EP4728601A1 - Laser impulsionnel et composant associé - Google Patents

Laser impulsionnel et composant associé

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EP4728601A1
EP4728601A1 EP24732318.1A EP24732318A EP4728601A1 EP 4728601 A1 EP4728601 A1 EP 4728601A1 EP 24732318 A EP24732318 A EP 24732318A EP 4728601 A1 EP4728601 A1 EP 4728601A1
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EP
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rib
laser
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density
piece
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Pending
Application number
EP24732318.1A
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German (de)
English (en)
Inventor
Alfredo De Rossi
Fabrice RAINERI
Maxime DELMULLE
Sylvain Combrie
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Thales SA
Universite Paris Cite
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Thales SA
Universite Paris Cite
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Filing date
Publication date
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Abstract

La présente invention concerne un laser (10) impulsionnel comprenant : - un substrat (12) isolant, - une nervure (14) s'étendant sur le substrat (12) selon une direction d'étendue (X), la nervure (14) présentant une pluralité d'orifices (24) traversants alignés sur la direction d'étendue (X), la nervure (14) comprenant un ensemble de couches partiellement revêtu d'une couche de revêtement, dite couche de passivation, la couche de revêtement étant propre à inhiber la recombinaison non-radiative sur la surface des portions de couches recouvertes et recouvrant les couches uniquement sur une portion, la nervure (14) comprenant ainsi une zone non revêtue (32) et une zone revêtue (34), la nervure (14) formant une cavité résonante pour au moins une onde électromagnétique dans un seul mode, - un élément d'excitation (16) propre à exciter seulement la zone revêtue (34) de la nervure (14).

Description

Laser impulsionnel et composant associé
La présente invention concerne un laser impulsionnel, ainsi qu’un composant optique comprenant un tel laser.
Le développement de l’internet et des capteurs connectés conduit à permettre l’obtention de quantité considérable de données. Ce phénomène souvent désigné sous le terme de « big data » implique l’emploi d’ordinateurs pour pouvoir exploiter l’ensemble des données obtenues. Une telle exploitation peut être utilisée dans de multiples domaines, parmi lesquelles le traitement automatique de données, l’aide au diagnostic, l’analyse prédictive, les véhicules autonomes, la bioinformatique ou la surveillance.
Pour mettre en oeuvre une telle exploitation, il est connu d’utiliser des algorithmes d’apprentissage automatique faisant partie de programmes pouvant être exécutés sur des processeurs tels que les CPU ou les GPU. Un CPU est un processeur, le sigle CPU provenant du terme anglais « Central Processing Unit » signifiant littéralement unité centrale de traitement tandis qu’un GPU est un processeur graphique, le sigle GPU provenant du terme anglais « Graphie Processing Unit » signifiant littéralement unité graphique de traitement.
Parmi les techniques de mise en oeuvre d’apprentissage, l’emploi de réseaux de neurones formels, et notamment de réseaux de neurones profonds, est de plus en plus répandu, ces structures étant considérées comme très prometteuses du fait de leurs performances pour de nombreuses tâches telles que la classification automatique de données et la reconnaissance de motifs.
Un réseau de neurones est en général composé d'une succession de couches de neurones dont chacune prend ses entrées sur les sorties de la couche précédente. Plus précisément, chaque couche comprend des neurones prenant leurs entrées sur les sorties des neurones de la couche précédente. Chaque couche est reliée par une pluralité de synapses. Un poids synaptique est associé à chaque synapse. C’est un nombre réel, qui prend des valeurs positives comme négatives. Pour chaque couche, l’entrée d’un neurone est la somme pondérée des sorties des neurones de la couche précédente, la pondération étant faite par les poids synaptiques.
Par définition, un réseau de neurones profond est un réseau comprenant plus de trois couches de neurones et un grand nombre de neurones par couche.
Pour une implémentation dans un CPU ou un GPU, une problématique d’entonnoir de Von Neumann (également appelée Von Neumann bottleneck selon sa dénomination anglaise) apparaît du fait que l’implémentation d’un réseau de neurones profond implique d’utiliser à la fois la ou les mémoires et le processeur alors que ces derniers éléments sont séparés spatialement. Il en résulte un engorgement du bus de communication entre la ou les mémoires et le processeur.
Il est donc souhaitable de développer des architectures matérielles dédiées, rapprochant mémoire et calcul, pour réaliser des réseaux de neurones rapides, faible consommation et capables d’apprendre en temps réel.
Trois propositions d’architecture font l’objet d’études spécifiques.
La première proposition est d’utiliser une technologie de type CMOS. Il est entendu par le sigle « CMOS », Oxyde métallique semi-conducteur complémentaire (acronyme provenant de l’expression anglaise « Complementary Metal-Oxide-Semiconductor »). Le sigle CMOS désigne aussi bien un procédé de fabrication qu’un composant obtenu par un tel procédé de fabrication. Dans une telle architecture, les neurones et les synapses sont des composants CMOS.
