Brevet FR2906412A1 — publié le 20080328

LASER ACCORDABLE A RESEAU DE BRAGG DISTRIBUE COMPORTANT UNE SECTION DE BRAGG EN MATERIAU MASSIF CONTRAINT. Le domaine de l'invention est celui des lasers accordables à réseau de Bragg distribué. Ces lasers sont notamment utilisés dans les réseaux de télécommunications optiques à multiplexage en longueur d'onde encore appelés WDM, acronyme signifiant Wavelength Division Multiplexing. Bien entendu, l'objet de l'invention peut être étendu à tout dispositif optique à semi-conducteur possédant une section de Bragg accordable en longueur d'onde par injection d'un courant. Les lasers accordables à réseau de Bragg distribué sont également connus sous l'acronyme DBR signifiant Distributed Bragg Reflector. Comme représenté en figure 1, un laser DBR 1 est un composant intégrant monolithiquement trois sections contrôlées chacune par un courant différent : une section active 2 et deux sections passives de phase 3 et de Bragg 4. Le courant est amené aux différentes sections au moyen des électrodes 21, 31 et 41. Les faces avant 5 et arrière 6 du laser 1 sont traitées. La réflectivité de la face arrière 6 est très faible, de l'ordre de 0,01% et la réflectivité de la face avant 5 vaut environ 3%. On crée ainsi une cavité Fabry-Pérot entre la face avant 5 et le miroir équivalent de la section de Bragg 4. La section active 2 est le milieu amplificateur qui apporte du gain à la cavité par l'intermédiaire d'un courant lactif et permet l'émission d'un peigne de modes dits FP dont la répartition est imposée par les caractéristiques optiques de la cavité Fabry-Pérot. Ce peigne de modes est représenté en figure 2. La section de Bragg 4 est composée principalement d'un matériau non absorbant à la longueur d'onde de fonctionnement et comporte un réseau de Bragg 42, c'est-à-dire une variation périodique de l'indice effectif. Cette structure se comporte comme un filtre en réflexion, centré sur la longueur d'onde 2Bragg. On a la relation classique : 2o,.agg = 2.nei7..A 2906412 2 où neff est l'indice effectif du guide et A la période du réseau de Bragg. La variation du coefficient de réflexion RBragg de ce filtre de Bragg en fonction de la longueur d'onde est représentée sur la figure 2. Lorsqu'on 5 injecte un courant (Bragg, la densité de porteurs augmente, ce qui diminue l'indice effectif et par conséquent la longueur d'onde Â,Bragg . On obtient alors un déplacement de la courbe de variation du coefficient de réflexion RBragg. L'accordabilité est basée sur ce principe comme illustré en figure 2. L'émission laser s'effectue sur le mode FP ayant la plus forte réflectivité 10 sur le filtre de Bragg. Ce mode sélectionné par le filtre est représenté en gras sur la figure 2. Lorsque le filtre de Bragg est accordé par injection de courant dans la section de Bragg, les modes FP sont alors émis successivement, on obtient une accordabilité par sauts de mode. Lorsqu'on injecte du courant dans la section de phase, l'indice effectif diminue de la même façon que 15 l'indice effectif de la section de Bragg, ce qui décale le peigne des modes FP vers les faibles longueurs d'onde et permet ainsi un accord fin de la longueur d'onde d'émission. On peut ainsi atteindre toutes les longueurs d'onde couvertes par l'accordabilité de ?Bragg. On parle d'accord quasi-continu. Par ces moyens, il est possible de faire varier la longueur d'onde 20 d'émission d'un laser accordable DBR sur une plage AXBragg de 16 nanomètres. En résumé, dans la cavité, oscille entre les faces avant et arrière un mode imposé 8 par la section de Bragg, ce mode est symbolisé par une flèche semi-circulaire sur la figure 1 et l'émission laser 7 d'une fraction de ce 25 rayonnement se fait par la face avant 5. Cependant, pour un certain nombre d'applications, en particulier dans le domaine des télécommunications optiques, la gamme d'accordabilité obtenue est insuffisante. Par exemple, une accordabilité de l'ordre de 35 30 nanomètres est nécessaire pour explorer l'intégralité de la bande C (1528 nm-1562 nm) ou de la bande L (1570 nm-1605 nm) des télécommunications optiques. Actuellement, pour atteindre cette large gamme d'accordabilité, il est nécessaire soit d'utiliser l'interaction entre des réseaux plus sophistiqués tels des réseaux échantillonnés, des réseaux à pas périodiquement