Brevet FR3101442A1 — publié le 20210402

Miroir de Bragg et procédé de réalisation d’un miroir de Bragg L’invention concerne un miroir de Bragg comprenant une partie 110 de ruban 100 présentant un indice de réfraction n1, des corrugations 112 présentant un indice de réfraction n3 et une couche de séparation 111 séparant le ruban 100 des corrugations 112 et présentant un indice de réfraction n2, tel que n2 L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un tel miroir, et un laser comprenant un tel miroir en tant que miroir de sortie Figure pour l’abrégé : Fig. 4B Miroir de Bragg et procédé de réalisation d’un miroir de Bragg La présente invention concerne le domaine de l’optoélectronique. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse la réalisation de miroirs de Bragg pour des sources laser à semiconducteurs, par exemple pour des lasers de télédétection LiDAR (acronyme de l'expression en langue anglaise « laser detection and ranging » soit en français « détection et estimation de la distance par laser ») ou pour des lasers datacom moyenne distance de type 400G Ethernet. Un miroir de Bragg permet de réfléchir un rayonnement lumineux en incidence normale audit miroir, en limitant les pertes optiques. Il peut ainsi présenter une réflectivité R supérieure à 99% pour un rayonnement lumineux de longueur d’onde λ donnée. Les miroirs de Bragg sont donc particulièrement avantageux pour la fabrication de cavités optiques pour des applications laser, et notamment pour des sources laser à semiconducteurs. Une architecture connue de source laser à semiconducteurs est présentée aux figures 1A, 1B. Une telle architecture comprend typiquement un guide en ruban 100 s’étendant longitudinalement entre deux miroirs de Bragg 11, 12, transverses, et une cavité optique de type Fabry-Pérot comprenant un milieu amplificateur 20. Le milieu amplificateur 20 est ici une vignette en matériau III-V, par exemple en phosphure d’indium InP, reportée sur le ruban 100 en silicium. En pratique, les miroirs de Bragg sont réalisés par corrugation du guide en ruban 100. Ils présentent dès lors chacun un facteur de corrugation et une longueur qui déterminent leurs propriétés de réflectivité. Le facteur de corrugation peut s’exprimer selon : Où Ω est la section du mode optique se propageant dans le ruban, et sont respectivement les indices de réfraction effectifs du mode optique en correspondance avec respectivement les marches basses et les marches hautes du ruban comme illustré à la figure 3B, est un indice effectif global du réseau formé par les corrugations (moyenne pondérée des indices liés aux marches basses et marches hautes) et E est le champ électrique du rayonnement lumineux en dehors de la région perturbée par les corrugations. Un principe de fonctionnement de cette source laser est le suivant : le milieu amplificateur est pompé électriquement de façon à émettre un rayonnement lumineux présentant un spectre d’émission centré autour d’une longueur d’onde λ. Ce rayonnement lumineux se propage de façon guidée au sein de la cavité optique en étant réfléchi plusieurs fois par les miroirs de Bragg, selon un mode de propagation résonnant appelé mode de cavité ou mode longitudinal. Après chaque réflexion, le rayonnement lumineux est réinjecté dans le milieu amplificateur de façon à stimuler l’émission. L’un des miroirs de Bragg, dit de confinement, présente une réflectivité R ≥ 99% et permet de limiter les pertes optiques de la cavité. L’autre miroir de Bragg, dit de sortie ou d’extraction, est partiellement réfléchissant (R ≤ 50%) et permet de transmettre un faisceau laser cohérent. Ce faisceau laser présente généralement un spectre d’émission comprenant un ensemble discret de raies très fines autour de la longueur d’onde λ, à des longueurs d'onde définies par la cavité optique et le milieu amplificateur. Ce spectre d’émission du laser est illustré à la figure 2. Les différentes raies de ce spectre d’émission correspondent aux modes longitudinaux du faisceau laser. La largeur des raies dépend notamment des imperfections de la cavité optique et du bruit quantique généré au sein du milieu amplificateur. L'espacement en longueur d'onde entre les modes longitudinaux correspond à l'intervalle spectral libre (ou FSR en anglais, pour free spectral range ) de la cavité optique, et dépend notamment de la longueur de la cavité optique : Avec l’indice effectif moyen de la cavité optique. Ainsi, en augmentant la longueur de cavité, l’ diminue et la bande spectrale du faisceau laser contient potentiellement plus de modes longitudinaux. Le faisceau laser peut être caractérisé par sa pureté spectrale, qui reflète le nombre de