boîtes quantiques avec la méthode de croissance de Stranski-Krastanov: InGaAs/GaAs, InAs/InP, Ge/Si, PbSe/PbEuTe, GaN/AlN, etc. Un contrôle des conditions (température, pression gaz) sous les quelles est effectuée l'épitaxie permet d'obtenir la taille de boîte désirée. On peut en effet faire varier la température durant chaque cycle de croissance. On considèrera que dans le cas o chacun des ensembles de boîtes quantiques, correspond à une couche (mode de réalisation de la figure 3), le cycle de croissance est celui qui permet la formation de toutes les couches de la structure a. Les conditions seront modifiées de façon contrôlée d'une couche à l'autre. On considèrera que dans le cas o tous les ensembles sont formés dans une seule couche qui constitue dans ce cas la structure b (mode de réalisation de la figure 4A), le cycle de croissance correspond à la formation de cette couche. 2820517 Dans les conditions de croissance, par exemple à T=532 C, sous une pression équivalente du flux de As4 de 7x10-6 torr avec une vitesse de dépôt moyenne de 0.01 monocouche par secdnde, aVec une couverture en InAs de l'ordre de 1.9 " monocouche " (c'est à dire pratiquement deux couches d'épitaxie) en utilisant un masque de Ta balayant continûment au cours de la croissance (cf référence [21]), on obtient un diamètre de boîtes quantiques d'environ 20nm. La longueur d'onde du premier pic d'absorption est de 1,13im avec une largeur de bande à -3dB de 30nm. La densité des boîtes quantiques est dans ce cas estimée à 5 109cm-2 ce qui procure une puissance de saturation de +50dBm, le temps de réponse impulsionnel du composant est estimé à 10ps. En modifiant les conditions par exemple en utilisant une couverture de InAs de 1.6 " monocouche ", la taille des boîtes peut atteindre 30nm, on réalise des boîtes quantiques de dimensions plus élevées que ce qui vient d'être décrit et avec une plus grande largeur de la distribution Gaussienne du spectre d'absorption. la taille de ces boîtes permet d'atteindre un pic d'absorption à 1,55im avec une largeur de bande à -3dB de lOOnm. Lorsque la densité des boîtes quantiques est de 5 109cm-2, la puissance de saturation peut être aussi faible que +6dBm avec un temps de réponse du composant de O10ps et de +15dBm avec un temps de réponse de lps. Afin d'obtenir un absorbant saturable rapide, ce qui permet une utilisation dans des applications de transmission à haut débit, on prendra soin d'utiliser une méthode connue de l'état de la technique pour la fabrication de l'absorbant à savoir par exemple: procéder à une irradiation ionique de la couche absorbante; ou faire croître une couche à basse température entre le matériau d'enterrement (par exemple GaAs) et la nouvelle couche de mouillage (InAs); ou introduire des dopants dans la structure absorbante, ou introduire des dislocations contrôlées, ou encore appliquer un champ électrique extérieur, qui permet d'évacuer les porteurs photogénérés. On peut trouver une description détaillée de ces méthodes par exemple dans la référence: [1]: Brevet français n 98 12 430, Fabrice Devaux, Alexandre Shen et al., intitulée " Dispositif de régénération d'un signal multiplexé en longueur d'onde comprenant un absorbant saturable " (Saturable absorber-based regeneration device for a WDM signal), oct 1998 ou [2]: D. Leonard, K. Pond and P. M. Petroof, " Critical layer thickness for self-assembled InAs islands on GaAs ", Pysical Review B, vol 50, nimber 16, Oct 1994, pp.ll 687-11 692. 12 2820517 REVENDICATIONS 1. Absorbant optique saturable, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un matériau à absorption inhomogène (10) comprenant une pluralité d'ensembles [B1(X1)-Bp(Xp)] de boîtes quantiques (B1-Bp), les boîtes quantiques d'un ensemble [Bj(kl);Bp(?p)] donné étant dimensionnées de manière à présenter une valeur de longueur d'onde d'absorption (kX; ?p) associée à cet ensemble. 2. Absorbant optique saturable selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des ensembles de boîtes quantiques est formé de plusieurs couches de matériau absorbant (n1-np), des couches appartenant à des ensembles différents étant superposées et forment une structure d'absorption élémentaire (a). 3. Absorbant optique saturable selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un empilement (A) de plusieurs structures d'absorption élémentaires (a). 4. Absorbant optique saturable selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte plusieurs couches de matériau absorbant (nl-np) formant un empilement (A), tous les ensembles de boîtes quantiques étant formés dans chacune des couche de matériau absorbant de l'empilement (A). 5. Absorbant optique saturable selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte deux miroirs réfléchissants (Ml, M2) disposés de part et d'autre de l'empilement (A) et parallèlement à cet empilement ou légèrement inclinés par rapport à l'empilement. 6. Absorbant optique saturable selon les revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le matériau absorbant saturable est constitué d'une couche de mouillage (Cl) en matériau binaire (AsIn) puis d'une couche à boîtes quantiques (C2), cette alternance couche de mouillage couche contenant les boîtes quantiques se répétant, l'ensemble étant déposé sur un substrat S (AsGa, par exemple). 7. Application de l'absorbant saturable selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, pour la régénération d'un signal multiplexé en longueur d'onde, les valeurs de longueur d'onde associées respectivement aux ensembles étant les valeurs de longueur d'onde de chaque canal spectral des signaux multiplexés.