FR2832223A1 - Composant monolithique electro-optique multisections - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet un composant monolithique électro-optique en semi-conducteur comprenant successivement une première section (30) apte à émettre de la lumière à une première longueur d'onde et comportant une première couche active (31), une deuxième section (40) apte à absorber de la lumière à ladite première longueur d'onde et comportant une deuxième couche active (41), et une troisième section (20) apte à détecter de la lumière à une deuxième longueur d'onde et comportant une troisième couche active (21). Il est caractérisé en ce que la deuxième couche active (41) est conçue pour assurer dans ladite deuxième section (40) une absorption supérieure à celle que permettrait une couche active identique à ladite première couche (31).
Description
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COMPOSANT MONOLITHIQUE ELECTRO-OPTIQUE MULTISECTIONS
La présente invention se rapporte à un composant monolithique électro-optique en semi-conducteur comprenant au moins trois sections ayant chacune un guide d'onde gravé sous la forme d'un ruban et enterré dans une couche de gaine.
La présente invention se rapporte à un composant monolithique électro-optique en semi-conducteur comprenant au moins trois sections ayant chacune un guide d'onde gravé sous la forme d'un ruban et enterré dans une couche de gaine.
L'invention se rapporte plus particulièrement à tout composant électro-optique, comprenant au moins un élément émetteur et un élément récepteur intégrés, pouvant fonctionner simultanément en émissionréception, sans générer d'interactions gênantes entre l'émetteur et le récepteur.
De plus, on souhaite fabriquer ce type de composant à grande échelle afin de réduire au maximum son prix de revient.
En outre certains de ces composants, du type émetteur-récepteur en ligne, sont destinés à être installés dans les réseaux de distribution à fibres optiques, notamment chez les abonnés et doivent alors pouvoir fonctionner entre environ 0 et 70 C sans aucune régulation en température.
Un composant répondant à ces critères est présenté dans la demande de brevet EP 0 992 825.
Un exemple d'un tel composant est schématiquement représenté figure 1 : il s'agit d'un émetteur-récepteur en ligne obtenu par intégration monolithique d'un laser 30 et d'un détecteur 20 sur un même substrat 10. Le laser 30 émet un signal vers une fibre optique 50 par
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exemple, tandis que le détecteur 20 reçoit un signal en provenance de cette même fibre optique.
Mais le laser 30 émet aussi en direction du détecteur 20. Or, lorsque la longueur d'onde d'émission du laser 30 est située dans le spectre d'absorption du détecteur 20, et que le laser 30 est situé à proximité du détecteur 20, le détecteur 20 détecte aussi la lumière provenant du laser 30.
Dans le cas où par exemple le composant est installé chez l'abonné, la longueur d'onde d'émission est voisine de 1, 3 um tandis que la longueur d'onde de réception est voisine de 1,55 um. Le laser peut alors amener des perturbations optiques sur le détecteur. En effet, le laser émet aussi, en direction du détecteur, de la lumière à environ 1,3 um qui vient éblouir ce dernier. Pour éviter cet éblouissement du détecteur, le composant comporte une troisième section, disposée entre le laser 30 et le détecteur 20, formant un isolant optique 40. Cet isolant optique permet d'absorber la lumière émise à environ 1,3 um en direction du détecteur, de manière à ce que ce dernier puisse détecter le signal optique à environ 1,55 um en provenance de la fibre optique sans être perturbé par le laser.
Le substrat 10 ou couche inférieure peut par exemple être de l'InP dopé n. Les guides d'onde 21 du détecteur 20 et 31 du laser 30 et de l'isolant optique 40 sont gravés sous forme de rubans et enterrés dans une couche de gaine supérieure 11 fortement dopée. Le matériau de gaine 11 est dopé p+ lorsque le substrat est dopé n ou l'inverse.
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Des électrodes métalliques 23,33, 43 et 13 sont formées sur les différentes sections et sur le dessous du composant de manière à permettre son fonctionnement.
Les dimensions de ce composant sont très petites : la longueur du laser 30 est typiquement de l'ordre de 300 um, celle de l'absorbant optique 40 typiquement de 300 um et celle du détecteur 20 typiquement de 100 um.
