Brevet FR3100936A1 — publié le 20210319

L’invention porte sur un circuit photonique à section active hybride III-V sur silicium ou silicium-germanium, qui comprend un milieu amplificateur à hétérostructure III-V (1, QW, 2) et un guide d’onde optique. Le guide d’onde comporte une section de couplage (31) en regard d’une portion centrale du milieu amplificateur, une section de propagation (34, 35) et une section de transition modale (32, 33) agencée entre la section de couplage et la section de propagation. Dans la section de transition modale, le guide d’onde optique est progressivement élargi depuis la section de propagation vers la section de couplage. Figure pour l’abrégé : Figure 1 Circuit photonique à section active hybride III-V sur silicium à taper silicium inversé Le domaine de l’invention est celui des circuits photoniques intégrés qui utilisent à la fois les propriétés des matériaux semi-conducteurs aptes à émettre de la lumière et celles des matériaux semi-conducteurs classiquement utilisés en micro-électronique. L’invention concerne un composant photonique à section active hydride III-V sur silicium ou silicium-germanium et porte plus particulièrement sur la conception des zones de transition modale entre la section active hybride et des sections passives de propagation purement en silicium ou en silicium-germanium. La technologie d’intégration hétérogène de matériaux III-V avec du silicium permet de réaliser des composants optoélectroniques qui intègrent des circuits photoniques associant des sources optiques III-V avec des composants à base de silicium. L’intégration hétérogène III-V sur silicium peut notamment consister à coller une portion de matériau actif III-V capable d’émettre de la lumière sur un circuit « passif » gravé à la surface d’un substrat silicium sur isolant SOI (« Silicon On Insulator »). Un circuit photonique à section active hybride III-V sur silicium comprend ainsi généralement : - un substrat SOI portant un guide d’onde silicium, - une structure à gain qui comporte au moins un milieu amplificateur optique à hétérostructure III-V, rapportée par collage sur le substrat SOI, - une fine couche d’oxyde servant de couche de liaison et qui sépare la structure à gain du guide d’onde silicium. L'hétérostructure III-V est agencée de manière à être sus-jacente à une section du guide d’onde silicium pour former avec celui-ci une section de guide d’onde hybride. Au niveau de cette section de guide d’onde hydride, la proximité verticale des guides III-V et silicium entraine l’apparition d’un mode optique couplé, issu de l’hybridation entre les modes propres fondamentaux de chacun de ces guides. Ce mode couplé doit être transféré depuis la section active hybride III-V/Silicium vers des sections passives de propagation de la lumière purement en silicium. Le guide d’onde en silicium est à cet effet structuré pour présenter une section de transition modale ( taper ) entre la section active hybride et les sections de propagation. Un taper de l’état de l’art réalise une transition adiabatique du mode symétrique entre deux états au moyen d’un rétrécissement progressif du guide d’onde silicium depuis une section de propagation vers la section active hydride. Avant de venir coller la portion de matériau actif III-V sur le substrat SOI, une couche d’oxyde épaisse (de l’ordre du micromètre) est déposée sur le guide d’onde silicium et une planarisation chimico-mécanique (CMP pour « Chemical Mechanical Planarisation ») est effectuée pour amincir la couche d’oxyde vers une épaisseur cible de 80 nm par exemple. Il s’avère toutefois difficile d’atteindre cette épaisseur cible en tout point d’un substrat SOI qui peut présenter un diamètre de 200 mm, voire de 300 mm. L’épaisseur de la fine couche d’oxyde présente ainsi des disparités et peut varier de 30 à 130 nm sur l’intégralité de la surface du substrat SOI. Les propriétés d’un taper de l’état de l’art varient cependant fortement en fonction de l’épaisseur de la couche d’oxyde. Dès lors, pour garantir que des composants hydrides présentent des propriétés escomptées identiques (par exemple une longueur d’onde d’émission pour un laser à rétroaction répartie, connu sous l'acronyme DFB pour « Distributed Feedback Laser » en anglais), des portions de matériau actif III-V ne sont collées qu’en certaines localisations du substrat SOI, en l’occurrence des localisations où l’épaisseur d’oxyde mesurée correspond à l’épaisseur cible. Il en découle qu’une part importante du substrat SOI n’est pas utilisée (par exemple jusqu’à 60% de sa surface), entraînant un surcoût. L’invention a pour objectif de proposer une solution de transition modale qui soit moins sensible aux conditions de fabrication d’un circuit photonique à section active hybride III-V sur silicium ou silicium-germanium. Elle vise plus particulièrement à répondre aux problèmes