FR3076404A1 - MONOLITHIC INFRARED SOURCE - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif (10) de génération d'un faisceau signal (Bs) présentant une longueur d'onde signal (λs) comprise entre 2 et 15 µm, le dispositif comprenant : -une source laser (LS) multicouches, -un guide d'onde optique multicouches à quasi accord de phase (QAPG), dénommé guide, -la source laser (LS) et le guide (QAPG) étant couplés de sorte que le faisceau pompe (Bp) issu de la couche active (AL) de la source laser (LS) soit injecté dans le cœur (GL) du guide (QAPG), -les couches du guide étant réalisées par épitaxie sur un substrat (Sub) et comprenant, selon l'axe Z, une alternance de premières zones (Z1) présentant une première orientation cristallographique et de deuxièmes zones (Z-1) présentant une orientation cristallographique inversée par rapport à la première orientation cristallographique, de manière à réaliser un transfert d'énergie du faisceau pompe (Bp) vers le faisceau signal (Bs) et un faisceau complémentaire par quasi accord de phase, -les couches de la source laser étant également réalisées par épitaxie, formant ainsi avec les couches du guide et le substrat (Sub) un bloc cristallin monolithique.The invention relates to a device (10) for generating a signal beam (Bs) having a signal wavelength (λs) of between 2 and 15 μm, the device comprising: a multilayer laser source (LS), a quasi-phase-locked multilayer optical waveguide (QAPG), called a guide, the laser source (LS) and the guide (QAPG) being coupled so that the pump beam (Bp) issuing from the active layer (AL) ) of the laser source (LS) is injected into the core (GL) of the guide (QAPG), the layers of the guide being produced by epitaxy on a substrate (Sub) and comprising, along the Z axis, an alternation of first zones (Z1) having a first crystallographic orientation and second zones (Z-1) having an inverted crystallographic orientation with respect to the first crystallographic orientation, so as to effect energy transfer from the pump beam (Bp) to the signal beam (Bs) and a complementary beam by quasi acco rd phase, -the layers of the laser source is also produced by epitaxy, thus forming with the layers of the guide and the substrate (Sub) a monolithic crystalline block.
Description
DOMAINE DE L’INVENTIONFIELD OF THE INVENTION
L’invention concerne la réalisation de sources cohérentes de photons moyen-infrarouge, c'est-à-dire de longueur d’onde comprise entre 2 et 15 pm à partir d'une diode laser dite de pompage et d’un convertisseur de la longueur d’onde de cette diode fonctionnant en configuration guidée et sur le principe du quasi-accord de phase (QAP) dans un matériau semi-conducteur à fort coefficient non-linéaire d’ordre deux.The invention relates to the production of coherent sources of medium-infrared photons, that is to say of wavelength between 2 and 15 μm from a so-called pumping laser diode and a converter of the wavelength of this diode operating in a guided configuration and on the principle of quasi-phase agreement (QAP) in a semiconductor material with high non-linear coefficient of order two.
ETAT DE LA TECHNIQUESTATE OF THE ART
La réalisation de composants capables d’émettre dans le moyen IR, à la fois compacts, présentant un coût réduit, une large gamme de longueurs d’onde accessibles et un rendement énergétique élevé est un enjeu important pour une large gamme d’applications, en particulier celles qui exploitent les propriétés spectroscopiques de la région dite d’empreintes digitales de l’infrarouge, allant de l’analyse de polluants à la chirurgie ophtalmique en passant par la structuration de cellules photovoltaïques organiques.The production of components capable of emitting in the IR medium, both compact, presenting a reduced cost, a wide range of accessible wavelengths and a high energy efficiency is an important stake for a wide range of applications, in in particular those which exploit the spectroscopic properties of the region known as infrared fingerprints, ranging from the analysis of pollutants to ophthalmic surgery through the structuring of organic photovoltaic cells.
Malgré d’importants progrès scientifiques qui ont ces dernières années revivifié le domaine des sources infrarouges de longueur d’onde supérieure à deux microns, ces sources n’ont toutefois pas encore atteint la maturité nécessaire. Un éclairage sur les verrous à lever est fourni par le point de vue de l’utilisateur sur les caractéristiques de ces sources, que l’on peut séparer en deux groupes :Despite significant scientific advances that have revitalized the field of infrared sources with wavelengths greater than two microns in recent years, these sources have not yet reached the necessary maturity. Lighting on the locks to be lifted is provided by the user's point of view on the characteristics of these sources, which can be separated into two groups:
- Le premier comprend les lasers à gaz, à semi-conducteurs et à matériaux dopés aux terres rares ou aux métaux de transition, sous forme massive ou fibrée, qui génèrent directement des photons infrarouges à partir d’un dispositif de pompage optique ou électrique. Les gammes spectrales au-dessus de deux microns sont généralement plus difficiles à obtenir et l’accordabilité de ces sources est souvent limitée.- The first includes gas, semiconductor and rare earth or transition metal doped lasers, in solid or fiber form, which directly generate infrared photons from an optical or electric pumping device. Spectral ranges above two microns are generally more difficult to obtain and the tunability of these sources is often limited.
Dans le cas des semi-conducteurs, leur coût peut en revanche potentiellement bénéficier d’importantes économies d’échelle.In the case of semiconductors, however, their cost can potentially benefit from significant economies of scale.
- Le second regroupe les sources fondées sur la conversion de fréquence de lasers de pompage émettant entre 1 et 2,5 microns vers les plus grandes longueurs d’onde, par effet paramétrique dans des matériaux optiques non-linéaires d’ordre deux ou par génération de supercontinuum à partir d’impulsions courtes. II est souvent possible de les faire émettre sur une plus grande gamme de longueur d’onde que les sources du premier groupe, mais à un coût supérieur souvent lié au couplage pompe/convertisseur.- The second regroups the sources based on the frequency conversion of pumping lasers emitting between 1 and 2.5 microns towards the longest wavelengths, by parametric effect in non-linear optical materials of order two or by generation of supercontinuum from short pulses. It is often possible to have them emitted over a greater wavelength range than the sources of the first group, but at a higher cost often linked to the pump / converter coupling.
II est connu que les matériaux non-linéaires d’ordre deux permettent la conversion paramétrique de la longueur d’onde d’un faisceau de pompage, notée λΡι en deux longueurs d’onde supérieures, notées λδ (faisceau signal) et λ0 (faisceau complémentaire ou « idler »), qui respectent la loi de conservation de l’énergie :It is known that second order non-linear materials allow parametric conversion of the wavelength of a pumping beam, denoted λ Ρι into two longer wavelengths, denoted λ δ (signal beam) and λ 0 (complementary beam or "idler"), which respect the law of conservation of energy:
1/λρ = 1/λδ + 1/λ0 1 / λρ = 1 / λ δ + 1 / λ 0
Le paramètre qui décide des valeurs de λδ et λ0 parmi les différents couples possibles est déduit de la condition d’accord de phase entre ces trois ondes. La dispersion des indices optiques permet en pratique de satisfaire cette condition pour un nombre limité de matériaux biréfringents. Malheureusement ces matériaux ne possèdent pas nécessairement les meilleurs coefficients non-linéaires, des plages de longueur d'onde de fonctionnement importantes, des gammes de température d’utilisation et de focalisation des faisceaux suffisantes.The parameter which decides the values of λ δ and λ 0 among the different possible couples is deduced from the condition of phase agreement between these three waves. The dispersion of the optical indices makes it possible in practice to satisfy this condition for a limited number of birefringent materials. Unfortunately, these materials do not necessarily have the best non-linear coefficients, large operating wavelength ranges, sufficient operating temperature and beam focusing ranges.
L’utilisation de réseaux optiques composés de structures à base de cristaux optiques non-linéaires permet, sous certaines conditions, de s’affranchir en partie de ces limitations. Pour cela on utilise la technique du quasi-accord de phase, ou QAP (Quasi Phase Matching ou QPM en anglais) qui consiste à réaliser des modifications locales du coefficient non-linéaire d’ordre 2 ou χ(2) afin que le désaccord de phase entre les ondes accumulé au cours de la propagation soit périodiquement compensé. On crée ainsi un réseau non linéaire artificiel de période A tel qu’illustré figure 1, avec Fp faisceau pompe, Fs faisceau signal et Fc faisceau complémentaire.The use of optical networks composed of structures based on non-linear optical crystals makes it possible, under certain conditions, to overcome some of these limitations. For this we use the technique of phase quasi-agreement, or QAP (Quasi Phase Matching or QPM in English) which consists in making local modifications of the non-linear coefficient of order 2 or χ (2) so that the disagreement of phase between waves accumulated during propagation is periodically compensated. An artificial nonlinear network of period A is thus created as illustrated in FIG. 1, with Fp pump beam, Fs signal beam and Fc complementary beam.
Dans des matériaux ferroélectriques comme le niobate de lithium, on sait inverser le signe de la polarisation diélectrique de domaines de quelques micromètres de large, dans toute la profondeur, par application d’un champ électrique selon l’axe cristallographique de ce matériau. Le faisceau se propageant voit une modulation de la susceptibilité propice au QAP.In ferroelectric materials such as lithium niobate, it is known to reverse the sign of the dielectric polarization of domains a few micrometers wide, throughout the depth, by application of an electric field along the crystallographic axis of this material. The propagating beam sees a modulation of the susceptibility favorable to QAP.
Certains semi-conducteurs, comme l’arséniure de gallium, noté GaAs, présentent à la fois de forts coefficients non-linéaires et de larges gammes de transparence. Toutefois ces cristaux appartiennent à la classe cristallographique de symétrie cubique, ce qui les rend isotropes, et donc impropres au traditionnel accord de phase biréfringent. D’autre part ils ne disposent pas des propriétés ferroélectriques du niobate de lithium. II est cependant possible d’utiliser le GaAs à l’aide de la technique du QAP en fabriquant des structures à orientation cristalline périodiquement inversée, notées OP de l’anglais « Orientation-Patterned ». On obtient ainsi également un χ(2) dont le signe s'inverse périodiquement.Certain semiconductors, such as gallium arsenide, denoted GaAs, exhibit both high non-linear coefficients and wide ranges of transparency. However, these crystals belong to the crystallographic class of cubic symmetry, which makes them isotropic, and therefore unsuitable for the traditional birefringent phase agreement. On the other hand, they do not have the ferroelectric properties of lithium niobate. It is however possible to use GaAs using the QAP technique by manufacturing structures with periodically inverted crystal orientation, noted OP from the English “Orientation-Patterned”. We thus also obtain a χ (2) whose sign reverses periodically.
