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MODI~Al~E:I~ D'ONDI~ E:IEC~OMAGNl~TIQUE
A PIJIT5 QU~NTIQI~leS COUP:LES,
APP:LICATION A UN DETI~ UR
D'ONDE EL13~0~lAGNETIQUl~
L'invention concar}le un modulateur d'onde
électromsgnétique à puits quantiques coupl0s . L'onde à moduler
peut être de propagation libre ou guldée.
Elle est applicable notamment à la modulation d'ondes
5 infrs-rouges.
Dans le domaine spectral de l'infrarouge, il est très
difficile d0 réaliser des modulateurs qui, en mêm~ temps, soient
rapldes et présentent une grande profondeur de modulation.
Certai}ls modulateurs mettent en oeuvre l'in~ectiorl,
10 dans une structure semi-conductrice de porteurs libres. Mais, 1EI
bande passante de ces modulateurs est limitée par le temps de
recombinaison assez grand de ceux-ci, cette recombinaison
pouvant êtrs due ~ une interaction radiative et/ou non rndiative.
On connaît aussl des modulateurs à effet Pockels. Ils
15 utilisent le changement de l'indice de refraction du matériau
semi-conducteur sous l'affet d'un champ électrique. Ce sorlt donc
des modulateurs "électro-optiques". Mals leur variation d'indice
est très faible. Il en résulte que pour obtenir un effet
notable, il faut utiliser des dispositifs à grande longueur
20 d'interaction, donc de grande dimension. Bien que l'effet
électro-optique soit très rapide puisque ses temps
caractéristiques sont de l'ordre de quelques femto-secondes, si
l'on souhaite obtenir une bonne profondeur de modulation, ce
sera la taille du dispositif qui conditionnera la bande passante
25 du modulateur. 13n outre, ceci est d'autant plus critique dans le
domalne Infrarouge (par rapport au domaine visible et proche
infrarouge) que les dimenslons du modulateur doivent aussi
augmenter avec la longueur d'onde.
D'autres modulateurs connus utilisent le prlncipe de
- 2 ~ 1~6~
l'électro-absorptlon (afot Franz-Keldys11). Dans ce cns, on ~alt
Intervenlr un chEImp oloctl Ique de commando qul, lorsqu'll e~t
assez élevé, déplace le soull d'absorp10n du matérlau (en
termas de ~réquence). Dan3 ca dernler type do modul~teur, 11
5 faut utlllser des materlaux ~eml-conducteurs ayant une énergla
de bande lnterdite trè~ procho de l'énergle do l'onde d moduler.
Psr exomple, dans lo cas d'une ondo Infrarougo do longueur
d'onda 10 mlcromètres, dos alliages de mntérlsux II-II de la
classl~lcatls~rl pérlodlque de~ élérnents do Men~:leleov ~ont
10 utlll~és. Toutefols, l'élaboratlon de co~ matérlaw~ ost très
dl~flcile d rnaîtrlser Industrlellement, et étant donna leur
alble lntervaUe d'énergle de bande lnterdlte, lls ~ont très
senslbles aux Imper~octlons de fabrlcation.
C'est pour cette ralson que d'autres solutlons ont été
15 proposées pour le~quelles on se sert de l'absorption lntra-bando
entre par exemple deux nlveaux dlscrets d'un puits quantique.
La fabrlcatlon des matérlsux ~emlconducteurs servant à définlr
ce9 pults quantlquos sont blen mleux maîtri~a~ notamment dans le
cas d'utillsatlon de semlconducteurs III-V de 1~ cla~slElcatlon
20 pérlodlque des éléments.
Dans une telle structure, le moyen de co~unande de la
modulatlon repose sur une onde-pompe, qul est modulée en
amplltude et pos~ede une fréquence supérleure h celle de l'onde
à moduler. L'onde-pompe sert A poupler un nlveau dlscret du
25 pult3 quantlque. L'absorptlon de l'onde à moduler se falt alors
à l'alde d'une transltlon des électrolls (ou des trous3 de ce
premlor nivoau dl~cret du pults quantlquo à un autre nlveau
discret. On conunande alnsl l'absorptlon d'une onde dont la
~réquence est égale à la dlf~érence entre les énorgles des deux
30 nlveaux dlscrets dlvlsés par la conYtante de Planck.