Une deuxième proposition est d’utiliser des réseaux à neurones CMOS et synapses memristives. Les synapses memristives sont des synapses utilisant des memristors. En électronique, le memristor (ou memristance) est un composant électronique passif. Le nom est un mot-valise formé à partir des deux mots anglais memory et resistor. Un memristor mémorise efficacement l’information car la valeur de sa résistance électrique change, de façon permanente, lorsqu’un courant est appliqué.
Enfin, selon une troisième proposition, on cherche à réaliser des réseaux à neurones optiques et synapses optiques.
Pour cette dernière proposition, il convient de disposer pour la réalisation des neurones d’un composant optique capable de générer des impulsions dont la fréquence dépend du niveau de l’excitation de manière au moins quasi-continue.
Pour cela, il existe des diodes laser propres à émettre des impulsions en fonction d’un niveau d’excitation. Le terme « laser neurone » est souvent utilisé pour désigner de telles diodes laser.
Un exemple de réalisation de laser neurone est notamment décrit dans l’article de S. Barbay et al. intitulé « Excitability in a semiconductor laser with saturable absorber » dans Optics letters, vol. 36, page 4476-4478 daté de 2011 . Le concept est repris dans le contexte du « calcul neuromorphique » dans l’article de M.A. Nahmias et al. intitulé « A leaky integrate-and-fire laser neuron for ultrafast cognitive computing » extrait du journal IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, volume 19, numéro 5 de 2013.
Toutefois, cette technique ne se prête pas aisément à l’exploitation car la géométrie verticale de la cavité laser n’est pas compatible avec l’approche planaire de la photonique intégrée ; la longueur d’onde d’émission est absorbée par le Silicium, et le rendement énergétique est très faible.
Il existe donc un besoin pour un laser impulsionnel capable de générer des impulsions dont la fréquence dépend du niveau de l’excitation de manière au moins quasi- continue et pouvant être aisément intégré dans un circuit photonique, par exemple en Silicium sur oxyde, présentant une taille moins importante et ayant un rendement compatible avec les impératifs d’efficacité énergétique.
A cet effet, la description décrit un laser impulsionnel comprenant :
- un substrat isolant,
- une nervure s’étendant sur le substrat selon une direction d’étendue, la nervure présentant une pluralité d’orifices traversants alignés sur la direction d’étendue, la nervure comprenant un ensemble de couches empilées selon une direction d’empilement orthogonale à la direction d’étendue (X), l’ensemble de couches étant partiellement revêtu d’une couche de revêtement, dite couche de passivation, la couche de revêtement étant propre à inhiber la recombinaison non-radiative sur la surface des portions de couches que la couche de revêtement recouvre, la couche de revêtement recouvrant les couches uniquement sur une portion, la nervure comprenant ainsi une zone non revêtu et une zone revêtue, la nervure formant une cavité résonante pour au moins une onde électromagnétique, la cavité étant propre à faire résonner un seul mode,
- un élément d’excitation de la zone revêtue de la nervure, l’élément d’excitation étant propre à exciter seulement la zone revêtue de la nervure.
Selon des modes de réalisation particuliers, le procédé de contrôle présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- une longueur est définie pour chaque zone, la longueur étant la dimension selon la direction d’étendue et la variation de densité d’orifices dans la nervure sont choisies pour que la nervure présente un mode de résonance ayant un facteur de qualité strictement supérieur à 10 fois le facteur de qualité de tous les autres modes, par exemple la longueur étant la dimension selon la direction d’étendue et la variation de densité d’orifices dans la nervure sont choisies pour que la nervure présente un mode de résonance ayant un facteur de qualité strictement supérieur à 104 et que les facteurs de qualité de tous les autres modes de réalisation sont inférieurs ou égaux à 103.
- la densité d’orifices dans la nervure varie selon la direction d’étendue selon une loi de variation, la loi de variation étant continue et comportant trois morceaux, un premier morceau dans lequel la densité est égale à une première valeur de densité, un deuxième morceau dans laquelle la densité est égale à une deuxième valeur de densité, le troisième morceau reliant le premier morceau et le deuxième morceau selon une fonction polynomiale, la valeur minimale de la densité étant dans le troisième morceau.
- la première valeur de densité et la deuxième valeur de densité sont identiques.
- la fonction polynomiale présente une forme parabolique.
- la fonction polynomiale est d’ordre au moins quatre, et est décrite par une formule du type : où :
- x et y sont les variables d’entrée et de sortie de la fonction polynomiale,
- n est un entier supérieur ou égal à 2, et
- Ai sont des constantes.
- chaque orifice est séparé de chaque orifice voisin par un écartement, les écartements présentant chacun une dimension, mesurée selon la direction d’étendue, qui varie selon la direction d’étendue selon la loi de variation.
- la nervure présente une largeur, la largeur étant une dimension mesurée selon une direction perpendiculaire à la direction d’étendue, qui varie selon la direction d’étendue selon la loi de variation.
- la zone revêtue est séparée de la zone non revêtue par un interstice s’étendant principalement selon une direction perpendiculaire à la direction d’étendue, l’interstice étant, de préférence, situé selon la direction d’étendue au niveau d’un orifice.
