EP4627684A1 - Dispositif à émission de surface, système optique et procédé associé - Google Patents

Dispositif à émission de surface, système optique et procédé associé

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EP4627684A1
EP4627684A1 EP23813390.4A EP23813390A EP4627684A1 EP 4627684 A1 EP4627684 A1 EP 4627684A1 EP 23813390 A EP23813390 A EP 23813390A EP 4627684 A1 EP4627684 A1 EP 4627684A1
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EP
European Patent Office
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waveguide
face
plane
diffraction grating
active region
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Pending
Application number
EP23813390.4A
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German (de)
English (en)
Inventor
Badhise Ben Bakir
Olivier Lartigue
Christophe Constancias
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Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
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Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Definitions

  • Surface emission devices emit electromagnetic radiation, for example a laser beam, with a direction substantially perpendicular to the plane on which they extend. This beam can have good spatial uniformity, particularly in the near field. Surface emitting devices are therefore advantageously integrated into optical systems.
  • the diffraction grating in second-order transmission promotes the emission of a normal component of the electromagnetic field which is then emitted by the free face of the waveguide, comprising the diffraction grating. This is the reason why this type of device is called “surface emitting”.
  • Devices based on a transmission diffraction grating of order two show a problem of stability of the guided modes, for example as a function of temperature.
  • the document [“Experiment demonstration of high speed 1.3 pm grating assisted surface-emitting DFB lasers” J. Luan et al., Optics Express 25111 Vol. 30, No. 14 (Jul. 2022)] solves the stability problem using a diffraction grating in transmission comprising three distinct portions and presenting different orders (a first portion presenting an order two framed by two portions presenting an order one).
  • the order one portions make it possible to confine a guided mode of the electromagnetic field by distributed feedback and thus form a laser cavity.
  • the second order portion carries out surface emission of part of the guide mode normal to the plane of the diffraction grating.
  • the active region makes it possible to emit a field which can propagate in the waveguide.
  • the diffraction grating interacting with the electromagnetic field (which we will also simply call "field"), can promote, depending on its diffraction order, the appearance of: a counter-propagating component of the field propagating in the first direction in the waveguide; and/or a component of the field propagating in an out-of-plane direction.
  • the counter-propagating component of the field can be induced by a distributed counter-reaction effect of the diffraction grating on the field. This counter-propagating component allows the establishment of stationary modes of the field in the waveguide.
  • direction out of the plane we mean a direction having an angle greater than 20° relative to the plane in which the waveguide extends, or even an angle greater than 45° relative to said plane, or even still preferred manner an angle greater than 80° relative to said plane.
  • reflective diffraction grating we mean that the field is reflected by more than 50% by the diffraction grating, or even more than 70%, or preferably more than 90%.
  • transparent face we mean that more than 50% of the optical power is transmitted by the second face. Thus, a substantial part of the optical power generated by the device is transmitted through the second face.
  • the waveguide is delimited by a first flank and a second flank, the second flank being opposite the first flank, the first and second flanks being substantially perpendicular to a second direction, said second direction being parallel to the plane and parallel to the first direction, the device also comprising a first conductive coating and a second conductive coating, the first conductive coating extending on the first sidewall and the second conductive coating extending on the second sidewall.
  • substantially perpendicular or parallel we mean respectively perpendicular or parallel to within +/- 20°, or even +/- 10°.
  • conductive layer we mean for example a metallic layer.
  • the first and second conductive layers make it possible to reinforce the confinement of the electromagnetic field in the waveguide in the second direction by forming a cavity in the second direction with high reflectivity.
  • the diffraction grating can then also serve as a spectral filter for the guided modes propagating in the second direction in the waveguide.
  • the device comprises at least one electrically insulating spacer disposed between the first conductive layer and the first side and between the second conductive layer and the second side.
  • the different layers of the waveguide are not short-circuited by the conductive layers.
  • the diffraction grating extends directly above the active region of the waveguide, the active region having a length, measured in the first direction, and the diffraction grating having a length, also measured according to the first direction, the length of the diffraction grating being substantially equal to the length of the active region, the grating presenting, according to the first direction, a single diffraction order.
  • substantially equal we mean equal to +/- 20%, or even equal to +/- 10%.
  • single diffraction order we mean for example that the diffraction grating has a constant step (or period) of +/- 10%.
  • the active region has a width, measured in a second direction parallel to the plane and perpendicular to the first direction, and the diffraction grating has a width, measured in the second direction, the width of the diffraction grating being substantially equal to the width of the active region, the grating presenting, in the second direction, another unique diffraction order greater than or equal to two.
  • the diffraction grating has, in the first direction, a diffraction order greater than or equal to three.
  • a diffraction order equal to two mainly favors the out-of-plane component.
  • the spectrum of the field emitted by the second face can therefore be broad or have a multimode signature.
  • a diffraction order greater than two makes it possible to favor the counter-propagating component while retaining an out-of-plane component. Only wavelengths relating to stationary modes can be emitted and the spectrum of the field emitted by the second face is narrow and monochromatic.
  • the electromagnetic field comprises a wavelength comprised in [0.8 pm; 20 pm] and preferably in [4 pm; 12 p.m.],
  • the diffraction grating comprises a periodic structure and a metallic layer, the periodic structure extending over the first face of the waveguide and the metallic layer extending over the periodic structure.
  • the metallic layer prevents the transmission of the field through the diffraction grating which therefore becomes only reflective. It therefore makes it possible to reorient the diffracted field towards the second face (in other words, from the lower face).
  • the diffraction grating has a thickness, measured perpendicular to the plane, greater than ⁇ /(10 n eff ) and preferably greater than 2/(4 n eff ), where 2 is a wavelength of the field electromagnetic emitted by the active region, and n eff is an effective index of a guided mode in the guide wave, interacting with the diffraction grating.
  • the thickness of the diffraction grating also makes it possible to control the effective index of the guided mode. It can therefore make it possible to control the diffraction orders of the guided mode with the diffraction grating.
  • the periodic structure comprises an alternation of first portions and second portions, the first portions being made up of a first semiconductor material having a first optical index and the second portions being made up of a metal or a second material, such as another semiconductor material or a gas, such as air, having a second optical index different from the first optical index.
  • a metal or a second material such as another semiconductor material or a gas, such as air.
  • the metal layer comprises portions, each portion of the metal layer covering one of the first portions of the periodic structure.
  • the metal layer is continuous.
  • the waveguide comprises a first semiconductor layer based on the first semiconductor material constituting the first portions of the periodic structure, the first semiconductor layer extending from the active region to the first face.
  • the first semiconductor layer is doped.
  • the invention also relates to an optical system, characterized in that it comprises a device for surface emission of an electromagnetic field according to the invention and an optical window transparent to the electromagnetic field, the second face of the guide wave of the surface emitting device extending over the optical window.
  • the system also includes a thermal regulator configured to regulate the temperature of the waveguide of the device when the device operates in a steady state.
  • the thermal regulator is configured to regulate the temperature of the waveguide to within 0.1°C.
  • the thermal regulator is configured so that the temporal variation of the system temperature is less than 0.1°C/s during operation of the device.
  • the invention further relates to a method of manufacturing the surface emission device according to the invention, the method comprising the following steps: forming a waveguide, extending in a plane and comprising a first face and a second face, opposite the first face, the first and second faces being parallel to the plane, the waveguide comprising an active region extending in the plane and configured to emit an electromagnetic field, the second face being transparent; form a diffraction grating extending on the first face of the waveguide, the diffraction grating being reflective and having, in a first direction parallel to the plane, a diffraction order greater than or equal to two.
  • the method comprises, before the formation of the diffraction grating, a step of optimizing a coupling rate of the diffraction grating with the electromagnetic field emitted by the active region.
  • the opto-geometric parameters of the grating (such as its depth and/or its width and/or its length) are digitally optimized to obtain high reflectivity and an optimal coupling rate from the underside. This optimization thus makes it possible to couple maximum optical power into the optical system.
