FR2724778A1 - Dispositif a guide d'ondes optique a semiconducteurs, commutateur optique du type a commande optique et dispositif de converstion de longueur d'onde - Google Patents

Dispositif a guide d'ondes optique a semiconducteurs, commutateur optique du type a commande optique et dispositif de converstion de longueur d'onde Download PDF

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Abstract

L'invention concerne l'optoélectronique. Un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs comprend un guide d'ondes optique en forme de ruban (22) dont une partie est une couche active (24) produisant un gain par injection de courant électrique, et une partie est une couche d'absorption résonnante intra-bande (24) dans laquelle une longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande se trouve dans la bande de gain de la couche active, et des moyens pour injecter un courant électrique dans la couche active (24). Application à la commutation de très hauts débits d'information.

Description

La présente invention concerne un dispositif à guide d'ondes optique, et elle concerne plus particulièrement un dispositif à guide d'ondes optique, un interrupteur optique du type à commande optique, et un dispositif de conversion de longueur d'onde pouvant être commandés de façon externe pour accomplir une transition intra-bande dans leur couche de guide d'ondes optique, afin de remplir une fonction attribuée de façon spécifique.
Le développement technologique de l'optoélectronique au cours des dernières années, en particulier en ce qui concerne les lasers à semiconducteurs, les fibres optiques à faibles pertes, les amplificateurs à fibres optiques et les circuits intégrés rapides, a permis de transmettre des données avec un débit accru, atteignant 10 gigabits par seconde, sur une très longue distance. Dans l'ère dite multimédia que l'on prévoit dans le futur proche, on pense que les utilisateurs finals d'un réseau de transmission de données pourront utiliser en temps réel une grande quantité de données, comprenant des images visuelles à haute définition, et pour pouvoir réaliser un tel système, il est indispensable de réaliser d'énormes infrastructures capables de permettre la transmission et le traitement de données rapides.
Cependant, malgré le développement technologique de circuits intégrés rapides, des appareils électroniques conçus pour traiter des données avec un débit supérieur à plusieurs dizaines de gigabits par seconde sont encore très coûteux, à cause d'un certain nombre de problèmes comprenant le retard de transmission de données sur des fils, une consommation d'énergie élevée et un coût de fabrication/assemblage élevé.
Pour tenter de contourner ces problèmes, une nouvelle tehnologie d'acheminement optique, que l'on peut utiliser pour traiter une grande quantité de données que l'on ne peut pas traiter de façon électronique, attire actuellement l'attention.
Pour mettre en place un système d'acheminement optique, il est nécessaire de développer des dispositifs à guide d'ondes optique à semiconducteurs (commutateurs d'acheminement optiques ultra-rapides, du type à commande optique (dispositifs d'acheminement)), de façon que des opérations de commutation puissent être accomplies en quelques picosecondes seulement, et que de telles opérations puissent être répétées sans difficulté un certain nombre de fois.
Les commutateurs optiques ultra-rapides du type à commande optique les plus perfectionnés connus à l'heure actuelle, peuvent être des commutateurs optiques utilisant la non-linéarité d'une fibre optique, et des exemples caractéristiques de tels commutateur8 comprennent des miroirs à boucle optique non linéaire et des obturateurs à effet Kerr. Cependant, un commutateur optique non linéaire réalisé en utilisant une fibre optique a normalement une grande taille et il est très sensible à des vibrations acoustiques, ce qui fait qu'il ne présente pas une stabilité fiable, sans parler d'un coût de fabrication élevé. De plus, lorsqu'on utilise un tel commutateur à titre de dispositif logique optique, il présente un problème qui consiste en une trop longue durée de retard pour chaque étage de fonctionnement.
D'un point de vue pratique, des commutateurs teurs optiques non linéaires comprenant un guide d'ondes optique à semiconducteurs sont prometteurs.
Cependant, un commutateur optique non linéaire à semiconducteurs s'accompagne d'un problème qui consiste en ce que sa non-linéarité est faible, ce qui exige beaucoup trop d'énergie pour des opérations de commutation dans une gamme de longueurs d'onde non résonnantes. Bien qu'il soit fortement non linéaire dans une gamme de longueurs d'onde résonnantes, on ne peut pas le faire fonctionner de façon répétitive, à cause d'une longue durée de vie de porteurs de charges électriques, et il présente un dégré d'absorption accru dans cette gamme de longueurs d'onde. Par conséquent, on ne connaît à l'heure actuelle aucun cor mutateur optique du type à commande optique qui fonctionne de façon rapide et avec un rendement amélioré.
La non-linéarité de guides d'ondes optiques actifs et transparents attire l'attention, du fait qu'elle peut apporter une solution au problème identifié ci-dessus. (Voir, entre autres :C.T. Hultgren et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 59, pages 635-637, 1991,
C.T. Hultgren et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 61, pages 2767-2768, 1992). A cet égard, on a proposé l'utilisation d'un amplificateur à laser à semiconducteurs du type à onde progressive, dans une condition dans laquelle le niveau du courant de polarisation et la longueur d'onde optique sont sélectionnés de façon à équilibrer le gain et les pertes.
Les figures lA à 1C des dessins annexés sont tirées des documents ci-dessus, pour illustrer le changement au cours du temps de la phase d'une impulsion de lumière de sonde émise, après passage à travers une impulsion optique excitée (avec une largeur d'impulsion de 440 fs). On note que le changement au cours du temps de la phase de la lumière de sonde est proportionnel au changement de l'indice de réfraction interne. Sur la figure 1A, l'amplificateur laser à semiconducteurs est polarisé du côté du gain, et le gain peut se saturer lorsqu'une lumière d'excitation intense est appliquée, du fait que des porteurs sont consommés à une vitesse accrue pour amplifier la lumière incidente.Si au contraire l'amplificateur laser à semiconducteurs est polarisé du côté des pertes, comme représenté sur la figure 1C, les pertes sont susceptibles de se saturer, à cause de porteurs excités par une impulsion optique fortement excitée.
Dans un cas comme dans l'autre, le dispositif quitte une condition saturée en une durée qui correspond à la durée de vie des porteurs. Par conséquent, un certain nombre de facteurs qui exigent plusieurs nanosecondes pour le recouvrement à partir de la saturation, peuvent affecter simultanément le changement de l'indice de réfraction, pour rendre le dispositif incapable de fonctionner de manière stable et répétitive à une vitesse élevée.
Au contraire, avec une condition transparente représentée sur la figure lB, il ne se produit ni une saturation du gain ni une saturation des pertes, et par conséquent aucun facteur lent n'apparaît au moment du changement de l'indice de réfraction, ce qui fait que l'on peut utiliser seulement des changements rapides de l'indice de réfraction. De plus, du fait que des pertes quelconques sont compensées par le gain d'émission stimulée qui est occasionné par l'injection de courant, il est possible de réduire les pertes d'insertion à un niveau faible, pour rendre parfaitement réalisable une connexion à plusieurs étages.
Un changement rapide de l'indice de réfraction peut être divisé en une composante de changement négatif qui présente une grande valeur initiale et en une composante de changement positif qui a lieu immédiatement après le changement négatif. On suppose que le changement négatif initial de l'indice de réfraction est occasionné par l'excitation de porteurs qui se produit du fait de l'absorption à deux photons (ou
TPA) et/ou de l'absorption par porteurs libres. Un porteur qui est excité dans un état à énergie élevée perd son énergie en une durée ne dépassant pas 1 picoseconde, par collision avec des phonons et d'autres porteurs, pour donner lieu à une relaxation vers un état à faible énergie.On pense qu'un changement positif se produit dans l'indice de réfraction lorsque la température moyenne de porteurs de charges électriques s'élève (chauffage des porteurs) au cours de la transition d'énergie. Un porteur chauffé perd en outre son énergie lorsqu'il entre en collision avec des phonons, pour retourner à son état d'origine, en une durée de quelques picosecondes. Par conséquent, si on peut utiliser seulement de tels changements rapides de l'indice de réfraction, il est possible d'obtenir un fonctionnement répétitif rapide, à une cadence de plusieurs centaines de gigabits par seconde.
On pense que l'absorption à deux photons est essentiellement attribuable à la non-linéarité dans une gamme de longueurs d'onde non résonnantes. Bien qu'aucune non-linéarité notable ne puisse habituellement être obtenue dans une gamme de longueurs d'onde non résonnantes, une non-linéarité peut être obtenue dans ce cas avec un niveau satisfaisant, du fait que la lumière incidente est dans une gamme de longueurs d'ondes résonnantes. D'après un calcul préliminaire utilisant certaines des valeurs indiquées dans un document de recherche publié (K.L. Hall et al., Appl.
Phys. Lett., Vol. 62, pages 1320-1322, 1993), une puissance de crête exprimée approximativement par la formule 5,2W/L donnera lieu à un déphasage dent de la lumière de sonde, pour une impulsion d'excitation ayant une largeur d'impulsion supérieure à 1 picoseconde, en désignant par L la longueur du dispositif, exprimée en millimètres. En d'autres termes, on peut réaliser une opération de commutation à une puissance de crête d'environ 500 mW en utilisant un dispositif ayant une longueur de 10 mm. Bien qu'une telle puissance de crête puisse réellement être atteinte avec un laser à impulsions à semiconducteurs disponible à l'heure actuelle, il sera nécessaire de réduire le niveau de puissance de crête pour des applications pratiques.
Ainsi, il peut apparaître à première vue qu'il est possible de réaliser une opération de commutation optique rapide au moyen d'un guide d'ondes optique transparent actif. Cependant, en réalité, du fait que des électrons sont excités de façon à passer d'une bande de valence à une bande de conduction sous l'effet de l'absorption à deux photons, la vitesse de fonctionnement réelle est restreinte par l'accumulation de porteurs. Plus précisément, bien que des électrons et des trous excités jusqu'à un niveau d'énergie élevé sous l'effet d'une absorption à deux photons puissent perdre une partie de leur énergie et se relaxer lorsqu'ils tombent à proximité du bas de la bande de conduction ou du haut de la bande de valence.
en une courte durée, de quelques picosecondes, ils sont encore excessivement excités dans cet état. Bien que quelques porteurs seulement puissent être excités par une seule impulsion, il peut apparaître un grand nombre de porteurs excités lorsque l'impulsion est répétée rapidement, jusqu'à ce qu'un état saturé soit atteint pour l'absorption, ce qui fait que la réponse peut fluctuer avec une constante de temps qui correspond à la durée de vie des porteurs (plusieurs nanosecondes), en fonction de la configuration d'excitation.
D'autre part, dans un interrupteur optique du type à commande optique utilisant un guide d'ondes optique transparent actif, des valeurs proches de la longueur d'onde du maximum de gain peuvent avantageusement être sélectionnées pour les longueurs d'onde à la fois de la lumière de signal et de la lumière de commande, afin d'atténuer des bruits, bien que de telles valeurs qui sont proches l'une de l'autre prissent rendre difficile la séparation de la lumière de signal vis-à-vis de la lumière de commande. De plus, un interrupteur optique du type à commande optique à semiconducteurs s'accompagne d'un défaut capital consistant en ce qu'il est incapable d'offrir un rapport d'extinction suffisamment élevé pour le signal de sortie optique, indépendamment du fait qu'il comprenne ou non un guide d'ondes optique transparent actif.On va maintenant envisager ces problèmes cides sous en se référant à un commutateur optique du type à coupleur directionnel non linéaire, comprenant un guide d'ondes optique transparent actif, comme décrit dans un document de recherche publié (S.G. Lee et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 64, pages 454-456, 1994).
La figure 2 des dessins annexés montre une coupe schématique d'un commutateur optique du type à coupleur directionnel non linéaire classique, formé sur un substrat 701 en GaAs de type n. Une couche active 702 formée sur le substrat est en fait une couche à puits quantiques multiples du type GaAs/AlGaAs qui est intercalée entre une couche de gaine 703 en
AlGaAs de type n et une couche de gaine 704 en AlGaAs de type p. Une couche de contact 705 en GaAs de type p est formée sur la couche de gaine 704 en AlGaAs de type p. Une paire de régions de mésa en forme de ruban 706a et 706b sont formées sur la couche de gaine 704 en AlGaAs de type p et sur la couche de contact 705 en
GaAs de type p, pour définir des canaux respectifs pour le guide d'ondes optique.Les régions de mésa ont une largeur de 3 pm et une hauteur de 0,9 pm et elles sont mutuellement séparées d'une distance de 2 pm. Le dispositif a une longueur totale de 1,3 mm. Une électrode supérieure 707 est disposée sur la surface supérieure du dispositif, comprenant les surfaces des régions de mésa, tandis qu'une électrode inférieure 708 est formée sous le substrat, de façon qu'une condition pratiquement transparente puisse être établie pour le signal d'entrée optique, par l'injection de porteurs dans la couche active 702.
Le signal d'entrée optique consiste en lumière pulsée ayant une largeur d'impulsion de 200 fs, et le dispositif est conçu de façon à être commuté pour sélectionner un canal de sortie sous la dépendance du niveau d'énergie du signal d'entrée optique, indépendamment de la lumière de signal ou de la lumière de commande. Le temps nécessaire pour le recouvrement est inférieur à 1 picoseconde. La figure 3 des dessins annexés montre la dépendance du rapport de sortie de chacun des canaux vis-à-vis de l'énergie d'entrée. Sur la figure 3, les lignes en pointillés concernent le mode TE, et on peut apprécier que le rapport de sortie varie entre 1:3 et 1,7:1, tandis que les lignes continues concernent le mode TM, dans lequel le rapport de sortie varie entre 1:3 et 1,4:1.
I1 est indiqué que les signaux de sortie des deux canaux deviennent mutuellement égaux à 6 pJ pour le mode TE.
On ne peut pas réaliser une opération de commutation parfaite entre 0:1 et 1:0 dans le cas cidessus. L'une des raisons de ceci consiste en ce que la longueur du dispositif ne concorde pas nécessairement avec la longueur de couplage complet du coupleur directionnel au moment de l'excitation faible, multipliée par un nombre naturel.Même si une telle discordance n'existe pas et s'il est possible d'obtenir un rapport de sortie de 0:1 au moment de l'excitation faible, on ne peut jamais obtenir un rapport de sortie de 1:0 pour un coupleur directionnel non linéaire, du fait que l'indice de réfraction équivalent à chaque point observable dépend de l'intensité de la lumière en ce point et que les canaux sont couplés, ce qui fait que le rapport des intensités de la lumière des canaux, et donc la valeur de couplage en chaque point, changent en fonction de l'intensité de la lumière d'entrée, ce qui dégrade sévèrement l'uniformité et la symétrie du coupleur directionnel et fait qu'il est pratiquement impossible de placer le dispositif dans une condition parfaite.Ceci est également vrai pour un interrupteur optique du type interféromètre de
Mach-Zehnder asymétrique, pour lequel on ne peut pas obtenir un rapport d'extinction élevé au moment d'une excitation forte, du fait que les performances du guide d'ondes varient à chaque point d'embranchement, entre le moment de l'excitation faible et celui de l'excitation forte.
Le document de recherche précité décrit également un cas dans lequel la lumière de pompe et la lumière de sonde sont polarisées de façon orthogonale.
Une telle technique permet de séparer la lumière de commande et la lumière de signal. Cependant, il est difficile d'intégrer un diviseur de faisceau à polarisation sur un substrat semiconducteur, ce qui fait que la séparation de la lumière de commande et de la lumière de signal est difficile en pratique.
On peut résumer de la manière suivante les problèmes ci-dessus.
Un commutateur optique à semiconducteurs rapide du type à commande optique classique n'est pas capable d'effectuer des opérations de commutation à une vitesse élevée avec un plus faible niveau de puissance. En particulier, si le commutateur optique est celui qui utilise la non-linéarité dans le guide d'ondes optique à semiconducteurs transparent actif, la possibilité de fonctionnement répétitif rapide du dispositif est restreinte par la durée de vie de porteurs qui sont accumulés par absorption à deux photons.De plus, un cl mutateur optique du type à commande optique classique ne peut pas commuter de façon satisfaisante les destinations du signal de sortie optique et ne peut pas séparer de façon satisfaisante la lumière de commande et la lumière de signal, si on désire une opération de commutation optique rapide et ayant un rendement élevé.
Par conséquent, il y a de bonnes raisons de rechercher un commutateur optique du type à commande optique rapide et à rendement élevé, qui ne soit pas restreint par la durée de vie des porteurs.
D'autre part, il peut être approprié d'utiliser la technologie du multiplexage par répartition en fréquence optique pour transmettre et traiter une grande quantité de données par fibre optique, si l'on veut exploiter pleinement les possibilités de grande largeur de bande d'une fibre optique. Par conséquent, on espère qu'il deviendra possible de réaliser en pratique des dispositifs optiques à semiconducteurs capables de changer directement la longueur d'onde optique (dispositifs de conversion de longueur d'onde) sans accomplir un processus de conversion photoélectrique, afin de réaliser des réseaux multiplexés par répartition en fréquence optique, ayant une grande taille et un bon rendement.
On peut utiliser un dispositif de conversion de longueur d'onde pour un démultiplexeur optique conçu pour sélectionner un signal avec des conditions temporelles spécifiques, par conversion de longueur d'onde, dans un système de transmission en multiplex temporel optique qui utilise des impulsions ultra-rapides.
Un dispositif de conversion de longueur d'onde prévu pour être utilisé dans l'une quelconque de ces applications doit satisfaire les exigences d'une large bande de conversion de longueur d'onde, de possibilité de conversion de longueur d'onde continue à l'intérieur de la bande, de réponse à des signaux modulés de façon rapide, et de rendement de conversion élevé. Des efforts ont été faits et sont actuellement en cours pour développer des dispositifs de conversion de longueur d'onde qui utilisent le mélange à quatre ondes dans des amplificateurs lasers à semiconducteurs du type à ondes progressives, pour la conversion de longueur d'onde, afin de satisfaire les exigences cidessus.
La figure 4 du dessin annexé montre schématiquement un système de conversion de longueur d'onde comprenant un dispositif de conversion de longueur d'onde classique qui utilise le mélange à quatre ondes dans un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives, pour la conversion de longueur d'onde. On notera que des spectres optiques sont représentés pour des stades de fonctionnement respectifs.
En se référant à la figure 4, on note que le dispositif de conversion de longueur d'onde comprend un guide d'ondes optique à semiconducteurs ayant une double hétérostructure et réalisé en intercalant une couche active 802 en InGaAs entre une couche de gaine 803 en InP de type p et un substrat de type n 801 qui remplit également la fonction d'une couche de gaine de type n, une paire d'électrodes 804, 805 pour injecter un courant électrique dans la couche active 802 et des pellicules antireflets 806 pour éviter toute réflexion de lumière sur les extrémités opposées du guide d'ondes optique à semiconducteurs.
Avec un dispositif de conversion de longueur d'onde ayant la configuration décrite ci-dessus, un gain d'émission stimulée se produit du fait de l'inversion de population de porteurs qui sont injectés dans la couche active 802, avec une concentration élevée, pour amplifier ainsi toute lumière se propageant à travers le guide d'ondes optique, avec une longueur d'onde qui se trouve à l'intérieur de la bande de gain. De plus, du fait que des pellicules antireflets 806 sont disposées aux extrémités opposées du guide d'ondes optique, toute oscillation laser est empêchée, pour permettre de réaliser une amplification optique avec un gain élevé si un courant électrique d'intensité élevée est injecté.
Lorsqu'une lumière d'excitation W1 ayant une pulsation Wl et une lumière de signal W2 ayant une pulsation W2 sont combinées et appliquées au dispositif de conversion de longueur d'onde, un changement égal à la pulsation 11= wî - - 2 se produit dans l'intensité du champ optique, sous l'effet de battements qui sont produits par la lumière d'excitation et la lumière de signal.
Ainsi, de la lumière ayant une pulsation La sera modulée à la fois en intensité et en phase par une pulsation Q, pour produire des composantes de pulsation # + n Q, à cause de la réponse non linéaire du gain et de l'indice de réfraction vis-a-vis de l'intensité du champ optique interne de la couche active 802 en InGaAsP.
Si l'on suppose ici que la puissance P1(0) de la lumière d'excitation est très supérieure à la puissance P2(0) de la lumière de signal à l'extrémité du côté d'entrée z=0, alors une lumière conjuguée W3 ayant une pulsation W3 (= Wl + Q) apparaît avec la lumière d'excitation W1 ayant la pulsation W1 et la lumière de signal W2 ayant la pulsation LL)2, 2, à l'exté- mité du côté de sortie z=1, et la lumière conjuguée W3 ayant la pulsation #3 est prélevée sélectivement au moyen d'un filtre optique à bande étroite 807.Du fait que le niveau de puissance de sortie de la lumière conjuguée est faible, cette lumière est normalement amplifiée par un amplificateur optique 808 avant d'être utilisée.
Lorsque la lumière de signal est modulée en intensité ou en fréquence, la lumière conjuguée est également produite dans un état modulé en termes d'intensité ou de fréquence. En d'autres termes, la lumière qui est l'onde porteuse de signal subit une conversion de longueur d'onde, tandis que le spectre de la lumière conjuguée est inversé par rapport à celui de la lumière de signal d'origine.
On peut expliquer ce phénomène par le mélange à quatre ondes de #3 = W1 + Wl - W2, le terme W1 pouvant être supérieur ou inférieur à U;2.
La longueur d'onde du signal peut être convertie en n'importe quelle valeur se trouvant à l'intérieur de la bande, en accordant c31. Conformément au document de J. Zhou et al., IEEE Photonics Technol. Lett., Vol.
6, n 1, pages 50-52, 1994, le rendement de conversion de longueur d'onde # s'exprime, en dB, par la relation ci-dessous M = 10 log10 (P3(1)/P2(0))
Figure img00130001

dans laguelle G [dBj est le gain de l'amplificateur et
I ÇdBi est la puissance de la lumière d'excitation, p qui est égale à 101Og10Pl(0), tandis que Cm et (m = 1, 2, 3) représentent rospectivement les coefficients de couplage complexes et les constantes de temps de trois causes principales du mélange à quatre ondes.
Le rendement de conversion t est normalement un nombre élevé, du fait qu'il est proportionnel au cube du gain d'amplification G et au carré de la puissance I de la lumière d'excitation.
p
Les trois causes principales du mélange à quatre ondes sont un changement de la densité de porteurs (m = 1), le chauffage des porteurs (m = 2) et le phénomène dit de brûlure de trou spectral (m = 3).
Le mélange à quatre ondes occasionné par le changement de densité de porteurs s'observe lorsque le nombre de porteurs dans des régions ayant un champ optique intense est réduit par émission stimulée, ce qui réduit le gain et change l'indice de réfraction.
Sa constante de temps est commandée par la durée de vie effective des porteurs, en prenant en considération l'émission stimulée.
