Brevet FR2813449A1 — publié le 20020301

DISPOSITIF OPTIQUE AMPLIFICATEUR 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 dispositifs amplificateurs optiques à semiconducteurs constituent une solution qui permet de réaliser cette amplification. Un tel dispositif optique amplificateur est aussi le coeur d'un grand nombre de fonctions optoélectroniques clés pour les réseaux de télécommunications optiques à très haut débit. Nous pouvons citer, à titre d'exemple non limitatif, les convertisseurs de longueurs d'onde et les portes optiques rapides. Dans l'ensemble de ces applications, le dispositif optique amplificateur est utilisé "en ligne" avec une fibre optique. Or, comme la fibre optique ne conserve pas la polarisation de la lumière injectée, les caractéristiques de l'amplificateur optique à semi-conducteur ne doivent pas dépendre de l'état de polarisation de la lumière à amplifier. Cependant, en l'absence de dispositions particulières, l'ensemble des caractéristiques d'un amplificateur optique, en particulier son gain, sont sensibles à l'état de polarisation de la lumière qu'il reçoit, ce qui sera plus simplement indiquée ci-après en mentionnant la sensibilité d'un amplificateur à la polarisation. Cette sensibilité du gain à la polarisation de la lumière peut être quantifiée par le paramètre suivant: AGTE/TM (dB) =GTE (dB) -GTM (dB) , où G (dB) représente le gain de l'amplificateur exprimé en décibels et où les indices TE et TM correspondent aux deux modes de propagation possibles de la lumière dans l'amplificateur. Si AGTE/TM(dB) est positif, on parle de sensibilité TE et dans le cas contraire de sensibilité TM. D'une façon générale, pour être utilisé dans un système de communication par fibres optiques, un dispositif optoélectronique doit présenter des interfaces d'entrée et/ou sortie optiques et électriques. On parle alors de module optoélectronique. Dans cadre de l'invention, le module le plus simple contient une puce qui constitue l'amplificateur optique à semi-conducteur (puce SOA pour Semi-conductor Optical Amplification en anglais ou AOSC pour Amplificateur Optique à Semi-Conducteur). Cette puce est reportée sur une embase, en silicium par exemple, et connectée par des électrodes. Le module comprend également des moyens de couplage de la lumière entre la puce SOA et les fibres optiques d'entrée et de sortie. Or, il a été établit, théoriquement et expérimentalement, que certaines techniques de report d'une puce SOA sur une embase peuvent engendrer un champ de contraintes exercées sur la couche active de la puce, ce qui modifie le paramètre 4G, soit dG(dispositif):#4G(soai . Ces contraintes peuvent provenir, par exemple, d'une force de rappel exercée lors de la fixation de la puce SOA sur l'embase, ou d'une force exercée par un plot de connexion ou d'une quelconque autre force exercée sur la puce SOA du fait de son intégration dans un dispositif optique amplificateur. Cette invention trouve alors plus particulièrement application dans le cas où il convient de supprimer ou du moins de limiter la sensibilité du dispositif optique amplificateur à la polarisation de la lumière. On cherche à atteindre IAG(dispositif) I De manière plus générale cette invention trouve une application chaque fois que la sensibilité d'un dispositif optique amplificateur à la polarisation doit être nulle ou limitée. L'invention s'applique à des dispositifs comportant une puce SOA, quelque soit sa structure. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessous, la puce SOA est dite à ruban enterré . La structure active utilisée pour réaliser cette puce (i.e. qui permet d'injecter des porteurs de charge dans le ruban actif) est connue sous le terme de BRS (pour Burried Ridge Structure en anglais). On sait qu'un tel composant amplificateur optique à semi-conducteur 1 (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 lumière soit supérieure à 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 de la puce SOA. Dans les amplificateurs à ruban enterré, ou BRS, le matériau actif 10 constituant le ruban 12 guidant la lumière à amplifier est entouré de toutes parts par un matériau semi-conducteur binaire 14, 16 dont l'indice de réfraction est légèrement inférieur à celui du matériau actif. Dans le mode de réalisation décrit, on considère le cas où le matériau actif 10 est homogène et est alors dit massique (ou bulk material en anglais). Cet exemple n'est pas limitatif. L'invention s'applique également dans le cas où le matériau de la couche active 10 est constitué par des puits quantiques multiples. Compte tenu de la faible différence d'indice entre le ruban 12 et le matériau binaire environnant 14, 16, et de la section fortement rectangulaire du ruban enterré 12, 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 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. On