Brevet FR2934690A1 — publié le 20100205

PROCEDE DE VARIATION DE L'INDICE OPTIQUE D'UN GUIDE A SEMI-CONDUCTEURS,GUIDE A INDICE OPTIQUE CONTROLABLE ET COMMUTATEUR OPTIQUE ULTRA-RAPIDE La présente invention concerne un procédé de variation de l'indice de réfraction optique d'un guide à semi-conducteurs. Elle concerne également un guide à indice optique contrôlable et un commutateur optique ultra-rapide à très faibles pertes d'insertion. La fonction de commutation est une fonction de base dans de nombreux systèmes, notamment dans des systèmes de télécommunication ou des systèmes de détection électromagnétique. Les commutateurs électroniques classiques ne sont plus assez rapides pour répondre aux performances demandées, en particulier dans des applications de routage de signaux hyperfréquences ou de signaux numériques. Pour atteindre ces performances, il est connu d'utiliser des commutateurs optiques couplés via des interfaces appropriées aux circuits hyperfréquence. La fonction de commutation est obtenue en jouant sur la modification d'indice optique des matériaux utilisés. La variation d'indice crée la fonction de commutation. Lorsque l'indice est faible le matériau laisse passer l'onde optique. Lorsque l'indice est élevé, un effet miroir est créé, l'onde optique se réfléchit et donc ne passe pas à travers le matériau. La commande de la fonction de commutation se fait alors par commande de la variation d'indice optique. Parmi, les exemples d'applications, on peut citer : la commutation de retards dans les architectures optiques de formation de voies d'émission et/ou de réception des antennes à balayage électronique, les retards étant appliqués aux déphaseurs élémentaires commandant les éléments rayonnant des antennes ; le routage optique de signaux numériques à très haut débit pour des interconnexions optiques ; le routage de signaux hyperfréquence à bande étroite et à large bande, routage des oscillateurs locaux en particulier pour les applications communications et radars dans le domaine des architectures reconfigurables et des récepteurs hyperfréquence à large bande multivoies. Le routage de signaux hyperfréquence en bande étroite et en large bande est très contraignant en ce qui concerne les performances. En plus de la rapidité de commutation, les performances suivantes peuvent être exigées : un fort contraste entre voies (forte diaphotie) ; de très faibles pertes d'insertion ; un très faible bruit de phase additionnel ; une consommation réduite et la possibilité d'étendre la fonction de commutation à la fonction de matrice de routage sans atteindre une complexité technologique rédhibitoire. A ces performances requises, s'ajoute encore la nécessité d'obtenir des commutateurs ayant les plus faibles dimensions possibles, afin de répondre aux exigences de compacité des applications. Les commutateurs optiques connus ne permettent pas d'atteindre l'ensemble 15 de ces performances. Une des limitations importante des dispositifs photoniques intégrés connus est liée à la variation An d'indice optique obtenue par les effets électro-optiques. Parmi les mécanismes ultra-rapides, les effets de porteurs dans les semi-conducteurs sont les plus efficaces et parmi eux l'effet plasma pour lequel 20 chaque porteur associé à une charge fixe de signe opposé crée un dipôle oscillant à la fréquence de l'onde optique. Ces effets sont obtenus dans les jonctions guides à structure PIN dans les matériaux III-V. Les guides d'ondes sont en général composés d'une double hétéro structure, la partie � petit gap � étant le matériau coeur du guide et les couches de matériau � grand gap � 25 servant de couches de confinement. Dans un guide d'ondes PIN, grâce à la jonction, les porteurs minoritaires sont injectés dans la couche intrinsèque où est localisé le coeur du guide. Le maximum de variation d'indice effectif, Aneff (qui prend en compte le confinement de l'onde optique dans le matériau à petit gap avec Aneff = F. An), 3o est généralement compris entre 10"3 et 10-2. Cette valeur est relativement faible, ce qui nécessite d'utiliser des électrodes très longues, de l'ordre de l mm de longueur. En effet, la variation de phase de l'onde optique est fonction du produit longueur d'interaction x Aneff. La longueur d'interaction correspond à la longueur des électrodes entre lesquels se produit l'injection