Le chauffage des porteurs apparaît lorsque la température des porteurs est augmentée sous l'effet de l'absorption de lumière intra-bande et/ou l'émission stimulée, ce qui change le gain et l'indice de réfraction. Sa constante de temps est commandée par le temps nécessaire pour que les porteurs se relaxent de façon à présenter la configuration de distribution d'énergie correspondant à la température du réseau cristallin, sous l'effet de collisions inélastiques et d'autres phénomènes.
Le phénomène de brûlure de trou spectral s'observe lorsque la configuration de distribution d'énergie de porteurs est décalée par rapport à la distribution de Fermi, également sous l'effet de l'absorption de lumière intra-bande et/ou de l'émission stimulée, ce qui change le gain et l'indice de réfraction. Sa constante de temps est commandée par le temps nécessaire pour que des porteurs se relaxent et retournent dans une condition dans laquelle ils présentent la distribution de Fermi, sous l'effet de collisions entre porteurs et d'autres phénomènes.
La figure 5 est une représentation graphique montrant la dépendance du rendement de conversion de longueur d'onde # vis-à-vis de # , pour un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives et à puits quantiques multiples en InGaAs/
InGaAsP soumis à des contraintes de traction. Dans la représentation graphique, les petits carrés correspondent à la condition w2 > W3, tandis que les petits cercles correspondent à la condition w 2 # #3 Cette représentation montre que la conversion de longueur d'onde peut être réalisée sur une gamme étendue de 3,4 THz (une différence de longueur d'onde de 27 nm).
En ajustant la représentation graphique à la relation (1) ci-dessus, on obtient : C1= 0,24e-i1,30 et t1 = 200 ps, C2 = 0,0027e-i1,30 et C2 = 650 fs et
C3 = 0,00048e-i1,53 et #3 = 50 fs.
Les fréquences de coupure (différences de longueur d'onde) qui correspondent aux constantes de temps 2, Z2 et #3, sont respectivement de 800 MHz (0,0064 nm), 240 GHz (1,9 nm) et 3,4 THz (27 nm).
La ligne en pointillés sur la figure 5 montre la pente de 20 dB/décade. Si seuls des changements de la densité de porteurs interviennent, le rendement de conversion de longueur d'onde # tombe le long de cette ligne. Par conséquent, la déviation vers le haut des lignes de rendement de conversion, à partir de 1 nm, est occasionné par le chauffage des porteurs, tandis que la déviation à partir de 20 nm est attribuable au phénomène de brûlure de trou spectral. Bien que le chauffage des porteurs joue un rôle important dans le décalage de longueur d'onde entre 1 et 10 nm, le rendement de conversion reste compris entre -50 dB et -65 dB, du fait que la valeur absolue de C2 n'est pas suffisamment grande.
Autrement dit, bien que la technique de conversion de longueur d'onde au moyen d'un dispositif de conversion de longueur d'onde classique utilisant l'effet de mélange à quatre ondes d'un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives connu, soit efficace pour une conversion sur une grande largeur de bande, correspondant à plus de 10 nm de différence de longueur d'onde, grâce à la nonlinéarité du chauffage des porteurs, elle est médiocrement efficace pour une conversion sur 1 nm de différence de longueur d'onde, du fait que la nonlinéarité du chauffage des porteurs n'est pas suffisamment importante.
Par conséquent, dans une conversion de longueur d'onde avec une différence de longueur d'onde supérieure à 1 nm, on trouve que la puissance de la lumière conjuguée est faible par rapport aux niveaux de puissance de la lumière d'excitation, de la lumière de signal et de bruits de l'amplificateur laser à semiconducteurs. Plus précisément, le niveau de puissance de la lumière conjuguée est inférieur d'environ 20 dB au niveau de puissance de sortie de la lumière de signal et d'environ 40 dB à celui de la lumière d'excitation. La différence entre le niveau de bruit de l'émission spontanée amplifiée (ou ASE) et le niveau de puissance de la lumière conjuguée est au plus voisin de 20 dB.
Par conséquent, le rapport d'extinction du filtre optique à bande étroite 805 destiné à prélever seulement la lumière conjuguée ( W3) dans le signal de sortie optique ( W1, Cru2' N3) doit être rigoureusement défini, bien que le problème d'un mauvais rapport signal à bruit (rapport S/B) soit néanmoins aggravé.
On peut résumer les problèmes ci-dessus de la manière suivante.
Du fait qu'un dispositif de conversion de longueur d'onde classique utilisant l'effet de mélange à quatre ondes d'un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives connu, ne manifeste pas une non-linéarité remarquable par chauffage des porteurs, le rendement de conversion de longueur d'onde pour une différence de longueur d'onde supérieure à 1 nm est assez faible. Par conséquent, le rapport d'extinction du filtre optique à bande étroite du dispositif doit être rigoureusement défini, bien que le problème d'un mauvais rapport signal à bruit (rapport S/B) soit néanmoins aggrave.
I1 y a donc de bonnes raisons pour rechercher un dispositif de conversion de longueur d'onde ayant un rendement élevé.
D'autre part, il peut être approprié d'utiliser la technologie du multiplexage de fréquence optique (ou FDM optique) et celle du multiplexage temporel optique (ou TDM optique) pour transmettre et traiter une grande quantité de données par fibre optique, pour pouvoir exploiter pleinement les possibilités de grande largeur de bande d'une fibre optique. On considère donc que le développement de dispositifs optiques ayant de nouvelles caractéristiques fonctionnelles est indispensable pour réaliser des réseaux en multiplex de fréquence optique et des réseaux en multiplex temporel optique qui soient à la fois étendus et efficaces.
A titre d'exemple, dans un réseau en multiplex de fréquence/temporel optique, on prévoit que des noeuds de conversion de longueur d'onde, comme représenté sur la figure 9 des dessins annexés, joueront un rôle primordial dans la commutation des signaux et la réutilisation de canaux de longueur d'onde. En se référant à la figure 9, on note que lorsqu'une lumière de signal (longueur d'onde A q) et une lumière d'excitation intense Ap sont introduites p dans un dispositif de conversion de longueur d'onde 901, de la lumière conjuguée de signal (longueur d'onde A ) est également produite, par mélange à
c quatre ondes.On peut obtenir un signal de sortie de conversion de longueur d'onde ayant une intensité suffisante en prélevant seulement la composante Ac au moyen d'un filtre de longueur d'onde à bande étroite 902, et en l'amplifiant au moyen d'un amplificateur à fibre optique 903.
Cependant, des filtres de longueur d'onde accordables connus quelconques peuvent difficilement commuter Ac à une vitesse élevée. Des filtres de longueur d'onde à accord mécanique et des filtres de longueur d'onde accordables qui utilisent des effets acousto-optiques sont trop lents pour des opérations de commutation, et il n'est pas possible de les utiliser pour les applications ci-dessus.Bien que des filtres de longueur d'onde accordables réalisés en utilisant des lasers à semiconducteurs du type à réaction répartie (ou DFB), et des lasers à semiconducteurs du type à reflecteur de Bragg réparti (ou
DBR), soient capables d'effectuer une commutation rapide, ils ne conviennent pas à titre de filtres pour des signaux impulsionnels optiques courts, du fait qu'ils sont d'un type résonnant et sont susceptibles d'étaler l'impulsion, c'est-à-dire d'augmenter sa largeur, par des réflexions multiples.Par conséquent, le seul moyen possible de commuter ) q à vitesse q élevée au moyen de techniques connues, consiste à appliquer le signal de sortie d'un dispositif de conversion de longueur d'onde 901 à un ensemble de filtres optiques à bande étroite, et à sélectionner l'un des signaux de sortie de ces filtres, et ce procédé est inefficace dans tous les sens du mot.
I1 est sans doute inutile de dire que le développement technologique de réseaux en multiplex de fréquence/temporel optique, sans parler de celui de filtres de longueur d'onde accordables, est fortement tributaire de dispositifs optiques originaux développés sur la base de nouvelles théories et comportant de nouvelles caractéristiques fonctionnelles.
I1 y a donc de bonnes raisons de rechercher un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs ayant un rendement élevé (tel qu'un filtre de longueur d'onde accordable) qui ne peut pas être obtenu par des techniques classiques, afin de réaliser des réseaux en multiplex de fréquence/temporel optiques pour l'ère multimédia qui s'annonce.
Un but de l'invention est donc de procurer un commutateur optique du type à commande optique, à vitesse élevée/rendement élevé, qui ne soit pas limité par la durée de vie des porteurs.
Un autre but de l'invention est de procurer un commutateur optique du type à commande optique qui puisse séparer aisément la lumière de commande et la lumière de signal, et qui puisse sélectionner de façon pratiquement parfaite la destination de la lumière de sortie de signal, par commutation.
Un autre but encore de l'invention est de procurer un dispositif de conversion de longueur d'onde qui fonctionne avec un rendement de conversion supérieur à celui de n'importe quels dispositifs classiques comparables.
Un but supplémentaire de l'invention est de procurer un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs qui puisse également être appliqué à des sources lumineuses à fonctions multiples et à des dispositifs de réception de lumière.
Comme on le décrira en détail ci-après, l'essence des premier et second aspects de l'invention réside dans le fait que, dans un commutateur optique du type à commande optique qui utilise la non-linéarité d'un guide d'ondes optique transparent actif, la structure à couches du guide d'ondes optique est constituée au moins partiellement par un matériau dont la longueur d'onde de résonance d'absorption intrabande est pratiquement égale à la longueur d'onde de la lumière incidente, de façon que la non-linéarité qui est due à l'absorption intra-bande devienne plus forte que la non-linéarité qui est due à l'absorption à deux photons.
Le premier aspect de l'invention procure un commutateur optique du type à commande optique dans lequel au moins un paramètre parmi la destination, l'intensité, la longueur d'onde et la phase d'une lumière de sortie de signal est commandé par une lumière de commande, ce commutateur comprenant un guide d'ondes optique à semiconducteurs en forme de ruban, une partie du guide d'ondes optique à semiconducteurs étant une couche active, des moyens pour introduire et extraire la lumière de signal et la lumière de commande, et des moyens pour réguler la densité d'électrons et de trous de la couche active, afin d'établir un équilibre entre les pertes et le gain du guide d'ondes optique à semiconducteurs à la longueur d'onde de la lumière de signal et de la lumière de commande et à son voisinage, dans lequel une partie du guide d'ondes optique à semiconducteurs est formée par un matériau ayant une longueur d'onde de résonance intra-bande pratiquement égale à la longueur d'onde de la lumière de commande.
Dans le cadre de l'invention, le terme "absorption intra-bande" désigne de façon spécifique une absorption inter-bande de valence, à partir d'une bande de trous lourds ou légers vers une bande de séparation spin-orbite, et une absorption entre sousbandes dans un puits quantique.
Le second aspect de la présente invention procure un commutateur optique du type à commande optique comprenant des moyens d'aiguillage de lumière de signal destinés à recevoir de la lumière de signal et à l'aiguiller vers des premier et second chemins optiques intermédiaires, un guide d'ondes d'entrée de lumière de commande destiné à rececoir de la lumière de commande, un premier coupleur optique pour coupler le guide d'ondes d'entrée de lumière de commande et le premier chemin optique intermédiaire, respectivement à des premier et second guides d'ondes optiques, un second coupleur optique pour coupler les premier et second guides d'ondes optiques respectivement à un troisième chemin optique intermédiaire et un chemin optique de sortie de lumière de commande, un chemin optique de référence pour transmette la lumière aiguillée vers le second chemin optique intermédiaire, et un coupleur optique de sortie pour coupler le troisième chemin optique intermédiaire et le chemin optique de référence respectivement à des premier et second chemins optiques de sortie de lumière de signal, dans lequel l'étendue entre le premier coupleur optique et le second coupleur optique constitue un premier interféromètre de Mach-Zehnder destiné à transmettre essentiellement la lumière de signal vers le troisième chemin optique intermédiaire, indépendamment de la présence ou de l'absence de la lumière de commande, et la phase de la lumière de signal qui est transmise aux premier et second chemins optiques de sortie de lumière de signal est décalée par l'effet optique non linéaire des premier et second guides d'ondes optiques, tandis que la phase de la lumière de signal qui se propage à travers le troisième chemin optique intermédiaire est décalée conformément à la présence ou à l'absence de lumière de commande, de façon à sélectionner, par commutation, la destination de la lumière de sortie de signal principale du coupleur optique de sortie.
Certains des modes de réalisation préférables de l'invention comprennent les caractéristiques suivantes.
(1) Les moyens d'aiguillage de lumière de signal peuvent former un embranchement en Y ou peuvent être un coupleur optique 1:1. Pour que le premier interféromètre de Mach-Zehnder transmette la lumière de signal principalement vers le troisième chemin optique intermédiaire, indépendamment de la présence ou de l'absence de lumière de commande, les premier et second coupleurs optiques doivent être des coupleurs optiques 1:1, et les premier et second guides d'ondes optiques doivent être mutuellement symétriques.
(2) Un second interféromètre de Mach-Zehnder, similaire au premier interféromètre de Mach-Zehnder, doit être formé par l'étendue comprise entre le second chemin optique intermédiaire et le chemin optique de référence. Plus précisément, il est préférable que le second interféromètre de Mach-Zehnder soit constitué par un troisième coupleur optique destiné à coupler le second guide d'ondes d'entrée de lumière de commande et le second chemin optique intermédiaire, respectivement aux troisième et quatrième guides d'ondes optiques, et par un quatrième coupleur optique destiné à coupler les troisième et quatrième guides d'ondes optiques respectivement au chemin optique de référence et au second chemin optique de sortie de lumière de commande, et intercalé entre le second chemin optique intermédiaire de la sortie des moyens d'aiguillage de lumière de signal et l'entrée du chemin optique de référence du coupleur optique de sortie, afin d'assurer la symétrie avec le chemin optique du premier interféromètre de Mach-Zehnder.
(3) Les premier et second guides d'ondes optiques sont constitués par des guides d'ondes à semiconducteurs actifs qui comportent des moyens d'injection de courant d'électrons et qui sont polarisés de façon à établir un équilibre entre le gain et les pertes pour la lumière de faible puissance ayant la longueur d'onde de la lumière de commande. Dans un commutateur optique du type à commande optique comprenant un second interféromètre de Mach-Zehnder, comme décrit ci-dessus, il est préférable que les troisième et quatrième guides d'ondes optiques aient la même configuration respectivement que les premier et second guides d'ondes optiques.
(4) Le dispositif entier est formé de façon monolithique sur un substrat semiconducteur.
(5) Des moyens sont incorporés pour réguler la phase de la lumière qui est introduite dans le second coupleur optique, à partir du premier guide d'ondes optique, et celle de la lumière qui est introduite dans le second coupleur optique à partir du second guide d'ondes optique.
(6) Des moyens sont incorporés pour réguler la phase de la lumière qui est introduite dans le coupleur optique de sortie à partir du chemin optique de référence, et celle de la lumière qui est introduite dans le coupleur optique de sortie à partir du troisième chemin optique intermédiaire.
Des porteurs (électrons et trous) sont présents avec une densité élevée à l'intérieur du guide d'ondes optique à semiconducteurs d'un commutateur optique à semiconducteurs du type à commande optique conforme au premier aspect de l'invention, du fait de l'injection de courant électrique. Le guide d'ondes optique est polarisé de façon à établir un équilibre entre la vitesse de génération de porteurs qui est occasionnée par l'absorption inter-bande, et celle de la perte de porteurs qui est attribuable à l'émission stimulée, pour la longueur d'onde de la lumière d'excitation. Par conséquent, le nombre de porteurs dans le guide d'ondes optique ne change pas notablement si la lumière d'excitation lui est appli quée à nouveau. D'autre part, du fait que la longueur d'onde de la lumière d'excitation et la longueur d'onde de résonance de l'absorption inter-bande sont pratiquement égales l'une à l'autre, certains des porteurs absorbent l'énergie de la lumière d'excitation pour devenir excités à un niveau d'énergie plus élevé, et les porteurs qui sont présents à l'origine sont excités dans la bande, ce qui fait que, globalement, le nombre de porteurs ne change pas. Du fait que la configuration de distribution d'énergie des porteurs change, l'indice de réfraction et le coefficient de transmission changent fortement et de manière abrupte, bien que les porteurs chauds excités rétablissent l'équilibre d'origine en une courte durée, à cause de la relaxation intra-bande.En d'autres termes, bien que l'indice de réfraction et le coefficient de transmission puissent changer fortement dès qu'une impulsion d'excitation est appliquée au guide d'ondes optique, ces paramètres sont rétablis aux niveaux d'origine respectifs en quelques picosecondes après la suppression de l'impulsion d'excitation.
D'un point de vue strict, la densité de porteurs change également légèrement par l'absorption à deux photons occasionnelle. Cependant, du fait que l'absorption intra-bande est renforcée par résonance, on peut utiliser le guide d'ondes optique avec une lumière d'excitation ayant un niveau de puissance inférieur à celui de son homologue utilisée pour un guide d'ondes transparent actif classique, de façon à supprimer l'influence de l'absorption à deux photons, pour que l'influence d'un changement durable dans la réponse qui est due à l'accumulation de porteurs puisse être effectivement supprimée dans tout fonctionnement repétitif rapide.
Dans un commutateur à semiconducteurs du type à commande optique conforme au second aspect de l'invention, les moyens d'aiguillage de lumière de signal aiguillent la lumière de signal en formant une première composante qui est dirigée vers le premier chemin optique intermédiaire et qui est destinée à interférer avec la lumière de commande, et une seconde composante qui est dirigée vers le second chemin optique intermédiaire pour former de la lumière de référence, avec un rapport de 1:1. Ensuite, la lumière de signal est aiguillée par le premier coupleur optique vers les premier et second guides d'ondes optiques avec un rapport de 1:1.En outre, si la lumière de commande qui provient du premier guide d'ondes d'entrée de lumière de commande est introduite en synchronisme avec la lumière de signal, la lumière de commande est également aiguillée par le premier coupleur optique vers les premier et second guides d'ondes optiques avec un rapport de 1:1. Si une telle lumière de commande est présente, la phase de la lumière de signal se propageant à travers le premier guide d'ondes optique est décalée de 8 par un effet optique non linéaire. Si la non-linéarité du troisième ordre intervient, le déphasage est proportionnel à la puissance de la lumière de commande. La phase de la lumière de signal se propageant à travers le second guide d'ondes optique est alors également décalée de #.
Comme décrit ci-dessus, la relation entre les phases des deux lumières qui sont introduites dans le second coupleur optique est constante, indépendamment de la présence ou de l'absence de lumière de commande. Du fait que le second coupleur optique est un coupleur 1:1, comme le premier coupleur optique, la lumière de signal est émise vers le troisième chemin optique intermédiaire du fait du principe de réciprocité, indépendamment de la presence ou de l'absence de lumière de commande. D'autre part, la lumière de commande est aiguillée vers les chemins optiques de sortie de lumière de commande. I1 en résulte que la lumière de signal et la lumière de commande sont séparées l'une de l'autre.On notera que, du fait que la lumière de signal est beaucoup plus faible que la lumière de commande, son déphasage propre est négligeable, et que, du fait que les premier et second coupleurs optiques sont des coupleurs passifs avec une faible non-linéarité, le rapport d'aiguillage n'est pas notablement affecté par la présence de la lumière de commande.
La phase de la lumière de signal qui est introduite dans le coupleur optique de sortie à partir du second coupleur optique, par l'intermédiaire du troisième chemin optique intermédiaire, est décalée de
s'il y a de la lumière de commande provenant du premier guide d'ondes d'entrée de lumière de commande.
D'autre part, la phase de la lumière de signal de référence qui est aiguillée vers le second chemin optique intermédiaire est constante, indépendamment de la présence ou de l'absence de lumière de commande provenant du premier guide d'ondes d'entrée de lumière de commande, et la lumière est introduite dans le coupleur optique de sortie à partir du chemin optique de référence.
Ainsi, le rapport de sortie entre la lumière de signal qui est émise par le coupleur optique de sortie vers le premier chemin optique de sortie, et celle qui est émise vers le second chemin optique de sortie, est modifié par la phase de la lumière de signal provenant du troisième chemin optique intermédiaire et par celle de la lumière provenant du chemin optique de référence. Si maintenant la structure est telle que le signal de sortie est émis vers le premier chemin optique de sortie en l'absence de lumière de commande, et le déphasage qui est produit par la lumière de commande est égal à Ir ou à t multiplié par un nombre impair, alors la destination du signal de sortie est entièrement commutée par le lumière de commande vers le second chemin optique de sortie.De cette manière, le rapport de sortie de la lumière de signal peut être pratiquement parfaitement commuté de 0:1 à 1:0, sans le risque de mélanger de la lumière de commande dans la lumière de signal.
I1 faut cependant noter que la lumière de signal du troisième chemin optique intermédiaire et celle du chemin optique de référence peuvent présenter une discordance en termes d'intensité et de largeur d'impulsion, au point de s'opposer à une commutation parfaite, du fait de l'existence des premier et second guides d'ondes optiques et des premier et second coupleurs optiques. Si tel est le cas, la lumière de signal qui est émise vers le coupleur optique de sortie à partir du troisième chemin optique intermédiaire, et celle qui est émise vers le coupleur optique de sortie à partir du chemin optique de référence peuvent être rendues équivalentes pour garantir une commutation parfaite, en incorporant un second interféromètre de Mach-Zehnder, ayant la même configuration que le premier interféromètre de Mach-Zehnder, du côté du chemin optique de référence.Lorsque le commutateur optique est utilisé en dispositif d'acheminement, il n'est pas nécessaire d'introduire de la lumière de commande dans le second interféromètre de
Mach-Zehnder à partir du second guide d'ondes d'entrée de lumière de commande.
On peut réaliser une commutation optique rapide, et celle-ci ne sera pas affectée par la durée de vie des porteurs, si les premier et second guides d'ondes optiques sont des guides d'ondes à semiconducteurs actifs qui sont polarisés de manière à établir un équilibre entre le gain et les pertes pour la lumière de faible puissance ayant la longueur d'onde de la lumière de commande. Si on utilise des guides d'ondes à semiconducteurs pour les premier et second guides d'ondes optiques d'un dispositif conforme à l'invention, ce sont de préférence des guides d'ondes optiques transparents actifs afin de minimiser les pertes et de maximiser la non-linéarité, du fait que la section de guide d'ondes optique du dispositif est susceptible d'être assez longue.Si on utilise les troisième et quatrième guides d'ondes optiques, ce sont également de préférence des guides d'ondes optiques transparents actifs, comme les premier et second.