  • FIG. 1 shows, in a sectional view, an embodiment of a surface emission device according to the invention.
  • FIG. 2 shows a first result of a digital simulation carried out using the device of [Fig. 1 ],
  • the waveguide 11 extends in a plane P. This is a plane in which a first direction X and a second direction Y extend.
  • the waveguide 11 comprises a first face 11 a and a second face 11 b, opposite the first face 11 b. We can also call the first face 11a “upper face” and the second face 11b “lower face”.
  • the first and second faces 11 a, 11 b extend parallel to the plane P.
  • the first face 11 a is for example oriented in a third direction Z, perpendicular to the plane P, and the second face 11 b is oriented in the same direction but in an opposite direction.
  • the waveguide 11 also comprises an active region 110.
  • the active region 110 is a portion of the waveguide 11 configured to emit an electromagnetic field (simply called "field").
  • the active region 110 is for example configured so that the emission is spontaneous and/or stimulated. In the latter case, the active region could also be called “amplifying medium” because it can allow the device 1 to operate in laser mode.
  • the active region 110 is for example a stack of sublayers, such as [lnGaAs/AllnAs]xN, where N is the number of pairs of InGaAS/AllnAs sublayers, for example equal to one hundred. In this way, the active region 110 is configured to carry out spontaneous and stimulated emission.
  • the active region may have a thickness Wno, measured perpendicular to the plane P, which may be between 1 pm and 5 pm and preferably between 1.5 pm and 2.5 pm.
  • the active region 110 is preferably framed by two semiconductor layers 111, 112, extending parallel to the plane P.
  • a first semiconductor layer 111 which can be called “top cladding” in English, is extends over the active region 110 and preferably directly against the active region 110.
  • the face of the upper coating 111 which is opposite the active region 110 is then advantageously the first face 11a.
  • the face of the lower coating 112 which is opposite the active region 110 is then advantageously the second face 11 b.

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Abstract

Un aspect de l'invention concerne un dispositif (1) à émission de surface comprenant : un guide d'onde (11), comprenant une première face (11a) et une deuxième face (11b) et une région active (110); et un réseau de diffraction (12) s'étendant sur la première face (11a) du guide d'onde (11), le dispositif (1) étant remarquable en ce que le réseau de diffraction (12) est réfléchissant et présente un ordre supérieur ou égal à deux et en ce que la deuxième face (11b) est transparente.

Description

DESCRIPTION
TITRE : DISPOSITIF À ÉMISSION DE SURFACE, SYSTÈME OPTIQUE ET PROCÉDÉ ASSOCIÉ
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
[0001] Le domaine technique de l’invention est celui des sources de rayonnement électromagnétique à émission de surface, telles que les lasers à émission de surface.
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
[0002] Les dispositifs à émission de surface émettent un rayonnement électromagnétique, par exemple un faisceau laser, avec une direction sensiblement perpendiculaire au plan sur lequel ils s’étendent. Ce faisceau peut présenter une bonne uniformité spatiale, notamment en champ proche. Les dispositifs à émission de surface sont donc avantageusement intégrés dans des systèmes optiques.
[0003] Le document [« Surface-emitting 10.1 pm quantum cascade distributed feedback lasers » D. Hofstetter & al., Appl. Phys. Lett. 75, 3769-3771 (1999)] divulgue un dispositif à émission de surface. Le dispositif comprend, depuis un substrat en InP, un empilement comprenant : deux couches en InGaAs, encadrant une multicouche semiconductrice, l’ensemble constituant un guide d’onde, la multicouche semiconductrice étant décrite comme une « région active », favorisant l’émission d’un champ électromagnétique (en l’occurrence par cascade quantique) ; et un réseau de diffraction en transmission d’ordre deux s’étendant sur la face libre du guide d’onde.
[0004] Le réseau de diffraction en transmission d’ordre deux favorise l’émission d’une composante normale du champ électromagnétique qui est alors émis par la face libre du guide d’onde, comprenant le réseau de diffraction. C’est la raison pour laquelle ce type de dispositif est dit « à émission de surface ». Les dispositifs basés sur un réseau de diffraction en transmission d’ordre deux montrent en revanche un problème de stabilité des modes guidés, par exemple en fonction de la température.
[0005] Le document [« Experiment demonstration of high speed 1.3 pm grating assisted surface-emitting DFB lasers » J. Luan & al., Optics Express 25111 Vol. 30, No. 14 (jul. 2022)] résout le problème de stabilité au moyen d’un réseau de diffraction en transmission comprenant trois portions distinctes et présentant des ordres différents (une première portion présentant un ordre deux encadrée par deux portions présentant un ordre un). Les portions d’ordre un permettent de confiner un mode guidé du champ électromagnétique par contreréaction répartie et former ainsi une cavité laser. La portion d’ordre deux réalise l’émission de surface d’une partie du mode guide de manière normale au plan du réseau de diffraction.
[0006] Le document [« High power surface emitting terahertz laser with hybrid second- and fourth-order Bragg gratings » Y. Jin & al., Nat. Commun. 9, 1407 (2018)] divulgue un dispositif se distinguant du précédent en ce que le réseau de diffraction en transmission est dit « hybride » car il présente deux ordres différents mais superposés l’un à l’autre. Il s’agit en l’occurrence des ordres deux et quatre.
[0007] Les dispositifs à émission de surface posent toutefois de nouveaux problèmes. Par exemple, leur intégration dans un système de mesure existant n’est pas aisée. Elle nécessite, par exemple, le recours à des miroirs pour diriger le faisceau vers le système de mesure. Il existe un besoin de fournir un dispositif à émission de surface dont l’intégration dans un système de mesure puisse être simple.
RÉSUMÉ DE L’INVENTION
[0008] Pour cela, l’invention concerne un dispositif à émission de surface d’un champ électromagnétique comprenant : un guide d’onde, s’étendant dans un plan et comprenant une première face et une deuxième face, opposée à la première face, les première et deuxième faces étant parallèles au plan, le guide d’onde comprenant une région active s’étendant dans le plan et étant configurée pour émettre le champ électromagnétique ; et un réseau de diffraction s’étendant sur la première face du guide d’onde, le dispositif étant remarquable en ce que le réseau de diffraction est réfléchissant et présente, selon une première direction parallèle au plan, un ordre de diffraction supérieur ou égal à deux et en ce que la deuxième face est transparente.
[0009] La région active permet d’émettre un champ qui peut se propager dans le guide d’onde. Le réseau de diffraction, interagissant avec le champ électromagnétique (que l’on appellera également simplement « champ »), peut favoriser, selon son ordre de diffraction, l’apparition de : une composante contra-propagative du champ se propageant selon la première direction dans le guide d’onde ; et/ou une composante du champ se propageant selon une direction hors plan.
[0010] La composante contra-propagative du champ peut être induite par un effet de contreréaction répartie du réseau de diffraction sur le champ. Cette composante contra-propagative permet l’établissement de modes stationnaires du champ dans le guide d’onde.
[0011] Par direction hors du plan, on entend une direction présentant un angle supérieur à 20° par rapport au plan dans lequel s’étend le guide d’onde, voire un angle supérieur à 45° par rapport au dit plan, voire de manière encore préférée un angle supérieur à 80° par rapport audit plan.
[0012] Un ordre de diffraction égal à deux permet de favoriser principalement la composante hors plan. Un ordre de diffraction supérieur à deux permet de favoriser la composante contra-propagative tout en conservant une composante hors plan. Dans les deux cas, l’émission peut être réalisée selon une direction hors plan. Toutefois, à la différence des dispositifs décrits dans l’art antérieur, le réseau de diffraction réfléchit le champ qui est alors émis uniquement par la deuxième face du guide d’onde. En considérant la première face comme une face « supérieure » et la deuxième face comme une face « inférieure », le dispositif selon l’invention peut donc être appelé « dispositif à émission de surface inférieure ».
