FR2867900A1 - Dispositif d'emission de lumiere avec une structure emettrice a micro-cavite et une diode de pompe a cavite verticale et procede de fabrication - Google Patents

Abstract

Un dispositif d'émission de lumière comporte une structure émettrice (1) comprenant une partie active (2) disposée dans une micro-cavité délimitée par un miroir de fond (3) et un miroir de sortie (4). Un des miroirs (3, 4) de la structure émettrice (1) est fixé directement sur une surface émettrice (8) d'une diode de pompe (7) destinée au pompage optique de la structure émettrice (1). La diode de pompe est constituée par un micro-composant à cavité verticale émettant en surface. La fixation d'un miroir (3,4) de la structure émettrice (1) sur la surface émettrice (8) de la diode de pompe (7) est, par exemple, réalisée au moyen d'une couche de colle (12).L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel dispositif d'émission de lumière.

Description

Dispositif d'émission de lumière avec une structure émettrice à micro-

cavité et une diode de pompe à cavité verticale et procédé de fabrication.

Domaine technique de l'invention L'invention concerne un dispositif d'émission de lumière comportant une structure émettrice comprenant une partie active disposée dans une micro-cavité délimitée par un miroir de fond et un miroir de sortie et fixée sur une diode de pompe émettant à une longueur d'onde prédéterminée et destinée au pompage optique de la structure émettrice.

L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel dispositif.

État de la technique Le document WO-A-03050887 décrit un dispositif d'émission de lumière à micro-cavité, émettant un rayonnement lumineux appelé rayonnement d'émission, à une longueur d'onde de préférence comprise dans le domaine de l'infrarouge moyen. Un tel dispositif est, par exemple, utilisé pour détecter des gaz polluants ou des gaz à effet de serre ou bien pour effectuer le tri automatique des plastiques.

Cômme illustré à la figure 1, le dispositif comporte une structure émettrice 1 comportant une partie active 2 disposée dans une micro-cavité résonnante délimitée par un miroir de fond 3 et un miroir de sortie 4. La partie active 2 comporte un empilement constitué par une couche d'arrêt de gravure 2a, une première couche barrière 2b, une couche émettrice 2c et une seconde couche barrière 2d. Le miroir de fond 3 est collé sur un support formé par une lame de silice 5 au moyen d'une couche de colle 6 en résine époxy. La lame 5 et la couche de colle 6 sont transparentes au faisceau lumineux destiné au pompage optique de la structure émettrice 1, aussi appelé faisceau de pompage optique.

Le faisceau de pompage optique est émis par une diode laser, dite diode de pompage, à une longueur d'onde prédéterminée inférieure à la longueur d'onde du rayonnement d'émission de la structure émettrice. La direction du rayonnement d'émission, dans la structure émettrice 1, est représenté par la o flèche F1 à la figure 1. Provenant de la micro-cavité résonnante pompée optiquement par la diode de pompe, le rayonnement d'émission est émis par le miroir de sortie 4, perpendiculairement à celui-ci, vers le haut sur la figure 1.

Un tel dispositif présente, cependant, l'inconvénient d'utiliser une diode laser émettant par la tranche et présentant une forte divergence pouvant aller jusqu'à 60 C dans une direction. De plus, la densité de puissance du faisceau de pompage optique diminue très rapidement en fonction de la distance entre la diode laser et la structure émettrice. Or, cette divergence ne permet pas d'obtenir un couplage efficace entre la diode de pompe et la structure émettrice.

En effet, le rayonnement d'émission est généralement couplé avec une fibre optique qui possède, le plus souvent, une ouverture numérique faible et qui nécessite un rayonnement d'émission de faible divergence. La divergence du rayonnement d'émission dépend de celle du faisceau de pompage optique. De plus, dans un tel dispositif, il n'est pas possible de contrôler précisément la position de la diode laser par rapport à celle de la structure émettrice, ce qui peut poser des problèmes d'alignement entre les deux composants. Enfin, la structure émettrice d'un tel dispositif comporte un support mécanique encombrant et la fabrication d'un tel dispositif est complexe car elle nécessite deux opérations de collage, le collage de la structure émettrice sur une des faces du support puis le collage de la diode de pompe sur l'autre face du support.

