Brevet FR2905036A1 — publié le 20080222

AMPLIFICATEUR OPTIQUE A SEMI-CONDUCTEUR A BANDE PASSANTE ELARGIE Le domaine de l'invention est celui des amplificateurs optiques pour dispositifs à fibres optiques utilisés notamment en télécommunications optiques. L'amplification optique qui existe maintenant depuis une vingtaine d'années présente de nombreux avantages sur les systèmes classiques composés de répéteurs-régénérateurs opto-électroniques, en particulier dans les systèmes à multiplexage en longueur d'onde dit WDM, acronyme signifiant Wavelength Division Multiplexing . Dans ces systèmes WDM, les amplificateurs optiques permettent d'amplifier simultanément plusieurs signaux à des longueurs d'onde différentes. L'amplification optique repose sur le phénomène d'émission stimulée. Le signal est amplifié dans un guide grâce à un apport d'énergie extérieur appelé pompage qui vient créer une inversion de population au sein du milieu amplificateur. Les photons incidents donnent naissance en traversant le milieu amplificateur à des photons de même fréquence de même phase et de même direction. Actuellement, il existe deux grands types d'amplificateurs optiques. Ce sont, d'une part, les amplificateurs à fibre dopé Erbium plus connus sous la dénomination EDFA signifiant Erbium Doped Fiber Amplification et d'autre part les amplificateurs à semi-conducteur, plus connus sous l'appellation SOA signifiant Semiconductor Optical Amplification . Dans le cas des EDFA, le pompage est un pompage optique assuré par un laser de pompe, dans le cas des SOA, le pompage est d'origine électronique, un courant électrique de pompe assurant l'inversion de population dans une zone active. Un des paramètres importants d'un amplificateur est la largeur spectrale de sa courbe de gain. Cette largeur est plus connue sous l'acronyme OBW, signifiant Optical BandWith . Elle est classiquement définie comme la largeur spectrale correspondant à la plage de longueur 2905036 2 d'onde, dans laquelle le gain est supérieur à la moitié du gain maximum, comme indiqué en figure 1 qui représente la variation A du gain en fonction de la longueur d'onde optique X. Lorsque les amplificateurs optiques sont utilisés dans les dispositifs WDM, la largeur de bande optique OBW est un 5 paramètre fondamental. En effet, les différents canaux de transmission étant séparés d'une certaine largeur spectrale imposée par les normes de transmission optiques, I'OBW va déterminer le nombre maximal de canaux susceptibles d'être amplifiés. La distance séparant deux canaux peut atteindre 20 nanomètres en configuration de base ou coarse WDM. Ainsi, 10 pour amplifier huit canaux correspondant aux bandes de télécommunications optiques S-C-L, un OBW de 140 nanomètres est nécessaire. Or, la bande passante d'un amplificateur EDFA ne dépasse pas 40 nanomètres et la bande passante d'un amplificateur de type SOA standard ne dépasse pas 80 nanomètres. Par conséquent, dans le meilleur 15 des cas, deux amplificateurs SOA sont nécessaires pour amplifier la totalité des huit canaux utiles, chacun des deux amplificateurs étant dédié à une partie de la bande passante. Cette solution est nécessairement complexe à mettre en oeuvre et présente un surcoût important. L'objet de l'invention est d'accroître la bande passante d'un 20 amplificateur SOA de façon qu'un plus grand nombre de canaux puisse être amplifié simultanément. Le coeur de l'invention est d'ajouter dans l'amplificateur un élément qui induit des pertes modérées dans la zone de gain maximal de façon à élargir la bande passante de la courbe de gain. 25 Plus précisément, l'invention a pour objet un amplificateur optique à semi-conducteur possédant une zone active, ladite zone active ayant une courbe de gain initiale dépendant de la longueur d'onde et possédant une première largeur de bande, caractérisé en ce que ledit amplificateur comprend au voisinage de ladite zone active un guide d'onde à cristaux 30 photoniques électriquement accordable, ledit guide étant dimensionné et accordé de façon que la courbe finale de gain de l'amplificateur optique ait une seconde largeur de bande supérieure à la première largeur de bande. Avantageusement, la zone active