Contrairement aux cristaux non-linéaires conçus pour un accord de phase biréfringent, les matériaux à QAP permettent des interactions efficaces sur toute leur gamme de transparence et sont donc des composants de choix pour la réalisation de sources cohérentes largement accordables. Selon le besoin, leurs longueurs d’onde d’émission peuvent être accordées en changeant la température T des cristaux, la période A du QAP ou la longueur d’onde de pompage. Pour un QAP à l’ordre 1, ces grandeurs sont classiquement liées par l’équation suivante, où les symboles n,(T) représentent les indices de réfraction à la température T aux différentes longueurs d’onde λρ, As, Ac :Unlike non-linear crystals designed for a birefringent phase agreement, QAP materials allow effective interactions over their entire range of transparency and are therefore components of choice for the production of coherent sources that are largely tunable. Depending on the need, their emission wavelengths can be tuned by changing the temperature T of the crystals, the period A of the QAP or the pumping wavelength. For a QAP at order 1, these quantities are conventionally linked by the following equation, where the symbols n, (T) represent the refractive indices at temperature T at the different wavelengths λρ, As, Ac:
ηρ(Τ)/λρ - ns(T)/As - nc(T)/Ac = 1/Λη ρ (Τ) / λ ρ - n s (T) / A s - n c (T) / A c = 1 / Λ
La figure 2 donne un exemple de doublets de longueurs d’onde accessibles (As, Ac) en fonction de Ap pour l’arséniure de gallium à orientation périodique (ΟΡ-GaAs en anglais). La figure 3 donne un exemple de doublets de longueurs d’onde accessibles (As, Ac) en fonction de Ap pour ΙΌΡ-GaAs (zoom en longueur d’onde) et pour le niobate de lithium à polarisation périodique (PPLN en anglais), à température ambiante et pour des cristaux massifs. On constate que les matériaux semi-conducteurs à QAP comme Ι’ΟΡ-GaAs offrent un choix de longueurs d’onde converties bien plus étendu dans le moyen-infrarouge que les oxydes comme le PPLN.FIG. 2 gives an example of doublets of accessible wavelengths (As, Ac) as a function of Ap for the gallium arsenide with periodic orientation (ΟΡ-GaAs in English). FIG. 3 gives an example of doublets of accessible wavelengths (As, Ac) as a function of Ap for ΙΌΡ-GaAs (zoom in wavelength) and for lithium niobate with periodic polarization (PPLN in English), at room temperature and for massive crystals. We find that QAP semiconductor materials like comme’ΟΡ-GaAs offer a much wider choice of converted wavelengths in the mid-infrared than oxides like PPLN.
On sait par ailleurs qu’un pompage à plus grande longueur d’onde est favorable à une plus grande accordabilité et est également utile pour limiter des effets parasites comme l’absorption à deux photons. Pour générer des grandes longueurs d’onde, on montre également qu’il est plus intéressant en termes de rendement de conversion de recourir à un pompage lui aussi le plus haut possible en longueur d’onde, afin de minimiser le défaut quantique.We also know that pumping at a longer wavelength is favorable to greater tunability and is also useful for limiting parasitic effects such as two-photon absorption. To generate long wavelengths, we also show that it is more interesting in terms of conversion efficiency to use pumping which is also as high as possible in wavelength, in order to minimize the quantum defect.
De nombreuses architectures de sources infrarouges tirent parti de ces matériaux massifs. Pour des dispositifs moins gourmands en puissance de pompage, des configurations guidées ont été proposées. Sous réserve de concevoir des guides d’onde offrant un recouvrement suffisant entre les modes propagés aux trois longueurs d’onde d’intérêt, les fortes densités de puissance liées au confinement permettent des interactions non-linéaires très efficaces. L’équation précédente s’écrit alors avec les indices effectifs ηθη(Τ) de ces modes :Many architectures of infrared sources take advantage of these massive materials. For devices that consume less pumping power, guided configurations have been proposed. Subject to designing waveguides offering sufficient overlap between the modes propagated at the three wavelengths of interest, the high power densities linked to confinement allow very effective non-linear interactions. The preceding equation is then written with the effective indices ηθ η (Τ) of these modes:
np eff (Τ)/λρ - nseff (Τ)/λ8 - nc eff (Τ)/λ0 = 1/ An p eff (Τ) / λρ - ns eff (Τ) / λ8 - n c eff (Τ) / λ 0 = 1 / A
Des guides à faibles pertes fabriqués par diffusion de titane dans du PPLN peuvent ainsi fonctionner en oscillateur paramétrique optique grâce à un pompage externe, mais avec les mêmes limites en termes de longueurs d’onde accessibles que le PPLN massif. En outre, il n’est pas possible d’envisager un pompage électrique intégré.Low loss guides fabricated by diffusion of titanium in PPLN can thus operate as an optical parametric oscillator through external pumping, but with the same limits in terms of accessible wavelengths as solid PPLN. In addition, it is not possible to envisage an integrated electric pumping.
Le domaine des guides d’onde à QAP est moins développé dans le cas des semi-conducteurs. Pour des raisons historiques, la majorité des dispositifs décrits dans la littérature visait des applications dans la bande C des télécommunications réalisées dans des guides GaAs/GaAlAs. A ces longueurs d’onde, les valeurs de période de QAP nécessaires et les tailles des motifs définissant les guides d’onde sont typiquement inférieures à 4 pm et donc sensibles aux nombreuses imperfections technologiques. Ceci se traduit par des pertes à la propagation trop importantes pour des efficacités de conversion satisfaisantes. Ces limitations se sont avérées rédhibitoires pour justifier le coût d’intégration hybride d’une diode laser de pompage par une des techniques connues de report avec un guide QAP, permettant couplage optique et assemblage mécanique.The area of QAP waveguides is less developed in the case of semiconductors. For historical reasons, the majority of the devices described in the literature were aimed at applications in the C band of telecommunications produced in GaAs / GaAlAs guides. At these wavelengths, the required QAP period values and the sizes of the patterns defining the waveguides are typically less than 4 µm and therefore sensitive to many technological imperfections. This results in propagation losses which are too great for satisfactory conversion efficiencies. These limitations have proven to be prohibitive to justify the cost of hybrid integration of a pumping laser diode by one of the known techniques of transfer with a QAP guide, allowing optical coupling and mechanical assembly.
Pour des longueurs d’onde supérieures à 2 pm, des études plus récentes ont pointé qu’il devient plus facile de fabriquer des guides d’onde à QAP à faibles pertes car les dimensions caractéristiques des structures augmentent et deviennent moins sensibles aux imperfections technologiques. Dans de tels guides fabriqués par croissance épitaxiale d’alliages GaAs/GaAlAs dans des conditions compatibles avec les besoins du QAP, des pertes de l'ordre d’1 dB/cm ont ainsi été obtenues. Cependant ces matériaux GaAs/GaAlAs se prêtent peu à un pompage à grande longueur d’onde.For wavelengths greater than 2 µm, more recent studies have shown that it becomes easier to fabricate low loss QAP waveguides as the characteristic dimensions of the structures increase and become less sensitive to technological imperfections. In such guides produced by epitaxial growth of GaAs / GaAlAs alloys under conditions compatible with the needs of QAP, losses of the order of 1 dB / cm have been obtained. However, these GaAs / GaAlAs materials do not lend themselves to long wavelength pumping.
En revanche, très récemment des guides à QAP à faibles pertes à partir d’antimoniure de gallium et de ses alliages ont été réalisés et décrits dans la publication : S. Roux, L. Cerutti, E. Tournié, M. Garcia, B. Gérard, G. Patriarche and A. Grisard, “First orientation-patterned GaSb ridge waveguides fabrication and preliminary characterization for frequency conversion in the mid-infrared,” Proc. SPIE 9894, Nonlinear Optics and its Applications IV, 989415 (27 April 2016).On the other hand, very recently guides with low loss QAP from gallium antimonide and its alloys have been produced and described in the publication: S. Roux, L. Cerutti, E. Tournié, M. Garcia, B. Gérard, G. Patriarche and A. Grisard, “First orientation-patterned GaSb ridge waveguides fabrication and preliminary characterization for frequency conversion in the mid-infrared,” Proc. SPIE 9894, Nonlinear Optics and its Applications IV, 989415 (April 27, 2016).
Ces matériaux à base de GaSb présentent l’avantage d’une susceptibilité non-linéaire d’ordre 2 du GaSb 50% supérieure à celle du GaAs, et ils sont transparents de 2 à 20 pm.These GaSb-based materials have the advantage of a non-linear susceptibility of order 2 of GaSb 50% greater than that of GaAs, and they are transparent from 2 to 20 µm.
La figure 4 illustre un guide 20 tel que décrit dans la publication précitée, en coupe perpendiculaire à la direction de guidage Z. La couche guidante est en GaSb, et le guide présente deux couches de confinement inférieures en alliage AlxGai.xAsySbi.y avec deux stœchiométries x et y différentes. Le confinement supérieur est réalisé par l’air. La courbe de droite illustre le confinement spatial de l’onde lumineuse guidée.FIG. 4 illustrates a guide 20 as described in the abovementioned publication, in section perpendicular to the guide direction Z. The guide layer is made of GaSb, and the guide has two lower confining layers made of Al x Gai.xAs y Sbi alloy .y with two different x and y stoichiometries. The upper confinement is achieved by air. The right curve illustrates the spatial confinement of the guided light wave.
La structure QAP est obtenue par épitaxie des matériaux AIGaAsSb et GaSb à partir d’un substrat-germe, tel qu’illustré figure 5 et décrit dans la publication précitée.The QAP structure is obtained by epitaxy of the AIGaAsSb and GaSb materials from a seed substrate, as illustrated in FIG. 5 and described in the abovementioned publication.
