FR2827087A1 - Laser a emission en surface a cavite verticale dont la polarisation peut etre commandee au moyen d'une ouverture de confinement asymetrique de courant - Google Patents

Laser a emission en surface a cavite verticale dont la polarisation peut etre commandee au moyen d'une ouverture de confinement asymetrique de courant Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un laser à émission en surface à cavité verticale, noté VCSEL, qui possède un confinement optique asymétrique, permettant de rendre prévisible sa polarisation. Il comporte des ouvertures gravées verticalement dans le miroir de Bragg supérieur afin de confiner le trajet optique dans la structure asymétrique. Ceci a pour effet de verrouiller la polarisation dans un mode fixe.

Description

déconnexion d'une fiche de prise de courant.
La présente invention concerne un laser à émission en surface à cavité verticale (VCSEL, d'après "vertical cavity surface emitting laser") et, plus particulièrement, un VCSEL présentant une structure asymétrique de confinement optique qui permet une commande et une stabilisation de la polarisation. Les lasers à émission en surface à cavité verticale ont acquis une importance notable dans le domaine des télécommunications optiques. La grande vitesse de commutation offerte par les lasers à semiconducteu r em ploya nt par exe m ple des com posés d'a l l iages des types III-V a fait de ces dispositifs le choix logique en matière d'émetteurs optiques. Pour plusieurs raisons, qui comprennent la fiabilité, la facilité de couplage et le contrôle, les VCSEL sont maintenant mieux acceptés que les dispositifs à émission par le bord, plus classiques. On fabrique typiquement les VCSEL en utilisant des procédés et des équipements planar bien connus et ces VCSEL sont bien adaptés à l'intégration avec
d'autres composants actifs et passifs.
Typiquement, les VCSEL présentent un contact dorsal commun et un contact à ouverture sur la face d'émission, l'émission du dispositif optique se faisant par l'ouverture. L'ouverture de contact est ordinairement circulaire, car c'est ce qui est le mieux adapté à l'alignement
avec des fibres optiques.
La polarisation de la lumière venant de ces VCSEL de base ne peut pas étre prédite, car elle tend à s'orienter de manière aléatoire d'un dispositif à l'autre. De plus, la polarisation peut commuter pendant le fonctionnement, notamment aux vitesses élevées. La polarisation de la lumière sortant d'un VCSEL peut être importante, notamment lorsqu'on utilise celui-ci en liaison avec des composants sensibles à la polarisation, et on a fait des efforts pour tenter d'ajuster ou de commander la
polarisation des VCSEL.
Dans un article publié par Fiedier et al. sous le titre "High Frequency Hehaviour of Oxidized Single-Mode Single Polarization VCSELs with Elliptical Current Aperture", Lasers and Electro-Optic Society Annual Meeting, 1996, IEEE, volume 1, 1996, pages 211 et 212, on discute une technique dans laquelle des VCSEL oxydés sont dotés d'ouvertures de courant elliptiques, qui vise à commander une émission de lumière
monomode polarisée.
L'articule intitulé "Impact of In-Plane Anistropic Strain on the Polarization Behavior of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers", de Panajotov et al. (Applied Physics Letters, volume 77, n ll, l! septembre 2000) décrit 1'application, depuis 1'extérieur, d'une contrainte anisotrope plane à un VCSEL, afin de démontrer l'existence d'une commutation entre deux modes fondamentaux avec la
polarisation linéaire orthogonale.
L'application extérieure d'une contrainte ou d'un effort afin de commander la polarisation de VCSEL a également été décrite dans le brevet des EUA n 6 188 71l, de Corzine et al. Le brevet des EUA n 6 002 705, qui a été délivré le 14 décembre 1999 à Thornthon, décrit des lasers à émission en surface à cavité verticale multiplexés en longueur d'onde et en polarisation, dans lesquels des éléments induisant une contrainte sont disposés sur une surface libre du dispositif laser. Les éléments induisant une contrainte sont faits d'une matière qui possède un c_fficient de dilatation thermique plus élevé que celui de la matière qui constitue la couche de surface du
dispositif laser.
