Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
-1-
Dispositifs électro-optiques basés sur la variation d'indice ou d'absorption
dans des transitions ISB
La présente invention concerne des composants électro-optiques à
transition intersousbande par confinement quantique entre deux matériaux
de type nitrure d'éléments de groupe III.
Elle concerne en outre des dispositifs ou systèmes incluant de tels
composants, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel composant.
Domaine technique
L'invention se situe dans le domaine de l'optoélectronique et la
photonique, en particulier pour des applications dans les domaines des
télécommunications optiques et des interconnexions optiques dans les
circuits intégrés.
Le domaine de l'optoélectronique comprend différents types de
composants traitant ou générant de la lumière, par exemple pour émettre
des signaux lumineux destinés mesurer une grandeur comme dans de
l'interférométrie, ou comme dans le domaine des télécommunications pour
communiquer par des signaux comprenant de la lumière modulée transmise
dans des fibres optiques.
Dès lors qu'un système utilise à la fois des signaux électriques et des
signaux basés sur de la lumière, des composants de conversion
électronique/optique sont nécessaires.
Par exemple, un modulateur électro-optique est un élément
permettant de transférer une information depuis un signal électrique vers
une onde optique, par exemple pour transformer une information
numérique sous forme électronique en un signal numérique optique qui sera
envoyé dans une fibre optique pour une transmission longue distance.
D'autres types d'émetteurs peuvent prendre la forme d'une diode classique
(non cohérente) ou d'une diode laser, par exemple pour servir de source
lumineuse.
D'autres composants optoélectroniques peuvent être aussi des filtres
optiques accordables en longueur d'onde à commande électrique pour
séparer certaines longueurs d'onde ou extraire un canal d'une transmission
multi bandes, des dispositifs pour le routage optique reconfigurable à
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
-2-
commande électrique ou des détecteurs de lumière par exemple pour
transformer des signaux de lumière en signaux électroniques dans un
système de réception ou de réémission.
Etat de la technique
Dans le domaine de l'optoélectronique, il est connu d'utiliser des
structures de dimensions nanométriques combinant des semi conducteurs,
en particulier à base d'éléments du groupe III et du groupe V, pour former
des structures quantiques correspondant à des transitions de niveau
d'énergie des électrons interagissant avec les longueurs d'onde lumineuses
utilisées.
Ces structures quantiques peuvent présenter différentes forme telles
que des couches bidimensionnelles d'épaisseur quantique formant des puits
quantiques, alternées avec des couches bidimensionnelles formant des
couches barrières. On utilise aussi des structures incluant des boîtes
quantiques par exemple de forme sensiblement cylindriques, voire sous la
forme de nano fils, noyées au sein d'un matériau formant barrière.
Il est à noter que des types différents de composants
optoélectroniques utilisent parfois des structures quantiques et des
matériaux similaires, et qu'une même technologie permet ainsi de réaliser
plusieurs types de composants en organisant différemment l'implantation de
la région active, par exemple par rapport aux électrodes ou par rapport
au(x) guide(s) d'onde.
InP - Télécommunications (NIR)
Dans le domaine des télécommunications, les longueurs d'onde
utilisées sont celles du proche infra rouge (NIR pour near Infra Red ), et
plus particulièrement de l'ordre de 800 nm à 1600 nm,
typiquement 1,55 dam.
En particulier dans le domaine des télécommunications, il est connu
d'utiliser des couples de matériaux tels que le InGaAsP pour former les
structures quantiques, par exemple des couches formant puits quantiques
(QW pour Quantum Well ), et du InAlAs ou du InP pour les structures
barrières. Le matériau formant le puit quantique est choisi pour sa bande
interdite plus étroite que celle du matériau formant barrière.
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
-3-
Ces matériaux sont utilisés par exemple pour réaliser des
modulateurs électro-optiques bipolaires (c'est à dire à deux types de
porteur : les électrons et les trous) à transition inter bande ( interband )
fonctionnant par absorption. Un tel modulateur comprend une région active
comprenant une ou plusieurs structures quantiques. Lorsque l'on soumet la
région active à une différence de potentiel, il se produit une modification
les
caractéristiques optiques de cette région active, dans ce cas sous la forme
d'une variation de l'absorption lumineuse.
