FR2664992A1 - Microwave electrooptic modulator with DC bias of the guide - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne des modulateurs electro- optiques et plus particulièrement ceux dans lesquels l'onde électrique que l'on veut faire interagir avec l'onde optique est du domaine des microondes. The present invention relates to electro-optical modulators and more particularly those in which the electric wave which it is desired to make interact with the optical wave is in the microwave domain.
Dans les modulateurs de lumière où le signal électrique modulant est du domaine des microondes, la lumière se propage dans un guide optique, par exemple un isolant tel que LiNbO3 ou un semiconducteur tel qu un semiconducteur du groupe III-V, et l'onde électrique est appliquée sous forme d'une onde progressive se propageant dans la même direction (dans le même sens ou en sens opposé) que la lumière. In light modulators where the modulating electric signal is in the microwave domain, the light propagates in an optical guide, for example an insulator such as LiNbO3 or a semiconductor such as a group III-V semiconductor, and the electric wave is applied in the form of a traveling wave propagating in the same direction (in the same direction or in opposite direction) as the light.
Un incovnénient des modulateurs optiques à microondes connus réside dans le fait qu'ils présentent une bande de fré- quence de fonctiionnement réduite. One drawback of known microwave optical modulators is that they have a reduced operating frequency band.
Un objet de la présente invention est de prévoir un modulateur électro-optique microonde large bande ou fonctionnant de façon satisfaisante dans un domaine choisi. An object of the present invention is to provide a broadband microwave electro-optical modulator or one operating satisfactorily in a chosen field.
Pour atteindre cet objet, la présente invention se base sur l'analyse selon laquelle la limitation de largeur de bande est liée à la différez entre les vitesses de propagation des signaux optiques et microondes et propose une technique pour annuler ou au moins réduire cette différez
Plus particulièrement, la présente invention prévoit un dispositif de modulation de phase d'une onde optique dans lequel la lumière se propage longitudinalement dans un guide optique en un semiconducteur III-V et dans lequel une onde progressive de fréquence microonde est appliquée au guide.Ce dispositif comprend des moyens pour appliquer au guide une polarisation continue, perpRiallazement à la direction de propagation et avec une amplitude propre à rendre égales les vitesses de propagation optique et micrconde sur la plage de face des microondes.To achieve this object, the present invention is based on the analysis according to which the bandwidth limitation is linked to the difference between the propagation speeds of optical and microwave signals and proposes a technique for canceling or at least reducing this difference.
More particularly, the present invention provides a device for phase modulation of an optical wave in which the light propagates longitudinally in an optical guide in a III-V semiconductor and in which a progressive wave of microwave frequency is applied to the guide. device comprises means for applying to the guide a continuous polarization, perpRiallazement to the direction of propagation and with an amplitude suitable for making equal the optical and microwave propagation speeds over the face range of the microwaves.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la polarisation est appliquée par l'intermédiaire de métallisa tions formant avec la couche semiconductrice adjacente un contact de type Shottky ou jonction PN. According to an embodiment of the present invention, the polarization is applied by means of metallizations tions forming with the adjacent semiconductor layer a contact of Shottky type or PN junction.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le semiconducteur est de l'arséniure de gallium. According to an embodiment of the present invention, the semiconductor is gallium arsenide.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le guide optique comprend, sur un substrat d'arséniure de gallium fortement dopé, une première couche de confinement et une couche formant guide d'onde, une bande longitudinale de cette dernière couche étant en surépaisseur et étant métallisée de même que la face opposée du substrat. According to an embodiment of the present invention, the optical guide comprises, on a heavily doped gallium arsenide substrate, a first confinement layer and a waveguide layer, a longitudinal strip of this latter layer being in excess thickness and being metallized as well as the opposite face of the substrate.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, une deuxième couche de confinement est prévue sur la face de la couche de guide d'ande opposée à celle formée sur la première couche de confinement, cette deuxième couche de confinement ccnzprenant une bande en survpaisseur revêtue d'une métallisation. According to an embodiment of the present invention, a second confinement layer is provided on the face of the guide guide layer opposite to that formed on the first confinement layer, this second confinement layer comprising a coated oversized strip. metallization.
L'invention s'applique à la formation d'un dispositif de modulation d'amplitude d'une onde optique comprenant deux dispositifs de modulation de phase formés sur le même substrat, la polarisation continue étant appliquée selon la même polarité aux deux guides. La polarisation continue est appliquée entre les métallisations supérieures, reliées pour le continu, et la métallisation inférieure. The invention applies to the formation of an amplitude modulation device of an optical wave comprising two phase modulation devices formed on the same substrate, the continuous polarization being applied according to the same polarity to the two guides. Continuous polarization is applied between the upper metallizations, connected for continuous, and the lower metallization.
Ces objets, caristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles
la figure 1 représente un exemple de modulateur élec trooptique de phase, modifié selon la présente invention ;
les figures 2 et 3 représentent respectivement une vue en coupe schématique et une vue de dessus schématique d'un modulateur électrooptique d'amplitude modifié selon la présente invention.These objects, features and advantages as well as others of the present invention will be explained in more detail in the following description of particular embodiments made in relation to the attached figures among which
FIG. 1 represents an example of an electro-optical phase modulator, modified according to the present invention;
Figures 2 and 3 show respectively a schematic sectional view and a schematic top view of an electrooptical modulator of amplitude modified according to the present invention.
