Brevet FR3094503A1 — publié le 20201002

Description Titre de l'invention : Modulateur ultra-rapide de l'amplitude d'un rayonnement laser Domaine technique [0001] L'invention relève du domaine de la modulation électro-optique et plus particu- lièrement des modulateurs électro-optiques, notamment dans l'infrarouge. Technique antérieure [0002] La modulation ultra rapide de l'amplitude d'un rayonnement laser dans l'infrarouge moyen est un domaine d'étude suscitant un fort intérêt particulièrement dans le domaine des télécommunications pour la transmission d'information à l'aide d'une porteuse optique. En effet, avec une porteuse optique possédant une longueur d'onde dans l'une des deux fenêtres atmosphérique (3-5pm et 8-12pm), la théorie de Mie démontre une forte robustesse de la transmission d'information dans l'air vis-à-vis des perturbations atmosphériques (vapeur d'eau, particules atmosphériques...). Cette robustesse est due au fait que la taille moyenne des particules atmosphériques est en général très inférieure à la longueur d'onde de la porteuse. [0003] Un deuxième domaine d'intérêt est la métrologie et la spectroscopie à haute ré- solution, car une modulation ultra-rapide permet de générer des bandes latérales précisément positionnées en fréquence par rapport à la fréquence de la porteuse. [0004] A l'heure actuelle, les lasers dans l'IR-moyen sont pour la plupart des lasers à cascade quantique. Cependant, dans cette gamme de longueur d'onde, il n'existe pas de source modulable à haute fréquence (sub-GHZ et au-delà) disponible commercialement. Les rares solutions disponibles et proposées dans la littérature scientifique sont encore au stade de démonstrateurs complexes et couteux, limitant très fortement leurs utilisations et applications. [0005] Il est connu de l'art antérieur de réaliser des modulateurs électro-optiques ultra- rapides dans l'IR-moyen reposant sur le transfert de charge entre deux puits quantiques couplés (Nevou, L., et al. (2007). Short-wavelength intersubband eleetroabsorption modulation based on electron tunneling between GaN/AlN coupled quantum wells. Applied Physics Letters, 90(22), 223511). Dans ce dispositif, des puits quantiques de GaN sont couples par une barrière de potentiel ultramince en MN. Un puits sert de réservoir et un autre, le puits actif, est conçu pour présenter une transition intersousbande (ISB) à la longueur d'onde d'illumination. Sous application d'une tension positive, les électrons sont transférés par effet tunnel du puits réservoir au puits actif et le modulateur devient alors absorbant. Il redevient transparent en appliquant une tension négative qui provoque le retour des électrons dans le puits réservoir. Le 2 mécanisme de transfert de charge étant rapide (quelques picosecondes), le dispositif permet d'obtenir un bon temps de réponse (quelques GHz), cependant, il ne permet d'obtenir qu'une faible profondeur de modulation (environ 30% à X=2.1vm). [0006] Il est aussi connu de réaliser des modulateurs dans l'IR-moyen ultra-rapides reposant sur le peuplement/dépeuplement des puits quantiques sous l'action d'un champ électrique (Machhadani, H., et al, (2009). GaN/AlGaN intersubband oploelectranic devices. New Journal of Physics, 11(12), 125023.). En insérant une région active composée de trois puits quantiques GaN/AIN dans un guide d'onde en AIGaN, il a été démontré une profondeur de modulation à 1.5 5p ni de 13.5 dB avec une tension de 7V. Dans ce type de dispositif, la fréquence de réponse n'est limitée que par la constante RC du circuit électrique appliquant une tension de grille permettant de vider les puits quantiques. En effet, l'autre phénomène limitant le temps de réponse est le transfert de charge entre les puits quantiques couplés, qui est très rapide car réalisé par effet tunnel (de l'ordre de quelques picosecondes). Cependant, ce dispositif introduit des pertes importantes par propagation dans le guide d'onde. [0007] Enfin il est connu de l'homme du métier de réaliser un modulateur électro-optique basé sur des empilements de puits quantiques placés dans une microcavité, les puits quantiques étant construits de manière à présenter un important effet Stark quantique confiné (Lee, J., et al.. (2014). Ultrafasz Electrically Tunable Polaritonic Mezasurfaces . Advanced Optical Mazerials, 2(11), 1057-1063.). Dans ce dispositif, la modulation est produite par l'application d'un champ électrique entre les deux éléments de la microcavité et au travers de l'empilement de puits quantiques permettant de déplacer les pics d'absorption ISB par effet Stark quantique confiné. Ici aussi, le temps de réponse d'un tel dispositif n'est limité que par la constante RC du circuit électrique. Cependant, la profondeur de modulation reste faible (30% pour )v=7.12 hm). [0008] L'invention vise à pallier certains problèmes de l'art antérieur. A cet, un objet de l'invention est un modulateur électro-optique basé sur des empilements de puits quantiques placés dans