[0013] Par réseau de diffraction réfléchissant, on entend que le champ est réfléchi à plus de 50 % par le réseau de diffraction, voire à plus de 70 %, voire de manière préférée, à plus de 90 %. Par face transparente, on entend que la puissance optique est transmise à plus de 50 % par la deuxième face. Ainsi, une part substantielle de la puissance optique générée par le dispositif est transmise par la deuxième face.
[0014] L’injection du champ électromagnétique dans un système optique (tel qu’un système de mesure) peut donc être réalisée par la deuxième face (la face « inférieure »). Un dispositif à émission de surface selon l’invention est donc aisément intégrable dans un système optique car il peut être déposé directement sur le système optique (la deuxième face étant par exemple collée sur une fenêtre optique) ou fabriqué directement sur le système optique (par exemple directement sur une fenêtre optique). [0015] Avantageusement, le guide d’onde est délimité par un premier flanc et un deuxième flanc, le deuxième flanc étant opposé au premier flanc, les premier et deuxième flancs étant sensiblement perpendiculaires à une deuxième direction, ladite deuxième direction étant parallèle au plan et parallèle à la première direction, le dispositif comprenant également un premier revêtement conducteur et un deuxième revêtement conducteur, le premier revêtement conducteur s’étendant sur le première flanc et le deuxième revêtement conducteur s’étendant sur le deuxième flanc. Par sensiblement perpendiculaire ou parallèle, on entend respectivement perpendiculaire ou parallèle à +/- 20° près, voire +/- 10° près. Par couche conductrice, on entend par exemple une couche métallique.
[0016] Les première et deuxième couches conductrices permettent de renforcer le confinement du champ électromagnétique dans le guide d’onde selon la deuxième direction en formant une cavité selon la deuxième direction avec une réflectivité élevée. Le réseau de diffraction peut alors également servir de filtre spectral des modes guidés se propageant selon la deuxième direction dans le guide d’onde.
[0017] Préférentiellement, le dispositif comprend au moins un espaceur électriquement isolant disposé entre la première couche conductrice et le premier flanc et entre la deuxième couche conductrice et le deuxième flanc. Ainsi, les différentes couches du guide d’onde ne sont pas court-circuitées par les couches conductrices.
[0018] Avantageusement, le réseau de diffraction s’étend à l’aplomb de la région active du guide d’onde, la région active présentant une longueur, mesurée selon la première direction, et le réseau de diffraction présentant une longueur, également mesurée selon la première direction, la longueur du réseau de diffraction étant sensiblement égale à la longueur de la région active, le réseau présentant, selon la première direction, un ordre de diffraction unique. Par sensiblement égal, on entend égal à +/- 20 %, voire égal à +/- 10%. Par ordre de diffraction unique, on entend par exemple que le réseau de diffraction présente un pas (ou une période) constant à +/- 10 %. Il ne s’agit pas, par exemple, d’une structure présentant différentes portions selon la première direction ou des pas différents superposés les uns aux autres, tel que divulgué par le document [« High power surface emitting terahertz laser with hybrid second- and fourth-order Bragg gratings » Y. Jin & al., Nat. Commun. 9, 1407 (2018)]. [0019] Avantageusement, la région active présente une largeur, mesurée selon une deuxième direction parallèle au plan et perpendiculaire à la première direction, et le réseau de diffraction présente une largeur, mesurée selon la deuxième direction, la largeur du réseau de diffraction étant sensiblement égale à la largeur de la région active, le réseau présentant, selon la deuxième direction, un autre ordre de diffraction unique et supérieur ou égal à deux.
[0020] Avantageusement, le réseau de diffraction présente, selon la première direction, un ordre de diffraction supérieur ou égal à trois. Un ordre de diffraction égal à deux permet de favoriser principalement la composante hors plan. Le spectre du champ émis par la deuxième face peut donc être large ou avoir une signature multimode. Un ordre de diffraction supérieur à deux permet de favoriser la composante contra-propagative tout en conservant une composante hors plan. Seules les longueurs d’onde relatives aux modes stationnaires peuvent être émises et le spectre du champ émis par la deuxième face est étroit et monochromatique.
[0021] Préférentiellement, la région active émet le champ par émission spontanée et/ou par émission stimulée. Lorsque le champ est émis par émissions spontanée et stimulée, le dispositif peut fonctionner en mode laser. Avantageusement, la région active met en œuvre l’émission du champ par émission inter-bandes ou émission intra- bandes. Préférentiellement, la région active est configurée pour réaliser une cascade quantique.
[0022] Avantageusement, le champ électromagnétique comprend une longueur d’onde comprise dans [0,8 pm ; 20 pm] et préférentiellement dans [4 pm ; 12 pm],
[0023] Avantageusement, le réseau de diffraction comprend une structure périodique et une couche métallique, la structure périodique s’étendant sur la première face du guide d’onde et la couche métallique s’étendant sur la structure périodique. La couche métallique interdit la transmission du champ à travers le réseau de diffraction qui devient donc uniquement réfléchissant. Il permet donc de réorienter le champ diffracté vers la deuxième face (autrement dit, par la face inférieure).
[0024] Avantageusement, le réseau de diffraction présente une épaisseur, mesurée perpendiculairement au plan, supérieure à Â/(10 neff) et de préférence supérieure à 2/(4 neff), où 2 est une longueur d’onde du champ électromagnétique émis par la région active, et neff est un indice effectif d’un mode guidé dans le guide d’onde, interagissant avec le réseau de diffraction. L’épaisseur du réseau de diffraction permet également de contrôler l’indice effectif du mode guidé. Elle peut donc permettre de contrôler les ordres de diffraction du mode guidé avec le réseau de diffraction.
[0025] Avantageusement, la structure périodique comprend une alternance de premières portions et de deuxièmes portions, les premières portions étant constituées d’un premier matériau semiconducteur présentant un premier indice optique et les deuxièmes portions étant constituées d’un métal ou d’un deuxième matériau, tel qu’un autre matériau semiconducteur ou un gaz, tel que de l’air, présentant un deuxième indice optique différent du premier indice optique. La liberté sur le choix du deuxième matériau permet de sélectionner un matériau s’intégrant facilement dans les procédés technologiques de fabrication du réseau.
[0026] Les premières portions de la structure périodique sont, par exemple, des lignes ou des plots.
[0027] Avantageusement, la couche métallique comprend des portions, chaque portion de la couche métallique recouvrant une des premières portions de la structure périodique.
[0028] Alternativement, la couche métallique est continue.
[0029] Avantageusement, le guide d’onde comprend une première couche semiconductrice à base du premier matériau semiconducteur constituant les premières portions de la structure périodique, la première couche semiconductrice s’étendant de la région active jusqu’à la première face. Préférentiellement, la première couche semiconductrice est dopée.
[0030] Avantageusement, le guide d’onde du dispositif comprend une deuxième couche semiconductrice s’étendant de la région active du guide d’onde jusqu’ à la deuxième face du guide d’onde, l’épaisseur la deuxième couche semiconductrice, mesurée perpendiculairement au plan, est comprise entre 2 pm et 100 pm et préférentiellement comprise entre 2 pm et 40 pm.
[0031] L’invention concerne également un système optique, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif à émission de surface d’un champ électromagnétique selon l’invention et une fenêtre optique transparente au champ électromagnétique, la deuxième face du guide d’onde du dispositif à émission de surface s’étendant sur la fenêtre optique. [0032] Avantageusement, le système comprend également un régulateur thermique configuré pour réguler la température du guide d’onde du dispositif lorsque le dispositif fonctionne en un régime stationnaire.
[0033] Préférentiellement, le régulateur thermique est configuré pour réguler la température du guide d’onde à 0,1 °C près.
