Brevet FR2879840A1 — publié le 20060623

LASER A SEMICONDUCTEUR STABLE EN TEMPERATURE ET A FAISCEAU HOMOGENE La présente invention se rapporte à un laser à semi-conducteur stable en température et à faisceau homogène. Les lasers à semi-conducteur de puissance supérieure à 1 Watt sont généralement des lasers de type à ruban large et, en fonction de la puissance d'émission requise, peuvent être unitaires ou disposés en parallèle pour former des barrettes. Le principal inconvénient de tels lasers est que la distribution en amplitude de leur faisceau émis, dans un plan perpendiculaire à leur face d'émission, est fortement divergente (divergence de l'ordre de 15 dans un plan parallèle aux couches actives) et très inhomogène, ce qui entraîne une baisse de rendement du couplage à une fibre optique. La cause en est l'existence de modes parasites dans la cavité du laser et la présence de phénomènes de filamentation ( le courant électronique, à l'intérieur du semi-conducteur, passe non pas par toute la section active du semi-conducteur, mais par un point de cette section). Pour améliorer l'homogénéité du champ proche de la face d'émission de tels lasers, on a intégré sur la même puce un laser à ruban étroit monomode (agissant comme un filtre) prolongé par une partie évasée agissant en amplificateur. On peut alors émettre des puissances nettement supérieures à 1 Watt, tout en gardant un faisceau transverse monomode. Les lasers connus ont été réalisés selon les deux configurations suivantes. La première consiste à graver dans des couches actives un ruban étroit monomode à guidage transverse par l'indice suivi d'une partie évasée qui est également à guidage transverse par l'indice, guidage transverse par l'indice signifiant que le confinement latéral du champ optique est obtenu par une différenciation de l'indice de réfraction entre la zone du ruban étroit et les zones qui la bordent. La seconde configuration comporte également un ruban étroit monomode à guidage transverse par l'indice, mais suivi d'une partie évasée à guidage transverse par le gain. Jusqu'à présent, aucune autre configuration n'a été proposée, car on estimait que seules les deux précitées permettaient de contrôler facilement la qualité du faisceau laser émis. Cependant, ces structures connues sont relativement complexes à réaliser et leur dissipation thermique n'est pas facile à évacuer. La présente invention a pour objet un laser à semi-conducteur dont le faisceau émis ait une faible divergence, soit homogène, et ait une puissance supérieure à environ 1W tout en étant stable en température, qui soit facile à réaliser, qui puisse avoir une bonne dissipation thermique et qui puisse être fabriqué par groupes de plusieurs éléments sur le même substrat. Le laser conforme à l'invention, du type à semi-conducteur, est caractérisé en ce qu'il comporte, dans une couche active, une première partie sous forme de ruban étroit monomode à guidage transverse par le gain, terminée par une deuxième partie s'évasant depuis la première partie, également à guidage transverse par le gain. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une vue simplifiée en perspective d'un laser conforme à l'invention, la figure 2 est une vue en coupe, selon II-II de la figure 1, de la partie évasée du laser de la figure 1 à laquelle est associé un diagramme de l'évolution de l'indice optique le long de cette section, la figure 3 est une vue en coupe, selon III-III de la figure 1, de la partie étroite du laser de la figure 1 à laquelle est associé un diagramme de l'évolution de l'indice optique le long de cette section, la figure 4 est une vue simplifiée en perspective, avec un arraché montrant un détail de réalisation d'un déflecteur du laser de la figure 1, la figure 5 est une vue en coupe schématique montrant les différentes couches de confinement et actives du laser de la figure 1, et la figure 6 est un ensemble de neuf vues en coupe très simplifiées montrant les différentes étapes de fabrication du laser de l'invention. Le laser semi-conducteur 1 représenté en figure 1 est une source laser élémentaire, mais il est bien entendu que l'on peut constituer une barrette comportant plusieurs telles sources élémentaires côte à côte, formées dans le même barreau semi-conducteur. Le laser 1 se présente sous forme d'un barreau 2 semi-conducteur en forme de parallélépipède rectangle. Sur les deux grandes faces du barreau 2, on forme des électrodes 3 et 4. L'une des deux plus petites faces latérales, référencée 5, est traitée de façon à présenter une très haute réflectivité aux longueurs d'onde de fonctionnement du laser. L'autre plus petite face latérale, référencée 6, qui o est la face émissive du laser, est traitée anti-reflets. Dans les couches de guidage transversal du barreau 2 (décrites en détail ci-dessous), on forme, parallèlement au grand axe du barreau 2, un