Plus précisément, la lumière spontanée émise par le laser 30 et non guidée par le guide d'onde 31 est émise dans tout le volume du composant. De plus, une partie de la lumière stimulée est diffractée dans le composant du fait de la présence de discontinuités optiques dans le guide d'onde 31. Toutes ces ondes lumineuses parasites émises à environ 1, 3um par le laser 30, dans toutes les directions, viennent perturber et éblouir le détecteur 20 qui ne peut plus détecter correctement la longueur d'onde à environ 1, 55 um. Ces perturbations sont schématisées simplement par la flèche P. O (Perturbations Optiques) sur la figure 1.
Afin d'éliminer cette lumière parasite non guidée émise à environ 1,3 um, l'émetteur-récepteur décrit dans la demande de brevet précitée comprend selon un mode particulier de réalisation, une couche absorbante 70n de préférence dopée n, placée dans la couche inférieure 10 dopée n du composant et une couche absorbante 70p de préférence dopée p, placée dans la couche supérieure 11 dopée p du composant.
Ainsi, la lumière parasite dont le trajet 71 est schématiquement représenté, est absorbée au fur et à mesure de sa propagation, de telle sorte qu'elle devient très faible avant d'atteindre le détecteur 20.
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Cependant, cette lumière parasite non guidée n'est pas suffisamment éliminée, notamment dans le cas où la puissance du laser augmente.
Les courbes de la figure 2 mettent en évidence les pénalités constatées sur la sensibilité du détecteur, en dB, pour-différents indices de fonctionnement. La courbe A représente une référence en réception lorsque le laser est éteint, c'est-à-dire dans le cas par exemple du composant installé chez l'abonné, lorsque l'abonné reçoit mais n'émet rien ; la courbe B représente une référence en réception lorsque le laser est allumé en continu, c'est-à-dire dans le cas de l'exemple précédent, lorsque l'abonné reçoit mais n'envoie pas d'informations ; les courbes C et D représentent la modulation simultanée du laser et du détecteur, c'est-à-dire dans le cas de l'exemple précédent, lorsque l'abonné reçoit et envoie de l'information ; dans le cas de la courbe C, le laser émet avec une puissance d'l mW, dans celui de la courbe D, le laser émet avec une puissance de 2 mW, la tendance générale étant d'augmenter la puissance d'émission du laser. On constate ainsi une pénalité de 3 dB entre la courbe B et la courbe D, lorsque l'on module simultanément le laser et le détecteur.
Le but de l'invention en objet consiste donc à réaliser un composant monolithique électro-optique peu coûteux comportant un détecteur et un élément susceptible de perturber le détecteur, tel qu'un laser, la longueur d'onde d'émission du laser étant située dans le spectre d'absorption du détecteur, dans lequel la perturbation de 3 dB du détecteur (selon l'exemple
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de la figure 2), qui se produit lors de leur modulation simultanée, est considérablement réduite.
L'invention a pour objet un composant monolithique électro-optique en semi-conducteur comprenant successivement une première section apte à émettre de la lumière à une première longueur d'onde et comportant une première couche active, une deuxième section apte à absorber de la lumière à ladite première longueur d'onde et comportant une deuxième couche active, et une troisième section apte à détecter de la lumière à une deuxième longueur d'onde et comportant une troisième couche active, principalement caractérisé en ce que la deuxième couche active est conçue pour assurer dans ladite deuxième section une absorption supérieure à celle que permettrait une couche active identique à ladite première couche.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ladite deuxième couche active est une couche massive, réalisée de préférence en matériau quaternaire.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la deuxième couche active est une couche à puits quantiques.
Selon une caractéristique de l'invention, la première couche active de la première section s'étend partiellement dans ladite deuxième section.
Le composant comprend avantageusement sous une face de la deuxième couche active dite face inférieure, au moins une couche dite"anti-reflet"apte à diminuer la réflexion de lumière sur ladite face inférieure et/ou
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sur une face de la deuxième couche active dite face supérieure, au moins une couche dite"anti-reflet"apte à diminuer la réflexion de lumière sur ladite face supérieure.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la deuxième-couche active s'étend dans la troisième section et ladite troisième section comporte en outre une quatrième couche active absorbante placée au-dessus de ladite couche qui s'étend dans la troisième section, et apte à détecter la lumière propagée par la deuxième couche active.
