FR2521737A1 - Dispositif optique bistable - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE L'OPTIQUE INTEGREE. UN DISPOSITIF OPTIQUE BISTABLE INTEGRE COMPREND UNE CAVITE D'INTERFEROMETRE DE FABRY-PEROT 26, 28 AVEC UNE JONCTION SEMICONDUCTRICE 16-20 ET UNE PAIRE D'ELECTRODES 11, 24 DESTINEES A APPLIQUER A LA JONCTION UNE TENSION DE POLARISATION INVERSE FOURNIE PAR UNE SOURCE 30, POUR AUGMENTER L'ABSORPTION DE LA LUMIERE DANS LA JONCTION. UNE RESISTANCE 22 EST CONNECTEE EN SERIE AVEC LA SOURCE DE TENSION, ENTRE LES ELECTRODES, POUR DIMINUER LA POLARISATION EN INVERSE SOUS L'EFFET DU PHOTOCOURANT, AFIN DE PRODUIRE UNE REACTION NEGATIVE. APPLICATION AUX TELECOMMUNICATIONS OPTIQUES.

Description

La présente invention concerne un dispositif optique bistable du type

comportant une cavité de résonateur de Fabry-Pérot qui contient une matière constituant un

absorbant optique non linéaire.

Les dispositifs optiques bistables sont capables de prendre deux états optiques stables différents, comme l'état de transmission et l'état de blocage Ils peuvent moduler une source lumineuse de référence pour remplir des fonctions optiques de commutation et de logique et sont utiles de diverses manières dans les télécommunications optiques. Un dispositif optique bistable particulièrement utile comprend une matière constituant un absorbant non linéaire semiconducteur qui est une configuration de cavité d'interféromètre de Fabry-Pérot Un faisceau d'une source

lumineuse *de référence tombe sur une face d'extrémité d'en-

trée de la cavité Le faisceau de sortie transmis à partir de l'autre face dlextrémité, ou face de sortie, de la cavité est modulé par une source lumineuse de commutation, dont la lumière peut tomber sur la face d'entrée conjointement au

faisceau de référence ou peut provenir d'une autre direction.

Une intensité lumineuse accrue dans la cavité sature

l'absorbant ce qui diminue son coefficient d'absorption.

Ceci permet à l'intensité lumineuse à l'intérieur de la cavi-

té de dépasser un niveau de seuil suffisant pour produire la résonance de la cavité et pour assurer la transmission du

faisceau de référence Une diminution suffisante de l'intensi-

té lumineuse dans la cavité désature à nouveau l'absorbant.

Ceci ramène la cavité hors résonance, ce qui entra Tne un retour dans son état de blocage initial Le processus de commutation entre états présente une hystérésis optique, du

fait que la cavité a tendance à demeurer en résonance.

Divers dispositifs optiques bistables et leur mode de fonctionnement ont été décrits dans un certain nombre de brevets et de publications, comme par exemple: 1 "Integrated Bistable Optical Devices", Appl Phys Le tt, Vol 33, n O 1, juillet 1978, par P W Smith,I P Kaninow, P J Maloney, et L W Stulz, pages 24-27; 2 "Polarization-Independer t Optical Directicral Ccupler Switching Using Weighted Coupling", Optical Ccmmuricaticn Conference Proceedirngs, Amsterdam, 17-19 septembre 1979, par R C Alferness, pages 11 4-2 11 4-4; 3 "Optical Modulation by Optical Turing cf a Cavity", Appl. Phys Lett, Vol 34, no 8, avril 1979, par H N Gibbs, T N C Venkatesan, S L McCall, A Passr er, A C. Gossard, et W Wiegmann, pages 511-514; 4 "Optical Bistability and Modulation ir Semicorductor Etalons", Topical Meeting on Integrated arnd Guided-Wave Optics, résumé de communications techniques présentées à la conférence "Topical Meeting onr Integrated arnd Guided Wave Optics, 28-30 janvier 1980, par H N Gibbs, S L. McCall, T N C Venkatesan, A Passner, A C Gossard, et W Wiegmann, pages MB 5-1 MB 5-4; "A Bistable Fabry-Perot Resonator", Appl Phys Lett, Vol 30, n 6, mars 1977, par P W Smith et E H Turner, pages 280-281; 6 Brevet U S 4 012 699, et