La figure 1 représente, en coupe scbgmatique, un exemple de modulateur électrooptique de la phase d'une onde lumineuse destiné à fonctionner dans la plage des microondes. FIG. 1 represents, in scbgmatic section, an example of an electrooptic modulator of the phase of a light wave intended to operate in the microwave range.
Ce modulateur comprend, sur un substrat 1 de GaAs de type N fortment dopée (N+), une première couche de confinement 2 en GaAlAs, une couche de guide optique proprement dit 3 en GaAs de type N faiblement dopé (N-) et une deuxième couche de confinement 4 sensiblement identique à la première couche de confi- nement 2. Au droit de l'emplacement où l'on veut localiser la propagation de lumière, la couche de confinement 4 comprend une surépaisseur 5. Cette struaure s'étend sur un plan perpendiculaire au plan de la feuille. La région de guide d'onde effective est illustrée dans la coche 3 par une région hachurée 6. This modulator comprises, on a heavily doped N-type GaAs substrate 1 (N +), a first confinement layer 2 made of GaAlAs, an optical guide layer proper 3 made of lightly doped N-type GaAs (N-) and a second confinement layer 4 substantially identical to the first confinement layer 2. In line with the location where it is desired to locate the propagation of light, the confinement layer 4 comprises an additional thickness 5. This structure extends over a plane perpendicular to the plane of the sheet. The effective waveguide region is illustrated in checkmark 3 by a hatched region 6.
L 'onde électrique de modulation est appliquée entre une électode supérieure 7 formée sur la nervure 5 et une électrode inférieure 8 formée sur la face opposée du substrat. On a matisé l'application d'un signal électrique par une source de signal électrique 9. En pratique, les microondes se propageront dans toute la cte, et en particulier dans la région de guide d'ande 3, sous forme d'une onde progressive dans la même direction (même sens ou sens opposé) que la lumière. Classiquement, les couches de confient et de guide d'onde 2, 3 et 4 ont des épaisseurs de l'ordre du microrétre. The electric modulation wave is applied between an upper electrode 7 formed on the rib 5 and a lower electrode 8 formed on the opposite face of the substrate. The application of an electrical signal has been subdued by an electrical signal source 9. In practice, the microwaves will propagate all over the coast, and in particular in the waveguide region 3, in the form of a wave. progressive in the same direction (same direction or opposite direction) as the light. Conventionally, the layers of confidence and waveguide 2, 3 and 4 have thicknesses of the order of a microreter.
Dans les modulateurs classiques, les électrodes 7 et 8 sont réalisées en or ou en aluminium et présentent des contacts ahmiques avec les couches semiconductrices non dopées. In conventional modulators, the electrodes 7 and 8 are made of gold or aluminum and have ahmic contacts with the undoped semiconductor layers.
Selon l 'invention, on prévoit un contact de type
Schottky ou jonction PN entre les électrodes et les couches semi conductrices et on rajoute à la structure précédemment décrite, des moyens pour appliquer un champ continu perpendiculairement à la direction de propagation de la lumière dans la zone de guide d'onde. Dans la figure, ce champ continu est illustré par l'utilisatian d'une source de tensian continue 10 connectée comme la source alternative entre les métallisations 7 et 8.According to the invention, a type of contact is provided.
Schottky or PN junction between the electrodes and the semiconductor layers and we add to the structure described above, means for applying a continuous field perpendicular to the direction of propagation of light in the waveguide area. In the figure, this continuous field is illustrated by the use of a continuous tensian source 10 connected as the alternative source between the metallizations 7 and 8.
En pratique, on s 'aperçoit que l'application d'une telle polarisation continue, si l'on choisit convenablement son intensité, ce qui peut être fait par des essais simples et rapides, permet de modifier la largeur de bande possible des microondes. L'explication actuelle donnée à ce phénomène est que, normalement, la largeur de bande d'un dispositif électrooptique est limitée par la diffèrece d'indice du matériau actif (la ouche 3) pour les ondes optiques et pour les microandes. En appliquant à un matériau semiconducteur de type 111-V une polarisation convenable, on modifie l'indice équivalent de la couche active dans le domaine des microondes pour arriver à le rendre égal à l'indice optique sur une très large bande de fréquence. En d'autre termes, on égalise les vitesses de propagation optiques et microondes. On peut donc moduler en phase la lumière sur une triés large bande de fréquence. In practice, it will be seen that the application of such a continuous polarization, if one chooses its intensity properly, which can be done by simple and rapid tests, makes it possible to modify the possible bandwidth of the microwaves. The current explanation given to this phenomenon is that, normally, the bandwidth of an electrooptical device is limited by the difference in index of the active material (ouche 3) for optical waves and for microands. By applying a suitable polarization to a 111-V type semiconductor material, the equivalent index of the active layer in the microwave domain is modified so as to make it equal to the optical index over a very wide frequency band. In other words, the optical and microwave propagation speeds are equalized. It is therefore possible to phase-modulate the light on a sorted wide frequency band.
