Brevet FR3005512A1 — publié le 20141114

DEPHASEUR ELECTRO-OPTIQUE A FAIBLE COEFFICIENT D'ABSORPTION Domaine technique de l'invention L'invention est relative aux modulateurs optiques, notamment aux déphaseurs électro5 optiques utilisables dans de tels modulateurs. État de la technique La figure 1 représente schématiquement un modulateur optique selon le principe de l'interféromètre de Mach-Zehnder, couramment appelé modulateur Mil. Le modulateur comprend un guide d'onde optique recevant une puissance P, qui se subdivise en deux 10 branches en un point S. Les deux branches se rejoignent de nouveau en un point J, l'une directement, et l'autre passant par un déphaseur électro-optique 10. Chaque branche véhicule la moitié de la puissance optique d'origine. Une onde optique peut être déphasée, car elle se comporte comme une porteuse de fréquence f = clk, où c est la vitesse de la lumière, et X, la longueur d'onde. 15 Au point J du modulateur on somme les porteuses arrivant par les deux branches, l'une ayant été déphasée de cp par le déphaseur 10. La porteuse résultante a une puissance de P-cos2((p/2), en négligeant les pertes optiques. La figure 2 représente une vue en perspective d'un déphaseur 10 inséré entre deux tronçons alignés d'un guide d'onde optique 12. Comme cela est représenté, le guide 20 d'onde a une section en « T » inversé, dont la partie centrale véhicule le faisceau optique. Le déphaseur 10 est configure pour se raccorder aux tronçons de guide d'onde ; il a également une section en « T» inversé. En outre, les bords du déphaseur remontent au-dessus du plan du guide d'onde ; ces bords portent des contacts électriques (non représentés) servant à commander le déphaseur. 25 La figure 3 représente schématiquement une vue en coupe d'un déphaseur 10 dit HSPM (de l'anglais « High-Speed Phase Modulator », ou modulateur de phase rapide). Le plan de coupe est perpendiculaire à l'axe du guide d'onde optique. Un cercle en pointillés, au niveau de la zone centrale plus épaisse, représente la zone traversée par le faisceau optique. 30 Le déphaseur comprend une structure en matériau semi-conducteur, généralement du silicium, formant une jonction P-N 14 dans un plan parallèle à l'axe du guide d'onde, et excentré par rapport à celui-ci. La jonction 14 a été représentée, à titre d'exemple, au niveau de la face latérale droite du guide d'onde. A gauche de la jonction 14 s'étend une zone dopée P dont la section est conforme à la section du guide d'onde, à savoir surélevée au centre et plus basse au bord. La zone P se 5 termine à gauche par une zone surélevée dopée P+, portant un contact d'anode A. A droite de la jonction 14 s'étend une zone dopée N, conforme à la section du guide d'onde. La zone N se termine à droite par une zone surélevée dopée N+, portant un contact de cathode C. La structure du déphaseur peut être réalisée sur un substrat isolant, par exemple de 10 l'oxyde enterré BOX. Pour commander le déphaseur de la figure 3, on applique une tension entre les contacts d'anode A et de cathode C qui polarise la jonction 14 en inverse (le `+' sur la cathode et le `-' sur l'anode). Cette configuration provoque un déplacement des électrons e de la zone N vers la cathode et des trous h de la zone P vers l'anode, et la création d'une zone 15 de déplétion D au voisinage de la jonction 14. On modifie ainsi, en fonction de l'amplitude de la tension de polarisation, la concentration de porteurs dans la zone traversée par le faisceau optique, ce qui a pour conséquence une modification corrélative de l'indice de réfraction de cette zone. La sensibilité d'un déphaseur électro-optique est exprimée en degrés par volt et par 20 unité de longueur du déphaseur. Plus le déphaseur est long, plus il est sensible à la variation de sa tension de commande, mais plus son coefficient d'absorption est élevé, c'est-à-dire plus il introduit de pertes optiques. Résumé de l'invention On pourrait avoir besoin d'un déphaseur électro-optique offrant un compromis 25 avantageux entre une sensibilité élevée et de faibles pertes optiques. On tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un déphaseur électro-optique en matériau semi-conducteur, comprenant une zone centrale configurée pour être disposée dans un guide d'onde optique, dopée selon un premier type de conductivité ; et une première zone latérale, adjacente à une première face de la zone centrale et dopée selon un 30 