[0034] Alternativement, le régulateur thermique est configuré pour que la variation temporelle de la température du système soit inférieure à 0,1 °C/s lors du fonctionnement du dispositif.
[0035] L’invention concerne en outre un procédé de fabrication du dispositif à émission de surface selon l’invention, le procédé comprenant les étapes suivantes : former un guide d’onde, s’étendant dans un plan et comprenant une première face et une deuxième face, opposée à la première face, les première et deuxième faces étant parallèles au plan, le guide d’onde comprenant une région active s’étendant dans le plan et configurée pour émettre un champ électromagnétique, la deuxième face étant transparente ; former un réseau de diffraction s’étendant sur la première face du guide d’onde, le réseau de diffraction étant réfléchissant et présentant, selon une première direction parallèle au plan, un ordre de diffraction supérieur ou égal à deux.
[0036] Avantageusement, le procédé comprend, avant la formation du réseau de diffraction, une étape d’optimisation d’un taux de couplage du réseau de diffraction avec le champ électromagnétique émis par la région active. Les paramètres opto- géométriques du réseau (tels que sa profondeur et/ou sa largeur et/ou sa longueur) sont optimisés numériquement pour obtenir une forte réflectivité et un taux de couplage optimal par la face inférieure. Cette optimisation permet ainsi de coupler un maximum de puissance optique dans le système optique.
[0037] L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0038] Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
[0039] [Fig. 1] montre, selon une vue en coupe, un mode de réalisation d’un dispositif à émission de surface selon l’invention.
[0040] [Fig. 2] montre un premier résultat d’une simulation numérique réalisée à partir du dispositif de la [Fig. 1 ],
[0041] [Fig. 3] montre un deuxième résultat d’une simulation numérique réalisée à partir du dispositif de la [Fig. 1 ],
[0042] [Fig. 4] montre un troisième résultat d’une simulation numérique réalisée à partir du dispositif de la [Fig. 1 ],
[0043] [Fig. 5] montre schématiquement un système optique.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
[0044] La [Fig. 1] présente, selon une vue en coupe, un mode de réalisation d’un dispositif 1 à émission de surface selon l’invention. La [Fig. 1] présente également un grossissement d’une portion T dudit dispositif 1. Dans ce mode de réalisation, le dispositif 1 comprend : un guide d’onde 11 et un réseau de diffraction 12.
[0045] Le guide d’onde 11 s’étend dans un plan P. Il s’agit d’un plan dans lequel s’étendent une première direction X et une deuxième direction Y. Le guide d’onde 11 comprend une première face 11 a et une deuxième face 11 b, opposée à la première face 11 b. On peut également appeler la première face 11 a « face supérieure » et la deuxième face 11 b « face inférieure ». Les premières et deuxième faces 11 a, 11 b s’étendent parallèlement au plan P. La première face 11 a est par exemple orientée selon une troisième direction Z, perpendiculaire au plan P, et la deuxième face 11 b est orientée selon la même direction mais dans un sens opposé.
[0046] Le guide d’onde 11 comprend également une région active 110. La région active 110 est une portion du guide d’onde 11 configurée pour émettre un champ électromagnétique (appelé simplement « champ »), La région active 110 est par exemple configurée pour que l’émission soit spontanée et/ou stimulée. Dans ce dernier cas, la région active pourrait également être appelée « milieu amplificateur » car elle peut permettre au dispositif 1 de fonctionner en mode laser. La région active 110 est par exemple un empilement de sous-couches, telles que [lnGaAs/AllnAs]xN, où N est le nombre de paires de sous-couches InGaAS/AllnAs, par exemple égal à cent. De la sorte, la région active 110 est configurée pour réaliser une émission spontanée et stimulée.
[0047] La région active peut présenter une épaisseur Wno, mesurée perpendiculairement au plan P, pouvant être comprise entre 1 pm et 5 pm et préférentiellement entre 1 ,5 pm et 2,5 pm.
[0048] La région active 110 est préférentiellement encadrée par deux couches semiconductrices 111 , 112, s’étendant parallèlement au plan P. Une première couche semiconductrice 111 , qui peut être appelée « revêtement supérieur » ou « top cladding » en anglais, s’étend sur la région active 110 et préférentiellement directement contre la région active 110. Dans ce mode de réalisation, la face du revêtement supérieur 111 qui est opposée à la région active 110 est alors avantageusement la première face 11 a. Une deuxième couche semiconductrice 112, qui peut être appelée « revêtement inférieur » ou « bottom cladding » en anglais, s’étend également sur la région active 110 et préférentiellement contre la région active 110. La face du revêtement inférieur 112 qui est opposée à la région active 110 est alors avantageusement la deuxième face 11 b.
[0049] Les revêtements supérieur et inférieur 111 , 112 peuvent permettre le guidage du champ dans le guide d’onde 11. Pour cela, ils présentent avantageusement des indices optiques (également appelés indices de réfraction) strictement inférieurs à l’indice optique moyen de la région active 110.
[0050] Le revêtement supérieur 111 présente une épaisseur, mesurée perpendiculairement au plan P, pouvant être comprise entre 1 pm et 2 pm. Le revêtement inférieur 112 présente une épaisseur, mesurée perpendiculairement au plan P, pouvant être comprise entre 2 pm et 100 pm et préférentiellement entre 2 pm et 40 pm.
[0051] Le revêtement inférieur 112 est par exemple une hétérostructure semiconductrice de type lll-V, c’est-à-dire des matériaux rangés dans les groupes III B et V B du tableau périodique des éléments (qui, selon une autre convention, correspond aux colonnes 13 et 15 du tableau périodique des éléments). Ledit revêtement 112 est par exemple formé à partir de InP. Le revêtement inférieur 112 peut également être dopé, par exemple de type n, c’est-à-dire avec des impuretés jouant le rôle de donneurs électronique. Le revêtement inférieur 112 est par exemple dopé à partir de soufre.
[0052] Le revêtement supérieur 1 11 peut être, de la même façon que le revêtement inférieur 112, une hétérostructure semiconductrice de type lll-V, telle que le InP. De la même façon, le revêtement supérieur 111 peut être dopé, par exemple de type n.
[0053] Dans le mode de réalisation de la [Fig. 1 ], le guide d’onde 11 est donc un empilement de couches 110, 111 , 112 s’étendant parallèlement au plan P. Il peut présenter une forme de parallélépipède rectangle délimité des flancs. Il présente par exemple une longueur Lu, une largeur et une épaisseur Wn. La longueur du guide d’onde 11 est par exemple mesurée selon la première direction X. La largeur du guide d’onde 11 est par exemple mesurée selon la deuxième direction Y, perpendiculaire à la première direction X. L’épaisseur Wn du guide d’onde 11 est par exemple mesurée selon la troisième direction Z, perpendiculaire au deux directions X, Y précitées.
[0054] La longueur Lu du guide d’onde 11 peut être comprise entre 1000 pm et 5000 pm. Selon un mode de réalisation, la longueur Lu et la largeur du guide d’onde 11 peuvent être égales, par exemple à 10% près. Ainsi, vu de dessus, la première face 11 a peut présenter une forme carrée. Alternativement, la longueur Lu du guide d’onde 11 peut être supérieure à la largeur du guide d’onde 11 et par exemple supérieure à deux fois la largeur du guide d’onde 11 , voire supérieure à cent fois la largeur du guide d’onde. On parle dans ce cas de guide d’onde de type crête ou « ridge » en anglais. Par exemple, la largeur du guide d’onde (non représentée sur la figure) peut être comprise entre 10 pm et 50 pm.
[0055] La région active 110 présente une longueur Lno, mesurée selon la première direction X, sensiblement égale à la longueur du Lu du guide d’onde 11 . De la même manière, la région active 110 présente une largeur, mesurée selon la deuxième direction Y, sensiblement égale à la largeur du guide d’onde 11. Par sensiblement égale, on entend égale à 20 % près, voire 10 % près. Des flancs, perpendiculaires au plan P délimitent par exemple le guide d’onde 11 et la région active 110.