modes longitudinaux de son spectre d’émission. La pureté spectrale du faisceau laser augmente lorsque le nombre de modes longitudinaux dans le spectre d’émission diminue. La pureté spectrale peut être exprimée comme le rapport des intensités des deux raies les plus intenses. En télécommunication, un faisceau laser est considéré comme monomode de longueur d’onde λ si ce rapport d’intensités, également connu sous l’acronyme SMSR (pour Side Mode Suppression Ratio en anglais, soit en français « ratio de suppression de la bande latérale »), est supérieur à environ 30 dB. Une solution permettant d’améliorer la pureté spectrale du faisceau laser consiste à réduire la longueur de cavité. Ce type de solution n’est pas adapté pour des sources laser nécessitant une puissance optique élevée puisqu’en réduisant la longueur de cavité, la puissance optique du faisceau laser diminue. Une autre solution permettant d’améliorer la pureté spectrale du faisceau laser consiste à dimensionner le miroir de Bragg de sortie de façon à filtrer spectralement le faisceau laser. Les miroirs de Bragg de la cavité optique présentent chacun un pic de réflectivité centré sur la longueur d’onde λ. Ce pic de réflectivité présente une certaine largeur spectrale définissant la bande d’arrêt spectral ou « stopband » du miroir de Bragg. Cette largeur de stopband (en nm) dépend notamment du facteur de corrugation du réseau de Bragg, également dénommé force du réseau, et de la longueur du réseau de Bragg : Où est la vitesse de groupe du rayonnement lumineux. Une largeur de stopband du miroir de sortie suffisamment faible permet de filtrer le spectre d’émission du faisceau laser et de réduire la largeur de ce spectre d’émission. La pureté spectrale du faisceau laser est ainsi d’autant meilleure que la stopband du miroir de sortie est étroite. La figure 3A illustre la réflectivité R et la stopband du miroir de confinement ( = 500 µm, R ≈ 100%, ≈ 2 nm) et du miroir de sortie ( = 100 µm, R ≈ 46%, ≈ 4 nm) d’une cavité optique d’ = 0,32 nm, pour un rayonnement lumineux de longueur d’onde λ = 1547 nm. Les lignes verticales illustrent les différents modes longitudinaux du faisceau, séparés par l’ . Dans cet exemple, la cavité optique présente une longueur de l’ordre de 1 mm, et les miroirs de confinement et de sortie présentent des corrugations de hauteur t = 10 nm. La figure 3B illustre en coupe un miroir de Bragg de longueur présentant de telles corrugations de hauteur t , de longueur d sur une période Λ . Ce type de solution permet d’obtenir des sources laser infrarouge (λ ≈ 1550 nm) monomode pour des applications de transmission de données (datacoms) ou de télécommunications (télécoms) nécessitant une puissance optique comprise entre 5 mW et 20 mW. En revanche, pour des applications de type LiDAR (télédétection par laser) ou des applications datacom moyenne distance de type 400G Ethernet, ce type de solution ne permet pas d’obtenir à la fois une puissance suffisante, typiquement supérieure à 100 mW, et un faisceau laser monomode. Pour atteindre les puissances optiques requises pour ces applications, la longueur du milieu amplificateur et donc la longueur de la cavité optique doivent être augmentées. En particulier, la longueur de la cavité optique peut être au moins trois fois plus grande que celle de l’exemple précédent. Cette augmentation de longueur de cavité induit proportionnellement une diminution de l'intervalle spectral libre . Les caractéristiques du miroir de sortie de l’exemple précédent ne permettent plus d’obtenir un faisceau monomode pour une telle cavité optique. En particulier, la largeur de stopband du miroir de sortie ( ≈ 4 nm) est trop grande en regard de l’intervalle spectral libre ( ≈ 0,11 nm) d’une telle cavité optique. Il existe donc un besoin consistant à proposer un miroir de Bragg de sortie pour un laser à semiconducteur présentant une largeur de stopband réduite. Un objet de la présente invention est de proposer un tel miroir de Bragg de sortie. En particulier, un objet de la présente invention est de proposer un miroir de Bragg de sortie pour un laser à semiconducteur améliorant la pureté spectrale du faisceau laser, notamment pour un laser à semiconducteur présentant une puissance optique supérieure ou égale à 100 mW. Un autre objet de la présente invention est de proposer un procédé de réalisation d’un tel miroir de Bragg de sortie. Un autre objet de la présente invention est de proposer un laser à semiconducteur monomode de puissance optique supérieure ou égale à 100 mW. Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. En particulier, certaines caractéristiques et certains avantages du miroir de Bragg peuvent s’appliquer mutatis mutandis au système optique et/ou au procédé, et réciproquement. RÉSUMÉ Pour atteindre cet objectif, un premier aspect de l’invention concerne un miroir de Bragg comprenant une première partie de ruban à base d’un premier matériau présentant un premier indice de réfraction n1, ledit ruban s’étendant principalement selon une première direction x et étant destiné à guider une propagation d’un rayonnement lumineux de longueur d’onde λ selon ladite première direction x, le miroir de Bragg comprenant en outre des corrugations au niveau d’au moins une face de ladite première partie de ruban, lesdites corrugations s’étendant principalement selon une deuxième direction y normale à la première direction x et présentant une hauteur h3 selon une troisième direction z normale aux première et deuxième directions x, y. Avantageusement, les corrugations sont séparées de ladite au moins une face de la première partie de ruban par une couche de séparation à base d’un deuxième matériau présentant une épaisseur e2 prise selon la troisième direction z et présentant un deuxième indice de réfraction n2. Avantageusement, les corrugations sont à base d’un troisième matériau présentant un troisième indice de réfraction n3, tel que n2 Ainsi, les corrugations sont en regard de la face du ruban et séparées de ladite face du ruban par la couche de séparation. Les corrugations perturbent la propagation du rayonnement lumineux. Le facteur de corrugation détermine ainsi en partie la largeur de stopband . Plus le facteur de corrugation est important, plus la largeur de stopband du miroir augmente. A contrario, lorsque le facteur de corrugation diminue, la largeur de stopband du miroir diminue. Une solution permettant de diminuer le facteur de corrugation consiste à diminuer la hauteur des corrugations. Dans le cadre du développement de la présente invention, il s’est avéré en pratique que les technologies de gravure requises pour obtenir de façon reproductible et maîtrisée des corrugations présentant une hauteur de l’ordre de quelques nanomètres sont très difficiles à mettre en œuvre. Au contraire, selon la présente invention, la diminution du facteur de corrugation est obtenue en s’affranchissant d’une diminution de hauteur des corrugations. Ainsi, l’utilisation d’une couche de séparation permet d’éloigner physiquement les corrugations du ruban dans lequel se propage le rayonnement lumineux. L’intensité des perturbations décroît avec l’augmentation de distance, selon la troisième direction z , entre les corrugations et le ruban. Le facteur de corrugation et la largeur de stopband du miroir de Bragg sont ainsi diminués par cet effet d’éloignement ou de séparation physique. L’utilisation d’un deuxième matériau pour cette couche de séparation, typiquement un matériau diélectrique, présentant un faible indice de réfraction relativement à ceux du ruban et des corrugations permet en outre de séparer optiquement les corrugations du ruban dans lequel se propage le rayonnement lumineux. La couche de séparation d’indice de réfraction n2 a donc un effet synergique en éloignant physiquement les corrugations du ruban, et en modulant optiquement le rayonnement lumineux avec un faible indice. Cela permet de diminuer d’autant plus la largeur de stopband du miroir de Bragg. Les corrugations sont ainsi « flottantes » vis-à-vis du ruban. D’un point de vue électromagnétique, les corrugations forment des ilots perturbant le champ électromagnétique du rayonnement lumineux se propageant dans le ruban. Les perturbations électromagnétiques du rayonnement lumineux sont atténuées par une barrière diélectrique. Elles décroissent en outre naturellement avec l’augmentation de distance entre les ilots et le ruban. Ces corrugations flottantes présentent un facteur de corrugation diminué. Un deuxième aspect de l’invention concerne un système optique comprenant un ruban à base d’un premier matériau, un premier miroir de Bragg selon le premier aspect de l’invention formé à partir d’une première partie dudit ruban, un deuxième miroir de Bragg comprenant une deuxième partie du ruban, et une cavité optique située entre les premier et deuxième miroirs de Bragg comprenant une troisième partie du ruban et un milieu amplificateur à base d’un quatrième matériau. Ce système optique peut avantageusement former un laser présentant une grande pureté spectrale. Un tel laser équipé d’un miroir de sortie dont la largeur de stopband est diminuée peut en outre présenter une longueur de cavité augmentée tout en restant avantageusement monomode. La puissance optique du laser peut ainsi être augmentée, par exemple à une valeur supérieure ou égale à 