- la dimension de l’interstice selon la direction d’étendue est comprise entre 20 nanomètres et 40 nanomètres.
- le laser comporte, en outre, un guide d’ondes défini dans le substrat, s’étendant selon une direction de guidage, le guide d’ondes étant séparé de la nervure par une distance non nulle selon la direction.
- le laser comporte une pluralité de nervures successives et un guide d’ondes défini dans le substrat, s’étendant selon une direction de guidage, le guide d’ondes étant agencé pour guider l’onde de sortie d’une nervure pour exciter la nervure suivante. La description se rapporte également à un composant, notamment neuromorphique, comportant un laser tel que précédemment décrit. Dans la présente description, l’expression « propre à » signifie indifféremment « adapté pour », « adapté à » ou « configuré pour ».
En outre, dans tout ce qui suit, par l’expression « compris entre deux valeurs », il est entendu un encadrement au sens large, c’est-à-dire incluant les valeurs des bornes.
Des caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d’un exemple de laser selon l’invention,
- la figure 2 est une vue en coupe de côté d’une partie du laser de la figure 1 ,
- la figure 3 est une représentation schématique d’une partie d’un autre exemple de laser,
- la figure 4 est une représentation schématique d’une partie d’encore un autre exemple de laser,
- les figures 5 et 6 sont des représentations schématiques d’une partie d’une variante de laser, et
- la figure 7 est une représentation schématique d’une partie d’encore un autre mode de réalisation de laser.
Un laser 10 est représenté sur la figure 1 .
Par le terme « laser », il est entendu un système photonique qui produit un rayonnement lumineux spatialement et temporellement cohérent basé sur l'effet laser (acronyme issu de l'anglais light amplification by stimulated emission of radiation qui signifie « amplification de la lumière par émission stimulée de radiation »).
Une source laser associe un amplificateur optique à une cavité optique dans laquelle le rayonnement lumineux est partiellement confiné, encore appelée résonateur. A chaque parcours de la cavité par le rayonnement lumineux, une partie de la lumière sort de la cavité et l'autre partie est réinjectée vers l'intérieur de la cavité et l’amplificateur pour être amplifiée.
Le laser 10 est un laser impulsionnel, c’est-à-dire apte à émettre des ondes électromagnétiques correspondant à une émission d’impulsions lorsque le laser reçoit une excitation dépassant un seuil.
Ce fonctionnement souhaité est indépendant de la nature de l’excitation (optique ou électrique notamment).
De manière très schématique comme sur la figure 1 , le laser 10 comprend un substrat 12, une nervure formant cavité 14 et un élément d’excitation 16.
Le substrat 12 est une couche formant une plaque sur laquelle repose la nervure 14. Selon l’exemple décrit, le substrat 12 est transparent au rayonnement émis et est réalisé en un matériau présentant un indice de réfraction inférieur à 2,1 .
La nervure 14 est agencée pour former un guide optique dans lequel se propage au moins une onde électromagnétique présentant des fréquences parmi une plage de fréquences d’intérêt.
Selon l’exemple décrit, la nervure 14 est réalisée en un matériau présentant un indice de réfraction supérieur à 2,5.
La nervure 14 constitue une cavité résonante pour l’onde électromagnétique, c’est à dire un milieu de propagation confiné de l’onde électromagnétique.
La nervure 14 s’étend principalement selon une direction d’étendue X.
Plus précisément, la nervure 14 comprend une partie centrale 20 s’étendant entre deux parties extrémales 22 ainsi qu’une pluralité d’orifices 24.
La partie centrale 20 est une partie rectiligne s’étendant selon la direction d’étendue X.
Dans cette direction d’étendue, la nervure 14 présente un ensemble de couches empilées selon une direction d’empilement Z orthogonale à la direction d’étendue X.
Les orifices 24 sont des perforations cylindriques traversantes dans la partie centrale 20 de la nervure 14.
Par le terme « traversant », il est entendu que chaque orifice 24 traverse toutes les couches de la nervure 14, selon la direction d’empilement Z, jusqu’à la face supérieure du substrat 12.
Les orifices 24 sont alignés le long de la nervure 14.
Dans l’exemple de la figure 1 , chaque orifice 24 présente une section circulaire et un diamètre constant d’un orifice 24 à l’autre.
Chaque orifice 24 s’étend selon un axe central parallèle à la direction d’empilement Z.
L’axe central s’étend dans un plan médian de la partie centrale 20, perpendiculaire à la direction transversale Y. Le choix du diamètre des orifices 24 par rapport à la largeur de la nervure 14, ainsi que la répartition des orifices le long de la partie centrale 20 permettent à la nervure 14 de former un cristal photonique.
Par le terme « cristal photonique », il est entendu une structure périodique de matériaux diélectriques ou semi-conducteurs modifiant la propagation des ondes électromagnétiques de la même manière qu'un potentiel périodique dans un cristal semi- conducteur affecte le déplacement des électrons en créant des bandes d'énergie autorisées et interdites. Selon l’exemple décrit, l’ensemble de couches est partiellement revêtu d’une couche de revêtement 30.