variable 35 soit d'utiliser une succession de réseaux de Bragg à pas décalés soit 2906412 3 d'additionner les gammes d'accordabilité de plusieurs lasers DBR en utilisant par exemple un coupleur. Le but de l'invention est d'augmenter suffisamment la gamme d'accordabilité de la section de Bragg du DBR ou de toute section utilisant la 5 variation de porteurs par injection de courant. Cela permet notamment de simplifier la conception du composant final. Ainsi, on peut • couvrir la bande C ou L avec un unique composant ; • utiliser seulement deux lasers DBR au lieu de trois ; • obtenir une plus grande tolérance sur les caractéristiques et 10 la fabrication des réseaux échantillonnés, ... • réduire les courants nécessaires dans les sections de Bragg. On accède ainsi à une accordabilité ultra-rapide de l'ordre de quelques nanosecondes. 15 Le coeur de l'invention est de réaliser la section de Bragg en matériau massif contraint. On démontre qu'on modifie sensiblement un des effets, appelé remplissage des bandes ou bandfilling , intervenant sur la gamme d'accordabilité en longueur d'onde AXBragg. 20 Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif à semi-conducteur accordable à réseau de Bragg distribué comprenant une section passive de Bragg comportant un matériau dont les variations d'indice optique sont commandés par un courant d'injection, caractérisé en ce que ledit matériau de la section de Bragg est un matériau massif contraint. 25 Avantageusement, la contrainte appliquée au matériau massif vaut au moins 0.1 % ; le matériau comprend une succession de couches ; les unes sous contrainte, les autres sans contrainte. Avantageusement, la contrainte est exercée en compression ou en tension. 30 Avantageusement, le matériau est en matériau quaternaire, le matériau quaternaire est l'InGaAsP, la longueur d'onde correspondant au maximum de photoluminescence vaut alors 1.45 micron, ledit matériau étant connu sous la dénomination Q 1,45. Préférentiellement, ce dispositif s'applique aux lasers accordables 35 de type DBR. 2906412 4 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : 5 • La figure 1 représente une vue générale d'un laser accordable à réseau de Bragg distribué ; • La figure 2 représente le principe de l'accordabilité au moyen d'un réseau de Bragg accordable ; • La figure 3 représente la variation de l'absorption du matériau 10 en fonction de l'énergie ; • La figure 4 représente le diagramme de bandes d'énergie pour un matériau massif sans contrainte ; • La figure 5 représente le diagramme de bandes d'énergie pour un matériau massif sous contrainte ; 15 • La figure 6 représente le diagramme de bandes d'énergie pour un matériau massif sous extension ; • La figure 7 représente la variation d'indice en fonction de la longueur d'onde pour des matériaux à l'accord de maille, en compression ou en tension. 20 L'accordabilité du DBR est donnée par la relation suivante : dnQ ~T A~Bragg = 2.I Q . dN V .A V .A où I'Q est le confinement du mode optique dans le matériau guide où sont situés les porteurs ; 25 AN est la variation de densité de porteurs liée à l'injection de courant ; dnQ/dN est la variation d'indice du matériau avec la densité de porteurs. L'objet de l'invention est d'élargir A? Bragg en augmentant la 30 variation d'indice du matériau avec la densité de porteurs dnQ/dN . Mais pour conserver un facteur de confinement Fo maximal, de l'ordre de 70%, il est nécessaire d'employer un matériau massif épais ou comportant éventuellement quelques couches fines intercalées. Les structures à puits 2906412 5 quantiques dégradent trop le facteur FQ pour être utilisées. La variation d'indice dnQ/dN est la somme de trois effets principaux qui sont : • L'effet plasma ; • La renormalisation du gap encore appelé bandgap 5 shrinkage ; • Le remplissage des bandes encore appelé bandfilling . Les deux premiers effets ne dépendent pas de paramètres modifiables du matériau. L'objet de l'invention est donc d'augmenter l'effet de bandfilling . 10 L'absorption d'un photon faisant passer un électron de l'énergie Ev de la bande de valence à l'énergie Ec de la bande de conduction n'est possible que si le niveau Ev est occupé et le niveau Ec libre. L'absorption peut être modélisée par : 15 a (E) _ Ehh. jE - Eg L/ v (Evh) - .