[0056] Le réseau de diffraction 12 s’étend sur la première face 11 a du guide d’onde 11. Dans le mode de réalisation de la [Fig. 1 ], le réseau de diffraction 12 s’étend sur le revêtement supérieur 111. Le réseau de diffraction est avantageusement disposé à l’aplomb de la région active 110 du guide d’onde 11 et de manière préférée centrée par rapport à cette dernière.
[0057] Le réseau de diffraction 12 peut présenter une longueur L12 et une largeur. La longueur du réseau de diffraction 12 est par exemple mesurée selon la première direction X. La largeur du réseau de diffraction 12 est par exemple mesurée selon la deuxième direction Y, perpendiculaire à la première direction X. La longueur L12 et la largeur du réseau de diffraction 12 sont avantageusement choisie de sorte que le réseau de diffraction 12 recouvre totalement la région active 110. En d’autres termes, les longueurs et largeurs du réseau de diffraction 12 sont, respectivement, sensiblement égales aux longueurs et largeurs de la région active 110. De la sorte, le réseau de diffraction 12 peut être couplé de manière homogène au champ émis par la région active 110. Il permet par exemple de fournir une contreréaction répartie homogène sur toute la longueur L110 de la région active 110.
[0058] Le dispositif 1 est remarquable d’une part en ce que la deuxième face 11 b du guide d’onde est transparente au champ qui peut être émis par la région active 110. Par transparente, on entend que la face 11 b présente une fenêtre spectrale de transmission et que cette fenêtre spectrale de transmission correspond à une partie au moins du spectre du champ qui peut être émis par la région active 110.
[0059] Le dispositif 1 est remarquable d’autre part en ce que le réseau de diffraction 12 est réfléchissant et en ce qu’il présente un ordre de diffraction, selon la première direction X, supérieur ou égal à deux. Par réfléchissant, on entend qu’au moins 50 % du champ est réfléchi par le réseau de diffraction 12. L’ordre de diffraction supérieur ou égal à deux selon la direction X implique que le champ se propageant selon la première direction X, se couple au réseau de diffraction et induit une composante du champ qui se propage hors du plan P, c’est-à-dire selon +Z et/ou -Z. Puisque le réseau de diffraction 12 réfléchit la composante du champ se propageant selon +Z, ladite composante du champ est donc orientée vers la deuxième face 11 b. Le dispositif 1 peut donc réaliser une émission par la deuxième surface 11 b.
[0060] Avantageusement, le réseau de diffraction 12 comprend une structure périodique 121. La structure périodique 121 est par exemple une couche s’étendant sur la première face 11 a du guide d’onde 11 . Couplée avec le champ émis par la région active 110, elle induit les effets de diffraction. Le taux de couplage entre le champ et le réseau de diffraction 12 est avantageusement compris entre 10 cm-1 et 100 cm-1.
[0061] La structure périodique 121 comprend par exemple des premières portions
1211 et des deuxièmes portions 1212. Ces premières et deuxièmes portions 1211 ,
1212 sont agencées périodiquement et forment une alternance selon la première direction X et selon la deuxième direction Y le cas échéant.
[0062] Par exemple, les premières et deuxièmes portions 1211 , 1212 peuvent être des lignes, orientées selon la deuxième direction Y. Lesdites lignes sont agencées les unes à côtés des autres selon la première direction X de manière à former une alternance selon la première direction X. Autrement dit, elles forment deux peignes imbriqués l’un dans l’autre. La [Fig. 1 ] illustre cet exemple.
[0063] Selon un autre exemple, les premières portions 1211 sont des plots agencés selon un maillage rectangulaire. Les deuxièmes portions 1212 sont des tores, entourant chaque plot 1211 et remplissant l’espace entre les plots 1211. Selon une variante de cet exemple, les plots 1211 peuvent présenter une grande longueur selon la première direction X et une petite longueur selon la deuxième direction Y ou inversement.
[0064] Les premières portions 1211 sont constituées d’un premier matériau semiconducteur présentant un premier indice optique. Le premier matériau semiconducteur est par exemple un matériau semiconducteur de type lll-V, tel que l’InP. Il peut également s’agit du même matériau que le revêtement supérieur 111. Les deuxièmes portions 1212 sont constituées d’un deuxième matériau ou d’un métal. Le deuxième matériau peut être un autre matériau semiconducteur ou un gaz, tel que de l’air. Dans ce cas il présente un deuxième indice optique différent du premier indice optique.
[0065] Le réseau de diffraction 12 présente avantageusement, selon la première direction X, un ordre de diffraction unique. C’est-à-dire que la période A (ou « pas ») avec laquelle sont agencées les premières portions 121 1 est constante sur toute la longueur L12 du réseau 12. Les premières portions 1211 présentent alors avantageusement toutes une même largeur A1211, mesurée selon la première direction X. Les deuxièmes portions 1212, séparant les premières portions 1211 , peuvent également présenter une même largeur A1212, également mesurée selon la première direction X. La période A d’agencement des premières portions 1211 , qui correspond à la période du réseau de diffraction 12 selon la première direction X est donc égale à A1211+A1212. Un ordre de diffraction unique signifie que la période A est constante sur toute la longueur L12 du réseau de diffraction.
[0066] La région active 110 est préférentiellement configurée pour émettre dans la gamme infrarouge, c’est-à-dire dans une gamme [0,8 pm ; 20 pm] ou préférentiellement [4pm ; 12 pm]. De telles longueurs d’onde impliquent une période A du réseau 12 de l’ordre du micromètre au moins. Un réseau de diffraction 12 applicable au spectre infrarouge est également plus simple à réaliser qu’un réseau présentant une période bien inférieure (par exemple dans le spectre bleu ou ultraviolet).
[0067] Le réseau de diffraction 12 comprend également une couche métallique 122 qui s’étend sur la structure périodique 121 et préférentiellement sur toute la structure périodique 121. Elle est par exemple constituée de Ti ou Au. L’effet réfléchissant du réseau de diffraction 12 peut d’ailleurs être fourni par la couche métallique 122 s’étendant sur la structure périodique 121. La couche métallique peut empêcher la transmission du champ à travers le réseau de diffraction 12. La couche métallique 12 s'étend notamment sur chaque première portion 1211 de la structure périodique 121. De la sorte elle empêche la transmission du champ à travers les premières portions 1211.
[0068] Le mode de réalisation de la [Fig. 1 ] illustre une couche métallique 122 continue et qui s'étend selon la première direction X. Alternativement la couche métallique 122 peut être discontinue et comprendre une pluralité de portions. Chaque portion s'étend donc avantageusement sur chaque première portion 1211 de la structure périodique 1211. Si par exemple les premières portions 1211 de la structure de la structure périodique 121 sont alignées selon la deuxième direction Y, alors la couche métallique 122 comprendra une pluralité de portions s’étendant également selon la deuxième direction Y, une portion de la couche métallique s’étendant sur une surface supérieure d’une première portion 1211.
[0069] La couche métallique 122 peut également s’étendre au-delà de la structure périodique 121 car elle peut également être utilisée en tant qu’électrode de contact du dispositif 1. Elle peut permettre d’appliquer un champ électrique de manière uniforme sur la région active 110 afin d’injecter des porteurs dans la région active 110. Les porteurs peuvent se désexciter en émettant des photons dans la région active 110.
[0070] La couche métallique 122 permet également d’améliorer le confinement du champ dans le guide d’onde 11 grâce à l’interaction plasmonique du champ avec le métal.