Dans une première étape a) on réalise un premier empilement 40, comprenant un premier substrat en GaAs 50 d’orientation [1,0,0] sur lequel est épitaxiée une couche d’arrêt 55 et une fine couche d’épaisseur e voisine de 0,1 pm également de GaAs d’orientation [1,0,0] que l’on retourne pour le mettre en face d’un deuxième substrat en GaAs 70 d’orientation [1,0,0].In a first step a) a first stack 40 is produced, comprising a first GaAs 50 substrate of orientation [1,0,0] on which a barrier layer 55 and a thin layer of thickness e close to is epitaxially grown. 0.1 μm also of orientation GaAs [1,0,0] which is turned over to place it in front of a second substrate of GaAs 70 of orientation [1,0,0].
Dans une deuxième étape b) on réalise le collage de l’empilement 40 sur le substrat 70 par adhésion moléculaire. Alternativement il est possible de déposer avant la mise en contact une couche de S1O2 ou un empilement SiN/SiO2 sur chaque surface de GaAs et de réaliser alors un collage SiO2/SiO2. L’orientation cristallographique de l’empilement 40 se retrouve inversée par rapport à celle du substrat 70.In a second step b) bonding of the stack 40 is carried out on the substrate 70 by molecular adhesion. Alternatively, it is possible to deposit before contacting a layer of S1O2 or a stack of SiN / SiO2 on each surface of GaAs and then to carry out an SiO 2 / SiO 2 bonding. The crystallographic orientation of the stack 40 is found reversed with respect to that of the substrate 70.
Dans une étape c) on fait disparaître le substrat 50 et la couche d’arrêt 55 par amincissement.In a step c) the substrate 50 and the barrier layer 55 are made to disappear by thinning.
Dans une étape d) on procède à la réalisation de motifs sur la couche 60 par photolithographie, puis gravure au travers de la couche 60 (et des éventuelles couches de SiN et S1O2 insérées pour le collage). On obtient alors un substrat-germe SubG constitué d’une tranche de GaAs [1,0,0] comprenant localement des zones cristallines en GaAs inversé [-1,0,0] d’épaisseur t et de périodicité Λ ou tout autre motif répondant aux besoins QAP. Le substrat-germe SubG, ici réalisé à partir de GaAs, est dénommé dans l'état de la technique ΟΡ-GaAs (pour «Orientation-Patterned » en anglais).In a step d), patterns are produced on the layer 60 by photolithography, then etching through the layer 60 (and possible layers of SiN and S1O2 inserted for bonding). A SubG seed substrate is then obtained consisting of a GaAs slice [1,0,0] locally comprising crystalline zones of inverted GaAs [-1,0,0] of thickness t and of periodicity Λ or any other pattern. meeting QAP needs. The SubG seed substrate, here produced from GaAs, is called in the state of the art ΟΡ-GaAs (for “Orientation-Patterned” in English).
Dans une étape finale e) on faire croître, ici par hétéro-épitaxie, les couches de AIGaAsSb et la couche de GaSb (non représentées) qui conservent l’orientation de départ du substrat-germe, puis on réalise la forme spécifique du guide par gravure, pour obtenir le guide QAP 20.In a final step e) we grow, here by hetero-epitaxy, the layers of AIGaAsSb and the layer of GaSb (not shown) which retain the starting orientation of the substrate-seed, then the specific shape of the guide is produced by engraving, to obtain the QAP 20 guide.
A noter que la gravure à l’étape d) des motifs conduit à un relief résiduel d’épaisseur supérieure ou égale à t (de l’ordre de la centaine de nanomètres) qui peut s’avérer gênant du point de vue des pertes optiques. Il peut alors être avantageusement supprimé par une étape supplémentaire de reprise épitaxiale avec ou sans planarisation mécano-chimique (CMP en anglais).Note that the etching in step d) of the patterns leads to a residual relief of thickness greater than or equal to t (of the order of a hundred nanometers) which can prove to be troublesome from the point of view of optical losses. . It can then be advantageously removed by an additional epitaxial recovery step with or without mechanical-chemical planarization (CMP in English).
Il existe deux modes de couplage entre le laser de pompe et la structure à QAP.There are two coupling modes between the pump laser and the QAP structure.
Le mode le plus fréquent met en relation un laser de pompage émettant en espace libre ou couplé dans une fibre optique avec un guide à QAP par l’intermédiaire de lentilles, ou en positionnant le guide à QAP en face de la fibre de pompage.The most frequent mode connects a pumping laser emitting in free space or coupled in an optical fiber with a QAP guide by means of lenses, or by positioning the QAP guide in front of the pumping fiber.
Un deuxième mode est l’hybridation, consistant à rapporter individuellement une diode laser devant un guide d’onde par collage ou toute autre méthode permettant à la fois le couplage optique et l’assemblage mécanique.A second mode is hybridization, consisting in individually reporting a laser diode in front of a waveguide by bonding or any other method allowing both optical coupling and mechanical assembly.
Les deux voies présentent des limites en termes d’efficacité de couplage du pompage et de coût de fabrication.Both routes have limits in terms of pump coupling efficiency and manufacturing cost.
Ainsi les systèmes hybrides laser de pompe/PPLN massif et les systèmes hybrides diode laser de pompage et report d’un guide QAP à base d’alliages GaAs/GaAlAs présentent une gamme réduite de longueurs d’onde accessibles, un coût élevé et des difficultés de réalisation importantes sinon rédhibitoires.Thus the hybrid laser pump / PPLN hybrid systems and the hybrid laser diode pumping and transfer systems of a QAP guide based on GaAs / GaAlAs alloys have a reduced range of accessible wavelengths, a high cost and difficulties. important if not prohibitive achievements.
Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant une source moyen infrarouge monolithique s’appuyant sur la technologie récente des guides d’onde à QAP à base de GaSb ou d’alliages de GaSb.An object of the present invention is to remedy the aforementioned drawbacks by proposing a monolithic medium infrared source based on recent technology of QAP waveguides based on GaSb or GaSb alloys.
DESCRIPTION DE L’INVENTIONDESCRIPTION OF THE INVENTION
La présente invention a pour objet un dispositif de génération d’un faisceau signal présentant une longueur d’onde signal comprise entre 2 et 15 pm, le dispositif comprenant :The subject of the present invention is a device for generating a signal beam having a signal wavelength between 2 and 15 μm, the device comprising:
-une source laser multicouches configurée pour émettre un faisceau pompe présentant une longueur d’onde pompe comprise entre 1.8 et 5 pm, la source laser comprenant une couche active comprenant un premier matériau et disposée entre au moins une couche de confinement et d’injection supérieure et au moins une couche de confinement et d’injection inférieure, -un guide d’onde optique multicouches à quasi accord de phase, dénommé guide, le guide comprenant une couche guidante dénommée cœur comprenant un deuxième matériau et configurée pour guider un faisceau optique le long d’un axe Z, et au moins une couche de confinement inférieure disposée sous le cœur,a multilayer laser source configured to emit a pump beam having a pump wavelength between 1.8 and 5 μm, the laser source comprising an active layer comprising a first material and disposed between at least one upper confinement and injection layer and at least one lower confinement and injection layer, a multilayer optical waveguide with quasi phase agreement, called a guide, the guide comprising a guiding layer called a heart comprising a second material and configured to guide an optical beam along an axis Z, and at least one lower confinement layer placed under the heart,
-le premier matériau comprenant de l’antimoniure de gallium ou un de ses alliages, et le deuxième matériau comprenant de l’antimoniure ou de l’arséniure de gallium ou un de leurs alliages,the first material comprising gallium antimonide or one of its alloys, and the second material comprising gallium antimonide or arsenide or one of their alloys,
-la source laser et le guide étant couplés de sorte que le faisceau pompe issu de la couche active de la source laser soit injecté dans le cœur du guide, -les couches du guide étant réalisées par épitaxie sur un substrat et comprenant, selon l’axe Z, une alternance de premières zones présentant une première orientation cristallographique et de deuxièmes zones présentant une orientation cristallographique inversée par rapport à la première orientation cristallographique, de manière à réaliser un transfert d’énergie du faisceau pompe vers le faisceau signal et un faisceau complémentaire par quasi accord de phase,the laser source and the guide being coupled so that the pump beam coming from the active layer of the laser source is injected into the core of the guide, the guide layers being produced by epitaxy on a substrate and comprising, according to the Z axis, alternating first zones having a first crystallographic orientation and second zones having an inverted crystallographic orientation with respect to the first crystallographic orientation, so as to transfer energy from the pump beam to the signal beam and a complementary beam by quasi phase agreement,
-les couches de la source laser étant également réalisées par épitaxie, formant ainsi avec les couches du guide et le substrat un bloc cristallin monolithique.the layers of the laser source also being produced by epitaxy, thus forming with the guide layers and the substrate a monolithic crystalline block.
Préférentiellement les couches de la source laser, les couches du guide dans les premières zones et le substrat présentent une orientation cristallographique [1, 0, 0], et les couches du guide dans les deuxièmes zones présentent une orientation cristallographique [-1, 0, 0] ou inversement.Preferably the layers of the laser source, the layers of the guide in the first zones and the substrate have a crystallographic orientation [1, 0, 0], and the layers of the guide in the second zones have a crystallographic orientation [-1, 0, 0] or vice versa.
Préférentiellement le substrat est choisi parmi l’arséniure de gallium ou l’antimoniure de gallium.Preferably, the substrate is chosen from gallium arsenide or gallium antimonide.
Selon une première variante les couches du guide présentent une partie sans alternances d’orientation cristallographique et dans lequel les couches de la source laser sont réalisées par épitaxie sur ladite partie, le couplage entre la source laser et le guide étant réalisé par ondes évanescentes.According to a first variant, the layers of the guide have a part without alternations of crystallographic orientation and in which the layers of the laser source are produced by epitaxy on said part, the coupling between the laser source and the guide being produced by evanescent waves.
Selon un mode de réalisation, pour réaliser le couplage par ondes évanescentes, la source laser comprend une extrémité en forme de pointe de manière à présenter une diminution progressive de son indice effectif. Selon un mode de réalisation le dispositif selon l’invention comprend en outre une première diode laser signal configurée pour émettre le faisceau signal et pour l’injecter dans le cœur du guide, le guide opérant alors comme un amplificateur du faisceau signal injecté.According to one embodiment, to perform the coupling by evanescent waves, the laser source comprises a tip-shaped end so as to present a progressive decrease in its effective index. According to one embodiment, the device according to the invention further comprises a first signal laser diode configured to emit the signal beam and to inject it into the heart of the guide, the guide then operating as an amplifier of the injected signal beam.
