Brevet FR3114887A1 — publié le 20220408

La présente invention concerne un dispositif d'amplification optique notamment dans le domaine de fréquence de 1 à 800 THz en utilisant un principe d’ondes progressives et dont le gain et la plage de fonctionnement peuvent être commandées par des transistors à effet de champ. Figures Amplificateur optique à ondes progressives dont l’amplification est commandée par des transistors à effet de champ. La présente invention concerne un dispositif d'amplification optique et plus particulièrement dans le domaine de fréquence de 1 à 800 THz; utilisant le principe d’ondes progressives et d’amplification commandée par des transistors à effet de champ. Le gain de l'amplificateur est stabilisé en faisant osciller ce dernier à une longueur d'onde qui peut être variable et non utilisée pour l'amplification du signal d'entrée. Etat de l’art: L'invention concerne un amplificateur optique utilisant un principe d’ondes progressives et dont l’amplification est commandée par des transistors à effet de champ. Un tel amplificateur peut être utilisé dans le domaine des télécommunications par fibre optique, notamment pour amplifier un signal optique avant de le transmettre à grande distance. Actuellement il existe plusieurs types d'amplificateur optique pour cette application dont notamment : l'amplificateur à semi-conducteur et l'amplificateur à fibre dopée par une terre rare. Pour la transmission dans l’infra-rouge, l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium est le plus couramment utilisé. Le temps de récupération du gain dans un amplificateur à fibre dopée à l'erbium est supérieur à 0,1 ms. Ce temps de récupération élevé procure une stabilisation du gain pour les fréquences de modulation utilisées dans le domaine des télécommunications qui sont de l'ordre de 100 MHz à 10 GHz. Par contre, à cause d'un temps de récupération très court, les amplificateurs à semi-conducteur présentent une importante non-linéarité de gain jusqu'à des fréquences de modulation de plusieurs gigahertz, lorsque l'amplificateur travaille en régime de saturation. Classiquement, un amplificateur optique à semi-conducteur comporte un guide optique actif dans lequel un courant électrique est injecté transversalement. Le signal d'entrée, à amplifier, est injecté à une extrémité du guide, et le signal optique amplifié est recueilli à l'autre extrémité du guide. Le gain d'un amplificateur classique à semi-conducteur est, en première approximation, une fonction linéaire de la densité de porteurs de charge électrique dans le guide actif. Cependant celui-ci présente des non-linéarités. Des solutions ont été proposées pour remédier au comportement non linéaire d'un amplificateur à semi-conducteur: - L'utilisation d'une contre-réaction électrique agissant sur l'intensité du courant électrique injecté dans l'amplificateur, en fonction de l'amplitude du signal amplifié sortant de cet amplificateur. - L'utilisation de matériaux semi-conducteurs à puits quantiques. Le brevet japonais JP-A-01 143 382 décrit un amplificateur optique à semi-conducteur comportant un laser à semi-conducteur, ce dernier émettant sur une première longueur d'onde. Le signal optique à amplifier a une seconde longueur d'onde, différente de la première. Le gain est stabilisé mais cette amplification n'est pas satisfaisante parce qu'elle est résonnante sur les pics de résonance de la cavité, le signal à amplifier se réfléchissant partiellement sur les faces clivées et créant des ondes stationnaires dans la cavité. Le brevet EP 0 639 876 A1 décrit un amplificateur optique à semi-conducteur comportant un laser. Le gain est stabilisé mais cette amplification fonctionne sur une seule fréquence de résonance de la cavité. Le but de l'invention est de proposer un amplificateur optique dans lequel le gain est constant sur une large bande de fréquence et où l'amplification est à ondes progressives. L'objet de l'invention est un amplificateur optique utilisant un principe d’ondes progressives et dont le gain et la plage de fonctionnement peuvent être commandées par des transistors à effet de champ, présentant une non-linéarité réduite, caractérisé par un guide optique et des moyens