deuxième type de conductivité, d'où il résulte que la première face forme une première jonction P-N. Le déphaseur comprend par ailleurs une deuxième zone latérale, adjacente à une deuxième face de la zone centrale et dopée selon le deuxième type de conductivité, d'où il résulte que la deuxième face forme une deuxième jonction P-N. Selon un mode de réalisation, le déphaseur comprend deux bornes de commande électrique en contact, respectivement, avec les première et deuxième zones latérales. Selon un mode de réalisation, le dopage de la zone centrale est à un niveau minimal, et le niveau de dopage de chaque zone latérale va en croissant de la zone centrale vers la borne de commande respective. Selon un mode de réalisation, le déphaseur comprend une structure configurée pour établir un contact électrique avec la zone centrale. Selon un mode de réalisation, la structure de contact électrique comprend, dans un plan parallèle à celui des première et deuxième zones latérales, une troisième zone latérale, adjacente à la première face de la zone centrale et dopée selon le premier type de conductivité ; une quatrième zone latérale, adjacente à la deuxième face de la zone centrale et dopée selon le premier type de conductivité ; et deux contacts électriques disposés respectivement sur les troisième et quatrième zones latérales. Selon un mode de réalisation, le dopage de la zone centrale est à un niveau minimal, et le niveau de dopage de chacune des troisième et quatrième zones latérales va en croissant de la zone centrale vers le contact électrique respectif Selon un mode de réalisation, le déphaseur comprend des paires de troisième et 20 quatrième zones latérales dans plusieurs plans entrelacés le long de l'axe du guide d'onde avec des paires de première et deuxième zones latérales. Description sommaire des dessins Des modes de réalisation seront exposés dans la description suivante, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : 25 - la figure 1, précédemment décrite, représente schématiquement un modulateur optique selon le principe de l'interféromètre de Mach-Zehnder ; - la figure 2, précédemment décrite, représente une vue en perspective d'un déphaseur électro-optique inséré entre deux tronçons alignés d'un guide d'onde optique ; 30 - la figure 3 représente une vue en coupe schématique d'un déphaseur HSPM ; - la figure 4 représente une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation de déphaseur HSPM à double jonction ; - les figures 5A et 5B sont des schémas électriques équivalents du déphaseur de la figure 4, dans deux configurations de commande électrique du déphaseur ; - la figure 6 représente une vue en coupe schématique d'un exemple de structure permettant d'établir un contact électrique avec la zone centrale du déphaseur ; et - la figure 7 représente une vue en perspective d'un déphaseur électro-optique du type des figures 4 et 6, inséré entre deux tronçons alignés d'un guide d'onde optique. Description d'un mode de réalisation préféré de l'invention La figure 4 représente une vue en coupe schématique, selon un plan perpendiculaire à l'axe du guide d'onde optique, d'un mode de réalisation de déphaseur de type HSPM comprenant deux jonctions P-N, à savoir la jonction 14 du déphaseur HSPM classique, et une jonction supplémentaire 15 configurée en opposition par rapport à la jonction 14. Les jonctions sont en opposition du fait que chacune des jonctions bloque un courant pouvant traverser l'autre jonction. Plus spécifiquement, le déphaseur comprend une zone centrale PWELL destinée à être placée dans le faisceau optique véhiculé par le guide d'onde. Cette zone est faiblement dopée P, par exemple au niveau de dopage du substrat semi-conducteur d'origine. La jonction 14 est formée entre la face latérale droite de la zone PWELL et une zone latérale 16 dopée N. Le bord distal, droit, de la zone 16 porte un contact électrique K2. La jonction 15 est formée entre la face latérale gauche de la zone PWELL et une zone latérale 17 dopée N. Le bord distal, gauche, de la zone 17 porte un contact électrique Ki. Pour des raisons de commodité de fabrication, les bords des zones 16 et 17, portant les contacts, sont généralement surélevés pour être au même niveau que la zone centrale PWELL. De préférence le niveau de dopage de chacune des zones latérales 16, 17 est minimale près de la zone centrale et croît en allant vers les contacts K1 et K2. Un