Plus précisément, un tel modulateur peut
comporter une structure possédant un puits quantique
dont les caractéristiques optiques sont modifiées
par un pompage optique réalisé par une onde de commande
appartenant au domaine infra-rouge
~ ' .
~ 3 ~ ~31~
moyen. L'onde de commnnde est modulée uu moyen d'un
modulateur classlqua. En ~s~odulnnt l'nmplltuda de l'onde cle
conunande, 11 est po~slble do moduler l'nmplltude ou la
phase de l'onde ~ modular.
Quolque très interes3ants pour certalne~ appllcntlons,
cas modulE~teur~ possèdent néanmolns un lnconvanlent r~slduel:
il e~t Imposslble de les optlmi~er pour obtenlr à la ol~ une
grande bande passante et une bonne pro~ondeur de modulntlon.
En e~fet, 1B bande pnssante de ces modulateurs Qst
limltée solt psr la bande passante de l'onde-pompe, solt par le
temps de recomblnalson des porteurs photo-creés nu premler
nlvenu dlscret d'énergla du pults quantlque. Pour nn sublr que
la llmltatlon due à ln bande passante de l'onde-pompe, 11 est
souhaltable d'avolr des temps de vle des porteurs falbles. Mals
alors, pour une pulssance de l'onde-pompe donnée, plus ce
temps de ~rle des porteurs est court, plus la profondeur de
modulatl~n sera falble. Il apparnît donc flnalement qu'à l'heure
actuelle, 11 n'a pa9 encore été pos31ble d'obtenlr des
modulatsurs optlques antlèrement satls~aisants, en partlculier
lorsqu'il s'sglt de lumlère ln~rarouge.
Un premler but de l'inventlon est de fournlr un
modulateur optlque dan3 lequel on a réallsé une séparntlon
spatlale des électrons et des trous dnns deux puits quantlque~
dlEférents ce qul permet d'augmenter la durée de vle des paires
électron-trou. Ceci permet notamment de dimlnuer la pulssance
de l'onde-pompe n~cessalre pour une absorptlon Intra-bande
donnée .
L'lnventlon n également pour but de i`ournir un
modulateur qul puisse être normalement tran~parent ou blen, au
contralre, normalement opaqua, pour l'onde ~lectromagnétlque à
moduler ~
L'lnventlon a au~si pour but de fournlr un modulateur
qui pul3se etre commandé par le champ électrlque~
Enfln, le modul~teur pouvant aussl être commnnde pnr
la coexl~tence d'une onde-pompe et d'un chnmp électrlque, l1 e~t
utilisable comme fonction de porte (ET) ou bien encore dans
des applications de type "reconnaissance d'images".
La présente invention vis~ un modulateur d'onde
électromagnétique, de type comprenant:
une structure semi-conductrice comportant une
première alternance de couches définissant un premier puits
quantique,
des moyens de peuplement d'électrons du premier
niveau d'énergie discret du premier puits quantique, et
des moyens de commande d'une absorption par le
puits quantique d'une onde à moduler,
modulateur dans lequel ladite structure semi-conductrice
comporte une autre alternance de couches, voisine de la
première alternance de couches et définissant un second
puits quantique, couplé au premier puits quantique à travers
une couche barrière, et lesdits moyens de commande
comportent des moyens propres à appliquer sur commande à la
structure un champ électrique perpendiculaire à ladite
barrière, ce qui permet d'augmenter la durée de vie des
paires électron-trou créées, les puits d'énergie ayant des
compositions telles que le premier puits admet un seul
niveau discret d'énergie tandis que le deuxième puits admet
deux niveaux d'énergie dont la différence correspond à une
fréquence à moduler multipliée par la constante de Plank.
De préférence, dans une première famille, parti-
culièrement intéressante, de dispositifs, le modulateur est
en outre remarquable en ce que l'onde à moduler est sujette
à une absorption intrabande, c'est-à-dire réalisée entre un
premier et un second niveaux d'énergie situés du même côt~
de la bande interdite de l'un des puits quantiques.
De pré~érence, selon une sous-famille de modula-
teurs, le second puits quantique poss~de un intervalle
d'énergie de bandes interdites supérieur à celui du premier.
.
._
.