ayant sensiblement la forme d'un ruban droit allongé de faible épaisseur, le guide d'onde à cristaux 2905036 3 photoniques est constitué de deux structures identiques symétriquement disposées de part et d'autre dudit ruban. Avantageusement, chaque structure comporte essentiellement une pluralité de trous de forme sensiblement cylindrique, les axes des 5 cylindres étant parallèles entre eux et perpendiculaires au plan moyen du ruban de la zone active. Avantageusement, le ruban a une longueur d'environ un millimètre, la structure a une largeur de quelques dizaines de microns dans la direction du ruban, les trous ont un diamètre moyen voisin de cent 10 nanomètres et une profondeur moyenne de trois microns et la distance séparant un trou de son voisin immédiat est de quelques centaines de nanomètres. Avantageusement, la densité de trous dans chaque structure est sensiblement uniforme. 15 Avantageusement, la densité de trous dans chaque structure varie continûment dans une direction parallèle à celle du ruban ou dans une direction perpendiculaire à celle du ruban. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un 20 amplificateur optique à semi-conducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes de réalisation suivantes : • 1 ère étape : Réalisation de la zone active sous la face supérieure d'un substrat. II existe un certain nombre de 25 techniques connues de l'homme du métier permettant de réaliser cette étape ; • 2ème étape : Dépôt d'une couche de protection sur la dite face supérieure dudit substrat en dehors de zones non protégées correspondant à l'implantation des futurs trous constituant le 30 guide d'onde à cristaux photoniques, le dépôt étant réalisé par résinage, masquage et insolation par faisceaux électroniques ; • 3ème étape : Gravure des trous dans les zones non protégées ; • 4ème étape : Implantation des électrodes de commande. 2905036 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 : • La figure 1 représente la variation de la courbe de gain en 5 fonction de la longueur d'onde dans un amplificateur optique à semi-conducteur selon l'art antérieur ; • La figure 2 représente une vue de dessus d'un amplificateur optique selon l'invention ; • La figure 3 représente la variation de la courbe de gain en 10 fonction de la longueur d'onde dans un amplificateur optique à semi-conducteur selon l'invention ; • Les figures 4 à 6 représentent diverses configurations de la structure du guide d'onde à cristaux photoniques selon l'invention ; • Les figures 7 à 11 représentent, vues en coupe, les différentes 15 étapes du procédé de réalisation d'un amplificateur optique selon l'invention, les coupes à gauche des figures étant effectuées en dehors de la zone du cristal photonique, les coupes à droite des figures étant effectuées au centre de la zone du cristal photonique. 20 Classiquement, un amplificateur photonique comporte une zone active réalisée dans un substrat. Celle-ci a généralement la forme d'un ruban droit. Elle est réalisée dans un matériau haut indice par rapport à celui du substrat afin d'assurer la propagation guidée des ondes optiques. Sa longueur est de l'ordre du millimètre, sa largeur de quelques microns et son 25 épaisseur de quelques centaines de nanomètres. Des électrodes assurent l'injection du courant de pompe à l'intérieur de la zone active de façon à assurer l'inversion de population nécessaire à l'amplification d'un signal optique traversant la zone active. Comme indiqué en figure 1, le gain d'amplification dépend de la longueur d'onde. II passe par un maximum et 30 comme il a été dit, a une largeur spectrale appelée OBW. Dans un amplificateur selon l'invention tel que représenté sur la vue de dessus de la figure 2, l'amplificateur 1 comprend au voisinage de la zone active 2 un guide d'onde 3 à cristaux photoniques électriquement accordable. Pour faciliter la lecture, toutes les figures représentant 2905036 5 l'amplificateur ou le guide d'onde sont disposées dans un même repère (O, X, Y, Z). Ainsi, la vue de dessus de la figure 2 est dans un plan (O, X, Y). Ce guide 3 à cristaux photoniques est constitué de deux structures 4 identiques symétriquement disposées de part et d'autre du ruban de la zone active 2. 