Si un commutateur optique du type à commande optique conforme à l'invention est formé de façon monolithique sur un substrat semiconducteur, les interferomètres de Mach-Zehnder peuvent être aisément disposés de façon symétrique. Si tel est le cas, du fait que le nombre de points de contact des guides d'ondes optiques est réduit et que les composants sont affectés de façon uniforme par un changement de température, le dispositif peut bénéficier d'une stabilité et d'une fiabilité accrues, sans parler de pertes de connexion réduites et de la possibilité de réduire les dimensions et de diminuer le coût de fabrication.
Si les premier et second guides d'ondes optiques présentent une petite discordance dans la disposition symétrique, une séparation imparfaite de la lumière de signal et de la lumière de commande peut se produire dans le second coupleur optique, bien qu'une telle discordance puisse être compensée par l'insertion de moyens pour décaler la phase de l'un des guides d'ondes optiques par rapport à celle de l'autre. Cette description s'applique également au second interféromètre de Mach-Zehnder constitué par les troisième et quatrième guides d'ondes optiques, et au troisième interféromètre de Mach-Zehnder constitué par le premier interféromètre de Mach-Zehnder et par le chemin optique de référence (ou le second interféromètre de Mach-Zehnder).En particulier, si les moyens d'aiguillage de signal sont conçus pour réaliser un aiguillage en Y symétrique, et par conséquent si les deux chemins optiques qui résultent de l'aiguillage sont parfaitement symétriques, le rapport d'aiguillage entre le premier chemin optique de sortie et le second est 1:1 en l'absence de lumière de commande. Ceci signifie que la phase du signal de sortie de l'un ou l'autre des chemins optiques doit être décalée de lr/2 par rapport à la phase du signal de sortie de l'autre, depuis le tout début, pour permettre à un seul des chemins optiques de sortie de lumière de signal de produire son signal de sortie.On peut réaliser de tels moyens de régulation de phase en disposant un modulateur de phase sur les guides d'ondes optiques ou en introduisant de la lumière de polarisation à partir du second guide d'ondes d'entrée de lumière de commande.
Comme décrit ci-après, le troisième aspect de la présente invention est essentiellement caractérisé par l'utilisation d'un guide d'ondes optique à semiconducteurs pour un dispositif de conversion de longueur d'onde, dans le but d'améliorer le rendement de conversion, le guide d'ondes optique à semiconducteurs comprenant une couche de semiconducteur ayant une longueur d'onde de résonance d'absorption intrabande qui se trouve à l'intérieur de la largeur de bande de gain de l'amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives du dispositif.
Plus précisément, un dispositif de conversion de longueur d'onde conforme au troisième aspect de l'invention comprend un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives ayant un guide d'ondes optique à semiconducteurs qui est formé en intercalant une couche active entre une paire de couches de gaine, dans lequel de la lumière ayant une pulsation différente de celle de la lumière qui est introduite dans le guide d'ondes optique à semiconducteurs est générée par mélange à quatre ondes dans le guide d'ondes optique à semiconducteurs, et dans lequel le guide d'ondes optique à semiconducteurs comporte une couche de semiconducteur ayant une longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande qui se trouve à l'intérieur de la bande de gain de l'amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives.
La couche de semiconducteur peut être la couche active elle-même, une partie des couches de gaine ou une couche indépendante de la couche active et des couches de gaine, à condition quelle couvre une partie de la zone de distribution de puissance de la lumière guidée à travers le guide d'ondes optique à semiconducteurs.
Dans le cadre de l'invention, le terme "absorption intra-bande" désigne de façon spécifique l'absorption inter-bande de valence depuis une bande de trous lourds ou légers vers une bande de séparation spin-orbite, et l'absorption entre sous-bandes d'un puits quantique.
Le mélange à quatre ondes est un processus non linéaire consistant à mélanger trois lumières d'entrée dans un milieu non linéaire pour produire une quatrième lumière de sortie. Les trois ondes lumineuses d'entrée comprennent deux lumières d'excitation et une lumière de signal, parmi lesquelles les deux lumières d'excitation peuvent être les mêmes. Si tel est le cas, le nombre de lumières d'entrée est en fait de deux seulement.
On suppose ici qu'une première lumière ayant une pulsation de W1 et une seconde lumière ayant une pulsation de W2 = #1 - n (avec indifférent de zéro) se trouvant à l'intérieur de la bande de longueur d'onde de gain de l'amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives, sont introduites dans le dispositif. Ensuite, une troisième lumière ayant une pulsation de z3 = z1 + R est générée et produite sous l'effet du mélange à quatre ondes dans le guide d'ondes optique à semiconducteurs.
La susceptibilité non linéaire d'un dispositif de conversion de longueur d'onde conforme au troisième aspect de l'invention, attribuable à la transition entre sous-bandes de la bande de conduction et de la bande de valence, et/ou à la transition intra-bande (absorption intra-bande), comme la transition inter-bande de valence, est supérieure à la susceptibilité non linéaire attribuable à la transition inter-bande.
Si la longueur d'onde de la lumière incidente concorde avec la longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande, la distribution d'énergie des porteurs à l'intérieur de la bande change considérablement sous l'effet de l'absorption résonnante intra-bande, ce qui a pour conséquence de changer le coefficient d'absorption et l'indice de réfraction, ce qui permet d'obtenir un rendement de conversion plus élevé que le rendement de conversion (= Q x coefficient de couplage complexe, en désignant par t une constante) qui résulte du chauffage des porteurs lorsque aucune absorption résonnante intra-bande n'a lieu.
Ainsi, un dispositif de conversion de longueur d'onde conforme à l'invention et comprenant un guide d'ondes optique à semiconducteurs ayant une couche de semiconducteur avec une longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande disposée dans la largeur de bande de gain de l'amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives du dispositif, peut procurer un rendement de conversion supérieur à celui de dispositifs de conversion de Icogur d'onde classiques, sans absorption résonnante intrabande.
Avec un dispositif de conversion de longueur d'onde conforme à l'invention, des porteurs qui sont excités jusqu'à un niveau d'énergie élevé retournent au niveau d'énergie d'origine par relaxation, comme décrit ci-dessous.
Le processus de relaxation fait intervenir une transition vers une bande d'énergie inférieure par collisions avec des phonons, une relaxation vers la distribution de Fermi par l'intermédiaire de collisions de porteurs et une relaxation de la température des porteurs vers la température du réseau cristallin, par des collisions avec des phonons. Ces modes de relaxation sont fondamentalement identiques aux modes de relaxation qui résultent du phénomène de brûlure de trou spectral et de chauffage des porteurs. La durée du processus de relaxation est en fait fonction de la relaxation à partir de la condition de chauffage des porteurs, qui a lieu le plus lentement parmi tous les modes indiqués ci-dessus, mais qui ne prend qu'une courte durée, de quelques centaines de femtosecondes à quelques picosecondes.Par conséquent, même si la lumière d'excitation et la lumière de signal présentent une grande différence de longueur d'onde, la chute du rendement de conversion reste très faible sur une grande largeur de bande.
Par conséquent, le troisième aspect de l'invention procure un dispositif de conversion de longueur d'onde qui peut accomplir une conversion de longueur d'onde avec un rendement très élevé sur une grande largeur de bande.
Un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme au quatrième aspect de l'invention comprend un guide d'ondes optique constitué par une seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs consistant en un matériau qui a une bande interdite suffisamment supérieure à celle d'une première couche de guide d'ondes optique à semicon ducteurs comprenant une couche active, ou à celle de la couche active elle-même, des moyens pour injecter un courant électrique dans la couche active et des moyens pour commander de façon électrique la longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande de la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs, caractérisé en ce que la longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande de la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs se trouve à l'intérieur de la largeur de bande de longueur d'onde de gain par émission stimulée qui résulte de l'injection de courant électrique dans la couche active.
Dans le dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs décrit ci-dessus, les moyens qui sont destinés à commander la longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande de la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs peuvent être mis en oeuvre sous la forme de moyens destinés à appliquer un champ électrique à la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs.
On peut utiliser pour la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs un matériau ayant une bande interdite supérieure à deux fois, et de préférence trois fois, celle de la couche active de la première couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs. Des matériaux que l'on peut utiliser pour la première couche de guide d'ondes optiques à semiconducteurs, pour satisfaire correctement l'exigence ci-dessus, comprennent InP et InGaAsP, tandis que des matériaux que l'on peut utiliser pour la seconde couche de guide d'ondes optiques à semiconducteurs pour satisfaire l'exigence ci-dessus comprennent
InGaN, GaN et A1N. La seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs peut avoir une structure de puits quantique.Dans le cadre de la présente invention, l'absorption résonnante intra-bande désigne de façon spécifique l'absorption entre sous-bandes d'un puits quantique, et l'absorption inter-bande de valence.
Un dispositif à guide d'ondes optique à semconducteurs conforme à l'invention peut être réalisé selon un certain nombre de modes différents, comme décrit ci-dessous, pour procurer différentes caractéristiques fonctionnelles. Dans un mode de réalisation, la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs est conçue de façon que l'on puisse faire varier le spectre d'absorption résonnante intra-bande par l'application d'un champ électrique.
Si un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme à la présente invention fait intervenir l'absorption entre sous-bandes, on peut utiliser une structure de puits asymétrique pour obtenir un changement élevé dans la transition d'énergie correspondant à la transition entre sous-bandes, par l'application d'un champ électrique.
La seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs peut être au moins partiellement dopée avec une ou plusieurs impuretés. Les première et seconde couches de guide d'ondes optique à semiconducteurs peuvent être placées à proximité l'une de l'autre dans une configuration stratifiée, ou bien elles peuvent être connectées l'une à l'autre en série.Selon encore une autre variante, le guide d'ondes optique peut comprendre une partie constituée par l'une seulement des première et seconde couches de guide d'ondes optique à semiconducteurs, et une partie dans laquelle les deux couches sont placées à proximité l'une de l'autre dans une configuration strati fiee. Selon encore une autre variante, une troisième couche de guide d'ondes optiques à semiconducteurs peut être disposée entre les première et seconde couches de guide d'ondes optique à semiconducteurs.
Une seule ou plusieurs des longueurs d'onde de résonance d'absorption intra-bande de la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs peuvent se trouver dans la largeur de bande de gain de la couche active. La seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs peut être divisée en un ensemble de zones le long du guide d'ondes optique qui comportent respectivement des moyens indépendants pour commander la longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande, par l'application d'un champ électrique à la seconde couche de guide d'ondes optique. Si tel est le cas, les zones peuvent avoir des longueurs d'onde de résonance d'absorption intra-bande respectives différentes. Parmi les différentes zones, certaines peuvent avoir une largeur de puits relativement grande, tandis que les zones restantes peuvent avoir une largeur de puits relativement faible.
Le guide d'ondes optique peut comporter des moyens pour empêcher que des réflexions multiples de la lumière qui se propage n'aient lieu dans la direction de propagation. Si tel est le cas, un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme à l'invention est un dispositif à guide d'ondes optique du type à ondes progressives. De tels moyens font intervenir de façon spécifique la formation d'une pellicule antireflet sur chacune des facettes d'entrée et de sortie du dispositif, l'utilisation d'une structure de fenêtre, l'intégration monolithique du guide d'ondes optique avec d'autres dispositifs, et des facettes inclinées par rapport au guide d'ondes optique.
Si un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs est utilisé à titre de dispositif du type à résonance, tel qu'un laser à semiconducteurs, il peut comporter des moyens de réaction optique dans le but d'occasionner une résonance de la lumière ayant une longueur d'onde spécifique. Pour les moyens de réaction optique, on peut utiliser un réseau de diffraction, une surface clivée ou une surface formée par attaque chimique.
Dans un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme au quatrième aspect de l'invention, on peut produire un gain par émission stimulée sur une grande bande de longueurs d'onde au voisinage du niveau d'énergie de bord de bande, par l'injection d'un courant électrique dans la couche active de la première couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs. Du fait que la seconde couche de guides d'ondes optique à semiconducteurs est constituée par une couche de semiconducteur ayant une bande interdite suffisamment supérieure à celle de la couche active, elle ne donne pas lieu à une absorption interbande, mais elle produit une absorption intra-bande pour 1 lumière ayant une longueur d'onde correspondant à la longueur d'onde de bande de gain de la couche active.Du fait que la valeur de l'absorption intra-bande dépend de la densité de porteurs de la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs, on peut obtenir un niveau souhaitable en sélectionnant une concentration appropriée pour les impuretés à introduite par dopage. Le spectre d'absorption résonnante intra-bande a une largeur faible, au plus de quelques dizaines de meV, ce qui est très inférieur à la largeur de spectre d'absorption inter-bande et à celle du spectre de gain de la couche active.
Du fait que la lumière qui est transmise à travers le guide d'ondes optique est sensible à la fois au gain éventuel de la couche active et à l'absorption dans la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs, des trous de gain peuvent être produits dans le spectre de gain qui est obtenu lorsqu'on considère le résultat final faisant intervenir le gain d'absorption intra-bande. Si un ensemble de longueurs d'onde de résonance d'absorption intrabande sont établies dans la bande de gain de la couche active, on peut former un filtre de longueur d'onde actif ayant une variété de spectres de transmission, en disposant de façon appropriée des trous de gain en chevauchement et/ou isolés.Du fait que la couche active a un gain, on obtient un gain dans la gamme de longueurs d'onde de transmission, tandis que l'on obtient une perte dans la gamme de longueurs d'onde de coupure.
Lorsqu'un champ électrique est appliqué à la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs, les trous de gain changent leurs positions et leurs tailles. On peut commander le facteur de transmission d'une manière plus perfectionnée si la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs et les moyens pour lui appliquer une tension sont divisés en un ensemble de zones. Tout changement dans le spectre d'absorption intra-bande suit instantanément le changement du champ électrique, que ce dernier soit occasionné par l'absorption entre sous-bandes de puits quantique ou par absorption inter-bande de valence.
Si le dispositif est du type à ondes progressives comportant des moyens pour empêcher des réflexions multiples de lumière dans la direction de propagation, l'impulsion optique rapide ayant une longueur d'onde de transmission est transmise sans faire apparaître une forme d'impulsion déformée ou divisée attribuable à des réflexions multiples.
Lorsqu'une impulsion optique ayant une longueur d'onde de coupure est introduite, des porteurs excités jusqu'à un niveau d'énergie élevé par absorption intra-bande sont restaurés à leur niveau d'énergie d'origine par relaxation, en une très courte durée de quelques picosecondes, même s'ils ne sont pas extraits vers l'extérieur par un champ électrique, d'où il résulte qu'aucun effet de configuration.n'est produit par absorption saturée.
Du fait que le coefficent d'absorption pour une longueur d'onde spécifique est changé par l'application d'un champ électrique à la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs, un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme à l'invention peut être appliqué à un modulateur d'intensité optique.
De façon générale, si un spectre d'absorption est considérablement modifié par l'application d'un champ électrique, l'indice de réfraction de la longueur d'onde proche de ce spectre change également notablement. Compte tenu de ce phénomène, on comprendra qu'un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme à l'invention peut être appliqué à un dispositif qui utilise des changements de l'indice de réfraction. Du fait qu'un spectre d'absorption a une largeur spectrale inférieure à celle d'une absorption inter-bande, il est possible de réaliser un modulateur de phase présentant un faible changement d'absorption et un grand changement d'indice de réfraction, en utilisant une longueur d'onde se trouvant juste à l'extérieur de celle du pic d'absorption.
De plus, en sélectionnant de façon appropriée une longueur d'onde et une tension à appliquer, on peut modifier considérablement le rapport (para mètre out ) entre un changement du coefficient d'absorption et un changement de l'indice de réfraction qui est produit par la puissance de la lumière de commande et par un champ électrique.
En outre, si on applique l'invention à un commutateur optique du type à commande optique qui utilise une modulation de phase croisée dans un amplificateur optique du type à ondes progressives ou un dispositif de conversion de longueur d'onde qui utilise le mélange à quatre ondes et une saturation de gain dans un amplificateur optique du type à ondes progressives, le coefficient d'absorption, le rendement de conversion et d'autres paramètres de fonctionnement d'un tel dispositif peuvent être commandés au moyen de bornes de tension externes.
En outre, on peut réaliser un photodétecteur ayant une capacité d'accord de longueur d'onde rapide, en incorporant des moyens supplémentaires pour diriger vers l'extérieur, par effet tunnel résonnant ou une certaine autre technique, des porteurs ayant un niveau d'énergie élevé qui sont produits par absorption intra-bande.
En outre, si on applique l'invention à un dispositif à guide d'ondes optiques du type à résonance par l'utilisation de moyens de réaction optique, on peut l'utiliser pour un filtre de longueur d'onde du type à résonance, un dispositif de commutation à commande optique du type à résonance ou une source de lumière à fonctions multiples.Par exemple, si la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs est disposée à l'intérieur du résonateur, on peut l'utiliser pour un laser à longueur d'onde accordable dont la longueur d'onde peut être changée rapidement, pour un laser à modes bloqués dans lequel la seconde couche de guide d'ondes optique à semi conducteurs est constituée par un absorbant saturable dont on peut commander le fonctionnement par une tension, ou pour une source de lumière laser qui peut générer des impulsions courtes par l'utilisation d'un interrupteur à pertes. Si la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs est disposée à l'extérieur du résonateur, on peut réaliser une source de lumière comprenant des modulateurs d'intensité intégrés ou des modulateurs de phase intégrés.
Si on utilise pour la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs un matériau ayant une grande bande interdite, dépassant largement le double de la bande interdite de la couche active, on peut éviter l'apparition de changements dans la densité de porteurs de la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs attribuables à l'absorption de la lumière qui est transmise à travers le guide d'ondes optique, par absorption à deux photons, de façon à atténuer la fluctuation lente de la réponse limitée par la durée de vie des porteurs (a quelques centaines de picosecondes), et on peut obtenir un fonctionnement rapide et stable.
De façon générale, on peut éviter l'apparition de l'absorption de photons multiples, qui absorbe
N photons, en réduisant la longueur d'onde de l'absorption inter-bande dans la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs à un niveau suffisamment inférieur à la fraction 1/N de la longueur d'onde optique qui est utilisée.
En bref, on peut utiliser un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme à l'invention pour une source de lumière, un dispositif photodétecteur, un dispositif à guide d'ondes optique pour modifier le spectre optique, l'intensité de la lumière ou la phase de la lumière, ou un dispositif ayant des caractéristiques fonctionnelles complexes.
Pour résumer, le dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs comprend un guide d'ondes optique à semiconducteurs en forme de ruban, une partie du guide d'ondes optique à semiconducteurs étant une couche active qui produit un gain par injection de courant électrique, et une autre partie du guide d'ondes optique à semiconducteurs étant une couche d'absorption résonnante intra-bande dans laquelle une longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande se trouve dans la bande de gain de la couche active, et des moyens pour injecter un courant électrique dans la couche active.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la description se réfère aux dessins annexés, dans lesquels
Les figures 1A à 1C sont des représentations graphiques montrant le changement au cours du temps de la phase d'une impulsion lumineuse de sonde transmise, après la transmission d'une impulsion lumineuse d'excitation;
La figure 2 est une coupe schématique d'un coupleur directionnel non linéaire classique;
La figure 3 est une représentation graphique montrant les performances de sortie d'un coupleur directionnel non linéaire classique;
La figure 4 est une représentation schématique d'un système de conversion de longueur d'onde utilisant un dispositif de conversion de longueur d'onde classique;;
La figure 5 est une représentation graphique montrant la dépendance, vis-à-vis de 5L, du rendement de conversion de longueur d'onde ss d'un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives (laser à puits quantiques multiples) en InGaAs/InGaAsP, soumis à des contraintes de traction;
La figure 6 est une illustration schématique de noeuds de conversion de longueur d'onde utilisant des amplificateurs lasers à semiconducteurs du type à ondes progressives classiques et un filtre de longueur d'onde accordable;
La figure 7 est une illustration schématique montrant la configuration d'un commutateur optique du type à commande optique, réalisé en utilisant un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives, dans un premier mode de réalisation conforme à l'invention;;
La figure 8 est une vue en perspective schématique d'un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives conforme à un premier mode de réalisation, ou d'un dispositif de conversion de longueur d'onde conforme à un septième mode de réalisation de l'invention;
La figure 9 est une représentation graphique montrant la dépendance, vis-à-vis de la composition X, de la bande interdite Eg et de l'énergie de dédoublement spin-orbite A de HgCdTe;
La figure 10 est une illustration schématique de l'absorption inter-bande de valence de HgCdTe et de son processus de relaxation;
La figure 11 est une vue en perspective schématique d'un commutateur optique du type à commande optique conforme à un second mode de réalisation de la présente invention;;
La figure 12 est une coupe schématique du commutateur optique du type à commande optique de la figure 11, montrant sa section de guide d'ondes optique;
La figure 13 est une illustration schématique de la bande de conduction d'une partie principale du guide d'ondes optique actif du commutateur optique du type à commande optique de la figure 11, montrant sa structure;
La figure 14 est une représentation schématique montrant la structure d'un commutateur optique du type à interféromètre de Mach-Zehnder, conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention;
La figure 15 est une coupe schématique de la section de guide d'ondes optique du commutateur optique du type à interféromètre de Mach-Zehnder de la figure 14;
La figure 16 est une illustration schématique montrant la structure de la bande de conduction de la couche de guide d'ondes optique non linéaire de la figure 15; ;
Les figures 17A à 17F sont des coupes schématiques d'un commutateur optique du type à interféromètre de Mach-Zehnder, au cours de différentes étapes de fabrication correspondant au troisième mode de réalisation de l'invention;
La figure 18 est une illustration schématique montrant la configuration d'un commutateur optique du type à commande optique conforme à un quatrième mode de réalisation de l'invention;
Les figures 19A et 19B sont des coupes schématiques du commutateur optique du type à commande optique de la figure 18, qui sont faites respectivement dans la direction du guide d'ondes et dans la direction perpendiculaire à celle du guide d'ondes;
La figure 20 est un diagramme temporel d'impulsions du fonctionnement du commutateur optique du type à commande optique de la figure 18;;
La figure 21 est une illustration schématique montrant la configuration d'un démultiplexeur optique qui est réalisé en utilisant le commutateur optique du type à commande optique de la figure 18;
La figure 22 est une représentation graphique montrant la relation entrée-sortie d'un modulateur optique analogique réalisé en utilisant le commutateur optique du type à commande optique de la figure 18;
La figure 23 est une vue en perspective schématique d'un dispositif de conversion de longueur d'onde conforme à un cinquième mode de réalisation de l'invention;
La figure 24 est une illustration schématique montrant la structure de la bande de conduction de la couche active à puits quantiques, soumise à des contraintes de traction, du guide d'ondes optique du dispositif de conversion de longueur d'onde de la figure 23;;
La figure 25 est une illustration schématique montrant comment change l'état de porteurs du dispositif de conversion de longueur d'onde de la figure 23;
La figure 26 est une représentation graphique montrant le rendement relatif de conversion de longueur d'onde du dispositif de conversion de longueur d'onde de la figure 23, en comparaison avec celui d'un dispositif de conversion de longueur d'onde classique;
La figure 27 est une vue en perspective schématique d'un dispositif de conversion de longueur d'onde conforme à un sixième mode de réalisation, ou d'un filtre de longueur d'onde accordable conforme à un huitième mode de réalisation de l'invention;
Les figures 28A et 28B sont des représentations graphiques montrant des spectres de transmission du filtre de longueur d'onde accordable de la figure 27;;
La figure 29 est une illustration schématique d'un noeud de conversion de longueur d'onde utilisant un filtre de longueur d'onde accordable qui est représenté sur la figure 27;
La figure 30 est une coupe schématique montrant le guide d'ondes optique d'un laser à réaction répartie et à longueur d'onde accordable, conforme à un neuvième mode de réalisation de l'invention;
La figure 31 est une représentation graphique montrant des spectres d'absorption (lignes en pointillés) et la variation de l'indice de réfraction (ligne continue) du laser à réaction répartie et à longueur d'onde accordable de la figure 30, qui sont obtenus en appliquant une tension variable; et
Les figures 32A et 32B sont des coupes schématiques de dispositifs obtenus en modifiant le dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs de la figure 30.
