FR2737942A1 - Composant d'emission laser accordable en longueur d'onde par variation d'absorption - Google Patents
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Abstract
Composant d'émission laser accordable en longueur d'onde comportant sur un même substrat une section active d'émission (2), ainsi qu'une section de Bragg qui comporte un guide d'onde (3) dans lequel est formée une pluralité de réseaux de Bragg élémentaires correspondant à des longueurs d'onde de Bragg ( lambda1, .., lambdan) déterminées, caractérisé en ce que le guide d'onde (3) présente une structure électro-absorbante, les sections élémentaires de la section de Bragg étant chacune commandée en tension, la longueur d'onde d'émission laser étant accordée sur l'une ou l'autre des longueurs d'onde de Bragg ( lambda1, .., lambdan) de ces sections élémentaires en fonction des tensions de commande appliquées à celles-ci.
Description
La présente invention est relative aux composants
d'émission lasers accordables en longueur d'onde.
Elle propose en particulier un laser mono-
fréquence accordable très rapidement et très largement.
L'invention trouve notamment avantageusement application pour les transmissions par fibre optique ou la
commutation optique.
Diverses structures de lasers mono-fréquences à semi-conducteurs accordables en longueur d'onde ont déjà
été proposées et réalisées.
La structure à miroir de Bragg distribué (DBR ou
Distributed Bragg Reflector selon la terminologie anglo-
saxonne) permet une accordabilité discontinue, c'est-à-
dire par sauts, sur une largeur de bande de 10 nm. On pourra à cet égard avantageusement se référer à: [1] Y. KOTAKI et al.: "Wavelength tunable DFB and DBR lasers for coherent optical fibre communications", IEE
Proceedings-J, Vol. 138, NI 2, Avril 1991.
Une telle structure comprend une section active (partie amplificatrice) couplée à une section passive guidante o le réseau de Bragg, qui permet l'émission mono-fréquence, est gravé. L'accordabilité de ce laser s'obtient par injection de courant dans la section de Bragg: la variation du nombre de porteurs contribue à modifier l'indice de la zone et donc la longueur d'onde de
Bragg du laser.
Dans ce type de laser, le meilleur temps de commutation entre deux longueurs d'onde (0,5 nm) successives mesuré est égal à 500 ps. Mais ce temps de commutation, qui est limité par la durée de vie des porteurs dans la section réseau ( 1 ns), augmente avec l'excursion en longueur d'onde: typiquement 10-15 ns pour une excursion de 3 nm. Ce phénomène a notamment été décrit dans: [2] F. DELORME et al.: "Fast tunable 1.5 pm distributed Bragg reflector laser for optical switching applications", Electron. Lett., Vol. 29, N 1, Janvier 1993. En outre, cette structure ne permet pas d'accéder à des temps de commutation compatibles avec la durée d'un temps bit d'une modulation à 10 Gb/s (qui nécessiterait
des commutations en des temps de l'ordre de 50 ps).
Pour obtenir des temps de commutation en longueur d'onde très courts, une structure laser DBR qui utilise l'effet électro-optique Franz- Keldysh, a été proposée récemment: [3] F. DELORME et al.: "Ultra-Fast Optical Switching Operation of DBR Lasers Using an Electro-Optical Tuning Section", IEEE Photonics Techn. Lett., Vol. 7,
N 3, Mars 1995.
Des temps de commutation de 500 ps ont été mesurés sur cette structure indépendamment de l'excursion en longueur d'onde. Mais l'inconvénient de cette structure
est l'accordabilité limitée accessible par l'effet électro-
optique, due à la variation plus faible d'indice accessible par cet effet: 1,5 à 2,5 nm seulement avec 6
modes différents.
En outre, la tension de commande nécessaire pour obtenir cette accordabilité est élevée (5-6 V). En particulier, la mesure du temps de commutation n'a pu être effectuée qu'entre 4 modes différents, du fait des tensions importantes à appliquer sur la section de Bragg
pour obtenir le changement de longueur d'onde.