associés à la non-uniformité de la couche d’oxyde séparant le matériau III-V du guide d’onde silicium ou silicium-germanium pour permettre une industrialisation plus avancée des sources laser III-V sur silicium ou silicium-germanium. A cet effet, l’invention propose un circuit photonique un milieu amplificateur à hétérostructure III-V et un guide d’onde optique qui comporte une section de couplage en regard d’une portion centrale du milieu amplificateur, une section de propagation et une section de transition modale agencée entre la section de couplage et la section de propagation. La section de transition modale du guide d’onde optique est progressivement élargie depuis la section de propagation vers la section de couplage. Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce circuit photonique sont les suivants : - la section de transition modale est conformée de manière à assurer un couplage du mode antisymétrique entre la section de propagation et la section de couplage ; - le milieu amplificateur comprend une section de transition dont la largueur diminue depuis ladite portion centrale en direction de la section de propagation ; - il comprend en outre une structure de rétroaction optique permettant de former une cavité résonante pour le milieu amplificateur ; - la structure de rétroaction optique est constituée par un réflecteur distribué formé dans la section de couplage ; - la structure de rétroaction optique comprend un réflecteur disposé dans la section de propagation ; - la structure de rétroaction optique est un anneau ; - le guide d’onde optique est en silicium ou en silicium-germanium. D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : est une vue en coupe longitudinale d’un circuit photonique à section active hybride III-V sur silicium formant ici un laser DFB ; est une vue de dessus d’une section de transition modale de l’état de l’art qui réalise un couplage du mode symétrique entre guide silicium passif et guide III-V actif ; illustre la variation d’indice effectif au sein de la section de transition modale de la figure 2 ; représente le confinement du mode optique symétrique dans le guide silicium passif ; représente le confinement du mode optique symétrique dans le guide III-V actif ; est une vue de dessus d’une section de transition modale selon l’invention qui réalise un couplage du mode antisymétrique entre guide silicium passif et guide III-V actif ; illustre la variation d’indice effectif au sein de la section de transition modale de la figure 6 ; représente le confinement du mode optique antisymétrique dans le guide silicium passif ; représente le confinement du mode optique antisymétrique dans le guide III-V actif ; représente, pour différentes épaisseurs d’oxyde, la variation du taux de confinement de chacun des modes symétrique et antisymétrique à l’intérieur du milieu amplificateur en fonction de la largeur du guide d’onde silicium ; représente, pour différentes épaisseurs d’oxyde, la variation de l’indice effectif de chacun des modes symétrique et antisymétrique en fonction de la largeur du guide d’onde silicium. Circuit photonique, comprenant : - un milieu amplificateur à hétérostructure III-V (1, QW, 2), - un guide d’onde optique qui comporte une section de couplage (31) en regard d’une portion centrale du milieu amplificateur, une section de propagation (34, 35) et une section de transition modale (32, 33) agencée entre la section de couplage et la section de propagation, caractérisé en ce que la section de transition modale du guide d’onde optique est progressivement élargie depuis la section de propagation vers la section de couplage. Circuit photonique selon la revendication 1, dans lequel la section de transition modale est conformée de manière à assurer un couplage du mode antisymétrique entre la section de propagation et la section de couplage. Circuit photonique selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel le milieu amplificateur comprend une section de transition dont la largueur diminue depuis ladite portion centrale en direction de la section de propagation. Circuit photonique selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant en outre une structure de rétroaction optique permettant de former une cavité résonante pour le milieu amplificateur. Circuit photonique selon la revendication 4, dans lequel la structure de rétroaction optique est constituée par un réflecteur distribué (7) formé dans la section de couplage. Circuit photonique selon la revendication 4, dans lequel la structure de rétroaction optique comprend un réflecteur disposé dans la section de propagation. Circuit photonique selon la revendication 4, dans lequel la structure de rétroaction optique est un anneau. Circuit photonique selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le guide d’onde optique est en silicium ou en silicium-germanium.