La quatrième couche active absorbante est de préférence réalisée en matériau ternaire.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les première, deuxième et troisième couches actives étant confinées entre une couche de gaine supérieure et une couche de gaine inférieure, le composant comprend une première couche dite absorbante placée dans ladite couche inférieure et apte à absorber tout ou partie de la lumière et éventuellement, sur la face supérieure de la première couche absorbante, au moins une couche apte à diminuer la réflexion de lumière sur ladite première couche absorbante.
Le composant peut de manière symétrique, comprendre une deuxième couche dite absorbante placée dans ladite couche supérieure et apte à absorber tout ou partie de la lumière et éventuellement, sur la face inférieure de la deuxième couche absorbante, au moins une couche apte à diminuer la réflexion de lumière sur ladite deuxième couche absorbante.
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Le composant peut constituer un émetteur-récepteur en ligne dont la longueur d'onde d'émission est inférieure à la longueur d'onde de réception.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront-clairement à la lecture de la description faite à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 déjà décrite, représente un schéma en coupe longitudinale d'un composant émetteur-récepteur en ligne classique, - la figure 2 déjà décrite, représente des courbes permettant de mettre en évidence les pénalités de fonctionnement lors d'une modulation simultanée de l'émetteur et du récepteur du composant de la figure 1, - la figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation d'un émetteur-récepteur selon l'invention, les figures 4a) et 4b) représentent respectivement un schéma d'un autre mode de réalisation de la section absorbant d'un émetteur-récepteur selon l'invention et les courbes correspondantes qui mettent en évidence l'absorption de la lumière guidée et non guidée émise à environ 1, 3 um.
- la figure 5 représente schématiquement un mode de réalisation de l'invention dans le cas d'un absorbant à double structure verticale et d'un détecteur à ondes évanescentes.
La figure 3 schématise un mode de réalisation d'un composant selon l'invention. Il schématise plus particulièrement un émetteur-récepteur en ligne. Mais
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l'invention ne se limite pas seulement aux émetteursrécepteurs en ligne, elle s'applique à tout composant opto-électronique intégré pour lequel il existe une diaphonie optique, c'est à dire à tout composant comprenant un détecteur et un élément susceptible de perturber le détecteur ; c'est le cas d'un émetteur laser lorsque la longueur d'onde d'émission du laser est située dans le spectre d'absorption du détecteur.
Dans cet exemple, les mêmes, références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments que dans l'émetteur-récepteur classique schématisé sur la figure 1. Le laser 30 émet à une longueur d'onde inférieure à la longueur d'onde de réception du détecteur 20. La longueur d'onde d'émission est par exemple voisine de 1,3 um alors que la longueur d'onde de réception est voisine de 1,55 um.
Afin d'éliminer la lumière parasite non guidée émise à environ 1,3 um, la deuxième section 40 du composant selon l'invention, en l'occurence la section apte à absorber cette lumière, comprend une couche active 41 permettant un fort confinement optique dans celle-ci c'est-à-dire assurant un plus fort confinement donc une plus forte absorption que si on utilisait une couche identique à la couche 31, de façon à augmenter le recouvrement entre la lumière non guidée et cette deuxième couche active dans laquelle la lumière guidée se propage.
Les première et deuxième couches actives d'un émetteur-récepteur en ligne tel que décrit précédemment sont typiquement des couches à puits quantiques.
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On compte par exemple pour la couche active du laser, 6 puits quantiques d'environ 8 nm chacun, séparées par des barrières de 10 nm ; de même pour la deuxième couche active de l'absorbant qui, pour des raisons de simplicité et de coût de fabrication, est généralement-obtenue au terme de la même étape d'épitaxie que la première couche active et dont la structure est alors identique à celle-ci. On obtient ainsi une couche active d'une épaisseur d'environ 0,1
um.
um.
Le fort confinement optique dans la deuxième couche peut être obtenu en choisissant comme deuxième couche active 41, une couche active massive en remplacement de la couche à puits quantiques.
Cette couche massive est par exemple réalisée en matériau quaternaire ayant une longueur d'onde de photoluminescence voisine de 1, 4 um. Cette longueur d'onde étant supérieure à celle de 1,3 um du laser, la lumière émise par le laser est absorbée, alors que cette couche massive est transparente pour la longueur d'onde voisine de 1,55 um que l'on souhaite détecter, car elle est supérieure à 1, 4 um.