Pour remédier à la divergence du faisceau de pompage optique, il est courant d'utiliser une lentille de focalisation. Cette lentille doit cependant être alignée par rapport à la diode et à la structure émettrice. Or, cet alignement augmente considérablement la difficulté de fabrication et le coût du dispositif.

Pour résoudre le problème d'alignement, il a été proposé dans le document io WO-A-03050927 de fixer une structure émettrice, telle que celle représentée à la figure 1, sur le boîtier de protection d'une diode laser. Ainsi, la lame de silice 5 de la structure émettrice 1 peut être collée sur le boîtier de la diode laser. II est également possible de supprimer la lame de silice 5 et coller le miroir de fond 3 sur le hublot de la diode laser, ledit hublot formant alors le capot du boîtier de la diode laser. Dans une autre variante, le hublot d'origine, formant le capot du boîtier, est enlevé et il est remplacé par une lame de silice portant la structure émettrice. Le fait de fixer la structure émettrice au boîtier de la diode laser ne permet, cependant, pas de résoudre de manière efficace les problèmes de divergence du faisceau émis par la zone émissive contenue dans le boîtier de la diode laser.

Objet de l'invention L'invention a pour but d'obtenir un dispositif d'émission de lumière remédiant aux inconvénients de l'art antérieur.

Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que la diode de pompe étant constituée par un micro-composant à cavité verticale émettant en surface, un des miroirs de la structure émettrice est fixé directement sur une surface émettrice de la diode de pompe.

Selon un développement de l'invention, la diode de pompe comporte un empilement constitué par un substrat, un premier miroir, une partie active et un second miroir délimitant, avec le premier miroir, la cavité verticale.

Selon un mode particulier de réalisation, la surface émettrice de la diode de pompe étant constituée par le substrat, le substrat est transparent ou semi- Io transparent à la longueur d'onde émise par la diode de pompe et le premier miroir a une réflectivité inférieure à celle du second miroir.

Selon un autre mode particulier de réalisation, la surface émettrice de la diode de pompe étant constituée par le second miroir, le second miroir a une réflectivité inférieure à celle du premier miroir.

L'invention a également pour but de réaliser un procédé de fabrication d'un tel dispositif facile à mettre en oeuvre, pratique et peu coûteux.

Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le procédé de fabrication consiste à fixer un des miroirs de la structure émettrice directement sur la surface émettrice de la diode de pompe.

Description sommaire des dessins

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 représente, schématiquement et en coupe, une structure émettrice à micro-cavité selon l'art antérieur.

La figure 2 représente, schématiquement et en coupe, un mode particulier de réalisation d'un dispositif d'émission selon l'invention.

Les figures 3 à 7 représentent, schématiquement et en coupe, des étapes de fabrication du dispositif selon la figure 2.

Les figures 8 et 9 représentent respectivement des première et seconde variantes de réalisation du dispositif d'émission selon la figure 2.

Description de modes particuliers de réalisation

Selon un mode de réalisation illustré à la figure 2, un dispositif d'émission de lumière comporte une source émettrice 1, de préférence, destinée à émettre un rayonnement lumineux à une longueur d'onde X1, appelée longueur d'onde d'émission. Le rayonnement lumineux, aussi appelé rayonnement d'émission, est, de préférence, émis dans le domaine de l'infrarouge moyen, X1 étant alors comprise entre 2 m et 6 m.

La source émettrice 1 comprend une partie active 2 disposée dans une micro-cavité délimitée par un miroir de fond 3 et un miroir de sortie 4. La partie active 2 et les miroirs de fond et de sortie 3 et 4 sont, par exemple, identiques à ceux de la source émettrice représentée à la figure 1.

Par définition, on appelle, miroir de sortie 4 de la structure émettrice 1, le miroir par lequel le rayonnement infrarouge d'émission est émis en dehors de la structure émettrice 1, la réflectivité du miroir de sortie 4 étant toujours inférieure à celle du miroir de fond. Ainsi, à la figure 2, la direction du rayonnement d'émission est représentée par la flèche F1 allant de la partie active 2 vers l'extérieur, en traversant le miroir de sortie 4, perpendiculaire à celui-ci, vers le haut sur la figure 2.

