Brevet FR2910643A1 — publié le 20080627

COMPOSANT OPTO-ELECTRONIQUE COMPORTANT UN RESEAU DE DIFFRACTION A STRUCTURE TRANSVERSE Le domaine de l'invention est celui des composants optoélectroniques. L'invention peut s'appliquer et s'adapter à un grand nombre de structures. Elle s'applique notamment aux structures dites BRS. Un grand nombre de composants opto-électroniques sont réalisés selon différentes technologies dont celle dite BRS, acronyme anglo-saxon de Buried Ridge Stripe, signifiant qu'ils possèdent une structure dite à ruban enterré et intègrent, le long d'un guide monomode, un réseau de diffraction à couplage par le gain ou l'indice. On citera notamment les lasers à contre- réaction répartie dits DFB, acronyme anglo-saxon de Distributed Feed Back , les composants à réseau de Bragg distribué dits DBR, acronyme signifiant Distributed Bragg Reflector , les amplificateurs optiques dits SOA, acronyme signifiant Semiconductor Optical Amplifier et les filtres optiques. Les composants de ce type sont généralement réalisés au moyen d'un procédé qui comporte trois grandes étapes principales notées 1, 2 et 3 et qui sont représentées sur la figure 1. Généralement, compte-tenu de la taille de ces composants, on réalise simultanément une grande quantité de composants. Aussi, sur la figure 1, on a représenté la réalisation de trois composants. Les figures représentent les composants en vue de dessus et en vue en coupe, la coupe étant réalisée selon le plan de coupe symbolisé classiquement par une ligne en pointillés verticale et deux flèches droites horizontales. Dans une première étape, on réalise sur un substrat 1 une couche 25 2 constituant le futur guide optique monomode. Cette première couche est ensuite recouverte d'une seconde couche 3 qui, une fois gravée constitue le réseau de Bragg 4. Dans une seconde étape, on écrit et on grave l'ensemble des deux couches 2 et 3 de façon à déterminer la largeur du guide et du réseau 30 de Bragg qui le recouvre. Cette étape est également illustrée en figure 2 qui 2910643 2 représente une vue en perspective d'une partie du composant à ce stade de réalisation. Sur cette figure, le réseau 4 a un profil en forme de créneaux. Dans une troisième et dernière étape, on réalise une reprise d'épitaxie d'un matériau approprié 5 de façon à enterrer le guide. On peut 5 ainsi assurer le guidage optique et l'injection électrique. Ce procédé a un inconvénient majeur. En effet, comme on le voit sur la figure 1, les zones comportant des réseaux doivent être suffisamment larges pour permettre un réalignement du guide par photolithographie. On 10 estime que cette tolérance est de l'ordre du micron. Cette technique ne permet donc aucune variation du réseau selon un axe transverse du guide. Il est seulement possible de moduler longitudinalement le pas du réseau en jouant soit sur des variations d'épaisseur de couches définies lors de l'épitaxie de la structure, soit par des variations de facteur d'ouverture du 15 réseau définies lors de l'écriture ou de la gravure du réseau. Or, l'interaction entre le mode optique et le réseau détermine les propriétés optiques essentielles du composant, comme la sélectivité spectrale. Plus précisément, les propriétés spectrales dépendent de la position et de la forme de ce réseau par rapport au guide. Aussi, avec ce 20 procédé de l'art antérieur, les propriétés et les caractéristiques optiques des composants obtenus sont nécessairement limitées. Une solution possible pour remédier aux inconvénients précédents consiste à réaliser des structures de type ridge comme illustré en figure 3. Dans ce cas, la gravure du réseau 4 n'est pas réalisée au-dessus du guide mais transversalement, perpendiculairement au plan moyen du guide. Par ce biais, il est possible d'obtenir un certain contrôle de la forme transverse du réseau. Cependant, ces structures particulières qui ont été employées pour réaliser des diodes laser présentent également un certain nombre d'inconvénients. En effet, il est nécessaire de graver une forte épaisseur de couches comme on peut le voir sur la figure 3, l'épaisseur à graver étant environ dix fois plus importante que celle des structures BRS classiques. Bien entendu, le couplage avec le mode optique circulant dans le guide est exclusivement latéral, entraînant une faible modulation du coefficient de couplage. Il est, d'autre part, techniquement impossible de graver le réseau sur toute la largeur du ruban dans la section laser. Enfin, l'injection électrique 2910643 3 est pénalisée, entraînant une forte résistance série et une faible puissance d'émission. Le but de l'invention est l'amélioration des performances ou 5 l'obtention de nouvelles fonctionnalités au moyen de nouveaux types de réseaux intégrés préférentiellement à des structures BRS mais s'adaptant aussi à tout autre type de structure ruban. D'une façon générale, ces nouveaux réseaux possèdent un pas variable selon au moins un axe perpendiculaire à la direction du guide. Pour réaliser ces nouvelles 10 structures, un procédé de réalisation est proposé. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif optoélectronique comprenant au moins un guide d'onde enterré en forme de ruban allongé et une couche dite couche réseau également en forme de 15 ruban allongé comportant des motifs, chaque motif ayant une forme sensiblement rectangulaire, la longueur du motif étant sensiblement perpendiculaire à la direction de la longueur du ruban de la couche réseau, ladite couche disposée de façon à réaliser un couplage optique avec une onde optique circulant dans le guide d'onde, caractérisé en ce que, la 20 longueur de certains motifs est sensiblement inférieure à la largeur du guide. Avantageusement, les motifs sont des évidements réalisés à l'intérieur de la couche réseau ou en périphérie de la couche réseau, la couche comportant ainsi des indentations. Avantageusement, les motifs sont de taille variable, sont disposés 25 de façon symétrique ou dissymétrique par rapport à l'axe central du de la couche réseau. Avantageusement, la couche réseau comporte au moins une rangée de motifs, l'axe de ladite rangée étant parallèle à l'axe central de la couche réseau, la couche réseau peut également comporter au moins deux 30 ou trois rangées de motifs, les axes des dites rangées étant parallèles à l'axe central de la couche réseau. Avantageusement, les motifs de toutes les rangées sont de forme identique. Avantageusement, le pas séparant deux motifs consécutifs est 35 constant dans chaque rangée ou le pas séparant deux motifs consécutifs 2910643 4 d'une première rangée est différent du pas séparant deux motifs consécutifs d'une seconde rangée. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif selon l'une des caractéristiques précédentes comportant un 5 substrat, le procédé comportant au moins les trois étapes suivantes : • Dépôt sur le substrat de la couche du guide et de la couche réseau puis gravure du réseau ; • Protection de la zone du réseau et poursuite de la gravure du guide jusqu'au substrat ; 10 • Reprise d'épitaxie de façon à enterrer le guide et le réseau. 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 : 15 • La figure 1 représente les trois grandes étapes de réalisation d'une structure BRS selon l'art antérieur ; • La figure 2 représente une vue en perspective de la structure BRS selon l'art antérieur à la fin de la deuxième étape représentée en figure 1; 20 • La figure 3 représente une vue en perspective de la structure Ridge selon une variante de réalisation de l'art antérieur ; • La figure 4 représente une vue en perspective de la structure BRS selon l'invention au cours de son procédé de réalisation ; • Les figures 5 à 13 représentent des vues de dessus du réseau 25 selon l'invention dans diverses configurations possibles ; • La figure 14 représente les trois grandes étapes de réalisation d'une structure BRS selon l'invention. La figure 4 représente une vue en perspective d'une structure 30 BRS selon l'invention dans laquelle on a retiré, pour des raisons de clarté, les couches supérieures de façon à rendre le réseau de diffraction 4 apparent. La couche réseau est en forme de ruban allongé comportant des motifs 41, chaque motif 41 ayant une forme sensiblement rectangulaire. La 35 longueur du motif est sensiblement perpendiculaire à la direction de la 2910643 5 longueur du ruban de la couche réseau. La longueur LM de certains motifs est sensiblement inférieure à la largeur LR du ruban de la couche guide. A partir de cette disposition de base, il existe un grand nombre de configurations possible. A titre d'exemples non limitatifs, certaines 5 configurations sont représentées sur les figures 5 à 13. Pour des raisons de simplicité et de façon à mettre en évidence les variations de structure, ces figures représentent uniquement les réseaux 4 en vue de dessus. Pour des raisons de clarté, les motifs 41 ont systématiquement été représentés par des formes rectangulaires. Bien entendu, les procédés employés pour la 10 réalisation de ces motifs peuvent conduire à des formes sensiblement différentes comme des formes oblongues ou arrondies. La figure 5 représente un réseau 4 dont les motifs 41 sont des évidements réalisés en périphérie de la couche réseau, la couche comportant ainsi des indentations. Comme montré sur la figure 5, ces 15 indentations peuvent être de longueur variable. Dans le cas de la figure 5, la longueur des indentations varie de façon linéaire, mais d'autres variations sont possibles. II est alors possible de moduler