On peut aussi augmenter le confinement optique dans la deuxième couche active 41 en augmentant son épaisseur, que la couche soit à puits quantiques ou massive. Lorsque la couche est à puits quantiques, on augmente par exemple le nombre de puits quantiques, L'épaisseur peut être augmentée jusqu'à environ 0,5 um.
La structure de l'absorbant 40 peut être perfectionnée.
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En effet, on a généralement un fort contraste entre les indices de réfraction des différents matériaux constitutifs du composant et notamment ceux de l'absorbant 40. Ce fort contraste augmente en particulier la réflexion des rayons lumineux (ou des modes non guidés) provenant par exemple de la couche 11 qui peut être de l'InP, et arrivant vers la deuxième couche active 41 dont l'indice est supérieur à celui de l'InP. Alors, pour augmenter encore l'absorption du mode non guidé dans la couche guidante c'est-à-dire la deuxième couche active 41, on ajoute sur les faces inférieure et/ou supérieure de cette couche, une couche 42a et une couche 42b"anti-reflet", c'est-à-dire une couche d'indice intermédiaire entre celui de l'absorbant et celui de l'InP.
On a par exemple pour les indices de réfraction les valeurs suivantes, calculées à la longueur d'onde de 1, 55 J. m par la méthode de Broberg : pour la couche 11 qui peut être de l'InP, une valeur de 3,1693, pour la couche 41 qui peut être en matériau quaternaire ayant une longueur d'onde de photoluminescence de 1,4 item, une valeur de 3,4373 et pour la couche"antireflet"qui peut être en matériau quaternaire ayant une longueur d'onde de photoluminescence de 1,17 m, une valeur intermédiaire de 3,3317.
Un perfectionnement complémentaire peut encore être apporté au composant, plus spécifiquement à la section 40 de l'absorbant.
En effet, l'intensité de la lumière guidée émise à environ 1,3 um est beaucoup plus importante en sortie
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du laser que celle de la lumière non guidée. Or, lorsque la couche active 31 du laser s'étend dans la deuxième section 40, comme pour le composant de la figure 1, la lumière guidée émise à environ 1,3 um est rapidement absorbée sur les premiers 50 um. Alors, il est intéressant de n'introduire la couche 41 telle que décrite précédemment et qui vise surtout à absorber la lumière non guidée, que lorsque la lumière guidée a déjà été majoritairement absorbée.
C'est pourquoi, l'absorbant 40 du composant schématiquement représenté figure 4a), comprend deux structures verticales. La première 40a, en prolongement de la structure du laser, est telle que la structure de la couche active 31 du laser s'étend partiellement dans la section 40 ; la seconde 40b, en prolongement de la précédente, est celle qui renforce le confinement optique de la lumière non guidée dans la couche active, telle que décrite précédemment. La référence 41 désigne alors la couche active de la deuxième structure 40b.
Concernant les couches 42a et 42b"anti-reflet", celles-ci ne sont alors placées que sur les faces de la couche active 41 de la deuxième structure 40b.
La courbe de la figure 4b) met en évidence l'absorption de la lumière guidée et non guidée, émise à environ 1, 3 um au fur et à mesure de sa propagation le long de l'absorbant 40 dont la structure verticale est schématiquement représentée figure 4a).
Sur la longueur correspondant à la première structure 40a, on distingue une première portion de courbe de 0 à environ 50 um correspondant principalement à l'absorption de la lumière guidée, et
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une deuxième portion de courbe d'environ 50 um à environ 100 um correspondant principalement à une absorption modérée de la lumière non guidée.
Sur la distance correspondant à la deuxième structure 40b, la lumière non guidée est absorbée entre environ 100-um à environ 200 um, jusqu'à ne plus perturber de façon significative le détecteur 20.
On peut alors diminuer la longueur de l'absorbant
40 de 300 um à environ 220 um, diminuer d'autant celle du composant et réduire ainsi le coût de revient du composant.
40 de 300 um à environ 220 um, diminuer d'autant celle du composant et réduire ainsi le coût de revient du composant.
En général, les couches actives 41 et 21 de l'absorbant et du détecteur sont placées bout à bout et la couche active 21 détecte la lumière par couplage direct.