Les miroir de fond et de sortie 3 et 4 sont, de préférence, constitués par des miroirs de Bragg. Ils sont chacun constitués par un empilement d'un nombre prédéterminé de paires de couches élémentaires superposées. Une paire comporte, par exemple, une couche en YF3 de 365 nm d'épaisseur et une couche en ZnS de 565 nm d'épaisseur, respectivement notées YF3 (365nm) et ZnS (565nm), la paire étant alors notée YF3 (365nm) / ZnS (565nm).

La réflectivité des miroirs de Bragg augmentant avec le nombre de paires de couches élémentaires, les miroirs de fond et de sortie 3 et 4 de la structure émettrice 1 comportent alors un nombre de paires de couches élémentaires différent. Ainsi, le miroir de fond constitué, par exemple, de 6 paires YF3 (365nm) I ZnS (565nm) a une réflectivité de 98% pour une longueur d'onde d'émission X1 égale à 3,3 m, tandis que le miroir de sortie 4, avec 3 paires YF3 (365nm) / ZnS (565nm), présente une réflectivité de 60% pour une longueur d'onde 2,1 égale à 3,3 m.

Au lieu d'être fixé à une lame de silice 5 comme représenté à la figure 1, le miroir de fond 3 est fixé directement sur une surface émettrice d'une diode de pompe 7 constituée par un micro-composant à cavité verticale émettant en surface. La diode de pompe 7, destinée au pompage optique de la structure émettrice 1, émet un faisceau de pompage optique, à une longueur d'onde prédéterminée X2, appelée longueur d'onde de pompage optique et adaptée pour pomper optiquement la partie active 2 de la structure émettrice 1. La longueur d'onde de pompage optique X2 est inférieure à la longueur d'onde d'émission X1. Elle est, par exemple, comprise entre 0,8 m et 2 m. De plus, le miroir de fond 3 est semitransparent ou transparent à la longueur d'onde de pompage optique X2, de manière à être traversé par une partie du faisceau de pompage optique La diode de pompe 7 est constituée par un micro-composant à cavité verticale o émettant en surface. Ainsi, elle comporte, de préférence, un empilement constitué par un substrat 8, un premier miroir 9, une partie active 10 et un second miroir 11 délimitant, avec le premier miroir 9, la cavité résonnante verticale de la diode de pompe 7. Les premier et second miroirs 9 et 11 sont, par exemple, des miroirs de Bragg, ils peuvent être constitués par des couches métalliques et/ou par une alternance de deux couches en matériaux semiconducteurs ou en matériaux diélectriques. La cavité résonnante de la diode de pompe peut être de type Fabry Pérot et elle comporte la partie active 10 constituée, par exemple, de matériaux de type GaAs ou InP et/ou de leurs alliages. De plus, la cavité résonnante verticale de la diode de pompe 7 se trouve, de préférence, à l'intérieur d'une jonction pin. A titre d'exemple, les premier et second miroirs peuvent être semiconducteurs et dopés respectivement n et p, la partie active 10 étant alors non dopée.

La diode de pompe 7 est, avantageusement, constituée par une diode laser à cavité verticale émettant en surface, plus connue sous le nom de VCSEL ou par une diode électroluminescente à cavité verticale également appelée RECLED ou RCLED. Ce type de diode laser présente l'avantage d'être peu divergent et facile à mettre en oeuvre car il peut être fabriqué par des techniques utilisées dans le domaine de la microélectronique.

Comme illustré à la figure 2, le miroir de fond 3 de la structure émettrice 1 est fixé directement au substrat 8 de la diode de pompe 7 au moyen d'une couche de colle 12 transparente ou semi-transparente à la longueur d'onde de pompage optique U. Le substrat 8, formant la surface émettrice de la diode de pompe 7, est transparent ou semi-transparent à la longueur d'onde 2^2. Le premier miroir 9, disposé entre le substrat 8 et la partie active 10 de la diode de pompe a une o réflectivité inférieure à celle du second miroir 11, de manière à former le miroir de sortie de la diode de pompe 7.