Le brevet des EUA n 5 953 962, qui a été délivré le 14 septembre 1999 à Pamulapati et al., décrit un procédé de commande, par induction de contrainte, permettant de commander les états de pola risation da ns des VCSEL. Da ns le brevet n 5 953 962, le VCSEL est soudé de manière eutectique à un substrat hôte qui possède un c_fficient de dilatation thermique anisotrope prédéterminé. Pendant le processus de formation, on induit une contrainte uniaxe à 1'intérieur de la cavité du laser. Le brevet des EUA n 6154 479, qui a été délivré le 28 novembre 2000 à Yoshikawa et al., décrit un VCSEL dans lequel on effectue la commande de la direction de polarisation en limitant la dimension en section droite du miroir supérieur de façon à ne limiter qu'un seul mode transverse fondamental dans le guide d'ondes produit par le miroir. On crée un dispositif non circulaire ou elliptique de façon à
commander la polarisation.
Le brevet des EUA n 5 995 53l, qui a été délivré le 30 novembre 1999 à Gaw et al., décrit également un miroir supérieur à section droite elliptique qui est formé en une nervure, la nervure ayant été gravée dans une région d'implantation d'ions de manière à produire une forme allongée et, ainsi, polariser la lumière émise par le dispositif. On conna^'t également, dans la technique antérieure, I'utilisation de structures à montants d'air rectangulaires, d'ouvertures d'oxyde asymétriques et d'un trou elliptique formé sur le laser à émission par le dessous, comme
moyens de commander la polarisation.
Tous les procédés ci-dessus indiqués demandent une fabrication complexe et, ou bien, des opérations de traitement complexes, et ce qu'il faudrait, c'est une technique simple de commande et de
stabilisation de la polarisation des VCSEL.
La présente invention résout le problème ci-dessus mentionné de la commutation de la polarisation, en particulier lorsque que le VCSEL fonctionne avec de grands signaux de modulation, grâce à une
modification de la symétrie de l'ouverture de confinement optique.
Par conséquent, selon un premier aspect de la présente invention, il est proposé un laser à émission en surface à cavité verticale, noté VCSEL, qui comprend: une structure de miroir inférieur; une structure de miroir supérieur; une couche active prise en sandwich entre la structure de miroir supérieur et la structure de miroir inférieur; des contacts électriques associés à la structure de miroir supérieur et à la structure de miroir inférieur; et un moyen de confinement se trouvant dans la structure de miroir supérieur, afin de confiner la sortie optique du
VCSEL à un trajet asymétrique.
Selon un deuxième aspect de la présente invention, il est proposé un procédé de fabrication d'un laser à émission en surface à cavité verticale, noté VCSEL, permettant de commander la polarisation, qui comprend les opérations suivantes: produire un VCSEL qui possède une structure de miroir inférieur, une structure de miroir supérieur, une couche active prise en sandwich entre la structure de miroir supérieur et la structure de miroir inférieur, et des contacts électriques associés à la structure de miroir supérieur et à la structure de miroir inférieur; et créer un moyen de confinement dans la structure de miroir supérieur de façon à
confiner la sortie optique du VCSEL à un trajet asymétrique.
La description suivante, consue à titre d'illustration de
I'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages: elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure est une vue en section droite d'un VCSEL selon un aspect de la présente invention; la figure 2 montre le principe de fonctionnement d'un dispositif d'émission de lumière produisant une émission spontanée; la figure 3 montre le principe de 1'action d'un dispositif d'émission de lumière entranant une émission stimulée comme il en est utilisé dans les dispositifs laser; la figure 4 est une vue en section droite d'un VCSEL montrant les trous injectés du côté p, les électrons inJectés du côté n et la recombinaison radiative ayant lieu dans la région active; la figure 5 montre le taux d'oxydation en fonction de la concentration en aluminium d'un alliage de AlGaAs; la figure 6 est une vue de dessus d'une structure de VCSEL comportant des trous gravés utilisés pour créer une ouverture optique asymétrique; et la figure 7 est une vue de dessus d'une structure de pixels
illustrant une autre configuration pour l'ouverture optique asymétrique.
