Brevet FR3133277A1 — publié le 20230908

La présente invention fournit un laser à base de GeSn à pompage électrique et à température ambiante pour générer une onde optique de phase de forme hélicoïdale et un procédé de fabrication de celle-ci à moindre coût. laser à base de GeSn à pompage électrique et à température ambiante pour générer une onde optique de phase de forme hélicoïdale et un procédé de fabrication de celle-ci La présente invention fournit un laser à base de GeSn à pompage électrique et à température ambiante pour générer une onde optique de phase de forme hélicoïdale et un procédé de fabrication de celle-ci à moindre coût. Le domaine de l'invention est sans s'y limiter, le traitement de l’information, le lidar, la communication d'informations quantiques. Etat de l’art : Les faisceaux à phase hélicoïdale, également appelés faisceaux vortex, présentent un front d'onde hélicoïdal qui varie à la manière d'un tire-bouchon le long de la direction de propagation du faisceau, avec un vecteur de Poynting qui suit une trajectoire en spirale autour de l'axe du faisceau. Ce comportement est décrit par un terme de phase azimutale. dans l'expression de champ, où il existe un facteur de charge topologique qui peut être à la fois une valeur entière positive et négative en fonction du sens de rotation du front d'onde. Ce facteur signifie également que la structure de phase contient des hélices entrelacées. Le profil d'intensité transversal dans de tels faisceaux ressemble à un anneau de lumière avec un noyau sombre au centre, connu sous le nom de modes en forme de beignet, et le plus souvent supposé appartenir à la base des modes propres de Laguerre-Gaussien ou de Bessel-Gaussien. Les méthodes consistent généralement à manipuler la lumière en utilisant des optiques à transformation de mode externe, par exemple en utilisant une paire de lentilles cylindriques pour transformer les modes Hermite-Gaussien en modes Laguerre-Gaussien (LG) souhaités avec une structure de phase hélicoïdale, ou en utilisant des modulateurs spatiaux de lumière ou des spirales des plaques de phase afin de convertir un faisceau laser conventionnel à front d'onde parallèle en un faisceau exotique portant un moment angulaire orbital, conformément au document US 6995351. Cependant, l'inconvénient est que ces méthodes nécessitent des éléments entre cavités (absorbeurs, ouvertures, fenêtre de Brewster, étalon) ce qui conduit à une procédure d'alignement sophistiquée qui modifie la cohérence du faisceau. Par ailleurs, les lasers à semi-conducteur III-V ont de très bonnes performances à ce jour, mais ils présentent les inconvénients d'un coût élevé, d'un faible rendement et d'une faible intégration. Ils ne conviennent pas à la production de masse pour le grand grand public. Cependant, les matériaux du groupe IV ont longtemps été considérés comme l'un des développements futurs des matériaux de source lumineuse intégrée à base de silicium. Les lasers Ge-Si sont une solution compétitive pour l'intégration monolithique à grande échelle car ils sont entièrement compatibles avec la technologie complémentaire de transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS), qui peut réduire considérablement la complexité, le coût et le temps du processus. Ainsi, l'ingénierie de la bande d'énergie du Ge a été initialement proposée par le MIT. Le premier laser hélium-néon à pompage optique a été mis en œuvre pour la première fois en 2010, et des lasers He-Ne à pompage électrique ont été démontrés à partir de 2012. D'autres types de lasers Ge, tels que les lasers GeSn ont récemment été étudiés. Cependant, la densité de courant de seuil est très élevée (280kA/cm 2 ). En résumé, pour un laser à semi-conducteur utilisant un matériau à base de Ge à bande interdite directe, l’efficacité lumineuse n'est pas élevée et la densité de courant de seuil est également élevée, ce qui a une grande influence sur les performances du laser à semi-conducteur. Le germanium étain GeSn est destiné à présenter une structure de bande d’énergie directe, c’est à dire que le minimum d’énergie de la vallée L (ou vallée indirecte) est supérieur ou sensiblement égal au minimum d’énergie de la vallée Γ (ou vallée directe) de bande de conduction autrement dit ΔE = Emin, L-Emin, Γ >0. Par sensiblement égal, on entend ici que cette différence d'énergie ΔE est de l'ordre de grandeur ou inférieure à kT, où k est la constante de Boltzmann et T la température du matériau. L'invention proposée est nouvelle et inventive et fournit un laser à base de GeSn à pompage électrique et à température ambiante pour générer une onde optique de phase de forme hélicoïdale et un procédé de fabrication de celle-ci à moindre coût. La présente invention (1000) est nouvelle et inventive et fournit un laser à