définit ainsi le rapport des facteurs de confinement rTE/ rTM . La valeur de la sensibilité du gain d'une puce SOA à l'état de polarisation de la lumière incidente est donnée par la relation suivante, établit dans la publication "New, process tolerant, high perforamnce 1.55 Dun polarization insensitive semiconductor optical amplifier based on low tensile bulk GaInAsP" de J.Y.Emery, P.Doussière, L.Goldstein, F.Pommereau, C.Fortin, R.N'Go, N.Tscherpner, J.L.Lafragette, P.Aubert, F.Brillouet, G.Laube, et J.Barrau dans European Conf. Opt. Commun. (ECOC), Oslo, Norway, paper WeD.2.3, 1996. AG(soA) (d$) - GTE (dB) * (1- gTM/gTE * rTE/rTM) 1 avec GTE(dB) le gain de l'amplificateur optique à semi-conducteur pour le mode de propagation TE de la lumière, gTM/gTE, le rapport des gains du matériau actif, et rTE/rTM, le rapport des facteurs de confinement. On constate avec cette relation que la sensibilité à la polarisation dépend bien de la géométrie du ruban 12 avec le rapport des facteurs de confinement, ainsi que des contraintes exercées sur le matériau de la couche active avec le rapport des gains. Ainsi, un champ de contraintes exercé sur la structure active guidante 12 d'une puce SOA 1 modifiera l'isotropie de la réponse du matériau actif, c'est à dire gTM/gTE # 1, et cela quelle que soit l'origine et la nature de cette contrainte. Pour la réalisation d'un dispositif optique amplificateur, le composant optique amplificateur, ou puce SOA, tel que décrit précédemment est reporté sur une embase en vue de son intégration dans un module avec d'autres éléments optiques, tels qu'une fibre optique, un détecteur ou autre. Il existe plusieurs techniques de report d'une puce SOA sur une embase. Une technique connue permettant de fabriquer des composants "bas coût" consiste à réaliser un montage de la puce SOA en "flip chip", c'est à dire retournée, et de la positionner sur l'embase par un procédé dit d'auto-alignement. Une telle technique est illustrée schématiquement sur la figure 2. Cette technique d'auto-alignement consiste à réaliser des indentations complémentaires 32, 34 sur la puce SOA 1 et sur l'embase 30 et à les mettre en butées par une force de rappel F exercée sur la puce 1 lors de son report en flip chip sur l'embase 30. Cette force de rappel F est obtenue lors de la soudure de la puce 1 sur l'embase 30 par un procédé qui consiste à fusionner deux plots métalliques 25, 26 respectivement déposés sur la puce 1 et sur l'embase 30. On utilise généralement des plots Or et Or/Etain dans le cadre de ce procédé. Grâce aux indentations complémentaires 32 et 34, la puce SOA est auto-alignée devant une fibre placée dans une rainure elle-même alignée par rapport à l'indentation 32. On parle donc d'auto-alignement passif de la puce SOA devant la fibre tel que cela a été développé dans la publication "Low cost laser modules for STM" de W.Rehm, K.Adam, A.Gbth, W.Jdrg, J.Lauckner, J.Scherb, P.Aribaud, C.Artigue, C.Duchemin, B.Fernier, E.Grard, D.Keller, S.Kerboeuf, S.Rabaron, J.M.Rainsant, D.Tregoat, J.L.Nicque, A.Tournereau, P.J.Laroulandie, P.Berthier dans ETCT'2000, Las vegas, USA, 2000. I1 a été constaté que cette force de rappel F induit un champ de contrainte sur la structure active guidante 12 de la puce SOA 1, ce qui modifie donc sa sensibilité à la polarisation de la lumière à amplifier. Cette sensibilité est reproductible pour une procédure d'assemblage figée. Par exemple, avec l'utilisation de la technique de l'auto-alignement passif décrit précédemment et de puces SOA dont la structure active répond à la relation [1], présentant un gain interne GTE(dB) de l'ordre de 28dB, l'amplitude du déplacement de la sensibilité de la puce SOA est de l'ordre de l1G(dispositif) - OG(soa) = +2dB. L'objet de la présente invention est de résoudre les inconvénients de l'art antérieur. A cet effet, l'invention propose de compenser les effets indésirables introduits par l'intégration de la puce SOA dans un dispositif optique amplificateur bas coût en appliquant une contrainte supplémentaire, interne ou externe, directement sur la structure active guidante de la puce SOA de manière à ce que la contrainte globale à laquelle est soumise cette structure active guidante rende le gain du dispositif amplificateur insensible à la polarisation de la lumière La puce SOA est donc volontairement rendue sensible à la polarisation de la lumière à amplifier, afin que le dispositif optique dans lequel elle est intégrée soit insensible à la polarisation de ladite lumière. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif optique amplificateur intégrant un composant amplificateur optique en semi-conducteur comportant une structure active guidante, caractérisé en ce que ladite structure active guidante est soumise à une contrainte externe provenant de l'intégration dudit composant dans ledit dispositif et en ce que ledit composant présente une sensibilité contrôlée à l'état de polarisation de la lumière à amplifier afin de rendre le gain dudit dispositif amplificateur optique insensible à l'état de polarisation de ladite lumière à amplifier. Selon une caractéristique, la contrainte externe au composant provient du report dudit composant sur une embase par un procédé d'auto-alignement passif. Selon une autre caractéristique, la contrainte externe au composant provient de la connexion dudit composant par une électrode située au dessus de la structure active guidante, ladite électrode ayant approximativement la même largeur que ladite structure active guidante. Selon un mode de réalisation, la sensibilité du gain du composant à l'état de polarisation de la lumière à amplifier est contrôlée par un ajustement du désaccord de maille du matériau semi-conducteur constituant la structure active guidante. Selon un autre mode de réalisation, la sensibilité du gain du composant à l'état de polarisation de la lumière à amplifier est contrôlée par un ajustement du facteur de confinement de la structure active guidante. Selon un autre mode de réalisation, la sensibilité du gain du composant à l'état de polarisation de la lumière à amplifier est contrôlée par un ajustement d'une force induite par un dépôt d'oxyde contre un ruban encadrant la structure active guidante. Selon un autre mode de réalisation, la sensibilité du gain du composant à l'état de polarisation de la lumière à amplifier est contrôlée par un ajustement actif de deux sections de la structure active guidante favorisant chacune, respectivement, un gain plus élevé du mode TE et du mode TM de polarisation de la lumière à amplifier. Les 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'une puce SOA à ruban enterré selon l'art antérieur. - La figure 2, est un schéma illustrant la technique de l'auto-alignement passif. La description qui suit concerne un dispositif optique amplificateur comportant un composant 1 (une puce SOA) reporté sur une embase 30 et connecté par une électrode 22 afin de fonctionner dans un module optique. L'objectif de l'invention est de parvenir à un dispositif insensible à la polarisation de la lumière à amplifier avec IDG(aispositif) I Or, on a établit précédemment que la sensibilité à la polarisation du dispositif est affectée par des champs de contraintes exercés sur la structure active guidante 12 de la puce SOA 1, ces champs de contraintes pouvant provenir de la puce elle-même (contraintes internes à la couche active 10 ou à la structure active guidante 12, géométriques ou matérielles) ou de l'assemblage de la puce dans le dispositif (contraintes externes de report ou de connexion). Ces champs de contraintes modifient le rapport des gains matériau de la structure active guidante 12, c'est à dire gTM/gTE 1. La présente invention est donc caractérisée par le fait que l'on réalise une puce SOA volontairement sensible à un mode de polarisation de la lumière à amplifier OG(soA) $ 0 afin de compenser la sensibilité induite par l'assemblage de cette puce dans un module optique. La structure active guidante 12 de la puce SOA 1 est donc soumise d'une part à une contrainte externe provenant de l'intégration de ladite puce 1 dans un dispositif et d'autre part à une contrainte supplémentaire interne à la puce 1, la combinaison de ces deux contraintes permettant de rendre le gain dudit dispositif amplificateur optique insensible à la polarisation de la lumière à amplifier. Selon les applications et mises en oeuvre de l'invention, la contrainte externe de mise en module de la puce peut provenir du report de la puce SOA 1 sur une embase 30 par un procédé d'auto-alignement passif et/ou de la connexion de la puce 1 par une électrode 22 située au-dessus de la structure active guidante 22, l'électrode ayant approximativement la même largeur que la structure active guidante. En effet, la force de rappel mise en ceuvre dans le procédé d'auto-alignement passif induit un champ de contraintes sur la structure active guidante 12 de la puce. De même, la connexion de la puce 1 par une électrode 22 qui aurait approximativement les mêmes dimensions que la structure active guidante 12 peut induire une force sur cette structure active 12 qui modifie l'isotropie de la réponse du matériau actif 10 à la polarisation de la lumière à amplifier. A cet effet, le composant 1 est conçu de manière à présenter une sensibilité contrôlée de son gain à la polarisation de la lumière à amplifier. Pour cela, la structure active guidante 12 de la puce est soumise à d'autres contraintes que celles engendrées par l'intégration du composant dans le dispositif, ces contraintes étant appliquées directement au niveau de la puce SOA. Selon un premier mode de réalisation, le contrôle de la sensibilité du gain de la puce SOA 1 peut provenir d'un ajustement du désaccord de maille du matériau semi-conducteur constituant la structure active guidante 12. En effet, le brevet américain US 5 982 531, du déposant, propose une puce SOA rendue insensible à la polarisation de la lumière malgré la géométrie fortement rectangulaire de son ruban enterré. 