~ ~31~
4a
De préférence, dans un mode de realisation plus
particulier conforme à cekte sous-~amille, les moyens
d'excitation appliquent à la structure semi-conductrice une
onde-pompe, propre au peuplement d'un niveau d'énergie du
premier puits quantique par des paires electron-trou, tandis
que l'application du champ électrique transfere des
électrons du premier pui~s quantique au second, ladite
absorption intra-bande intervenant dans le second puits
quant~que.
1 3 ~
5 -
De preference, un aspec-t particulièremen-t
intéressant de l'invention réside alors en ce que les moyens
d'excitation peu~ent être rendus actiEs sur commande. Ceci
permet une fonction de commande "et", ainsi que des
S opérations de reconnaissance d'images.
De préférence, dans une autre sous-famille de
modulateurs, l'un des puits quantique est dopé.
L'excitation se fait par l'application d'un champ électrique
qui transfère des électrons de l'un des puits quantiques à
l'autre, dans lequel intervient l'absorption intra-bande
précitée.
De préférence, si le puits dopé est le premier
puits, alors le modulateur est normalement transparent pour
l'onde à moduler, Dans le cas contraire où le puits dopé
est le second puits, le modulateur est- normalement opaque
pour l'onde à moduler.
Dans l'un ou l'autre cas, le modulateur peut, en
outre, comporter des contacts ohmiques sur des couches
situées de part et d'autre des puits quantiques. Le courant
ainsi collecté lui permet de fonctionner en détecteur de
lumière pour l'onde modulée.
De préférence, dans une seconde famille de
modulateurs, l'onde à moduler est sujette à une absorption
inter-bande, entre deux niveaux d'énergie situés de part et
d'autre de la bande interdite de l'un des puits quantiques.
Il est également préférentiel, en ce cas, que le
second puits quantique possède un intervalle d'énergie de
bande interdite supérieur à celui du premier.
De préférence, de façon générale, les modulateurs
selon la présente invention peuvent recevoir une onde à
moduler libre, ou bien une onde guidée, selon une ou deux
dimensions. De préférence le motif de deux puits quantiques
défini plus haut peut être répété plusieurs fois.
De préférence, les modulateurs selon la présente
.~
~,,~. ?~
invention peuvent opérer un inPrarouge, sur pratiquement
toute la b:ande, notamment pour des longueurs d'ondes d~ 10
micro-mètres ou plus.
D'autres caracteristiques et avantage~ de
l'invention apparaîtront à l'examen de la description
détaillee ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels:
- - la flgure 1 e~t un exelnple de réall~atlon d'un modulateur
selon l'art connu
- la El~ure 2 sst un schema de prlnclpa d'un modul~teur selon la
présente Inventlon;
- 1~ 1gure 3 e~t un dl~ramme schématlque de nlveaux d'energle
permettant de mleux comprendra le onotlonnement d'un dl~posJtlf
selon la présente Inventlorl;
- les Elgures 4, 5 et 6 sont des diagrnmmes d'allergle et de
fonctlon d'ondes deElnlssant plus préclsément lo fonctJonrlament
d'un mode de reallsatlon du dlsposltl~ salon la prasente
Invantlon;
- la 1gure 7 représente un exemple de renllsatlon du modulateur
de l'lnventlon;
- la flgure 8 e~t Ulle varlante de re~llsatlon du modulsteur de
la ~Igure 6;
- la flgure 9 est un exemple de réallsatlon du modulateur de
l'lnven~lon fonctlonnant en optlque guldée;
- la flgure 10 est une varlante da réallsatlon des modulnteur~
des Elgures 7 d 9;
- la ~lgure 11 est un exemple de réallsatlon d'un détecteur
optlque selon l'lnvantloll.
Les desslns annexés comportent pour l'essentlel des
éléments de caractère certaln. Il3 sont donc ~ consldérer comme
Incorporés d la présente descrlptlon at pourront, non seulement
servlr à mleux alre comprendre calle ol, mal~ aus61 contrlbuer
à la déElnitlon de l'lnventlon, le cas échéant.
131~61~
- 6a -
Comme cela a été,représenté en figure 1, un
modulateur selon l'art connu peut comporter une structure
possédant un puits quantique (1,2,3~ dont les
caractéristiques optiques sont modifiées par un pompage
optique realisé par une onde de commande (h.Vl) appartenant
au domaine infra-rouge moyen. L'onde de commande h.Vl est
modulée au moyen d'un modulateur classique. En modulant
l'amplitude de l'onde de commande h.Vl, il est possible de
moduler l'amplitude ou la phase de l'onde à,moduler h.v 3.