canal de passage de courant ou ruban étroit monomode 7 qui se prolonge par un évasement 8 aboutissant à la face 6. L'angle d'ouverture de la partie 8 est d'environ 1 à 2 degrés. La largeur du ruban 7 est de quelques microns. Selon un premier exemple de réalisation, la longueur L du barreau est d'environ 2,5 à 3 mm, l'angle d'ouverture de la partie 8 est d'environ 2 et sa longueur est d'environ 1 mm. Selon un autre exemple de réalisation, la longueur L est également d'environ 2,5 à 3 mm, l'angle d'ouverture de la partie 8 est d'environ 0, 64 et sa longueur est d'environ 2,2 mm. En fait, ce ruban 7 et son prolongement évasé 8 ne sont pas matérialisés, mais correspondent à des zones conductrices de la région active du barreau 2 dans l'axe desquelles le gain optique, représenté par la partie imaginaire de l'indice de réfraction de cette région active, est maximal, alors que la partie réelle de cet indice est minimale. La façon de réaliser ces zones est décrite ci-dessous. En outre, afin d'éviter les effets parasites sur le flux laser des photons s'échappant de la partie évasée 8, on forme autour du ruban 7 un réflecteur 9, près de sa jonction avec la partie évasée 8. Ce réflecteur 9 se compose de deux éléments disposés symétriquement de part et d'autre du ruban 7. Chacun de ces deux éléments a une forme de V dont une branche est parallèle au ruban 7 et dont l'autre branche fait un angle inférieur à 90 par rapport à la première. Selon une variante de l'invention (non représentée), l'axe de la partie évasée 8 peut ne pas être aligné sur l'axe du ruban 7, mais faire avec celui- ci un angle de quelques degrés (dans un plan parallèle à celui des couches actives), afin de diminuer la réflectivité de la face de sortie du faisceau laser. On a représenté en figure 2 une vue en coupe schématique des couches actives de guidage transversal de la partie évasée 8. Ces couches sont référencées 10 dans leur ensemble, et elles enserrent au moins un puits quantique 11. Un exemple de réalisation est détaillé ci-dessous en référence à la figure 5. Le matériau de ces couches actives est conservé dans tout leur volume (autrement dit, il n'y a pas d'enlèvement de ce matériau). La réalisation de la partie évasée 8 se fait par implantation de protons dans les zones extérieures à cette partie évasée que l'on veut obtenir (zones référencées 12 et 13 en figure 2, de part et d'autre de la partie 8), dans les couches se trouvant au-dessus du puits quantique 11, rendant électriquement isolantes ces zones extérieures, alors que la partie centrale, correspondant à la partie évasée, reste conductrice. Si on détermine l'évolution de la densité de courant dans une direction perpendiculaire à l'axe de la partie évasée 8, on remarque que cette évolution a sensiblement une allure gaussienne, avec un maximum au niveau du centre de la partie 8 et est pratiquement nulle dans les zones 12 et 13. On a représenté en figure 3 une vue en coupe schématique des couches actives de guidage transversal du ruban 7. Ces couches sont les mêmes que celles de la figure 2 et sont référencées 10 dans leur ensemble, et elles enserrent au moins un puits quantique 11. Comme dans le cas de la figure 2, le matériau de ces couches actives est conservé dans tout leur volume. La réalisation du ruban 7 se fait également par implantation de protons dans les zones extérieures à ce ruban que l'on veut obtenir (zones référencées 12A et 13A en figure 3, de part et d'autre du ruban 7), dans les couches se trouvant au-dessus du puits quantique 11, rendant électriquement isolantes ces zones extérieures, alors que la partie centrale, correspondant au ruban, reste conductrice. L'énergie de ces protons peut être d'environ au moins 100keV. Si on détermine l'évolution de la densité de courant dans une direction perpendiculaire à l'axe du ruban 7, on constate qu'elle a sensiblement une allure gaussienne, avec un maximum au niveau du centre de la partie 7 et est pratiquement nulle dans les zones 12A et 13A. Sur le schéma de la figure 4, on a représenté en particulier les détails de réalisation du réflecteur 9. Les deux V de ce réflecteur sont réalisés en creusant dans les couches actives 10 se trouvant au- dessus du puits quantique 11 des tranchées à parois perpendiculaires aux plans de ces couches et dont la section, dans un plan parallèle au plan des couches a la forme en V décrite ci-dessus. Ces tranchées sont ensuite remplies d'une matière polymère, ce qui les rend électriquement isolantes. On a schématiquement représenté en figure 5 la structure semi- conductrice du laser de l'invention. Cette structure est formée sur un substrat N3 de type N fortement dopé, par exemple en GaAs. Sur ce substrat, on forme successivement les couches suivantes: Une couche N2 de confinement optique et électrique, de type N, à faible indice. Elle peut être en GalnP, GaAlAs, AIGaInP, etc. - Une