Brevet FR2909192A1 — publié le 20080530

ISOLATEUR OPTIQUE INTEGRE COMPORTANT UN RESEAU DE BRAGG Le domaine de l'invention est celui des dispositifs optiques comportant une source d'émission laser semi-conducteur et un isolateur optique. Ces dispositifs sont utilisés principalement dans le domaine des télécommunications numériques haut débit. On sait qu'une source laser peut être rendue instable par un faisceau optique parasite issu du faisceau d'émission initial et réfléchi par une surface optique externe à la cavité du laser et réinjecté dans la cavité laser. Pour diminuer ce phénomène, deux solutions sont possibles. La première solution consiste à modifier la structure de la source laser de façon à diminuer sa sensibilité aux retours optiques. On peut utiliser, à cette fin, des lasers à contre-réaction répartie dit DFB, acronyme anglo-saxon de Distributed Feed Back . On peut également disposer à la sortie du laser un isolateur optique. Sa fonction est de laisser passer la lumière issue du laser et d'éliminer toute lumière parasite venant dans le sens opposé. Par principe, un isolateur optique met en oeuvre un effet optique non réciproque permettant d'assurer cette fonction. Il utilise généralement l'effet Faraday. Cet effet magnéto-optique consiste en une rotation de la polarisation rectiligne de la lumière qui traverse un matériau ferromagnétique. Ainsi, en plaçant ce type de matériau entre polariseurs convenablement disposés, il est possible de transmettre la lumière se propageant dans un premier sens et de la bloquer dans le sens opposé. Ces dispositifs sont cependant mal adaptés aux dispositifs optiques comportant des lasers à semi-conducteurs dans la mesure où ils nécessitent un certain nombre de composants difficilement intégrables dans des dispositifs dont les dimensions sont de l'ordre du millimètre. Enfin, il est possible d'utiliser des isolateurs optiques à absorption non réciproque d'un mode guidé utilisant l'effet Kerr magnéto-optique. On sait que l'indice optique effectif du mode guidé est complexe. Il comprend une partie réelle et une partie imaginaire proportionnelle à l'absorption du matériau. Or, en présence d'un matériau ferromagnétique avec une 2909192 2 aimantation rémanente, l'indice optique effectif du mode guidé polarisé transverse magnétique dit TM dépend du sens de propagation de la lumière. La figure 1 présente les variations des parties réelle et imaginaire de l'indice optique effectif du mode guidé du mode optique transverse magnétique de 5 ce type de matériau en fonction du sens de propagation de la lumière. En l'absence d'aimantation, l'indice optique dans le matériau 10 vaut n. En présence d'aimantation symbolisée par un cercle noir barré d'une croix, selon le sens de propagation de la lumière symbolisée par une flèche droite rayée, l'indice effectif du mode guidé n devient nt dans un premier sens de 10 propagation et mi, dans le sens opposé. La différence entre les deux parties imaginaires P.I. des indices nt et n.l donne le rapport d'isolation R.I.. Par conséquent, selon son sens de propagation, un faisceau de lumière sera plus ou moins absorbé par ce type de matériau. 15 Ces derniers isolateurs sont bien adaptés pour être intégrés à des dispositifs optiques comportant une source laser semi-conducteur. Dans ce cas, ils sont généralement intégrés à une structure amplificatrice de type SOA, acronyme anglo-saxon signifiant Semiconductor Optical Amplifier. Ainsi, l'amplification optique fournie par le SOA compense, dans un premier 20 sens de propagation, l'absorption plus faible du matériau. Dans le sens opposé de propagation, l'absorption reste prédominante et atténue le faisceau de lumière de façon à éviter les retours. Dans ce dernier cas, l'isolateur optique 20 est généralement une structure dite à ruban enterré encore appelée structure BRS, acronyme 25 anglo-saxon de Buried Ridge Stripe. Le schéma en coupe d'une telle structure est représenté sur la figure 2. Elle comprend essentiellement et successivement : • Un substrat 1 en matériau semi-conducteur en InP dopé n commun avec celui du laser ; • Une partie active 2 également commune avec celle du laser ; • Une couche 3 en matériau semi-conducteur dopé p. Cette couche également commune avec celle du laser est cependant, dans la partie isolateur, d'épaisseur beaucoup plus faible afin que le champ magnétique soit au plus près 30 35 2909192 3 de la couche active. Son épaisseur ne dépasse pas quelques dixièmes de microns. • Une couche de contact électrique disposée sous le premier substrat 1 non représentée sur les figures et une couche de contact électrique supérieure 5 disposée sur le second substrat 3. Les électrodes sont disposées sur ces couches de contact. Les électrodes amènent le courant nécessaire à l'amplification du rayonnement laser. • Une couche de matériau magnéto-optique 4 qui peut être, par exemple, en alliage de Fer-Cobalt. La direction de l'aimantation du matériau est symbolisé par une flèche sur la figure 2. Cette couche assure à la fois l'aimantation de la couche active et le contact électrique. 