En commandant cette différence de potentiel par un signal
électronique et en injectant dans cette région active une lumière régulière
fournie par une source, on peut ainsi moduler l'intensité de la lumière
sortant du composant et réaliser ainsi un modulateur électro-optique.
En plaçant cette région active en travers d'un signal optique, on peut
aussi réaliser un filtre à commande électrique.
Dans l'état actuel de la technique, ce type de composant permet de
fournir des contrastes d'intensité à partir de 10 dB, qui sont un minimum
pour les applications de télécommunications. Il est cependant intéressant
d'améliorer ce contraste, par exemple pour faciliter le décodage du signal
mais aussi pour pouvoir diminuer l'encombrement des composants. En
effet, le contraste total obtenu dépend de la longueur sur laquelle s'effectue
la modulation.
Par ailleurs, ce type de composant permet une largeur spectrale de
modulation (FWHM pour Full Width at Half Maximum ) de l'ordre de
50 meV à une longueur d'onde de 1,3 à 1.55 dam. Cette valeur de FWHM
donne un ratio de longueurs d'onde qui influe directement la
dérive de fréquence ( chirp en anglais) et donc sur la qualité de
séparation entre plusieurs canaux de fréquence au sein d'un même guide
d'onde.
Un modulateur électro-optique peut aussi fonctionner par variation de
phase : dans une configuration où la mise sous tension produit un
changement de réfraction de la région active, et donc de la vitesse de
transmission de la lumière. En injectant un signal régulier dans cette région
active, on peut ainsi moduler sa phase par la commande de la différence de
potentiel. Un tel modulateur de phase peut par exemple être incorporé dans
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
-4-
un interféromètre pour fournir une modulation de phase, par exemple un
interféromètre en anneau ou un interféromètre de type Mac Zehnder.
Actuellement, ce type de composant permet une variation de l'indice
de réfraction de l'ordre de 10-3 (0,001).
A partir de ces matériaux, il a aussi été réalisé des modulateurs
unipolaires à transition inter sous bande ( ISB pour InterSubBand ),
mais uniquement en fonctionnement par absorption, et dans des longueurs
d'onde peu utiles pour les applications de télécommunications, par exemple
A=10 dam. En effet, dans les dispositifs ISB à base d'InGaAs/AIInAs sur InP
ou de GaAs/AIGaAs, la longueur d'onde minimale est limitée respectivement
à A=3,5 dam et A=8 dam.
GaN - Infra rouge moyen (MIR)
Dans d'autres domaines de longueurs d'onde, de l'ordre de 1 dam à
dam, il a été proposé d'utiliser des nitrures, et en particulier le matériau
15 GaN, pour réaliser des composants unipolaires à transition inter sous bande
(ISB).
Le document US 6,593,589 décrit en particulier un modulateur
unipolaire ISB fonctionnant par absorption autour de 5,2 dam, utilisant les
couples QW-BL (pour Quantum Well - Barrier Layer ) : GaN-AIN ou GaN-
20 InN ou InGaN-GaN. Il décrit des couches formant puits quantiques d'une
épaisseur de 4 à 5 nm. De tels composants sont utilisés par exemple dans
l'émission ou la détection aérienne, pour profiter de fenêtres de
transparence atmosphérique aux longueurs d'onde 3-5 dam et 8-12 dam.
Les configurations proposées comprennent un ou deux puits
quantiques, lesquels sont séparés par deux barrières minces choisies de
façon à être pénétrables par effet tunnel.
Des travaux plus récents on développé l'utilisation du GaN pour des
composants unipolaires ISB dans des longueurs d'ondes de 1 à 2,4 dam pour
une différence de potentiel de 30V. Or il est intéressant de pouvoir utiliser
des tensions les plus faibles possibles, par exemple pour être compatible
avec les tensions d'alimentations couramment utilisées dans nombres de
systèmes électroniques, souvent en 12V, voire 10V et surtout 3V.
Ainsi, Nevou et al. 2007 (Appt. Phys. Lett. 90, 223511, 2007) et
Kheirodin et al. 2008 (IEEE Photon. Technol. Lett., vol.20, no.9, p1041-
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
-5-
1135 May 1, 2008) décrivent une amélioration des performances en
utilisant une région active de vingt périodes comprenant chacune un puits
quantique couplé (CQW pour Coupled Quantic Well ), lui-même formé
par des couches planes empilées au sein d'une région active plan, avec le
couple de matériaux QW-BL en GaN-AIN.