couche NI de confinement électrique et optique, de type N, à fort indice. Elle peut être en GaInAsP, GalnP, etc. Une couche QW, qui est une couche active à puits quantique. Une couche P1 de confinement électrique et optique de type P, à indice fort. Elle peut être en GaInAsP, GalnP, etc. Une couche P2 de confinement optique de type P, à faible indice. Elle peut être en GalnP, GaAlAs, AlGalnP, etc. - Une couche P3 de contact électrique de type P, fortement dopée, par exemple en GaAs. En correspondance avec le schéma de la structure qui vient d'être décrite, on a représenté, sur la figure 5, à droite de cette structure, la courbe d'évolution de l'indice de réfraction des différentes couches qui la composent, ainsi que la courbe d'évolution de l'intensité du champ optique, le long d'une direction perpendiculaire aux plans de ces couches. En figure 6, on a schématiquement représenté les neuf premières étapes de réalisation de la structure du laser de l'invention, référencées A à I, parmi les douze principales. Ces étapes sont, dans l'ordre: (A) : croissance épitaxiale du substrat et des couches suivantes, telles que celles représentées en figure 5, l'ensemble étant référencé 14, (B) : dépôt d'un contact ohmique 15 sur la couche P3 de la structure 14, (C) : photolithographie et gravure des deux V du réflecteur 9, (D) : amincissement du substrat (du côté de la face opposée à la couche 15), l'ensemble de la structure semi-conductrice est maintenant référencé 14A, (E) : dépôt d'un contact ohmique 16 sur la face inférieure du substrat, (F) : dépôt de polymère 17 dans les tranchées du réflecteur 9, puis élimination du surplus afin d'obtenir une surface plane, coplanaire avec la face supérieure du dépôt 15, (G) : photolithographie sur la face supérieure de la couche 15, puis implantation de protons (symbolisés par un ensemble de points PR) afin de définir les parties 7 et 8. La zone se trouvant sous la partie 15A de photorésist subsistant après photolithographie (entre les deux tranchées 9) ne comporte pas de protons, - (H) : dépôt d'une électrode 18 sur la couche 15, (I) : photolithographie et ouverture des chemins de découpe 18A entre lasers unitaires adjacents ou groupes adjacents de lasers élémentaires, clivage des faces 5 et 6, traitement anti-reflets des faces d'émission laser 6, - traitement haute réflectivité des faces 5, séparation des lasers élémentaires (ou des barrettes de lasers élémentaires), en suivant les chemins de découpe 18A. Ainsi, grâce à l'invention, il est possible de réaliser des sources laser élémentaires ou groupées en barrettes, et de les fixer par leur face supérieure (celle 18) sur un radiateur thermique approprié, ce qui améliore nettement l'évacuation thermique en fonctionnement par rapport aux sources de l'art antérieur, qui ne pouvaient être fixées sur un radiateur que par leur embase. Selon des exemples de réalisation de l'invention, on a obtenu des lasers élémentaires ayant de longueurs d'onde comprises entre 0,7 et 1,1 pm avec des puits ou boites (dites Qdots ) quantiques sur substrat en GaAs, des longueurs d'onde comprises entre 1,1 et 1,8 pm avec des puits 10 15 20 25 ou boites quantiques sur substrat en InP, des longueurs d'onde comprises entre 2 et 2,5 pm pour des puits ou boites quantiques sur substrat en GaSb, et des longueurs d'onde comprises entre 3 et plus de 12 pm avec des sources laser de type QCL. En général, pour tous ces exemples de réalisation, la divergence du faisceau émis était de l'ordre de quelques degrés, et la puissance du faisceau dans le ruban de l'ordre de 200 à 300 mW, et à la sortie de la partie évasée supérieure à 10 W. REVENDICATIONS 1. Laser à semi-conducteur du type à semi-conducteur (11), caractérisé en ce que sa cavité comporte, dans une couche active, une première partie sous forme de ruban (7) étroit monomode à guidage transverse par le gain, terminée par une deuxième partie (8) s'évasant depuis la première partie, également à guidage transverse par le gain. 2. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux parties de la cavité sont formées dans les couches actives situées au- dessus du puits quantique. 3. Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la délimitation des deux parties de la cavité laser est faite par implantation de protons (PR) dans les zones qui les bordent (12-13, 12A- 13A). 4. Laser selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte, au niveau de la première partie de cavité un déflecteur de photons parasites (9). 5. Laser selon la revendication 3, caractérisé en ce que le déflecteur comporte deux tranchées en forme de V disposées de part et d'autre de la première partie de cavité, et que ces tranchées sont remplies de matériau isolant (17). 6. Laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en 25 ce qu'il est fixé sur un radiateur thermique par sa face opposée au substrat (18).