La couche de revêtement 30 recouvre uniquement les couches de l’ensemble de couches sur une portion, la nervure 14 comprenant ainsi une zone non revêtue 32 et une zone revêtue 34.
Comme représenté schématiquement sur la figure 2, la couche de revêtement 30 recouvre à la fois la couche supérieure de l’ensemble de couches et le pourtour 36 des orifices 24.
En recouvrant le pourtour 36 des orifices 24, la couche de revêtement 30 est en contact avec l’ensemble des autres couches de l’ensemble de couches.
La partie centrale 20 peut ainsi être divisée en deux parties, une première partie correspondant à la zone non revêtue 32 comprenant les portions de couches de l’ensemble de couches sans contact avec la couche de revêtement 30 et une deuxième partie correspondant à la zone revêtue 34 comprenant les portions de couches de l’ensemble de couches en contact avec la couche de revêtement 30.
Vu de haut comme sur la figure 1 , les zones 32 et 34 présentent une forme rectangulaire, les couches faisant partie des zones 32 et 34 n’étant pas visibles.
La couche de revêtement 30 présente en tout point une épaisseur inférieure ou égale à 5 nm, de préférence 1 nm.
Dans l’exemple décrit, la couche de revêtement 30 est propre à inhiber la recombinaison non-radiative sur la surface des portions de couches que la couche de revêtement 30 recouvre.
Une telle couche de revêtement peut être obtenue par un dépôt réalisé par voie chimique ou par plasma ou par dépôt physique en phase vapeur ou par dépôt chimique en phase vapeur ou par dépôt de couches minces atomiques (ALD).
La voie chimique consiste, par exemple, à réaliser une sulfurisation des surfaces des différentes parties de couches à passiver.
Cela permet de réduire la recombinaison surfacique, le temps caractéristique associé à la recombinaison étant augmentée de 200 picosecondes environ sans la couche de revêtement 30 à plus de 2 ns en présence de la couche de revêtement 30.
La couche de revêtement 30 peut ainsi être qualifiée de couche de passivation 30.
Aussi, dans la suite, la zone non revêtue 32 sera dénommée zone non passivée 32 et la zone revêtue 34 sera dénommée zone passivée 34.
L’élément d’excitation 16 est propre à injecter des porteurs libres dans la zone passivée 34, ce qui permet de générer une inversion de population dans le milieu actif. Par conséquent, la population de porteurs excités est beaucoup plus faible dans la zone non passivée 32.
Ainsi, la zone passivée 34 joue le rôle d’une zone de gain alors que la zone non- non passivée 32 va jouer le rôle d’un absorbant saturable.
L’élément d’excitation 16 peut être réalisé optiquement ou électriquement, notamment par un laser ou des contacts électriques positionnés à des endroits prédéfinis.
En supposant que les matériaux utilisés sont fixés, il est possible d’envisager de nombreux agencements géométriques du laser 10 schématisé à la figure 1 , ces agencements dépendant des paramètres géométriques qui peuvent être modifiés.
A titre d’exemple non limitatif de matériau, le substrat 12 pourra être en oxyde de silicium et la nervure 14 est formée d’un assemblage multi-couches de matériaux semi- conducteurs de type lll-V.
En outre, une couche très fine (épaisseur strictement inférieure à 50 nm) de matériau semi-conducteur est disposée entre le substrat 12 et la nervure 14 pour relier électriquement la nervure 14 à l’élément d’excitation 16.
Un semi-conducteur de type « III - V » est un semi-conducteur composite fabriqué à partir d'un ou plusieurs éléments de la colonne III du tableau périodique des éléments (bore, aluminium, gallium, indium, ...) et d'un ou plusieurs éléments de la colonne V ou pnictogènes (azote, phosphore, arsenic, antimoine ...).
Dans ce qui suit, il va être décrit un certain nombre d’exemples permettant d’obtenir le fonctionnement souhaité avec des paramètres géométriques différents.
Pour cela, en référence à la figure 3, il va être introduit des paramètres géométriques susceptibles d’être modifiés.
Un ou plusieurs de ces paramètres géométriques pourront ensuite être optimisés pour obtenir le fonctionnement souhaité pour le laser 10, c’est-à-dire une émission d’impulsions lorsque le laser 10 reçoit une excitation dépassant un seuil (fonctionnement de laser neurone). Une procédure d’optimisation sera également décrite dans la suite de la description.
Des exemples de paramètres géométriques sont les dimensions de la partie centrale 20, notamment sa longueur et sa largeur.
La longueur de la partie centrale 20 est un premier exemple de tel paramètre, il s’agit de la dimension de la partie centrale 20 le long de la direction d’étendue X.
Pour donner un ordre de grandeur de dimension, la longueur Lc de partie centrale 20 est inférieure ou égale à 100 micromètres, notamment inférieure ou égale à 50 micromètres. La nervure 14 présente également une largeur W, mesurée selon la direction transversale Y.
Selon l’exemple de la figure 1 , la largeur W est constante sur toute l’étendue de la partie centrale 20.
La largeur W est, par exemple, comprise entre 0,4 micromètres et 1 ,01 micromètres.