des porteurs. Par exemple, pour un commutateur à couplage entre deux guides couplés, la commutation se produit pour un déphasage de Tr. Plus la variation d'indice An est faible, plus la longueur doit alors être importante. Dans les solutions de l'art antérieur, cette variation est relativement faible, de l'ordre de 10"3 à 10"2 comme indiqué ci-dessus. Les variations d'indice induit par injection de charge dans les structures PIN à base de matériaux semi-conducteurs III-V sont en effet limitées par la réduction de la durée de vie des porteurs lorsque la densité de porteurs, dans la structure du guide d'ondes, croît. La durée de vie des porteurs z varie en 1/(A + BN + CN2) où les paramètres A, B et C sont reliés aux temps de recombinaisons non radiatives, radiatives et d'Auger, N étant la densité des porteurs. Quand les courants injectés augmentent, la durée de vie des paires électron-trou 'r décroît significativement, d'une réduction d'un facteur 10 ou plus, et de fortes densités de porteurs ne peuvent pas être atteintes avant claquage avec des courants raisonnables. En fait, par ce courant on injecte des paires d'électron-trou. Plus on en injecte, plus ils se recombinent. II y a alors saturation. Il n'est alors plus possible d'augmenter significativement la densité de porteurs. L'indice optique ne peut plus être augrnenté, An est limité. En effet, un courant I dû au processus de recombinaison radiative étant donné par la relation suivante : I=qNV (1) q étant la charge élémentaire, V le volume de la zone active, la densité N de porteurs injectés varie en et sature aux forts courant, avec le même 25 comportement pour An ou Aneff• En conséquence, de longues électrodes sont requises pour les applications de commutation. Les dimensions typiques des commutateurs ainsi réalisés sont d'environ L = l mm de long, liées au rapport a/2An. Cette longueur L permet de réaliser un déphasage de ir sur un signal optique à la longueur d'onde ? se 30 propageant dans le guide d'onde. Ces mécanismes de recombinaison de paires d'électron-trou affecte fortement la possibilité d'obtenir des dispositifs photoniques compacts même en présence de nano guides. Un but de l'invention est notamment d'atteindre les performances précitées tout en réduisant la longueur des électrodes. A cet effet, linvention a pour objet un procédé, un guide et un commutateur tels que décrits par les revendications. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : la figure 1, un exemple de guide à indice optique contrôlable selon l'art antérieur ; la figure 2, un exemple de guide à indice optique contrôlable selon 10 l'invention ; la figure 3, une courbe représentant la variation d'indice optique en fonction de la densité de courant dans un guide selon l'invention ; la figure 4, un exemple de commutateur optique selon l'invention ; les figures 5a et 5b, une illustration du principe de fonctionnement du 15 commutateur précité ; la figure 6, un exemple d'utilisation de commutateurs optiques selon l'invention dans un dispositif à ligne à retard. La figure 1 illustre un exemple de réalisation d'une fonction de commutation 20 optique selon l'art antérieur, utilisant une jonction de type PIN. Le guide d'onde formé de plusieurs couches est représenté par une vue en coupe. Plus particulièrement le guide comprend une double hétéro-structure, une couche � petit gap � entourée de couches en matériau � grand gap �. Le coeur du guide, formant le guide d'onde proprement dit, est donc formé 25 d'une couche centrale 1, la couche � petit gap � composée de phosphure de gallium, d'indium et d'arsenic, GaInAsP. Une couche 2, 3 en phosphure d'indium InP, couche � grand gap �, est placée de chaque côté de cette couche. Des couches 7 et 8 respectivement en InP et GaInAsP surmontent la couche 2 en InP sont dopées de type P. Une couche 4 de InP dopée n+ (elle se 30 confond généralement au substrat) est placée entre une couche 3 d'InP et une couche métallisée 5 format une première électrode. Sous l'effet d'une différence de potentiel entre les deux électrodes 6, 5, des porteurs, formés de paires d'électron-trous, migrent vers de la couche 4 InP, dopée n+, vers la couche centrale 3. L'indice optique est alors modifié. Cependant, comme indiqué 35 précédemment, la variation d'indice optique An est insuffisante. La figure 2 présente un exemple