une microcavité utilisant le régime de couplage fort afin d'obtenir un bon temps de réponse du dispositif et une excellente profondeur de modulation. Résumé de l'invention [0009] A cet effet, un objet de l'invention est un dispositif de modulation de l'amplitude d'un rayonnement laser incident (1) de longueur d'onde À t caractérisé en ce qu'il comprend : une couche inférieure métallique (3) au-dessus de laquelle se trouve une couche semi-conductrice (4) contient un empilement d'une pluralité de puits quantiques, au-dessus de laquelle se trouve une couche supérieure métallique structurée (2), les deux couches métalliques (2, 3) étant réfléchissantes au rayonnement 3 laser incident (1), la structuration de la couche supérieure et la distance entre lesdites deux couches métalliques L étant suffisamment petite pour que le dispositif forme une microcavité optique présentant au moins un mode de résonnance; au moins une partie des puis quantiques dits puits actifs présentant une absorption intersousbande à une longueur d'onde centrale À Np> = h c E1s11, le couplage entre ladite transition in- tersoubsande à ladite longueur d'onde centrale À, '.B et un des modes de la mi- crocavité entrainant l'excitation de polaritons de cavités et un dédoublement de Rabi aux énergies Elsa±h a i ^ d a - - -ec S2Rabi la fréquence de Rabi ; ledit dispositif comprenant un circuit électrique (5) configuré pour appliquer deux différences de tension distinctes, Vo et V1 entre les deux couches métalliques, le dispositif (4) absorbant le rayonnement incident (1) pour la différence de tension Vo et le dispositif réfléchissant ou transmettant le rayonnement incident pour la différence de tension VI 100101 Selon des modes particuliers de l'invention: - la couche métallique inférieure ne possède pas de discontinuités et le dispositif réfléchit le rayonnement incident pour la différence de tension 171 ; - la couche supérieure métallique est formée d'une pluralité de bandes métalliques de largeurs, séparées d'une distance a , avec s + cz bE1SB bEcav. Avec bE1SB bEcav 90%) entre l'état absorbant et l'état réfléchissant. 100541 La figure 5 illustre schématiquement la réflectivité du dispositif 10 en fonction de la fréquence du rayonnement laser incident et en fonction de la différence de tension appliquée entre les couches métalliques. La courbe 50 (trait fin) représente la réflectivité du dispositif pour l'état absorbant (une différence de tension V1 entre les deux couches métalliques). Comme mentionné précédemment, dans ce cas de figure, les charges ne sont plus dans les puits quantiques, il n'existe donc pas de dédoublement de Rabi et le dispositif se comporte comme une microcavité « classique » : c'est-à-dire qu'il absorbe un rayonnement laser incidcnt si sa longueur d'onde est égale à un mode de résonance de la cavité. [0055] La courbe 51 (trait épais) représente la réflectivité du dispositif pour l'état réflé- chissant (une différence de tension nulle entre les deux couches métalliques). Dans cc cas de figure, le dopage est présent dans les puits quantiques dans la cavité, cc qui donne lieu à la formation des polaritons de cavités et au dédoublement de Rabi aux fréquences W IST3 R à partir de la simple transition ISB à CO ISB proche d'un mode de résonance de la cavité à tO c a v. Cc dédoublement provoque une absorption du dispositif 10 d'un rayonnement laser incident aux energies ETSB ± liQRabi ± hR et une réflexion d'un rayonnement laser incident à la longueur d'onde À I.SS. 13 [0056] Il est important dc noter que, dans le mode de réalisation de la figure 1, la distance entre les deux couches métalliques L (donc ici l'épaisseur maximale de la couche semi-conductrice) n'est pas uniquement limitée par le souhait de fonctionner en régime non dispersif de cavité. L'épaisseur de la couche semi-conductrice est aussi limitée par la tension dc grille maximale Vina, que les contacts Schottky entre la couche semiconductrice et les couches métalliques peuvent supporter. Cela implique V1 = F " L. 90%) entre l'état absorbant et l'état réfléchissant. [0062] La barrière entre les puits actifs et les réservoirs étant très mince (quelques na- nomètres), le transfert par effet tunnel est très rapide (de l'ordre de la picoseconde). Aussi, la fréquence de réponse du dispositif de la figure 3 est très élevée (supérieure au GHz) et uniquement limitée par la constante RC du circuit électrique. [0063] Un autre avantage du mode dc réalisation de la figure 3 est que la différence dc tension nécessaire pour provoquer le transfert de charges des réservoirs aux puits actifs et donc passer de l'état absorbant à l'état réfléchissant est plus faible que pour le mode de réalisation de la figure 1. Ainsi, dans le dispositif 100, une tension V i = 2 V est suffisante à X=9 pm pour provoquer le transfert de charge vers les puits actifs. Cette valeur est bien inférieure à celle nécessaire pour vider les puis quantiques du mode de réalisation de la figure 1 (où V1 = 6 V) et permet de s'assurer que l'on a bien V1 [0065] De même, dans tous les modes de réalisations, les contacts et microsoudures sont adaptés de manière à ne pas limiter le temps de réponse du dispositif. [0066] Dans un autre mode de réalisation, le dispositif peut être refroidit jusqu'à 78K à l'aide d'un cryostat ou bien avec un Peltier par exemple. Ce refroidissement est parti- culièrement nécessaire si l'on souhaite moduler des ondes THz. On définit THz comme X> 30 pm. [0067] Dans un autre mode de réalisation, dans le cas de fonctionnement en régime non- dispersif, on choisit. = 3.