résonnants couplés à ce guide pour faire osciller cet amplificateur à une longueur d'onde différente de la longueur d'onde du signal à amplifier. L'amplificateur ainsi caractérisé présente, pour toute longueur d'onde différente de la longueur d'onde d'oscillation, un gain en onde progressive constant par rapport aux variations du signal amplifié. Dans l'amplificateur selon l'invention, le gain est stabilisé à une longueur d'onde non utilisée pour l'amplification du signal d'entrée. L'amplification est à onde progressive, car les moyens résonnants utilisés résonnent à une longueur d'onde différente du signal à amplifier. L'amplificateur selon l'invention ne présente pas d’effets gênants d'une non-linéarité. Selon un mode de réalisation, les moyens résonnants comportent un réseau de transistors à effet de champ. Dans certains modes de réalisation, l'amplificateur peut avoir au moins une longueur d'onde de la cavité résonnante qui chevauche le spectre de gain de l'amplificateur, de sorte que le gain fourni par l'amplificateur soit plus grand que les pertes, dans ce cas, le dispositif devient une source de rayonnement optique cohérent hautement polarisé (éventuellement un laser plasmon - polariton). L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-dessous : - la représente le schéma d’ensemble d’un amplificateur selon l’invention (1000); - la représente le schéma synoptique d'un exemple de réalisation d'un amplificateur selon l'invention, vu en coupe longitudinale; - la représente une coupe transversale de cet exemple de réalisation d'un amplificateur selon l'invention. - la figure 4 représente un autre exemple de réalisation d'un amplificateur selon l'invention. Description de l’invention: Un amplificateur optique est un dispositif optique capable d'amplifier de manière cohérente un rayonnement optique (par exemple des photons). Le dispositif (1000) se compose d'une structure optique qui incorpore un milieu avec gain optique, qui permet un processus d'amplification optique. Le milieu de gain doit être excité pour fournir un gain optique. Cela implique un transfert d'énergie d'une source d'énergie vers le milieu de gain par un processus optique, électrique ou chimique. Un amplificateur optique possède des ports d'entrée et de sortie (100, 101). Dans un tel dispositif, un signal optique est introduit dans le port d'entrée (100) de sorte qu'il se propage à travers la structure interagissant avec le milieu de gain et subit une amplification optique avant d'être extrait du dispositif via le port de sortie (101). Le gain d'un amplificateur optique, G, est simplement défini comme le rapport entre la puissance du signal de sortie et la puissance du signal d'entrée. Le bruit est généralement quantifié par le facteur de bruit optique, F qui est le rapport entre le rapport signal sur bruit au port de sortie et le rapport signal sur bruit au port d'entrée. La représente schématiquement l’ensemble de l’amplificateur selon l’invention: - un amplificateur optique adapté pour amplifier un rayonnement optique (1000) ; - un couplage d'entrée configuré pour recevoir un signal optique ayant une longueur d'onde dans une plage prédéterminée (100); - un miroir d’entrée face clivée, traitée antireflet, perpendiculairement à l'axe longitudinal du guide (200); - un guide d'ondes optique (500) ayant une extrémité couplée optiquement au couplage d'entrée (100), et au couplage de sortie (101), le guide d'ondes optique (500) comprend un ou plusieurs matériaux ayant une permittivité relative complexe et dimensionnée de telle sorte que le rayonnement optique du signal optique se couple aux transistors à effet de champ et se propage le long de l’axe principal du guide; - un réseau de transistor à effet de champ entourant le guide et constitué d'un matériau pouvant avoir une permittivité relative complexe (600, 60n); - un miroir de sortie face clivée, traitée antireflet, perpendiculairement à l'axe longitudinal du guide (201); - un couplage de sortie couplé optiquement au guide d'ondes optique (101). La représente un exemple de réalisation de l'amplificateur selon l'invention. Il comporte : - des électrodes (660, 680, 690), permettant d'injecter un courant électrique