Selon un mode de réalisation une facette respective de chaque extrémité des couches du guide présente un traitement réfléchissant configuré pour réfléchir au moins partiellement la longueur d’onde signal, de manière à réaliser une cavité amplificatrice pour ladite longueur d’onde signal.According to one embodiment, a respective facet of each end of the layers of the guide has a reflective treatment configured to at least partially reflect the signal wavelength, so as to produce an amplifying cavity for said signal wavelength.
Selon une deuxième variante les couches de la source laser sont réalisées par épitaxie sur une partie du substrat ne comprenant pas de couches du guide, le couplage entre la source laser et le guide étant réalisé de manière directe par alignement de la couche active et du cœur.According to a second variant, the layers of the laser source are produced by epitaxy on a part of the substrate not comprising guide layers, the coupling between the laser source and the guide being carried out directly by aligning the active layer and the core. .
Préférentiellement les couches du guide présentent une partie sans alternances d’orientation cristallographique et les couches de la source laser sont réalisées par épitaxie dans un caisson creusé jusqu’au substrat dans ladite partie sans alternances d’orientation cristallographique.Preferably, the guide layers have a part without alternations of crystallographic orientation and the layers of the laser source are produced by epitaxy in a box hollowed out to the substrate in said part without alternations of crystallographic orientation.
Selon un mode de réalisation le dispositif selon l’invention comprend en outre une deuxième diode laser signal configurée pour émettre le faisceau signal et pour l’injecter dans le cœur du guide, le guide opérant alors comme un amplificateur du faisceau signal injecté, la deuxième diode laser signal étant épitaxiée sur une partie de la couche supérieure du guide ne comprenant pas d’alternances d’inversion cristallographique, le couplage entre la deuxième diode laser signal et le guide étant réalisé par ondes évanescentes.According to one embodiment, the device according to the invention further comprises a second signal laser diode configured to emit the signal beam and to inject it into the heart of the guide, the guide then operating as an amplifier of the injected signal beam, the second signal laser diode being epitaxial on a part of the upper layer of the guide not comprising alternations of crystallographic inversion, the coupling between the second signal laser diode and the guide being carried out by evanescent waves.
Selon une première sous variante il existe un espace entre la source laser et le guide, ledit espace étant au moins partiellement rempli d’un matériau diélectrique.According to a first sub-variant there is a space between the laser source and the guide, said space being at least partially filled with a dielectric material.
Selon un mode de réalisation une facette respective de chaque extrémité des couches du guide présente un traitement réfléchissant configuré pour réfléchir au moins partiellement la longueur d’onde signal, de manière à réaliser une cavité amplificatrice pour ladite longueur d’onde signal.According to one embodiment, a respective facet of each end of the layers of the guide has a reflective treatment configured to at least partially reflect the signal wavelength, so as to produce an amplifying cavity for said signal wavelength.
Selon une deuxième sous variante les couches de la source laser et les couches du guide forment un continuum, une cavité de la source laser s’étendant alors entre les deux extrémités dudit continuum.According to a second sub-variant, the layers of the laser source and the layers of the guide form a continuum, a cavity of the laser source then extending between the two ends of said continuum.
Selon un mode de réalisation les extrémités du continuum présentent chacune un traitement réfléchissant configuré pour réfléchir au moins partiellement la longueur d’onde signal, de manière à réaliser une cavité amplificatrice pour ladite longueur d’onde signal.According to one embodiment, the ends of the continuum each have a reflective treatment configured to at least partially reflect the signal wavelength, so as to produce an amplifying cavity for said signal wavelength.
Selon un autre aspect l’invention concerne un procédé de fabrication d’un dispositif de génération d’un faisceau signal présentant une longueur d’onde signal comprise entre 2 et 15 pm, comprenant les étapes consistant à : -réaliser un substrat présentant une première orientation cristallographique et comprenant une première partie présentant des reliefs périodiques d’orientation cristallographique inversée par rapport à la première orientation cristallographique, et une deuxième partie dépourvue de reliefs,According to another aspect, the invention relates to a method of manufacturing a device for generating a signal beam having a signal wavelength between 2 and 15 μm, comprising the steps consisting in: producing a substrate having a first crystallographic orientation and comprising a first part having periodic reliefs of crystallographic orientation reversed with respect to the first crystallographic orientation, and a second part devoid of reliefs,
-réaliser un guide optique à quasi accord de phase multicouches, dénommé guide, par épitaxie desdites couches sur le substrat, le guide comprenant une couche guidante dénommée cœur configurée pour guider un faisceau optique le long d’un axe Z, et au moins une couche de confinement inférieure disposée sous le cœur, les couches du guide comprenant, selon l’axe Z et au-dessus de la première partie, une alternance de premières zones présentant une première orientation cristallographique et de deuxièmes zones présentant une orientation cristallographique inversée par rapport à la première orientation cristallographique,making an optical guide with quasi multilayer phase agreement, called a guide, by epitaxy of said layers on the substrate, the guide comprising a guiding layer called a heart configured to guide an optical beam along a Z axis, and at least one layer of lower confinement arranged under the core, the guide layers comprising, along the Z axis and above the first part, an alternation of first zones having a first crystallographic orientation and second zones having an inverted crystallographic orientation relative to the first crystallographic orientation,
-réaliser une source laser multicouches par épitaxie desdites couches, la source laser étant configurée pour émettre un faisceau pompe présentant une longueur d’onde pompe comprise entre 1.8 et 5 pm, la source laser comprenant une couche active disposée entre au moins une couche de confinement et d’injection supérieure et au moins une couche de confinement et d’injection inférieure, la couche active de la source laser comprenant un premier matériau comprenant de l’antimoniure de gallium ou un de ses alliages, le cœur du guide comprenant un deuxième matériau comprenant de l’antimoniure ou de l’arséniure de gallium ou un de leurs alliages, la source laser et le guide étant couplés de sorte qu’un faisceau pompe issu de la couche active de la source laser soit injecté dans le cœur du guide, les couches de la source laser formant avec les couches du guide et le substrat un bloc cristallin monolithique.making a multilayer laser source by epitaxy of said layers, the laser source being configured to emit a pump beam having a pump wavelength between 1.8 and 5 μm, the laser source comprising an active layer disposed between at least one confinement layer and upper injection and at least one confinement and lower injection layer, the active layer of the laser source comprising a first material comprising gallium antimonide or one of its alloys, the core of the guide comprising a second material comprising gallium antimonide or arsenide or one of their alloys, the laser source and the guide being coupled so that a pump beam from the active layer of the laser source is injected into the core of the guide, the layers of the laser source forming with the layers of the guide and the substrate a monolithic crystalline block.
Selon une première variante les couches de la source laser sont réalisées par épitaxie sur les couches du guide, le procédé comprenant en outre une étape de gravure des couches de la source laser pour définir la source laser au dessus de la partie du guide située au dessus de la deuxième partie.According to a first variant, the layers of the laser source are produced by epitaxy on the layers of the guide, the method further comprising a step of etching the layers of the laser source to define the laser source above the part of the guide located above of the second part.
Selon une deuxième variante l’étape de réalisation des couches du guide est suivie d’une étape de réalisation d’un Caisson par gravure desdites couches du guide situées au dessus de la deuxième partie du substrat. Les couches de la source laser sont réalisées par épitaxie dans ledit caisson et les couches de la source laser sont configurées de sorte que le couplage entre la source laser et le guide soit réalisé par alignement de la couche active et du cœur. Le procédé comprend en outre une étape de retrait des couches épitaxiées excédentaires.According to a second variant, the step of producing the guide layers is followed by a step of making a box by etching said guide layers located above the second part of the substrate. The layers of the laser source are produced by epitaxy in said box and the layers of the laser source are configured so that the coupling between the laser source and the guide is achieved by aligning the active layer and the heart. The method further includes a step of removing excess epitaxial layers.
Selon un mode de réalisation l’étape de réalisation du caisson comprend une étape de réalisation d’un masque et une étape de gravure au travers d’une ouverture du masque.According to one embodiment, the step of producing the box comprises a step of producing a mask and a step of etching through an opening of the mask.
Selon une option l’étape de gravure au travers d’une ouverture du masque est une gravure sèche, le caisson présentant alors des flancs verticaux ou faiblement inclinésAccording to an option, the etching step through an opening of the mask is a dry etching, the box then having vertical or slightly inclined sides
Selon un mode de réalisation le procédé comprend, après l’étape de réalisation du caisson et avant l’étape d’épitaxie des couches de la source laser, une étape de dépôt d’un diélectrique sur les flancs du caisson.According to one embodiment, the method comprises, after the step of making the box and before the step of epitaxy of the layers of the laser source, a step of depositing a dielectric on the sides of the box.
Selon une autre option l’étape de gravure au travers d’une ouverture est réalisée de sorte que le caisson présente des flancs inclinés.According to another option, the etching step through an opening is carried out so that the box has inclined sides.
D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :Other characteristics, objects and advantages of the present invention will appear on reading the detailed description which follows and with reference to the appended drawings given by way of nonlimiting examples and in which:
La figure 1, déjà citée, illustre un réseau non-linéaire artificiel.Figure 1, already cited, illustrates an artificial non-linear network.
La figure 2, déjà citée, donne des exemples de doublets de longueurs d’onde accessibles en fonction de la longueur d’onde de pompe pour l’arséniure de gallium à orientation périodique.FIG. 2, already cited, gives examples of doublets of wavelengths accessible as a function of the pump wavelength for gallium arsenide with periodic orientation.
La figure 3, déjà citée, donne des exemples de doublets de longueurs d’onde accessibles en fonction de la longueur d’onde de pompe pour l’arséniure de gallium à orientation périodique (zoom de la figure 2) et pour le niobate de lithium à polarisation périodique.FIG. 3, already cited, gives examples of doublets of wavelengths accessible as a function of the pump wavelength for gallium arsenide with periodic orientation (zoom of FIG. 2) and for lithium niobate with periodic polarization.