Toutefois, comme cela apparaît dans la figure 3, la largeur pourra varier le long de la partie centrale 20.
Il pourrait aussi être envisagé de faire varier les dimensions et les positions des orifices, les paramètres correspondants constituant de tels paramètres géométriques.
Pour ce qui concerne la forme, on pourrait envisager des formes carrées, circulaires ou ovales.
Ainsi, dans le cas de la figure 1 , la forme circulaire implique un unique paramètre qui est la valeur du rayon alors que la forme ovale implique plusieurs paramètres.
Dans la suite, il est supposé que la forme circulaire est choisie et que la forme n’est pas un paramètre utilisé pour l’optimisation.
Un paramètre d’agencement est maintenant décrit.
Les orifices 24 sont référencés ci-après par un indice n, à partir d’un premier orifice portant l’indice n = 0, choisi à une extrémité de la nervure 14, le plus proche d’une des parties extrémales de la nervure 14.
Chaque orifice 24 d’indice n est séparé de l’orifice suivant d’indice n+1 par un écartement. L’écartement séparant deux orifices 24 s’étend entre les deux points les plus proches des périphéries des deux orifices 24.
Une dimension de l’écartement séparant l’orifice 24 d’indice n de l’orifice 24 d’indice n+1 , mesurée selon la direction d’étendue X, est notée an.
La dimension an varie d’un écartement à l’autre selon une loi de variation à déterminer.
La loi de variation est une fonction dont une variable est la position xn des orifices.
La position xn d’un orifice 24 d’indice n est la distance séparant l’axe de l’orifice 24 d’indice n de l’axe du premier orifice 24 d’indice n = 0.
Comme autres paramètres géométriques, dans l’exemple décrit, pour chaque zone 32 et 34, il peut être défini une longueur L32 ou L34 comme étant la dimension de la zone 32 ou 34 selon la direction d’étendue X.
Un paramètre pourrait donc être la valeur du rapport entre les deux longueurs.
Alternativement, il peut être défini la position de la frontière entre les deux zones 32 et 34 comme étant un paramètre géométrique à optimiser, ce qui est supposé dans ce qui suit. Dans cet exemple, la procédure d’optimisation cherche donc à déterminer des valeurs pour les paramètres précités garantissant le fonctionnement souhaité pour le laser 10.
Dans un premier exemple, on suppose que seuls l’écartement et la position de la frontière entre les deux zones 32 et 34 sont variables
Ainsi, la procédure d’optimisation vise ici à obtenir la loi de variation de la dimension d’un écartement à l’autre et la position de la frontière entre les deux zones 32 et 34.
La procédure d’optimisation repose sur le calcul des différents modes de résonances de la cavité que forme la nervure 14.
Un tel calcul est, par exemple, réalisé par une résolution au moins approximative des équations de Maxwell.
Une telle résolution est notamment effectuée par des outils de simulation.
Pour chaque mode de résonance, il est ainsi obtenu la fréquence v et le temps de vie T.
Il en résulte que, pour chaque mode de résonance, il peut être déterminé son facteur de qualité Q associé, ce facteur de qualité étant donné par la formule suivante :
Q = 2TIVT
Les différents paramètres sont alors choisis pour que le facteur de qualité d’un mode soit strictement supérieur à 104 alors que les facteurs de qualité de tous les autres modes de réalisation sont inférieurs ou égaux à 103.
Plus généralement, comme d’autres valeurs sont possibles pour les facteurs de qualité, les différents paramètres sont choisis pour que le facteur de qualité d’un mode soit strictement supérieur d’un facteur 10 par rapport aux facteurs de qualité des autres modes.
La procédure d’optimisation correspond donc à une optimisation classique sous contrainte qui peut être réalisée par tout type de technique d’optimisation, notamment par une technique des moindres carrés.
Pour bien illustrer ce à quoi conduit cette procédure d’optimisation, un exemple particulier est maintenant décrit en particularisant la loi de variation.
La loi de variation est continue par morceaux.
Plus précisément, selon l’exemple décrit, la loi de variation comporte trois morceaux, à savoir un premier morceau M1 dans lequel la dimension an est égale à une première valeur de dimension, un deuxième morceau M2 dans laquelle la dimension an est égale à une deuxième valeur de dimension, le troisième morceau M3 reliant le premier morceau et le deuxième morceau selon une fonction polynomiale, la valeur minimale de la dimension an étant dans le troisième morceau M3. De préférence, la première valeur de dimension et la deuxième valeur de dimension sont identiques.
Dans la suite, la première valeur de dimension et la deuxième valeur de dimension seront notées Hmax-
Le premier et le deuxième morceaux sont donc des morceaux dans lesquels la relation an — amax est vérifiée.
Une telle limitation à une valeur maximale aux extrémités permet d’affaiblir les autres résonances que le mode fondamental.
Selon exemple, la fonction polynomiale du troisième morceau M3 est une fonction polynomiale symétrique, d’ordre au moins égal à 2.
Par le terme « symétrique », il est entendu que les termes d’ordre impair de la fonction polynomiale sont nuis.