15 Le faisceau optique émis par le laser semi-conducteur se propage à travers la couche active commune au laser et à l'isolateur. Il est représenté par une flèche blanche sur la figure 2. Cette configuration permet d'assurer à la fois l'amplification du 20 faisceau lumineux issu du laser à semi-conducteur et l'absorption de la lumière parasite venant en sens inverse du sens de propagation. Cependant, les matériaux actuels ne permettent pas d'obtenir des rapports d'isolation complètement satisfaisants. Ainsi, un isolateur dont la couche magnétique est en Fe-Co et ayant une longueur de 2 millimètres présente des pertes 25 d'insertion d'environ 11 dB lorsqu'un courant de 150 mA lui est appliqué. Avec les matériaux actuels, même s'il est possible d'allonger encore la longueur de l'isolateur, il semble que l'on soit proche de performances maximales. En effet, les performances d'un isolateur résultent d'un nécessaire compromis entre le facteur de confinement optique dans la 30 couche magnétique qui induit des pertes optiques et le gain de la structure amplificatrice qui doit compenser ces pertes. Le principe de fonctionnement de ces isolateurs est basé sur la variation non réciproque de la partie imaginaire de l'indice optique effectif du mode guidé. L'idée nouvelle mise en oeuvre dans les dispositifs selon 5 10 2909192 4 l'invention est, d'une part de baser le fonctionnement du dispositif également sur la variation non réciproque de la partie réelle de l'indice optique et, d'autre part d'amplifier cette variation en utilisant une disposition optique particulière. 5 Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif optoélectronique comprenant au moins un guide optique en forme de ruban dans lequel une onde optique peut se propager à une première longueur d'onde donnée, ledit dispositif comportant également une couche de matériau 10 magnéto-optique à fort effet Kerr induisant dans le guide optique un indice optique effectif du mode guidé non réciproque, ledit indice optique effectif ayant une première valeur dans un premier sens de propagation de l'onde optique et une seconde valeur dans le sens opposé, ledit dispositif comportant également un réseau de diffraction plan couplé avec ledit guide 15 optique, ledit réseau comportant une série de structures périodiquement espacées, induisant un confinement optique périodique dans le matériau magnéto-optique, la forme, le pas, le nombre des structures et la différence d'indice optique étant tels que, dans un premier sens de propagation de l'onde optique, le réseau a un coefficient de réflexion faible et que dans le 20 sens de propagation opposé de l'onde optique, le réseau a un coefficient de réflexion élevé, de façon à réaliser une isolation optique vis-à-vis de l'onde de propagation. Avantageusement, l'ensemble guide optique-réseau constitue un isolateur optique, la forme, le pas, le nombre des structures et la différence 25 d'indice optique du réseau étant tels que : • dans le premier sens de propagation de l'onde optique, le coefficient de réflexion du réseau en fonction de la longueur d'onde est une courbe symétrique centrée sur une seconde longueur d'onde différente de celle de l'onde optique et d'une 30 largeur spectrale inférieure à la différence entre la première longueur d'onde et la seconde longueur d'onde, • dans le sens de propagation opposé de l'onde optique, le coefficient de réflexion du réseau en fonction de la longueur d'onde est une courbe symétrique centrée sur une troisième 35 longueur d'onde et d'une largeur spectrale supérieure à la 2909192 5 différence entre la première longueur d'onde et la troisième longueur d'onde. Avantageusement, le dispositif comporte également une structure 5 amplificatrice de type SOA intégrée à l'isolateur. Avantageusement, le dispositif comporte un laser à semi-conducteur réalisé sur le même substrat que l'isolateur, le réseau de diffraction servant de miroir de Bragg pour le laser. Avantageusement, l'ensemble du dispositif est réalisé sur un 10 substrat semi-conducteur. Avantageusement, le plan du réseau de diffraction est substantiellement ou parallèle ou perpendiculaire au plan du guide d'onde, Avantageusement, l'isolateur est réalisé sur un substrat semi-conducteur et le matériau ferro-magnétique à effet Kerr est un alliage de fer 15 ou un alliage de fer et de cobalt ou un alliage à base de manganèse ou un semiconducteur à base de manganèse ou un grenat de fer éventuellement dopé. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 20 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 les variations de l'indice optique effectif du mode guidé en fonction du sens de propagation de la lumière, la structure du guide comportant un matériau magnéto-optique aimanté dans des 25 directions opposées ; • La figure 2 représente une vue en perspective d'un dispositif opto-électronique comportant un isolateur selon l'art antérieur ; • Les figures 3 et 4 représentent les variations en fonction de la longueur d'onde du coefficient de réflexion d'un réseau de diffraction non 30 réciproque dans un sens de propagation et dans le sens opposé ; • La figure 5 représente le principe de fonctionnement d'un isolateur avec réseau selon l'invention ; • La figure 6 représente une vue en perspective d'un dispositif opto-électronique comportant un isolateur selon l'invention. 35 2909192 6 Les dispositifs d'isolation selon l'invention reposent sur deux principes : • d'une part de baser le fonctionnement du dispositif sur la variation non réciproque de la partie réelle de l'indice optique 5 effectif du mode guidé ; • d'autre part d'amplifier cette variation en utilisant un réseau de diffraction. De façon générale, un réseau de diffraction comporte une série de 10 structures régulièrement espacées, la distance séparant deux structures successives étant appelée le pas du réseau. Ces structures sont généralement identiques pour tout le réseau. Connaissant la forme géométrique, l'indice optique, le pas et le nombre des structures, on peut facilement calculer le coefficient de réflexion en fonction de la longueur 15 d'onde. Généralement, il est caractérisé par une longueur d'onde centrale et une largeur spectrale. A la longueur d'onde centrale, le coefficient de réflexion du réseau est maximal. La largeur spectrale correspond à la largeur du spectre tel que le coefficient de réflexion du réseau est au moins égal à la moitié du coefficient de réflexion maximal. Bien entendu, si l'indice optique 20 des matériaux utilisés pour la réalisation du réseau varie, le coefficient de réflexion R en fonction de la longueur d'onde ?, varie également. On obtient ainsi les courbes telles que représentées en figures 3 et 4. Sur la figure 3, l'indice optique effectif du mode guidé a une première valeur. Les paramètres du réseau sont tels que le réseau est 25 parfaitement accordé sur une longueur d'onde centrale A cette longueur d'onde, le coefficient de réflexion R est maximal, et la largeur spectrale AX+ de la courbe représentant le coefficient de réflexion en fonction de la longueur d'onde est étroite. Sur la figure 4, l'indice optique effectif du mode guidé a une 30 seconde valeur. A la longueur d'onde centrale X0 , le coefficient de réflexion R est plus faible. A l'inverse, la largeur spectrale AX- de la courbe représentant le coefficient de réflexion en fonction de la longueur d'onde, s'est élargie. 2909192 7 On peut utiliser ces propriétés des réseaux pour réaliser différents dispositifs d'isolation optique. En utilisant à titre d'exemple ces matériaux ferromagnétiques aimantés à fort effet magnéto-optique pour réaliser le réseau et en ajustant les différents paramètres du réseau, il est possible 5 d'obtenir un réseau dont les variations du coefficient de réflexion dans un premier sens de propagation soient celles de la figure 3 et dans le sens opposé de propagation celle de la figure 4. A titre de premier exemple, on peut réaliser un isolateur optique autonome dont le principe de fonctionnement est indiqué sur la figure 5. On 10 choisit alors judicieusement les longueurs d'onde centrales Xo+ et Xo- du réseau de façon que: • dans le sens de propagation, la largeur spectrale 0X+ étant inférieure à la différence entre la longueur d'onde de propagation Xp et la longueur d'onde centrale du réseau 15 2,o+, le réseau présente un coefficient de réflexion R faible ; • dans le sens inverse de propagation, la largeur spectrale Aa,- étant supérieure à la différence entre la longueur d'onde de propagation ?p et la longueur d'onde centrale X0 du réseau, le réseau présente un coefficient de réflexion R 20 élevé. On obtient ainsi l'effet d'isolation désiré. A titre de second exemple, il est également possible de réaliser un laser à semi-conducteur intégrant la fonction d'isolation en remplaçant le 25 miroir de Bragg à indice optique isotrope de la cavité dont les propriétés de réflexion sont indépendants du sens de propagation de l'onde par un réseau selon l'invention. On peut ainsi isoler l'onde se propageant dans la cavité des ondes extérieures qui se propagent en sens inverse. 