Premier mode de réalisation
La figure 7 est une illustration schématique montrant la configuration d'un commutateur optique du type à interféromètre de Mach-Zehnder qui est réalisé en utilisant un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives, conforme au premier mode de réalisation de l'invention.
Comme représenté, les composants qui sont disposés entre un coupleur optique d'entrée 1, qui est un coupleur de rapport 1:1 du type à fibre conservant la polarisation, et un coupleur optique de sortie 2, du type à fibre conservant la polarisation, constituent un interféromètre de Mach-Zehnder. Un premier coupleur à polarisation 3, du type à fibre, un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs (amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives) 20 conforme à l'invention et un second coupleur à polarisation (diviseur) 4, du type à fibre, sont disposés sur la première branche de l'interféromètre, tandis qu'un modulateur d'intensité en LiNbO3, 5, et un modulateur de phase 6 sont disposés sur la seconde branche de l'interferomètre.
La lumière de signal consiste en lumière impulsionnelle ayant une onde polarisée de façon linéaire avec une longueur d'onde de 1,3 pm, et elle est introduite par une borne d'entrée 11 du coupleur optique d'entrée 1, et elle sort par des bornes de sortie 13, 14 du coupleur optique de sortie 2. La lumière de commande a une longueur d'onde pratiquement égale à celle de la lumière de signal et elle a une polarisation orthogonale à celle de la lumière de signal. La lumière de commande entre par l'intermédiaire du premier coupleur à polarisation 3 et elle sort par l'intermédiaire du second coupleur à polarisation 4. La puissance de crête de la lumière de signal est inferieure à 1 mW, tandis que celle de la lumière de commande est d'environ 200 mW. Leurs largeurs d'impulsion sont respectivement de 2 ps et 5 ps.
La figure 8 illustre schématiquement l'amplificateur laser à semiconducteurs 20, du type à ondes progressives.
Sur la figure 8, la référence 21 désigne un substrat en CdTe de type p, qui remplit également la fonction d'une couche de gaine de type p. Un guide d'ondes optique à semiconducteurs 22 est formé sur le substrat 21 en CdTe de type p.
Plus précisément, le guide d'ondes optique à semiconducteurs 22 est formé en déposant séquentielle ment la couche de gaine 21 de type p (substrat en CdTe de type p), une couche de guide d'ondes active 24 en Hg0,3Cd0,7Te, une couche de gaine 25 en CdTe de type n, en forme de mésa, pour produire une structure multicouche, et le guide d'ondes est défini par la forme en ruban de la couche de gaine 25 en CdTe de type n. Une pellicule antireflet 23 est disposée sur chacune des facettes d'entrée et de sortie du guide d'ondes optique à semiconducteurs 22. Une électrode 26 du côté n est disposée sur la partie de mésa de la couche de gaine 25 en CdTe de type n, tandis qu'une électrode 27 du côté p est disposée sur le substrat 21 en CdTe de type p.La couche de guide d'ondes active 22 est polarisée par l'injection d'un courant électrique à travers les électrodes 25 et 26, pour donner un état transparent actif, dans lequel les pertes et le gain sont équilibrés.
Le modulateur d'intensité 5 régule l'intensite de la lumière qui est introduite par la seconde branche, de façon à la rendre égale à celle de la lumière qui est introduite par la première branche. Le modulateur de phase 6 régule la phase de la seconde branche pour faire en sorte que la totalité du signal de sortie provienne de la première borne de sortie 13 s'il n'y a pas de lumière de commande.
Si une impulsion lumineuse de commande est introduite en synchronisme avec l'impulsion lumineuse de signal dans cette condition, la phase de la lumière de signal est modifié par l'effet optique non linéaire de la couche de guide d'ondes active 24 en
CdTe qui est polarisée dans un état transparent actif.
On décrira ci-dessous ce processus de modification. Si l'intensité de l'impulsion lumineuse de commande est régulée de façon à obtenir une modification de phase exactement égale àà l'extrémité de sortie, le signal qui est émis par le coupleur optique de sortie 2 est commuté vers la borne de sortie 14. Cette opération est accomplie en 2 picosecondes, comme décrit précédemment en relation avec l'art antérieur.
La figure 9 est une représentation graphique montrant la dépendance, vis-à-vis de la composition, de la bande interdite Eg et du dédoublement spin orbite AO de Hgl~ Cd Te. On pourra voir que Eg +
o pour Hg0,3Cd0,7Te (composition pour laquelle x = 0,7), avec une longueur d'onde de résonance d'environ 1,3 pm.
Lorsque de la lumière guidée ayant cette longueur d'onde est introduite dans la couche de guide d'ondes active 24 en Hgg13Cdg 7Te, des trous sont excités vers la bande de dédoublement spin-orbite par absorption.
résonnante inter-bande de valence. On note que la transition inter-bande résultante est supprimée du fait que la couche de guide d'ondes active est maintenue dans un etat transparent.
Dans le système décrit ci-dessus, la masse effective de chaque électron de valence au point r de la zone de Brillouin ou au voisinage de ce point, est d'environ 0,4 m , et il y a seulement une faible différence entre deux masses effectives quelconques (autrement dit, la courbe de dispersion est parallèle et la densité d'états conjointe est grande), ce qui donne un coefficient d'absorption élevé. Par conséquent, des trous chauds sont générés efficacement par de la lumière produisant une excitation intense. Lorsque la distribution d'énergie de trous change, l'indice de réfraction change également. Du fait que le nombre de trous dans les bandes de trous lourds et légers diminue dans cette condition, le gain diminue également instantanément.
Comme représenté sur la figure 10, des trous chauds excités perdent leur énergie en une très courte durée, du fait de collisions entre porteurs et de collisions avec des phonons. Le temps nécessaire pour la relaxation intra-bande de porteurs chauds est inférieur à 0,1 picoseconde. D'autres porteurs sont également chauffés par l'énergie qui est dissipée sous l'effet de la relaxation. Ensuite, des porteurs chauffes quelconques perdent également progressivement l'énergie qu'ils possèdent, en entrant en collision avec des phonons, pour rétablir l'état d'origine en une durée ne dépassant pas 1 picoseconde.En d'autres termes, lorsqu'une impulsion d'excitation est appliquée, il se produit immédiatement un grand changement de l'indice de réfraction, mais l'indice de réfraction et le coefficient de transmission retournent à leurs valeurs d'origine en environ 1 picoseconde après la suppression de l'impulsion d'excitation.
D'un point de vue strict, la densité de porteurs change également légèrement sous l'effet de l'absorption à deux photons occasionnelle. Cependant, du fait que la non-linéarité due à l'absorption interbande de valence est renforcée à cause de la résonance, une opération de commutation peut être accomplie avec un niveau de puissance de lumière d'excitation qui est très inférieur à celui de son homologue dans un guide d'ondes optique transparent actif classique, ce qui permet de minimiser l'influence de l'absorption à deux photons, qui est proportionnelle au carré de la puissance. De plus, du fait que des électrons et des trous sont déjà présents avec une densité élevée dans la couche active 22, il est possible de réduire la génération de porteurs due à l'ionisation par chocs qui est occasionnée par des trous chauds.Ainsi, on peut également réduire des changements indésirables quelconques dans le fonctionnement du dispositif, s'accompagnant d'une constante de temps accrue, qui peuvent être occasionnés par des porteurs générés et accumulés de façon excessive, même si l'opération de commutation est répétée avec une fréquence accrue de plusieurs centaines de Gbit/s.
Comme décrit ci-dessus, avec le premier mode de réalisation, du fait que la non-linéarité due à l'absorption intra-bande est renforcée par résonance, on peut accomplir une opération de commutation avec un niveau de puissance de lumière d'excitation qui est très inférieur à celui de son homologue dans un guide d'ondes optique transparent actif classique. De plus, du fait que l'on peut minimiser l'influence de l'absorption à deux photons qui excite des porteurs au-delà de la bande interdite, on peut réaliser une opération de commutation rapide qui n'est pas restreinte par la durée de vie des porteurs.
Second mode de réalisation
La figure 11 est une vue en perspective schématique d'un commutateur optique du type à commande optique conforme au second mode de réalisation de l'invention, et la figure 12 est une coupe schématique du commutateur optique du type à commande optique de la figure 11, montrant sa section de guide d'ondes optique.
Le commutateur optique est formé sur un substrat 31 en InP de type n, et un coupleur directionnel est formé en son centre par une paire de guides d'ondes optiques actifs 32a, 32b ayant une forme en mésa. Les guides d'ondes optiques actifs 32a, 32b sont connectés à leurs extrémités opposées, près des extrémités du dispositif, à des guides d'ondes optiques passifs en forme de mésa, portant respectivement les références 33a, 33b, 33c, 34d.Chacun des guides d'ondes optiques actifs 32a, 32b comprend une couche de guide d'ondes passif 34 en InGaAsP non dopé, une couche d'arrêt d'attaque 35 qui est une couche mince en InP non dopé, une couche de puits quantiques 36 consistant en InGaAs et en AlAs soumis à des contraintes de traction, une couche de guide d'ondes 37 en InGaAsP, une couche de gaine 38 en InP de type p et une couche de contact ohmique 39 en InGaAsP de type p, déposées séquentiellement dans l'ordre indiqué sur le substrat 31, pour former une structure multicouche.
Sous les guides d'ondes optiques passifs 33a à 33d, la couche de guide d'ondes passif 34 en InGaAsP non dopé est intercalée entre le substrat 31 et une couche 40 en InP semi-isolant.
Les guides d'ondes optiques actifs 32a, 32b portent sur eux des électrodes ohmiques respectives 41a, 41b, tandis qu'une autre électrode ohmique 42 est formée sous le substrat 31. Les électrodes 41a, 41b sont connectées à des plages de connexion respectives (non representées) sur une pellicule d'isolation, et également à des circuits externes, par des fils de connexion. Les facettes d'entrée et de sortie du commutateur optique sont munies d'un revêtement antireflet 43. Le dispositif complet est disposé sur une monture en Cu au moyen de l'électrode inférieure 42, cette monture en Cu remplissant également la fonction d'un radiateur et d'une masse.
La figure 13 est une illustration schématique de la bande de conduction d'une partie principale de la couche active à puits quantique 36, soumise à des contraintes, de l'un ou l'autre des guides d'ondes optiques actifs 32a, 32b. La couche de puits quantiques 36 est réalisée en disposant régulièrement vingtcinq (25) structures élémentaires, chacune d'elles comprenant une couche mince de puits quantique 44 en
InGaAs et une couche mince de barrière 45 en AlAs, soumise à des contraintes de traction, d'une manière telle que chaque couche 44 en InGaAs soit intercalée entre une paire de couches de barrière 45, 45 en AlAs.
Une paire de sous-bandes 46, 47 sont présentes à l'intérieur de chaque couche de puits. Du fait que la couche de barrière est mince, les sous-bandes 46, 47 de chaque puits sont couplées par l'effet tunnel pour produire une mini-bande. Son énergie de transition entre sous-bandes est d'environ 0,8 eV (longueur d'onde de résonance de 1,55 pm), pour la lumière de mode TM. Le fait qu'un aussi grand intervalle puisse être formé entre une paire de sous-bandes est décrit dans le document : J.H. Smet et al., Appl. Phys.
Lett., Vol. 64, pages 986-987, 1994.
Les guides d'ondes optiques actifs 32a, 32b sont polarisés de façon à devenir transparents pour la lumière de mode TM ayant une longueur d'onde de 1,55 um, et ils ont un gain faible vis-à-vis de la lumière en mode TE. Ainsi, des électrons sont injectés dans la première sous-bande 46 par effet tunnel, tandis que la seconde sous-bande 47 est normalement maintenue vacante.
Une impulsion lumineuse de signal faible, ayant une longueur d'onde de 1,55 fm, est introduite dans le guide d'ondes optique transparent actif 32a, dans le mode TE. Si aucune impulsion lumineuse d'excitation n'est présente, le coupleur directionnel est dans un état complètement couplé, et l'impulsion lumineuse de signal est transmise vers 33d. D'autre part, une impulsion lumineuse d'excitation de niveau élevé ayant une longueur d'onde de 1,55 fm est introduite dans l'autre guide d'ondes optique transparent actif 32b, dans le mode TM. S'il existe une forte impulsion lumineuse d'excitation, l'indice de réfraction des guides d'ondes optiques transparents actifs 32a, 32b est modifié par l'effet Kerr, de façon à commuter la destination de la lumière de signal vers 33c.De façon caractéristique, la lumière de signal peut être séparée de la lumière d'excitation par un coupleur à polarisation.
Le second mode de réalisation fonctionne pratiquement de la même manière que le premier mode de réalisation. Si une onde d'excitation de niveau élevé ayant une longueur d'onde de 1,55 pm est introduite dans l'un ou l'autre des guides d'ondes optiques transparents actifs 31a, 31b, une excitation a lieu de la première sous-bande 46 vers la seconde sous-bande 47, du fait de l'absorption résonnante entre sousbandes, bien qu'une transition inter-bande résultante soit réduite. Du fait que la transition entre sousbandes tolère de la lumière dans le mode TM et que la non-linéarité de la transition entre sous-bandes est généralement élevée, il apparaît un changement élevé de l'indice de réfraction (effet Kerr).
Des électrons qui sont excités dans la seconde sous-bande 47 perdent leur énergie en une courte durée, du fait de collisions entre porteurs et de collisions avec des phonons. Le temps nécessaire pour la relaxation pour des électrons intra-bande et entre sous-bandes est inférieur à 0,1 picoseconde.
D'autres porteurs chauffés par cette relaxation perdent progressivement leur énergie sous l'effet de collisions avec des phonons. Si des électrons sont dispersés vers les points L et X dans le processus de relaxation, il devra s'écouler environ 1 picoseconde pour que ces électrons retournent au point r ce qui a pour effet d'allonger légèrement le temps de recouvrement par rapport à celui du premier mode de réalisation, bien que dans tous les cas, les électrons retournent à l'état d'origine en quelques picosecondes après la suppression de l'impulsion d'excitation. En résumé, l'indice de réfraction manifeste instantanément un changement considérable lorsqu'une impulsion lumineuse d'excitation est introduite, mais il retourne à son niveau d'origine dès que l'impulsion lumineuse d'excitation est terminée.
Avec ce second mode de réalisation également, l'influence de l'absorption à deux photons est minimisée, pour réduire la puissance nécessaire pour la lumière d'excitation. De plus, du fait que des électrons et des trous sont déjà présents avec une densité élevée dans la couche de guide d'ondes optiques transparent actif 32, la génération de porteurs sous l'effet de l'ionisation par choc occasionnée par des électrons chauds est réduite. Par conséquent, des changements indésirables quelconques dans le fonctionnement du dispositif, accompagnés par une constante de temps accrue, qui peuvent être occa sonnés par des porteurs générés et accumulés de façon excessive, peuvent egalement être réduits, même si l'opération de commutation est répétée à une fréquence accrue, de plusieurs centaines de Gbit/s.
Comme décrit ci-dessus, avec le second mode de réalisation, une opération de commutation peut être accomplie avec un niveau de puissance de lumière d'excitation qui est tres inférieur à celui de son homologue dans un guide d'ondes optique transparent actif classique.
I1 faut noter que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus et qu'ils peuvent être modifiés ou changés d'un certain nombre de manières différentes. Par exemple, on peut les faire fonctionner avec une longueur d'onde autre que celle mentionnée ci-dessus, en changeant artificiellement la bande interdite, l'énergie d'absorption inter-bande de valence et l'énergie de transition entre sous-bandes, au moyen d'un super-réseau soumis à des contraintes et/ou d'un puits quantique soumis à des contraintes. On peut faire en sorte que la nonlinéarité devienne plus considérable en modifiant de façon appropriée divers paramètres du matériau du guide d'ondes optique actif, comme la masse effective, au moyen de contraintes.De plus, le matériau du guide d'ondes optique actif et la configuration globale du commutateur optique ne sont pas limités à ceux décrits ci-dessus en relation avec les modes de réalisation précédents. Par exemple, l'utilisation d'un modulateur d'intensité et d'un modulateur de phase n'est pas nécessairement indispensable, et on peut incorporer un guide d'ondes optique transparent actif dans chacune des branches de l'interféromètre de Mach-Zehnder du premier mode de réalisation. Le commutateur optique, le coupleur optique et d'autres dispositifs associés peuvent être formés de façon monolithique sur un substrat semiconducteur.
Troisième mode de réalisation
La figure 14 est une représentation schématique d'un commutateur optique du type à interféromètre de Mach-Zehnder conforme au troisième mode de réalisation de l'invention.
L'interféromètre de Mach-Zehnder comprend des sections de guide d'ondes non linéaire 1002a, 1002b, des coupleurs à 3 dB 1003a, 1003b et des coupleurs à polarisation 1004a à 1004d. Les accès d'entrée/sortie optiques de l'interféromètre comprennent des accès d'entrée de lumière de signal 1005a, 1005b, des accès de sortie de lumière de signal 1006a, 1006b, un accès d'entrée de lumière de commande 1007a, un accès de sortie de lumière de commande 1008a et des accès d'entrée et de sortie fictifs 1007b et 1008b, pour maintenir la symétrie de l'interféromètre. Ces accès sont connectés au dispositif par l'intermédiaire de fibres respectives 1009, qui maintiennent la polarisation.
Les ondes polarisées de lumière de signal et de lumière de commande qui sont introduites dans les coupleurs à polarisation respectifs 1004a et 1004b sont telles que la lumière de signal et la lumière de commande sont transmises à travers les sections de guide d'ondes non linéaire respectives 1002a et 1002b respectivement dans le mode TE et dans le mode TM. Les longueurs d'onde de lumière de signal et de lumière de commande sont toutes deux égales à 1,55 pm ou proches de cette valeur.La lumière de signal qui est introduite par l'accès d'entrée 1005a est divisée entre deux branches par le coupleur à 3 dB 1003a, avec un rapport de 1:1, l'une de ces branches étant dirigée vers le coupleur à 3 dB 1003b par l'intermédiaire du coupleur à polarisation 1004a, de la section de guide d'ondes non linéaire 1002a et du coupleur à polarisation 1004c, tandis que l'autre est également dirigée vers le coupleur à 3 dB 1003b, par l'intermédiaire du coupleur à polarisation 1004b, de la section de guide d'ondes non linéaire 1002b et du coupleur à polarisation 1004d. Si aucune lumière de commande n'est présente, la lumière de signal subit des interférences dans le coupleur à 3 dB 1003b et elle est émise vers l'accès de sortie 1006b.D'autre part, de la lumière de commande est introduite à travers l'accès d'entrée de lumière de commande 1007a et elle est combinée avec la lumière de signal dans le coupleur à polarisation 1004a, pour décaler de Trla phase de la lumière de signal dans la section de guide d'ondes non linéaire 1002a, avant d'être séparée de la lumière de signal et appliquée à l'accès de sortie de lumière de commande 1008a. Lorsque la phase de la lumière de signal est décalée de T par la lumière de commande dans la section de guide d'ondes non linéaire 1002a, la lumière de signal de sortie est commutée vers l'accès de sortie 1006a du fait des interférences dans le coupleur à 3 dB 1003b.
La description ci-dessus permet de comprendre que la configuration et le fonctionnement de ce mode de réalisation sont fondamentalement les mêmes que ceux de n'importe quel commutateur optique non linéaire à interféromètre de Mach-Zehnder classique, bien que le troisième mode de réalisation soit carac térisé par l'incorporation de sections de guide d'ondes non linéaire 1002a, 1002b et par leurs fonctions et effets. La figure 15 est une coupe schématique du commutateur optique du type à interféromètre de
Mach-Zehnder de la figure 14, selon un plan perpendiculaire au guide d'ondes.
Chacune des sections de guide d'ondes non linéaire 1002a, 1002b comprend à titre de composants principaux une couche de guide d'ondes non linéaire 1012 qui est une couche de puits quantiques multiples du type InGaN/GaN/AlN formée sur un substrat en saphir 1001, d'orientation (0001), avec une couche tampon 1011 en AlN disposée entre eux, une couche tamFonuDiSnne mince 1013 en AlGaInN, une couche 1014 en InGaAsP de type n (avec une longueur d'onde de photoluminescence de 1,15 pm) formée d'un seul tenant sur la couche tampon par liaison directe, une couche de guide d'ondes actif 1015 en InGaAsP non dopé, ayant une forme de mésa (avec une longueur d'onde de photoluminescence de 1,55 pm) formée par dessus, une couche de gaine 1016 en InP de type p et une couche de contact 1017 en InGaAs de type p.La couche de guide d'ondes non linéaire 1012 et la couche tampon 1013 sont disposées en un grand nombre de couches avec l'axe c en coincidence avec la normale. Les couches allant de la couche 1014 en InGaAsP de type n jusqu'à la couche de contact 1017 en InGaAs de type p sont disposées en un grand nombre de couches dans la direction < 001 > .
La lumière est guidée principalement à travers la couche 1014 en InGaAsP de type n et la couche de guide d'ondes actif 1015, bien qu'elle pénètre également dans une large proportion dans la couche de guide d'ondes non linéaire 1012 et la couche de gaine 1016 de type p, pour produire un guide d'ondes optique unitaire. La non-linéarité optique de la section de guide d'ondes non linéaire 1002 est essentiellement produite par la couche de guide d'ondes non linéaire 1012 à puits quantiques multiples en InGaN/GaN/AlN, et la couche de guide d'ondes actif 1015 en InGaAsP remplit essentiellement la fonction d'un moyen produisant un gain pour compenser les pertes qui sont produites dans le guide d'ondes.