Sur la figure 2, une structure semi-conductrice
selon l'invention est définie par un substrat semi-
conducteur S, sur lequel on dépose par épitaxie une couche
intermediaire CIl, suivie d'une couche active CPl, d'une
couche barrière CB, d'une couche active CP2, et d'u~e couche
intermédiaire CI2.
Préferentiellement, le materiau semi-conducteur
utilisé pour la structure est fondé sur des semi~conducteurs
des
~$
.
7 ~31~
colonnes III et V de la classification pérlodique de Mendelee-v,
ou de leurs alliages. Il p~ut s'agir en particulier d'alliages
entre l'aluminium, le gallium, I'indium, d'une part et le
phosphore, l'arsenic, l'anthnoiner d'autre p~rt. Les alliages
5 peuvent atre binaires ou ternaires ou quaternaires.
La figure 2 fait ancore apparaître deux électrodes E1
et E2 placées, par exemple, l'uns sur la face accessible du
substrat, l'autre sur la derniere couche situés à l'opposé, qui
est supposée ici être la couche lntermédiaire CI2. L'application
10 d'une tension entre les électrodes E1 et E2 par des moyens de
comlTIande MC permet d'établir sur commande un champ électrique
perpendiculaire aux diPférentes couches et notamment à la couche
barrière CB.
De façon générale, on sait réaliser des structures
comportant des puit~ quantiques.
A cet effet, par exemple, le substrat est dope ou non.
La première couche intermédiaire CI1 possedQ une composition
qui lui confère un fort intervalle d'énergie de bande interdite
(souvent dénommé brièvement "gap" en terminologie
- 20 anglo-saxonne). On utilisara ici l'abréviation "intervalle de
bande interdite". La couche CP1, qul va servir à définir un
premier puits, possède un faible intervalle de bande interdite.
La couche barrière CB possède à nouveau un fort invervalle de
bande interdite. La seconde couche de puits CP2 possede un
intervalle moyen ou faible da bande interdite, suivant les modes
de réalisation. La couche d'isolation CI2 possède à nouveau un
fort intervalle de bande interdite. Les épaisseurs de couches
sont de quelques dizaines d'angstroms, typiquement 50 angstroms
environ. Les épaisseurs des couches peuvent être différentes,
suivant les propriétés souhaitées de la structure.
La couche barrière CB a une épaisseur faible
relativement aux couches CI1 et CI2. On peut noter que leurs
énergies de bandes interdites peuvent être différentes (pour
CB, CI1, CI2).
La structure de la figure 2 peut être considérée sur
6~ ~
la base d 'un motlf : le motif élémentaire comprend l'alternanee
d'une couche intermédiaire (CI1) et d'une couche de pults (CP1)
d'une couche barriere (CB), d'une couche de puits (CP2) et on
répète ce motif le long de l'axe de crois~ance d'epitaxie.
11ne telle structure va posgéder des proprlétés
intéressantes, à partir du moment où on lui a créé des paires
électron-trou peuplant certains niveaux d'énerEtie de l'un des
puits quantiques.
La figure 3 illustre schématiqu0ment le cas où les
couches CPl et CP2 possèdent des intervalles de bande interdite
différents .
Les courbes Bv et Bc désignant respectlvement la
limite supérieure de la bande de valence et la limite inférieure
de la bande de conduction. C'est entre ces deux courbes que
se trouve déPini l'lntervaUe de bande lnterdite.
En-dessous de la courbe Bv vont se trouver des
niveaux d'energie disponibles pour les trous, parmi lesquels on
distingue les trous lourds (h) et les trous légers (L).
Au-dessus de la limite de bande de conductlon Bc vont se
trouver les électrons.
De plus, électrons et trous (lourds d'une part, légers
d'autre part) ne peuvent prendre que certains niveaux d'énergie
discrets .
Pour les trous, on voit sur la figure 3 le premier
~5 nlveau hO pour les trous légers, suivis d'autres niveaux.
Pour les électrons, on distingue pour l'ensemble des
deux puits un premier niveau d'énergie EO, suivi d'un second
El, et d'un troisième E2.