de dispositif de contrôle de l'indice optique d'un guide d'onde selon l'invention. Comme dans le cas précédent, le guide comporte une double hétéro-structure. L'invention propose un dispositif basé sur l'injection d'électrons uniquement, et non pas sur l'injection de paires d'électron-trou. A ce: effet, l'invention propose un dispositif basé sur l'injection d'électrons, au travers d'un contact Schottky déposé sur une double hétéro-structure, par exemple du type InP / GaInAsP / InP. Grâce à l'invention, il est possible de dépasser les limitations dues au processus de recombinaison. En effet, les électrons ne peuvent plus se recombiner rapidement, leur durée de vie est essentiellement liée à leur temps de transit dans la structure au travers du processus de diffusion. On peut donc s'attendre à une forte densité de porteurs injectés et en conséquence à une forte variation d'indice optique au travers de l'effet plasma. Le dispositif de la figure 2 réalisé dans une structure de semi-conducteur III-V 15 de type ln P, Phosphure d'indium, comporte : une couche 23 d'In P, d'épaisseur par exemple de 0,3 �m, obtenue par épitaxie sur un substrat 24 InP, dopé n+ ; une couche quaternaire 21 GaInAsP de longueur d'onde 1,15 �m et d'épaisseur 0,3 lam par exemple ; 20 une couche 22 de d'InP d'épaisseur 1.6 pm par exemple; une couche supérieure 27 en arséniure d'aluminium et d'indium AllnAs d'épaisseurs respectives de 150 À par exemple, cette couche est éventuellement recouverte d'une couche en arséniure de gallium et d'indium GalnAs d'épaisseur par exemple 50 A. 25 Toutes ces couches sont non intentionnellement dopées et sont formées par épitaxie en accord de maille sur InP. La couche quaternaire 21 est le coeur du guide optique. Le substrat 24, 23 et la couche épaisse supérieure 22 d'InP servent de couche de confinement. La 30 couche supérieure d'Al ln As permet d'améliorer la qualité du contact Schottky et la dernière couche de GaInAs sert de couche de protection de la couche d'Al In As contre l'oxydation. Par l'utilisation de techniques conventionnelle de photolithographie et de gravure RIE, des guides de 5 pm de large et de 1 �rn d'épaisseur peuvent être 35 réalisés. Après retrait de la couche de protection en Ga ln As, un contact Schottky 26 est réalisé sur le guide d'onde. Ce contact, formant électrode, est par exemple composé de trois couches : une couche supérieure 261 conductrice en or (Au), d'épaisseur 3000 A ; une couche intermédiaire 262 en platine (Pt), formant hauteur de barrière, d'épaisseur 150 À ; une couche inférieure 263 en titane (Ti), formant une couche d'accrochage, d'épaisseur 150 A. Un contact ohmique face arrière 25, formant la deuxième électrode, est par exemple formé de deux couches : - une couche supérieure 251 en titane (Ti), formant une couche d'accrochage, d'épaisseur 100 A ; une couche inférieure 252 en or (Au) d'épaisseur 500 À. Une résine 28 permet par exemple de recouvrir la couche 22 d'In P supérieure. Cette résine isolante permet notamment de prolonger l'électrode supérieure 26 vers une commande électrique non représentée, l'électrode se prolongeant sur la résine 28. La couche métallique inférieure 25 étant reliée à un potentiel fixe de référence, par exemple le potentiel de masse, l'électrode supérieure 26 est reliée à un signal de commande en tension. Ce signal de commande fait varier la différence de potentiel entre les deux électrodes 26, 25 entraînant l'injection d'électrons grâce au contact Schottky formé de la jonction métal-semiconducteur, soit la jonction Au/Pt/Ti ù Al ln As. Il n'y a pas de couche de type P. Aucune couche n'est dopée, il peut cependant y avoir un dopage résiduel de type N. Le contact Schottky permet de n'injecter que des électrons ; Le contact Schottky a notamment comme avantage de ne pas accumuler de charges en raison de la rapidité de transfert. Sous l'effet d'une tension de commande appliquée à l'électrode supérieure 26, il y a injection d'électrons. En raison du faible gap de la couche quaternaire 21, guidant l'onde optique, cette couche attire les électrons et les piège, ce qui provoque un effet miroir vis-à-vis de l'onde optique. L'onde optique se réfléchit alors au lieu de continuer sa propagation, et une fonction de commutation peut ainsi être obtenue. En d'autres termes, l'injection d'électrons provoqués par le