Une paire de couches de contact 1018a, 1018b en InP, semblables à un plateau, sont formées sur la couche 1014 en InGaAsP de type n, à l'extérieur des deux sections de guide d'ondes 1002a, 1002b, avec une distance de plusieurs micromètres entre elles, pour les séparer. Les espaces qui séparent les sections de guide d'ondes optique 1002a, 1002b et les couches de contact de type n 1018a, 1018b, sont remplis en majeure partie avec du polyimide 1019. Une électrode ohmique de type p 1020 est formée sur la couche de contact de type p 1017, tandis qu'une électrode ohmique de type n 1021 est formée sur chacune des couches de contact de type n 1018a, 1018b.Des plages métalliques 1022a, 1022b sont formées sur les électrodes ohmiques 1020, 1021 et sur une partie de la couche de polyimide, et des fils métalliques 1023a, 1023b sont soudés à ces plages pour établir une connexion électrique avec l'extérieur.
Un courant électrique provenant de l'extérieur circule successivement à travers le fil 1023a, la plage 1022a, l'électrode ohmique de type p 1020, la couche de contact de type p 1017, la couche de gaine de type p 1016, la couche de guide d'ondes actif 1015, la couche 1014 en InGaAsP de type n, la couche de contact de type n 1018, l'électrode ohmique de type n 1021, la plage 1022b et le fil 1023b. Lorsque le courant électrique est injecté, un gain est produit dans la couche de guide d'ondes actif 1015 pour compenser les pertes qui sont produites dans la couche de guide d'ondes non linéaire 1012, la couche de gaine de type p 1016 et certaines autres couches.
La figure 16 illustre schematiquement la structure de la bande de conduction de la couche de guide d'ondes non linéaire 1012. La couche de guide d'ondes non linéaire 1012 a une structure de puits quantiques multiples qui est réalisée en disposant dix (10) puits quantiques, comprenant chacun une couche de puits 1031 en In0,25Ga0,75N non dopée, ayant une épaisseur de 1,06 nm, une couche de barrière 1032 en AIN non dopé, ayant une épaisseur d'environ 2 nm, et une paire de couches intermédiaires 1033a, 1033b, en
GaN de type n, formées entre les couches précitées, et ayant une épaisseur de 0,52 nm. Chaque puits quantique comporte trois sous-bandes, parmi lesquelles la première est maintenue à un niveau d'énergie inférieur à celui du bas de la bande de conduction de la couche intermédiaire 1033, tandis que les seconde et troisième sous-bandes sont maintenues à un niveau d'énergie supérieur à celui du bas de la bande de conduction de la couche intermédiaire 1033. La longueur d'onde de résonance entre les première et seconde sous-bandes est d'environ 1,554 pm et la longueur d'onde de résonance entre les seconde et troisième sous-bandes est d'environ 1,21 pm. Presque tous les électrons qui sont fournis par la couche intermédiaire 1033 en GaN de type n sont introduits dans la première sous-bande.
Du fait que les première et seconde sousbandes de ce mode de réalisation présentent des masses effectives respectives qui diffèrent légèrement l'une de l'autre, les courbes de dispersion de nombre d'onde-energie des deux sous-bandes perdent finalement leur parallélisme, et les spectres d'absorption ont tendance à être légèrement élargis. Cependant, l'effet de tels phénomènes n'est pas notable, du fait que des électrons se trouvant au voisinage du point P interviennent réellement dans la transition entre sousbandes. D'autre part, des changements de la masse effective qui sont occasionnés par transition entre sous-bandes augmentent le degré de non-linéarité.
Les figures 17A à 17F sont des coupes schématiques du commutateur optique du troisième mode de réalisation au cours de différentes étapes de fabrication. On utilise ici une technique de connexion directe pour le substrat semiconducteur.
En se référant initialement à la figure 17A, on note que l'on fait croître sur un substrat en saphir 1001 d'orientation (0001), par une technique d'épitaxie par jets moléculaires utilisant une source de plasma d'azote, une couche tampon 1011 en AlN, une couche de guide d'ondes non linéaire 1012 à puits quantiques multiples en InGaN/GaN/AlN et une couche tampon 1013 en AlGaInN.
Séparément du substrat, on forme séquentiellement sur un substrat 1040 en InP d'orientation (001), par croissance épitaxiale en utilisant une technique de dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (ou MOCVD), une couche 1014 en
InGaAsP de type n, une couche de guide d'ondes actif 1015 en InGaAsP, une couche de gaine 1016 en InP de type p, et une couche de contact 1017 en InGaAs de type p.
Ensuite, on place une pellicule d'isolation 1041 sur la couche épitaxiale, et on la soumet ensuite à une opération de gravure de motif pour enlever par attaque la couche de contact 1017 et la majeure partie de la couche de gaine 1016 en InP de type p, au moyen d'une technique d'attaque ionique réactive (ou RIE) utilisant le gaz CH4. Ensuite, on enlève par attaque sélective par voie humide la couche de gaine 1016 en
InP de type p restante, et on applique à cette couche une attaque supplémentaire par voie humide, avec commande du temps d'application, pour enlever la majeure partie de la couche de guide d'ondes actif 1015 en InGaAsP. Par conséquent, une région de mésa 1042 s'étendant dans la direction < 110 > est formée comme représentée sur la figure 17C.
On effectue à nouveau une croissance par
MOCVD, pour enterrer la région de mésa 1042 avec la couche 1018 en InP de type n, jusqu'à produire à cet endroit une surface pratiquement plane. Après avoir enlevé la pellicule d'isolation, on fixe le substrat épitaxial sur un substrat en verre 1044 avec un agent adhésif 1043, et on attaque le substrat 1040 en InP, par la face arrière, en utilisant une solution d'attaque sélective, du type acide chlorhydrique. Lorsque l'opération d'attaque est arrêtée à la couche 1014 en
InGaAs, une structure qui est représentée sur la figure 17D, dans laquelle seule la couche épitaxiale est fixée sur le substrat en verre 1044, est laissée à cet endroit. Une surface plane de la couche 1014 en
InGaAs de type n est à nu sur la structure.
On polit avec la qualité miroir la surface de la couche 1014 en InGaAsP de type n, jusqu'à une rugosité de surface inférieure à 50 nm, et on la traite avec un acide, après quoi on la lave avec de l'eau et on la sèche. De façon similaire, on polit également avec la qualité miroir la surface de la couche tampon plane 1013, en AlGaInN, du substrat, sur laquelle un nitrure a été soumis à une croissance épitaxiale comme représenté sur la figure 17A, pour lui donner une rugosité de surface inférieure à 250 nm et on la traite avec un acide, après quoi on la lave avec de l'eau et on la sèche. Ensuite, les deux surfaces traitees des substrats sont directement liées ensemble en appliquant une pression de plusieurs dizaines de N/cm2, si ceci est approprié, ou sans appliquer une pression.Du fait que l'indium (In) est présent sur les deux surfaces, à titre d'élément constitutif dans un état fortement mobile, et du phosphore (P) de la couche 1014 en InGaAsP est également fortement mobile dans une phase vapeur, les surfaces peuvent être liées ensemble de façon relativement aisée. Ce processus de liaison est accompli dans une salle propre avec un niveau de qualité de classe 10, afin d'empêcher que des particules de poussière n'adhèrent aux surfaces.
Lorsque les substrats sont liés ensemble, on retire l'agent adhésif 1043 et en separe le substrat en verre 1044, avant de chauffer les substrats à une température de 250 à 500"C dans une atmosphère d'hydrogène. Ce traitement thermique peut être effectuée sous une pression appropriée. Sous l'effet du traitement thermique, la force de liaison est augmentée pour donner une structure fortement liée, comme représenté sur la figure 17E. Une pellicule d'oxyde peut être disposée ou non sur l'interface liée.
Ensuite, on soumet à nouveau la structure liée à une série d'opérations de définition de motif, d'attaque pour la formation de mésa par RIE, et d'attaque par voie humide pour produire des mésas de 2,5 pm de largeur de la section de guide d'ondes non linéaire 1002, et la couche de contact de type n 1018, comme représenté sur la figure 17F. On établit un chemin pour le passage de l'électricité en laissant à cet endroit la couche 1014 en InGaAsP de type n, à ce stade de fabrication.
Ensuite, on revêt la surface avec un polyimide, qui est ultérieurement durci, et on met à nu les mésas. Ensuite, on forme les électrodes ohmiques et les plages métalliques, et on découpe à une taille donnée les substrats liés, pour produire un guide d'ondes non linéaire fini, ayant la section qui est représentee schématiquement sur la figure 15.
On monte le substrat en saphir 1001 sur un radiateur (non représenté) dont on peut réguler la température. On revêt les surfaces d'entrée/sortie des sections de guide d'ondes non linéaire 1002a, 1002b avec une pellicule antireflet, pour réaliser un couplage optique à faibles pertes.
Le facteur de mérite d'un commutateur optique s'exprime normalement par | X(3)1/(d T). En d'autres termes, un facteur de merite élevé correspond à un commutateur optique rapide et à rendement élevé qui consomme de l'énergie à une vitesse réduite et qui a une non-linéarité accrue, un faible coefficient d'absorption (o( ) et un temps de réponse court ( t).
On sait par expérience que cette valeur est au plus de l'ordre de 100 u.e.s.cm/s (&num; 1,4 x 10 @ m3/V2) (D. H.
Auston et al., Appl. Opt., Vol. 26, pages 211-234, 1987). Bien qu'il puisse être possible d'obtenir un facteur de mérite exceptionnellement élevé par excitation de surface avec de l'anthracène à basse tempé rature, la valeur ci-dessus ne peut pas être dépassée de façon notable à la température ambiante. En bref, on ne connaît à ce jour aucun commutateur optique non linéaire à rendement élevé et à vitesse élevée qui soit réalisable en pratique.
L'élément de matrice de transition pour l'interaction entre la lumière et la matière s 'exprime par la relation approchée ci-dessous
< ufff | HI | uifi > = < uf | Hi | ui > cell < ff | fi >
+ < uf | ui > cell < ff | Hi | fi > (2) dans laquelle HI est l'Hamiltonien d'interaction, lu1 > et uf > sont des parties périodiques d'une fonction de Blochparallèle au plan du puits, respectivement dans les états initial et final, et If1 > et | ff > sont des fonctions d'enveloppe perpendiculaires au puits, respectivement dans les états initial et final.
Du fait que différentes fonctions de base orthogonales sont applicables à la bande de valence et à la bande de conduction pour la transition interbande, on prend < uf | ui > cell = 0, de façon que la relation < ufff | HI | uifi > = < uf | HI | ui > cell soit établie pour une combinaison de sous-bandes de la bande de conduction et de la bande de valence qui donne < ff | fi > &num; 1#0. < uf | HI | ui > cell est proportionnel à l'étendue de la polarisation qui est produite par excitation dans la cellule unité, et donc à la constante de réseau.
D'autre part, la relation < ff If1 > = 0 est vérifiée pour la transition entre sous-bandes, du fait que les fonctions d'enveloppe sont mutuellement orthogonales, tandis que l'on a < uf | ui > cell &num; 1 à l'intérieur de la bande, du fait que des fonctions de Bloch quelconques sont pratiquement identiques à cet endroit.
Il en résulte que l'on obtient < ufff | HI | uifi > &num; < ff | HI | fi > pour toute lumière dans le mode TM qui donne < ff | HI | fi > #0. < ff | HI | fi > est proportionnel à l'étendue de polarisation dans le puits, et par conséquent à la largeur du puits. (Voir, entre autres:
L. C. West et S. J. Englash, Appl. Phys. Lett., Vol.
46, page 1156, 1985).
L'épaisseur totale de la couche de puits 1031 et des couches intermédiaires 1033a, 1033b est d'environ 2,1 nm, ce qui est plus de trois fois supérieur à la constante de reseau de n'importe semiconducteur de type InGaAsP classique. Du fait que le (3) facteur de susceptibilité non linéaire est proportionnel à la quatrième puissance de l'élément de matrice de transition, le facteur 7(3) de la transition inter-bande de ce mode de réalisation est supérieur d'environ deux ordres de grandeur à celui de la transition inter-bande de n'importe quelle substance de type InGaAsP classique.D'autre part, du fait que le coefficient d'absorption t est proportionnel au carré du moment dipolaire, celui de l'invention est augmenté d'un ordre de grandeur en comparaison avec le cas de la transition inter-bande. Cette augmentation d'absorption peut être compensée par le gain de la couche active 1015, en InGaAsP, du guide d'ondes formé de manière intégrée.
Comme décrit precédemment en relation avec le second mode de réalisation, alors que le temps de réponse de transition inter-bande est restreint par la durée de vie des porteurs, qui a une valeur de l'ordre de 1 ns, le temps de réponse de transition entre sousbandes est restreint par le temps de relaxation intrabande, qui a une valeur de 100 fs. En outre, on prévoit que le temps de relaxation intra-bande d'une substance ayant une ioniciité considérable et une grande masse effective des électrons, telle que GaN, sera beaucoup plus court que celui d'une substance du type InGaAsP. Par conséquent, le temps de réponse du mode de réalisation est amélioré de trois à quatre ordres de grandeur par rapport à celui d'un commutateur optique classique qui utilise une transition inter-bande d'une substance du type InGaAsP.
Il en résulte que le facteur de mérite, ou | #(3) | /(&alpha; #). du commutateur optique non linéaire du troisième mode de réalisation décrit ci-dessus, qui utilise une transition entre sous-bandes, est amélioré de quatre à six ordres de grandeur par rapport à celui du commutateur optique non linéaire classique qui utilise une transition inter-bande, et par conséquent le mode de réalisation peut être utilise à titre de commutateur optique non linéaire pratique, rapide et à rendement élevé, qui fonctionne à la température ambiante.On notera que, bien que le commutateur optique du troisième mode de réalisation soit conçu pour fonctionner à une longueur d'onde de 1,55 pm, un commutateur optique conforme à l'invention et conçu pour fonctionner à une plus grande longueur d'onde peut présenter une amélioration supplémentaire en terme de non-linéarité supérieure, du fait que l'on utilise dans ce cas une couche de puits plus épaisse.
En comparant le mode de réalisation cidessus avec un commutateur optique classique comprenant un guide d'ondes actif transparent, on verra que l'amélioration concernant O(t est faible, mais que la valeur de | #(3) | I peut être augmentée de deux ordres de grandeur, ce qui permet de réduire considérablement l'énergie d'entrée optique nécessaire pour l'opération de commutation. De plus, le nombre de porteurs à l'intérieur du puits est maintenu à un niveau constant, du fait que les couches de semiconducteurs constitutives de la couche de guide d'ondes non linéaire 1012 ont une bande interdite large, et par conséquent il ne se produit pas d'absorption de photons multiples pour la lumière ayant une longueur d'onde de 1,55 m, et il n'y a également pas d'injection de porteurs à partir d'autres couches.En outre, du fait que l'énergie d'entree optique peut être maintenue à un niveau bas, elle n'affecte pas notablement la non-linéarité optique des couches autres que la couche de guide d'ondes non linéaire 1012 et elle n'occasionne également pas de fluctuations du nombre de porteurs sous l'effet de l'absorption à deux photons. Il en résulte donc que des fluctuations du gain qui se produisent lentement, sur plusieurs nanosecondes, ainsi que des fluctuations de la nonlinéarité optique, peuvent effectivement être suppri mées. Un effet combiné des avantages indiqués cidessus consiste en ce que le mode de réalisation peut fonctionner de manière stable, même si une impulsion rapide est appliquée de façon répétitive.
Le troisième mode de réalisation décrit cidessus peut également être modifié de diverses manières en faisant résonner la longueur d'onde de résonance de transition intra-bande et la longueur d'onde de gain de la couche de guide d'ondes actif. De plus, la constante de réseau et le type de cristal peuvent être combinés d'un certain nombre de manières différentes par l'utilisation d'une liaison directe. Par exemple, on peut utiliser une substance semiconductrice à bande interdite large, comme un matériau du type SiCGe, un semiconducteur du groupe II-VI ou un matériau du type chalcopyrite, à la place d'une substance du type
InGaAlN, pour la couche de transition entre sousbandes.Si l'influence de l'absorption à deux photons n'est pas un problème, on peut utiliser pour la couche de transition entre sous-bandes un puits quantique d'une substance semiconductrice à bande interdite étroite, telle qu'un matériau du type AlGaInAsSb.
Comme dans le cas du second mode de réalisation, on peut utiliser la transition inter-bande de valence entre la bande de dédoublement spin-orbite du matériau du type HeCdTe et les bandes de trous lourds et légers. Comme décrit précédemment en relation avec le second mode de réalisation, le temps de réponse de transition inter-bande de valence est très court, du fait qu'il est restreint par le temps de relaxation intra-bande. En outre, on peut utiliser n'importe quel matériau semiconducteur approprié pour le guide d'ondes actif. Enfin, on peut former un coupleur optique et un coupleur à polarisation sur un substrat en Si et on peut les lier à un guide d'ondes non linéaire par liaison directe, pour produire un dispositif intégré.Le type de substrat, la longueur d'onde, le procédé de fabrication, la structure d'injection de courant électrique, la structure de guide d'ondes optique et la structure de puits ne sont pas limités à ceux décrits ci-dessus pour le troisième mode de réalisation.
Quatrième mode de réalisation
La figure 18 est une illustration schématique d'un commutateur optique du type à commande optique conforme au quatrième mode de réalisation de l'invention. Le commutateur optique du type à commande optique de ce mode de réalisation est formé de façon monolithique sur un substrat 101 en InP de type n.
Le commutateur optique comprend un premier coupleur optique 111, un second coupleur optique 112, un troisième coupleur optique 113, un quatrième coupleur optique 114, un cinquième coupleur optique 115 qui remplit la fonction de moyens d'aiguillage de lumière de signal, et un sixième coupleur optique 116 qui remplit la fonction d'un coupleur d'émission de lumière de signal, tous étant des coupleurs directionnels 1:1 (coupleurs à 3 dB).
Un signal optique d'entrée est introduit dans l'un ou l'autre des accès d'entrée du cinquième coupleur optique 115 par l'intermédiaire d'un guide d'ondes d'entrée 135. Le cinquième coupleur optique 115 aiguille la lumière de signal d'entrée vers un premier guide d'ondes optique intermédiaire (premier chemin de lumière intermédiaire) 131 et un second guide d'ondes optique intermédiaire (second chemin de lumière intermédiaire) 132, avec un rapport de 1:1.
Le premier guide d'ondes optique intermédiaire 131 et un premier guide d'ondes optique d'entrée de lumière de commande 141 sont couplés à un premier guide d'ondes optique 121 et à un second guide d'ondes optique 122, dont la structure est symétrique de celle du premier guide d'ondes optique 121. Les premier et second guides d'ondes optiques 121 et 122 se croisent en un point milieu et ils sont ensuite couplés par le second coupleur optique 112 à un premier guide d'ondes de sortie de lumière de commande (premier chemin de lumière de sortie de lumière de commande) 143 et à un troisième guide d'ondes optique intermédiaire (troisième chemin de lumière intermédiaire) 133. L'étendue allant du premier coupleur optique 111 au second coupleur optique 112 constitue un premier interféromètre de Mach-Zehnder 151.
De façon similaire, le second guide d'ondes optique intermédiaire 132 et le second guide d'ondes optique d'entrée de lumière de commande 142 sont couplés à un troisième guide d'ondes optique 123, dont la structure est identique à celle du premier guide d'ondes optique 121, et à un quatrième guide d'ondes optique 124, dont la structure est identique à celle du second guide d'ondes optique 122. Les troisième et quatrième guides d'ondes optiques 123 et 124 sont couplés à un second guide d'ondes de sortie de lumière de commande (second chemin de lumière de sortie de lumière de commande) 144 et à un quatrième guide d'ondes optique intermédiaire (chemin de lumière de référence) 134.L'étendue allant du troisième coupleur optique 113 au quatrième coupleur optique 114 constitue un second interféromètre de Mach-Zehnder 152, qui a une configuration identique à celle du premier interféromètre de Mach-Zehnder.
Le troisième guide d'ondes optique intermédiaire 133 et le quatrième guide d'ondes optique intermédiaire 134 sont couplés à un premier guide d'ondes optique de sortie (premier chemin de lumière de sortie de lumière de signal) 136 et à un second guide d'ondes optique de sortie (second chemin de lumière de sortie de lumière de signal) 137 par le sixième coupleur optique 116. L'étendue allant du cinquième coupleur optique 115 au sixième coupleur optique 116 constitue un troisième interféromètre de
Mach-Zehnder, qui comprend le premier interféromètre de Mach-Zehnder 151 et le second interféromètre de
Mach-Zehnder 152, disposés aux embranchement respectifs.
Les premier à quatrième guides d'ondes optiques 121, 122, 123, 124 comprennent respectivement des sections de guide d'ondes actif 161, 162, 163, 164, ayant chacune une longueur totale de 10 mm, et des sections de modulation de phase 171, 172, 173, 174, ayant chacune une longueur de 500 pm.
La figure 19A est une coupe schématique du mode de réalisation ci-dessus, faite le long du chemin optique allant du guide d'ondes d'entrée 135 jusqu'au premier guide d'ondes de sortie 136, en passant par le cinquième coupleur optique 115, le premier guide d'ondes optique intermédiaire 131, le premier coupleur optique 111, le premier guide d'ondes optique 121, le second coupleur optique 112, le troisième guide d'ondes optique intermédiaire 133 et le sixième coupleur optique 116. On notera que le couplage optique avec le canal adjacent dans les coupleurs optiques est négligé sur la figure 19A. On notera également qu'une partie du premier guide d'ondes optique 121 forme une section de guide d'ondes actif 161, tandis qu'une autre partie du guide d'ondes optique 121 forme un modulateur de phase 171.Du fait de la symétrie structurale, la lumière de signal qui traverse les autres embranchements passe dans des guides d'ondes optiques dont la structure, en coupe, est identique. Les facettes d'entrée et de sortie de chacun des guides d'ondes optiques 135, 136, 137, 141, 142, 143 et 144 sont revêtues avec une pellicule antireflet 139 et elles sont reliées à l'extérieur par une fibre optique.
La couche de guide d'ondes du mode de réalisation comprend fondamentalement un substrat 101 en
InP de type n qui remplit également la fonction d'une couche de gaine, une couche de guide d'ondes passif commune 102, consistant en InGaAsP non dopé, qui est conçue pour avoir une longueur d'onde de photoluminescence de 1,2 ym, une couche de guide d'ondes actif 103, formée seulement dans la section de guide d'ondes actif 161 du premier guide d'ondes 121, et conçue pour avoir une longueur d'onde de photoluminescence de 1,55 pm, une couche de gaine 104 en InP de type p et une couche de contact ohmique 105 en InGaAsP de type p. Une électrode commune 104 est disposée sous le substrat.Des électrodes 215, 211, 212, 216 sont respectivement formées sur les couches de contact des coupleurs optiques 115, 111, 112, 116, pour ajuster de façon fine le rapport d'aiguillage à 1:1, par l'application d'une tension de polarisation inverse.