Ce puits quantique couplé est constitué d'une couche puits quantique
dite réservoir, d'une épaisseur de 3 nm, suivie d'une couche barrière
suffisamment fine pour être pénétrée par effet tunnel, d'une épaisseur de
1 nm, suivie d'une couche formant un puits quantique étroit d'une épaisseur
de1nm.
Ces travaux soulignent les performances de vitesses apportées par la
transition ISB. Kheirodin et al. indique que le temps de passage de
l'électron par effet tunnel d'un puits à l'autre est une limite à la vitesse
intrinsèque du modulateur, et propose pour améliorer cette caractéristique
de diminuer les dimensions de la région active du modulateur, par exemple
en l'insérant directement dans le guide d'onde.
Ces technologies présentent un certain nombre d'inconvénients, ou
seraient utilement améliorées, par exemple en matière de performance, de
simplicité et de souplesse d'ingénierie ou de compacité.
En outre, la diminution des dimensions de la région active entraine
une diminution de la longueur d'interaction, ce qui peut être néfaste pour
d'autres performances, par exemple en matière de contraste d'intensité.
Par ailleurs, l'évolution des matériels et des réseaux en matière de
télécommunications rend utile et intéressant toutes les améliorations
disponibles, en particulier en matière de performances, par exemple en
vitesse ou contraste ou spécificité spectrale ou stabilité de fréquence, ainsi
qu'en matière de compacité, de simplicité et de liberté de conception et
d'implantation et de réalisation.
Un but de l'invention est de fournir une technologie palliant tout ou
partie des inconvénients de l'état de la technique, et permettant tout ou
partie de ces améliorations.
Exposé de l'invention
L'invention propose un composant électro-optique à transition
intersousbande par confinement quantique entre deux matériaux de type
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
-6-
nitrure d'éléments de groupe III. Selon l'invention, ce composant comprend
au moins une région active incluant au moins deux couches barrières dites
extérieures entourant une ou plusieurs structures quantiques dopées N .
Dans tous les modes de réalisation, cette ou ces structures
quantiques sont entourées chacune par deux zones barrières non
intentionnellement dopées d'une épaisseur suffisante pour éviter le passage
d'électrons par effet tunnel, notamment d'une épaisseur minimale de plus
de quatre couches monoatomiques, c'est à dire d'au moins cinq couches
monoatomiques voire au moins six ou huit épaisseurs monoatomiques.
Dans le cas d'une seule structure quantique, celle-ci est entourée par
les deux couches barrières extérieures, lesquelles sont non
intentionnellement dopées et présentent cette épaisseur minimale.
Dans le cas où une même région active comprend plusieurs
structures quantiques, au moins deux structures quantiques successives (et
avantageusement toutes) sont toutes dopées N et sont séparées deux à
deux par une zone barrière non intentionnellement dopée réalisant cette
épaisseur minimale.
L'épaisseur des barrières extérieures dépend de la conception du
composant complet et notamment de la composition des couches de
confinement. Leur épaisseur de plus de quatre monocouches peut aussi
être notablement plus importante, et conditionne la gamme de tension de
fonctionnement du dispositif.
Selon une particularité non obligatoire, les couches barrières de
séparations entre structures quantiques peuvent être d'épaisseurs égales
entre elles, à une ou deux épaisseurs monoatomiques près.
Selon une autre particularité non obligatoire, ces structures
quantiques successives présentent une épaisseur identique entre elles, à
une ou deux épaisseurs monoatomiques près.
Dans un type particulier de mode de réalisation, le composant selon
l'invention comprend au moins une région active incluant une pluralité de
structures quantiques successives séparées deux à deux par une zone
barrière non intentionnellement dopée, d'une épaisseur suffisante pour
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
-7-
éviter le passage d'électrons par effet tunnel, notamment d'une épaisseur
d'au moins cinq couches monoatomiques.
Plusieurs structures quantiques sont souhaitables par exemple pour
augmenter l'absorption dans l'état absorbant et la compacité du dispositif.
Tout dépend des performances désirées par le concepteur du composant,
par exemple dans le compromis entre d'une part simplicité et coût de
fabrication et d'autre part performances et/ou compacité du composant.