A chacun des niveaux d'énergie peut être associée une
fonction d'onde, désignant la probabilité de présence spatiale
d'un électron ou d'un trou pour ce niveau d'énergie. Sont
illustrées, par exemple, schématiquement sur la figure 3 les
fonctions d'onde WO, W1, W2.
Dans le cas de cette figure 3, on volt que WO est
localisé principalement dans le premier puits alors qu~ Wl et W2
1 3 ~
présentant un mnximum de probabilité de présance dans le
deuxième puits.
A l'examen de la flgure 3, l~homme de l'art comprendra
que l'on peut d~finir dans le puits CP1 un saut d~énergie G1
minimal entre le niveau d'énergie hO pour les trous lourds et le
niveau d'énergie EO pour les alectrons.
De même, dans le pu~ts (CP2), on identifie un saut
d'énergie minimal G2 entre le niveau d'énergie hi pour les trous
lourds et le niveau d'énergie E1 pour les électrons
correspondants,
Enfin, un troisième ~aut d'énergie G3 peut être défini
d'une maniere un peu differente entre le niveau discret E1 et le
niveau discret E2 pour las électrons.
L~ cas particulier de la figure 3 illustre la première
famille de modulateurs, dans laquelle on va utiliser une
absorption intra-bande, et plus précisément la sous-famille dans
laquelle les intarvalles Gl et G2 ne sont pas les mêmes pour les
deux puits quantiques, ceu~-cl n'étant pas intentionnellament
dopes .
L~ figure 7 raprésente un exemple de réali~ation d'un
modulateur selon l'invention.
Il comporte sur un substrat S les couches successives
suivantes dont la croissance a éte réalisée selon l'axe OZ du
repère OXYZ:
- une première couche intermédiaire CI1
- une première couche de puits quantique CP1
- une couche barrière CB
- une deuxième couche de puits quantique CP2
- une deuxième coucha intermédlaire CI2
Des électrodes E1 et E2 connectées à un générateur de
tension MC et disposées, l'une sur la face inférieure du
substrat S, et l'autre sur la face extérieure de la deuxième
couche intermédialre CI2, permettent d'appliquer au modulateur
un champ électrique de commande.
Par ailleurs une source lumineuse ME transmet una
1 5
onde lumlneuYe de fréquence E t liée ~ la longueur de band0
interdlte G1 du pr~mler puits quantique par la relation G1 ~ hfl
où h est la constante Planck.
Le premier pults quantique CP1 n'a qu'un ~eul niveau
quantique d'électrons pour qu'en ab~ence d'application de champ
électrique par les électrodes E1, E2 le modulateur puisse être
transparent à l'onde à moduler.
Le modulateur peut également fonctionner avec un
premier pults quantique CP1 ayant deux niveaux d'énergie et
être transparent à l'onde ~ moduler en l'absence de champ
électrique, mals il faut que, la différence de cas deux niveaux
d'énergie ne solt pas égale à la difi`érence des nlveaux
d'énergle du deuxième puits qui correspond ~ l'onde à moduler.
Icl, la composition et la dimension des couches CP1 et
CP2 définissant les puits quantiques sont donc tellas que G1 est
inférieur à G2.
En l'ab~ence de champ electrique externe et
d'onde-pompe d'energie G1, les nlveaux électroniques EO, E1 et
E2 sont vides. Le modulateur est inactif, c'est-à-dire qu'il ne
peut pas absorber l'onde à moduler OM.
Lorsque la structure est pompée a l'aide d'une onde de
fréquence fl tel que G1 ~ hfl < G2 (avec h = constante de
Plank), le niveau EO pour les électrons et le niveau hO pour les
trous se peuplent.
La fréquence de l'onde à moduler est supposée égale à
f3, tel que G3 = hf3 où h est également la constante de Plank.
Même en présence de l'onde-pompe, il n'y a pas
d'électrons dans le puits CP2. Il n'y a donc pas d'absorption
possible à l'énergie G3 correspondant à l'onde ~ moduler.