tel gradient de niveau de dopage est souhaitable pour atteindre un compromis optimal entre un faible temps de réponse (favorisé par la faible résistivité procurée par un niveau de dopage élevé) et de faibles pertes optiques dans la zone centrale (favorisées par un faible niveau de dopage). Comme cela est représenté, on peut approcher un gradient de concentration de dopage par paliers, en prévoyant plusieurs zones ayant des dopages différents, en particulier une zone NWELL près du centre ayant un niveau de dopage minimal (équivalent à celui de la zone PWELL), une zone NM ayant un niveau de dopage intermédiaire, une zone Nivill ayant un niveau de dopage élevé, et une zone N+ ayant le niveau de dopage le plus élevé. Les contacts K1 et K2 sont formés sur les zones N+. La figure 5A illustre un schéma électrique équivalent du déphaseur de la figure 4. Les jonctions 15 et 16 forment deux diodes Dl et D2 connectées anode contre anode. Une résistance RPWELL entre les anodes des diodes représente la résistivité de la zone centrale PWELL. Des résistances R1N et R2N entre, respectivement, les cathodes des diodes Dl, D2 et les contacts Ki, K2, représentent les résistivités de zones latérales 17 et 16. La figure 5A illustre en outre une configuration électrique permettant une utilisation bidirectionnelle du déphaseur. Le déphaseur est symétrique entre les contacts K1 et K2, de sorte que le déphaseur réagit de la même manière quelle que soit la polarité de la tension appliquée entre ces contacts. On a représenté le contact K1 au « moins » de la tension de commande, et le contact K2 au « plus ». La jonction 15 pourrait être polarisée en direct pour permettre la circulation d'un courant du contact K2 vers le contact Ki, mais la jonction 14 serait polarisée en inverse et empêcherait le passage du courant. En réalité, ce type de déphaseur est conçu pour fonctionner en dynamique, avec une tension de commande variant à une fréquence élevée - le comportement de la structure de la figure 4 doit plutôt être examiné en régime transitoire. En régime transitoire, les jonctions 14 et 15 sont vues comme des capacités Cj présentant une faible impédance. Ainsi, la capacité de la jonction 15 permet l'évacuation de trous de la zone PWELL vers le contact Ki, de sorte qu'une zone de déplétion D se forme au voisinage de la jonction 14. La structure se comporte alors de la même manière que celle de la figure 3. Lorsqu'on inverse la polarité entre les contacts K1 et K2, c'est la jonction 15 qui se trouve polarisée en inverse et la zone de déplétion est créée au voisinage de cette jonction 15. Si la structure est symétrique, l'effet sur l'onde optique est le même que 30 dans la première configuration de polarité. On obtient ainsi un déphaseur dont le déphasage dépend de la valeur absolue du signal de commande. Il peut être utile de disposer d'un tel composant bidirectionnel dans une bibliothèque pour faciliter le routage des pistes véhiculant les signaux de commande du déphaseur. Par ailleurs, le déphaseur présente une capacité équivalente à la mise en série des capacités Cj des deux jonctions - la capacité du déphaseur est divisée par deux par 5 rapport à un déphaseur classique, ce qui permet d'augmenter la fréquence de fonctionnement du déphaseur. La figure 5B illustre un schéma électrique équivalent du déphaseur de la figure 4, dans une configuration permettant d'augmenter la sensibilité du déphaseur. Les contacts K1 et K2 reçoivent tous deux le « plus » de la tension de commande, et on prévoit des 10 contacts supplémentaires Al et A2 permettant d'amener le « moins » de la tension de commande sur la zone centrale PWELL. Cette configuration permet de créer simultanément deux zones de déplétion, au voisinage de chacune des deux jonctions 14 et 15, d'où il résulte que la sensibilité du déphaseur est multipliée par deux. Cette augmentation de la sensibilité est obtenue sans augmenter la longueur du déphaseur 15 dans le guide d'onde, donc sans augmenter les pertes optiques. Pour conserver une structure symétrique, le « moins » de la tension de commande est appliqué sur deux contacts Al et A2 disposés de part et d'autre de la zone centrale PWELL. On considère que les contacts Al et A2 sont reliés électriquement au centre de la zone PWELL. La résistance RPWELL de la figure 5A est ainsi répartie à la figure 5B sur 20 deux résistances R1PWELL et R2PWELL. Une structure permettant de