7 Brevet U S 4 121 167.

On sait qu'on peut construire un dispositif

bistable qui utilise la modulation de phase et qui ne com-

porte pas de cavité de Fabry-Pérot, à condition qu'il y ait un mécanisme de réaction négative Une telle technique est

décrite par exemple dans le document 5 ci-dessus.

Un problème qui se pose avec les techniques actuelles pour les dispositifs optiques bistables décrits ci-dessus consiste en ce que la non linéarité de l'absorbant repose sur la photogénération par la ltunière de ccmrutaticrn d'une population relativement grande d'électrons de la barde de conduction dans l'absorbant A des températures basses,

on peut obtenir cette photogérération avec une lumière d'in-

tensité raisonnable, en particulier en utilisant des photons d'excitation dont les énergies sont proches de la bande interdite du semiconducteur Cependant, à la température

ambiante, la durée de vie des électrons de la bande de con-

duction est si courte qu'une lumière de commutation très intense est nécessaire pour générer la densité d'électrcns de la bande de conduction qui est nécessaire pour obtenir le caractère bistable, ce qui conduit à un dispositif ayant

une sensibilité trop faible pour être acceptable Les exigen-

ces d'une température basse ou d'une lumière de commutation d'intensité élevée conduisent toutes deux à des structures

relativement complexes et à des exigences de puissance rela-

tivement élevées pour le dispositif bistable Il est donc

préférable de les éviter pour les dispositifs optiques inté-

grés pour les systèmes de télécommunications optiques.

Le dispositif de l'invention utilise un champ élec-

trique à l'intérieur d'une jonction d'un absorbant semicon-

ducteur polarisé en inverse dans une cavité d'interféromètre de FabryPérot, pour obtenir une absorption non linéaire par l'effet Franz-Keldysh, consistant en un décalage vers une plus grande longueur d'onde dans le spectre d'absorption d'un semiconducteur lorsqu'un champ électrique intense est appliqué Le photocourant généré par la lumière à l'intérieur de l'absorbant est appliqué à une résistance de réaction

ayant une réaction négative qui réduit le champ Cette struc-

ture permet de faire varier la sensibilité et la vitesse du dispositif en réglant la valeur de la résistance Il est

possible d'obtenir un gain important et une réponse de commu-

tation très rapide à la température ambiante Un condensateur

peut être connecté entre une partie de la structure d'absor-

bant et la masse pour intercepter les signaux d'entrée para-

sites très rapides.

L'invention sera mieux comprrise à la lecture de la

description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se

référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure i est une représentation en perspective

d'un dispositif bistable conforme à un exemple de l'inven-

tion et montre une structure intégrée d'interféromètre de Fabry-Pérot à semiconducteur multicouche;

La figure 2 est une représentation graphique mon-

trant la caractéristique d'hystérésis optique approximative du dispositif de la figure l; La figure 3 est une représentation graphique de la

caractéristique d'absorption non linéaire de la matière semi-

conductrice dans la cavité du dispositif de la figure 1.