Une électrode d'injection de courant électrique 261 est formée sur la couche de contact de la section de guide d'ondes actif 161, pour polariser le guide d'ondes actif de façon à produire un état transparent. Une électrode de polarisation inverse 271 est formée sur la couche de contact de la section de modulation de phase 171 pour ajuster la phase des interféromètres de Mach-Zehnder. La totalité de la couche de contact 105 et la majeure partie de la couche de gaine 104 en InP de type p sont retirées du guide d'ondes optique, à l'exception de l'endroit auquel les électrodes sont formées, et une couche 107 en InP semi-isolant est formée à cet emplacement pour remplir l'espace vacant de façon à isoler électrique- ment les électrodes supérieures.
La figure 19B est une coupe schématique du mode de réalisation ci-dessus, faite selon un plan perpendiculaire à la direction de guide d'ondes des sections de guide d'ondes actif 161, 162, 163, 164.
Chacun des guides d'ondes optiques présente une mésa 108 ayant une largeur de 2 pm, et l'espace entre deux mésas adjacentes est rempli avec du polyimide 109 pour donner une surface plane. Bien que ceci ne soit pas représenté, chacune des électrodes supérieures est connectée à une plage de connexion, qui est connectée à son tour à un circuit externe par un fil de connexion, tandis que l'électrode inférieure est fixée de façon rigide sur un bloc de Cu par un alliage de brasage consistant en AuSn, ce bloc de Cu remplissant également la fonction d'un radiateur et d'une masse.
Le commutateur optique du type à commande optique ci-dessus fonctionne de la manière qui est décrite ci-dessous. On suppose ici que la lumière de signal est une impulsion ayant un débit de données de 100 Gbit/s et une largeur d'impulsion de 1 ps, et qu'elle est démultiplexée de façon optique par une impulsion trapézoîdale de lumière de commande ayant une fréquence de 25 GHz et une largeur d'impulsion de 5 Ps. La puissance de crête de la lumière de commande est ajustée de façon à décaler de Ir la phase de la lumière de signal dans les premier et second guides d'ondes optiques 121, 122. Comme représenté sur la figure 20, les deux impulsions sont ajustées de façon que le plateau de chaque impulsion trapézoîdale de lumière de commande couvre une crête de lumière de signal.Le commutateur optique peut réagir à une impulsion ayant une telle fréquence élevée, du fait qu'il comprend des guides d'ondes transparents actifs.
On suppose également ici que les première à quatrième sections de guide d'ondes optique actif 161, 162, 163, 164 sont polarisées de façon à assurer la transparence pour la longueur d'onde du signal d'entrée optique, et que les coupleurs optiques 111, 112, 113, 114, 115, 116 sont ajustés par une tension de polarisation inverse qui leur est appliquée, de façon à donner un rapport d'aiguillage de 1:1, et que les interféromètres de Mach-Zehnder 151, 152, 153 font l'objet d'une compensation de phase par les modulateurs de phase 171, 172, 173, 174, pour établir une symétrie parfaite. On note que la phase de la lumière qui change de canal dans l'un quelconque des coupleurs optiques 1:1 portant les références 111, 112, 113, 114, 115, 116, est décalée de T/2 par rapport à celle de la lumière qui se propage à travers le même canal.
S'il n'y a pas de lumière de commande, l'impulsion de lumière de signal est introduite dans le guide d'ondes d'entrée 135 à partir d'une fibre optique, et elle est aiguillée par le cinquième coupleur optique 115 vers le premier guide d'ondes intermédiaire 131 conduisant au premier interféromètre de Mach-Zehnder 151, et vers le second guide d'ondes intermédiaire 132 conduisant au second interféromètre de Mach-Zehnder 152, avec un rapport de 1:1. La composante de lumière qui est aiguillée vers le premier guide d'ondes intermédiaire 131 est en outre aiguillée par le premier coupleur optique 111 vers le premier guide d'ondes optique 121 et vers le second guide d'ondes optique 122, avec un rapport de 1:1.Du fait qu'il n'y a pas de lumière de commande et que la lumière de signal est faible, aucun déphasage n'est communiqué par l'effet optique non linéaire à la lumière de signal dans les sections de guide d'ondes actif 161, 162. Par conséquent, la différence de phase entre la lumière qui provient du premier guide d'ondes optique 121 et celle qui provient du second guide d'ondes optique 122, dans la section d'entrée du second coupleur optique 112, est égale à 7r/2.
I1 résulte de ceci que toute la lumière de signal qui sort du premier interféromètre de Mach
Zehnder 151 est couplée vers le troisième guide d'ondes intermédiaire 133, pour donner une valeur égale à zéro à la lumière de sortie dirigée vers le premier guide d'ondes de sortie de lumière de commande 143. De façon similaire, toute la lumière de signal qui est émise par le second interféromètre de Mach
Zehnder 152 est couplée par le quatrième coupleur optique 114 vers le quatrième guide d'ondes intermédiaire 134. La différence de phase entre les deux composantes de lumière de signal qui sont introduites dans le sixième coupleur optique 116 est toujours de K/2, cette valeur étant définie par le cinquième coupleur optique 115.Par conséquent, toutes les composantes de lumière de signal sont appliquées au premier guide d'ondes optique de sortie 136.
On suppose maintenant que de la lumière de commande est introduite dans le premier interféromètre de Mach-Zehnder 151 à partir du premier guide d'ondes d'entrée de lumière de commande 141, par le premier coupleur optique 111. Dans ces conditions, la lumière de commande décale de Xrla phase de la lumière de signal dans les premier et second guides d'ondes optiques 121, 122. Du fait que le premier interféromètre de Mach-Zehnder 151 ne change pas la destination de la lumière de signal dans le cas de déphasages identiques dans les deux branches, toutes les composantes de lumière de signal présentes à cet endroit sont introduites dans le troisième guide d'ondes intermédiaire 133, bien que de la lumière de commande soit présente, tandis que toute la lumière de commande est dirigée vers le premier guide d'ondes de sortie de lumière de commande 143. Cependant, seule la phase de la composante de lumière de signal qui traverse la branche comprenant le premier interféromètre de Mach
Zehnder 151 est décalée de Tr dans le troisième interféromètre de Mach-Zehnder 153, et par conséquent la destination de la lumière de signal est commutée vers le second guide d'ondes de sortie de lumière de signal 137.
Comme décrit ci-dessus, le quatrième mode de réalisation peut parfaitement commuter de 0:1 à 1:0 la lumière de signal de sortie ayant un débit de données s'élevant jusqu'à 100 Gbit/s, et séparer la lumière de commande et la lumière de signal.
L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation ci-dessus. Par exemple, si les premier et second coupleurs optiques sont conçus de façon que la longueur de l'un quelconque d'entre eux soit égale à la fraction 1/2 de la longueur de couplage parfait, tandis que la longueur de l'autre est égale à la fraction 2/3 de la longueur de couplage parfait, le déphasage de la lumière traversant le premier avec croisement sera de lut/2, et celui de la lumière traversant le second avec croisement sera de -lr/2, ce qui fait que le croisement 125 devient inutile. Selon une variante, on peut éliminer le croisement 125 en polarisant le premier guide d'ondes optique 121 ou le second guide d'ondes optique 122 de façon qu'ils produisent une différence de phase de 7r.
On peut obtenir les caractéristiques fonctionnelles décrites ci-dessus en combinant des coupleurs optiques du type à fibre et des fibres optiques, bien que les exigences de stabilité et de réduction de taille puissent ne pas être nécessairement satisfaites.
L'invention peut faire l'objet d'un certain nombre d'applications différentes. Par exemple, un commutateur optique conforme à l'invention permet de réutiliser la lumière de commande. Si trois commutateurs optiques 180a, 180b, 180c du premier mode de réalisation sont disposés pour être connectés en cascade, comme représenté sur la figure 21, de façon que la lumière de commande et la lumière de signal soient introduites dans chaque commutateur optique dsns des conditions temporelles décalées séquentiellement de 10 picosecondes, au moyen d'un guide d'ondes optique de retard 181a, 181b, on peut réaliser un démultiplexage optique de 100 Gbit/s à 4 fois 25
Gbit/s.Tous les composants peuvent être formés de façon monolithique et intégrée avec une source de lumière d'impulsions de commande 182 et des photodiodes rapides de réception de signal 183a, 183b, 183c, 183d, du type à guide d'ondes.
Si on utilise un coupleur optique pour des moyens d'aiguillage de signal d'entrée, on peut réaliser une structure à deux entrées pour la lumière de signal. Si tel est le cas, les sorties de deux lumières de signal différentes peuvent être commutées entre des etats de transmission croisée et de transmission directe. Avec une telle configuration, on peut réaliser une opération de commutation optique ultra-rapide, commande de façon optique, et on peut l'appliquer à un commutateur à auto-acheminement pour un commutateur optique fonctionnant en mode de transfert asynchrone (ou ATM).
Un commutateur optique ayant un second interféromètre de Mach-Zehnder peut être utilisé pour des opérations logiques optiques, en employant une première lumière de commande introduite par un premier guide d'ondes d'entrée de lumière de commande, et une seconde lumière de commande introduite par un second guide d'ondes d'entrée de lumière de commande. Si la phase de la lumière de signal de sortie du second interféromètre de Mach-Zehnder est déphasée de 91 par la seconde lumière de commande, le coupleur optique de sortie du troisième interféromètre de Mach-Zehnder produira une différence de phase de - jazz Par conséquent, en utilisant ce phénomène, on peut obtenir à la sortie du troisième interféromètre de Mach-Zehnder des signaux de sortie correspondant à une fonction OU
EXCLUSIF ou à sa negation, pour deux lumières de commande.On peut utiliser la seconde lumière de commande pour polariser la phase, en employant pour elle de la lumière continue.
Bien que l'invention soit décrite ci-dessus exclusivement en termes d'opérations de commutation d'acheminement numérique, il est possible de modifier le rapport des deux signaux de sortie, pour le rendre égal à un rapport donné quelconque, en ajustant continuellement la lumière de commande d'entrée. Par conséquent, on peut appliquer l'invention a un modulateur optique ultra-rapide, du type à commande optique.
La figure 22 est une représentation graphique montrant la relation entre la puissance optique d'entrée et la puissance optique de sortie lorsque le commutateur optique du quatrième mode de réalisation est utilisé pour un modulateur optique analogique. On notera qu'il est possible d'effectuer des opérations de modulation complexes pour la lumière de signal, en utilisant deux lumières de commande d'entrée.
On notera également que l'invention a un certain nombre d'applications différentes.
Comme décrit ci-dessus en détail en relation avec les premier à quatrième modes de réalisation, la non-linéarité attribuable à l'absorption intra-bande peut être rendue supérieure à la non-linéarité attribuable à l'absorption à deux photons, par l'utilisation d'un matériau pour lequel la longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande est pratiquement égale à la longueur d'onde de la lumière incidente, pour une partie au moins de la structure stratifiée de guide d'ondes optique. Par conséquent, un dispositif conforme à l'invention peut réaliser une opération de commutation à fréquence élevée avec une faible consommation d'énergie d'excitation, de façon plus efficace que n'importe quels dispositifs classiques comparables.De plus, un dispositif conforme à l'invention peut parfaitement commuter la destination de la lumière de signal de sortie, avec un rapport d'extinction élevé, de façon à pouvoir realiser un commutateur optique du type à commande optique, rapide et à rendement élevé.
A titre de référence, le tableau placé en annexe montre, en ce qui concerne divers paramètres, des avantages attendus du commutateur optique conforme à l'invention.
Cinquième mode de réalisation
La figure 23 est une vue en perspective schématique, avec une partie enlevée, d'un dispositif de conversion de longueur d'onde conforme au cinquième mode de réalisation de l'invention.
Dans le dispositif de conversion de longueur d'onde, on utilise pour la conversion de longueur d'onde un mélange à quatre ondes d'un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives.
En se référant à la figure 23, on note qu'un guide d'ondes optique à semiconducteurs 302, en forme de ruban, est formé sur un substrat 301 en InP de type n, qui remplit également la fonction d'une couche de gaine de type n. Le guide d'ondes optique à semiconducteurs 302 est réalisé en disposant sequentiellement une couche de gaine de type n (substrat 301 en InP de type n), une couche de guide d'ondes optique 303 en
InGaAsP non dopé, une couche active 304 à puits quantique soumis à des contraintes, comprenant un puits quantique non dopé ayant une structure InGaAs/
AlAs, chacun de ces matériaux étant soumis à des contraintes, une couche de guide d'ondes optique 305 en InGaAsP et une couche de gaine 306 en InP de type p, dans l'ordre ci-dessus, pour former une structure multicouche. Une couche de contact ohmique 307 en
InGaAsP de type p est formée sur la couche de gaine 306 en InP de type p.
Une couche enterrée comprenant une couche 308 en InP de type p et une couche 309 en InP de type n, est formée le long des bords latéraux du guide d'ondes optique à semiconducteurs 309, dans le but de confiner un courant électrique dans le guide d'ondes optique à semiconducteurs 302. Une électrode ohmique 311 du côté p et une électrode ohmique 312 du côté n sont respectivement disposées sur la couche de contact ohmique 307 en InGaAsP de type p et sous le substrat 301 en InP. Les facettes d'entrée et de sortie sont revêtues avec une pellicule antireflet 313, pour réduire la réflectivité des facettes à moins de 0,1%.
Le dispositif de conversion de longueur d'onde est disposé sur une monture en Cu (non représentée), munie d'une sous-monture en A1N avec un revêtement en Au, qui remplit également la fonction d'un radiateur et qui est connectée par soudage à des lignes d'alimentation.
Le dispositif de conversion de longueur d'onde est assemblé de façon caractéristique avec des fibres optiques d'entrée/sortie, une paire de lentilles asphériques pour réaliser un couplage optique à faibles pertes avec les fibres optiques d'entrée/ sortie, un isolateur optique et un dispositif refroidisseur à effet Peltier, pour former un module. Comme représenté sur la figure 6, ce module peut être combiné avec un multiplexeur/démultiplexeur optique, un filtre optique à bande étroite et un amplificateur optique, pour accomplir une conversion de longueur d'onde d'une lumière qui remplit la fonction d'une onde porteuse de signal.
Dans le cinquième mode de réalisation, la couche active de puits quantique soumise à des contraintes remplit la fonction d'une couche de semiconducteur ayant une longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande définie à l'intérieur de la bande de gain d'un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives. La figure 24 montre une illustration schématique de la structure de la bande de conduction d'une partie principale de la couche active de puits quantique avec contraintes, 304, du guide d'ondes optique à semiconducteurs 302.
On réalise la couche active de puits quantique avec contraintes, 304, en disposant vingt (20) couches élémentaires, chacune d'elles comprenant une couche mince de puits 314 en InGaAs et une couche mince de barrière 315 en AlAs, soumise à une contrainte de traction, la couche de puits en InGaAs étant intercalée entre une paire de couches de barrière. Il existe une première sous-bande 316 et une seconde sous-bande 317 dans la couche de puits 314 en InGaAs.
La transition de la première sous-bande 316 vers la seconde sous-bande 317 est une transition autorisée, sur la base de la règle de parité. Du fait que la couche de barrière 315 en AlAs, soumise à une contrainte de traction, est mince, les sous-bandes 316 et 317 de chaque couche de puits 314 en InGaAs sont couplées par effet tunnel pour former des mini-bandes.
L'énergie de transition entre sous-bandes est d'environ 0,8 eV (soit une longueur d'onde de résonance de 1,55 pm).
Le fait qu'une aussi grande bande interdite puisse être formée entre des sous-bandes est décrit dans le document suivant : J. H. Smet et al., Appl.
Phys. Lett., Vol. 64, pages 986-987, 1994.
Un courant électrique est injecté dans la couche active de puits quantique avec contraintes, 304, d'une manière telle qu'il puisse donner lieu à un gain suffisant pour la lumière ayant une longueur d'onde egale à 1,55 pm ou proche de cette valeur. Par conséquent, des électrons sont injectés avec une densité élevée dans la première sous-bande 316, par l'effet tunnel, tandis que des trous sont injectés dans la bande de valence.
Du fait de l'inversion de population d'électrons et de trous, un gain d'émission stimulée est produit dans la couche active de puits quantique avec contraintes 304, ce qui a pour effet d'amplifier la lumière ayant une longueur d'onde de 1,55 pm, ou proche de cette valeur, et qui est introduite dans le guide d'ondes optique à semiconducteurs 302.
Si de la lumière de pompe ayant une pulsation 1 et de la lumière de signal ayant une pulsation W 2 = W1 - Q sont introduites simultanément, le gain et l'indice de réfraction sont modulés par une pulsation de battement #, et une lumière ayant une pulsation W3 = + n. est générée, comme dans le cas d'un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives classique, ce qui fait que seule la composante ayant la pulsation w3 peut être extraite au moyen d'un filtre optique à bande étroite externe, comme dans le cas d'un dispositif de conversion de longueur d'onde classique.
Du fait que la longueur d'onde de résonance d'absorption entre les première et seconde sous-bandes 316 et 317 de la bande de conduction se trouve dans la bande de longueurs d'onde de gain, des électrons se trouvant dans la première sous-bande absorbent une partie de la lumière dans le guide d'ondes optique à semiconducteurs, et ils sont excités pour passer dans la seconde sous-bande 317, comme représenté sur la figure 25.
Les électrons excités pour passer dans la seconde sous-bande se relaxent vers le niveau d'énergie éleve de la première sous-bande, en une courte durée, lorsqu'ils entrent en collision avec des phonons. Ensuite, les électrons au niveau d'énergie élevé se relaxent vers le niveau d'énergie bas d'origine, en entrant en collision avec des électrons et des phonons (relaxation de porteurs intra-bande).
Le processus de relaxation de porteurs intra-bande est fondamentalement identique au processus de relaxation de brûlure de trou spectral et à celui de chauffage de porteurs, et il a une constante de temps très courte, de quelques centaines de femtosecondes à quelques picosecondes.
On notera qu'il n'est pas possible d'obtenir une non-linéarité aussi remarquablement élevée avec un dispositif de conversion de longueur d'onde classique quelconque, dans lequel seuls des effets non linéaires tels que l'absoption de porteurs libres et l'absorption à deux photons modulent la distribution d'énergie de porteurs intra-bande, à l'exception de la brûlure de trou spectral due à l'émission stimulée.
Au contraire, avec l'absorption résonnante intra-bande du cinquième mode de réalisation décrit ci-dessus, l'indice de réfraction et le gain sont modulés dans une large mesure, du fait que la distribution d'énergie des électrons est considérablement changée par la variation du champ optique avec une pulsation de battement fL.
En ajoutant à la formule (2) l'effet de mélange à quatre ondes de l'absorption intra-bande (cfficient de couplage complexe C4, constante de temps t4), on peut exprimer le rendement de conversion par la relation ci-dessous
= 10 log10 (P3(1)/P2(0) >
Figure img00840001
Comme décrit ci-dessus, le processus de relaxation est un processus complexe faisant intervenir plusieurs constantes de temps différentes, et par conséquent il est nécessaire, pour l'exprimer, d'ajouter à la formule ci-dessus, pour la rendre plus exacte, un cinquième effet (C5, 5) et des effets secondaires supplementaires.
Cependant, si la couche active elle-même est dans la couche d'absorption résonnante entre sousbandes, comme dans le cas du cinquième mode de réalisation, on peut considérer de tels effets supplémentaires non pas comme de nouveaux effets attribuables à la transition entre sous-bandes, mais comme des valeurs révisées de C2 et C3, qui sont augmentées du fait de l'absorption résonnante intra-bande.
Pour simplifier, on exprime ci-après par C4, la la composante ayant une constante de temps qui est augmentée jusqu'au niveau de celle du chauffage des porteurs, sous l'effet de l'absorption résonnante intra-bande.
La figure 26 est une représentation graphique montrant le rendement de conversion de longueur d'onde relatif (ligne continue) du dispositif de conversion de longueur d'onde du cinquième mode de réalisation, en comparaison avec celui d'un dispositif classique (ligne discontinue).
On voit sur la figure 26 que l'on peut obtenir un rendement de conversion de longueur d'onde relatif de valeur élevée avec un dispositif conforme à l'invention, même lorsque la différence de longueur d'onde dépasse 1 nm. En d'autres termes, un dispositif conforme à l'invention peut realiser une conversion de longueur d'onde très efficace sur une largeur de bande plus étendue que jamais. Ceci vient du fait que l'invention peut procurer une grande valeur absolue pour le rendement de couplage complexe C4, et une valeur pratiquement égale à celle de t2 pour la constante de temps #4.Par conséquent, un dispositif conforme à l'invention peut réagir à un signal qui est modulé avec un débit de données élevé de plusieurs dizaines de Gbit/s, et il peut être utilisé pour le démultiplexage optique de signaux multiplexés par multiplexage temporel optique, au moyen d'une impulsion de commande optique courte ayant une largeur d'impulsion faible, telle que 1 ps.
Une transition entre sous-bandes est normalement autorisée pour le mode TM et interdite pour le mode TE. Cependant, on sait que si l'énergie de transition est élevée, une absorption est également observable dans le mode TE, à cause d'un écart possible de la courbe de dispersion de la bande de conduction, par rapport à une courbe parabolique, d'une symétrie réduite du fait de contraintes et pour d'autres raisons.
Diverses combinaisons peuvent donc être possibles pour des ondes polarisées de lumière d'excitation, de lumière de signal et de lumière conjuguée, ce qui fait qu'il est possible de sélectionner des valeurs souhaitables pour le coefficient d'absorption et la susceptibilité non linéaire. On peut commodément utiliser un coupleur à polarisation pour le multi plage de lumière, par la combinaison d'ondes lumineuses polarisées de façon orthogonale.
Du fait que des courbes de dispersion d'énergie en fonction du nombre d'onde dans le plan du puits pour chaque sous-bande de la bande de conduction sont pratiquement parallèles les unes aux autres, la demi-largeur d'un spectre d'absorption entre sousbandes est normalement faible.
Cependant, avec le puits quantique du cinquième mode de réalisation, la demi-largeur devient assez grande, à cause de la formation de mini-bandes, et la courbe de dispersion s'écarte de la courbe parabolique, ce qui fait que l'on peut obtenir l'absorption résonnante sur une gamme étendue de longueurs d'onde dans des applications pratiques.
On notera que bien que le gain résultant puisse être réduit pour l'amplificateur laser à semiconducteurs, du fait de l'absorption entre sousbandes, il est possible de compenser l'influence d'une telle réduction du gain en connectant un amplificateur optique externe.