5 Les cristaux photoniques sont des structures périodiques conçues pour modifier la propagation des ondes électromagnétiques. Le phénomène physique sous-jacent étant la diffraction de la lumière par la microstructure, la périodicité du cristal doit être de l'ordre de la moitié de la longueur d'onde de la lumière incidente pour générer des interférences, soit entre 400 et 600 10 nanomètres pour fonctionner dans le proche infra-rouge. Ces structures sont actuellement la source de nombreuses expériences en optique telles que l'inhibition de l'émission spontanée, les miroirs omnidirectionnels à haute réflectivité ainsi que des guides d'ondes à faibles pertes.... Les cristaux photoniques permettent déjà le contrôle et la manipulation de la lumière en 15 vue d'applications de type télécommunications. Ces cristaux ont en effet atteint le niveau de maturité nécessaire pour le développement d'applications industrielles. Pour l'application recherchée, les structures du guide sont constituées essentiellement d'une pluralité de micro-trous 5 déposés 20 régulièrement. Le guide présente alors la propriété d'atténuer le signal optique transitant dans la zone active. Cette atténuation, dépendante de la longueur d'onde, est créée par le couplage entre le mode fondamental et un mode d'ordre supérieur contra-propagatif. Elle passe par un maximum pour une longueur d'onde donnée. Ce maximum peut être réglé en injectant au 25 moyen d'électrodes un courant à travers le guide. L'atténuation dépend également des caractéristiques physiques du guide d'onde. Ainsi, en jouant à la fois sur le courant traversant le guide d'onde et sur ses caractéristiques physiques, il est possible d'atténuer la courbe initiale de la zone active dans sa zone de gain maximal pour obtenir une courbe de gain présentant un 30 plateau où les variations en fonction de la longueur d'onde sont faibles. On élargit ainsi I'OBW du milieu amplificateur, ce qui est le but recherché. Ainsi, sur la figure 3, la courbe de gain représentée en pointillés de la zone active seule a une première largeur OBW1 et la courbe de gain représentée en traits continus de l'amplificateur avec guide d'onde a une 35 seconde largeur OBW2 nettement supérieure à OBW1. L'optimisation de la 2905036 6 courbe de gain par l'introduction d'un cristal photonique au voisinage de la zone active peut être faite par des simulations informatiques. On peut utiliser, à cet effet, le logiciel de simulation Fdtd 2d simulator for Photonic devices (F2P) , développée par Min Qiu du Royal Institute of Technology de 5 Suède ou KTH . Les trous 5 sont sensiblement de forme cylindrique, les axes des cylindres étant parallèles entre eux et perpendiculaires au plan moyen du ruban de la zone active. Sur les figures, les axes des trous sont parallèles à la direction (O, Z). 10 Les caractéristiques principales du guide d'onde sont essentiellement les paramètres géométriques des trous constituant le guide d'onde et leur répartition. Généralement, les trous ont un diamètre d'environ 100 nanomètres et une profondeur de 3 microns. La répartition des trous permet également de moduler l'atténuation introduite par le guide. A titre 15 d'exemples non limitatifs, les figures 4, 5 et 6 représentent trois répartitions possibles de trous également en vue de dessus. Sur la figure 4, la densité de trous 5 de part et d'autre de la zone active est sensiblement uniforme. Sur la figure 5, la densité de trous 5 dans chaque structure varie continûment dans une direction OX parallèle à celle du ruban. Sur la figure 6, la densité de 20 trous 5 dans chaque structure varie continûment dans une direction OY perpendiculaire à celle du ruban de la zone active. Bien entendu, d'autres répartitions sont possibles. La réalisation technique d'un amplificateur optique à semiconducteur ne pose pas de problèmes particuliers. A titre d'exemple, les figures 7 à 11 représentent, vue en coupe dans le plan (O, Y, Z), les différentes étapes du procédé de réalisation d'un amplificateur optique selon l'invention, les coupes de gauche étant effectuées en dehors de la zone du cristal photonique , les coupes de droite étant effectuées au