De façon avantageuse, dans le composant selon l'invention, les
structures quantiques comprennent en majorité du Nitrure de Gallium et les
zones barrières comprennent en majorité du Nitrure d'Aluminium ou du
AIGaN.
Ces matériaux sont particulièrement bien adaptés à la mise en oeuvre
de l'invention, par exemple par la discontinuité de potentiel en bande de
conduction AEc=1,75 eV pour GaN/AIN, et en raison des capacités
techniques actuelles qui permettent depuis au moins 2006 la réalisation de
structures de couches précises à une ou deux couches monoatomiques
près, et d'une épaisseur pouvant descendre jusqu'à trois couches
monoatomiques.
Dans le cas d'une application de type télécommunication, l'épaisseur
des structures quantiques est déterminée pour accorder ce composant sur
une longueur d'onde comprise entre 1,0 dam et 1,7 dam.
Un mode de réalisation préféré de l'invention propose un tel
composant agencé selon une architecture réalisant un modulateur électro-
optique. Un tel modulateur peut être agencé pour fonctionner par
absorption, par exemple pour optimiser prioritairement le contraste obtenu.
Il peut aussi être agencé pour fonctionner par modulation de l'indice
de réfraction, par exemple pour privilégier la variation de phase.
Dans d'autres modes de réalisation, l'architecture de région active
selon l'invention peut aussi être utilisée dans un composant agencé selon
une architecture réalisant en particulier :
- un modulateur à transfert de charges, ou
- un photodétecteur, par exemple à cascade quantique, ou
- un émetteur électro-optique, ou
- un commutateur électro-optique ,
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
-8-
- ou un filtre optique à bande commandée électriquement, ou
- une combinaison de ces types de fonctions.
En effet, le champ d'application de l'invention est potentiellement très
large. Outre les composants de conversion utilisés par exemple dans les
télécommunications, l'invention s'applique aussi à des composants ou
dispositifs tels que les filtres accordables, le routage optique
reconfigurable
ainsi que des capteurs optiques pour la chimie ou la biologie, et d'autres
applications mettant à profit la variation d'absorption ou d'indice.
Il est par exemple possible de réaliser un commutateur en insérant la
région active au sein d'un guide d'onde ou d'un faisceau que l'on souhaite
interrompre ou autoriser.
De plus, il est envisageable d'utiliser ce type de région active pour
réaliser un filtre dont la longueur d'onde de filtrage est commandée de
façon électrique, par le réglage de la différence de potentiel appliquée à la
région active.
En particulier, les structures quantiques peuvent être des couches
essentiellement bidimensionnelles, en particulier planes, formant puits
quantiques. Chacun de ces puits quantiques est entouré de chaque côté par
au moins une couche bidimensionnelle, en particulier plane, formant
barrière.
De façon avantageuse, un tel composant est agencé pour fonctionner
avec une polarisation de la lumière perpendiculaire au plan des couches
formant les structures quantiques, ou à une surface tangente à ces
couches.
Dans un mode de réalisation typique, un modulateur électro-optique
selon l'invention comporte une région active incluant trois puits quantiques
successifs non couplés.
Par exemple pour un composant accordé sur des fréquences de types
télécommunications et plus précisément dans le domaine spectral A=1,3 dam
à A=1,55 dam, les puits quantiques sont en GaN dopé N et présentent
une épaisseur de 4 à 6 couches monoatomiques (soit environ 1 à 1,5 nm).
Ces couches puits quantiques sont alors séparées l'une de l'autre par des
couches barrières en AIN non intentionnellement dopé présentant une
épaisseur de cinq couches monoatomiques ou plus.
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
-9-
Selon une particularité, la région active d'un tel composant est
entourée de deux couches de confinement d'une certaine épaisseur, par
exemple d'au moins 0,4 micromètre, et est disposée dans une partie en
forme d'arête ou de mesa formant un guide d'onde par variation ou par saut
d'indice.
Ces couches de confinement sont par exemple en Alo.5Gao.5N
dopées n . Elles assurent le confinement optique du mode guidé par saut
d'indice et sont aussi utilisées pour former les contacts électriques, jouant
ainsi également un rôle de couche de contact.