Egalement, la variation de la puissance optique du
laser avec l'accord en longueur d'onde est importante.
Elle est due à la variation d'absorption élevée qui
accompagne la variation d'indice liée à l'effet électro-
optique. Un but de l'invention est de proposer une structure laser largement accordable et très rapidement accordable sur toute la plage d'accord, qui présente une faible variation de sa puissance optique de sortie, avec
l'accord de la longueur d'onde de fonctionnement.
Il a déjà été proposé dans: [4] Y. THOMORI et al.: "Broad- Range Wavelength- Tunable Superstructure Grating (SSG) DBR Lasers", IEEE Photonics Tech. Lett., Vol. 5, N06, Juillet 1993, une structure laser comportant une section active entre deux sections de Bragg à super réseaux de Bragg, chacune de ces sections est constituée par une succession de dix réseaux de Bragg de longueurs d'onde différentes répétée plusieurs fois. Les longueurs d'onde des différents
réseaux de Bragg sont espacées périodiquement.
Ces super réseaux définissent deux peignes de pics de réflexion en fonction de la longueur d'onde. Les différents paramètres de ces deux sections sont choisis de façon que la réflectivité des différents pics de réflexion soit sensiblement identique d'un pic à l'autre, l'espacement périodique entre les longueurs d'onde des pics de réflexion étant différent pour l'une et l'autre de
ces deux sections.
L'accordabilité du laser s'obtient par déplacement de l'un des "peignes" par rapport à l'autre, ou par déplacement simultané des deux "peignes", de façon que les pics de ces peignes ne coïncident que pour une seule
longueur d'onde.
Le déplacement des peignes, c'est-à-dire la modification des longueurs d'onde de Bragg de chacun des super réseaux, est réalisé par une modification de l'indice des différents réseaux élémentaires générée par
une injection de porteurs.
Une telle structure permet d'accéder à une gamme
d'accordabilité très large.
Toutefois, les temps de commutation ne sont pas
satisfaisants.
L'invention propose quant à elle un composant d'émission laser accordable en longueur d'onde comportant sur un même substrat une section active d'émission, ainsi qu'une section de Bragg qui comporte un guide d'onde dans lequel est formée une pluralité de réseaux de Bragg élémentaires correspondant à des longueurs d'onde de Bragg déterminées, caractérisé en ce que le guide d'onde présente une structure électro- absorbante, les sections élémentaires de la section de Bragg étant chacune commandée en tension, la longueur d'onde d'émission laser étant accordée sur l'une ou l'autre des longueurs d'onde de Bragg de ces sections élémentaires en fonction des
tensions de commande appliquées à celles-ci.
Ainsi, selon l'invention, on utilise la variation d'absorption pour changer la longueur d'onde de fonctionnement du laser, au lieu de la variation d'indice obtenue par injection de porteurs ou application d'un champ électrique (effet électro-optique), actuellement mise en oeuvre dans toutes les structures accordables déjà
réalisées.
De façon préférée, les sections de Bragg élémentaires sont telles que, en l'absence de tension de commande sur la section de Bragg, les valeurs de gain au seuil pour les différentes longueurs d'onde de Bragg sont distinctes, les tensions de commande appliquées à ces sections élémentaires modifiant les valeurs de gain au seuil de façon que sur la courbe de gain au seuil en fonction de la longueur d'onde, le pic dont la valeur de gain au seuil est la plus faible corresponde à la longueur
d'onde d'émission désirée.
En particulier, avantageusement, les sections de Bragg élémentaires sont telles que, en l'absence de tension de commande sur la section de Bragg, les valeurs de gain au seuil pour les différentes longueurs d'onde de Bragg de la section de Bragg sont croissantes ou
décroissantes sur au moins une bande de longueur d'onde.
D'autres caractéristiques et avantages de
l'invention ressortiront encore de la description qui
suit.