I; - un substrat semi-conducteur 630 constitué d'un premier matériau semi-conducteur de type N, compris entre les électrodes 660, 680, 690; - une couche de confinement 620, constituée du même premier matériau, mais avec un dopage P+ opposé à celui du substrat 630; - un guide optique 500, actif sur toute sa longueur, et dont l'axe longitudinal est parallèle aux électrodes 660, 680, 690; constitué d'un second matériau semi-conducteur dont la maille est accordée avec celle du premier matériau et qui a un indice de réfraction plus grand que celui du premier matériau; - un réseau de transistor à effet de champ s'étendant tout le long du guide 500; et gravé périodiquement dans une partie de l'épaisseur de la couche 620; - deux faces clivées, 200 et 201, traitées antireflets, terminant le substrat 630, perpendiculairement à l'axe longitudinal du guide 500. La longueur du guide 500 est inférieure à celle du substrat 630, pour que les deux extrémités du guide 500 constituent deux fenêtres enterrées dans le substrat 630 à une certaine distance des faces 200 et 201 respectivement. Le guide 500 est réalisé par un procédé classique pour réaliser un amplificateur optique à semi-conducteur. Il est réalisé, par exemple, en InGaAsP pour une utilisation en infrarouge. Le substrat 630 est par exemple en In-P. Ils peuvent être réalisés par un procédé classique d'épitaxie par jet moléculaire, ou en phase vapeur. Un signal optique d'entrée noté Pi est appliqué à extrémité du guide 500 à travers la face 200. Un signal optique amplifié noté Ps émerge de la face 201. Le pas du réseau de transistors à effet de champ est choisi de telle façon que le fonctionnement de l’amplificateur soit dans la plage spectrale d'amplification du matériau semi-conducteur du guide actif 500. Le réseau de transistors à effet de champ réfléchit toute onde se propageant le long du guide 500. Les dimensions du réseau de transistors à effet de champ et sa distance vis-à-vis du guide 500 déterminent le coefficient de couplage entre le mode guidé par le guide 500 et le dit réseau. Ce coefficient de couplage est choisi de telle façon qu'il y ait oscillation, et que le gain nécessaire à l'oscillation ait une valeur élevée, par exemple 30 dB (valeur attendue pour le gain). Les faces 200 et 201 sont traitées antireflets pour supprimer les pertes de Fresnel. En outre, les faces 200 et 201 doivent être traitées anti-reflets pour que l'amplificateur fonctionne en ondes progressives, en dehors de la bande de la raie d'oscillation. Pour obtenir de faibles valeurs de réflectivité des faces 200 et 201, inférieures à 1. Il peut être nécessaire d'interrompre le guide actif 500 avant les faces 200 et 201, pour constituer des fenêtres enterrées. L'exemple de réalisation représenté sur la comporte de telles fenêtres enterrées, la longueur du guide 500 étant choisie inférieure à la longueur du substrat 630 pour que les deux extrémités du guide 500 soient enterrées dans le substrat 630 à une certaine distance des faces 200 et 201 respectivement. La longueur totale du guide est inférieure à celle du substrat, de telle sorte que les extrémités du guide sont à l'intérieur du substrat et constituent des fenêtres enterrées dans le substrat à une certaine distance des faces clivées. Le fait que le champ engendré par le réseau de transistor à effet de champ soit plus uniforme permet d'améliorer la constance du gain de l'amplificateur. La représente une vue en coupe transversale d’un premier exemple de réalisation. La figure 4 représente un exemple autre de réalisation de l'amplificateur selon l'invention. Il comporte : - des électrodes (660, 680, 690), permettant d'injecter un courant électrique I; - un substrat semi-conducteur 630 constitué d'un matériau semi-conducteur de type P; - une couche de confinement 620, constituée d’un matériau, mais avec un dopage N opposé à celui du substrat 630; - un guide optique 500, actif sur toute sa longueur, et dont l'axe longitudinal est parallèle aux électrodes 660, 680, 690; constitué d'un second matériau semi-conducteur dont la maille est accordée avec celle du premier matériau et qui a un indice de réfraction plus grand que celui du premier matériau; - un réseau de