base de GeSn à pompage électrique et à température ambiante pour générer une onde optique de phase de forme hélicoïdale et un procédé de fabrication de celle-ci à moindre coût. L’invention comprend un laser à base de GeSn pour générer une onde optique de phase de forme hélicoïdale et comprenant une région de gain située entre une première extrémité définie par un premier miroir et une seconde extrémité définie par une région de sortie, avec entre autre un second miroir, agencé de manière à former une cavité optique (composée par exemple d'espace libre, de matériau massif ou de guide(s) optique(s)) comprenant la région de gain et des moyens pour pomper la région de gain afin de générer l'onde optique. L'invention comprend en outre au moins un moyen de mise en forme des profils d'intensité lumineuse et/ou de phase de l'onde optique et agencé pour sélectionner au moins un mode transverse à symétrie de rotation de l'onde optique, ledit mode transverse à symétrie de rotation étant choisis entre ceux d'indice radial égal à zéro et d'indice azimutal étant un nombre entier de module supérieur ou égal à 1. L’invention utilise un matériau GeSn et une structure P-I-N, ce qui améliore l'efficacité par rapport à une structure laser conventionnelle en matériau Ge fortement dopée. Le matériau de structure GeSn de l'invention est plus proche de la bande interdite directe que le matériau Ge. L'efficacité quantique interne de la luminescence est plus élevée ; et la structure PIN peut mieux limiter la luminescence du porteur dans la région I, et le facteur de limitation est amélioré. La plupart des porteurs émettent de la lumière dans la région I, la région I n'est pas dopée, la recombinaison non radiative est réduite et le facteur de perte est également réduit. Les modifications ci-dessus réduisent la densité de courant de seuil. La longueur d’onde λ de fonctionnement peut être dans le visible ou dans le proche infrarouge, par exemple 980 nm environ. Description des figures La présente invention sera mieux comprise à partir de la description de figures : La est une vue en coupe selon un mode de réalisation de l'invention. La est une vue schématique selon un premier mode de réalisation du moyen de filtrage. La est une vue schématique selon un deuxième mode de réalisation du moyen de filtrage. Description de l'invention La structure du laser Ge/GeSn à pompage électrique et à température ambiante de la présente invention (1000) est composée: - d’une couche de substrat (1001), - d’une première couche miroir de Bragg (1002), - d’une première couche Ge de type n (1003), - d’une deuxième couche Ge de type n (1004), - d’une couche GeSn (1005), - d’une première une couche Ge de type p (1006), - d’une seconde couche Ge de type p (1007), - d’une seconde couche miroir de Bragg (1008), - d’une couche de moyen de filtrage transversal de l'onde optique (1009), Selon un mode de réalisation de l’invention, le substrat (1001) est de préférence un substrat de silicium qui est un matériau de silicium sur isolant ou un substrat de matériau de silicium massif. Selon un mode de réalisation de l’invention, la première couche miroir de Bragg (1002) est une couche de film Si/SiO2, qui est une structure périodique composée de Si et SiO2 disposés alternativement de bas en haut. Un réflecteur de Bragg distribué formé par une structure périodique de deux matériaux ayant un indice de réfraction relativement grand dans un agencement alterné fait partie généralement d'une micro-cavité optique. A titre d’exemple, l’indice de réfraction sera proche de 3 dans le domaine du proche infrarouge. Selon un mode de réalisation de l’invention, le miroir de Bragg a une réflectivité élevée, supérieure à 99% ou supérieure au miroir de sortie. Selon un mode de réalisation de l’invention, la première couche Ge de type n (1003), la deuxième couche Ge de type n (1004), la couche GeSn (1005), la première couche Ge de type p (1006) et la deuxième couche p (1007) de type Ge constitue une structure PIN. Selon un mode de réalisation de l’invention, la structure PIN permet de mieux limiter la luminescence des porteurs dans la région I, et le facteur de limitation est amélioré ; les porteurs émettent principalement de la lumière dans la région I, la région I n'est pas dopée, la recombinaison non radiative est réduite et le coefficient de perte est également réduit. La variation de la densité de courant de seuil est réduite ; et l'efficacité est améliorée par rapport à une structure laser conventionnelle en matériau Ge. Selon un mode de réalisation de l’invention, la deuxième couche miroir de Bragg (1008) est cylindrique. Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen de filtrage transversal de l'onde optique (1009) est cylindrique. Selon un mode de réalisation de l’invention, la première couche Ge de type n (1003) et la deuxième couche Ge de type n (1004) La couche GeSn (1005), la première couche Ge de type P (1006) et la deuxième couche Ge de type P (1007) sont également cylindriques. A titre d’exemple, le diamètre de ces couches est compris entre 100 nm et 100 µm. Selon un mode de réalisation de l’invention, chaque couche de l’empilement est en germanium, germanium-étain ou en silicium-germanium-étain ou en nitrure de silicium. Selon un mode de réalisation de l’invention, la hauteur de l’empilement est compris entre 800 et 1200 nm. Selon un mode de réalisation de l’invention, une couche en nitrure de silicium a une épaisseur comprise entre 200 et 700 nm. Selon un mode de réalisation de l'invention, la composante massique de Sn dans GeSn est comprise entre 11 et 20 %. Selon un mode de réalisation de l'invention, la composition d’une couche peut être Si x Ge 1-x- y Sn y ; dans laquelle la plage de x est de 0,1 à 0,15 et la plage de y est de 0,08 à 0,1. Selon un mode de réalisation de l'invention, l’épaisseur d’une couche de Ge dopée peut être de 3 à 100 nm et la concentration de dopage est de 10 15 à 10 19 cm -3 . Selon un mode de réalisation de l’invention, il est possible de contrôler la charge et le signe de l'OAM dans une cavité laser en perturbant légèrement la base propre transverse à symétrie rotatoire de telle manière que le mode avec un signe OAM indésirable soit fortement altéré, sans affecter de manière significative le mode souhaité. Selon un mode de réalisation de l’invention, les modes transversaux à symétrie rotative sélectionnés sont choisis dans la base Laguerre-Gauss (LG) ou Bessel-Gauss (BG). Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen de mise en forme des profils d'intensité lumineuse et/ou de phase de l'onde optique peut consister en un moyen de filtrage transversal de ladite onde optique. Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen de filtrage transversal de l'onde optique peut comprendre au moins une zone discoïdale centrale assurant des pertes optiques élevées entre une valeur de déphasage minimale et une valeur de déphasage maximale, et/ou une zone annulaire, située autour de la zone centrale et fournissant un déphasage gradué azimutal Δm. Le déphasage Δm induit par la zone annulaire peut être de tout type apte à générer un déphasage azimutal sur l'onde optique qui oscille à l'intérieur de la cavité optique. Selon un mode de réalisation de l’invention, la charge et le signe du moment cinétique orbital sont contrôlés en ajustant les caractéristiques dimensionnelles et optiques du moyen de filtrage transversal de l'onde optique. Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen de filtrage transverse peut fournir au moins un déphasage spiral perturbatif gradué Δm entre la valeur de déphasage minimale et la valeur de déphasage maximale pour au plus une spire et pour un aller-retour de l'onde optique dans la cavité optique. Selon un mode de réalisation de l’invention, la valeur de déphasage maximale Δm peut être négligeable par rapport à 2π, et par exemple, elle peut être inférieure à Δm=2π/5 afin de ne pas trop perturber l'onde optique qui oscille à l'intérieur de la cavité optique. Selon un mode de réalisation de l’invention, la valeur de déphasage fournie par un élément de phase en spirale peut être linéaire entre une valeur minimale à une première position azimutale (0 radian) et une valeur maximale à une seconde position azimutale (2π radians). Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen de filtrage transverse peut consister en un masque unique situé à proximité de la deuxième surface de miroir de Bragg. Selon un mode de réalisation de l’invention, les déphasages de la zone centrale et/ou de la zone annulaire peuvent être assurés par des variations d'indice de réfraction du moyen de filtrage transversal de l'onde optique. Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen de filtrage transverse peut être fabriqué en technologie semi-conductrice III-V ou grâce à un matériau semi-conducteur, un matériau diélectrique, un matériau organique ou un matériau métallique tant que la partie réelle de l'indice optique varie le long de l'axe longitudinal de rotation. Selon un mode de réalisation de l’invention, les moyens de pompage de la région de gain peuvent consister en un pompage électrique de la région de gain. Selon un mode de réalisation de l’invention, le milieu de gain peut comprendre par exemple des puits quantiques ou des points quantiques et il peut être pompé électriquement. Selon un autre mode de réalisation de l’invention, un laser vortex peut être réalisé avec un moyen de filtrage transversal de l'onde optique (et plus précisément ses zones centre et annulaire) dont l'indice de réfraction est