Brevet FR2949024A1 — publié le 20110211

DISPOSITIF D'EMISSION PAR LA SURFACE D'UN FAISCEAU LASER TM, A DIVERGENCE REDUITE Le domaine de l'invention est celui des lasers semi-conducteurs à mode TM et à émission par la surface, c'est-à-dire perpendiculairement au plan des couches du semi-conducteur. La qualité de faisceau d'un laser semi-conducteur est conditionnée par la géométrie de la cavité résonante. L'augmentation de la luminance d'un laser ou de plusieurs lasers couplés nécessite alors d'équiper le laser avec un système optique d'autant plus complexe que la divergence du faisceau laser émis est importante. Cette divergence est illustrée figure 1 pour un laser semi-conducteur 1 à cascade quantique dont la longueur d'onde peut varier entre 3 et 15 pm. La cavité est formée sur un substrat 40. Elle comprend une partie active 30 qui comporte un empilement d'environ 500 couches de puits quantiques alternées avec 500 couches de barrières quantiques ; elle est formée sur une couche guidante inférieure 20 elle-même déposée sur le substrat 40. Une couche guidante supérieure 10 est formée sur la partie active 30. Le faisceau laser 2 est émis par la tranche, par une des deux extrémités de la partie active de la cavité laser selon une direction Ox. Cette facette mesure typiquement quelques microns de côté. La divergence est typiquement supérieure à 50° selon la direction Oz de l'empilement ou plus exactement dans un plan xOz, et supérieure à 40° selon la direction Oy de la largeur des couches ou plus exactement dans un plan xOy, dans la mesure où l'épaisseur de l'empilement est inférieure à la largeur I des couches. Pour réduire la divergence du faisceau il existe plusieurs solutions. La solution la plus couramment mise en oeuvre pour les diodes lasers consiste à utiliser un laser conique (ou fuselé) ou � tapered laser � en anglais dont un exemple est représenté figure 2. Le substrat n'est pas représenté sur cette figure. Cette solution consiste à prolonger la cavité 70 telle que représentée figure 1 par une zone 60 de même épaisseur, s'élargissant dans la direction Oy de la largeur des couches de manière à obtenir une extrémité de cavité élargie selon cette direction. Le faisceau laser 2 est émis par la tranche, par cette facette élargie. Cette solution permet de réduire la divergence dans le plan x0y (aussi désignée divergence de l'axe rapide) mais pas dans le plan xOz (aussi désignée divergence de l'axe lent). En outre il s'agit d'un laser à émission par la tranche et non d'un laser émettant un faisceau perpendiculairement à la surface. Une autre solution consiste à utiliser un laser VCSEL acronyme de l'expression anglo-saxonne � Vertical Cavity Surface Emitting Laser � : c'est un laser à cavité semi-conductrice émettant un faisceau laser perpendiculairement à la surface. Mais cette cavité verticale qui contient le gain ne peut être utilisée que pour des lasers TE et non pour les lasers TM. Un laser TM (ou à mode TM) signifie que le champ électrique E de l'onde lumineuse se propageant dans la cavité optique et destinée à laser, a une composante selon la direction Oz perpendiculaire au plan xOy des couches. Une troisième solution consiste à utiliser un réseau du second ordre. L'utilisation d'une perturbation périodique le long de la cavité laser permet classiquement de réaliser une émission monomode spectrale. En introduisant un second ordre de diffraction dans le réseau, on peut obtenir une émission de surface. Cette méthode permet de réduire uniquement la divergence dans le plan xOy (de l'axe rapide) mais pas celle dans le plan xOz (de l'axe lent). Le but de l'invention est d'obtenir un faisceau moins divergent tout en conservant de bonnes propriétés optiques et thermiques telles que l'astigmatisme et un bon M2 (paramètre représentatif de la qualité du faisceau), et ceci sans l'utilisation de système d'optique. En d'autres termes, le but est d'améliorer la qualité du faisceau sortant de la cavité. La solution apportée consiste à réaliser une zone d'extraction au moyen d'un réseau métallique de surface et à choisir une largeur et une longueur de la zone d'extraction grandes devant la longueur d'onde effective du signal laser ; on obtient de la sorte une émission par la surface, faiblement divergente dans les deux directions de l'espace. Un des points clé de l'invention est de : séparer la cavité amplificatrice de l'onde optique destinée à laser, de la zone d'extraction verticale et d'utiliser au niveau de cette zone d'extraction, un réseau métallique de 35 surface pour extraire la