contact Schottky fait varier l'indice optique. La variation d'indice optique An obtenue est supérieure à 10"3 ou même 10-2. Ainsi, dans un exemple de réalisation, la variation d'indice effectif Aneff mesurée pour une longueur d'onde de 1,55 �m, pour une densité de courant de l'ordre de 21 KA/cm2 est de l'ordre de 10-1. La densité moyenne de porteurs dans le matériau � petit gap � 21 est proche de 1019 / cm3. Des temps de commutation de l'ordre de la nanoseconde sont obtenus pour des courants injectés de l'ordre de 420 mA. Ces valeurs montrent que l'invention permet d'obtenir une très grande variation d'indice, de l'ordre de 10 fois supérieures aux valeurs obtenues de façon classique, et cela pour des densités de courant raisonnables. Les variations d'indice sont obtenues sans phénomène notable d'absorption induite par l'injection des électrons. Par ailleurs, l'absorption due au contact Schottky est faible comparée à l'absorption des structures de diodes PIN. La figure 3 illustre par une courbe la variation d'indice effectif Aneff en fonction de la densité de courant pour un dispositif selon l'invention, pour une longueur d'onde k = 1,55 �m. La densité de courant varie en abscisse entre 0 et 21 kA/cm 2. Cette courbe montre qu'une variation d'indice An de 0,10 peut être obtenue pour une densité de courant raisonnable, de l'ordre de 21 1 La figure 4 présente un exemple de réalisation d'un commutateur selon l'invention par une vue en perspective. Ce commutateur utilise un dispositif de contrôle de l'indice optique tel que décrit précédemment. La commutation est à réflexion interne totale, la réflexion étant provoquée par la variation d'indice optique. Le commutateur est composé de deux guides sécants 41, 42 du type de celui illustré par la figure 2, à jonction Schottky, avec par exemple les mêmes couches en semi-conducteurs 21, 22, 23, 24, 27. La jonction Schottky est déposée à l'intersection des deux branches. Une électrode 26 positionnée à l'intersection des deux guides, recouvre la jonction Schottky. Cette électrode est reliée à une tension de commande dont la variation entraîne la variation de l'indice optique par injection d'électrons comme décrit précédemment. L'injection d'électrons suit la variation de différence de potentiel crée entre l'électrode du dessus 26 et la couche métallisée 25 du dessous. La commutation est donc créée par une tension de commande appliquée sur l'électrode du dessus 26. L'indice optique est localement diminué par effet plasma. La différence d'indice est suffisamment importante pour induire une réflexion totale à l'intersection des deux guides 41, 42 en regard de l'électrode. Les figures 5a et 5b illustrent, par une vue de dessus. le mode de commutation produit par un commutateur du type de celui de la figure 4. Les deux branches sécantes 41, 42 du commutateur permettent en fait d'obtenir deux commuter deux entrées 51, 52 sur deux sorties 53, 54. Une première entrée 51 est formée de l'entrée d'une première branche 41 et la deuxième entrée 52 est formée l'entrée de la deuxième branche 42. De même une première sortie 53 est formée de la sortie de la première branche 41 et la deuxième sortie 54 est formée de la sortie de la deuxième branche 42. La figure 5a illustre le passage de l'onde optique 50 dans la deuxième branche, sans commutation. C'est-à-dire que l'onde passe de la deuxième entrée 42 à la deuxième sortie 54. L'électrode 26 n'est pas commandée en tension et n'induit donc pas d'effet miroir. La figure 5b illustre la commutation du passage de la deuxième branche 42 vers la première branche 41, c'est-à-dire que l'onde optique 50 issue de la deuxième entrée 42 est dirigée vers la sortie 53 de la deuxième branche. Dans ce cas, l'électrode 26 est commandée en tension de façon à induire un effet miroir dans la zone d'intersection des deux guides d'ondes, les deux branches 41, 42, située en dessous. L'onde optique 50 se réfléchit alors sur cette zone et poursuit sa propagation dans la première branche 41. De préférence, la surface de contact Schottky déposée sur un guide correspond à la surface d'une électrode. La géométrie de l'électrode 26 est adaptée au passage de l'onde optique d'une branche à l'autre. En particulier, l'électrode ne recouvre pas la totalité de l'intersection de façon à laisser une zone libre 55 pour le passage de l'onde optique vers l'autre branche. Cependant, la longueur de l'électrode doit être suffisamment grande pour bloquer l'entrée d'une branche. Un avantage notable d'un tel commutateur selon l'invention est sa compacité. 