L'une de ces deux couches de confinement (ou de contact) porte à sa
surface une ou plusieurs électrodes d'une première polarité, par exemple
une électrode unique sur la plus grande partie de sa surface extérieure, du
côté opposé à la région active.
L'autre couche de confinement (ou de contact) porte à sa surface une
ou plusieurs électrodes d'une deuxième polarité, par exemple deux
électrodes de même polarité portées à la surface de deux épaulements de la
couche de confinement s'étendant de chaque côté de l'axe du guide d'onde.
Le guide d'onde formé par les couches de confinement et la région
active peut être par exemple disposé sur au moins une couche tampon en
semi conducteur, par exemple un nitrure d'élément du groupe III tel que
du AIN. Cette couche tampon est portée elle-même par un substrat, par
exemple du saphir.
D'autres configurations connues peuvent aussi être utilisées, utilisant
par exemple un substrat conducteur portant une électrode de la deuxième
polarité sur sa surface du côté opposé au guide d'onde.
Selon un autre aspect, l'invention propose un dispositif ou un
système comprenant au moins un composant tel qu'exposé ici.
Elle propose aussi un procédé de fabrication d'un composant ou d'un
dispositif ou système optoélectronique, comprenant des étapes de
réalisation utilisant des techniques de fabrication connues de l'homme du
métier choisies, agencées et combinées pour réaliser un composant tel
qu'exposé.
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
- 10-
Avantages apportés
De façon générale, le composant selon l'invention et en particulier le
modulateur présente un grand nombre d'avantages, par exemple en
matière de performances mais aussi par une simplification de l'ingénierie et
un large domaine d'emploi.
Ces avantages comprennent en particulier
Meilleur contraste d'intensité : Les avantages apportés par l'invention
comprennent en particulier une amélioration du contraste d'intensité,
obtenu à température ambiante à environ 14 dB pour une différence de
potentiel de 7V et à environ 10 dB pour 5V, dans une bande spectrale allant
de 1,2 dam à 1,6 dam. A titre de comparaison, la valeur de 14 dB permet un
taux d'erreur à la détection de l'ordre de 10-15 alors que la valeur de 12 dB
de l'état de la technique donnait un taux d'erreur de l'ordre de 10-9, soit
une
amélioration d'un facteur valant 10 à la puissance six.
Meilleur contraste d'indice : Dans le cas d'un modulateur fonctionnant
en modulation de phase, la variation de réfraction obtenue est de l'ordre de
An=10-2 (0,01), ce qui constitue une amélioration d'un facteur dix.
Amélioration du chirp de modulation : On obtient en outre une
exaltation de la variation d'indice au voisinage de la ligne d'absorption, ce
qui rend le fonctionnement plus stable, en particulier en diminuant la dérive
de fréquence lors de la modulation.
Plus grande largeur spectrale de la ligne d'absorption : La spécificité
spectrale obtenue est améliorée à environ 100 meV pour une transition de
0,9 eV soit a,=1,38 dam, ce qui conduit à un ratio de valant
environ 25%. Cette largeur spectrale est en particulier largement
supérieure par rapport aux modulateurs électro-absorbants à base d'effet
Franz-Keldysh ou Stark confiné. Cela permet de meilleures performances ou
un traitement aval facilité, par exemple en matière de séparation des
canaux.
Ajustement simplifié de la position de la liane d'absorption: la
structure simplifiée des puits quantiques non couplés permet une plus
grande liberté de conception de l'architecture de la région active, et donc
plus facile à adapter au cahier des charges. En effet, l'ajustement de la
position spectrale de la ligne d'absorption se fait par le contrôle de
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
-11-
l'épaisseur des structures formant puits quantiques. Chacune ne
comprenant qu'une seule région continue (puits non couplés) et non deux
région couplées comme dans l'état de la technique (puits couplés), le
contrôle de l'épaisseur de cette région est plus facile et a moins de
répercussions annexes sur d'autre caractéristiques de fonctionnement de
l'ensemble.
Pour un modulateur ou un détecteur ou un émetteur, il est ainsi
possible d'accorder plus facilement la structure du composant à la longueur
d'onde à traiter. Pour le couple GaN/AIN, les transitions ISB peuvent être
accordées dans la plage 1,3 dam - 1,55 dam en utilisant des épaisseurs de
GaN de 4 à 6 couches monoatomiques, soit de 1 à 1,5 nm.