Le dispositif 10 de la figure 1 est ure structure de guide d'ondesà électro-absorption d'environ 100 Pm (micromètres) de longueur et d'environ 10 pm de largeur qui peut être fabriquée par épitaxie par jet moléculaire, par

épitaxie en phase liquide ou par dépet chimique métallo-

organique en phase vapeur, selon des manières ccnnues des spécialistes de la fabrication des semiconducteurs A la base du dispositif 10 se trouve une couche de substrat 12 en Ga As (arséniure de gallium) dopé, de type de conductivité P+, ayant une épaisseur d'environ 250 pm (micromètres) et une résistivité d'environ 10 3 cm (ohms-centimètres) Une couche d'électrode conductrice 11 en une matière de contact ohmique consistant en un alliage étain-nickel, qui a une épaisseur d'environ 1 pm, forme un revêtement sur la surface inférieure du substrat 12 et est connecté à la masse Sur la couche de substrat 12 se trouve une couche tampon 14 en Ga As dopé de type de conductivité P+, d'environ 0,5 Pm d'épaisseur Sur la couche tampon 14 se trouve une couche 16

de 0,5 pim d'épaisseur de Ga Al As (arséniure de gallium-

aluminium) de conductivité de type P Sur la couche de

Ga Al As 16 se trouve une couche de Ga As, 18, optiquement acti-

ve, de conductivité intrinsèque (I) qui mesure de même 0,5 pi d'épaisseur Sur la couche active 18 se trouve une seconde couche 20 de 0,5 pm, d'épaisseur, en Ga Al As dopé avec le type de conductivité N+ Cette couche supérieure de Ga Al As 20 est une structure mésa, formée par attaque, avec des bords chanfreinés près du sommet, pour restreindre les

lignes de champ électrique à une direction transversale.

Sur la couche de Ga Al As 20 se trouve tout d'abord une couche

de résistance 22 en tantale, de 8 ohms par carré, qui pré-

sente une résistance d'environ 105 Centre ses faces princi-

pales Enfin, sur la couche de résistance 22 se trouve une

seconde couche d'électrode conductrice 24, de 1 pm d'épais-

seur, en alliage étain-nickel La structure complète est

clivée aux deux extrémités pour former une structure de cavi-

té de Fabry-Pérot, avec une face d'entrée 26 et une face de sortie 28 qui sont mutuellement parallèles La face a'ertrée 26 et la face de sortie 28 sont revêtues d'un revêtement réfléchissant 29 pour augmenter la finesse de la couche active 18 Une source de tension d'attaque 30 capable de fournir une tension continue de 20 à 200 volts est connectée entre les électrodes 11, 24 pour générer à l'intérieur de la couche active 18 un champ électrique dans une direction de polarisation inverse entre les couches adjacentes 16, 20 ayant des types de conductivité différents La structure est un dispositif de guidage d'ondes, du fait que les couches de Ga Al As 16, 20 ont un indice de réfraction supérieur a celui de la couche active de Ga As 18, et elles réfléchissent donc la lumière en la renvoyant dans la couche active 18, exactement comme ce serait le cas dans une fibre-optique Un condensateur 34 est connecté entre la couche d'électrode 11 et le potentiel de référence de masse pour intercepter et

dériver à la masse les signaux parasites rapides.

Dans le fonctionnement du dispositif 10, ln

faisceau lumineux de référence d'une longueur d'onde d'envi-

ron 0,9 pim peut être appliqué à la face d'entrée 26, de façon caractéristique par une fibre optique Une fibre de sortie peut 8 tre couplée à la face de sortie 28 Ces fibres peuvent être collées à la surface de manières connues avec

un adhésif optique pourminimiser la perte d'insertion.

Il est utile de considérer tout d'abord l'état de transmission à intensité de sortie élevée, dans lequel le dispositif 10 transmet la majeure partie du faisceau de référence, avec la cavité dans son état de résonance Dans cet état, l'intensité lumineuse à l'intérieur de la couche active 18 est élevée La caractéristique non linéaire de la couche active de Ga As 18 est telle que le coefficient d'absorption diminue lorsque l'intensité lumineuse augmente, ce qui rend cet état stable pour une intensité minimale donnée du faisceau de référence, capable de maintenir la résonance Les porteurs électriques générés de façon optique dans la couche active de Ga As 18 et les couches de Ga Al As contiguës 16, 20 font circuler un courant électrique dans la résistance 22 et réduisent le champ électrique à l'intérieur du dispositif 10, du fait que la tension provenant de la source de tersion 30 est maintenue à une vaieur chcisie constante Un champ réduit décale la limite d'abscrpticrn de la matière Ga As, par l'effet Franz-Keldysh connu, ce qui