centre de la 30 zone du cristal photonique. Sur ces figures, les quatre principales étapes de réalisation sont représentées : Etape 1 représentées sur les figures 7 et 8 : Réalisation de la zone active 2 : 2905036 7 • Réalisation de la couche 20 constituant la structure active sur un substrat 10. Cette couche est commune à la zone du cristal photonique ; • Réalisation du mésa constituant la zone active 2 par 5 gravure de la couche constituant la structure active puis rebouchage du mésa ; • Réalisation d'une couche supérieure au-dessus de la zone active enterrée ; Etape 2 représentée sur la figure 9 : Réalisation de l'empreinte du 10 guide d'ondes photonique : • Dépôt d'une couche de résine 30 de protection sur la couche supérieure ; • masquage des zones situées hors du guide d'ondes ; • Insolation de la couche de résine, par exemple, par lithographie e-beam permettant de supprimer la résine de protection à l'emplacement des futurs trous 50 constituant le guide d'ondes photonique ; Etape 3 représentée sur la figure 10: Réalisation du guide d'ondes : • Gravure des trous 5 constituant le guide d'ondes photonique et ; • Nettoyage de la résine de protection ; Etape 4 représentée sur la figure 11 : Finition : • Métallisation des zones 40 correspondant aux électrodes de commande de la zone active et du guide d'ondes. 15 20 25 REVENDICATIONS 1. Amplificateur optique à semi-conducteur (1) possédant une zone active (2), ladite zone active ayant une courbe de gain initiale dépendant de la longueur d'onde et possédant une première largeur de bande (OBW1), caractérisé en ce que ledit amplificateur (1) comprend, au voisinage de ladite zone active, un guide d'onde (3) à cristaux photoniques électriquement accordable, ledit guide étant dimensionné et accordé de façon que la courbe finale de gain de l'amplificateur optique ait une seconde largeur de bande (OBW2) supérieure à la première largeur de bande (OBW1). 2. Amplificateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone active (2) ayant sensiblement la forme d'un ruban droit allongé de faible épaisseur, le guide d'onde à cristaux photoniques est constitué de deux structures identiques (4) symétriquement disposées de part et d'autre dudit ruban. 3. Amplificateur optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque structure (4) comporte essentiellement une pluralité de trous (5) de forme sensiblement cylindrique, les axes des cylindres étant parallèles entre eux et perpendiculaires au plan moyen du ruban de la zone active (2). 4. Amplificateur optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le ruban de la zone active a une longueur d'environ un millimètre, chaque structure (4) a une largeur de quelques dizaines de microns dans la direction du ruban, que les trous (5) ont un diamètre moyen voisin de 100 nanomètres et une profondeur moyenne de 3 microns, que la distance séparant un trou de son voisin immédiat est de quelques centaines de nanomètres. 2905036 9 5. Amplificateur optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la densité de trous (5) dans chaque structure est sensiblement uniforme. 6. Amplificateur optique selon la revendication 3, caractérisé en ce 5 que la densité de trous (5) dans chaque structure (4) varie continûment dans une direction parallèle à celle du ruban. 7. Amplificateur optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la densité de trous (5) dans chaque structure (4) varie continûment dans 10 une direction perpendiculaire à celle du ruban. 8. Procédé de réalisation d'un amplificateur optique à semi-conducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes de réalisation suivantes : 15 • lève étape : Réalisation de la zone active (2) sur la face supérieure d'un substrat (10) ; ^ 2ème étape : Dépôt d'une couche de protection (30) sur la dite face supérieure dudit substrat en dehors de zones non protégées correspondant à l'implantation des futurs trous 20 constituant le guide d'onde à cristaux photoniques, le dépôt étant réalisé par résinage, masquage et insolation par faisceaux électroniques ; ^ 3ème étape : Gravure des trous (5) dans les zones non protégées ; 25 • 4ème étape : Implantation des électrodes de commande.