La figure montre la structure de base d'un VCSEL, par exemple un VCSEL en AlGaAs. Alors que la figure se rapporte à une structure de VCSEL spécifique et, en particulier, une configuration de type p à 850 nm, le VCSEL pourrait consister en d'autres systèmes matériels destinés à être utilisés dans l'émission à d'autres longueurs d'onde. Il est bien connu qu'on peut utiliser des structures laser différentes et des matériaux différents pour ajuster la longueur d'onde de sortie de l'émission. De plus, la structure représentée sur la figure 1 possède un réflecteur de Bragg réparti (DBR, d'après "distributed Bragg reflector") supérieur de type p, bien qu'il soit également possible que le DBR supérieur soit de type n. Dans le mode de réalisation de la figure 1, on a fait cro^tre la structure du VCSEL sur un substrat d'arséniure de galllum en employant des techniques bien connues telles que l'épitaxie en phase vapeur d'organométallique. De préférence, on a fait cro^'tre la structure en une seule passe épitaxiale. Le substrat d'arséniure de gallium de structure typique est de type n, comme c'est le cas du réflecteur de Bragg réparti
(DBR) inférieur, également connu sous l'appellation de "miroir de Bragg".
Le DBR de type n consiste en couches de AlxGaxAs d'épaisseur \/4
alternativement à indice de réfraction élevé et à indice de réfraction bas.
On peut comprendre que le quart de longueur d'onde, ou \/4, comme
représenté, est la valeur nominale relative à la longueur de trajet optique.
Cette longueur pourrait aussi s'écrire sous la forme L = \/4 + n x \/2, o n est un entier et L est longueur du trajet optique. La couche active se trouvant sur le dessus du miroir inférieur est une cavité longue de m x\/2, qui comprend plusieurs puits quantiques. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le miroir inférieur est une région à puits quantiques multiples (MQW, d'après "multi quantum-well") du type GRINSCH (d'après "graded index separate confining heterostructure", à savoir "hétérostructure de confinement séparé à indice variant graduellement") en AlGaAs/GaAs de lÀ de longueur. On a fait cro^'tre sur le dessus de la couche active un deuxième miroir de Bragg, ou DBR, en AlGaAs de type p ayant une concentration haute/basse en aluminium. On a créé un contact de type p à ouverture sur le miroir supérieur et on a
plaqué un contact de type n sur le substrat d'arséniure de gallium.
Typiquement, on a créé une aire à ions implantés dans le DBR de type p afin de confiner le trajet de courant entre le contact de type p et le contact de type n. Sur la figure 1, est également représentée une couche identifiée comme étant une ouverture oxydée sélective, qui est une couche (unique) du DBR de type p possédant une concentration en aluminium plus grande que les autres couches de l'empilement. On
donnera ultérieurement la raison de cette couche oxydable.
A simple titre d'explication, les figures 2 et 3 illustrent le principe du mécanisme de recombinaison se produisant dans la région active des puits quantiques. Lorsque les porteurs de type p et de type n
atteignent la région active, ils se recombinent en émettant un photon.
Les photons sont des quanta localisés d'énergie et se déplacent dans l'espace à la façon d'une onde. L'énergie transportée par un grand nombre de photons est. en moyenne, égale à l'énergie transmise par une onde électromagnétique classique. En mécanique quantique, cette dualité est appelée la "dualité onde-particule". Les fonctions des électrons (e) et des trous (h+) sont comma ndées par l'équation de Sch rodinger. La solution de cette équation donne les états d'énergie que les particules sont autorisées à occuper. L'intensité du couplage entre ces états détermine la probabilité de transition entre eux. Lorsque seul le couplage électron-trou est présent,
la transition se produit spontanément, comme représenté sur la figure 2.
Toutefois, avec l'influence d'un champ électromagnétique (optique) ayant
une phase prédéterminée, un deuxième couplage est présent.
Ce couplage stimule la recombinaison des électrons avec les trous, ce qui amène l'émission d'un photon, comme représenté sur la figure 3, ayant exactement la même énergie et la même phase que le champ électrom ag n étiq ue. Ce processus de recom bi naison est cel ui prod u it da ns
un laser et est appelé l'émission stimulée.