réduit son coefficient d'absorpticn Ceci renfcrce la stabi-

lité de l'état de transmission er ajcutant une réacticr négative. Le graphique de la figure 2 montre d'une marnire exagérée l'hystérésis optique du dispositif 10 L'axe des ordonnées IS représente l'intensité lumineuse de sortie au niveau de la face de sortie 28 L'axe des abscisses TE représente l'intensité lumineuse entrar nt dans la cavité et due à la fois à la lumière de référence et à la lumière de déclenchement. La figure 3 montre approximativement la relation entre l'intensité lumineuse incidente et l'abscrptior dar ns la cavité c L, qui est induite par la tension externe, avec et sans l'effet de la chute de tensicn dar ns la résistance 22 du circuit de réaction, à cause du photoccurant La ligne en pointillés 36 représente la constante a L en l'absence de réaction La courbe 38 représente la réduction deo<L avec la diminution de l'intensité des champs dans la cavité, lorsque l'effet Franz-Keldysh est diminué par une

chute de tension de photocourant dans la résistance 22.

Pour cet exemple, on choisit une valeur de 2 pour le paramè-

tre d L afin de satisfaire les conditions nécessaires pour l'obtention du caractère bistable pour la longueur d'onde

donnée de la lumière de référence.

La commutation du dispositif 10 vers l'état de blocage à faible intensité de sortie s'effectue en réduisant de façon brève l'intensité lumineuse à l'intérieur de la cavité, par exemple en interrompant momentanément le faisceau d'entrée de lumière de référence Le photocourant réduit résultant entraîne une augmentation du champ électrique dans

la cavité, ce qui déplace la limite d'absorption de la cou-

che active 18 vers un coefficient d'absorption plus élevé.

Ceci réduit finalemernt l'intensité lumineuse dans la cavité à un niveau inférieur au niveau de seuil critique pour la résonance de cette cavité Il existe en outre un effet de photo-réfraction dans la mesure o l'intensité lumineuse réduite augmente l'indice de réfraction de la couche de Ga As 18 Ceci tend également à désaccorder la cavité pour la longueur d'onde de la lumière d'entrée Une fois que la cavité est hors résonance, l'intensité de la lumière de référence seule n'est pas suffisante pour la ramener dans

l'état de résonance.

Pour ramener le dispositif 10 dans l'état de transmission à intensité de sortie élevée, on soumet la couche active 18 à une impulsion lumineuse de déclenchement,

qui peut être soit superposée au faisceau d'entrée de lumiè-

re de référence, soit provenir d'une autre direction, comme par le côté du dispositif 10 L'intensité lumineuse accrue qui résulte de la lumière de déclenchement supplémentaire génère un photocourant dans la couche active 18 et dans la

résistance 22, ce qui réduit le champ électrique à l'inté-

rieur de la cavité, et simultanément l'absorption de la lumière L'absorption réduite de la lumière, associée à

l'intensité lumineuse accrue due à l'impulsion de déclenche-

ment, ramène la cavité dans l'état de résonance Dans cette

transition, il intervient en outre l'effet de photo-réfrac-

tion dans la couche active de Ga As 18, qui réduit l'indice de réfraction à une valeur compatible avec les dimensions de

la cavité accordée.