Si, maintenant, on agit sur les moyens de commande
MC de la figure 2 pour appliquer un champ électrique
longitudinal à la structure (c'est-à-dlre perpendiculaire à la
couche barrière C~), on peut "amener en résonnance" les
niveaux EO et E1 des puits CP1 et CP2. En cl'autres termes, on
va abaisser les niveaux d'énergie discrets du puits CP2, par
1 3 1 ~
rapport à ceux du pults CPl. Le champ électrique peut donc
etre a3usté cie telle manière que ln fonctlon d'onde du niveau EO
solt localisée dans le puits CP2 comme cela est r~presenté sur
la figure 6.
Il en résulte la possibillté d'un transfert
d'électrons du puits CP1 vers le puits CP2. Ce transfart
d'électrons s'effectue par effet tunnel à travers la couche
barrière, colr~ne cela est bien connu dans la technique.
A partir du moment où le niveau d'énergie E1 du puits
CP2 se trouve peuplé, des transitions entre ces deux niveaux E1
et E2 avec l'énergie G3 deviennent possibles. La lumiere à la
fréquence 3 peut donc maintenant être absorbée.
Les figures 4, 5 et 6 illustrant de mnniere plus
précise le comportement des deux puits.
On y reconnaît les emplacements du puits CP1 de la
barrière CB et du puits CP2.
Sur ces figures 4, 5 et 6 les abscisses représentent
des positions en centaines d'angstroms. Les ordonnées
présentent l'énergie en centaines de milli-electronvolts et les
différentes fonctions d'onde élevées au carré pour être amenées
à une probabilité de présence.
La ligne de base E0 marque le premier niveau
d'énergie pour les électrons. La ligne en trait pointillé FL
marque le niveau de ~ermi. La llgne de base E1 marqu0 le
second niveau d'énergie pour les électrons. Et la ligne de base
E2 marqu~ le troisième niveau d'énergie pour les électrons.
A la ligne E0 est sup0rposée la fonction d'onde W0
pour les électrons du niveau correspondant. On volt, sur la
figure 4, que cette fonction d'onde présente une plus grande
probabilite de présence d'électrons dans le puits CP1, marquant
la présence d'électrons dans ce puits.
Mais, en présence du champ électrique propre à
appliquer un potentlel croissant W à la structure, la fonction
d'onde du niveau E0 se localise de plus en plus dans le deuxième
puits comme on peut le voir sur les figures 5 puis 6. Et des
~3 1~
transitions sont alors posslbles dans le puits CP2 entre les
énergies E0 et E2, avac le saut d'énergle G3 auquel correspond
l'absorption d'une onde ~ la fréquence f3 précltée.
Il est à noter que, pour la valeur du champ électrique
5 à laquelle les électrons passent du puits CPl au puits CP2, le~
trous restent localises dans le premier puits. Il en résulte une
séparation spatiale des électrons qui sont dans le puits CP2 et
des trous qui sont dans le puits CP1. Ceci a pour effet
d'augmsnter la duréa de vle de3 paires électron-trou
10 photo-créées, et ce de plus de trois ordres de grandeur
(environ I000). La conséquence de ceci est que, pour obtenir
un0 même quantité d'électron~ en régime stationnaire, sur le
niveau du puits quantiqua CP2 permettant une absorption à la
fréquence f3, il suffit d'une onde-pompe bien moins puissante
15 tsensiblement mille fois moins puissante) que dans les
techniques connues.
La commutatlon de la modulation se fait à l'aide d'une
commande par le champ élactrique. La bande passante de ce type
de modulateurs est donc limitée par la vitesse d'établissement
20 du champ électrique. Pour une densité de porteur de l'ordre de
1011 à 1O12 électrons par cm~, l'absorption intra-bande etant
assez grande, les distances d'interaction peuvent être faibles.
Il s'agit typiquement de quelques microns, que l'on pourra
comparer aux quelques millimètres nécessaires pour les
25 modulateurs fondés sur l'effet Pockels.
L'homme de l'art comprendra que ceci permet
d'améliorer à la fois la bande passante du modulateur et sa
profondeur de modulation.
Selon une variante de réalisation, au lieu d'appliquer
30 une onde de pompage, on prevoit un dopage de l'un des puits et
sous application d'un champ électrique le fonctionnement est
identique à ce qui est décrit précédemment.
Il convient de préciser que dans c0tte variante de
réalisation, si le puits quantique CPl est dopé, le modulateur
sera normalement (sans application de champ électriqua)
.
.
13 131~
transparent .