100 mW, en conservant un SMSR supérieur à 30 dB. Un troisième aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un miroir de Bragg comprenant les étapes suivantes : Fournir un ruban à base d’un premier matériau présentant un premier indice de réfraction n1, ledit ruban s’étendant principalement selon une première direction x et présentant une face s’étendant dans un plan d’extension principal xy formé par la première direction x et une deuxième direction y normale à la première direction x, Déposer au moins sur une première partie de ladite face du ruban une couche de séparation à base d’un deuxième matériau présentant un deuxième indice de réfraction n2 tel que n2 Déposer, sur la couche de séparation, une couche de perturbation à base d’un troisième matériau présentant un troisième indice de réfraction n3, tel que n2 Graver la couche de perturbation de manière à former des corrugations s’étendant principalement selon la deuxième direction y, et présentant une hauteur h3 ≤ e3 selon la troisième direction z. La hauteur h3 des corrugations est de préférence supérieure à 10 nm, et de préférence supérieure à 20 nm. La gravure d’une telle hauteur h3 est plus facilement réalisable qu’une gravure de moins de quelques nanomètres, par exemple de moins de 5 nm. L’étape de gravure des corrugations selon le procédé de l’invention est donc simplifiée par rapport à une solution visant à diminuer la hauteur des corrugations. Avantageusement, la couche de séparation peut servir de couche d’arrêt à la gravure de la couche de perturbation et h3 = e3. Ainsi, la hauteur h3 des corrugations est parfaitement reproductible et bien maîtrisée. La face du ruban est en outre protégée d’une éventuelle surgravure lors de la gravure des corrugations. Cela permet de réaliser un miroir de Bragg présentant un facteur de qualité élevé. Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels : Les figures 1A et 1B illustrent respectivement en vue de dessus et en coupe une architecture connue de source laser à semiconducteurs. La figure 2 représente un spectre d’émission typique d’un laser. La figure 3A illustre la réflectivité et la stopband des miroirs de confinement et de sortie d’un laser selon l’art antérieur. La figure 3B illustre en coupe un miroir de Bragg présentant des corrugations selon l’art antérieur. La figure 4A montre une vue en coupe dans un plan yz d’un miroir de Bragg selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 4B montre une vue en coupe dans un plan xz d’un miroir de Bragg selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 5A montre une vue de dessus d’un miroir de Bragg selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 5B montre une vue de dessus d’un miroir de Bragg selon un autre mode de réalisation de la présente invention. La figure 6A montre la réflectivité et la stopband d’un miroir de Bragg selon l’art antérieur. La figure 6B montre la réflectivité et la stopband d’un miroir de Bragg selon un mode de réalisation de la présente invention. Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les dimensions relatives des différentes couches et corrugations du miroir de Bragg ne sont pas représentatives de la réalité. Miroir de Bragg (11) comprenant une première partie (110) de ruban (100) à base d’un premier matériau présentant un premier indice de réfraction n1, ledit ruban (100) s’étendant principalement selon une première direction (x) et étant destiné à guider une propagation d’un rayonnement lumineux de longueur d’onde λ selon ladite première direction (x), le miroir de Bragg (11) comprenant en outre des corrugations (112) au niveau d’au moins une face (1100) de ladite première partie (110) de ruban (100), lesdites corrugations (112) s’étendant principalement selon une deuxième direction (y) normale à la première direction (x) et présentant une hauteur h3 selon une troisième direction (z) normale aux première et deuxième directions (x, y), le miroir de Bragg (11) étant caractérisé en ce que les corrugations (112) sont séparées de ladite au moins une face (1100) de la première partie (110) de ruban (100) par une couche de séparation (111) à base d’un deuxième matériau présentant une épaisseur e2 prise selon la troisième direction (z) et présentant un deuxième indice de réfraction n2, et en ce que les corrugations (112) sont à base d’un troisième matériau présentant un troisième indice de réfraction n3, tel que n2 Miroir selon la revendication précédente dans lequel les corrugations (112) sont séparées les unes des autres de sorte que la couche de séparation (111) est exposée entre lesdites corrugations. Miroir selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les