Ainsi, une fonction polynomiale pour le troisième morceau M3 envisageable est du type : an = a xn~) = axn 2 + /3
Où a et p sont des constantes non nulles.
Plus généralement, il vient une relation mathématique du type : où :
- x et y sont les variables d’entrée et de sortie de la fonction polynomiale,
- n est un entier supérieur ou égal à 2, et
- Ai sont des constantes.
Selon l’exemple proposé, la fonction polynomiale est une fonction polynomiale symétrique d’ordre 4.
Selon l’exemple proposé, la fonction polynomiale pour le troisième morceau M3 s’exprime sous la forme : an = a xn) = a0 + Axn 2 + Bxn 4
OÙ :
• ao est la dimension de l’écartement séparant l’orifice 24 d’indice 0 de l’orifice
24 d’indice 1 , et
• A et B sont des constantes non nulles.
Les valeurs des constantes A et B sont choisies pour obtenir l’émission par le laser 10 d’une onde électromagnétique souhaitée.
Plus précisément, la valeur de A est choisie de manière à fixer une valeur d’un intervalle spectral libre de la nervure 14. La valeur de B est choisie pour maximiser le facteur de qualité du mode électromagnétique choisi de la nervure 14 (en d’autres termes, ceci est pris en compte dans la fonction objectif de la procédure d’optimisation).
Les valeurs de ao, A et B sont, par exemple, obtenues par une simulation numérique du fonctionnement du laser 10.
Par exemple, la valeur de ao est comprise entre 300 nanomètres et 600 nanomètres, plus particulièrement entre 330 nanomètres et 350 nanomètres.
Selon l’exemple représenté, la valeur de ao est choisie égale à 340 nanomètres.
Par exemple, la valeur de A est choisie entre 2 mètres-1 et 3 mètres-1 , plus particulièrement entre 2,2 mètres-1 et 2,4 mètres-1.
Selon l’exemple représenté, la valeur de A est choisie égale à 2,3 mètres-1.
Par exemple, la valeur de B est choisie entre 0,5 x 107 mètres-3 et 4 x 107 mètres-3.
Selon l’exemple représenté, la valeur de B est choisie égale à 0.5 x 107 mètres-3.
Dans l’exemple décrit, en outre, le rapport R entre la longueur L34 de la zone passivée 34 et la longueur de la partie centrale 20 de la nervure 14 est compris entre 30% et 70%, de préférence entre 40% et 60%.
Les valeurs de A et de B de l’exemple présenté ont été testées expérimentalement par des simulations et des mesures réalisées par la demanderesse ont permis de valider un tel fonctionnement.
En particulier, des simulations avec une valeur de L32 = 9 pm, L34 = 7 pm pour un mode dont la largeur à mi-hauteur de la distribution spatiale d’intensité du mode optique vaut 7 pm ont montré un fonctionnement avec un régime où le laser émet des impulsions dont l’énergie est entre 10 et 100 fJ, la durée est entre 30 picosecondes (ps) et 100 ps, et la fréquence de répétition varie entre une fraction de GHz et une dizaine de GHz, en fonction du régime.
Cela montre que le laser 10 est un laser impulsionnel dont la fréquence de répétition, ou bien l’émission même d’impulsions dépend de l’excitation.
Plus précisément, l’émission d’impulsions dépend de l’intégrale du signal d’excitation reçu. Ainsi, l’émission sera d’autant plus rapide que le niveau du signal est élevé.
Le laser 10 est ainsi un laser émettant des impulsions à fréquence réglable.
Le laser 10 qui vient d’être décrit présente une très faible taille, de l’ordre de quelques pm2. En ce sens, le laser 10 est un « nano-laser » puisque ce laser est miniaturisé.
En outre, le laser 10 consomme de l’ordre de 100 pW en fonctionnement, ce qui correspond à une consommation faible d’énergie. De plus, le laser 10 présente une réponse rapide, de l’ordre du GHz.
Le laser 10 est, en outre, intégrable dans un circuit photonique silicium.
De fait, le laser 10 est ici une structure nano-hybride dont la cavité laser et la zone active, en matériau lll-V, sont reportées sur un circuit photonique en silicium.
Cela rend le laser 10 particulièrement adapté pour la réalisation de neurones dans une implémentation physique d’un réseau de neurones.
Plus largement, le laser 10 pourra avantageusement être utilisé dans des applications concernant les communications, le traitement du signal ultra-rapide ou le calcul analogique.
D’autres modes de réalisation du laser 10 sont envisageables et présentent des avantages identiques à ceux du laser 10 décrit précédemment.
Dans la suite, seules les différences avec le laser 10 de la figure 1 sont détaillées, les éléments non mentionnés étant considérés comme identiques.
Selon l’exemple de la figure 3, l’espacement an est maintenu fixe mais la largeur W varie selon la direction d’étendue X.
A titre d’illustration, la variation de la largeur W présente une loi de variation similaire à celles décrites précédemment pour l’espacement an.
Selon un exemple particulier, la largeur W est telle que :
W(x) = min(W0 + Axn 2 + Bxn 4; Wmax)
Où Wo et V max sont deux constantes.