Selon un procédé de fabrication particulier illustré aux figures 3 à 7, les premières étapes de formation de la structure émettrice sont identiques à celles d'une structure émettrice selon l'art antérieur et par exemple telle que représentée à la figure 1. Ainsi, la partie active 2 de la structure émettrice 1 est formée par épitaxie sur un substrat 13 servant de support (figure 3). Le substrat 13 est, de préférence, en CdZnTe ou en germanium et la partie active est à base de CdHgTe. A la figure 3, la partie active 2 comporte un empilement comprenant une couche d'arrêt de gravure 2a, une première couche barrière 2b, une couche émettrice 2c et une seconde couche barrière 2d, constituées, par exemple, de composés CdXHg1_xTe, x variant selon la fonction des différentes couches de la partie active 2.

Le miroir de fond 3 est, ensuite, formé par dépôt sur la couche barrière 2d de la partie active 2 (figure 4). L'ensemble est ensuite retourné de manière à pouvoir fixer le miroir de fond 3 directement sur le substrat 8 de la diode de pompe 7 (figure 5), au moyen de la couche de colle 12. Puis, le substrat 13 formant le support de la structure émettrice 1 est retiré (figure 6). II peut, par exemple, être retiré par polissage mécanique puis par gravure chimique, la diode de pompe étant préalablement protégée, par exemple au moyen d'une couche en résine photosensible. Ensuite, le miroir de sortie 4 est formé par dépôt sur la couche d'arrêt de gravure 2a (figure 7), de manière à obtenir le dispositif d'émission de lumière.

A titre d'exemple, une diode de pompe 7 émettant à une longueur d'onde de pompage optique X,2 égale à 980nm peut être constituée par épitaxie sur un substrat 8 en GaAs. La partie active 10 de la diode de pompe 7, non dopée, est o constituée par un ou plusieurs puits quantiques en GalnAs dans des couches barrières en GaAs. Les premier et second miroirs, respectivement dopés n et p, sont constitués par des miroirs de Bragg en matériaux semiconducteurs comportant une alternance de deux couches élémentaires en GaAs et en AlAs, les épaisseurs des couches en GaAs et en AlAs étant respectivement de 69nm et de 83nm. Le premier miroir comportant, par exemple, 20 paires de couches élémentaires GaAs (69nm) / AlAs (83nm) a une réflectivité de l'ordre de 99% pour la longueur d'onde X2, tandis que le second miroir avec 25 paires de couches élémentaires GaAs (69nm)/AlAs (83nm) a une réflectivité de 99,8% pour la longueur d'onde X2.

Le substrat 8, en GaAs, n'absorbe pas les rayonnements lumineux ayant une longueur d'onde supérieure à 872nm, de sorte que le faisceau de pompage optique traverse le substrat 8 et qu'il est émis, en dehors de la diode de pompe, par la surface externe du substrat. Une telle surface forme alors la surface émettrice de la diode. La diode de pompe 7 émet ainsi un faisceau lumineux de pompage optique, avec un cône de divergence ayant un angle au sommet de l'ordre de 10 et un diamètre de sortie d'environ 20 m. La puissance optique du faisceau de pompage optique est de quelques dizaines de mW pour un courant de fonctionnement de l'ordre d'une dizaine de milliampère.