Îc (Ech )] + t -\/E - Eg [f,, (Evr) - fv (E 1)) Chh et Ch sont les coefficients d'absorption des transitions issues des bandes à trous légers et à trous lourds. Ils sont caractéristiques du matériau. Ev h et ECh correspondent aux énergies de transition depuis la 20 bande des trous lourds tandis que Ev1 et Ed correspondent aux énergies de transition depuis la bande des trous légers. ME) et fc(E) sont les probabilités qu'un niveau d'énergie E de la bande de valence ou de conduction soit occupé par un électron. 25 Lors de l'injection de courant, les bandes se remplissent de porteurs. Aux énergies légèrement supérieures à l'énergie de gap Eg, les termes fä (E) - fc(E) deviennent nuls ou négatifs. On obtient alors à ces énergies une réduction de l'absorption et même éventuellement du gain. Cet effet est illustré figure 3, où l'absorption en fonction de l'énergie est tracée 30 avec et sans injection de porteurs. Or, la variation d'indice d'un matériau à une énergie Eo est reliée à la variation d'absorption de ce matériau sur tout le spectre d'énergie par la relation de Kramers-Krdnig : An(E0)= c.PÇ Aa(E)dE 2906412 6 dans laquelle P représente la partie principale de l'intégrale et Eo l'énergie de travail. On obtient ainsi une réduction importante de l'indice optique autour de E9. Par exemple, pour un laser DBR dont la longueur d'onde de fonctionnement est égale à 1.55 micron, l'énergie EO vaut 0.8 eV. 5 Pour augmenter l'effet bandfilling, il est donc nécessaire d'accentuer cette réduction d'absorption aux énergies proches du gap. Pour cela, on utilise des matériaux contraints. Les figures 4, 5 et 6 représentent les diagrammes d'énergie d'un matériau massif semiconducteur à gap 10 direct, en fonction du moment k dans les directions parallèle k// et perpendiculaires k1 à la direction de croissance. Sur ces figures, La bande de conduction est notée BC, les bandes des trous lourds et des trous légers sont notées respectivement HH et LH, la bande splitt-off est notée S-off. 15 La figure 4 correspond à un matériau à l'accord de maille. Le matériau est isotrope : les bandes sont identiques dans les directions k// et k1. Les bandes des trous légers LH et les bandes des trous lourds HH ont le même niveau d'énergie : elles sont dégénérées. Les porteurs injectés se répartissent donc sur les deux bandes. 20 Pour augmenter la variation d'absorption et en particulier le remplissage des bandes, le principe du dispositif selon l'invention est de lever la dégénérescence entre les bandes des trous légers et les bandes des trous lourds. Les porteurs se répartissent alors dans une seule bande, permettant une réduction plus importante de l'absorption. D'autre part, la 25 levée de dégénérescence va entraîner soit la réduction de la masse effective des trous lourds, soit la réduction de la masse effective des trous légers, permettant de rendre plus étroite la bande HH ou LH concernée par cette réduction, favorisant ainsi le remplissage des porteurs jusqu'à des énergies élevées. 30 Pour réaliser la contrainte, il est possible d'appliquer une contrainte biaxiale sur le matériau de la section de Bragg. Dans le cas d'une contrainte en compression, la bande des trous lourds HH devient plus haute en énergie comme indiqué sur la figure 5 : les porteurs injectés se répartissent préférentiellement dans la bande HH. Par 35 ailleurs, la masse effective des trous lourds est plus faible, ce qui correspond 2906412 7 à une bande d'énergie HH plus étroite dans la direction k11 comrne on le voit sur la figure 5. Cet effet entraîne un remplissage plus rapide de la bande des trous lourds, augmentant d'autant l'effet du remplissage des bandes. Dans ces structures en compression, on obtient donc une forte variation de 5 l'absorption mettant en oeuvre des trous lourds, c'est-à-dire correspondant à une polarisation transverse électrique notée TE du mode optique. Dans un laser DBR classique, la lumière émise par la section de gain est effectivement polarisée en TE. En revanche, pour une lumière polarisée en mode transverse magnétique notée TM, l'effet bandfilling est faible. 