[0071] Selon une variante, le réseau de diffraction 12 peut être configuré de sorte qu’il présente, selon la deuxième direction Y, perpendiculaire à la première direction X, un ordre supérieur ou égal à deux également. Ainsi le champ se propageant selon la deuxième direction Y, se couple également au réseau de diffraction et induit une composante du champ qui se propage également hors du plan P, c’est-à-dire selon +Z et/ou -Z. Cette variante peut être obtenue lorsque les premières portions 1211 de la structure périodique 121 sont des plots agencés selon un maillage rectangulaire. Cette variante est avantageuse lorsque la largeur et la longueur de la région active (et donc du réseau de diffraction) sont sensiblement égales, par exemple à 20 % près. En revanche, si la longueur de la région active 110 est très supérieure à sa largeur, par exemple 20 fois supérieure à sa largeur (guide de type « ridge »), il est préférable que le réseau de diffraction 12 ne présente un ordre que selon la première direction X et aucun ordre selon la deuxième direction Y. En d’autres termes, les premières portions 1211 de la structure périodique 121 peuvent être des lignes alignées selon la deuxième direction Y et réparties selon la première direction X.
[0072] S’il y a lieu, le réseau de diffraction 12 peut également présenter, selon la deuxième direction Y, un ordre de diffraction unique. Les périodes d’agencement des premières et deuxièmes portions selon les premières et deuxièmes directions X et Y sont alors constantes dans les deux directions. Elles peuvent toutefois être différentes, de sorte que l’ordre selon la première direction X soit différent de l’ordre selon la deuxième direction Y.
[0073] Le confinement latéral du champ peut également être apportés par des couches conductrices s’étendant sur les flancs du guide d’onde 11. Le guide d’onde 11 est, par exemple, délimité par un premier flanc et un deuxième flanc, opposés l’un à l’autre. Les premier et deuxième flancs sont par exemple sensiblement perpendiculaires à la deuxième direction Y. On parle alors de « flancs latéraux » ou « facettes latérales ». Le dispositif 1 comprend des première et deuxième couches conductrices qui s’étendent respectivement sur les premier et deuxième flancs. Les couches conductrices sont par exemple des couches métalliques en Ti ou Au, s’étendant perpendiculairement au plan P. Elles forment une cavité selon la deuxième direction Y de propagation et permettent de confiner le champ selon la deuxième direction Y.
[0074] Afin d’éviter un court-circuit au sein du guide d’onde (par exemple un court- circuit du revêtement supérieur 111 avec le revêtement inférieur 112), le dispositif 1 comprend avantageusement au moins un espaceur électriquement isolant. Il s’agit par exemple d’une couche diélectrique. Chaque espaceur est par exemple disposé sur les flancs latéraux, entre les couches conductrices et les flancs latéraux.
[0075] Le dispositif 1 peut également comprendre des troisième et quatrième couches conductrices permettant de contribuer au confinement du champ selon la première direction. Elles s’étendent par exemple sur, respectivement, un troisième et quatrième flancs, délimitant le guide d’onde 11 selon la première direction X. Les troisième et quatrième flancs peuvent être appelés « facette avant » et « facette arrière ». Les troisième et quatrième flancs sont par exemple perpendiculaires à la première direction X. Chaque espaceur est alors avantageusement disposé sur les troisième et quatrième flancs, entre les troisième et quatrième couches conductrices et les troisième et quatrième flancs de manière à éviter tout court-circuit.
[0076] Les [Fig. 2] et [Fig. 3] présentent un résultat de simulation obtenu à partir d’un dispositif 1 tel que décrit en référence à [Fig. 1], Les signes de référence des différentes couches sont indiqués sur la [Fig. 2] et correspondent aux couches décrites précédemment. Les revêtements supérieur et inférieur 111 , 112 et la région active 110 présentent un même indice optique n = 3,1. Le réseau de diffraction 12 considéré est d’ordre m impair et plus particulièrement dans cet exemple égal à trois. Les premières portions 1211 de la structure périodique 121 présente un indice optique n = 3,1 tandis que les deuxième portions 1212 de la structure périodique 122 sont métalliques, par exemple en Au. Le champ considéré est monochromatique et sa longueur d’onde est égale à 4,5 pm. La période A de la structure périodique 121 (avec A = mA/2neff où m est l’ordre de diffraction du réseau, neff l’indice optique effectif et  est la longueur d’onde considérée) est A = 3,3 pm. Le réseau de diffraction présente une épaisseur W12 = 400 nm. Le rapport cyclique D du réseau (calculé comme D = A1211/A) est égal à 0,5. [0077] Afin de faciliter l’interprétation des résultats, la simulation considère uniquement un train d’onde émis par la région active 110 en X = 0 pm et se propageant selon les X croissants avec un vecteur d’onde kx positif. Dans la réalité, le champ émis se propageant dans les deux sens. La simulation est arrêtée lorsque le train d’onde atteint 1450 pm (la [Fig. 2] n’est qu’une partie tronquée de ces 1450 pm). Trois régions de l’espace, que l’on nommera « capteurs », sont considérés pour intégrer l’intensité du champ électromagnétique en fonction du temps. Il s’agit de capteurs virtuels 31 , 32, 33, qui n’ont aucune interaction avec la propagation du temps dans le dispositif 1 .
[0078] La [Fig. 2] montre, en niveaux de gris, l’amplitude E du champ électromagnétique dans les différentes couches, à la fin de la simulation. Le champ E est en unité arbitraire. La [Fig. 3] montre l’intensité en fonction du temps mesurées au niveau des trois capteurs 31 , 32, 33.
[0079] On observe, dans la [Fig. 2], la propagation d’un train d’onde selon un vecteur d’onde opposé -kx au train initial +kx. Il s’agit de l’onde résultant de la contre- réaction répartie du réseau de diffraction 12 sur le premier train d’onde (selon +kx). On observe également une onde se propageant avec un vecteur d’onde -kz perpendiculaire au vecteur d’onde initial kx et dans le sens des Z décroissants. De manière moins visible, on observe également une onde se propageant avec un vecteur d’onde +kz perpendiculaire au vecteur d’onde initial kx et dans le sens des Z croissants. Toutefois, cette dernière est moins évidente à observer puisqu’elle est réfléchie par le réseau de diffraction 12 et donc redirigée en -kz. En l’absence de la couche métallique 122 sur la structure périodique 121 , le train d’onde se propageant selon +kz serait plus évident à voir. Il se propagerait de la même façon que le train d’onde se propageant selon -kz (moyennant une adaptation de la période ainsi que les indices optiques des milieux qu’il traverserait, comme de l’air par exemple, s’étendant à la place de ladite couche métallique).
[0080] La présence de la couche métallique 122 réfléchit le rayonnement se propageant avec un vecteur +kz, ce qui fait que le dispositif 1 présenté n’émet que par la surface inférieure 11 b. En l’absence de la couche métallique 122, le dispositif 1 émettrait également un champ selon +kz. Le dispositif modélisé des [Fig. 2] est donc particulièrement adapté pour émettre un champ, tel qu’un faisceau laser, par la surface inférieure 11 b du revêtement inférieur 11 . [0081] La [Fig. 3] montre que l’intensité I31 du champ E en fonction du temps est très élevée au niveau du premier capteur 31 , dès lors que le train d’onde se propageant selon +kx atteint ce capteur 31. L’intensité I32 du champ E, mesurée par le deuxième capteur 32, est en revanche moindre, car il s’agit de la résultante de la contreréaction répartie du réseau de diffraction 12. L’intensité pourrait toutefois être suffisante pour entretenir une onde stationnaire dans le dispositif 1 et activer l’émission stimulée dans la région active 110.
[0082] L’intensité I33 mesurée par le troisième capteur 33 augmente en fonction du temps et à mesure que le train d’onde initial (se propageant selon +kx) se déplace. Le régime transitoire illustré par la [Fig. 3] prend fin au bout de quelques picosecondes.