Comme décrit ci-dessus, le dispositif de conversion de longueur d'onde du cinquième mode de réalisation est capable d'atteindre un rendement de conversion élevé. Par conséquent, la différence de niveau entre la lumière d'excitation et la lumière conjuguée, et la différence de niveau entre la lumière de signal et la lumière conjuguée, qui sont élevées dans un dispositif de conversion de longueur d'onde classique, peuvent être réduites considérablement, et la différence de niveau entre le bruit de l'amplificateur laser à semiconducteurs et la lumière conjuguée peut être augmentée. Par conséquent, le rapport d'extinction peut ne pas être nécessairement défini de façon rigoureuse pour un filtre à bande étroite si on utilise le cinquième mode de réalisation. De plus, ce mode permet d'améliorer considérablement le rapport signal/bruit.
Sixième mode de réalisation
La figure 27 est une vue en perspective schématique, avec une partie enlevée, d'un dispositif de conversion de longueur d'onde conforme au sixième mode de réalisation de l'invention.
Dans ce mode de réalisation, on utilise pour la conversion de longueur d'onde le mélange à quatre ondes d'un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives.
Le sixième mode de réalisation de dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs est un amplificateur à guide d'ondes à semiconducteurs du type à ondes progressives, comprenant une couche active en InGaAsP et une couche de puits quantique en
GaN/AlN (seconde couche de guide d'ondes optique) qui remplit la fonction d'une partie d'un guide d'ondes optique. On peut commander la longueur d'onde d'absorption entre sous-bandes de la couche de puits quantique en GaN/AlN par l'application d'un champ électrique.
En se référant à la figure 27, on note que le dispositif comprend un guide d'ondes optique 402 en forme de ruban qui est formé sur un substrat 401 en
InP de type p. Le guide d'ondes optique à semiconducteurs 402 est réalisé en disposant séquentiellement un substrat 401 en InP, qui remplit également la fonction d'une couche de gaine inférieure, une couche de guide d'ondes optique 403 en InGasP de type p , une couche active de puits quantique 404 en InGaAs/InGaAsP non dopé, une couche de guide d'ondes optique 405 en
InGaAsP de type n, une couche 411 en InGaN non dopé, une couche de puits quantique 412 remplissant la fonction d'une couche d'absorption résonnante par transition entre sous-bandes, et ayant une structure
GaN non dopé/AlN de type n, et une couche 413 en AlGaN de type n, qui remplit la fonction d'une couche de gaine supérieure, dans l'ordre indiqué ci-dessus, pour former une structure multicouche.
Le guide d'ondes optique 402 est entouré extérieurement par une couche 408 en InP de type n et par une couche 409 en InP de type p, qui remplissent la fonction de couches de confinement de courant électrique, ainsi que par une couche 407 en InGaAsP de type n, qui est disposée de façon à venir en contact avec les côtés latéraux de la couche active 404. La couche de puits quantique 412 en GaN/AlN comprend une région ayant une largeur de puits relativement grande et une autre région ayant une largeur de puits relativement faible, ces régions étant disposées le long du guide d'ondes. Une paire de sillons 414, 414 sont formés le long des côtés latéraux respectifs du guide d'ondes optique 402, pour produire un guide d'ondes optique ayant la forme d'une nervure.
Des électrodes 415, 416, 417 sont respectivement formées sur la couche 407 en InGaAsP de type n, sur la couche 413 en AlGaN de type n et sous la couche 401 en InP de type p. Les facettes d'entrée et de sortie sont revêtues avec une pellicule antireflet 418 et le guide d'ondes optique 402 est séparé des facettes par la structure de fenêtre, de façon que la réflectivité des facettes soit réduite à une valeur inférieure à 0,1%.
La structure ci-dessus peut être préparée de façon caractéristique de la manière décrite cidessous. Premièrement, on forme séquentiellement, par croissance épitaxiale sur un substrat, une couche de guide d'ondes optique 403, une couche active 404 et un guide d'ondes optique 405, pour produire un substrat semiconducteur de croissance épitaxiale 401. Séparément de ceci, on forme une pellicule épitaxiale multicouche de nitrure sur un substrat qui consiste de façon caractéristique en saphir, en formant une couche 411 en InGaN, une couche d'absorption entre sousbandes, 412, et une couche 413 en AlGaN, avec interposition entre elles d'une couche de ZnO ou d'une couche tampon.On peut produire une structure de modulation de largeur de puits en répétant deux fois un processus de croissance sélective pour les régions respectives, mais selon une variante, on peut préparer une telle structure de modulation de largeur de puits par un seul processus de croissance, en utilisant une technique telle qu'une croissance sélective avec masque (permettant de changer la vitesse de croissance au moyen de la largeur du masque), qui est bien connue pour la croissance d'InGaAsP.
Ensuite, on sépare l'un de l'autre le substrat et la pellicule épitaxiale multicouche de nitrure, par attaque sélective de la couche de ZnO. La pellicule épitaxiale multicouche obtenue est ensuite fixée par une opération de liaison sous pression sur un substrat 401 en InP, d'une manière telle que la couche de guide d'ondes optique 405 en InGaAsP et la couche 411 en InGaN non dopé soient disposées vis-àvis, et les composants assemblés sont soumis à un traitement thermique dans une atmosphère d'hydrogène pour produire un ensemble unitaire. L'opération de liaison donne normalement un excellent résultat, du fait que les deux couches disposées face à face contiennent de l'indium (In).
La structure multicouche directement liée qui est préparée de cette manière est ensuite soumise à une opération d'attaque par voie sèche pour produire un profil déterminé du guide d'ondes optique 402, et ensuite des couches enterrées 408, 409, 407 sont formées par croissance épitaxiale, en utilisant la pellicule épitaxiale multicouche de nitrure à titre de masque de croissance sélective. Ensuite, une paire de sillons 414, 414 sont formés sur les côtés latéraux respectifs du guide d'ondes. Ensuite, des électrodes supérieures 415, 416 sont préparées et la face inférieure du substrat 401 en InP est polie, pour former sur elle une électrode inférieure 417. Un dispositif tel que celui qui est représenté sur la figure 7 est ensuite produit, à la suite d'une série d'opérations de traitement comprenant le clivage et le découpage en puces et la formation de pellicules antireflets 418.
Une puce de semiconducteur préparée de cette manière est ensuite placée sur une monture en Cu comportant une sous-monture en A1N avec un revêtement en Au, qui remplit la fonction d'un radiateur et d'une borne électrique, avec l'électrode inférieure 417 disposée entre ces éléments, tandis que les électrodes supérieures sont connectées à des lignes d'alimentation par soudage et par l'intermédiaire de lignes à ruban. Ensuite, la puce est assemblée avec des fibres optiques d'entrée/sortie, une paire de lentilles asphériques pour réaliser un couplage optique à faibles pertes avec les fibres optiques d'entrée/ sortie, un isolateur optique et un dispositif refroidisseur à effet Peltier, pour produire un module.
Avec un dispositif de conversion de longueur d'onde tel que celui qui est représenté sur la figure 27, des électrons sont injectés à partir de l'électrode supérieure 415 dans la couche active 404, par l'intermédiaire de la couche enterrée 407 en InP et de la couche 405 en InGaAsP, tandis que des trous sont injectés à partir du substrat 401 dans la couche active 404, à travers la couche 403 en InGaAsP. Du fait qu'un gain d'émission stimulée est produit dans la couche active 404, sous l'effet de l'inversion de population d'électrons et de trous, de la lumière ayant une longueur d'onde de 1,55 m, ou proche de cette valeur, et qui est introduite dans le guide d'ondes optique 402, est amplifiée.Du fait que des réflexions multiples ne se produisent pas dans la direction du guide d'ondes optique, aucune oscillation laser ne se manifeste au cours de l'opération d'injection de courant, et l'amplification est réalisée avec un gain élevé.
Du fait que les bandes interdites d'InGaN,
Gan et A1N sont beaucoup plus grandes que celles d'InP et InGaAsP, et qu'il y a une barrière de potentiel élevée pour les porteurs dans la couche active 404 et dans la couche de guide d'ondes optique 405, aucune injection de porteurs n'a lieu à cet endroit. De plus, du fait que la bande interdite de GaN est grande (3,4 à 3,6 eV), aucune absorption à deux, trois et quatre photons n'a lieu du fait de la transition inter-bande, si de la lumière ayant une longueur d'onde dans la bande de 1,55 pm est introduite, ce qui fait que la densité de porteurs dans la couche de puits en GaN ne fluctue pas notablement.
Un puits quantique profond est formé dans la bande de conduction de la couche de puits quantique 412 en GaN/AlN.
Le bas de la bande de conduction d'AlN et celui de la bande de conduction de GaN se trouvent au point pl. Bien que le matériau A1N qui constitue une couche de barrière pour la couche de puits quantique 412 soit dopé avec le type n, la majeure partie des électrons sont répartis dans la première sous-bande liée à rl de GaN, lorsqu'il n'y a pas de lumière. Une couche d'AlN non dopé peut être disposée entre la couche barrière en A1N de type n et la couche de puits en GaN non dopé, pour empêcher que les impuretés d'AlN n'affectent défavorablement le potentiel de l'hétérointerface. Si les couches de barrière en A1N occupant les positions les plus externes sont non dopées et ont une épaisseur suffisante, elles peuvent empêcher qu'un courant électrique réel ne circule à travers elles, lorsqu'une tension leur est appliquée.
Dans des régions de la couche de puits quantique en GaN/AlN dans lesquelles le puits a une largeur relativement grande, un ajustement est accompli de façon que la différence d'énergie entre les première et seconde sous-bandes de r 1 devienne égale à 0,79 eV. D'autre part, dans des régions dans lesquelles le puits a une largeur relativement faible, un ajustement est accompli de façon que la différence d'énergie entre les première et seconde sous-bandes devienne égale à 0,81 eV. La transition entre les première et seconde sous-bandes est autorisée pour le mode TM.
Du fait que les courbes de dispersion d'énergie en fonction du nombre d'onde dans le plan du puits pour les deux sous-bandes sont séparées par une énergie constante indépendamment du nombre d'onde, à
rl, et à son voisinage, ou des électrons existent, la
1 largeur du spectre d'absorption peut être réduite à une valeur aussi faible que 20 meV si on peut éliminer effectivement des causes possibles de répartition d'énergie non uniforme, comme des fluctuations de lalargeur du puits et celles du potentiel qui sont dues à des impuretés.
Bien que la lumière présente un pic de distribution d'énergie dans la couche active 404 ou au voisinage de celle-ci, elle est en fait guidée dans un mode qui lui permet de pénétrer partiellement dans la couche de puits quantique 412 en GaN/AlN. Par conséquent, si de la lumière ayant une longueur d'onde correspondant à la transition entre sous-bandes décrite ci-dessus (1,55 - 1,57 pm) est transmise à travers le guide d'ondes 402 dans le mode TM, une partie de la lumière est absorbée par des électrons dans la première sous-bande, pour exciter ceux-ci jusqu'au niveau d'énergie de la seconde sous-bande.
Un mélange à quatre ondes a lieu dans cette condition lorsque le coefficient d'absorption et l'indice de réfraction fluctuent sous la dépendance de l'intensité de la lumière guidée.
Par conséquent, le dispositif de conversion de longueur d'onde du sixième mode de réalisation fonctionne fondamentalement de la même manière que le cinquième mode de réalisation, à l'exception du fait qu'une absorption résonnante intra-bande se produit dans une couche d'absorption entre sous-bandes qui est formée indépendamment de la couche active. Par conséquent, ce dispositif peut fonctionner efficacement pour la conversion de longueur d'onde sur une grande largeur de bande.
Septième mode de réalisation
Un dispositif de conversion de longueur d'onde conforme au septième mode de réalisation a une configuration pratiquement identique à celle de l'amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives conforme au premier mode de réalisation (figure 8), décrit précédemment. Ainsi, on ne décrira pas davantage ici les composants du septième mode de réalisation qui sont identiques ou similaires à leurs homologues du premier mode de réalisation.
Alors que le premier mode de réalisation de dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs est conçu s3us la forme d'un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives, le septième mode de réalisation est utilisé à titre de dispositif de conversion de longueur d'onde. On utilise pour la conversion dans le septième mode de réalisation le phénomène de mélange à quatre ondes d'un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives.
En se référant à la figure 8, on note qu'un courant électrique est injecté dans la couche active 24 en Hg0,3Cd0,7Te par l'intermédiaire des électrodes du côté n et du côté p, 26 et 27, du septième mode de réalisation. La couche active 24 en Hg0,3Cd0,7Te présente un gain d'émission stimulée à une longueur d'onde de 1,3 fm, ou au voisinage de cette valeur. On notera que la couche active 24 en Hg0,3Cd0,7Te de ce mode de réalisation est une couche de semiconducteur qui est conçue pour avoir une longueur d'onde d'absorption inter-bande de valence qui se trouve dans la bande de gain de l'amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives.
Par conséquent, il se produit à la fois une amplification due au gain d'émission stimulée et une absorption inter-bande de valence, et aussi bien l'indice de réfraction que le gain changent considérablement lorsque la distribution d'énergie de trous change, ce qui donne lieu à un degré élevé de nonlinéarité et à un rendement de conversion élevé. De plus, le temps nécessaire pour la relaxation de l'absorption inter-bande de valence est très court, soit quelques centaines de femtosecondes au plus. Par conséquent, le rendement de conversion ne diminue pas considérablement si la différence de longueur d'onde est augmentée.
Comme on le comprendra d'après la description ci-dessus, il est possible d'utiliser le septième mode de réalisation pour réaliser une conversion de longueur d'onde avec un rendement élevé sur une grande largeur de bande, comme dans le cas des cinquième et sixième modes de réalisation qui utilisent une transition entre sous-bandes dans la bande de conduction.
On notera que l'invention n'est en rien limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus.
Par exemple, les matériaux et les compositions de la couche active et de la couche d'absorption résonnante intra-bande, et leurs épaisseurs, ainsi que la structure du guide d'ondes optique à semiconducteurs, ne sont pas limités à ceux décrits ci-dessus en relation avec les modes de réalisation. En d'autres termes, on peut modifier la longueur d'onde de gain, le coefficient d'absorption, la valeur de non-linéarité et la polarisation, en modifiant la structure du dispositif.
La couche de semiconducteur, dans laquelle la longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande se trouve dans la bande de gain de l'amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives, fonctionne à la manière d'une couche active, ou bien elle est indépendante de la couche active et de la couche de gaine, dans la description ci-dessus. Cependant, selon une variante, la couche de semiconducteur peut remplir la fonction d'une partie de la couche de gaine. La caractéristique essentielle pour la couche de semiconducteur consiste en ce qu'elle se trouve à l'intérieur de la zone de distribution de puissance de la lumière qui est guidée à travers le guide d'ondes optique à semiconducteurs.
De plus, le dispositif de conversion de longueur d'onde ne doit pas nécessairement être un dispositif indépendant. I1 peut être combiné avec un ou plusieurs lasers à semiconducteurs, modulateurs optiques, commutateurs optiques, multiplexeursl démultiplexeurs optiques, dispositifs de sélection de longueur d'onde, dispositifs de réception de lumière et d'autres dispositifs de conversion de longueur d'onde, pour former une plus grande entité intégrée.
En résumé, comme décrit ci-dessus en relation avec les cinquième à septième modes de réalisation, on peut réaliser un dispositif de conversion de longueur d'onde ayant une grande largeur de bande et un rendement élevé, en utilisant un guide d'ondes optique à semiconducteurs ayant une couche de semiconducteur dont la longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande se trouve dans la bande de gain de l'amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives correspondant.
Huitième mode de réalisation
Un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme au huitième mode de réalisation est un filtre de longueur d'onde accordable ayant une configuration pratiquement identique à celle du dispositif de conversion de longueur d'onde conforme au sixième mode de réalisation (figure 27). Par conséquent, on ne décrira pas davantage ici les composants du huitième mode de réalisation qui sont identiques ou similaires à leurs homologues du sixième mode de réalisation. Alors que le sixième mode de réalisation de dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs est conçu de façon à constituer un dispositif de conversion de longueur d'onde, le huitième mode de réalisation est utilisé à titre de filtre de longueur d'onde accordable.
La figure 28A montre une représentation graphique du spectre du gain (ligne en trait mixte) de la couche active de la figure 27, et du spectre de la perte (ligne en pointillés) de la couche de puits quantique 412 en GaN/AlN lorsque aucune tension ne leur est appliquée, et la figure 28B montre les spectres de transmission résultants correspondants. La perte de la bande de transmission qui est occasionnée par l'absorption entre sous-bandes est compensée par le gain de la couche active 404.
Lorsqu'une tension est appliquée entre les électrodes 415 et 416 pour appliquer un champ électrique au puits quantique, la différence d'énergie entre sous-bandes est augmentée par l'effet Stark avec confinement quantique, pour décaler la longueur d'onde de résonance vers le côté des courtes longueurs d'onde. Si le puits quantique GaN/AIN 412 a une structure asymétrique telle que AlN/GaN/AlGaN/AlN, on peut produire de grands changements de la longueur d'onde d'absorption résonnante entre sous-bandes, par l'application d'un champ électrique, bien que le spectre d'absorption présente alors une grande largeur. La ligne en pointillés sur la figure 28B indique le spectre de gain/perte résultant qui est obtenu par l'application d'une tension.Le taux du changement de longueur d'onde de transmission qui est occasionné par un champ électrique est limité essentiellement par les paramètres LCR du système d'application de tension, ce qui fait que l'on peut obtenir un temps de réponse de quelques centaines de picosecondes.
I1 faut noter que, bien que les deux régions (une région ayant une largeur de puits relativement grande et une région ayant une largeur de puits relativement faible) de la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs du huitième mode de réalisation soient simultanément commandées par une électrode commune 416, d'un point de vue strict ces régions diffèrent l'une de l'autre en ce qui concerne la valeur du décalage de la longueur d'onde du pic d'absorption, en fonction de la tension appliquée. De plus, la largeur du spectre d'absorption et le coefficient d'absorption changent également en fonction de la tension.Pour commander effectivement la longueur d'onde du pic de transmission indépendamment de ces changements, en maintenant les caractéristiques de transmission pratiquement constantes, il est préférable de diviser l'électrode 416 en deux sections, de façon que les deux régions ci-dessus puissent être commandées indépendamment. Avec une électrode comportant deux sections divisées, il est également possible de commander certaines aspects de la transmission autres que la longueur d'onde de transmission, comme la largeur de bande de transmission.
On peut réaliser un filtre ayant un ensemble de longueurs d'onde de transmission, ou un filtre à longueur d'onde accordable ayant une configuration de distribution complexe de bandes de transmission et d'absorption, en divisant la seconde couche de guide d'ondes à semiconducteurs 412 en un nombre de régions supérieur à deux.
Le filtre de longueur d'onde accordable du huitième mode de réalisation est protégé contre des réflexions de lumière multiples par la pellicule antireflet 418 qui est formée sur les facettes et par la structure de fenêtre, de façon que la largeur de l'impulsion optique courte ne puisse pas être augmentée. Des électrons qui sont excités jusqu'au niveau d'énergie de la seconde sous-bande se relaxent rapidement vers le niveau d'énergie bas d'origine en une très courte durée, de quelques picosecondes, lorsqu'ils entrent en collision de façon répétée avec des électrons et des phonons. Par conséquent, l'impulsion précédente n'affectera pas l'impulsion suivante même si l'énergie d'impulsions optiques courtes est absorbée à des intervalles de plusieurs picosecondes.
Comme décrit ci-dessous, le filtre de longueur d'onde accordable du huitième mode de réalisation diffère d'un dispositif dans lequel une section d'absorption de lumière pour l'absorption entre sousbandes, qui permet un accord rapide de la longueur d'onde, et une section d'amplificateur optique qui est dépourvue d'absorption entre sous-bandes, sont connectées dans une configuration de connexion en cascade.
Avec une configuration dans laquelle un amplificateur optique est connecté derrière une section d'absorption de lumière, des bruits d'amplifi cation par émission spontanée qui sont générés par l'amplificateur optique sont ajoutés à la longueur d'onde d'absorption, ce qui dégrade le rapport signal à bruit. Le signal ayant un rapport signal/bruit dégradé ne peut pas être rétabli à sa qualité de signal d'origine par amplification. Contrairement à ceci, le rapport signal à bruit d'un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme à l'invention peut être maintenu à un niveau élevé, du fait que des bruits d'amplification par émission spontanée dans la bande de longueurs d'onde d'absorption sont également absorbés.Un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme à l'invention a une capacité d'amplification et, s'il est utilisé à titre d'amplificateur initial ayant un excellent rapport signal à bruit et est connecté à un amplificateur optique situe en aval, il est possible d'obtenir une puissance de sortie plus élevée.
Au contraire, dans une configuration dans laquelle une section d'absorption de lumière utilisant l'absorption entre sous-bandes est disposée en aval et est connectée à un amplificateur optique, la lumière est tout d'abord amplifiée par l'amplificateur optique et ensuite introduite dans la section d'absorption de lumière. Cette configuration ne peut pas fournir des signaux de sortie de manière stable, du fait qu'elle est affectée par une saturation de l'absorption entre sous-bandes, une génération de chaleur occasionnelle et une non-linéarité accrue. On verra d'après ce qui précède qu'un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme à l'invention peut procurer une grande dynamique pour les niveaux d'énergie d'entrée et de sortie.
La figure 29 est une illustration schématique d'un noeud de conversion de longueur d'onde qui est réalisé en utilisant un filtre de longueur d'onde accordable de la figure 27. Les principaux composants du noeud de conversion de longueur d'onde sont les suivants : un laser à semiconducteurs 441 dont la longueur d'onde peut être accordée rapidement, un coupleur 442 pour multiplexer la lumière de signal et la lumière de sortie du laser à semiconducteurs accordable 441, un dispositif de conversion de longueur d'onde 443 consistant en un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives, un dispositif à guide d'ondes optique (filtrre de longueur d'onde accordable) 444 conforme à la présente invention, un amplificateur à fibre optique 445 et une unité de commande 446.
Pour le noeud de conversion de longueur d'onde 440 de la figure 29, la lumière de signal est constituée par un paquet ou un train d'impulsions courtes ayant une longueur d'onde de # q. Le laser à semiconducteurs 441 dont la longueur d'onde peut être accordée rapidement, produit une impulsion de lumière de pompe ayant une longueur d'onde de #p qui est définie pour chaque paquet, en synchronisme avec l'impulsion de lumière de signal.La lumière de signal ayant la longueur d'onde de Aq et la lumière de pompe ayant la longueur d'onde de ?( sont soumises a un p mélange à quatre ondes dans le dispositif de conversion de longueur d'onde 443, qui génère de la lumière de signal conjuguée ayant une longueur d'onde de
A c 2 p -
c p q
L'unité de commande 446 commande la longueur d'onde d'oscillation du laser à semiconducteurs 441 dont la longueur d'onde peut être accordée rapidement, pour la faire concorder avec la longueur d'onde qui est déterminée par la longueur d'onde A q du paquet de signal d'origine et par la longueur d'onde #c du paquet à obtenir par conversion.Elle commande également la longueur d'onde de transmission #c du filtre 444 dont la longueur d'onde peut etre accordée rapidement. L'opération de conversion de longueur d'onde peut donc être accomplie pour chaque paquet.