finement le coefficient de couplage entre le réseau et le guide le long de ce guide. Sur la figure 6, les motifs 41 sont des évidements réalisés à 20 l'intérieur de la couche réseau. Là encore, en jouant sur la longueur des motifs, il est possible de moduler le coefficient de couplage entre le réseau et le guide le long de ce guide. Les réseaux des figures 5 et 6 qui permettent de moduler finement le coefficient de couplage sont particulièrement bien adaptés aux lasers de 25 type DFB à contre-réaction répartie . En effet, la distribution longitudinale de l'intensité optique à l'intérieur d'un laser dépend fortement de K.L, produit du coefficient de couplage K par la longueur du laser L. Un K.L fort conduit à une concentration importante des photons au centre de la cavité. A contrario, un K.L faible conduit à une concentration des photons aux extrémités de la 30 cavité. Or, une émission monomode ne peut être maintenue que si une distribution uniforme de la densité de photons s'établit dans la cavité. La réalisation d'un réseau à coefficient de couplage variable permet de fabriquer ce type de structure. La figure 7 représente un réseau dont les motifs rectangulaires 41 35 sont des évidements dont la forme varie à la fois dans le sens longitudinal et 2910643 6 dans le sens transverse du ruban, le pas séparant les différents motifs est également variable. On peut ainsi obtenir des modulations très complexes du coefficient de couplage. La figure 8 représente un réseau 4 dont les évidements 41 ont un 5 pas P variable, le pas Pl des motifs étant-plus faible à droite de la figure que le pas P2 situé à gauche de la figure 8. Par cette disposition, on peut réaliser des composants à réseau de Bragg distribué dits DBR réfléchissants à deux longueurs d'onde différentes. La figure 9 représente un réseau dont les motifs 41 sont 10 concentrés aux extrémités du composant. On peut ainsi obtenir un coefficient de réflexion très important sur une section courte située aux extrémités du composant. Ce type de réseau peut notamment être utilisée dans les amplificateurs de type SOA. Ainsi, l'onde traversant le SOA subit de multiples allerretours dans le guide d'onde couplé au réseau, augmentant de façon 15 significative son amplification. La figure 10 représente un réseau 4 possédant une rangée de motifs 41 tous identiques centré sur l'axe central du réseau. La longueur des motifs est inférieure à la largeur du réseau. L'intérêt de ce type de ce réseau est qu'il offre la possibilité de réaliser un couplage différent selon l'ordre du 20 mode se propageant dans le guide. Les indentations au centre du guide vont privilégier le couplage sur le mode fondamental, conduisant à une largeur limite de monomodalité plus grande. En effet, comme indiqué sur la figure 10 où est représentée en traits gras la variation d'intensité lumineuse I du mode fondamental Mo en fonction de la largeur du guide LR, l'énergie du mode 25 fondamental est maximale au centre du guide. A l'inverse, comme également représenté sur la figure 10, l'énergie du mode d'ordre 1 MI est minimale au centre du réseau et maximale sur les bords. Ce mode ne sera donc pas privilégié par le réseau. Lorsque le composant est un laser DFB, la largeur de coupure du guide mono-mode est considérablement élargie. On 30 augmente ainsi la puissance maximum d'émission du laser. Bien entendu, il serait possible de privilégier un autre mode que le mode fondamental. Il suffit de disposer les motifs sur les maxima d'énergie du mode. Ainsi, des indentations sur les bords du guide vont privilégier le couplage sur le mode d'ordre 2. 2910643 7 La figure 11 représente un ensemble de deux réseaux 4 et 8 réalisés dans la même couche réseau. Le premier réseau 4 est constitué d'une rangée de motifs tous identiques 41 centré sur l'axe central de la couche réseau. Les motifs de ce premier réseau ont un premier pas. Le 5 second réseau 8 est constitué de deux rangées de motifs tous identiques 81 situés symétriquement en périphérie de la couche réseau. Les motifs de ce premier réseau ont un second pas différent du premier pas. On peut ainsi réaliser un guide bi-mode. Le premier réseau va favoriser le couplage sur le mode fondamental d'une première onde, le second réseau va favoriser le 10 couplage sur le mode d'ordre 1 d'une seconde onde. La figure 12 représente un ensemble de deux réseaux 4 et 8 réalisés dans la même couche réseau et séparés par une rainure centrale 6. Si les réseaux ainsi réalisés ont des pas différents, il est possible de guider en parallèle sur chaque réseau deux modes optiques différents, chaque 15 mode étant guidé par un des réseaux. La figure 13 représente un ensemble de deux réseaux 4 et 8 réalisés dans une même couche réseau. Chaque réseau est constitué