Il est possible, en variante, de faire varier à la fois la largeur W et la dimension an.
Dans chacun des cas, la densité d’orifices dans la nervure varie selon la direction d’étendue selon une loi de variation, la loi de variation étant telle que la loi de variation étant continue et comportant trois morceaux, un premier morceau dans lequel la densité est égale à une première valeur de densité, un deuxième morceau dans laquelle la densité est égale à une deuxième valeur de densité, le troisième morceau reliant le premier morceau et le deuxième morceau selon une fonction polynomiale, la valeur minimale de la densité étant dans le troisième morceau.
Cette variation de la densité est obtenue par la variation de l’une ou plusieurs des dimensions caractéristiques des orifices 24 et de la nervure 14.
Une telle modulation spatiale permet d’obtenir l’existence d’un seul mode de résonance dans la cavité.
Selon une variante illustrée par la figure 4, la zone passivée 34 est séparée de la zone non-passivée 32 par un interstice 40 s’étendant principalement selon une direction perpendiculaire à la direction d’étendue X. La fonction de cet interstice 40 est d’assurer la séparation électrique des deux zones 32 et 34.
L’interstice 40 présente une épaisseur (dimension le long de la direction d’étendue X) inférieure ou égale à 40 nm.
De préférence, l’interstice 40 présente une épaisseur supérieure ou égale à 20 nm.
Du fait de ses dimensions, l’interstice 40 constitue un nano-sillon.
De préférence, l’interstice 40 est situé au niveau d’un orifice.
Comme visible sur la figure 4, l’interstice 40 est ainsi formé par deux parties traversantes qui débouchent d’une part sur l’extérieur et d’autre part sur l’orifice 24.
En variante, il est possible d’implanter des ions neutralisant la conductivité entre les zones passivée 34 et non passivée 32 sur une zone correspondant à l’interstice (mais plus large, couvrant au moins une période de la nervure 14)
Par exemple, il pourra être implanté des ions H+, de sorte que les zones passivée 34 et non passivée 32 seront en contact par une zone barrière empêchant le passage de porteurs.
Les figures 5 et 6 présentent encore un autre mode de réalisation.
Selon ce mode de réalisation, le laser 10 comprend, en outre, un guide d’ondes 44 défini dans le substrat, s’étendant selon une direction de guidage.
Le guide d’ondes 44 s’étend dans le substrat 12, à l’écart de la face supérieure. Le guide d’ondes 44 est ainsi un guide d’ondes enfoui dans le substrat 12.
Le guide d’ondes 44 est un canal de silicium s’étendant à travers le substrat 12, selon une direction de guidage X’.
Selon un autre exemple, le guide d’ondes 44 est réalisé en nitrure de silicium.
Plus généralement, le guide d’ondes 44 est réalisé en un matériau transparent dont l’indice est supérieur à celui du substrat 12.
Le guide d’ondes 44 est propre à recueillir une partie de l’onde électromagnétique se propageant dans la nervure 14, sous la forme d’ondes évanescentes traversant le substrat 12.
Le guide d’ondes 44 s’étend à une distance non nulle de la face supérieure 18 du substrat 12 et de la nervure 14.
La distance séparant le guide d’ondes 44 de la nervure 14, mesurée selon la direction transversale Y, peut être constante ou varier selon la direction d’étendue X.
La distance séparant le guide d’ondes 44 de la nervure 14 est suffisamment faible pour qu’une partie de l’onde électromagnétique se propageant dans la nervure soit captée par le guide d’ondes 44 sous forme d’onde évanescente, à travers le substrat 12 isolant. Cette distance est typiquement entre 100 nm et 200 nm si le guide d’ondes 44 est en silicium, mais peut être plus grande, 2 voire 3 micromètres si le matériau constituant le guide d’ondes 44 a un plus faible indice de réfraction.
Le guide d’ondes 44 est également propre à guider l’onde électromagnétique recueillie selon la direction de guidage X’, à l’écart de la nervure 14.
Le guide d’ondes 44 présente une forme prismatique de section rectangulaire dans un plan orthogonal à la direction de guidage X’.
La direction de guidage X’ forme un angle de couplage a avec la direction d’étendue X, dans un plan XY parallèle à la direction de guidage X et à la direction transversale Y.
L’angle de couplage a est choisi de façon à améliorer un couplage entre la nervure 14 et le guide d’ondes 44, c’est-à-dire de façon à optimiser la transmission d’ondes évanescentes à travers le substrat 12, depuis la nervure 14 jusqu’au guide d’ondes 44.
L’angle de couplage a est, par exemple, compris entre -15° et 15°.
Selon une variante illustrée par la figure 7, le laser 10 comporte une pluralité de nervures 14 ainsi qu’un guide d’ondes 44 similaire à celui des figures 5 et 6.
Le guide d’ondes 44 de la figure 7 est agencé pour guider l’onde de sortie d’une nervure 14 pour exciter la nervure 14 suivante.
Dans l’exemple schématisé à trois nervures 14, le guide d’ondes 44 serpente depuis la première nervure 14 vers la troisième nervure 14 via la deuxième nervure 14.