Cette description est purement illustrative et non
limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique en coupe d'un composant conforme à un mode de réalisation possible pour l'invention; - les figures 2a, 2b, 2c et 2d sont des courbes de gain au seuil en fonction de la longueur d'onde obtenues respectivement sans variation d'absorption (figure 2a) et avec variation d'absorption par effet Franz- Keldysh dans les sections élémentaires correspondant aux réseaux élémentaires de longueur d'onde de Bragg Bragg = 1559 nm (figure 2b), Iragg = 1558 nm (figure 2c), Xragg = 1557 nm
(figure 2d).
Le composant illustré sur la figure i comporte schématiquement un substrat 1 d'InP dopé n, une couche
active 2 déposée sur le substrat 1, et une couche 3 électro-
absorbante s'étendant sur la couche 1 dans le prolongement
de la couche 2.
Sur les couches 2 et 3 est déposée une couche 4 d'InP dopée p. Sur la couche 3 est gravé un réseau qui définit
avec la couche 4 le réseau de diffraction 5 du composant.
Ce réseau 5 est constitué d'une succession de n réseaux élémentaires correspondant chacun à des longueurs d'onde de Bragg k, à kn différentes, cette succession de n
réseaux étant répétée plusieurs fois.
La couche 3 présente en outre une portion sans réseau interposée entre la couche 2 et le réseau 5. Cette portion définit pour le composant une section de contrôle
de phase.
La couche 1 porte sur toute sa longueur une
électrode 6 reliée au neutre.
La couche 4 porte une électrode E1 en regard de la couche active 2, une électrode E2 en regard de la portion de la couche 3 qui correspond à la section de phase, ainsi que, pour chacune des parties de longueur d'onde de réflexions kl... k. du super réseau de Bragg, une
électrode Ek1... EX.
La couche active 2 est commandée par l'injection par l'électrode E1 de porteurs correspondant à un courant
d'intensité Iact.
La section de phase est commandée par une tension V. Les différentes sections élémentaires de la section de Bragg sont commandées en tension, la tension de commande étant la même (Vki) pour les différentes sections élémentaires qui correspondent à la même longueur d'onde
de Bragg ki-
On a représenté sur la figure 2a le gain au seuil en fonction de la longueur d'onde d'un composant du type de celui de la figure 1 dans le cas o aucune tension
n'est imposée à la section de Bragg.
Ainsi qu'on peut le constater, les pics de gain au seuil ne sont pas de valeur uniforme, mais définissent un peigne qui est sensiblement incliné, les valeurs de gain au seuil des différents pics étant sensiblement
décroissantes en fonction de la longueur d'onde.
Les réseaux élémentaires de la section de Bragg contribuent en effet à réfléchir la lumière autour de la
longueur d'onde de Bragg à laquelle elles correspondent.
Cette réflexion sélective de la lumière donne lieu à une diminution du gain au seuil autour des différentes longueurs d'onde de Bragg. C'est le choix judicieux des différents paramètres des réseaux élémentaires, et notamment des longueurs des différents réseaux élémentaires correspondant à une même longueur d'onde de Bragg, ainsi que de leur coefficient de couplage, qui permet d'obtenir une courbe de gain au seuil inclinée du
type de celle de la figure 2a.
L'émission laser du composant correspond à la longueur d'onde des pics de réflexion pour laquelle le
gain au seuil est le plus faible.
Pour accorder ce composant en longueur d'onde, on modifie la forme du peigne de gain au seuil, de façon à changer la longueur d'onde pour laquelle le gain au seuil
est le plus faible.
Cette modification est obtenue en jouant sur la variation d'absorption des différentes sections
élémentaires de la section de Bragg.