Mais dans le cas représenté figure 5 où l'absorbant 40 comporte une double structure verticale, la couche active 41 de la deuxième structure 40b de l'absorbant s'étend dans la section 20 du détecteur pour des raisons de fabrication. C'est pourquoi, la section 20 du détecteur comprend une quatrième couche active 22 comportant des couches ternaires absorbantes, déposée sur cette couche active 41 qui se prolonge dans le détecteur, afin que la lumière guidée à environ 1,55 um qui se propage le long de la couche active 41 de l'absorbant, soit couplée de manière évanescente avec la couche 22 pour être détectée : on obtient alors un détecteur à ondes évanescentes.
Selon un mode de réalisation particulier du composant, on place sur la longueur du composant, comme représenté figure 3, une couche absorbante 70n dans
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ladite couche inférieure 10 et/ou une couche absorbante 70p dans ladite couche supérieure 11, ces couches étant aptes à absorber tout ou partie de ladite lumière non guidée.
On peut avantageusement ajouter sur la face supérieure de la couche 70n, une ou plusieurs couches 72n apte (s) à diminuer la réflexion de la lumière non guidée sur cette face supérieure. De même, on peut ajouter sur la face inférieure de la couche 70p, une ou plusieurs couches 72p apte (s) à diminuer la réflexion de la lumière non guidée sur cette face supérieure.
Ces couches 70n et 72n sont par exemple dopées en porteurs n et les couches 70p et 72p, en porteurs p, c'est-à-dire comme les couches inférieure 10 et supérieure 11 correspondantes.
Claims (14)
1. Composant monolithique électro-optique en semiconducteur comprenant successivement une première section (30) apte à émettre de la lumière à une première longueur d'onde et comportant une première couche active (31), une deuxième section (40) apte à absorber de la lumière à-ladite première longueur d'onde et comportant une deuxième couche active (41), et une troisième section (20) apte à détecter de la lumière à une deuxième longueur d'onde et comportant une troisième couche active (21), caractérisé en ce que la deuxième couche active (41) est conçue pour assurer dans ladite deuxième section (40) une absorption supérieure à celle que permettrait une couche active identique à ladite première couche (31).
2. Composant selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite deuxième couche active (41) est une couche massive.
3. Composant selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite couche massive est réalisée en matériau quaternaire.
4. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième couche active (41) est une couche à puits quantiques.
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5. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite première couche active (31) de la première section (30), s'étend partiellement dans ladite deuxième section (40).
6. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend sous une face de la deuxième couche active (41) dite face inférieure, au moins une couche (42a) dite"anti-reflet"apte à diminuer la réflexion de lumière sur ladite face inférieure.
7. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend sur une face de la deuxième couche active (41) dite face supérieure, au moins une couche (42b) dite "anti-reflet"apte à diminuer la réflexion de lumière sur ladite face supérieure.
8. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième couche active (41) s'étend dans la troisième section (20) et en ce que ladite troisième section (20) comporte en outre une quatrième couche active absorbante (22) placée au-dessus de ladite couche active qui s'étend dans la troisième section (20), et apte à détecter la lumière propagée par la deuxième couche active (41).
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9. Composant selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite quatrième couche active absorbante (22) est réalisée en matériau ternaire.
s lumière.
10. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon lequel les première, deuxième et troisième couches actives (31,41 et 21) sont confinées entre une couche de gaine (11) supérieure et une couche de gaine. inférieure (10), caractérisé en ce qu'il comprend une première couche (70n) dite absorbante placée dans ladite couche inférieure (10) et apte à absorber tout ou partie de la
11. Composant selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend sur la face supérieure de la première couche absorbante (70n), au moins une couche (72n) apte à diminuer la réflexion de lumière sur ladite première couche absorbante (70n).
12. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon lequel les première, deuxième et troisième couches actives (31,41 et 21) sont confinées entre une couche de gaine (11) supérieure et une couche de gaine inférieure (10), caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième couche (70p) dite absorbante placée dans ladite couche supérieure (11) et apte à absorber tout ou partie de la lumière.
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13. Composant selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend sur la face inférieure de la deuxième couche absorbante (70p), au moins une couche (72p) apte à diminuer la réflexion de lumière sur ladite deuxième couche absorbante (70p).
14. Composant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il constitue un émetteur-récepteur en ligne dont la longueur d'onde d'émission est inférieure à la longueur d'onde de réception.
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