La figure 4, déjà citée, illustre une coupe transverse d’un guide à QAP selon l’état de l’art.Figure 4, already cited, illustrates a cross section of a QAP guide according to the state of the art.
La figure 5, déjà citée, illustre les différentes étapes d’obtention d’une structure QAP à partir d’un substrat germe selon l’état de l’art.FIG. 5, already cited, illustrates the different stages of obtaining a QAP structure from a seed substrate according to the state of the art.
La figure 6 illustre une première variante du dispositif de génération d’un faisceau signal selon l’invention.FIG. 6 illustrates a first variant of the device for generating a signal beam according to the invention.
La figure 7 illustre une deuxième variante du dispositif de génération d’un faisceau signal selon l’invention.FIG. 7 illustrates a second variant of the device for generating a signal beam according to the invention.
La figure 7bis illustre un mode de réalisation du dispositif selon la deuxième variante de l’invention.FIG. 7a illustrates an embodiment of the device according to the second variant of the invention.
La figure 8 illustre un exemple d’empilement pour la réalisation du guide QAPG du dispositif selon l’invention.FIG. 8 illustrates an example of a stack for producing the QAPG guide for the device according to the invention.
La figure 9 illustre les différentes longueurs d’onde signal As accessibles pour une longueur d’onde de pompe λρ de 2 pm ou de 2.2 pm, en fonction de la période A des alternances cristallographiques dans un guide QAPG.FIG. 9 illustrates the different wavelengths of signal As accessible for a pump wavelength λρ of 2 pm or 2.2 pm, as a function of the period A of the crystallographic alternations in a QAPG guide.
La figure 10 illustre le substrat de départ du dispositif selon l’invention, à partir duquel les différentes couches sont épitaxiées.FIG. 10 illustrates the starting substrate of the device according to the invention, from which the different layers are epitaxied.
La figure 11 illustre une solution pour réaliser un couplage par onde évanescente entre la source laser et le guide QAPG de type « taper ».FIG. 11 illustrates a solution for carrying out an evanescent wave coupling between the laser source and the QAPG guide of the “tap” type.
La figure 12 illustre un système selon l’invention comprenant sur un même substrat une pluralité de dispositifs selon la première variante de l’invention.FIG. 12 illustrates a system according to the invention comprising on a same substrate a plurality of devices according to the first variant of the invention.
La figure 13 rappelle les trois modes principaux de génération paramétrique en optique non-linéaire. La figure 13a illustre un fonctionnement OPG pour « Optical Parametric Génération » en anglais, la figure 13b illustre un fonctionnement OPA pour « Optical Parametric Amplifier » en anglais, et la figure 13c illustre un fonctionnement OPO pour «Optical Parametric Oscillator » en anglais.Figure 13 recalls the three main modes of parametric generation in non-linear optics. FIG. 13a illustrates an OPG operation for “Optical Parametric Generation” in English, FIG. 13b illustrates an OPA operation for “Optical Parametric Amplifier” in English, and FIG. 13c illustrates an OPO operation for “Optical Parametric Oscillator” in English.
La figure 14 illustre un dispositif selon la première variante de l’invention en configuration OPG.FIG. 14 illustrates a device according to the first variant of the invention in the OPG configuration.
La figure 15 illustre un dispositif selon la première variante de l’invention en configuration OPA selon une première option préférée.FIG. 15 illustrates a device according to the first variant of the invention in OPA configuration according to a first preferred option.
La figure 16 illustre un dispositif selon la première variante de l’invention en configuration OPA selon une autre option.FIG. 16 illustrates a device according to the first variant of the invention in OPA configuration according to another option.
La figure 17 illustre un dispositif selon la première variante de l’invention en configuration OPO.FIG. 17 illustrates a device according to the first variant of the invention in the OPO configuration.
La figure 18 illustre un dispositif selon le premier mode de réalisation (espace entre source laser et guide QAPG) de la deuxième variante de l’invention en configuration OPG.FIG. 18 illustrates a device according to the first embodiment (space between laser source and QAPG guide) of the second variant of the invention in the OPG configuration.
La figure 19 illustre un dispositif selon le premier mode de réalisation (espace entre source laser et guide QAPG) de la deuxième variante de l’invention en configuration OPA.FIG. 19 illustrates a device according to the first embodiment (space between laser source and QAPG guide) of the second variant of the invention in OPA configuration.
La figure 20 illustre un dispositif selon le premier mode de réalisation (espace entre source laser et guide QAPG) de la deuxième variante de l’invention en configuration OPO.FIG. 20 illustrates a device according to the first embodiment (space between laser source and QAPG guide) of the second variant of the invention in the OPO configuration.
La figure 21 illustre un dispositif selon le deuxième mode de réalisation (continuum entre source laser et guide QAPG) de la deuxième variante de l’invention en configuration OPG.FIG. 21 illustrates a device according to the second embodiment (continuum between laser source and QAPG guide) of the second variant of the invention in the OPG configuration.
La figure 22 illustre un dispositif selon le deuxième mode de réalisation (continuum entre source laser et guide QAPG) de la deuxième variante de l’invention en configuration OPA.FIG. 22 illustrates a device according to the second embodiment (continuum between laser source and QAPG guide) of the second variant of the invention in OPA configuration.
La figure 23 illustre un dispositif selon le deuxième mode de réalisation (continuum entre source laser et guide QAPG) de la deuxième variante de l’invention en configuration OPO.FIG. 23 illustrates a device according to the second embodiment (continuum between laser source and QAPG guide) of the second variant of the invention in the OPO configuration.
La figure 24 illustre un procédé de réalisation d’un dispositif de génération d’un faisceau signal selon un autre aspect de l’invention.FIG. 24 illustrates a method of producing a device for generating a signal beam according to another aspect of the invention.
La figure 25 illustre une première variante du procédé de réalisation d’un dispositif de génération d’un faisceau signal selon un autre aspect de l’invention, correspondant à la réalisation de la première variante du dispositif.FIG. 25 illustrates a first variant of the method for producing a device for generating a signal beam according to another aspect of the invention, corresponding to the production of the first variant of the device.
La figure 26 illustre une deuxième variante du procédé de réalisation d’un dispositif de génération d’un faisceau signal selon un autre aspect de l’invention, correspondant à la réalisation de la deuxième variante du dispositif.FIG. 26 illustrates a second variant of the method for producing a device for generating a signal beam according to another aspect of the invention, corresponding to the embodiment of the second variant of the device.
La figure 27 illustre la réalisation du masque et la gravure au travers de l’ouverture du masque.FIG. 27 illustrates the production of the mask and the etching through the opening of the mask.
La figure 28 illustre un premier mode de réalisation de la deuxième variante du procédé dans lequel le caisson présente des flancs verticaux ou faiblement inclinés.FIG. 28 illustrates a first embodiment of the second variant of the method in which the box has vertical or slightly inclined sides.
La figure 29 illustre un deuxième mode de réalisation de la deuxième variante du procédé dans lequel le caisson présente des flancs inclinés.FIG. 29 illustrates a second embodiment of the second variant of the method in which the box has inclined sides.
La figure 30 illustre la structure obtenue après l’étape d’épitaxie des couches laser, la structure au-dessus du guide étant polycristalline.FIG. 30 illustrates the structure obtained after the epitaxy step of the laser layers, the structure above the guide being polycrystalline.
La figure 31 illustre un mode de réalisation du premier mode de réalisation (flancs verticaux ou faiblement inclinés du caisson) de la deuxième variante du procédé, dans lequel on dépose une couche diélectrique sur les flancs du caisson.FIG. 31 illustrates an embodiment of the first embodiment (vertical or slightly inclined sides of the box) of the second variant of the method, in which a dielectric layer is deposited on the sides of the box.
La figure 32 illustre un exemple de structure obtenue après l’étape de retrait des couches excédentaires.FIG. 32 illustrates an example of a structure obtained after the step of removing the excess layers.
La figure 33 illustre un exemple de structure obtenue après l’étape d’épitaxie de la source laser dans un caisson à flancs inclinés.FIG. 33 illustrates an example of a structure obtained after the epitaxy step of the laser source in a box with inclined sides.
La figure 34 illustre un exemple de structure obtenue après l’étape d’épitaxie de la source laser dans un caisson à flancs inclinés et l’étape de retrait des couches excédentaires.FIG. 34 illustrates an example of a structure obtained after the epitaxy step of the laser source in a box with inclined sides and the step of removing the excess layers.
La figure 35 illustre un dispositif final réalisé selon la deuxième variante du procédé.FIG. 35 illustrates a final device produced according to the second variant of the method.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTIONDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
L’invention tire parti de la technologie récente des guides d’onde à QAP à base d’antimoniure de gallium ou d’un de ses alliages tels que décrits précédemment, et du fait que ce même matériau (ou un de ces alliages) permet également la réalisation de diodes lasers émettant dans une gamme de longueurs d’onde 1.8pm-5pm compatible d’une conversion vers des longueurs d’onde IR supérieures.The invention takes advantage of the recent technology of QAP waveguides based on gallium antimonide or one of its alloys as described above, and the fact that this same material (or one of these alloys) allows also the production of laser diodes emitting in a wavelength range 1.8pm-5pm compatible with conversion to higher IR wavelengths.
Le dispositif 10 selon l’invention, illustré figures 6 et 7, est un dispositif de génération d’un faisceau signal Bs présentant une longueur d’onde signal As comprise entre 2 et 15 pm.The device 10 according to the invention, illustrated in FIGS. 6 and 7, is a device for generating a signal beam Bs having a signal wavelength As of between 2 and 15 μm.
II comprend une source laser LS multicouches configurée pour émettre un faisceau pompe Bp présentant une longueur d’onde pompe λρ comprise entre 1.8 et 5 pm. La source laser LS comprend une couche active AL comprenant un premier matériau M1 et disposée entre au moins une couche de confinement et d’injection supérieure Clsup et au moins une couche de confinement et d’injection inférieure Clinf. La source laser est pompée électriquement.It comprises a multilayer LS laser source configured to emit a pump beam Bp having a pump wavelength λρ of between 1.8 and 5 μm. The laser source LS comprises an active layer AL comprising a first material M1 and arranged between at least one upper confinement and injection layer Clsup and at least one lower confinement and injection layer Clinf. The laser source is electrically pumped.