Une variation d'absorption induite dans les sections élémentaires qui correspondent à une même longueur d'onde de Bragg, diminue la réflectivité de ces sections et donc leur contribution à la courbe de gain au seuil: ainsi, l'augmentation de l'absorption dans les sections élémentaires correspondant à la longueur d'onde de Bragg ki conduit à une diminution de la réflectivité autour de la longueur d'onde de Bragg ki, et se traduit par une augmentation du gain au seuil pour les pics de
gain au seuil voisins de ki.
Par conséquent, la variation d'absorption des sections élémentaires correspondant à une même longueur d'onde de Bragg permet de modifier la position du pic qui présente le gain au seuil le plus faible et donc de
changer de longueur d'onde d'émission du composant.
Bien entendu, il est également possible de modifier la longueur d'onde d'émission en faisant varier simultanément l'absorption de sections élémentaires
correspondant a des longueurs d'onde de Bragg différentes.
Pour obtenir des temps de commutation entre ces diverses longueurs d'onde, très courts (< 100 ps), on utilise avantageusement comme matériau électro-absorbant pour la couche 3 un matériau semi-conducteur massif ou à puits quantiques permettant une électro-absorption, par effet Franz-Keldysh, par effet Stark confiné (Quantum
Stark Confinement Effect) ou par effet Wannier-Stark.
Ces effets sont classiquement connus de l'Homme du Métier et sont utilisés pour réaliser des modulateurs électro-absorbants très rapides: des modulateurs de ce type ont été fabriqués qui présentent des bandes passantes de modulation de l'ordre de 42 GHz. On pourra à cet égard avantageusement se référer à: [5] F. DEVAUX et al.: "Experimental optimisation of MQW electroabsorption modulators towards 40 GHz
bandwidths", Electron. Lett., Vol. 30, NI 16, Août 1994.
Les courbes de gain au seuil illustrées sur les figures 2a à 2d correspondent à une structure qui présente une section active de 1200 pm de longueur et une section de Bragg composée d'une succession de 19 sections élémentaires de Bragg répétée trois fois, les sections élémentaires correspondant aux longueurs d'onde de Bragg suivantes: 1530 nm, 1541 nm, 1545 nm, 1546 nm, 1547 nm, 1548 nm, 1549 nm, 1550 nm, 1551 nm, 1552 nm, 1553 nm, 1554 nm, 1555 nm, 1556 nm, 1557 nm, 1558 nm, 1559 nm,
1560 nm, 1602 nm.
En l'absence de tension de commande sur la section de Bragg, la longueur d'onde d'émission du composant est de 1559 nm (pic de gain au seuil le plus faible sur la
courbe de la figure 2a).
Lorsque l'on applique maintenant une tension de commande sur les sections élémentaires qui correspondent à la longueur d'onde de Bragg de 1559 nm, le gain au seuil à la longueur d'onde de 1559 nm croît, de sorte que le pic de gain au seuil le plus faible correspond à la longueur d'onde de 1556 nm, qui devient la nouvelle longueur d'onde
d'émission du composant.
De façon similaire, ainsi qu'on l'a illustré sur les figures 2c et 2d, en appliquant une tension de commande d'absorption sur les sections élémentaires correspondant aux longueurs d'onde de Bragg de 1558 et 1557 nm, on déplace la longueur d'onde d'émission du
composant sur respectivement 1555 et 1553 mn.
Il est ainsi possible d'accorder le composant correspondant à la courbe de gain au seuil de la figure 2a sur 9 modes espacés d'environ 1,2 nm. Une plage d'accord de 10 nm est ainsi accessible, le temps de commutation pour passer de l'une à l'autre de ces longueurs étant
inférieur à 100 ps.
La variation de puissance de sortie d'un tel composant en fonction de la longueur d'onde reste très faible étant donné que pour chaque longueur d'onde d'émission, la variation d'absorption est limitée à certaines sections élémentaires de la section de Bragg et que la variation de gain au seuil avec l'accord du laser
est celle qu'impose la pente du peigne.