Si c'est le puits CP2 qui est dopé, le modulateur sara
normalement opaque pour la fréquence f3 à moduler. La
structure des couches du modulsteur selon cette variante sera
5 identique à celle de la i'igure 7.
A ce propos, il est rappelé que l'lnégalité des
intervalles d'énergie de bande interdite des deux puits peut
être due non seulement ~ leur eomposition mais aussi à leur
structure, notamment à leur geométrie.
Dans ce qui précèd0, on a consideré deux
sous-aspects de la premiere famille de réallsations selon
l'invention .
Dans une seconde famille, les fréquences qui
interviennent sont liées à des transitions inter-bandes,
15 c'est-à-dire entra la bande de conduction et entre la bande de
valence .
L'onde h moduler sera una onda de fréquence fl
correspondant à la bande interdite Gl ou légèrement supérieure.
Si l'on se réfère a nouvenu aux figures 3 et 4, il
20 apparaît que l'on peut modul0r l'absorptlon d'une onde à
fréquence fl, liée à ltintervalle de bande interdite G1, située
dan3 18 proche infrarouge, par une onde à fréquence f2, liée à
l'intervalle de bande interdite G2.
On conserve bien entendu la double commande par une
25 onde-pompe de fréquence f2 et par le champ électrique. L'intérêt
du puits couplé réside alors dans l'augmantation du temps de vie
des porteurs, c'est-a-dire des paires électron-trou. Il en
résulte une diminution de la puissance de l'onde-pompe qui est
nécessaire pour réaliser la saturation de l'absorption à la
30 fréquence fl liée à G1.
Si les deux puits sont identiques, il y a modulation
la fréquence fl par effet STARK et l'intérêt du système des
puits consiste à augmenter l'effet STARK.
La direction dans laquelle l'onde à moduler doit être
appliquée à la structure n'est pas unique. Cependant, on ne
~31~5
veut pas non plus appllquer cette onde dans une direction
quelconque. Il faut en effet pour la transition intrabande que
la polarisatlon de l'onde lumineuse soit suivant l'axe OZ, alors
que pour une transition lnterbande cette polarisation est
5 intardite.
Selon l'exemple de réalisation de la figure 7, l'onde
hV3 à moduler est inclinée par rapport à la face supérleure du
dispositlf. Pour que le modulateur fonctionna, 11 faut que l'une
des composantes du chnmp électrique de l'onde ~ moduler soit
10 polarisée selon un axe parallèle à l'axe OZ, cet axe OZ étant
l'axe de croissance des couches C11, à CI2 constituant le
modulateur. Il convient donc que l'on ait l'une des composantes
d~ l'onde à moduler s~rientée selon un autre axe que l'axe OZ.
Selon la figure 8, les deux ondes h~1 et h~3 sont
15 parnllèles au plan des couche~ du modulateur et plus précisément
parallèles à l'axe OY.
Cependant, bien que cela ne soit pas représenté, on
pourrait avolr tout autre type d'orientation des directions
d'ondes h~?l et h~3 soit entre-elles, soit par rapport au plan
20 des couches CI1 à CI2 du modulatsur
Dans le cas où l'onde à moduler ou l'oncle de pompage
arrive selon la face superieure ciu modulateur, l'électrode E2,
au moins, doit être seml-transparente à l'onde ou aux ondes qui
la traversent.
25 A cet égard, on notera que l'onde à moduler peut être soit
libre, soit guidée par confinement selon ~me dimension, soit
guidée selon deux dimensions.
La figure 9 représente un exemple de réalisation
fonctionnant en mode guidé. La couche intermediaire CI2 possède
30 à sa partie supérieure une portion de guidage G orientée, par
exemple, selon l'axe OY. La réalisation de ce guide est connue
dans la technique et l'on sait déterminer un guide ayant des
dimenslons permettant d'obtenir un bon guidage.
Selon la figure 9, l'électrocle F,2 ne recouvre que la
partie de guidage G, mais selon d'autres mode de réalisatlon
,
.
:~3~ ~15
elle peut recouvrir également l'ensemble de la couche C12.
Selon l'exemple d~7 re~lisation de la flgure 9, l'onde
à moduler est orientée selon l'axe OY mais elle pourrait avoir
une autre orientation. La direction de polarlsatlon de cette
onde doit etre orientaè selon 1'axe de crolssance OZ.