10 Dans le cas d'une contrainte en tension, la bande des trous légers LH devient plus haute en énergie comme indiqué sur la figure 6. Les porteurs injectés se répartissent dans la bande LH. Dans ce cas, on obtient donc un effet bandfilling important pour la polarisation TM et faible en polarisation TE. Pour être utilisé dans un DBR, ce type de matériau nécessite donc une 15 structure active adaptée pour émettre en mode TM. La figure 7 donne des résultats de simulation de la variation d'indice An en fonction de la longueur d'onde 1, variation due uniquement à l'effet de bandfilling, et obtenue pour une densité de porteurs de 2.1018 cm-3. 20 La courbe en trait plein correspond à un matériau massif non contraint. La courbe en pointillés correspond à matériau massif contraint à +1% : on obtient à la longueur d'onde de fonctionnement de 1.55 rnicron une amélioration de 25% de la variation d'indice, ce qui signifie une augmentation de 25% de l'accordabitilité. Avec un matériau en tension à -0.7%, 25 correspondant à la courbe en tirets, on obtient une augmentation de 45% de la variation d'indice, à la condition de fonctionner dans le mode TM. Il existe différents types de matériaux permettant de réaliser une section de Bragg soumise à une contrainte. On peut, par exemple, utiliser des structures à multi-puits quantiques encore appelées structures MQW 30 signifiant Multi Quantum Wells. Cependant, il n'est pas possible de réaliser des structures MQW avec des taux de confinement I'Q aussi importants que dans des matériaux massifs, car les porteurs ne sont pas accurnulés dans les barrières qui ne participent donc pas à l'accordabilité. Typiquement, les valeurs maximales de rQ dans les puits sont d'environ 35%, contre 70% dans 35 du matériau massif. Par conséquent, on utilise préférentiellement pour 2906412 8 réaliser une section de Bragg selon l'invention un matériau massif encore appelé bulk permettant d'atteindre un taux de confinement élevé. La réalisation de matériau massif sous contrainte est une 5 technique courante. Elle consiste à déposer des couches de matériau, par exemple par des procédés épitaxiaux, avec des paramètres de maille différents. On crée ainsi des contraintes biaxiales soit en compression soit en tension selon que le paramètre de maille entre les différentes couches augmente ou diminue. En fonction du matériau utilisé et de son épaisseur, il 10 existe un seuil maximal de contrainte au-delà duquel des mécanismes de relaxation mécaniques et de dislocations peuvent apparaître. Pour repousser ces limites, il est possible d'insérer des couches fines avec une contrainte opposée. Par exemple, les couches sont en tension dans un matériau en compression afin de compenser les effets mécaniques. De façon générale, la 15 contrainte appliquée au matériau massif peut atteindre quelques dixièmes de pour cent. REVENDICATIONS 1. Dispositif à semi-conducteur accordable à réseau de Bragg distribué comprenant une section passive de Bragg comportant un matériau dont les variations d'indice optique sont commandés par un courant d'injection, caractérisé en ce que ledit matériau de la section de E3ragg est un matériau massif contraint. 2. Dispositif à semi-conducteur accordable à réseau de Bragg distribué selon la revendication 1, caractérisé en ce que la contrainte appliquée au matériau massif vaut au moins 0.1 %. 3. Dispositif à semi-conducteur accordable à réseau de Bragg distribué selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau comprend une succession de couches, les unes sous contrainte, les autres sans contrainte. 4. Dispositif à semi-conducteur accordable à réseau de Bragg distribué selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la contrainte est exercée en compression. 5. Dispositif à semi-conducteur accordable à réseau de Bragg 25 distribué selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la contrainte est exercée en tension. 6. Dispositif à semi-conducteur accordable à réseau de Bragg distribué selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 30 le matériau est en matériau quaternaire. 7. Dispositif à semi-conducteur accordable à réseau de Bragg distribué selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau quaternaire est l'IngaAsP, la longueur d'onde correspondant au maximum de 2906412 10 photoluminescence valant 1.45 micron, ledit matériau étant connu sous la dénomination Q 1,45. 8. Dispositif à semi-conducteur accordable à réseau de Bragg 5 distribué selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif est un laser accordable de type DBR.