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. Une telle technique peut être transformée dans le cadre de la présente invention afin de rendre le gain de la structure active guidante 12 de la puce SOA 1 volontairement sensible à la polarisation de la lumière à amplifier. En effet, la loi sur le paramètre Aa/a qui représente le désaccord de maille dans la couche active est connue et développée dans la publication précédemment citée en référence à l'équation [1]. Il est donc possible de réaliser une puce SOA selon la technique développée dans le brevet US 5 982 531 qui présente une sensibilité donnée (TE ou TM) à la polarisation de manière à compenser la sensibilité induite (et connue car fixée par le procédé choisi) par l'assemblage et/ou la connexion de la puce SOA dans son dispositif optique. Selon un autre mode de réalisation, le contrôle de la sensibilité du gain de la puce SOA 1 peut provenir d'un ajustement des facteurs de confinement rTE/rTM de la structure active guidante 12. On a en effet développé précédemment que la géométrie du ruban avait un impact direct sur sa sensibilité à la polarisation de la lumière. I1 est également possible de contrôler la sensibilité du gain de la puce SOA 1 par un dépôt d'oxyde sur un ruban encadrant la structure active 12 de la puce 1 induit une force en tension ou en compression, selon la nature de l'oxyde, qui modifie la sensibilité du gain de la puce SOA 1 vers le mode Te ou vers le mode TM. On peut également imaginer contrôler la sensibilité du gain de la puce SOA 1 par un ajustement actif de deux sections amplificatrices de la structure active 12 favorisant chacune, respectivement, un gain plus élevé du mode TE et du mode TM de polarisation de la lumière à amplifier. Les différents modes de réalisation décrits peuvent en outre être combinés entre eux pour. obtenir une puce SOA 1 dont la sensibilité du gain à l'état de polarisation de la lumière à amplifier est parfaitement contrôlée de manière à obtenir, après report de la puce dans un module optique, un dispositif amplificateur dont le gain est insensible à l'état de polarisation de la lumière à amplifier. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique amplificateur intégrant un composant (1) amplificateur optique en semi-conducteur comportant une structure active guidante (12), caractérisé en ce que ladite structure active guidante (12) est soumise à une contrainte externe audit composant (1) provenant de l'intégration dudit composant (1) dans ledit dispositif et en ce que ledit composant (1) présente une sensibilité contrôlée à l'état de polarisation de la lumière à amplifier afin de rendre le gain dudit dispositif amplificateur optique insensible à l'état de polarisation de ladite lumière à amplifier. 2. Dispositif optique amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la contrainte externe au composant (1) provient du report dudit composant sur une embase (30) par un procédé d'auto- alignement passif. 3. Dispositif optique amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la contrainte externe au composant (1) provient de la connexion dudit composant par une électrode (22) située au dessus de la structure active guidante (12), ladite électrode ayant approximativement la même largeur que ladite structure active guidante (12). 4. Dispositif optique amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la sensibilité du gain du composant (1) à l'état de polarisation de la lumière à amplifier est contrôlée par un ajustement du désaccord de maille du matériau semi-conducteur constituant la structure active guidante (12). 5. Dispositif optique amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la sensibilité du gain du composant (1) à l'état de polarisation de la lumière à amplifier est contrôlée par un ajustement du facteur de confinement de la structure active guidante (12). 6. Dispositif optique amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la sensibilité du gain du composant (1) à l'état de polarisation de la lumière à amplifier est contrôlée par un ajustement d'une force induite par un dépôt d'oxyde contre un ruban encadrant la structure active guidante (12). 7. Dispositif optique amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la sensibilité du gain du composant (1) à l'état de polarisation de la lumière à amplifier est contrôlée par un ajustement actif de deux sections de la structure active guidante (12) favorisant chacune, respectivement, un gain plus élevé du mode TE et du mode TM de polarisation de la lumière à amplifier.