À i / 2.n , avec À ila longueur d'onde du rayonnement laser incident dont on souhaite moduler l'amplitude. Ainsi, on utilise le mode de résonance TMO2de la cavité afin d'augmenter le facteur de superposition entre le mode électromagnétique et la région active semi-conductrice et ainsi augmenter le dédoublement de Rabi de la transition ISB des puits quantiques actifs de fréquence proche du celle du mode TM02. Cela permet une meilleure séparation en fréquence entre la raie d'absorption correspondant au mode de cavité T:Mo?, dans l'état absorbant et les deux raies correspondant au dédoublement de Rabi de ladite transition ISB des puits quantiques actifs. On obtient ainsi une meilleure profondeur de modulation. De plus, la fabrication du résonateur est aussi simplifiée grâce aux dimensions plus importantes des bandes métalliques. [0068] Dans un autre mode de réalisation, les puits quantiques sont réalisés en GaAs/ AIGaAs ; InGaAs/AlInAs ; InAs/AlSb, Si/SiGe, GaN/AlGaN ou tout autre matériau permettant de réaliser des puits quantiques avec une transition ISB comprise entre 3 pm et 200 pm. [0069] Dans un autre mode de réalisation un dispositif 1000 de modulation de l'amplitude d'un rayonnement laser incident fonctionne en transmission. Pour cela, la couche inférieure métallique 3 possède des discontinuités et est structurée de la même manière que la couche supérieure métallique 2 de sorte que les bandes métalliques des couches métalliques supérieure et inférieure soient en vis-à-vis. Ainsi l'ensemble formé par les deux couches métalliques et la couche intermédiaire semi-conductrice constitue un micro-résonateur qui transmet un rayonnement incident à une longueur d'onde À i lorsque la couche semi-conductrice 3 n'absorbe pas pour cette longueur d'onde et lorsque À i ne correspond pas à un mode de résonance de la cavité. A l'inverse, lorsque le rayonnement incident possède une longueur d'onde À qui correspond à un mode de résonance de la microcavité et que la région active n'absorbe pas à cette longueur d'onde, le rayonnement incident est couplé (et donc absorbé) par la cavité. L'épaisseur L de la région active 3 peut être choisie de manière à fonctionner en régime dispersif ou non dispersif. Le dispositif comprend un substrat 8 en dessous de la couche métallique inférieure et en contact avec cette dernière qui est un composant transparent au rayonnement laser incident. Ce substrat peut être en CaF2, ZnSe, BaF2 ou tout autre matériau transparent au rayonnement IR-moyen. Les matériaux à base de fluor (CaF2, BaF2) sont particulièrement adapté car ils ont un indice de réfraction faible (n REVENDICATIONSDispositif (10, 100) de modulation de l'amplitude d'un rayonnement laser incident (1) dc longueur d'onde À caractérisé en ce qu'il comprend : une couche inférieure métallique (3) au-dessus de laquelle se trouve une couche semi-conductrice (4) contient un empilement d'une pluralité de puits quantiques, au-dessus de laquelle se trouve une couche supérieure métallique structurée (2), les dcux couches métalliques (2, 3) étant réfléchissantes au rayonnement laser incident (1), la structuration de la couche supérieure et la distance entre lesdites deux couches métalliques L étant suffisamment petite pour que le dispositif forme une microcavité optique présentant au moins un mode de résonnance; au moins une partie des puis quantiques dits puits actifs présentant une absorption intersousbande à une longueur d'onde centrale À !SB = hc lE1sB, le couplage entre ladite transition intersoubsandc à ladite longueur d'onde centrale À iss et un des modes de la microcavité entrainant l'excitation de polaritons de cavités et un dédoublement de Rabi aux énergies E,sB-± Ii52',,b; avec gr? k' la fréquence de Rabi ; ledit dispositif comprenant un circuit électrique (5) configure pour appliquer deux différences dc tension distinctes, Vo ct V entre les deux couches métalliques, le dispositif (4) absorbant le rayonnement incident (1) pour la différence de tension Vp ct le dispositif réfléchissant ou transmettant le rayonnement incident pour la différence de tension VI. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la couche métallique inférieure ne possède pas de discontinuités et le dispositif réfléchit le rayonnement incident pour la différence de tension VI Dispositif selon l'une quelconques des revendications précédentes, dans lequel ladite couche supérieure métallique est formée d'une pluralité de bandes métalliques de largeur S, séparées d'une distance q, avec s -Fa 2. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la largeur des bandes métallique S est telle que s = / 2.n à 30% avec " l'indice de ladite couche de semi-conducteur. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la largeur des bandes métallique s = À t / 2.ns est telle que s = 3.À / 2.n à 18 ± 30% avec " l'indice de ladite couche de semi-conducteur. [Revendication 6] Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les contacts entre la couche semi-conductrice et les couches métalliques sont réalisés par des contacts Schottky ou par l'introduction de couches isolantes. [Revendication 7] Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la distance entre lesdites deux couches métalliques L est égale à À i/ 30 à ± 3 0 % . [Revendication 8] Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la distance entre les deux couches métalliques L est choisie par des simulations numériques de manière à ce que ledit dispositif fonctionne en régime non dispersif. [Revendication 9] Dispositif (10) selon la revendication précédente, dans lequel les puits quantiques ou les barrières séparant les puits quantiques sont dopés électroniquement, les puits quantiques étant choisis pour que, pour une première différence de tension Vo appliquée par ledit circuit électrique (5) entre lesdites deux couches métalliques, le dispositif présente une absorption aux énergies EisehQRabi et non pas aux longueurs d'ondes égales aux modes de résonance de la cavité et pour que, pour une deuxième différence de tension V1, tous les puits quantiques de la couche semi-conductrice sont dépeuplés de leurs charges, le dispositif présente une absorption aux modes de résonance de la cavité et non pas aux énergies ENE±h52,',,i. [Revendication 10] Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel l'épaisseur de la couche semi-conductrice L est telle que V] est inférieure à la tension maximale supportée par les contacts entre la couche semi-conductrice et les couches métalliques. [Revendication 11] Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel l'épaisseur Lde la couche semi-conductrice est choisie pour que Visoit inférieure à 10V. [Revendication 12] Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la distance entre lesdites deux couches métalliques L est égale à à ±30%. [Revendication 13] Dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 et 8 à 11, dans lequel la couche semi-conductrice comprend un empilement de puits quantiques couplés constitués d'un puits étroit non dopé dit puits actif séparé par une première barrière d'un puits large dit réservoir, les puits quantiques couplés étant séparés les uns des autres d'un autre part 19 une deuxième barrière plus large que ladite première barrière, la première barrière ou le réservoir de chaque puits quantiques couplés étant dopé électroniquement, les puits actifs étant choisis afin qu'ils présentent une absorption intersoushande à une longueur d'onde centrale À isB proche d'un mode de résonance de ladite microcavité optique; lesdits puits quantiques couplés étant adaptés pour que, pour une première différence de tension Vo appliquée par ledit circuit électrique (5) entre lesdites deux couches métalliques, les charges provenant du dopage sont transférés par effet tunnel dans les puits étroits et le dispositif présente une absorption aux énergies E,s,±1152,,,,,i et non pas aux longueurs d'ondes égales aux modes de résonance de la cavité, et pour que, pour une deuxième différence de tension V le dispositif présente une absorption aux longueurs d'ondes égales aux modes de résonance de la cavité et non pas aux énergies E,s,411Q,i. [Revendication 14] Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel l'épaisseur L de la couche semi-conductrice est choisie pour que Vosoit inférieure ou égale à 2V. [Revendication 15] Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, dans lequel la couche semi-conductrice est structurée pour que les empilements de puits quantiques soient situés uniquement directement en dessous des bandes métalliques de la couche métallique supérieure. [Revendication 16] Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les puits quantiques de la couche semi-conductrice sont réalisés en GaAs/AlGaAs ; InGaAs/AlInAs ; InAs/A1Sb, Si/SiGe, GaN/AlGaN. [Revendication 17] Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une dimension caractéristique du dispositif est inférieure à 200 11m. [Revendication 18] Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 17, dans lequel la couche métallique inférieure présente des discontinuités et est structurée de manière à ce que ledit dispositif transmette le rayonnement incident pour la différence de tension V1, ledit dispositif comprenant un substrat 8 transparent au rayonnement incident en dessous de la couche métallique inférieure et en contact avec cette dernière.