d'une rangée de motifs tous identiques. Les pas des deux réseaux sont différents. Avec ce type de réseaux, il est possible de réaliser des lasers émettant sur 20 deux longueurs d'onde différentes. Il serait possible de réaliser la même fonction avec une seule rangée de motifs. Dans ce cas, la rangée posséderait deux sections, la première avec un premier pas et la seconde avec un second pas différent du premier pas. Bien entendu, il existe de nombreuses variantes possibles de 25 réalisation de réseau voisines de celles décrites ci-dessus. L'homme du métier saura adapter ces configurations en fonction des caractéristiques souhaitées du composant final, sans difficultés particulières. Le procédé de réalisation, en structure BRS, d'un dispositif selon 30 l'invention est décrit en figure 14. Il comporte trois étapes essentielles: Dans une première étape, on réalise sur un substrat 1 le dépôt de la couche du guide 2 et de la couche réseau 3 puis on grave l'ensemble guide-réseau de façon à réaliser les évidements du réseau. On peut utiliser les techniques de lithographie électronique dite encore gravure E-beam. Ces 35 techniques permettent d'obtenir une gravure très fine, avec des précisions de 2910643 8 quelques nanomètres et autorisent une grande liberté dans les dessins géométriques des motifs. Dans une seconde étape, on protège exclusivement la zone du réseau à l'aide d'une résine photosensible. On poursuit ensuite la gravure du 5 guide jusqu'au substrat. Dans une troisième étape, on réalise une reprise d'épitaxie classique d'un matériau 5 approprié de façon à enterrer le guide. On peut ainsi assurer le guidage optique et l'injection électrique. REVENDICATIONS 1. Dispositif opto-électronique comprenant au moins un guide d'onde enterré en forme de ruban allongé et une couche dite couche réseau également en forme de ruban allongé comportant des motifs, chaque motif ayant une forme sensiblement rectangulaire, la longueur du motif étant sensiblement perpendiculaire à la direction de la longueur du ruban de la couche réseau, ladite couche disposée de façon à réaliser un couplage optique avec une onde optique circulant dans le guide d'onde, caractérisé en ce que la longueur de certains motifs est sensiblement inférieure à la largeur du guide. 1.0 2. Dispositif opto-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les motifs sont des évidements réalisés à l'intérieur de la couche réseau. 15 3. Dispositif opto-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les motifs sont des évidements réalisés en périphérie de la couche réseau, la couche comportant ainsi des indentations. 4. Dispositif opto-électronique selon l'une des revendications 20 précédentes, caractérisé en ce que les motifs sont de taille variable. 5. Dispositif opto-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les motifs sont disposés de façon symétrique par rapport à l'axe central du de la couche réseau. 6. Dispositif opto-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les motifs sont disposés de façon dissymétrique par rapport à l'axe central de la couche réseau. 25 2910643 7. Dispositif opto-électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche réseau comporte au moins une rangée de motifs, l'axe de ladite rangée étant parallèle à l'axe central de la couche réseau. 5 8. Dispositif opto-électronique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche réseau comporte au moins deux rangées de motifs, les axes des dites rangées étant parallèles à l'axe central de la couche réseau. 9. Dispositif opto-électronique selon la revendication 7, caractérisé 10 en ce que la couche réseau comporte au moins trois rangées de motifs, les axes des dites rangées étant parallèles à l'axe central de la couche réseau. 10. Dispositif opto-électronique selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les motifs de toutes les rangées sont de forme 15 identique. 11. Dispositif opto-électronique selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le pas séparant deux motifs consécutifs est constant dans chaque rangée. 12. Dispositif opto-électronique selon la revendication 11, caractérisé en ce que le pas séparant deux motifs consécutifs d'une première rangée est différent du pas séparant deux motifs consécutifs d'une seconde rangée. 25 13. Procédé de réalisation d'un dispositif, en technologie dite BRS, selon l'une des revendications précédentes comportant un substrat, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les trois étapes suivantes : • Dépôt sur le substrat de la couche du guide et de la couche 30 réseau puis gravure du réseau ; • Protection exclusive de la zone du réseau et poursuite de la gravure du guide jusqu'au substrat ; • Reprise d'épitaxie de façon à enterrer le guide et le réseau. 20