lumière vers la surface et de choisir pour ce 20 25 30 35 réseau, une période spatiale spécifique qui confère au faisceau émis, les propriétés de divergence réduite recherchées. Ainsi, on conserve un ruban étroit pour obtenir l'émission laser et on lie ce ruban à la zone d'extraction par continuité du guidage. Le réseau gravé est un réseau périodique dans au moins une direction de l'espace, tel qu'une de ses composantes de Fourier non nulle a une période égale à la longueur d'onde effective du signal laser que l'on cherche à extraire. Plus précisément l'invention a pour objet un dispositif d'émission d'au moins un faisceau laser de longueur d'onde X, à cavité optique semi-conductrice qui comprend une zone active multicouches disposées selon un plan Oxy, une couche guidante supérieure disposée sur une face dite supérieure de la zone active et une couche guidante inférieure disposée sur la face opposée de la zone active, à mode TM c'est-à-dire dont le champ électrique E de l'onde lumineuse se propageant dans la cavité optique et destinée à laser, a une composante selon la direction Oz perpendiculaire au plan des couches. Il est principalement caractérisé en ce que la cavité comprend : une première section dite cavité principale qui est la zone d'amplification de l'onde lumineuse destinée à laser et qui a la forme d'un ruban de largeur I1 et de longueur LI avec I1 inférieure à 10.L1, avec une couche d'un matériau dont la permittivité diélectrique imaginaire est supérieure à la permittivité diélectrique réelle pour la longueur d'onde désigné métal, et qui est disposée sur la couche guidante supérieure, une deuxième section dite zone d'extraction qui est la zone d'émission du faisceau laser à travers la couche guidante inférieure de cette deuxième section, qui a une largeur 12 et une longueur L2 avec 12 et L2 supérieure à 10 x 2Jneff, neff étant l'indice de réfraction effectif de cette deuxième section pour cette longueur d'onde, et avec sur la couche guidante supérieure, un réseau continument composé de métal, ce réseau ayant une épaisseur considérée selon Oz, supérieure à une épaisseur prédéterminée, et comportant une composante de Fourier de période spatiale Pb =X/neff, selon la direction de propagation de l'onde optique dans la zone active de cette deuxième section, une troisième section joignant la première et la deuxième section, dite zone d'adaptation optique entre la première et la deuxième section, ayant selon Oxy, une largeur I1 à la jonction avec la première section et une largeur 12 à la jonction avec la deuxième section. Selon une caractéristique de l'invention, le réseau métallique de la deuxième section a selon au moins une direction supplémentaire, une composante de Fourier de période spatiale ps =Xs/neffs, avec 12 et L2 supérieure à 10 x 2\,s/neffs, X.s étant la longueur d'onde d'un faisceau laser émis supplémentaire, neffs étant l'indice de réfraction effectif de cette deuxième section pour cette longueur d'onde et le dispositif comprend en outre une première et une troisième section supplémentaire par direction supplémentaire, associées à cette composante de Fourier supplémentaire. II comprend éventuellement une couche de métal sur la couche guidante supérieure de la zone d'adaptation. Celle-ci peut être séparée des couches de métal de la zone d'amplification et de la zone d'extraction, pour obtenir des zones électriquement indépendantes. De préférence, il comprend une embase sur laquelle est fixée la cavité du côté de la couche guidante supérieure pour obtenir un montage de type � epi-down �. Selon une variante, l'axe de la première section considéré selon sa longueur L1 n'est pas aligné avec l'axe de la deuxième section considéré selon sa longueur L2. Avantageusement, on a L2 = 12. Selon une autre variante, la zone d'amplification est une cavité DFB, dont la couche guidante supérieure présente éventuellement sur sa face supérieure, une structure en réseau sensiblement selon la même direction que celle du réseau de l'extracteur. La couche de métal de la zone d'amplification forme un réseau périodique de période pa telle que pb=2pa. Le matériau dont la permittivité diélectrique imaginaire est supérieure à la permittivité diélectrique réelle pour la longueur d'onde 2^, est un métal (or, argent, platine, ...) ou un supraconducteur. La couche guidante inférieure est par exemple disposée sur un 5 substrat en InP ou GaAs ou GaSb. La couche guidante inférieure est par exemple en InP. La couche guidante supérieure est par exemple en InP ou InGaAs ou AIGaAs. L'invention a aussi pour objet un émetteur multisource qui comprend 10 une matrice de dispositifs d'émission d'au moins un faisceau laser tel que décrit précédemment. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non 15 limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 déjà décrite représente schématiquement un laser semi-conducteur à émission par la tranche et à forte divergence, selon l'état de la technique, la figure 2 déjà décrite représente schématiquement un laser 20 conique selon l'état de la technique, la figure 3 représente schématiquement vu en perspective, un exemple de dispositif d'émission d'un faisceau laser selon l'invention, dont la cavité principale est celle d'un laser DFB à réseau métallique de surface, les figures 4 représentent schématiquement, vus de dessus deux 25 exemples de dispositifs selon l'invention dont les axes des 1 ère et 2è sections sont alignés (fig 4a) ou non (fig 4b), la figure 5 représente schématiquement vu de dessus un exemple de dispositif d'émission de quatre faisceaux laser selon l'invention, la figure 6 représente schématiquement vu de dessus, un exemple 30 d'émetteur multisource qui comprend plusieurs dispositifs d'émission d'un faisceau laser tels que décrits. D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. 35 La figure 3 présente un exemple de dispositif d'émission 1 d'un faisceau laser de longueur d'onde T, selon l'invention. Le substrat n'est pas représenté sur cette figure. La cavité optique semi-conductrice 100 comprend de manière classique une zone active 30 multicouches disposées selon un plan Oxy, une couche guidante supérieure 10 disposée sur une face dite supérieure de la zone active et une couche guidante inférieure 20 disposée sur la face opposée de la zone active 30. Le faisceau laser est à mode TM c'est-à-dire tel que le champ électrique E de l'onde lumineuse se propageant dans la cavité optique et destinée à laser, a une composante selon la direction Oz perpendiculaire au plan Oxy des couches. Selon l'invention, la cavité optique du dispositif comprend trois sections. 15 - Une première section 100a dite cavité principale qui est la zone d'amplification de l'onde lumineuse destinée à laser et qui a la forme d'un ruban de largeur I1 et de longueur L1 avec 11 Sur la couche guidante supérieure 10 de cette zone d'adaptation, est éventuellement disposée une couche de métal 50c. Il s'agit d'une couche optionnelle ; en effet, la zone d'extraction 100b peut être ou non électriquement indépendante de la zone d'amplification 100a. Lorsque cette couche de métal 50c existe, elle établit une continuité électrique entre la couche de métal 50a et la couche de métal 50b. Elle peut couvrir toute la couche guidante 10 de cette zone 100c, mais pas nécessairement. Eventuellement, elle peut elle-même comporter un réseau pour tout ou partie de la couche de métal 50c. Selon une alternative, cette continuité électrique n'est au contraire 35 pas assurée : les couches de métal 50a et 50c d'une part et 50c et 50b d'autre part sont séparées. Le fait de séparer la zone amplificatrice de l'extracteur permet de contrôler électriquement indépendamment les deux zones et donc de ne pas dégrader le seuil du laser et de le faire fonctionner en continu à température ambiante. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la cavité principale 100a est celle d'un laser semi-conducteur à contre-réaction répartie ou laser DFB, acronyme de l'expression anglo-saxonne � Distributed FeedBack �. La couche métallique 50a peut alors elle-même être un réseau métallique de surface 50a' tel que décrit dans la demande de brevet FR 07 03389 qui a pour objet un laser à contre-réaction répartie par modulation de l'indice effectif de la cavité. Le réseau métallique 50a' périodique est par exemple gravé dans la couche guidante supérieure 10 de la cavité 100a. Selon une variante de réalisation, une très fine couche de matériau diélectrique fortement dopé, d'une épaisseur de l'ordre de ou inférieure à 100nm est déposée sur la couche guidante supérieure 10 ; le réseau métallique 50a' est alors gravé dans cette couche très fine, le bas des créneaux pouvant rester contenu dans cette fine couche ou la dépasser et atteindre la couche guidante supérieure 10. Ce réseau périodique 50a' a une composante de Fourier de période spatiale Pa telle que pb=2pa. C'est cet exemple qui est montré sur la figure 3. La direction de la composante périodique de ce réseau est sensiblement la même que celle du réseau de l'extracteur. Selon une variante de l'invention, l'axe de la cavité