connecter les contacts Al et A2 au centre de la zone PWELL présente une résistance R3PWELL partant du point de connexion entre les résistances R1PWELL et R2PWELL, et des résistances R1 p et R2p reliant respectivement les contacts Al et A2 à la résistance R3PWELL. La figure 6 représente une vue en coupe d'un exemple de structure de contact, selon un 25 plan perpendiculaire à l'axe du guide d'onde. Cette structure de contact est réalisée dans un plan parallèle à celui du déphaseur de la figure 4. Elle comprend deux zones latérales 20 et 21 dopées P, partant respectivement des deux faces latérales de la zone centrale PWELL. Le bord distal, gauche, de la zone 20 porte le contact Al. Le bord distal, droit, de la zone symétrique 21 porte le contact A2. De préférence, comme pour la structure de la 30 figure 4, le niveau de dopage de chacune des zones 20 et 21 suit un gradient croissant du centre vers le contact respectif Al, A2. Ce gradient est approché par des zones de dopage croissant Pm et P+. La figure 7 représente une vue en perspective d'un déphaseur électro-optique, combinant les structures des figures 4 et 6, inséré entre deux tronçons alignés d'un guide d'onde optique. La zone centrale PWELL est un barreau continu reliant les deux tronçons de guide d'onde 12. Le long de ce barreau, on trouve des structures de contact du type de la figure 6, identifiées par les contacts Al et A2, entrelacées avec des structures de déphaseur du type de la figure 4, identifiées par les contacts K1 et K2. Les structures de contact n'apportant aucun effet de déphasage mais introduisant des pertes optiques, sont notablement plus courtes que les structures de déphaseur, comme cela est représenté. Le nombre et la longueur des structures de contact à utiliser sont choisis en fonction de la fréquence de fonctionnement à atteindre, limitée par les constantes RC des structures. En effet, plus les structures de contact sont espacées, plus la résistance R3pwELL est grande, et plus les structures de contact sont courtes, plus les résistances R1 p et R2p sont grandes.15 REVENDICATIONS1. Déphaseur électro-optique en matériau semi-conducteur, comprenant : - une zone centrale (PwELL) configurée pour être disposée dans un guide d'onde optique, dopée selon un premier type de conductivité (P) ; - une première zone latérale (16), adjacente à une première face de la zone centrale et dopée selon un deuxième type de conductivité (N), d'où il résulte que la première face forme une première jonction P-N (14) ; et caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième zone latérale (17), adjacente à une deuxième face de la zone centrale et dopée selon le deuxième type de conductivité (N), d'où il résulte que la deuxième face forme une deuxième jonction P-N (15). 2. Déphaseur selon la revendication 1, comprenant deux bornes de commande électrique (K1, K2) en contact, respectivement, avec les première et deuxième zones latérales (16, 17). 3. Déphaseur selon la revendication 2, dans lequel le dopage de la zone centrale (PwELL) est à un niveau minimal, et le niveau de dopage de chaque zone latérale (16, 17) va en croissant de la zone centrale vers la borne de commande respective (K1, K2). 4. Déphaseur selon la revendication 2, comprenant une structure (20, 21) configurée pour établir un contact électrique (Al, A2) avec la zone centrale (PwELL). 5. Déphaseur selon la revendication 4, dans lequel la structure de contact électrique comprend, dans un plan parallèle à celui des première et deuxième zones latérales : - une troisième zone latérale (21), adjacente à la première face de la zone centrale et dopée selon le premier type de conductivité (P) ; - une quatrième zone latérale (20), adjacente à la deuxième face de la zone centrale et dopée selon le premier type de conductivité (P) ; et - deux contacts électriques (Al, A2) disposés respectivement sur les troisième et quatrième zones latérales. 6. Déphaseur selon la revendication 5, dans lequel le dopage de la zone centrale (PwELL) est à un niveau minimal, et le niveau de dopage de chacune des troisième et quatrième zones latérales (20, 21) va en croissant de la zone centrale vers le contact électrique respectif (Al, A2). 7. Déphaseur selon la revendication 5, comprenant des paires de troisième et quatrième zones latérales dans plusieurs plans entrelacés le long de l'axe du guide d'onde avec des paires de première et deuxième zones latérales.