Dans ce qui préc~de, on choisit un substrat dont
l'indice de réfraction est de préférence inferieur à l'indice du
guide.
Dans le cas d'un fonctlonnement par transmission
travers le modulateur, c'est-à-dire d'un fonctionncment dans
lequel l'onde à moduler pénetre dans le modulateur par la face
supérieure de celui-ci, le substrat pèut pr~senter une certaine
absorption ce qui peut être pré~udiciable au fonctionnement du
dispositif .
Pour limiter cet inconvénient, on prévoit alors
d'amlncir le substrat.
Cortune cela est représenté, par exemple en figure 1O, une cavité
pratiquée dans l'épaisseur du substrat dlminue le trajet optique
dans le matériau du substrat.
Dans les- exemples de réalisation des figures 7 à 1O,
on a représenté des modulateurs dans lesquels une onde de
pompage permet un peuplement en électrons du niveau d'énergie
du premier puits quantique CP1. On peut également réaliser ce
peuplement en électrons par dopage. Dans ce cas là, la source
ME d'onde de pompage n'est pas utile at le système reste
sLmilaire à ceux représentés sur les figures.
L'homme de l'art comprendra également que
l'efficacité de modulation peut être accrue, en prenant une
structure où le motif de deux puits quantiques est repété
plusieurs fois. Dans ce cas, si l'on se refère à la figure 2, la
couche CI2 ~oue le rôle de couche CI1, et serait donc suivie
d'un autre ensemble CPl,CB,CP2,CI2, et ainsi de suite, le cas
échéant .
Selon l'invention, la structure de l'lnvention peut
être appliquée à la réalisation d'un détecteur d'onde
. :
.
.
.,
,, .
3 1 ~
électromagnetiqu~ .
Dans ce cas là, on réalise des contacts ohmiques R1,
R~ sur les couches extérleures du dispositif comme cela est
raprésenté sur la figure 11.
Un datecteur de o~urant DE est alors connecté aux
contacts ohmiques et parmet au disposltif de l'invention da
fonctionner en détecteur d'onde électromagnatique.
Ce dispositif peut alor~ atre ut31isé en clispositif de
reconnaissance d'images en permettant de réaliser la fonction
10 "ET" de l'onde de pompe et de l'onde à moduler.
En optique guidée, on pourra ninsi envisager l'intégration d'un
modulateur et d'un dstecteur infrarouge ~ur la même structure
semi-conductrice, ce qui peut être intéressant pour certaines
applications .
La figure 11 représente un exempls de réallsation d'un
tel détecteur. A tltre d'exemple, on a représenté un détecteur
fonctionnant en mode guidé. L'électrode E2 ne recouvre qu'une
partie du guide.
Sur une autre partie du guide est réalisée un contact
20 oht,nique R1. Sur la face libre du sub~trat S est également
réalisé un autre contact ohmique R2. Un détecteur DE est
connecté entre les deux contacts ohmiques R1 et R2 et parmet de
détecter un courant traduisant la traversée d'une onde h~3.
Selon le détecteur de la figure 11, il est possible de
25 réaliser liélectrode E1 et le contact ohmique R2 en une seula
pièce, le datecteur DE et le générateur MC ayant alors une de
leurs bornes connectées électriquement.
Le détecteur de la figure 11 fonctionne en optique
guidée. Il peut également fonctionner en optique non guidée en
30 adaptant le modulateur de la figure 7 par réalisation d'au moins
un contact ohmique R1 à la surface de la couche CI2. Ce
détecteur peut alors fonctionner en détecteur d'image en
éclairant la face ~upérieure de la couche CI2 à l'aide d'une
onde de pompe (h~1) et d'une onde à moduler. Chaque onde
transmet une image et le détecteur permet alors de le~t identifier.
17 13~1gl~i
Enfin, le d~tect~ur p8Ut atre réalise en appliquant la
varisnte de realisation cle l'invention dans l~quelle le
psuplement en électrons du niveau d'énergie extérieur du
premler puits quantique est obtenu par dopage. La source ME
n'est donc plus utile. Le détecteur fonctionne en detection d'un
niveau fixe de l'onde à moduler.
Bien entendu, la présente invention n'est pas lhnitée
aux modes de réalisations décrlts mais s'étend à toute variante
incluse dans le cadre des revendications ci-après.
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