principale, c'est-à-dire l'axe du ruban (ou l'axe de la longueur L1) n'est pas nécessairement aligné avec l'axe de la zone d'extraction c'est-à-dire l'axe de la longueur L2 comme illustré par les vues de dessus des figures 4. Sur la figure 4a est d'abord représenté un dispositif d'émission laser avec les axes des sections a et b alignés puis avec ces axes non alignés, l'angle étant formé à la jonction des sections a et c (figure 4b) ou à la jonction des sections c et b (non représenté). Ce dispositif d'émission d'au moins un faisceau laser est 35 typiquement un laser à cascade quantique. Un exemple de dispositif d'émission laser selon l'invention a été réalisé avec un extracteur qui a une cavité de 50pm x 50pm (12=L2=50 pm). En sortie de l'extracteur, l'émission est monomode spectrale car l'extracteur est optiquement injecté avec un laser DFB à cascade quantique ou LCQ DFB qui a une longueur d'onde d'émission a, à 5.65 pm ; cette longueur d'onde est également celle du faisceau émis par l'extracteur. Le LCQ DFB a une cavité de 1.5 mm de long (L1 = 1,5 mm) et de 15 pm de large (I1 = 15 pm). On obtient en sortie de l'extracteur, un faisceau laser de 5 x 3 degrés ~o de divergence soit un gain d'un facteur 10 dans chaque direction par rapport à l'exemple cité dans le préambule. Jusqu'à présent, on a considéré un réseau 50b périodique dans une seule direction du plan Oxy des couches. Selon l'invention, ce réseau peut être périodique selon une ou 15 plusieurs autres directions dans le plan des couches ; le réseau a alors une composante de Fourier de période spatiale ps =?S/neffs, selon chacune de ces directions de propagation supplémentaires de l'onde optique dans la zone active de cette deuxième section ; Xs et neffs sont respectivement la longueur d'onde du faisceau et l'indice de réfraction effectif selon cette 20 direction de propagation. Les conditions sur 12 et L2 doivent toujours être respectées. On a donc aussi 12 et L2 supérieure à 10 x %s/neffs. La période dans une direction peut être égale à celle d'une autre direction : cela signifie que les longueurs d'onde des faisceaux laser correspondants peuvent être les mêmes. 25 A chaque direction supplémentaire sont associées une première section et une troisième section supplémentaires. Cette (ou ces) première(s) section(s) supplémentaire(s) d'amplification a(ont) également la forme d'un ruban de largeur Ils et de longueur L1 s avec Ils inférieure à mils. Toutes ces premières et troisièmes sections supplémentaires partagent en quelque 30 sorte le même extracteur 100b : les faisceaux laser émis se superposent en sortie de l'extracteur. Lorsqu'une première section supplémentaire est celle d'un laser DFB à réseau métallisé de période ps, on doit aussi avoir pb = 2ps. Un tel dispositif émet alors plusieurs faisceaux laser, un par direction. Un exemple d'une telle configuration est montré figure 5 avec trois premières (100as) et troisièmes (100cs) sections supplémentaires : quatre faisceaux laser sont émis par la zone d'extraction 100b commune, dont le réseau est périodique selon deux directions avec deux périodes spatiales différentes. Plusieurs dispositifs d'émission d'un faisceau laser peuvent être ~o regroupés sur une même embase et ainsi former un émetteur multisource. Ils sont typiquement positionnés tête bêche comme illustré figure 6. On montre sur cette figure trois triplets, chaque triplet comportant trois paires de dispositifs d'émission d'un faisceau laser. On peut aussi regrouper plusieurs dispositifs d'émission de 15 plusieurs faisceaux laser, chaque dispositif comportant plusieurs premières et troisièmes sections qui partagent le même extracteur. REVENDICATIONS1. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser de longueur d'onde X, à cavité optique semi-conductrice (100) qui comprend une zone active (30) multicouches disposées selon un plan Oxy, une couche guidante supérieure (10) disposée sur une face dite supérieure de la zone active et une couche guidante inférieure (20) disposée sur la face opposée de la zone active (30), à mode TM c'est-à-dire dont le champ électrique E de l'onde lumineuse se propageant dans la cavité optique et destinée à laser, a une composante selon la direction Oz perpendiculaire au plan des couches, caractérisé en ce que la cavité (100) comprend : une première section (100a) dite cavité principale qui est la zone d'amplification de l'onde lumineuse destinée à laser et qui a la forme d'un ruban de largeur Il et de longueur LI avec I1 inférieure à 10i1, avec une couche (50a) d'un matériau