Une caractéristique importante du dispositif 10 consiste en ce que, même à la température ambiante, en

fonction de la valeur de la résistance 22, une source lumi-

neuse de déclenchement ayant une puissance d'environ 0,2 m W (milliwatts) seulement convient pour la commutation entre les deux niveaux d'intensité de sortie, de façon à moduler le faisceau de référence Ceci peut être effectué à une vitesse très élevée, de l'ordre de 10 Mbit/s (millions

de bits par seconde) ou plus, selon la valeur de la résistan-

ce 22 Il est en outre possible de choisir la résistance 22 pour qu'elle ait une valeur d'environ 50 000, ce qui donne

un gain de l'ordre de 100 à la sortie.

Considérations générales Pour un dispositif donné, on choisit la longueur

d'onde de la lumière de référence ccrnvenrar:t à son forcticr nre-

ment de façon à avoir la relation: XL (T+o BL)-1 > 8 ( 1) dans laquelle: x KL est le coefficient d'absorption,

T est le coefficient de transmission des faces d'extré-

mité réfléchissantes 26, 28, et

0 BL est le coefficient d'absorption de fond.

La longueur d'onde dépend donc de la limite de la bande d'énergie de la matière semiconductrice utilisée pour la couche active Pour le Ga As à la température ambiante, une

longueur d'onde appropriée est de 0,9 jlm.

Une valeur caractéristique pour le condensateur 34 est de 1 picofarad Ceci donne un temps de réponse d'environ 10 '7 seconde pour le dispositif 10 et une puissance optique d'environ 200 JW (microwatts), qui peut être aisément fournie par des lasers monomodes au Ga As Avec de telles valeurs, la capacité de commutation du dispositif 10 est d'environ 10 Mbit/s (millions de bits par seconde) On peut réduire la puissance optique en utilisant une valeur plus élevée pour

la résistance 22.

Le gain du dispositif 10 dépend de la puissance

optique I 1 est maximisé lorsque le champ électrique est pro-

che d'une condition d'avalanche pour la couche active de Ga As 18 Des valeurs caractéristiques du condensateur 34 et

de la résistance 22 pour la limite inférieure du fonctionne-

ment bistable du dispositif 10, à savoir pour une condition de maintien pour son fonctionnement bistable, sont d'environ 1 picofarad pour le condensateur 34, et, si on désire une commutation rapide, de 100 I pour la résistance 22 Ceci donnerait une vitesse de 0,1 ns (nanoseconde) La puissance

optique minimale pour le fonctionnement bistable est déter-

minée par le nombre de photons nécessaires pour générer un courant approprié dans la résistance 22, pour produire une chute de tension qui réduise l'électro-absorption Pour la

compatibilité avec les dimensions des fibres optiques exis-

tantes, la couche active 18 aura vraissemblablement une épaisseur comprise entre 0,5 et 1 pm Ceei signifie qu'un

champ électrique d'environ 105 V/cm est nécessaire pour obte-

nir un décalage de la limite d'absorption par l'effet Franz-

Keldysh qui soit d'environ 10 volts La puissance optique minimale P exigée pour que le dispositif conserve son état: est la puissance nécessaire pour réduire l 'absorption à une valeur proche de zéro, lorsque la puissance optique P est telle que la chute de tension dans la résistance 22 est

suffisante pour empêcher l'absorption par effet Franz-

Keldysh dans le dispositif Ceci signifie que la chute de tension i R dans la résistance 22 doit être comparable à la chute de tension V aux bornes du dispositif 10, en désignant; par "i" le courant généré par effet photoélectrique, après

multiplication par le gain.

Si cette tension V est prise égale à O OV,si la

valeur R de la résistance 22 est de 1055 l, et si le rende-

ment de conversion est de 0,5 ampère par watt de puissance optique d'entrée, la puissance de maintien P est donnée par la relation connue: 2 V 20 V 0,2 x 105 watt ( 2) (-o 5 G) G dans laquelle G est le gain du dispositif Si G = 1, on a P = 2,0 p W et le dispositif a un temps de réponse de l'ordre -7 de 10 seconde Si on augmentait le gain, par exemple jusqu'à 100, on pourrait diminuer R de façon correspondante jusqu'à 103 A pour donner la puissance de maintien nécessaire

de 2 IW avec un-temps de réponse plus court, de 10 9 seconde.