Faible sensibilité à la température de la position de la ligne
d'absorption, qui permet un fonctionnement plus stable et plus facile à
gérer.
Ingénierie de l'indice de réfraction : cet indice peut être ajusté en
contrôlant la composition et l'épaisseur des couches de la région active, en
particulier pour les structures quantiques.
Large domaine spectral de transparence : permettant d'utiliser ou de
traiter des flux lumineux allant du spectre Ultra Violet au proche Infra
Rouge.
Maîtrise du confinement du mode optique : se faisant par contraste
d'indice, ce qui apporte performances et simplicité d'ingénierie par exemple
pour la conception des circuits.
Valeur de l'indice de réfraction : située aux environs de 2,2, elle
permet la réalisation de composants très compacts. Il peut s'agir par
exemple de la possibilité de fabriquer des barrettes avec un grand nombre
de pixels, par exemple pour l'imagerie.
Caractéristiques électriques : l'invention permet un faible effet
thermique, de l'ordre de 10-5 K-1 pour An/AT. Elle permet aussi une
diminution de la résistivité, autorisant d'utiliser des différences de
potentiel
de l'ordre de 12V ou 10V voire 5V ou 3V. Cela qui permet une intégration
plus facile et plus économique dans de nombreux systèmes électroniques,
qui sont souvent alimentés en tension continue inférieure à ces valeurs.
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
- 12 -
Par ailleurs, l'invention permet au composant une bonne tenue
mécanique, en température, au flux d'optique et aux radiations ionisantes.
De plus, les matériaux mis en jeu sont d'une nature biocompatible, et
peu gênants du point de vue du respect de l'environnement
Les avantages cités ici s'ajoutent en outre aux avantages déjà connus
pour l'utilisation de transition ISB.
Rapidité intrinsèque : Il s'agit par exemple d'un fonctionnement ultra-
rapide obtenu entre autre par la rapidité de relaxation ISB via phonons LO :
aux environs de 0,15 ps à 0,4 ps, permettant d'envisager par exemple des
composants du type commutateur tout optique fonctionnant dans le régime
Tbit/s.
Tout ou partie de ces avantages s'appliquent aussi pour de nombreux
composants électro-optiques utilisant des transitions interbandes autres que
le modulateur, par exemple ceux cités plus haut.
Autres types de composants
Il est à noter que des structures de couches de GaN formant puits
quantiques sont utilisées dans des composants différents et fonctionnant
selon un mécanisme différent, pour réaliser des commutateurs ou switchs
tout-optique, comme décrits dans les documents JP 2005 215395 et
JP 2001 108950.
Ainsi le document JP 2005 215395 décrit un conducteur optique
réalisant une fonction de switch tout optique, et non pas électro-optique. Ce
switch tout-optique comprend un empilement de couches de nitride de
semiconducteur formant puits quantiques, dans le but de fonctionner avec
une plus faible énergie de commutation.
L'empilement de couches présente la forme d'une arête ou mesa, de
largeur décroissante par paliers, formant un guide d'onde optique. Cette
arête reçoit une lumière d'entrée par une extrémité d'entrée et émet par
une extrémité de sortie une lumière commandée par transition
intersousbande et fonctionnant par absorption saturable sous l'action de
l'énergie de la lumière d'entrée.
Ce type de composant est typiquement utilisé pour produire un signal
lumineux de sortie à partir d'un signal lumineux d'entrée. Il peut s'agir par
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
- 13 -
exemple de régénérer la forme des signaux au sein d'un conducteur
optique, ou de connecter deux circuits optiques entre eux par une liaison du
type photonic cross-connect (PXC) aussi appelé transparent cross-
connect (OXC).