Dans l'exemple de réalisation correspondant aux figures 2a à 2d, la variation de gain au seuil est de l'ordre de 2 cm-1 pour une excursion en longueur d'onde de nm sur 10 modes. Par comparaison, dans le cas d'un laser DBR classique avec deux sections, une section active de 600 pm et une section DBR de 500 pm avec un coefficient de couplage de 25 cm-1, la variation du gain au seuil est
de 10 cm-1 pour une excursion de 9 nm.
La section de phase comprise entre la section active et la section de Bragg permet de contrôler finement la position du mode qui lase, à l'intérieur du pic qui présente le gain au seuil le plus faible, et donc d'augmenter la différence de gain au seuil entre les divers modes possibles du laser DBR-AC. Par ailleurs, cette section, dont le guide d'onde est constitué par la couche 3 électro-absorbante, peut être utilisée pour contrôler à grande vitesse, et finement la longueur d'onde
d'émission du laser.
Un mode de réalisation détaillé d'un composant semblable à celui de la figure 1 va maintenant être décrit. On dépose successivement par épitaxie sur un substrat 1 InP dopé n+ une couche tampon en InP n+, une couche active 2 conçue de façon à obtenir par exemple une émission à 1,55 pm et une couche de protection en InP
dopée p+.
Dans une deuxième étape, on grave la couche de protection et la couche active 2 pour délimiter la section
active du composant.
Ensuite, on fait croître par épitaxie sélective dans le prolongement de cette section active, une structure de couches réalisant un guide transparent, par
exemple à 1,56 pm, et présentant des propriétés électro-
absorbantes (effet Franz-Keldysh, Stark, Wannier-Stark,
Braqwet, etc...) à cette longueur d'onde.
Ainsi que cela a été proposé pour des composants optiques à pluralité de réseaux de Bragg dans la demande de brevet français déposée sous le n 93 14588 au nom de F. DELORME, cette structure comprend avantageusement, en plus du guide d'onde correspondant à la couche 3, des empilements d'au moins deux couches de matériaux d'indices
optiques différents.
Dans le cas de l'effet Franz-Keldysh, la couche 3 est par exemple une couche en InGaAsP correspondant à la longueur d'onde de guide d'onde de 1,47 pm, les empilements destinés à la réalisation du réseau de Bragg étant constitués d'une couche InP dopée n, d'une couche en 1l
InGaAsP, ainsi que d'une couche en InP dopée p+.
L'étape suivante consiste à graver les réseaux de diffraction sur ces empilements à travers un masque adéquat, protégeant les sections sans réseau à savoir: la section active, la section de phase éventuellement ajoutée
entre la section active et la section de Bragg.
L'étape suivante consiste à graver le ruban du laser perpendiculairement aux traits du réseau de diffraction. Ensuite, on effectue une reprise d'épitaxie de façon à enterrer le ruban, dans une couche de confinement InP p+, surmontée d'une couche de contact en InGaAs p+. Un contact métallique est réalisé par évaporation successive
de platine, de titane et d'or sur toute la surface.
Pour la séparation de cette couche de contact en autant d'électrodes que souhaitées, on réalise avantageusement une gravure sèche par faisceaux d'ions
("Ion Beam Etching" ou "IBE" selon la terminologie anglo-
saxonne), utilisant par exemple des ions argon, associée à un masquage par une résine photosensible. Ce masquage permet de délimiter non seulement la section active, éventuellement la section phase, et les différentes sections élémentaires qui composent la section de Bragg, par un sillon gravé dans les couches métalliques, la couche de contact en InGaAs et partiellement dans la
couche de confinement InP dopée p+ (-0,1 pm).
Egalement, ainsi qu'illustré sur la figure 1 par la barrière 7, on isole la section active, polarisée en directe, et les sections passives de phase et de Bragg, par une implantation de protons sur une largeur de 10 pm,
et une profondeur appropriée dans la couche 4.