corrugations (112) sont encapsulées dans une couche d’encapsulation à base du deuxième matériau. Miroir selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la hauteur h3 des corrugations est supérieure ou égale à 5 nm et/ou inférieure ou égale à 30 nm. Miroir selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’épaisseur e2 de la couche de séparation (111) est supérieure ou égale à 10 nm et/ou inférieure ou égale à 50 nm. Miroir selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les corrugations présentent un motif (30) adiabatique en projection dans un plan d’extension principal (xy) formé par les première et deuxième directions (x, y). Miroir selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la hauteur h3 et l’épaisseur e2 sont configurées de sorte que le miroir (11) présente une largeur de bande spectrale δω DBR inférieure ou égale à 0,5 nm. Miroir selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le premier indice de réfraction n1 est supérieur ou égal à 3, le deuxième indice de réfraction n2 est inférieur ou égal à 2, et le troisième indice de réfraction n3 est supérieur ou égal à 1,5. Miroir selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les troisième et deuxième indices de réfraction sont tels que n3 – n2 ≤ 0,5. Miroir selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le premier matériau est du silicium, le deuxième matériau est un oxyde de silicium, le troisième matériau est pris parmi un nitrure de silicium, un nitrure d’aluminium, un oxyde d’aluminium, un oxyde de tantale. Système optique comprenant un ruban (100) à base d’un premier matériau, un premier miroir de Bragg (11) selon l’une quelconque des revendications précédentes formé à partir d’une première partie (110) dudit ruban (100), un deuxième miroir de Bragg (12) comprenant une deuxième partie (120) du ruban (100), et une cavité optique (10, 20) située entre les premier et deuxième miroirs de Bragg (11, 12) comprenant une troisième partie (130) du ruban (100) et un milieu amplificateur (20) à base d’un quatrième matériau. Système selon la revendication précédente dans lequel la cavité optique présente une longueur L c selon la première direction (x) supérieure ou égale à 500 µm, de préférence supérieure ou égale à 1 mm, et de préférence supérieure ou égale à 3 mm. Système selon l’une quelconque des deux revendications précédentes dans lequel le deuxième miroir de Bragg (12) présente une réflectivité supérieure ou égale à 99% et une largeur de bande spectrale δω DBR 2 supérieure ou égale à 2 nm. Système selon l’une quelconque des trois revendications précédentes dans lequel le deuxième miroir de Bragg (12) comprend des deuxièmes corrugations à base du premier matériau directement au contact d’au moins une face de la deuxième partie (120) du ruban (100), lesdites deuxièmes corrugations présentant une hauteur h2 supérieure ou égale à 5 nm. Procédé de fabrication d’un miroir de Bragg (11) comprenant les étapes suivantes : Fournir un ruban (100) à base d’un premier matériau présentant un premier indice de réfraction n1, ledit ruban (100) s’étendant principalement selon une première direction (x) et présentant une face (1100) s’étendant dans un plan d’extension principal (xy) formé par la première direction (x) et une deuxième direction (y) normale à la première direction (x), Déposer au moins sur une première partie de ladite face (1100) du ruban une couche de séparation (111) à base d’un deuxième matériau présentant un deuxième indice de réfraction n2 tel que n2 Déposer, sur la couche de séparation (111), une couche de perturbation à base d’un troisième matériau présentant un troisième indice de réfraction n3, tel que n2 Graver la couche de perturbation de manière à former des corrugations (112) s’étendant principalement selon la deuxième direction (y), et présentant une hauteur h3 ≤ e3 selon la troisième direction (z). Procédé selon la revendication précédente comprenant en outre une encapsulation des corrugations (112) par une couche d’encapsulation à base du deuxième matériau. Procédé selon l’une quelconque des deux revendications précédentes dans lequel l’arrêt de la gravure est effectué au niveau d’une interface (1110) entre la couche de séparation (111) et la couche de perturbation, de sorte que la hauteur h3 des corrugations (112) soit égale à l’épaisseur e3 de la couche de perturbation. Procédé selon l’une quelconque des trois revendications précédentes dans lequel la hauteur h3 des corrugations (112) est supérieure ou égale à 5 nm et/ou inférieure ou égale à 30 nm et l’épaisseur e2 de la couche de séparation (111) est supérieure ou égale à 20 nm et/ou inférieure ou égale à 50 nm.