Des modes de réalisation variés de l'invention sont prévus, intégrant
les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici, selon l'ensemble
de leurs combinaisons possibles.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la
description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des
dessins annexés sur lesquels :
- les FIGURE la et b illustrent un état de la technique utilisant une
vingtaine de périodes de couches puits quantiques couplés de GaN
séparés par des couches barrières de AIN ;
- la FIGURE 2 est un schéma illustrant le principe d'un modulateur
électro-optique dans un mode de réalisation de l'invention, recevant
une source lumineuse par la tranche ou selon l'angle de Brewster ;
- la FIGURE 3 est un schéma de principe en coupe illustrant
l'architecture du modulateur de la FIGURE 2 ;
- la FIGURE 4 est un schéma de principe en coupe illustrant
l'architecture de la région active du modulateur de la FIGURE 2 ;
- les FIGURE 5a et b sont des schémas de fonctionnement illustrant la
variation d'énergie selon l'épaisseur de la région active de la
FIGURE 4,
o FIGURE 5a : avec une différence de potentiel négative, et
o FIGURE 5b : avec une différence de potentiel positive ;
- la FIGURE 6 est une courbe illustrant la variation du contraste
d'intensité en fonction de la différence de potentiel appliqué aux
électrodes du modulateur de la FIGURE 2, en mode d'illumination par
la tranche.
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
- 14-
Description détaillée des figures
Les FIGURE la et b illustrent un état de la technique décrit par Nevou
et al. 2007 (Appt. Phys. Lett. 90, 223511, 2007) et Kheirodin et al. 2008
(IEEE Photon. Technol. Lett., vol.20, no.9, p1041-1135 May 1, 2008). Cette
publication présente un modulateur utilisant dans région active une
vingtaine de périodes de couches puits quantiques couplés de GaN séparés
par des couches barrières de AIN.
La FIGURE lb est une photo en coupe d'une partie de la région
active, qui montre environ cinq paires de puits couplés CQW séparés par
des couches barrières de 2,7 nm de AIN (en gris foncé). Chacun de ces puits
couplés CQW comprend un puits quantique réservoir QWR d'une épaisseur
de 3 nm et un puits quantique dopé-n QWN d'une épaisseur de 1 nm, tous
deux en GaN (en gris clair). Au sein de chacun de ces paires de puits
couplés CQW, les deux régions en GaN sont séparées par une barrière de
couplage BLI d'une épaisseur de 1 nm en AIN (en gris foncé).
La FIGURE la est un graphique représentant l'absorption obtenue
(échelle à gauche) en fonction de la longueur d'onde (échelle au dessus) ou
de l'énergie (échelle au dessous) de la lumière utilisée.
L'insert au sein de cette FIGURE la représente le mode de
fonctionnement d'une paire CQW de ces puits couplés, et les variations
d'énergie (échelle à gauche) en fonction de sa structure transversale aux
différentes couches (échelle en dessous). La répartition horizontale des
variations en dents de scie correspond ainsi à la structure des différentes
couches de cette paire CQW de puits couplés, soient successivement de
gauche à droite : QWR, puis BLI, puis QWN.
Les FIGURE 2 et FIGURE 3 sont des schémas représentant
schématiquement l'architecture d'un modulateur électro-optique dans un
exemple de mode de réalisation de l'invention.
En FIGURE 2 est illustré le principe de fonctionnement d'un tel
modulateur 2. Ce modulateur comprend une région active 23 formant un
guide d'onde entre deux régions de confinement 22 et 24. Cette région
active est commandée par au moins une électrode 26 d'une première
polarité et au moins une électrode (ici répartie en deux éléments 251
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
- 15 -
et 252) d'une deuxième polarité commandées par un dispositif 3 de
commande électrique par variation de tension.
Dans une configuration, la région active 23 reçoit un flux lumineux 41
par la tranche. Ce flux est conduit au sein de la région active et en ressort
de l'autre côté en un flux lumineux de sortie 42.
Dans une autre configuration, un flux lumineux 411 pénètre à travers
la couche de confinement supérieure 24 selon l'angle de Brewster 410, et la
traverse jusqu'à la région active 23. Ce flux est alors guidé par cette région
active et en ressort en un flux lumineux de sortie 42.
Sous l'effet de la différence de potentiel entre les électrodes 251, 252
d'une part et 26 d'autre part, la région active 24 présente une absorption
lumineuse qui varie en fonction de la commande électrique 3 sur une
certaine longueur de modulation LM. Le flux lumineux la traversant en
ressort donc avec une intensité 42 modulée selon la commande
électrique 3.
Dans une configuration de modulateur, avec une commande
électrique 3 recevant un signal électrique d'entrée, on obtient en sortie un
flux lumineux 42 modulé en fonction de ce même signal électrique de
commande. Cette modulation peut être appliquée à un flux lumineux 41
d'entrée provenant d'une source régulière telle qu'un laser, ou bien être
appliquée à un flux lumineux 41 comprenant déjà lui-même un signal.