35 L'exemple de commutateur de la figure 4 peut être réalisé sur une longueur de 100 �m seulement. De plus, il est insensible à la polarisation et à la longueur d'onde. Le temps de commutation est fonction du temps de recombinaison et des transits des porteurs libres. Dans un commutateur selon l'invention, ce temps peut être seulement de quelques nanosecondes. Les figures 4, 5a et 5b illustrent un commutateur 2x2. II est possible de prévoir d'autres combinaisons. Un commutateur tel qu'illustré par la figure 4 est notamment bien adapté pour la création de lignes à retards optiques. La figure 6 illustre un exemple de ligne à retards optiques réalisée à base de commutateurs optiques 61 et de fibres optiques. Un signal hyperfréquence d'entrée S;, à la fréquence d'émission, module une source laser 62. La source laser délivre alors en sortie un signal optique 63, ou porteuse optique, modulée à la fréquence d'entrée fe. Plus particulièrement, la modulation de porteuse recopie le signal hyperfréquence d'entrée. La fréquence d'émission fe peut être de l'ordre de 10 GHz alors que la fréquence de la porteuse optique peut être de l'ordre de 200 THz. La ligne à retards est composée de commutateurs 61 en cascade. Selon la branche 41, 42 qu'il commute, chaque commutateur 61 crée un retard kt ou 0 selon son rang k dans la chaîne. La ligne à retard comporte par exemple en sortie du dernier commutateur un photodétecteur 64 qui transforme le signal optique en un signal hyperfréquence ayant la fréquence de modulation fe de la porteuse optique 30 35 REVENDICATIONS1. Procédé de variation d'indice optique d'un guide composé de couches de semi-conducteurs formant au moins une double hétéro-structure (21, 22, 23, 24), caractérisé en ce que la variation d'indice se fait par injection d'électrons, ladite injection étant provoquée par une tension électrique appliquée sur un contact de type Schottky (26, 27) déposé sur la double hétéro-structure. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la double-hétéro structure est du type InP / GaInAsP / InP. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche inférieure (23) de la double hétéro-structure est obtenue par épitaxie sur un substrat dopé n+, en InP. 15 4. Guide à semi-conducteurs à indice optique contrôlable, ledit guide étant composé d'une double hétéro-structure (21, 22, 23, 24), caractérisé en ce qu'un contact de type Schottky (26, 27) étant déposé sur la double hétérostructure, la variation d'indice se fait par injection d'électrons provoquée par une tension électrique appliquée sur le contact de type Schottky. 20 5. Guide selon la revendication 4, caractérisé en ce que la double-hétéro structure est du type InP / GaInAsP / InP. 6. Guide selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche inférieure 25 (23) de la double hétéro-structure est obtenue par épitaxie sur un substrat InP (24) dopé n+, en InP. 7. Guide selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'une couche (27) composée d'arséniure d'indium et d'aluminium (AlInAs) 30 est interposée entre le contact Schottky la double hétéro-structure. 8. Guide selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que qu'il comporte une électrode (26) reliée au contact Schottky et une couche métallisée (25) sur la face opposée du guide, la tension électrique10appliquée induisant une variation de différence de potentiel entre ladite électrode (26) et la couche métallisée (25). 9. Commutateur d'onde optique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un guide selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, la commutation d'une onde optique (50) étant réalisée par réflexion de ladite onde optique sur une zone du guide dont l'indice optique est suffisamment diminué pour former un effet de miroir. 10. Commutateur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte deux guides formant deux branches sécantes (41, 42), le contact Schottky déposé à l'intersection des deux branches recouvre une zone telle que la variation d'indice optique de ladite zone provoque la commutation d'une onde optique (50) d'une branche (42) vers l'autre branche (41).15