transistor à effet de champ s'étendant tout le long du guide 500; et gravé périodiquement dans une partie de l'épaisseur de la couche 620; - deux faces clivées, 200 et 201, traitées antireflets, terminant le substrat 630, perpendiculairement à l'axe longitudinal du guide 500. La longueur du guide 500 est inférieure à celle du substrat 630, pour que les deux extrémités du guide 500 constituent deux fenêtres enterrées dans le substrat 630 à une certaine distance des faces 200 et 201 respectivement. Le guide 500 est réalisé par un procédé classique pour réaliser un amplificateur optique à semi-conducteur. Le substrat 630 est par exemple en p-Si. Ils peuvent être réalisés par un procédé classique d'épitaxie par jet moléculaire, ou en phase vapeur. Un signal optique d'entrée noté Pi est appliqué à extrémité du guide 500 à travers la face 200. Un signal optique amplifié noté Ps émerge de la face 201. Cet exemple d’amplificateur avec un réseau de transistors à effet de champ de cette composition à la particularité de comporter un gaz d’électrons 2D. Ces électrons présentent une très grande mobilité électronique et peuvent inter-agir avec des photons ou des plasmons ou des phonons. Le pas du réseau de transistors à effet de champ est choisi de telle façon que le fonctionnement de l’amplificateur soit dans la plage spectrale d'amplification du matériau semi-conducteur du guide actif 500. Le réseau de transistors à effet de champ réfléchit toute onde se propageant le long du guide 500. Les dimensions du réseau de transistors à effet de champ et sa distance vis-à-vis du guide 500 déterminent le coefficient de couplage entre le mode guidé par le guide 500 et le dit réseau. Ce coefficient de couplage est choisi de telle façon qu'il y ait oscillation, et que le gain nécessaire à l'oscillation ait une valeur élevée, par exemple 30 dB (valeur attendue pour le gain). Procédé de fabrication de l’invention: Plusieurs procédés peuvent être utilisés dans la formation de l’amplificateur conjointement avec la présente invention. Des détails spécifiques concernant un procédé de gravure peuvent être trouvés dans le brevet américain No. 5,484,740 publié le 16 janvier 1996 et le brevet américain No. 5,619,064, publié le 8 avril 1997, les deux étant cités ici uniquement à titre de référence. D’autres procédés de fabrication de l’amplificateur peuvent être la croissance VLS (vapeur-liquide-phase unique) ou l’épitaxie en phase vapeur (CVD). A titre d’exemple, à base d’hydrogène gazeux, 2 % de gaz silane et 2 % de gaz germane peuvent être utilisés comme matière première. Comme gaz de dopage, un gaz phosphine dilué à 100 ppm d’hydrogène peut être utilisé pour obtenir un type n. L’arsine peut être utilisée comme dopant. Le substrat peut être chauffé entre 300 et 500 ° C environ, et du gaz silane peut être fourni dans un état de pression réduite de 5 Torr. Le taux de croissance peut être de l’ordre de 2 nm / s. Chaque couche a une épaisseur de 10 à 150 nm. Amplificateur optique utilisant un principe d’ondes progressives et dont le gain et la plage de fonctionnement peuvent être commandées par des transistors à effet de champ, présentant une non-linéarité réduite, caractérisé en ce qu'il comporte un guide optique (500) et des moyens résonnants (620, 630, 660, 670, 680, 690) couplés à ce guide pour faire osciller cet amplificateur à une longueur d'onde différente de la longueur d'onde d'un signal à amplifier, et pour assurer une amplification à onde progressive, du signal à amplifier. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens résonnants comportent au moins un réseau de transistor à effet de champ (660, 670, 680, 690), chaque réseau étant couplé au guide optique (500) et ayant une longueur d'onde choisie pour l'oscillation. Amplificateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens résonnants comportent un réseau de transistor à effet de champ (660, 670, 680, 690) couplés au guide (500). Amplificateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le guide comporte une partie active (500) entre les deux faces clivées (200, 201). Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat (630) terminé par des faces clivées (200, 201) traitées anti-reflets.