Plus généralement, la présente invention s'applique à toute configuration dans laquelle an fait interagir le loeg d'un guide d'ande en matériau semiconducteur de type III-V une onde optique et une onde électrique haute fréquence. More generally, the present invention applies to any configuration in which an causes the loeg of a loop guide of a III-V type semiconductor material to interact with an optical wave and a high frequency electrical wave.
En eux-mêmes, les modulateurs de phase ont peu d'application mais l'on cherche par contre souvent à réaliser des modulateurs d'amplitude optique. De tels modulateurs d'amplitude peu vent être réalises à partir de modulateurs de phase en leur associant divers dispositifs de polarimétrie ou bien en faisant interférer des ondes différemment modifiées en phase. C'est un exemple de ce deuxième type de structure qui est donné en figures 2 et 3, la figure 3 étant une vue de dessus de la figure 2. In themselves, phase modulators have little application, but we often try to make modulators of optical amplitude. Such amplitude modulators can be produced from phase modulators by associating them with various polarimetry devices or else by making waves differently modified in phase. An example of this second type of structure is given in FIGS. 2 and 3, FIG. 3 being a top view of FIG. 2.
En figure 2, on retrace un substrat 1, une couche de confit 2 et une couche de guide d'onde 3. Toutefois, on a considéré un cas où il n'est pas prévu de deuxième couche de confinement mais où il est directement prévu des surépaisseurs de localisation 11 et 12 sur la couche de guide d'onde 3. Chacune de oes surépaisseurs est revêtue d'une métallisation, respectivement 13 et 14, la métallisation sur l'autre face du substrat étant encore désignée par la référence 8. Une onde électrique (microonde) est appliquée par un générateur 15 entre les métallisations de faoe supérieure 13 et 14, de sorte que des champs opposés sont appliquée aux deux régions actives 16 et 17.A ce champ alternatif est superposé un champ continu fourni par une souroe 10, oe champ étant de même polarite pour chacune des régions actives 16 et 17. On a considéré dans le schéma que la source de micmoedes 15 constituaIt un court-circuit pour le courant continu. In FIG. 2, we retrace a substrate 1, a layer of confit 2 and a layer of waveguide 3. However, we have considered a case where no second confinement layer is provided but where it is directly provided location excess thicknesses 11 and 12 on the waveguide layer 3. Each of these thicknesses is coated with a metallization, respectively 13 and 14, the metallization on the other face of the substrate being also designated by the reference 8. An electric wave (microwave) is applied by a generator 15 between the metallizations of upper faoe 13 and 14, so that opposite fields are applied to the two active regions 16 and 17. To this alternating field is superimposed a continuous field provided by a souroe 10, oe field being of the same polarity for each of the active regions 16 and 17. It was considered in the diagram that the source of micmoedes 15 constituted a short-circuit for the direct current.
Dans la vue de dessus de la figure 3, an peut voir les métallisations 13 et 14. De la lumière provenant d'un guide optique d'entrée 20 est envoyée vers chacune des zones actives 16 et 17 puis, après avoir subi des déphasages de sens opposé dans chacune des zones de modulation, est rasserrblée à nouveau dans un guide optique de sortie 21. In the top view of FIG. 3, an can see the metallizations 13 and 14. Light coming from an input optical guide 20 is sent to each of the active zones 16 and 17 then, after having undergone phase shifts opposite direction in each of the modulation zones, is reassembled again in an optical output guide 21.
Pour appliquer le champ électrique original aux régions de modulation, an utilise de préférence des métallisations en un matériau formant avec le semiconducteur de type III-V un contact Schottky tel que les diodes Schottlg résultantes présentent une tension de claquage inverse supérieure à la tension de polarisation continue qu'il convient d'appliquer pour obtenir le résultat recherche. on évite ainsi toute oenscrrrrlation de courant continu. To apply the original electric field to the modulation regions, an preferably uses metallizations of a material forming with the III-V type semiconductor a Schottky contact such that the resulting Schottlg diodes have a reverse breakdown voltage greater than the bias voltage continues to apply to obtain the desired result. this avoids any direct current oenscrrrrlation.
A titre d'exemple, avec une structure du type de celle de la figure 1, dans laquelle l'épaisseur du substrat était de l'ordre de la centaine de micromètres, une tension continue de l'ordre de 25 à 30 volts permettait d'obtenir une linéarisation de l'indice pour les microondes sur une très large bande de fré quence allant de 1 à 20 GigaMrtz. Les contacts Schottky étaient formés en utilisant une couche de métallisation en or-niclsel. For example, with a structure of the type of that of FIG. 1, in which the thickness of the substrate was of the order of a hundred micrometers, a DC voltage of the order of 25 to 30 volts made it possible to '' obtain a linearization of the index for the microwaves on a very broad band of frequency going from 1 to 20 GigaMrtz. Schottky contacts were formed using a gold-niclsel metallization layer.
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