Le faisceau de pompage optique traverse la couche de colle 12 et le miroir de fond 3 de la structure émettrice 1, la distance traversée étant de l'ordre de 150 m pour atteindre la partie active 2 de la structure émettrice 1. Le miroir de fond 3, constitué par exemple par 6 paires de couches en YF3 (365nm) / ZnS (565nm), est semi-transparent au faisceau de pompage optique ayant une longueur d'onde de pompage X2 de 980nm, avec une transmission de l'ordre de 75% à la longueur d'onde Le miroir de sortie 4 de la structure émettrice est constitué par 3 paires de couches en YF3(365nm)/ZnS(565nm). La partie active 2 de la structure émettrice est à base de matériaux de la famille CdHgZnTe et elle a une épaisseur optique multiple de 3,3 m, de sorte que le rayonnement d'émission a une longueur d'onde d'émission Xl égale à 3,3 m. Le miroir de fond 3 a une réflectivité de 98% à la longueur d'onde d'émission Xl égale à 3,3 m Selon une variante de réalisation, la direction du rayonnement d'émission peut être inversée, comme représenté par la flèche F2 dirigée vers le bas à la figure 8, de sorte que le rayonnement d'émission traverse la diode de pompe 7. Dans ce cas, la fixation de la structure émettrice 1 sur la surface émettrice de la diode de pompe 7 est réalisée par le miroir de sortie 4. La diode de pompe 7 est, alors, semi-transparente à la longueur d'onde 1 émise par la structure émettrice 1. Ainsi, comme illustré à la figure 8, la structure émettrice 1 est retournée de 180 par rapport au mode de réalisation décrit ci-dessus. Le miroir de sortie 4 est fixé au substrat 8 de la diode de pompe et la lumière émise par la structure émettrice 1 traverse la diode de pompe 7. Les contacts électriques de la diode de pompe sont alors adaptés pour laisser passer la lumière, ils sont par exemple de forme annulaire.

Il est également possible de contrôler la réflectivité de chacun des miroirs de la diode de pompe 7, de manière à déterminer la direction du faisceau de pompage optique, dans la diode de pompe 7. Ainsi, selon une autre variante de réalisation illustrée à la figure 9, la surface émettrice de la diode de pompe 7 peut être constituée par la surface externe du second miroir 11. Dans ce cas, le second miroir 11 formant le miroir de sortie de la diode de pompe a une réflectivité inférieure à celle du premier miroir 9. Un des miroirs de la structure émettrice 1, par exemple le miroir de fond 3 de la structure émettrice 1 (figure 9), est alors fixé au second miroir 11 par une couche de colle 12. Avec une diode de pompe semi-transparente à la longueur d'onde d'émission X1, le miroir de fond 3 de la structure émettrice 1 peut être remplacé par le miroir de sortie 4.

La valeur de réflectivité pour la longueur d'onde de pompage optique de chacun des miroirs de la diode de pompe est également ajustée en fonction du type de fonctionnement désiré. Ainsi, dans le cas d'une diode RECLED, les valeurs courantes de réflectivité sont de l'ordre de 50% pour le premier miroir et de 80% pour le second miroir tandis que, pour une diode de type VCSEL, les valeurs de réflectivité sont au minimum de 98%.

Un tel dispositif d'émission de lumière présente l'avantage de diminuer fortement la densité de puissance de pompage optique. De plus, le fait d'utiliser une diode à cavité verticale résonnante de type Fabry Pérot, émettant en surface, permet de diminuer la divergence du faisceau de pompage optique et donc d'augmenter le couplage entre la diode et la structure émettrice tout en diminuant les pertes. En effet, le faisceau émis par la diode de pompe a une divergence de l'ordre de 10 à 15 . Cette faible divergence du faisceau de pompage optique permet également d'obtenir un rayonnement lumineux d'émission de faible divergence et cela facilite le couplage avec une fibre optique.

La fixation directe de la structure émettrice sur la surface émettrice de la diode de pompe est également facile à mettre en oeuvre, rapide et peu coûteuse. II est, ainsi, possible de réaliser une pluralité de dispositifs d'émission de lumière sur un même substrat puis de les découper.

Un tel dispositif d'émission de lumière, de préférence, dans le domaine de l'infrarouge moyen, est par exemple utilisé pour détecter des gaz comme les gaz polluants ou à effet de serre, plus particulièrement dans le domaine de l'industrie automobile et dans le domaine de la climatologie. Il peut également être utilisé dans le domaine du tri automatique des plastiques absorbant dans le domaine de l'infrarouge, à des longueurs d'onde différentes selon leur poids moléculaire.