30 La réalisation technique d'une structure d'isolateur avec réseau non réciproque selon l'invention ne pose pas de problèmes techniques particuliers. A titre d'exemple non limitatif, la figure 6 représente une vue en perspective d'un dispositif opto-électronique de type SOA comportant un isolateur selon l'invention. II comprend essentiellement et successivement : 35 • Un substrat 1 en matériau semi-conducteur en InP dopé n ; 2909192 8 • Une partie active en forme de ruban 2; • Une couche 3 en matériau semi-conducteur dopé p. Cette couche est d'épaisseur faible de façon que le champ magnétique soit au plus près de la couche active. Son épaisseur ne dépasse pas quelques dixièmes de microns. • Un réseau 4 réalisé en matériau magnéto-optique qui peut être, par exemple, en alliage de Fer-Cobalt. D'autres matériaux et d'autres alliages réalisés à partir de fer, de cobalt ou de manganèse sont, bien entendu, possibles. Par exemple, on peut utiliser un semiconducteur à base de manganèse ou un grenat de fer éventuellement dopé. L'aimantation du matériau est symbolisé par une flèche sur la figure 2. Cette dernière couche assure à la fois l'aimantation de la couche active et le contact électrique. La direction moyenne des structures 41 constituant ce réseau est perpendiculaire à la direction moyenne du ruban de la partie active 2. Le faisceau optique émis par le laser semi-conducteur se propage 20 à travers la couche active commune au laser et à l'isolateur et la couche de contact électrique. II est représenté par une flèche blanche sur la figure 6. Dans ce cas, la polarisation du faisceau optique représentée par une flèche double sur la figure 6 est perpendiculaire au plan moyen des couches. Le réseau peut être réalisé, par exemple, en gravant directement la couche 25 magnéto-optique en Fe-Co. Comme indiqué sur la figure 6, le plan du réseau de diffraction peut être substantiellement parallèle au plan du guide d'onde. Dans ce cas, l'injection du courant doit se faire latéralement. Il est également possible de graver le réseau de façon que le plan du réseau de diffraction soit 30 substantiellement perpendiculaire au plan du guide d'onde, l'ensemble du dispositif pouvant alors être une structure de type deepridge . 5 10 15 REVENDICATIONS 1. Dispositif opto-électronique comprenant au moins un guide optique (2) en forme de ruban dans lequel une onde optique peut se propager à une première longueur d'onde donnée, ledit dispositif comportant également une couche de matériau magnéto-optique à effet Kerr et un réseau de diffraction plan (4) couplé avec ledit guide optique, caractérisé en ce que ledit réseau comportant une série de structures (41) identiques régulièrement espacées induisant un confinement optique périodique dans la couche de matériau magnéto-optique à effet Kerr, l'indice effectif du mode guidé ayant une première valeur dans un premier sens de propagation de l'onde optique et une seconde valeur dans le sens opposé, la forme, le pas, le nombre des structures et la différence d'indice optique étant tels que, dans un premier sens de propagation de l'onde optique, le réseau a un coefficient de réflexion (R) faible et que dans le sens de propagation opposé de l'onde optique, le réseau a un coefficient de réflexion (R) élevé, de façon à réaliser une isolation optique vis-à-vis de l'onde de propagation. 2. Dispositif opto-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble guide optique-réseau constitue un isolateur optique (20), la forme, le pas, le nombre des structures et la différence d'indice optique du réseau étant tels que : • dans le premier sens de propagation de l'onde optique, le coefficient de réflexion du réseau en fonction de la longueur d'onde est une courbe symétrique centrée sur une seconde longueur d'onde différente de celle de l'onde optique et d'une largeur spectrale inférieure à la différence entre la première longueur d'onde et la seconde longueur d'onde, • dans le sens de propagation opposé de l'onde optique, le coefficient de réflexion du réseau en fonction de la longueur d'onde est une courbe symétrique centrée sur la même seconde longueur d'onde et d'une largeur spectrale supérieure à la différence entre la première longueur d'onde et la seconde longueur d'onde. 2909192 10 3. Dispositif optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif comporte également une structure amplificatrice de type SOA intégrée à l'isolateur. 4. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif comporte également un laser à semi-conducteur réalisé sur le même substrat, le réseau de diffraction servant de miroir de Bragg pour le laser. 5. Dispositif optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble du dispositif est réalisé sur un substrat semi-conducteur. 15 6. Dispositif optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plan du réseau de diffraction est substantiellement parallèle au plan du guide d'onde. 7. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 5, 20 caractérisé en ce que le plan du réseau de diffraction est substantiellement perpendiculaire au plan du guide d'onde, l'ensemble du dispositif étant une structure de type deepridge . 8. Dispositif optique selon l'une des revendications précédentes, 25 caractérisé en ce que le matériau magnéto-optique à effet Kerr est ou un alliage à base de fer ou un alliage à base de cobalt ou un alliage à base de manganèse ou un semiconducteur à base de manganèse ou un grenat de fer éventuellement dopé. 5 10