Un nouveau masquage est ensuite réalisé de façon à graver un ruban étroit et profond (3 pm) dans la section de Bragg (structure ridge). Ce type de ruban (ridge) permet d'obtenir des structures de guide très confiné, ce qui augmente ainsi la variation d'absorption obtenue avec ces guides pour un champ électrique appliqué. Du polymide est utilisé comme isolant, de façon à obtenir une très faible capacité parasite de la section de Bragg, nécessaire aux temps rapides de commutation. Pour réunir les électrodes des différentes sections élémentaires du réseau 5 qui correspondent à la même longueur d'onde de Bragg, il est nécessaire de réaliser des interconnexions métalliques dans un volume à trois dimensions. On utilise avantageusement à cet effet les techniques de métallisation à plusieurs niveaux couramment utilisées dans la réalisation de circuits électriques intégrés sur silicium (interconnexions dans un premier plan de divers plots de contacts, isolation par un diélectrique épais des lignes de connexions, permettant de réaliser les autres connexions de plots indispensables dans un second plan, les lignes de connexion de ce plan croisant des lignes du premier plan mais isolé par le diélectrique). Enfin, le contact métallique correspondant à
l'électrode inférieure 6 est déposé sur le substrat 1.
Claims (10)
1. Composant d'émission laser accordable en longueur d'onde comportant sur un même substrat une section active d'émission (2), ainsi qu'une section de Bragg qui comporte un guide d'onde (3) dans lequel est formée une pluralité de réseaux de Bragg élémentaires correspondant à des longueurs d'onde de Bragg (kl,.., Xn) déterminées, caractérisé en ce que le guide d'onde (3) présente une structure électro-absorbante, les sections élémentaires de la section de Bragg étant chacune commandée en tension, la longueur d'onde d'émission laser étant accordée sur l'une ou l'autre des longueurs d'onde de Bragg (kxl,.., kn) de ces sections élémentaires en
fonction des tensions de commande appliquées à celles-ci.
2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sections de Bragg élémentaires sont telles que, en l'absence de tension de commande sur la section de Bragg, les valeurs de gain au seuil pour les différentes longueurs d'onde de Bragg sont distinctes, les tensions de commande appliquées à ces sections élémentaires modifiant les valeurs de gain au seuil de façon que sur la courbe de gain au seuil en fonction de la longueur d'onde, le pic dont la valeur de gain au seuil est la plus faible
corresponde à la longueur d'onde d'émission désirée.
3. Composant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les sections de Bragg élémentaires sont telles que, en l'absence de tension de commande sur la section de Bragg, les valeurs de gain au seuil pour les différentes longueurs d'onde de Bragg de la section de Bragg sont croissantes ou décroissantes sur au moins une bande de
longueur d'onde.
4. Composant selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce qu'une section de phase qui comporte un guide d'onde électro-absorbant dépourvu de réseau est interposée entre la section active et la section de Bragg, cette section étant commandée en tension pour contrôler avec précision la longueur d'onde d'émission laser.
5. Composant selon la revendication 4, caractérisé en ce que la structure électro-absorbante de la section de
phase est la même que celle de la section de Bragg.
6. Composant selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que la structure électro-
absorbante (3) est du type en matériaux semi-conducteurs massifs, les tensions de commande appliquées à ladite structure commandant une électro-absorption par effet Franz-Keldysh.
7. Composant selon l'une des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que la structure électro-absorbante (3) est du type à puits quantiques, les tensions de commande
appliquées à ladite structure commandant une électro-
absorption par effet Stark confiné ou par effet Wannier-
Stark.
8. Composant selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que la section de Bragg est constituée d'une succession de sections de Bragg élémentaires répétée plusieurs fois, les sections élémentaires qui correspondent à une même longueur d'onde
de Bragg étant commandées par une même tension.
9. Composant selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que la couche guide (3) de
la structure électro-absorbante est une couche de InGaAsP.
10. Utilisation du composant selon l'une des
revendications précédentes pour la transmission par fibre
optique ou la commutation optique.
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