modulable, ou dont la longueur du chemin optique est modulable. Cela peut être réalisé en utilisant un moyen électrique pour régler activement la longueur du chemin optique de la cavité et/ou son indice de réfraction en utilisant des modulateurs électro-optiques pour modifier l'élément de phase en spirale. Selon un mode de réalisation de l’invention, il est possible de fournir un laser vortex simple fréquence avec une bande passante de gain inférieure à 2 THz. Procédé de fabrication de l'invention Le procédé de fabrication d'un laser à base de GeSn à pompage électrique et à température ambiante est simple et comprend les étapes suivantes : (1) former une première couche miroir de Bragg sur une surface de substrat; (2) former une première couche de Ge de type n sur une surface de la première couche miroir de Bragg ; (3) former une seconde couche de Ge de type n sur une surface de la première couche de Ge de type n ; (4) former une couche de GeSn sur une surface de la deuxième couche de Ge de type n ; (5) former une première couche de Ge de type p sur une surface de la couche de GeSn ; (6) former une deuxième couche de Ge de type p sur une surface de la première couche de Ge de type p ; (7) former une seconde couche de miroir de Bragg sur une surface de la seconde couche de Ge de type p ; (8) former le moyen de filtrage transversal de l'onde optique. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'étape (1) comprend la couche de film mince de Si et la couche de film mince de SiO2 qui sont développées en alternance sur le substrat de Si par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma pour former la première couche de miroir de Bragg. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'étape (2) comprend la première couche de Ge de type n qui est développée sur la surface de la première couche de film mince Si/SiO2 par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur sous vide ultra poussé à une température de croissance de 330 à 380 °C. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'étape (3) comprend la croissance de la seconde couche de Ge de type n à la surface de la première couche de Ge de type n par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur sous ultra-vide à une température de croissance de 200 à 280°C, et de la seconde couche de Ge de type n Le dopage la concentration est inférieure à la concentration de dopage de la première couche de Ge de type n. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'étape (4) comprend une couche de GeSn qui est développée sur la surface de la seconde couche de Ge de type n par épitaxie par jet moléculaire à une température de croissance de 80 à 95°C, et la composante massique de Sn dans le GeSn est comprise entre 11 et 20 %. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'étape (5) comprend la première couche de Ge de type p qui est développée sur la surface de la couche de GeSn par une méthode de dépôt chimique en phase vapeur sous ultra-vide à une température de croissance de 200 à 280 °C. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'étape (6) comprend la croissance de la deuxième couche de Ge de type p à la surface de la première couche de Ge de type p par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur sous ultra-vide à une température de croissance de 330 à 380°C, la deuxième couche de Ge de type p La concentration de dopage est supérieure à la concentration de dopage de la première couche de Ge de type p. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'étape (7) comprend une couche de film mince de Si et une couche de film mince de SiO2 qui sont formées en alternance sur la surface de la seconde couche de Ge de type p par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma pour former la seconde couche de miroir de Bragg. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'étape (8) comprend un matériau diélectrique, dont la partie réelle de l'indice optique varie le long de l'axe longitudinal de rotation. , laser GeSn (1000) à pompage électrique et à température ambiante pour générer une onde optique de phase de forme hélicoïdale et comprenant des moyens de pompage de la zone de gain pour générer l'onde optique, caractérisé en ce que le laser (1000) comprend en outre un moyen pour mettre en forme les profils d'intensité lumineuse et/ou de phase de l'onde optique et agencé pour sélectionner au moins un mode transverse à symétrie de rotation de l'onde optique, ledit mode à symétrie de rotation mode transverse étant choisi parmi ceux d'indice radial égal à zéro et d'indice azimutal étant un nombre entier de module supérieur ou égal à 1. , laser GeSn (1000) selon la revendication 1, dans lequel un moyen de filtrage transversal consiste en un masque situé à proximité de la surface du second miroir.