En fonctionnement, la première nervure 14 génère un signal à une première fréquence optique v0.
Ce signal est transporté par le guide d’ondes 44 vers la deuxième nervure 14.
La deuxième nervure 14 reçoit le signal à la première fréquence optique v0 qui vient l’exciter et émet un signal à une deuxième fréquence v1.
Ce signal est transporté par le guide d’ondes 44 vers la troisième nervure 14.
La troisième nervure 14 reçoit le signal à la deuxième fréquence optique v± qui vient l’exciter et émet un signal à une troisième fréquence v3.
Cela permet ainsi de réaliser un réseau de cavités.
Les modes de réalisations décrits peuvent être combinés selon toute configuration techniquement réalisable.

Claims

REVENDICATIONS
1. Laser (10) impulsionnel comprenant :
- un substrat (12) isolant,
- une nervure (14) s’étendant sur le substrat (12) selon une direction d’étendue (X), la nervure (14) présentant une pluralité d’orifices (24) traversants alignés sur la direction d’étendue (X), la nervure (14) comprenant un ensemble de couches empilées selon une direction d’empilement (Z) orthogonale à la direction d’étendue (X), l’ensemble de couches étant partiellement revêtu d’une couche de revêtement, dite couche de passivation, la couche de revêtement étant propre à inhiber la recombinaison non-radiative sur la surface des portions de couches que la couche de revêtement recouvre, la couche de revêtement recouvrant les couches uniquement sur une portion, la nervure (14) comprenant ainsi une zone non revêtue (32) et une zone revêtue (34), la nervure (14) formant une cavité résonante pour au moins une onde électromagnétique, la cavité étant propre à faire résonner un seul mode, et
- un élément d’excitation (16) de la zone revêtue de la nervure, l’élément d’excitation (16) étant propre à exciter seulement la zone revêtue (34) de la nervure (14).
2. Laser selon la revendication 1 , dans lequel une longueur est définie pour chaque zone (32, 34), la longueur étant la dimension selon la direction d’étendue (X) et la variation de densité d’orifices (24) dans la nervure (14) sont choisies pour que la nervure (14) présente un mode de résonance ayant un facteur de qualité strictement supérieur à 10 fois le facteur de qualité de tous les autres modes, par exemple la longueur étant la dimension selon la direction d’étendue (X) et la variation de densité d’orifices (24) dans la nervure (14) sont choisies pour que la nervure (14) présente un mode de résonance ayant un facteur de qualité strictement supérieur à 104 et que les facteurs de qualité de tous les autres modes de réalisation sont inférieurs ou égaux à 103.
3. Laser selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la densité d’orifices dans la nervure (14) varie selon la direction d’étendue (X) selon une loi de variation, la loi de variation étant continue et comportant trois morceaux, un premier morceau dans lequel la densité est égale à une première valeur de densité, un deuxième morceau dans laquelle la densité est égale à une deuxième valeur de densité, le troisième morceau reliant le premier morceau et le deuxième morceau selon une fonction polynomiale, la valeur minimale de la densité étant dans le troisième morceau.
4. Laser selon la revendication 3, dans lequel la première valeur de densité et la deuxième valeur de densité sont identiques.
5. Laser selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la fonction polynomiale présente une forme parabolique.
6. Laser selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel la fonction polynomiale est d’ordre au moins quatre, et est décrite par une formule du type : où :
- x et y sont les variables d’entrée et de sortie de la fonction polynomiale,
- n est un entier supérieur ou égal à 2, et
- Ai sont des constantes.
7. Laser selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel chaque orifice (24) est séparé de chaque orifice (24) voisin par un écartement, les écartements présentant chacun une dimension, mesurée selon la direction d’étendue (X), qui varie selon la direction d’étendue (X) selon la loi de variation.
8. Laser selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel la nervure (14) présente une largeur (W), la largeur (W) étant une dimension mesurée selon une direction (Y) perpendiculaire à la direction d’étendue (X), qui varie selon la direction d’étendue (X) selon la loi de variation.
9. Laser selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la zone revêtue (34) est séparée de la zone non revêtue (32) par un interstice s’étendant principalement selon une direction (Y) perpendiculaire à la direction d’étendue (X), l’interstice étant, de préférence, situé selon la direction d’étendue (X) au niveau d’un orifice (24).
10. Laser selon la revendication 9, dans lequel la dimension de l’interstice selon la direction d’étendue (X) est comprise entre 20 nanomètres et 40 nanomètres.
11. Laser selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le laser (10) comporte, en outre, un guide d’ondes (44) défini dans le substrat (12), s’étendant selon une direction de guidage (X’), le guide d’ondes (44) étant séparé de la nervure (14) par une distance non nulle selon la direction (Z).
12. Laser selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 , dans lequel le laser (10) comporte une pluralité de nervures (14) successives et un guide d’ondes (44) défini dans le substrat (12), s’étendant selon une direction de guidage, le guide d’ondes (44) étant agencé pour guider l’onde de sortie d’une nervure pour exciter la nervure suivante.
13. Composant, notamment neuromorphique, comportant un laser (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 12.
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