dont la permittivité diélectrique imaginaire est supérieure à la permittivité diélectrique réelle pour la longueur d'onde X, désigné métal et qui est disposée sur la couche guidante supérieure (10), une deuxième section (100b) dite zone d'extraction qui est la zone d'émission du faisceau laser (2) à travers la couche guidante inférieure (20) de cette deuxième section, qui a une largeur 12 et une longueur L2 avec 12 et L2 supérieure à 10 x X/neff, ne étant l'indice de réfraction effectif de cette deuxième section pour cette longueur d'onde, et avec sur la couche guidante supérieure (10), un réseau (50b) continument composé d'un métal, ce réseau ayant une épaisseur supérieure selon Oz à une épaisseur prédéterminée, et comportant une composante de Fourier de période spatiale Pb =X/neff, selon la direction de propagation de l'onde optique dans la zone active de cette deuxième section, une troisième section (100c) joignant la première et la deuxième section, dite zone d'adaptation optique entre lapremière (100a) et la deuxième section (100b), ayant selon Oxy une largeur Il à la jonction avec la première section et une largeur 12 à la jonction avec la deuxième section. 2. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le réseau métallique (50b) de la deuxième section a selon au moins une direction supplémentaire, une composante de Fourier de période spatiale ps =!fis/neffS, avec 12 et L2 supérieure à 10 x Xs/neffS, a,s étant la longueur d'onde d'un faisceau laser émis supplémentaire, nefs étant l'indice de réfraction effectif de cette deuxième section pour cette longueur d'onde, et en ce que le dispositif comprend en outre une première et une troisième section supplémentaire (100as, 100cs) par direction supplémentaire, associées à cette composante supplémentaire. 3. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ce dispositif est un laser à cascade quantique. 4. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une couche de métal (50c) sur la couche guidante supérieure (10) de la zone d'adaptation (100c). 5. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la couche de métal (50c) de la zone d'adaptation est séparée des couches de métal (50a, 50b) de la zone d'amplification et de la zone d'extraction, pour obtenir des zones électriquement indépendantes. 6. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur prédéterminée est sensiblement égale à X/(4 x neff). 7. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une embase sur laquelle est fixée la cavité (100) du côté de la couche guidante supérieure. 8. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe de la première section (100a) considéré selon sa longueur LI n'est pas aligné avec l'axe de la deuxième section (100b) considéré selon sa longueur L2. 9. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que L2 = 12. 10. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone d'amplification (100a) est une cavité DFB. 11 Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la couche guidante supérieure (10) de cette zone d'amplification présente sur sa face supérieure, une structure en réseau sensiblement selon la même direction que celle du réseau (50b) de l'extracteur. 12. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon la revendication précédente, caractérisé en ce que cette couche guidante (10) présente elle-même dans l'épaisseur, cette structure en réseau. 13. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon la revendication 11, caractérisé en ce que la structure en réseau (50a') est distincte de la couche guidante supérieure (10). 14. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon l'une des 35 revendications 10 à 13, caractérisé en ce que la couche de métal(50a) de la zone d'amplification forme un réseau périodique (50a') de période Pa telle que pb=2pa. 15. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau est un métal ou un supraconducteur. 16. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le métal est de l'or ou de l'argent ou du platine. 17. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche guidante inférieure est disposée sur un substrat (40) en InP ou GaAs ou GaSb. 18. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche guidante inférieure (20) est en InP. 20 19. Dispositif d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche guidante supérieure (10) est en InP ou InGaAs ou AlGaAs. 20. Emetteur multisource qui comprend une matrice de dispositifs 25 d'émission (1) d'au moins un faisceau laser selon l'une quelconque des revendications précédentes.15