La figure 4 représente graphiquement le flux d'électrons (e) et de trous (h+) allant des contacts de type p et de type n à la région active de puits quantiques. Les porteurs sont injectés dans la structure via les contacts de type p et de type n. L'injection de trous se fait depuis le côté p, tandis que l'injection d'électrons se fait depuis le côté n, la recombinaison radiative survenant dans la région active. Est également représentée sur la figure 4 l'ouverture d'oxyde ci-dessus mentionnée,
que l'on va maintenant discuter de manière plus détaillée.
Il a été établi que des couches de AlGaAs ayant une haute teneur en aluminium pouvaient être oxydées en présence de vapeur chauffée. Typiquement, on fait cro'^tre une couche oxydable dans le DBR supérieur, puis on grave le DBR afin de former une mesa et ainsi d'exposer le bord de la couche oxydable. On traite ensuite le dispositif dans une atmosphère de vapeur à une température élevée et l'oxydation s'effectue en partant de la zone exposée pour aller vers le centre. Par un choix approprié du temps de traitement, on fait en sorte que la couche oxydée s'avance vers l'intérieur depuis tous les côtés, tout en laissant une couche centrale non oxydée. Cette ouverture non oxydée centrale est
utilisée pour produire une région de confinement de courant.
Dans le brevet des EUA n 5 896 408 délivré à Corzine et al., on forme la couche oxydée en gravant des ouvertures depuis la surface supérieure du dispositif, en allant vers le bas jusqu'à la couche oxydable, puis en exposant la structure à une atmosphère de vapeur. En formant une configuration d'ouvertures gravées allant vers le bas jusqu'à la couche
oxydable, on aJuste la région de confinement de courant.
La présente invention utilise le concept de trous gravés disposés stratégiquement pour créer une ouverture de confinement optique asymétrique permettant de commander ou de sélectionner le
mode de polarisation.
Dans un mode de réalisation particulier, les trous gravés dans le DBR supérieur rompent la symétrie de l'ouverture optique à un degré suffisant pour commander la polarisation. Dans un mode de réalisation préféré, les trous gravés s'étendent vers le bas jusqu'à la couche oxydable et on soumet alors la structure au traitement de vapeur ci-dessus mentionné afin de créer une région oxydée entre les trous gravés et, ainsi, créer une ouverture optique asymétrique, comme représenté sur la figure 6. La figure 7 montre un autre mode de réalisation des trous gravés, servant à commander et stabiliser la polarisation. Dans le mode de réalisation de la figure 7, l'ouverture ne possède pas de trous placés sur un même rayon. Ceci n'est qu'un exemple des nombreuses configurations possibles pour les trous gravés. Il appara^'tra également évident à l'homme de l'art que les trous ne doivent pas être tous circulaires ou d'une même taille. Comme indiqué précédemment, la couche oxydable contient une teneur plus élevée en aluminium que les couches ordinaires de la structure de miroir. Comme représenté sur la figure 5, le taux d'oxydation augmente en fonction de la concentration en aluminium de l'alliage
d'arséniure de gallium-aluminium.
Da ns le mode de réa l isation o les trous g ravés seu is sont utilisés pour créer une zone de confinement électrique et optique
asymétrique, le nombre et l'emplacement des trous sont importants.
On positionne ces trous en utiilsant des techniques photolithographiques.
Les agents de gravure permettant de graver les trous dans le
matériau de AlGaAs sont bien connus et ne seront pas décrits ici.
En résumé, on forme typiquement une ouverture de confinement électrique en implantant sélectivement le matériau semiconducteur dans le DBR de type p afin de former une région isolante autour d'une ouverture symétrique conductrice. Dans un VCSEL typique, cette région d'isolation confine le champ électrique, mais ne confine pas le champ optique. En gravant des trous verticaux dans cette région implantée isolante, on fait en sorte que la périphérie des trous ainsi créés confine le mode optique d'une manière qui rompt la symétrie du mode optique. La région de confinement électrique et optique est encore
améliorée au moyen du processus d'oxydation ci-dessus mentionné.
Comme discuté en liaison avec la figure 6, on forme les trous de façon à exposer la couche à teneur élevée en aluminium pour l'utiliser dans le
processus d'oxydation.
Le fait de pouvoir oxyder les trous exposés augmente
considérablement l'efficacité du procédé.