[0083] Les conditions opératoires et structurelles de la simulation ont été choisie pour mettre en évidence la propagation du champ vers la face inférieure 11 b. Un ajustement des paramètres du réseau de diffraction 11 pourrait permettre d’augmenter la contre-réaction du réseau 12 sur le champ se propageant dans le guide 11. Elle pourrait également permettre de diminuer le taux de couplage du champ, tout en assurant que la majeure partie de la puissance optique véhiculée par le champ serait dirigée vers la face inférieure 11 b (et vers un point d’intérêt ensuite).
[0084] La [Fig. 4] montre des résultats complémentaires d’une simulation réalisée à partir du même modèle numérique que celui utilisé pour obtenir les résultats des [Fig. 2] et [Fig. 3], Ce modèle numérique diffère toutefois du modèle précédent en ce qu’il fait varier le taux de couplage du réseau de diffraction 12 avec le champ E qui se propage dans le dispositif 1 . Le paramètre étudier est plus précisément le rapport cyclique D du réseau de diffraction 12. En effet, le taux de couplage dépend de plusieurs paramètres tels que le rapport cyclique du réseau 12, l’épaisseur W121 de la structure périodique 121 ou encore l’indice optique des matériaux constituant la structure périodique 121. Dans la [Fig. 4], les rapports cycliques considérés sont D = 0,5 (identique à celui des [Fig. 2] et [Fig. 3]) et D = 0,35. On observe qu’un rapport cyclique D < 0,5 tend à augmenter les intensités I32 et I33 mesurées par les deuxième et troisième capteurs 32, 33 (qui correspondent aux intensités des trains d’onde se propageant selon -kx et -kz). L’intensité 131 mesurée par le premier capteur 31 est en revanche réduite, car la puissance qu’elle véhicule se dissipe vers les autres ondes de propagation (en l’occurrence selon -kx et -ky). [0085] Une simulation réalisée au moyen du même modèle numérique montre que l’intensité du champ se propageant normalement au plan du réseau 12 dépend également de l’épaisseur W121 de la structure périodique 121. Plus son épaisseur W121 est élevée et meilleur est le couplage entre le réseau 12 et le champ E. Le réseau de diffraction 12 présente une épaisseur préférentiellement supérieure à Â/10 neff (où Â est une longueur d’onde du champ E et neff est l’indice effectif du mode guidé considéré) et de manière encore préférée, supérieure à A/4neff.
[0086] Un procédé de fabrication du dispositif 1 peut comprendre, en premier lieu, une étape de formation du guide d’onde 11 . Le guide d’onde 11 peut être formé à partir d’un système optique, par exemple sur une fenêtre optique. La fabrication du guide d’onde 11 comprend par exemple la formation du revêtement inférieur 112, suivi de la formation de la région active 110, suivi de la formation du revêtement supérieur 111. Ces couches sont par exemple réalisées par épitaxie par jet moléculaire ou dépôt chimique par phase vapeur utilisant des précurseurs métallo-organiques (dite « MOCVD » en anglais pour « Metal Organic Chemical Vapor Deposition »). Une étape de gravure peut compléter être mise en œuvre afin de délimiter le guide d’onde
I I .
[0087] La couche de revêtement inférieur 112, par exemple en InP, peut également être réalisée dans une étape préliminaire puis collée sur un substrat, par exemple en Si, ou une fenêtre optique, par exemple en Si, par collage moléculaire. Les autres couches 110, 111 sont ensuite réalisées à partir du revêtement inférieur 111. Le collage moléculaire peut offrir un bon état de surface de la deuxième face 11 b du guide d’onde 11 et permet ainsi d’éviter la mise en œuvre d’un traitement anti-reflet.
[0088] Le procédé de fabrication du dispositif 1 peut comprendre, subséquemment à la formation du guide d’onde 11 , la formation du réseau de diffraction 12, sur la première face 11 a du guide d’onde 11. La structure périodique 121 peut être fabriquée sur la première face 11 a du guide d’onde 11 , par exemple sur le revêtement supérieur
I I I . De manière avantageuse, la structure périodique 121 peut être gravée directement dans le revêtement supérieur 111 , en formant par exemple une série de tranchées parallèles les unes aux autres et réparties selon la première direction X. La couche métallique 122, déposée dans un deuxième temps, vient par exemple remplir ces tranchées de métal. Le revêtement supérieur 111 est alors un peu plus épais afin de tenir compte de l’épaisseur W121 finale de la structure périodique 121 . [0089] Alternativement, un autre matériau semiconducteur peut être déposé dans ces tranchées. Après une étape de planarisation, la couche métallique 122 est déposée sur la structure périodique 121.
[0090] Selon une autre alternative, la couche métallique 122 peut être déposée directement sur le revêtement supérieur 111 et les tranchées sont réalisées ensuite dans le revêtement supérieur 111 , à travers la couche métallique 122. Ainsi, les premières portions 1211 de la structure périodique 121 sont formées par des portions du revêtement supérieur 111 disposées sous les portions de la couche métallique 122 et encadrées par deux tranchées. Les portions de la couche métallique disposées sur les premières portions 1211 de la structure périodique 121 permettent de bloquer la transmission du champ à travers le réseau 12 et de rediriger le faisceau laser vers la face inférieure 11 b (ou un point d’intérêt ou un système optique s’il y a lieu).
[0091] Les paramètres du réseau de diffraction 12, tels que l’épaisseur W121 de la structure périodique 121 , les matériaux constituant les premières et deuxièmes portions 1211 , 1212 de la structure périodique 121 ou encore le rapport cyclique D du réseau, peuvent avoir une influence sur le couplage entre le réseau de diffraction 12 et le champ émis par la région active 110. Le procédé de fabrication comprend alors avantageusement une étape d’optimisation d’un taux de couplage du réseau de diffraction 12 avec le champ émis par la région active 110. Cette étape d’optimisation intervient préférentiellement avant la formation du réseau de diffraction 12. Le taux de couplage attendu est par exemple compris entre 10 cm’1 et 100 cm’1.
[0092] La [Fig. 5] représente schématiquement un système optique 2. Le système optique 2 comprend par exemple une fibre ou une cavité résonante. L’injection d’un faisceau lumineux E dans la fibre ou la cavité peut permettre de réaliser une mesure d’un paramètre d’intérêt.
[0093] Le système 2 comprend un dispositif 1 à émission de surface tel que décrit précédemment. Il comprend également une fenêtre optique 20 transparente au faisceau lumineux E qui peut être émis par la région active 110 du dispositif 1. Dans le mode de réalisation de la [Fig. 5], la fenêtre optique 20 est encastrée dans un support 21 , qui entoure par exemple la fenêtre optique 20 et le dispositif 1 .
[0094] Le dispositif 1 est localisé sur la fenêtre optique 20. La deuxième face 11 b du guide d’onde 11 s’étend donc sur la fenêtre optique 20 et de préférence directement contre le fenêtre optique 20. En effet, le dispositif 1 , réalisant l’émission par sa deuxième face 11 b, ne requiert pas de couche anti-réfléchissante pour transmettre efficacement le rayonnement à la fenêtre optique 20. La deuxième face 11 b du dispositif 1 peut d’ailleurs être collée contre la fenêtre 20 et préférentiellement par collage moléculaire.
[0095] La face de la fenêtre optique 20 destinée à recevoir la deuxième face 11 b du dispositif est préférentiellement plane. Elle s’étend par exemple, lorsque le dispositif
1 est disposé sur la fenêtre, parallèlement au plan P du dispositif 1 .
[0096] La fenêtre optique 20 est par exemple en Si. Elle présente une épaisseur W20, mesurée perpendiculairement au plan du dispositif 1 , comprise entre 10 pm et 50 pm. Afin de limiter les pertes optiques, la somme de l’épaisseur W20 de la fenêtre optique 20 et de l’épaisseur W112 du revêtement inférieur 112, mesurée perpendiculairement au plan P, est inférieure à 100 pm.