Il faut faire un compromis entre la vitesse et la sensibili-

té. La direction du champ électrique à l'intérieur de la couche active 18 ne dépend pas de la direction de la

lumière Par conséquent, n'importe quelle structure établis-

sant le champ électrique dans la direction appropriée pour la polarisation en inverse d'une jonction semiconductrice dans l'absorbant pourrait être utilisée pour faire fonctionner le

dispositif.

Bien que le dispositif 10 soit une structure du I ( type à ocuches, i' autre:s ccrfigm iatîcrs énti:z de '-a c avité, ccomme ur;e ccrf igur atic r;vir Sr-,i au e c uaierz également Onr peut, égale-mert construire un csoii tl

sans configuration, de guide Q'nes r peut éga-lemrert ccrnec-

ter la résistance 22 de façon exterre _aux autres tuur. Bien, que le "Opc tf 1utilise du Ga As ertar t que matière absorbartc non liréaire, cn pcurrait également utiliser d'autresemcnut's ayant une berde interdite

d'énergie directe dans= la ga-rmme qui Permet la photoe absorp-

tien par l'effet Frarz-Keldysh' -à la température ambiante,

pour la longueur d'crdc de, la lumière du faisceau de réfé-

rence A titre d'exemnpl'es de telle 5 S autrezs matières, cn peut

citer les matières suivantes:a A fs arséniure de gallium-

aluminium), n G s P(arsériurle-phozsphure irumalin)

Ir Sb (antiirncni-ure d'indi um}i, In Ga Sb 'an-tîmcriur E d'indiui -

galîium), In? ("phosphure d'inidiutn/D, I As (arsén-iure d'indium)

et Ga Sb (antimoniure de gallium).

Il va dle so)i que de nomrbreuses autres mo,,difica-

tions peuvent être apportées au disposit;if décrit et repré -

senté, sans sortir du cadre de l 'invention.

il

Claims (5)

REVENDICATIONS

1 Dispositif optique bistable du type comprenant

des moyens définissant une cavité d'interféromètre de Fabry-

Pérot avec une face d'entrée parallèle à une face de sortie et espacée par rapport à celle-ci, un milieu optique absor- bant à l'intérieur de la cavité, et des moyens comprenant une paire d'électrodes destinées à générer un champ électrique dans ce milieu, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens

à résistance ( 22) connectés en série avec l'une des électro-

des ( 11) et une source de tension d'attaque ( 30) pour générer une contré-tension sous l'effet du courant généré par effet photoélectrique entre les électrodes ( 11, 24), et au moins deux régions contiguës ( 16, 20) de types de conductivité différents, situéesdans le milieu et orientées entre les électrodes de façon à faire apparattre un champ électrique de polarisation en inverse lorsqu'une tension d'attaque est appliquée aux électrodes par la source de tension d'attaque, grâce à quoi le courant généré par effet photoélectrique

entre les électrodes produit une réduction du champ électri-

que dans le milieu, ce qui produit une réponse consistant en une réaction négative à un signal lumineux appliqué au milieu.

2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un condensateur ( 34) branché entre l'une des électrodes ( 11) et un potentiel de référence pour réduire

la réponse du dispositif à des signaux parasites rapides.

3 Dispositif selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 ou 2, caractérisé en ce que le milieu consiste en une matière semiconductrice ayant une bande interdite d'énergie

directe.

4 Dispositif selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des revêtements réfléchissants sur les faces d'entrée ( 26) et de sortie ( 28)

pour augmenter la finesse de la cavité de Fabry-Pérot.

5 Dispositif selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 4, caractérisé en ce que le milieu est choisi dans le groupe comprenant les matières suivantes: Ga As, Ga Al As,

In Ga As P, In Sb, In Ga Sb, In P, In As, et Ga Sb.