Les deux fonctionnalités, injection de porteurs et confinement optique, peuvent être réalisées par une seule couche (une de chaque côté). Plus classiquement chaque fonctionnalité nécessite au moins une couche spécifique, soit une couche d’injection et une couche de confinement supérieures, soit une couche d’injection et une couche de confinement inférieures.The two functions, carrier injection and optical confinement, can be achieved by a single layer (one on each side). More conventionally, each functionality requires at least one specific layer, either an injection layer and an upper confinement layer, or an injection layer and a lower confinement layer.
Le dispositif comprend également un guide d’onde optique multicouches à quasi accord de phase QAPG, dénommé guide dans la suite de l’exposé. Le guide comprend une couche guidante GL dénommée cœur comprenant un deuxième matériau M2 et configurée pour guider un faisceau optique le long d’un axe Z.The device also includes a QAPG quasi-phase multilayer optical waveguide, referred to as a guide in the following description. The guide comprises a guiding layer GL called the core comprising a second material M2 and configured to guide an optical beam along an axis Z.
Le guide comprend également au moins une couche de confinement inférieure Cinf disposée sous le cœur. Une couche de confinement supérieure n’est pas nécessaire, le guidage pouvant être réalisé par l’air.The guide also includes at least one lower confining layer Cinf disposed under the heart. An upper confinement layer is not necessary, since guidance can be achieved by air.
La couche active AL et le cœur GL sont spatialement séparés.The active layer AL and the core GL are spatially separated.
La source laser LS et le guide QAPG sont couplés de sorte que le faisceau pompe Bp issu de la couche active AL de la source laser LS soit injecté dans le cœur GL du guide QAPG. Différents modes de couplage sont possibles et décrits plus loin.The laser source LS and the guide QAPG are coupled so that the pump beam Bp coming from the active layer AL of the laser source LS is injected into the heart GL of the guide QAPG. Different coupling modes are possible and described below.
Les couches du guide sont réalisées par épitaxie sur un substrat Sub et comprennent selon l’axe Z une alternance de premières zones Zi présentant une première orientation cristallographique et de deuxièmes zones Z^ présentant une orientation cristallographique inversée par rapport à la première orientation cristallographique, de manière à réaliser un transfert d’énergie du faisceau pompe Bp vers le faisceau signal Bs et un faisceau complémentaire par quasi accord de phase QAP.The guide layers are produced by epitaxy on a Sub substrate and comprise along the Z axis an alternation of first zones Zi having a first crystallographic orientation and second zones Z ^ having an inverted crystallographic orientation with respect to the first crystallographic orientation, so as to transfer energy from the pump beam Bp to the signal beam Bs and a complementary beam by quasi phase agreement QAP.
En outre les couches de la source laser sont également réalisées par épitaxie, formant ainsi avec les couches du guide et le substrat Sub un bloc cristallin monolithique.In addition, the layers of the laser source are also produced by epitaxy, thus forming with the guide layers and the Sub substrate a monolithic crystalline block.
La figure 6 décrit une première variante du dispositif 10 selon l’invention selon laquelle les couches de la source laser LS sont épitaxiées sur les couches du guide, le couplage entre la source laser et le guide étant réalisé par ondes évanescentes.FIG. 6 describes a first variant of the device 10 according to the invention according to which the layers of the laser source LS are epitaxied on the layers of the guide, the coupling between the laser source and the guide being produced by evanescent waves.
Ce sont donc ici les couches du guide qui constituent le substrat sur lequel sont épitaxiées les couches de la source laser.It is therefore here the guide layers which constitute the substrate on which the layers of the laser source are epitaxied.
Le faisceau pompe Bp issu de la couche active AL est couplé par ondes évanescentes dans le cœur GL du guide, et dans le guide s’opère le transfert d’énergie permettant de générer le faisceau signal Bs. Le faisceau complémentaire également généré n’est pas représenté figure 6.The pump beam Bp from the active layer AL is coupled by evanescent waves in the heart GL of the guide, and in the guide takes place the energy transfer allowing the signal beam Bs to be generated. The complementary beam also generated is not not shown in Figure 6.
Selon un mode de réalisation les couches du guide présentent une partie sans alternances d’inversion cristallographique. Préférentiellement les couches de la source laser LS sont épitaxiées sur cette partie. La fabrication de la source laser sur une zone du substrat exempte d’alternances cristallographiques et de relief résiduel supprime les problèmes induits par les défauts lors de la croissance des couches.According to one embodiment, the guide layers have a portion without alternations of crystallographic inversion. Preferably, the layers of the laser source LS are epitaxied on this part. The manufacture of the laser source on an area of the substrate free of alternations in crystallography and residual relief eliminates the problems induced by the defects during the growth of the layers.
La figure 7 décrit une deuxième variante du dispositif 10 selon l’invention selon laquelle les couches de la source laser LS sont réalisées par épitaxie sur une partie du substrat ne comprenant pas de couches du guide. Le couplage entre la source laser et le guide est réalisé de manière directe par alignement de la couche active AL et du cœur GL.FIG. 7 describes a second variant of the device 10 according to the invention according to which the layers of the laser source LS are produced by epitaxy on a part of the substrate not comprising layers of the guide. The coupling between the laser source and the guide is carried out directly by aligning the active layer AL and the core GL.
Le guide et la source laser partagent ici le même substrat Sub.The guide and the laser source here share the same Sub substrate.
Le faisceau pompe Bp issu de la couche active AL est couplé directement dans le cœur GL du guide, et dans le guide s’opère le transfert d’énergie permettant de générer le faisceau signal Bs. Le faisceau complémentaire également généré n’est pas représenté figure 7.The pump beam Bp from the active layer AL is coupled directly into the core GL of the guide, and in the guide takes place the energy transfer allowing the signal beam Bs to be generated. The complementary beam also generated is not shown figure 7.
Le couplage direct peut s’opérer selon différents modes de réalisation décrits plus loin.The direct coupling can take place according to different embodiments described below.
La figure 7bis illustre un mode de réalisation de cette deuxième variante dans lequel les couches du guide présentent une partie sans alternance cristallographique, et les couches de la source laser sont réalisées par épitaxie dans un caisson Caiss creusé jusqu’au substrat dans cette partie des couches du guide sans alternance cristallographique (voir plus loin dans la partie procédé).FIG. 7a illustrates an embodiment of this second variant in which the layers of the guide have a part without crystallographic alternation, and the layers of the laser source are produced by epitaxy in a Caisson box hollowed out up to the substrate in this part of the layers of the guide without alternating crystallography (see further in the process section).
Le fait que les couches soient réalisées par épitaxie induit des caractéristiques structurelles spécifiques, permettant la réalisation d’un dispositif 10 monolithique.The fact that the layers are produced by epitaxy induces specific structural characteristics, allowing the production of a monolithic device.
L’épitaxie est une méthode pour faire croître un cristal en déposant des atomes des éléments chimiques du cristal à réaliser sur la surface d'un substrat monocristallin, choisi de façon à avoir des paramètres de maille proches de ceux du cristal que l’on souhaite déposer. Le cristal se forme progressivement à partir du substrat. Typiquement une méthode d’épitaxie est la MBE (Molecular Beam Epitaxy en anglais) ou la MOVPE (Métal Organic Vapor Phase Epitaxy en anglais).Epitaxy is a method for growing a crystal by depositing atoms of the chemical elements of the crystal to be produced on the surface of a monocrystalline substrate, chosen so as to have lattice parameters close to those of the desired crystal drop. The crystal gradually forms from the substrate. Typically an epitaxy method is MBE (Molecular Beam Epitaxy in English) or MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy in English).
L’épitaxie permet de déposer des couches minces cristallines les unes sur les autres, la maille cristalline d’une couche supérieure étant en quasi accord avec la maille cristalline de la couche inférieure. Les empilements de couches minces épitaxiales forment ainsi un quasi continuum. Cette structure ne peut pas être obtenue par d’autres méthodes de dépôts qui ont pour résultat une structure du matériau déposé en grains et non pas continue ou quasi continue.Epitaxy allows thin crystalline layers to be deposited on top of each other, the crystalline mesh of an upper layer being almost in agreement with the crystalline mesh of the lower layer. The stacks of thin epitaxial layers thus form a quasi-continuum. This structure cannot be obtained by other deposition methods which result in a structure of the material deposited in grains and not continuous or almost continuous.
Les couches minces ont typiquement une épaisseur allant de quelques nanomètres à quelques microns. On distingue l'homo-épitaxie, qui consiste à faire croître un cristal sur un substrat de nature chimique identique (par exemple GaSb sur GaSb), et l'hétéro-épitaxie, dans laquelle le cristal et le substrat sont de natures chimiques différentes (par exemple GaSb sur GaAs).Thin layers typically have a thickness ranging from a few nanometers to a few microns. We distinguish homo-epitaxy, which consists in growing a crystal on a substrate of identical chemical nature (for example GaSb on GaSb), and hetero-epitaxy, in which the crystal and the substrate are of different chemical natures ( for example GaSb on GaAs).
On choisit les différents matériaux des couches du dispositif 10 selon l’invention afin de pouvoir réaliser la croissance épitaxiale. La plateforme semi-conductrice utilisée pour le guide doit être compatible avec la croissance d’une source laser appropriée.The different materials of the layers of the device 10 according to the invention are chosen in order to be able to achieve epitaxial growth. The semiconductor platform used for the guide must be compatible with the growth of an appropriate laser source.
Le premier matériau M1 de la couche active AL de la source laser LS comprend de l’antimoniure de gallium GaSb ou un de ses alliages. Le deuxième matériau M2 du cœur du guide à QAPG comprend de l’antimoniure ou de l’arséniure de gallium GaSb, GaAs ou un de leurs alliages.The first material M1 of the active layer AL of the laser source LS comprises gallium antimonide GaSb or one of its alloys. The second material M2 of the guide core at QAPG includes antimony or gallium arsenide GaSb, GaAs or one of their alloys.
Préférentiellement le guide QAPG comprend de l’antimoniure de gallium GaSb (ou un de ses alliages), qui présente une susceptibilité non-linéaire d’ordre 2 qui est 50% supérieure à celle du GaAs et est transparent de 2 à 20 pm. Dans ce cas la source laser et le guide sont tous deux à base de GaSb (ou d’un alliage de celui-ci).Preferably, the QAPG guide comprises gallium antimonide GaSb (or one of its alloys), which has a non-linear susceptibility of order 2 which is 50% greater than that of GaAs and is transparent from 2 to 20 μm. In this case, the laser source and the guide are both based on GaSb (or an alloy thereof).