[0097] Le guide d’onde 11 est délimité par des premier et deuxième flancs 11 c, 11 d dans la deuxième direction Y. Sur chaque flanc 11c, 11d s’étend un revêtement conducteur 131 , 132 permettant d’améliorer le confinement latéral du champ dans le guide d’onde 11. Chaque flanc 11 c, 11 d est isolé du revêtement conducteur grâce à un espaceur 14 électriquement isolant, disposé entre chaque revêtement conducteur et le flanc sur lequel il s’étend.
[0098] Dans un mode de réalisation avantageux, le système 2 comprend également un régulateur thermique 22 configuré pour réguler la température du guide d’onde 11 lorsque le dispositif 1 est en fonctionnement et en particulier en un régime stationnaire. En effet, les dispositifs à émission de surface sont sensibles aux variations de température. Il est donc avantageux de maintenir la température fixe pendant l’illumination de l’échantillon 3 et préférentiellement à une variation inférieure à 0,1 °C. L’illumination pouvant être de quelques secondes, le régulateur thermique 22 peut être configuré pour que la variation temporelle de la température du système
2 soit inférieure à 0,1 °C/s lors du fonctionnement du dispositif.
[0099] Le mode de réalisation de la [Fig. 5] montre que le régulateur thermique 22 comprend des cellules actives 221 , telles que des cellules Peltier, et un dissipateur thermique 222, tel qu’un dissipateur à ailettes. Les cellules 221 sont par exemple en contact avec le support 21 , dès lors que le transfert thermique offert par le support est suffisant. S’il est par exemple réalisé en Si, le transfert thermique est d’environ 150 W/m/K, ce qui peut être suffisant. Le dissipateur 222 est en contact avec les cellules 221 de manière à dissiper la chaleur pompée à partir du support 21.

Claims

REVENDICATIONS
[Revendication 1 ] Dispositif (1 ) à émission de surface d’un champ électromagnétique comprenant :
- un guide d’onde (11 ), s’étendant dans un plan (P), présentant une longueur, mesurée selon une première direction parallèle au plan, et une largeur, mesurée selon une deuxième direction parallèle au plan et perpendiculaire à la première direction, la longueur du guide d’onde étant supérieure à la largeur du guide d’onde, le guide d’onde comprenant une première face (11 a) et une deuxième face (11 b), opposée à la première face, les première et deuxième faces étant parallèles au plan, la deuxième face étant transparente, le guide d’onde comprenant une région active (110) s’étendant dans le plan et configurée pour émettre le champ électromagnétique ; et
- un réseau de diffraction (12), réfléchissant, s’étendant sur la première face du guide d’onde, le dispositif étant caractérisé en ce que le réseau de diffraction présente, selon une première direction (X) parallèle au plan, un ordre de diffraction supérieur ou égal à trois.
[Revendication 2] Dispositif (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le guide d’onde (11 ) est délimité par un premier flanc (11 c) et un deuxième flanc (11 d), le deuxième flanc étant opposé au premier flanc, les premier et deuxième flancs étant sensiblement perpendiculaires à une deuxième direction (Y), ladite deuxième direction étant parallèle au plan (P) et perpendiculaire à la première direction (X), le dispositif comprenant également un premier revêtement (131 ) conducteur et un deuxième revêtement (132) conducteur, le premier revêtement conducteur s’étendant sur le premier flanc et le deuxième revêtement conducteur s’étendant sur le deuxième flanc.
[Revendication s] Dispositif (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réseau de diffraction (12) s’étend à l’aplomb de la région active (110) du guide d’onde (11 ), la région active présentant une longueur (Lno), mesurée selon la première direction (X), et le réseau de diffraction présentant une longueur (L12), également mesurée selon la première direction, la longueur du réseau de diffraction étant sensiblement égale à la longueur de la région active, le réseau présentant, selon la première direction, un ordre de diffraction unique.
[Revendication 4] Dispositif (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la région active (110) présente une largeur, mesurée selon une deuxième direction (Y) parallèle au plan (P) et perpendiculaire à la première direction (X), et le réseau de diffraction (12) présente une largeur, mesurée selon la deuxième direction, la largeur du réseau de diffraction étant sensiblement égale à la largeur de la région active, le réseau présentant, selon la deuxième direction, un autre ordre de diffraction unique et supérieur ou égal à deux.
[Revendication s] Dispositif (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réseau de diffraction (12) comprend une structure périodique (121 ) et une couche métallique (122), la structure périodique s’étendant sur la première face (11 a) du guide d’onde (11 ) et la couche métallique s’étendant sur la structure périodique.
[Revendication s] Dispositif (1 ) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la structure périodique (121 ) comprend une alternance de premières portions (1211 ) et de deuxièmes portions (1212), les premières portions étant constituées d’un premier matériau semiconducteur présentant un premier indice optique et les deuxièmes portions étant constituées d’un métal ou d’un deuxième matériau, tel qu’un autre matériau semiconducteur ou un gaz, présentant un deuxième indice optique différent du premier indice optique.
[Revendication 7] Dispositif (1 ) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche métallique (122) comprend des portions, chaque portion de la couche métallique recouvrant une des premières portions (1211 ) de la structure périodique (121 ).
[Revendication s] Dispositif (1 ) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche métallique (122) est continue.
[Revendication 9] Dispositif (1 ) selon l’une des trois revendications précédentes, caractérisé en ce que le guide d’onde (11 ) comprend une première couche semiconductrice (111 ) à base du premier matériau semiconducteur constituant les premières portions (1211 ) de la structure périodique (121 ), la première couche semiconductrice s’étendant de la région active jusqu’à la première face.
[Revendication 10] Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le champ électromagnétique comprend une longueur d’onde comprise dans [0,8 pm ; 20 pm],
[Revendication 11 ] Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le guide d’onde (11 ) du dispositif (1 ) comprend une deuxième couche semiconductrice (112) s’étendant de la région active (110) du guide d’onde jusqu’ à la deuxième face (11 b) du guide d’onde et en ce que l’épaisseur (W112) de la deuxième couche semiconductrice, mesurée perpendiculairement au plan (P), est comprise entre 2 pm et à 100 pm.
[Revendication 12] Système (2) optique, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif (1 ) à émission de surface d’un champ électromagnétique selon l’une des revendications précédentes et une fenêtre optique (20) transparente au champ électromagnétique, la deuxième face (11 b) du guide d’onde (11 ) du dispositif à émission de surface s’étendant sur la fenêtre optique.
[Revendication 13] Système (2) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend également un régulateur thermique (22) configuré pour réguler la température du guide d’onde (11 ) du dispositif (1 ) lorsque le dispositif (1 ) fonctionne en un régime stationnaire.
[Revendication 14] Procédé de fabrication d’un dispositif (1 ) à émission de surface selon l’une des revendications 1 à 12, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- former un guide d’onde (11 ), s’étendant dans un plan (P), présentant une longueur, mesurée selon une première direction parallèle au plan, et une largeur, mesurée selon une deuxième direction parallèle au plan et perpendiculaire à la première direction, de telle sorte que la longueur du guide d’onde est supérieure à la largeur du guide d’onde, le guide d’onde comprenant une première face (11 a) et une deuxième face (11 b), opposée à la première face, les première et deuxième faces étant parallèles au plan, la deuxième face étant transparente, le guide d’onde comprenant une région active (110) s’étendant dans le plan et configurée pour émettre un champ électromagnétique, la deuxième face étant transparente ; - former un réseau de diffraction (12) s’étendant sur la première face du guide d’onde, le réseau de diffraction étant réfléchissant et présentant, selon une première direction (X) parallèle au plan, un ordre de diffraction supérieur ou égal à trois. [Revendication 15] Procédé selon la revendication précédente, comprenant, avant la formation du réseau de diffraction (12), une étape d’optimisation d’un taux de couplage du réseau de diffraction avec un champ électromagnétique émis par la région active (110).
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