On peut aussi utiliser la commande électrique 3 pour commander en
tout ou rien une absorption du flux lumineux d'entrée 41, et ainsi obtenir
une atténuation voire un blocage de ce flux d'entrée 41, réalisant un
commutateur ou un filtre commandé pour ce flux d'entrée 41.
Les FIGURE 3 et FIGURE 4 représentent plus précisément cet
exemple d'architecture de modulateur 2.
Cette architecture est obtenue par croissance successive, selon des
procédés connus de l'homme du métier, ou selon ceux cités dans les
documents énoncés précédemment.
Sur un substrat 20, par exemple en saphir, on fait croître une couche
tampon 21 de 1 dam de AIN.
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
- 16-
On fait ensuite croître une première couche de confinement 22, ou
couche contact, dopée n , par exemple à 5.1018 cm-3, par exemple d'une
de épaisseur de 0,5 dam de Alo.5Gao.5N.
Sur une partie de cette première couche de confinement 22, par
exemple dans une partie centrale, on réalise alors la région active 23,
représentée plus en détail en FIGURE 4.
Sur une autre partie de la première couche de confinement 22, par
exemple des deux côtés autour de la région active 22, on dépose une ou
plusieurs couches 251 et 252 conductrices voire métalliques formant une
électrode d'une polarité.
Sur la région active 23, on fait alors croître une deuxième couche de
confinement 24 ou couche contact, dopée n , par exemple à 5.1018 cm-3,
par exemple d'une de épaisseur de 0,5 dam de Alo.5Gao.5N.
Sur la deuxième couche de confinement 24, on dépose au moins une
couche 26 conductrice voire métallique formant une électrode de l'autre
polarité.
La FIGURE 4 représente plus en détail la structure en coupe verticale
de la région active 23. Pour réaliser cette région active, on fait croître
successivement :
- une première couche barrière BLO extérieure en AIN d'au moins 3 nm
environ ;
- plusieurs couches quantiques, ici trois couches formant puits
quantiques QW1, QW 2 et QW 3 en GaN d'épaisseurs égales, chacune
d'une épaisseur de 4 à 6 couches monoatomiques soit environ 1 à
1,5 nm ;
- entre les couches puits quantiques QW1, QW 2 et QW 3, on fait
croître des couches barrières après chacune et avant la suivante, ici
deux couches barrières BL1 et BL2, en AIN d'une épaisseur
de typiquement 3 nm ;
- une deuxième couche barrière extérieure BL3 en AIN d'au moins
3 nm environ.
CA 02769478 2012-01-24
WO 2011/012833 PCT/FR2010/051636
- 17-
Les FIGURE 5a et b illustrent le fonctionnement d'un modulateur
selon l'invention, dans le mode de réalisation décrit plus haut à trois puits
quantiques non couplés. Les trois créneaux en dent de scie vers le bas sont
positionnés aux emplacements des couches QW1 à QW3 de GaN formant
puits quantiques, sur un axe des abscisses représentant la dimension de la
région active 23 transversale aux couches quantiques QW et barrières BL.
La FIGURE 6 est illustrant la variation du contraste d'intensité
obtenue, en fonction de la différence de potentiel appliqué aux électrodes
du modulateur décrit plus haut, en mode d'illumination par la tranche.
On voit que le contraste obtenu pour une différence de potentiel
de +7V est de 14 dB, ce qui constitue une performance intéressante par
rapport à l'état de la technique. Le contraste de 10,2 dB est une
performance moins bonne dans l'absolu, mais est ici obtenu avec une
différence de potentiel moins importante à -5V, ce qui permet la réalisation
d'un composant nécessitant une moindre tension, par exemple avec une
alimentation de plus basse tension. On obtient ainsi un bon rapport entre
les performances et les contraintes d'ingénierie sur le plan du circuit
électrique. En particulier, cette différence de potentiel de 5V est compatible
avec une tension d'alimentation de 5V qui est un standard extrêmement
courant dans le domaine des petits appareils électriques ainsi que des
composants et circuits intégrés en général.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent
d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces
exemples sans sortir du cadre de l'invention.