Les matériaux des couches de confinement et d’injection de la source laser sont adaptés en fonction du matériau M1 constituant AL.The materials of the confinement and injection layers of the laser source are adapted according to the material M1 constituting AL.
Le matériau de l’au moins une couche de confinement du guide QAPG est adapté en fonction du matériau M2 constituant le cœur GL.The material of the at least one confinement layer of the QAPG guide is adapted as a function of the material M2 constituting the core GL.
Le dispositif 10 selon l’invention est un composant monolithique constituant une source cohérente de photons moyen IR compacte. II combine les propriétés d’une source laser de pompage à alimentation électrique réalisée à partir d’antimoniure de gallium et de ses alliages et d’un convertisseur QAPG de la longueur d’onde de cette source, fonctionnant en configuration guidée et sur le principe du quasi-accord de phase, et réalisé à partir de matériaux comme l’arséniure ou l’antimoniure de gallium et leurs alliages. II présente un grand nombre de longueurs d’onde signal accessibles, et peut donc être utilisé dans un grand nombre d’applications, en particulier celles qui exploitent les propriétés spectroscopiques de la région dite d’empreintes digitales de l’infrarouge.The device 10 according to the invention is a monolithic component constituting a coherent source of compact IR medium photons. It combines the properties of a pumping laser source with electrical power produced from gallium antimonide and its alloys and a QAPG converter of the wavelength of this source, operating in guided configuration and in principle almost phase agreement, and made from materials such as arsenide or gallium antimonide and their alloys. It has a large number of accessible signal wavelengths, and can therefore be used in a large number of applications, in particular those which exploit the spectroscopic properties of the so-called infrared fingerprint region.
Conçu et réalisé par croissance épitaxiale le dispositif 10 monolithique selon l’invention offre un couplage meilleur et plus simple entre une source laser de pompage et un guide d’onde non-linéaire à QAP, ce qui permet une efficacité énergétique améliorée. Par ailleurs sa réalisation est compatible avec une fabrication collective par des techniques éprouvées, et donc à moindre coût.Designed and produced by epitaxial growth, the monolithic device 10 according to the invention offers a better and simpler coupling between a pumping laser source and a non-linear QAP waveguide, which allows improved energy efficiency. Furthermore, its production is compatible with collective production by proven techniques, and therefore at lower cost.
Selon un mode de réalisation le matériau M1 et/ou le matériau M2 du guideAccording to one embodiment, the material M1 and / or the material M2 of the guide
QAPG comprend (comprennent) un alliage quaternaire d’antimoniure de gallium de formule chimique GaXAsSb, l’élément X étant choisi parmi l’Aluminium ou l’indium afin d'ajuster l'indice et le gap de l'alliage selon la fonction à remplir.QAPG comprises (comprise) a quaternary alloy of gallium antimonide of chemical formula GaXAsSb, the element X being chosen from Aluminum or indium in order to adjust the index and the gap of the alloy according to the function to fill.
Pour la source, un alliage quaternaire est préféré pour avoir différentes largeurs de bande interdite, et donc pouvoir réaliser une hétéro-structure à confinement séparé.For the source, a quaternary alloy is preferred for having different bandgap widths, and therefore being able to produce a hetero-structure with separate confinement.
Pour le guide, un matériau binaire est préféré pour sa qualité intrinsèquement supérieure à celle des alliages ternaires ou quaternaires. Pour une approche de type « Taper » un alliage ternaire ou quaternaire est nécessaire afin de modifier l’indice optique et donc le confinement, et de réaliser un couplage par ondes évanescentes.For the guide, a binary material is preferred for its intrinsically superior quality than that of ternary or quaternary alloys. For a “Taper” type approach, a ternary or quaternary alloy is necessary in order to modify the optical index and therefore the confinement, and to perform coupling by evanescent waves.
Selon un mode de réalisation le substrat est de l’arséniure de gallium GaAs. Avec un substrat en GaAs, le guide QAPG présentant un matériau M2 à base de GaSb ou un de ses alliages est donc hétéroépitaxié sur le substrat GaAs.According to one embodiment, the substrate is gallium arsenide GaAs. With a GaAs substrate, the QAPG guide having an M2 material based on GaSb or one of its alloys is therefore heteroepitaxied on the GaAs substrate.
Selon un autre mode de réalisation le substrat est de l’antimoniure de gallium GaSb. Avec un substrat en GaSb, le guide QAPG présentant un matériau M2 à base de GaSb ou un de ses alliages est donc homoépitaxié sur le substrat GaSb, ce qui permet d'éviter les défauts structuraux et les contraintes générés en hétéroépitaxié du fait du désaccord de paramètre de maille entre GaSb et GaAs.According to another embodiment, the substrate is gallium antimonide GaSb. With a GaSb substrate, the QAPG guide having an M2 material based on GaSb or one of its alloys is therefore homoepitaxied on the GaSb substrate, which makes it possible to avoid structural defects and the stresses generated in heteroepitaxial due to the mismatch of mesh parameter between GaSb and GaAs.
Un exemple d’empilement pour la réalisation du QAPG est illustré figure 8. Le matériau M2 du cœur est du GaSb dopé N à environ 1016 cm-3, et le QAPG comprend deux couches de confinement inférieures Cinf 1 et Cinf2 en alliage AIGaAsSb, sur un substrat Sub en GaSb dopé N. Cette structure est compatible avec la croissance par homo-épitaxie d’une source laser à base de GaSb ou d’un alliage, soit sur le cœur du guide (sans alternances) en GaSb (première variante décrite figure 6), soit sur le substrat lui-même également en GaSb (deuxième variante décrite figure 7).An example of a stack for making the QAPG is illustrated in FIG. 8. The material M2 of the core is GaSb doped N at approximately 10 16 cm -3 , and the QAPG comprises two lower confinement layers Cinf 1 and Cinf2 made of AIGaAsSb alloy, on a Sub substrate in GaSb doped N. This structure is compatible with the growth by homo-epitaxy of a laser source based on GaSb or an alloy, or on the core of the guide (without alternations) in GaSb (first variant described in Figure 6), or on the substrate itself also in GaSb (second variant described in Figure 7).
La figure 9 illustre les différentes longueurs d’onde signal As accessibles pour une longueur d’onde de pompe Ap de 2 pm ou de 2.2 pm, en fonction de la période A des alternances cristallographiques.FIG. 9 illustrates the different signal wavelengths As accessible for a pump wavelength Ap of 2 μm or 2.2 μm, as a function of the period A of the crystallographic alternations.
Préférentiellement les couches de la source laser AL, Clinf, Clsup, les couches du guide dans les premières zones Zi et le substrat Sub présentent une orientation cristallographique [1,0,0], et les couches du guide dans les deuxièmes zones Z.i présentent une orientation cristallographique [-1,0,0] ou inversement.Preferably, the layers of the laser source AL, Clinf, Clsup, the guide layers in the first zones Zi and the Sub substrate have a crystallographic orientation [1,0,0], and the guide layers in the second zones Zi have a crystallographic orientation [-1,0,0] or vice versa.
Le substrat de départ Sub du dispositif 10 à partir duquel les différentes couches sont épitaxiées est illustré figure 10. Une première partie P1 correspond au substrat SubG tel qu’illustré figure 5d, avec un substrat d’orientation [1,0,0] sur lequel on a des reliefs en orientation [-1, 0,0], II s’agit par exemple d’un OP-GaAs (« Orientation Patterned », voir plus haut) ou d’un OP-GaSb. Une deuxième partie P2 correspond au substrat dépourvu de reliefs.The starting substrate Sub of the device 10 from which the different layers are epitaxied is illustrated in FIG. 10. A first part P1 corresponds to the substrate SubG as illustrated in FIG. 5d, with an orientation substrate [1,0,0] on which has reliefs in orientation [-1, 0.0], It is for example an OP-GaAs (“Orientation Patterned”, see above) or an OP-GaSb. A second part P2 corresponds to the substrate devoid of reliefs.
Le substrat Sub de départ peut être semi-isolant ou dopé selon les choix de conception des structures pompées électriquement.The starting Sub substrate can be semi-insulating or doped according to the design choices of the electrically pumped structures.
Lorsque le substrat est isolant, on est obligé de prendre les contacts du laser en face avant, ce qui n’est pas le cas lorsque le substrat Sub est dopé, le contact pouvant être pris sur la face arrière du substrat.When the substrate is insulating, it is necessary to make the contacts of the laser on the front face, which is not the case when the Sub substrate is doped, contact can be made on the rear face of the substrate.
Les reprises d’épitaxie nécessaires à la réalisation d’un dispositif selon l’invention sont effectuées dans des conditions qui préservent l’orientation cristalline du substrat de départ. II peut s’agir, comme expliqué plus haut, d’homo-épitaxie ou d’hétéro-épitaxie.The epitaxy repeats necessary for the production of a device according to the invention are carried out under conditions which preserve the crystalline orientation of the starting substrate. It can be, as explained above, homo-epitaxy or hetero-epitaxy.
Les couches du guide sont d’abord épitaxiées sur ce substrat et présenteront une partie sans alternance et une partie avec alternance d’orientation cristallographique.The guide layers are first epitaxial on this substrate and will have a part without alternation and a part with alternation of crystallographic orientation.
Ultérieurement la source laser est épitaxiée soit sur la partie des couches du guide dépourvues d’alternance (première variante illustrée figure 6) soit directement sur la partie du substrat sans alternance, les couches du guide ayant été préalablement enlevées (deuxième variante illustrée figure 7).Subsequently, the laser source is epitaxied either on the part of the guide layers without alternation (first variant illustrated in FIG. 6) or directly on the part of the substrate without alternation, the guide layers having been previously removed (second variant illustrated in FIG. 7) .
Les différentes variantes du procédé de réalisation du dispositif selon l’invention sont décrites plus loin.The different variants of the method for producing the device according to the invention are described below.