Bien entendu, I'homme de l'art sera en mesure d'imaginer,
à partir du dispositif et du procédé dont la description vient d'être donnée
à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses et variantes et
modifications ne sortant pas du cadre de 1'invention.

Claims (10)

    REVENDICATIONS l. Laser à émission en surface à cavité verticale, noté VCSEL, caractérisé en ce qu'il comprend: une structure de miroir inférieur; une structure de miroir supérieur; une couche active prise en sandwich entre la structure de miroir supérieur et la structure de miroir inférieur; des contacts éiectriques associés à la structure de miroir supérieur et à la structure de miroir inférieur; et un moyen de confinement prévu dans la structure de miroir supérieur afin de confiner la sortie optique du VCSEL à un trajet asymétrique. 2. VCS EL selon la revendication 1, caractérisé en ce q u e led it moyen de confinement est constitué d'une pluralité d'ouvertures gravées qui sont ménagées dans la structure de miroir supérieur.
  1. 3. VCSEL selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une ouverture de confinement électrique à implantation d'ions servant à confiner la circulation du courant entre lesdits contacts électriques. 4. VCSEL selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure de miroir inférieur est un réflecteur de Bragg réparti à dopage de type n et ladite structure de miroir supérieur est un réflecteur de Bragg réparti à dopage de type p. 5. VCSEL selon la revendication 3, caractérisé en ce que iadite structure de miroir inférieur est un réflecteur de Bragg réparti à dopage de type p et ladite structure de miroir supérieur est un réflecteur de Bragg
    réparti à dopage de type n.
  2. 6. VCSEL selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite
    couche active est égale à m x \/2, o m est un entier.
  3. 7. VCSEL selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite couche active est une structure à plusieurs puits quantiques du type hétérostructure de confinement séparé à indice variant graduellement, de
    longueur égale à une longueur d'onde.
  4. 8. VCSEL selon l'une quelconque des revendications à 7,
    caractérisé en ce que les miroirs supérieur et inférieur sont constitués de réflecteurs de Bragg ayant des couches à indices de réfraction alternativement élevés et bas, o la longueur de chaque couche est égale
    à \/4 + n x \/2, o n est un entier.
  5. 9.VCSEL selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits miroirs supérieur et inférieur consistent en couches quart d'onde à indices
    de réfraction alternativement élevés et bas.
    lO.VCSEL selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite couche active comprend une structure en AlGaAs/GaAs et lesdits miroirs
    comprennent des couches de AlGaAs.
  6. 11. VCSEL selon l'une quelconque des revendications 1 à 10,
    o ledit miroir supérieur contient au moins une couche d'un matériau oxydable. 12. VCSEL selon la revendication 11, o ladite couche oxydable comprend une couche de AlGaAs ayant une concentration en Al qui est
    supérieure à celle du reste du miroir.
  7. 13. Procédé de fabrication d'un laser à émission en surface à cavité vertica le. n oté VCS EL, visa nt à com ma nd er la pola risation, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: produire un VCSEL qui possède une structure de miroir inférieur, une structure de miroir supérieur, une couche active prise en sandwich entre la structure de miroir supérieur et la structure de miroir inférieur, et des contacts électriques associés avec la structure de miroir supérieur et la structure de miroir inférieur; et créer un moyen de confinement dans la structure de miroir supérieur afin de confiner la sortie optique du VCSEL à un trajet asymétrique. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite structure de miroir supérieur comporte une couche de matériau oxydable. 15. Procédé selon la revendication 14, o on crée ledit moyen de confinement en gravant une pluralité d'ouvertures suivant une
    configuration prédéfinie dans la structure de miroir supérieur.
  8. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'on
    grave les ouvertures jusqu'au moins ladite couche oxydable.
  9. 17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comporte l'opération consistant à exposer lesdites ouvertures à un traitement la vapeur aOn d'oxyder ainsi silebement indite couche addable. 18. ProcAd salon la revendicaBon 15, caractArisd en ce que
    lesdRes ouveures sont suivant une configuration circulate.
  10. 19. ProcAdA salon la revendicaDon 15, carat en ce que
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