L'acheminement de la lumière de signal peut être réalisé en connectant à ce noeud un circuit d'aiguillage d'ondes lumineuses qui définit la sortie en fonction de la longueur d'onde. Ce noeud est également applicable à un multiplexeur du type ajout/ suppression. On peut réaliser un commutateur optique à multiplexage spatial et de longueur d'onde en disposant un ensemble de tels noeuds en parallèle, et en les connectant par l'intermédiaire d'un circuit d'aiguillage d'ondes lumineuses pour l'acheminement, de façon à produire une structure à plusieurs étages.
Du fait que des noeuds de conversion de longueur d'onde classiques ont une réponse lente, on ne peut pas les utiliser pour un commutateur de paquets rapide, tandis qu'ils sont utilisables pour le fonctionnement de structures d'interconnexion du type à commutation de longueur d'onde lente, qui font intervenir un temps de commutation long. Par conséquent, un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme à l'invention permettra de développer un certain nombre de nouvelles applications, comprenant celles décrites ci-dessus.
Bien qu'un dispositif à guide d'ondes optique conforme à l'invention soit utilisé pour le filtre 444 de la figure 9, permettant d'accorder rapidement la longueur d'onde, il peut également être utilisé pour le dispositif de conversion de longueur d'onde 443, qui est un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives.
Plus précisément, si la longueur d'onde entre sous-bandes est proche de l'une quelconque des longueurs d'onde qui interviennent dans le mélange à quatre ondes, il est possible d'améliorer encore davantage le rendement du mélange à quatre ondes qui est occasionné par le chauffage des porteurs ou la brûlure de trou spectral. De plus, il est possible d'optimiser les performances de conversion de longueur d'onde pour chaque combinaison de longueurs d'ondes intervenant dans l'opération de conversion de longueur d'onde, en commandant de façon externe le spectre d'absorption entre sous-bandes.
Par exemple, il peut y avoir une combinaison de longueurs d'ondes pour laquelle le rendement de la conversion de longueur d'onde peut être réduit, à cause d'une interaction de phase des trois facteurs comprenant le changement de densité des porteurs, le chauffage des porteurs et la brûlure de trou spectral, qui participent à l'opération de mélange à quatre ondes.Si tel est le cas, on peut améliorer le rendement de conversion en faisant intervenir l'interaction, par le changement du rapport (paramètre q) entre la partie réelle et la partie imaginaire de la susceptibilité non linéaire ( ), par l'application d'une tension à la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs, de façon que l'opération de conversion de longueur d'onde puisse être accomplie avec un rendement élevé, indépendamment de la combinaison de longueurs d'onde.
En résumé, un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme à l'invention est un dispositif multifonction que l'on peut utiliser à titre de dispositif de conversion de longueur d'onde ou de filtre de longueur d'onde accordable. En d'autres termes, il est possible de produire par un seul processus de fabrication une entité intégrée comprenant un certain nombre de dispositifs de conversion de longueur d'onde et de filtres de longueur d'onde accordables. Cette sorte d'intégration procure un certain nombre d'avantages, comprenant les suivants.
(1) I1 est possible de réduire la perte de couplage qui intervient dans la connexion des dispositifs à des fibres optiques. (2) I1 est possible de parvenir à une stabilité accrue vis-à-vis de changements de l'environnement. (3) Aucun effort supplémentaire pour obtenir un caractère modulaire n'est exigé. (4) On peut fabriquer aisément une unité petite et légère.
(5) On peut obtenir une importante réduction de court.
De plus, la majeure partie du noeud de conversion de longueur d'onde de la figure 29 peut être réalisée sous la forme d'une seule puce, du fait que l'on peut utiliser un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme à l'invention pour un laser à longueur d'onde accordable, comme on le décrira ciaprès en se référant au neuvième mode de réalisation de l'invention.
Neuvième mode de réalisation
Un guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme au neuvième mode de réalisation de l'invention est appliqué à un laser à réaction répartie (ou
DFB) à longueur d'onde accordable. La figure 30 est une coupe schématique d'un laser DFB à longueur d'onde accordable, dans la direction de l'axe du guide d'ondes optique.
En se référant à la figure 30, on note que le laser DFB à longueur d'onde accordable comprend une couche de guide d'ondes optique 453 en InGaAsP de type p , une couche active de puits quantique 454, consistant en InGaAsP/InGaAsP non dopé et soumis à des contraintes de traction, une couche de guide d'ondes optique 455 en InGaAsP de type n, une couche 461 en
InGaN non dopé, une couche de puits quantique 462 consistant en GaN non dopé/AlN de type n, pour remplir la fonction d'une couche d'absorption entre sousbandes, et une couche 463 en AlGaN de type n, pour remplir la fonction d'une couche de gaine supérieure, et ces couches sont disposées séquentiellement sur un substrat 451 en InP de type p, pour former une structure multicouche.La configuration fondamentale de la structure ci-dessus est la même que celle du filtre de longueur d'onde accordable du huitième mode de réalisation décrit ci-dessus. Le mode de réalisation présente une structure, en coupe, qui est similaire à celle du filtre de longueur d'onde accordable du huitième mode de réalisation, dans un plan perpendiculaire au guide d'ondes optique 452 ayant la structure multicouche ci-dessus.
Des électrodes 465 et 467 sont respective-ment formées sur la couche 463 en AlGaN de type n et sous le substrat 451, tandis que le guide d'ondes optique 455 en InGaAsP de type n est connecté électriquement à une troisième électrode (non représentée), comme dans le cas du filtre de longueur d'onde accordable du huitième mode de réalisation. Les procédures pour injecter un courant électrique et pour appliquer une tension sont également similaires à celles du filtre de longueur d'onde accordable du huitième mode de réalisation. Un isolateur optique est incorporé dans le module pour éviter que de la lumière réfléchie de façon externe ne retourne dans le laser.
Le laser DFB à longueur d'onde accordable de la figure 30 diffère du filtre de longueur d'onde accordable du huitième mode de réalisation par le fait qu'un réseau de diffraction est formé sur la surface du substrat 451 en InP et de la couche de guide d'ondes optique 453 en InGaAsP1 par le fait que la couche active a une structure de puits quantique soumise à des contraintes, et par le fait que la couche active ne comporte pas un ensemble de régions le long du guide d'ondes optique. Un déphaseur d'un quart de longueur d'onde, 471, est formé au centre du réseau de diffraction 470, tandis qu'une pellicule antireflet 472 est formée sur chacune des facettes. Le nombre de puits dans la couche 462 en GaN/AlN est légèrement supérieur à celui du huitième mode de réalisation, de façon que la distribution de modes optiques recouvre largement la couche de puits.
Du fait qu'une réaction optique est réalisée par le réseau de diffraction, une oscillation sur un seul mode peut se produire lorsqu'un courant électrique est injecté dans la couche active 454 avec un niveau suffisamment élevé. Grâce au déphaseur 471 et aux pellicules antireflet 472, l'oscillation se produit de manière stable au centre de la bande de blocage, autour de la longueur d'onde de Bragg et au voisinage de ce centre. Du fait que la couche active 454 comprend des puits quantiques soumis à des contraintes de traction, l'oscillation a lieu dans le mode TM.
Comme le montre la représentation graphique de la figure 31, l'indice de réfraction pour le mode
TM est éleve du côté des grandes longueurs d'onde de la bande de longueurs d'onde qui donne lieu à une absorption entre sous-bandes, et il est faible du côté des courtes longueurs d'onde. Bien que le spectre d'absorption ait une faible largeur, l'indice de réfraction fluctue sur une large plage de longueurs d'onde, du fait de l'absorption entre sous-bandes. Le taux auquel l'indice de réfraction change est réduit lorsque la valeur de désaccord par rapport à la longueur d'absorption entre sous-bandes augmente.
Ainsi, en sélectionnant de façon appropriée la valeur de désaccord entre la longueur d'onde d'absorption entre sous-bandes en l'absence de champ électrique, et la longueur d'onde d'oscillation laser, on peut réduire l'indice de réfraction par un champ électrique, sans modifier considérablement le coefficient d'absorption. De plus, du fait que la distribution de modes optiques recouvre largement la couche de puits en GaN, la réduction de l'indice de réfraction équivalent du guide d'ondes optique est élevée, et la longueur d'onde d'oscillation est fortement décalée vers le côté des courtes longueurs d'onde.
Du fait que la vitesse de réponse pour un changement de la longueur d'onde est soumise à des restrictions imposées par des paramètres LCR, une opération d'accord de longueur d'onde peut être accomplie aisément dans une plage inférieure à la nanoseconde Si on prend des précautions suffisantes pour le circuit d'attaque et le procédé de montage. Il faut noter ici qu'il est très difficile de changer seulement l'indice de réfraction avec une transition interbande, du fait que le spectre d'absorption est normalement large. Au contraire, on peut minimiser des fluctuations de la puissance de sortie conformément à l'invention, du fait qu'il est possible de faire varier l'indice de réfraction sans modifier considérablement le coefficient d'absorption.Bien que l'invention soit décrite ci-dessus en considérant son application à un laser à longueur d'onde accordable, on peut également l'appliquer à un laser à semiconducteurs du type Fabry-Pérot ayant des plans de réflexion sur les facettes opposées, pour réaliser le blocage de modes par l'utilisation de la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs à titre d'absorbant saturable.
De plus, comme représenté sur la figure 32A, la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs 491 peut être formée seulement dans une partie du guide d'ondes 492. Selon une variante, comme représenté sur la figure 32B, la région contenant la couche active 493 et la région contenant la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs 491 peuvent être connectées en série. De plus, une tension sinusoidale peut être appliquée à la borne de tension 494 pour commander l'absorption, afin de réaliser un blocage de modes actif. En faisant en sorte que la longueur d'onde de résonance puisse être modifiée des deux côtés de la longueur d'onde du centre d'oscillation, par l'application d'une tension sinusoidale, on peut réaliser le blocage de modes actif avec une période deux fois plus grande que celle de la tension de modulation.Dans le cas du blocage de modes passif, on peut commander les performances du laser au moyen d'une tension alternative entretenue.
Si la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs est formée intégralement à l'extérieur du résonateur du laser DFB, on peut utiliser le dispositif pour une source de lumière du type à intégration de modulateur optique. Dans ces conditions, comme représenté sur la figure 31, on peut modifier considérablement le rapport (paramètre ) entre le changement de l'indice de réfraction et le changement du coefficient d'absorption, en sélectionnant des valeurs appropriées pour la longueur d'onde et la polarisation.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation ci-dessus, et diverses modifications peuvent leur être apportées. Plus précisément, bien que l'on utilise des puits quantiques du type GaN/AlN pour la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs dans la description ci-dessus, il est possible de réaliser l'absorption entre sous-bandes pour une longueur d'onde de 1,55 pm dans une bande de conduction du type InGaAs/AlAs soumis à des contraintes, ou dans une bande de valence d'un semiconducteur du groupe III-VI. Dans le cas du type InGaAs/AlAs soumis à des contraintes, les première et seconde couches de guide d'ondes optique à semiconducteurs peuvent être formées en un seul processus de croissance épitaxiale.On notera que la longueur d'onde n'est pas nécessairement limitée à 1,55 Mm.
On peut utiliser l'absorption entre sousbandes de la bande de valence ou l'absorption interbande de valence, pour l'absorption résonnante intrabande. Pour éviter que l'absorption à deux photons ne se produise, il est préférable d'utiliser un semiconducteur à bande interdite large, tel que GaN, bien qu'inversement, il soit probablement possible de réaliser de nouveaux dispositifs optiques non linéaires en combinant l'effet de l'absorption à deux photons dans le guide d'ondes optique à semiconducteurs principal, et celui de l'absorption résonnante inter-bande. Une variété de combinaisons de lumières d'entrée et de sortie polarisées peuvent être possibles pour des dispositifs optiques non linéaires, par l'utilisation de la différence de la valeur d'absorption entre sous-bandes, entre le mode TM et le mode
TE.Bien entendu, la première couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs n'est également pas limitée à des substances du type InGaAsP. En outre, on peut intercaler un matériau autre qu'un semiconducteur entre les première et seconde couches de guide d'ondes optique à semiconducteurs. On peut utiliser dans de nombreuses combinaisons différentes des matériaux et des longueurs d'onde autres que ceux décrits ci-dessus de façon spécifique.
On peut utiliser pour le guide d'ondes optique le type enterré, le type nervure-mésa et divers autres types. La configuration pour confiner le courant électrique à la couche active et les moyens pour appliquer un champ électrique à la seconde couche de guide d'ondes optique à semiconducteurs ne sont pas limités à ceux décrits ci-dessus de façon spécifique en relation avec les modes de réalisation.
La présente invention est applicable à une variété de dispositifs autres que ceux décrits cidessus en relation avec les modes de réalisation, et ces dispositifs comprennent des dispositifs de commande d'ondes polarisées (capables de commander l'absorption dans le mode TM), des modulateurs optiques du type à sélection de longueur d'onde, et des modulateurs et des amplificateurs optiques capables de commander le paramètre o( . Un dispositif conforme à l'invention et ayant des caractéristiques fonctionnelles identiques à celles de son homologue classique, peut présenter une amélioration remarquable de ses fonctions. Par exemple, un commutateur optique du type à commande optique conforme à l'invention peut fonctionner avec un rendement élevé et il peut comporter des possibilités de régulation.Du fait qu'un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme à l'invention est un dispositif multifonction, comme décrit précédemment en relation avec le huitième mode de réalisation, l'utilisation d'un tel dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs permet de réaliser un dispositif en une seule puce, fortement intégré, ayant une variété de caractéristiques fonctionnelles.
Comme décrit en détail pour les huitième et neuvième modes de réalisation ci-dessus, un dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs conforme à l'invention peut être utilisé pour une variété de nouvelles applications, comprenant un filtre avec possibilité d'accord rapide en longueur d'onde, un dispositif de conversion de longueur d'onde à rendement élevé et un laser dont la longueur d'onde peut être accordée rapidement, ainsi qu'un dispositif intégré réalisé en combinant les caractéristiques fonctionnelles de tels dispositifs. On peut donc utiliser l'invention pour réaliser des sources de lumière, des dispositifs de réception de lumière et des dispositifs à guide d'ondes optique multifonctions et à rendement élevé.
I1 va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention.
ANNEXE
Figure img01120001
<tb> <SEP> INIER-BANDE <SEP> ENTRE <SEP> SOUS-BANDES
<tb> Déplacement <SEP> de <SEP> charge <SEP> : <SEP> x <SEP> Constante <SEP> de <SEP> Largeur <SEP> de <SEP> puits
<tb> <SEP> réseau <SEP> # <SEP> 0,6 <SEP> <SEP> nm <SEP> # <SEP> 1,8 <SEP> nm
<tb> Moment <SEP> dipolaire <SEP> : <SEP> p <SEP> <SEP> = <SEP> ex <SEP> 1 <SEP> 3 <SEP> fois
<tb> (valeur <SEP> relative)
<tb> Susceptibilité <SEP> non
<tb> linéaire <SEP> du <SEP> troisième <SEP>
<tb> ordre <SEP> : <SEP> #(3) <SEP> &alpha; <SEP> 4 <SEP> <SEP> 1 <SEP> #100 <SEP> fois
<tb> (valeur <SEP> relative)
<tb> Coefficient <SEP> d'absorption:
<tb> &alpha; <SEP> <SEP> &alpha; <SEP> 2 <SEP> <SEP> 1 <SEP> #10 <SEP> <SEP> fois
<tb> (valeur <SEP> relative)
<tb> Constante <SEP> de <SEP> temps <SEP> : <SEP> q <SEP> <SEP> 1 <SEP> ns <SEP> #1 <SEP> <SEP> ps <SEP>
<tb> Facteur <SEP> de <SEP> mérite
<tb> <SEP> 1 <SEP> > i04 <SEP>
<tb> (valeur <SEP> relative)
<tb>

Claims (15)

REVENDICATIONS
1. Dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs, caractérisé en ce qu'il comprend : un guide d'ondes optique à semiconducteurs en forme de ruban (22, 32, 1002, 302, 402, 452), une partie de ce guide d'ondes optique à semiconducteurs étant une couche active (24, 36, 1015, 304, 404, 454) produisant un gain par injection de courant électrique, et une partie de ce guide d'ondes optique à semiconducteurs étant une couche d'absorption résonnante intra-bande (24, 36, 1012, 304, 412, 462) dans laquelle une longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande se trouve dans la bande de gain de la couche active (24, 36, 1015, 304, 404, 454); et des moyens pour injecter un courant électrique dans la couche active (24, 36, 1015, 304, 404, 454).
2. Dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande de la couche d'absorption résonnante intra-bande (24) est une longueur d'onde de résonance d'absorption inter-bande de valence.
3. Dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'absorption résonnante intrabande (24, 1012, 304, 412, 462) a une structure de puits quantique, et sa longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande est une longueur d'onde de résonance de transition entre sous-bandes du puits quantique.
4. Dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'absorption résonnante intrabande (24, 36, 304) est identique à la couche active (24, 36, 304).
5. Dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'absorption résonnante intrabande (1012, 412, 462) et la couche active (1015, 404, 454) sont empilées en contact intime et elles constituent un guide d'ondes optique intégré (1002, 402).
6. Dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche d'absorption résonnante intrabande (1012, 412, 462) est constituée par un matériau dans lequel une bande interdite est supérieure au double de celle de la couche active (1015, 404, 454).
7. Dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche active (1015, 404, 454) est constituée par un ou plusieurs semiconducteurs composés du groupe III-V, comprenant essentiellement l'élément arsenic et/ou l'élément phosphore, et la couche d'absorption résonnance intra-bande (1012, 412, 462) a une structure multicouche et elle est constituée par des semiconducteurs composés du groupe III-V comprenant essentiellement l'élément azote.
8. Dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (415, 416, 465) pour commander la longueur d'onde de résonance de la couche d'absorption résonnante intra-bande (412, 462).
9. Dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens (416, 465) qui sont destinés à commander la longueur d'onde de résonance de la couche d'absorption résonnante intra-bande (412, 462) sont divisés en un ensemble de sections.
10. Dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs selon la revendication 8, caractérisé en ce que des impuretés de dopage sont introduites dans au moins une partie de la couche d'absorption résonnante intra-bande (412, 462).
11. Dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que de la lumière de commande et de la lumière de signal sont introduites dans le guide d'ondes optique à semiconducteurs (22, 32, 1002), et la lumière de commande modifie l'intensité et/ou la phase de la lumière de signal, et la densité d'électrons et de trous injectés dans la couche active (24, 36, 1015) est régulée de façon à établir un équilibre entre les pertes et le gain du guide d'ondes optique à semiconducteurs (22, 32, 1002) à la longueur d'onde la lumière de commande et de la lumière de signal, et au voisinage de celle-ci.
12. Dispositif à guide d'ondes optique à semiconducteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que des lumières ayant un ensemble de longueurs d'onde sont introduites dans le guide d'ondes optique à semiconducteurs (22, 302, 402), et une autre lumière ayant une longueur d'onde différente de celle de l'une quelconque des lumières précitées est générée par mélange à quatre ondes dans le guide d'ondes optique à semiconducteurs (22, 302, 402).
13. Commutateur optique du type à commande optique dans lequel au moins un paramètre parmi la destination, l'intensité, la longueur d'onde et la phase d'une lumière de signal de sortie est commandé par une lumière de commande, comprenant : un guide d'ondes optique à semiconducteurs en forme de ruban (22, 32, 1002), une partie de ce guide d'ondes optique à semiconducteurs (22, 32, 1002) étant une couche active (24, 36, 1015); des moyens (1-4, 11, 13, 14, 33, 1003-1009) pour introduire et extraire la lumière de signal et la lumière de commande; et des moyens (21, 25-27, 31, 34, 35, 37-39, 41, 1014, 1016-1018, 1020-1023) pour réguler la densité d'électrons et de trous de la couche active (24, 36, 1015), de façon à établir un équilibre entre les pertes et le gain du guide d'ondes optique à semiconducteurs (22, 32, 1002) à la longueur d'onde de la lumière de signal et de la lumière de commande, et au voisinage de celle-ci, caractérisé en ce qu'une partie (24, 1012) du guide d'ondes optique à semiconducteurs est constituée par un matériau ayant une absorption résonnante intrabande à la longueur d'onde de la lumière de commande.
14. Commutateur optique du type à commande optique dans lequel au moins un paramètre parmi la destination, l'intensité, la longueur d'onde et la phase d'une lumière de signal de sortie est commandé par une lumière de commande, caractérisé en ce qu'il comprend : un guide d'ondes optique à semiconducteurs en forme de ruban (22, 1002) constituant une partie d'un interféromètre optique, dans lequel : une partie du guide d'ondes optique à semiconducteurs (22, 1002) est une couche active (24, 1015), le guide d'ondes optique à semiconducteurs (22, 1002) comporte des moyens (21, 25-27, 1014, 1016-1018, 1020-1023) pour réguler la densité d'électrons et de trous de la couche active (24, 1015) de façon à établir un équilibre entre les pertes et le gain du guide d'ondes optique à semiconducteurs (22, 1002) à la longueur d'onde de la lumière de signal et de la lumière de commande, et au voisinage de cette longueur d'onde, et une partie (24, 1012) du guide d'ondes optique à semiconducteurs est constituée par un matériau ayant une absorption résonnante intra-bande à la longueur d'onde de la lumière de commande.
15. Dispositif de conversion de longueur d'onde comprenant : un amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives, ayant un guide d'ondes optique à semiconducteurs (22, 302, 402) formé en intercalant une couche active (24, 304, 404) entre une paire de couches de gaine (21, 25, 301, 306, 401, 413), dans lequel de la lumière ayant une pulsation différente de celle des lumières introduites dans le guide d'ondes optique à semiconducteurs, est produite par mélange à quatre ondes dans le guide d'ondes optique à semiconducteurs (22, 302, 402), caractérisé en ce que le guide d'ondes optique à semiconducteurs (22, 302, 402) comporte une couche de semiconducteur (24, 304, 412) ayant une longueur d'onde de résonance d'absorption intra-bande qui se trouve dans la bande de gain de l'amplificateur laser à semiconducteurs du type à ondes progressives.
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