L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus. Ainsi, un des miroirs de la structure émettrice 1 peut être fixé par collage de type oxyde-oxyde, par collage métallique, par vignettage, par fusion ou par hybridation sur la surface émettrice de la diode de pompe 7. De plus, la couche de colle 12 peut être constituée par un matériau dont l'indice optique est adapté, par exemple en utilisant un liquide d'adaptation d'indice. Par indice optique adapté, on entend que l'indice optique est choisi de manière à diminuer les pertes par réflexion aux différentes interfaces, par exemple il est choisi à une valeur intermédiaire à celles des indices des deux éléments collés.

La réalisation d'un tel dispositif d'émission de lumière n'est pas non plus limitée au procédé particulier de fabrication décrit ci-dessus. En effet, il est possible de fixer directement un des deux miroirs de la structure émettrice sur la surface émettrice de la diode de pompe, puis de former successivement la partie active et le deuxième miroir de la structure émettrice. Ce mode de réalisation évite notamment d'utiliser un substrat supportant la partie active de la structure émettrice et devant être retiré une fois le miroir fixé sur la surface émettrice de la diode de pompe.

Les prises de contact électriques de la diode de pompe et/ou de la structure émettrice ne sont pas représentées sur les figures illustrant des dispositifs d'émission de lumière selon l'invention. Elles peuvent cependant être réalisées par tout type de moyen connu. A titre d'exemple, à la figure 2, des plots de contact peuvent être disposés respectivement sur le substrat 8 et sous le second miroir 11 de manière à ce que le courant électrique connectés circulant entre les deux plots traverse le substrat, le premier miroir, la partie active 10 et le second miroir 11.

Claims (12)

Revendications

1. Dispositif d'émission de lumière comportant une structure émettrice (1) comprenant une partie active (2) disposée dans une micro-cavité délimitée par un miroir de fond (3) et un miroir de sortie (4) et fixée sur une diode de pompe (7) émettant à une longueur d'onde prédéterminée (X2) et destinée au pompage optique de la structure émettrice (1), caractérisé en ce que la diode de pompe (7) étant constituée par un micro- composant à cavité verticale émettant en surface, un des miroirs de la structure émettrice (3, 4) est fixé directement sur une surface émettrice de la diode de pompe.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie active (2) est destinée à émettre un rayonnement infrarouge de longueur d'onde (X1) 15 comprise entre 2 m et 6 m.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur d'onde (X2) émise par la diode de pompe (7) est inférieure à la longueur d'onde (X1) émise par la structure émettrice (1).

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la diode de pompe (7) comporte un empilement constitué par un substrat (8), un premier miroir (9), une partie active (10) et un second miroir (11) délimitant, avec le premier miroir (9), la cavité verticale.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la diode de pompe (7) est constituée par une diode laser à cavité verticale émettant en surface.

6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la diode de pompe (7) est constituée par une diode électroluminescente à cavité verticale émettant en surface.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la surface émettrice de la diode de pompe (7) étant constituée par le substrat (8), le substrat (8) est transparent ou semi- transparent à la longueur d'onde (2^,2) émise par la diode de pompe (7) et le premier miroir (9) a une réflectivité inférieure à celle du second miroir (11).

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la surface émettrice de la diode de pompe (7) étant constituée par le second miroir (11), le second miroir (11) a une réflectivité inférieure à celle du premier miroir (9).

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le miroir de sortie (4) étant fixé à la surface émettrice de la diode de pompe (7), la diode de pompe (7) est semi- transparente à la longueur d'onde (X1) émise par la structure émettrice (1).

10. Procédé de fabrication d'un dispositif d'émission de lumière selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il consiste à fixer un des miroirs (3, 4) de la structure émettrice directement sur la surface émettrice de la diode de pompe.

11. Procédé de fabrication selon la revendication 10, caractérisé en ce que le miroir (3, 4) de la structure émettrice (1) est collé sur la surface émettrice de la diode de pompe.

12. Procédé de fabrication selon la revendication 10, caractérisé en ce que le miroir (3, 4) de la structure émettrice (1) est hybridé sur la surface émettrice de la diode de pompe.