Selon un mode de réalisation la couche active AL de la source laser comprend des multi-puits quantiques MPQ (MQW en anglais pour Multi Quantum Well) à base dudit alliage quaternaire d’antimoniure de gallium de formule chimique GaXAsSb, l’élément X étant choisi parmi Aluminium (Al) ou Indium (In). Les lasers à MPQ ont des densités de courant de seuil plus faibles que celles des diodes lasers standards.According to one embodiment, the active layer AL of the laser source comprises multi-quantum wells MPQ (MQW in English for Multi Quantum Well) based on said quaternary alloy of gallium antimonide of chemical formula GaXAsSb, element X being chosen from Aluminum (Al) or Indium (In). MPQ lasers have lower threshold current densities than standard laser diodes.
Préférentiellement la source laser multicouches est choisie parmi une diode laser, un laser à cascade inter-bandes, un laser à cascade quantique.Preferably, the multilayer laser source is chosen from a laser diode, an inter-band cascade laser and a quantum cascade laser.
Selon un mode de réalisation le guide comprend au moins une couche disposée du côté du cœur GL opposé au substrat, la couche la plus éloignée du cœur du côté opposé au substrat étant dénommée couche supérieure Csup. Cette (ou ces) couche(s) supérieure(s) peut (peuvent) être une couche optique de confinement. En outre lorsque le cœur est un alliage quaternaire avec de l’aluminium, il est nécessaire d’encapsuler celui-ci afin d’éviter tout contact avec l’air.According to one embodiment, the guide comprises at least one layer disposed on the side of the heart GL opposite the substrate, the layer furthest from the heart on the side opposite the substrate being called the upper layer Csup. This (or these) upper layer (s) can be an optical confinement layer. Furthermore, when the core is a quaternary alloy with aluminum, it is necessary to encapsulate the latter in order to avoid contact with the air.
Une première solution pour effectuer le couplage par ondes évanescentes de la première variante consiste à utiliser un simple couplage entre un guide d’onde supérieur (source laser de pompe) et le guide non-linéaire à QAP. Ce couplage est conçu de façon à maximiser le transfert de puissance de pompe au bout d’une distance compatible avec les longueurs typiques de zones actives des diodes laser.A first solution for coupling the evanescent waves of the first variant consists in using a simple coupling between an upper waveguide (pump laser source) and the non-linear QAP guide. This coupling is designed to maximize the transfer of pump power after a distance compatible with the typical lengths of active areas of the laser diodes.
Une seconde solution de couplage par ondes évanescentes, schématisée sur la figure 11, utilise une approche de type «taper» en anglais, plus robuste du point de vue de la sensibilité aux écarts liés à la technologie.A second coupling solution using evanescent waves, shown diagrammatically in FIG. 11, uses a “type” approach in English, more robust from the point of view of sensitivity to deviations linked to technology.
Dans cette approche, l’indice effectif du guide d’onde supérieur (source laser de pompe LS) est progressivement diminué en changeant sa géométrie (extrémité en forme de pointe) de façon à le rendre finalement inférieur à l’indice effectif du guide non-linéaire à QAP, ce qui permet de transférer la puissance optique de pompe, en allant de la région A vers la région C, très majoritairement depuis le guide laser LS vers le guide QAPG.In this approach, the effective index of the upper waveguide (LS pump laser source) is progressively reduced by changing its geometry (tip-shaped end) so as to make it ultimately lower than the effective index of the non-waveguide. -linear to QAP, which makes it possible to transfer the optical power of the pump, going from region A to region C, most of the time from the laser guide LS to the guide QAPG.
La condition principale pour assurer un transfert efficace est que l’indice effectif du guide laser, de l’ordre de 3,79 pour une diode laser en matériaux antimoniures optimisée à 2 pm, soit suffisamment supérieur à celui du guide à QAP. Ceci interdit l’utilisation d’un cœur en GaSb. Le guide à QAP peut alors être réalisé en matériaux quaternaires GaXAsSb, en matériaux ternaires GaXSb avec X choisi parmi Al ou In, ou en GaAs/GaAlAs.The main condition for ensuring efficient transfer is that the effective index of the laser guide, of the order of 3.79 for a laser diode made of antimony materials optimized at 2 pm, is sufficiently greater than that of the guide to QAP. This prohibits the use of a GaSb core. The guide to QAP can then be produced in quaternary materials GaXAsSb, in ternary materials GaXSb with X chosen from Al or In, or in GaAs / GaAlAs.
Un avantage de la première variante est que, la source laser étant épitaxiée sur le guide, l’ensemble du dispositif 10 peut être réalisé en une seule épitaxie.An advantage of the first variant is that, the laser source being epitaxial on the guide, the entire device 10 can be produced in a single epitaxy.
A la suite des étapes de fabrication collectives, des composants individuels sont obtenus par clivage des facettes.Following the collective manufacturing steps, individual components are obtained by cleavage of the facets.
II est possible de tirer parti de la nature bi-couche du dispositif selon l’invention selon la première variante pour intégrer des fonctions plus complexes.It is possible to take advantage of the two-layer nature of the device according to the invention according to the first variant to integrate more complex functions.
Selon un mode de réalisation, le dispositif 10 comprend une pluralité de sources lasers présentant des longueurs d’onde de pompe sensiblement identiques, et un premier combineur configuré pour combiner l’ensemble des faisceaux pompe issus des différentes sources lasers dans un faisceau pompe unique, qui est injecté dans un même guide à QAP.According to one embodiment, the device 10 comprises a plurality of laser sources having substantially identical pump wavelengths, and a first combiner configured to combine all of the pump beams coming from the different laser sources in a single pump beam, which is injected into the same guide at QAP.
Le caractère bi-couche du dispositif selon la première variante rend également possible la combinaison des longueurs d’onde signal produites dans plusieurs convertisseurs de longueur d’onde pompés électriquement vers un unique guide d’onde moyen-infrarouge. Ainsi selon un mode de réalisation illustré figure 12 l’invention concerne un système 100 comprenant sur le même substrat une pluralité de dispositifs 10-1, 10-2,... selon la première variante, chaque dispositif étant configuré pour générer un faisceau signal Bs1, Bs2,... de longueur d’onde signal associée As1, As2,... et comprenant un deuxième combineur Comb2 configuré pour combiner l’ensemble des faisceaux signal dans un faisceau unique.The dual-layer nature of the device according to the first variant also makes it possible to combine the signal wavelengths produced in several wavelength converters electrically pumped to a single medium-infrared waveguide. Thus according to an embodiment illustrated in Figure 12 the invention relates to a system 100 comprising on the same substrate a plurality of devices 10-1, 10-2, ... according to the first variant, each device being configured to generate a signal beam Bs1, Bs2, ... of associated signal wavelength As1, As2, ... and comprising a second Comb2 combiner configured to combine all of the signal beams in a single beam.
La deuxième variante du dispositif 10 illustrée figure 7 consiste en une intégration co-planaire de la source laser de pompage et du guide, couplés par couplage direct. Ce couplage direct consiste à aligner le mode du guide àThe second variant of the device 10 illustrated in FIG. 7 consists of a co-planar integration of the pumping laser source and the guide, coupled by direct coupling. This direct coupling consists in aligning the mode of the guide to
QAP avec le mode du guide actif de la source laser dans la structure, en optimisant le recouvrement entre les deux.QAP with the active guide mode of the laser source in the structure, optimizing the overlap between the two.
La source laser est épitaxiée dans un caisson dans un second temps, après épitaxie du guide QAPG et gravure du caisson, dans des conditions qui permettent le couplage bout-à-bout avec le guide.The laser source is epitaxied in a box in a second step, after epitaxy of the QAPG guide and etching of the box, under conditions which allow the end-to-end coupling with the guide.
Pour la réalisation d’un dispositif illustré figure 7, deux épitaxies sont donc nécessaires : la première réalise les couches nécessaires au guide d’onde à QAP, la seconde a lieu dans un caisson gravé dans lequel sont épitaxiées les couches nécessaires à la source laser.For the production of a device illustrated in FIG. 7, two epitaxies are therefore necessary: the first produces the layers necessary for the waveguide at QAP, the second takes place in an etched box in which the layers necessary for the laser source are epitaxied. .
L’exemple de guide QAPG tel que décrit figure 8 est compatible de cette deuxième variante.The example of QAPG guide as described in FIG. 8 is compatible with this second variant.
Concernant la morphologie des caissons, selon un premier mode de réalisation ils sont à flancs droits, et selon un deuxième mode de réalisation ils sont inclinés pour faciliter la deuxième reprise d’épitaxie (voir plus loin).Concerning the morphology of the caissons, according to a first embodiment they are with straight sides, and according to a second embodiment they are inclined to facilitate the second resumption of epitaxy (see below).
Cette deuxième variante de configuration du dispositif selon l’invention offre, en supplément à ceux de la première variante, plusieurs avantages :This second variant configuration of the device according to the invention offers, in addition to those of the first variant, several advantages:
-Un plus grand choix de paramètres de conception de la source laser est offert, en particulier en ce qui concerne la prise de contacts électriques, puisqu’elle n’est plus contrainte par les étapes de conception des coupleurs évanescents.- A greater choice of design parameters for the laser source is offered, in particular with regard to making electrical contacts, since it is no longer constrained by the design stages of the evanescent couplers.
-Le couplage direct du guide actif de la diode vers le guide à QAP est plus aisé que le couplage évanescent de la première variante, et potentiellement moins sensible aux variations de la longueur d’onde de pompage.-The direct coupling of the active guide from the diode to the QAP guide is easier than the evanescent coupling of the first variant, and potentially less sensitive to variations in the pumping wavelength.
La forme des caissons induit des caractéristiques structurelles du dispositif selon l’invention selon la deuxième variante.The shape of the boxes induces structural characteristics of the device according to the invention according to the second variant.
Selon le premier mode de réalisation le caisson est à flancs droits. Typiquement il existe un espace entre la source laser et le guide, cet espace étant au moins partiellement rempli d’un matériau diélectrique matD (voir plus loin figures 18 à 20).According to the first embodiment, the box is on straight sides. Typically there is a space between the laser source and the guide, this space being at least partially filled with a dielectric material matD (see Figures 18 to 20 below).
Selon le deuxième mode de réalisation avec caisson incliné, une variante préférée est que les couches de la source laser et les couches du guide forment un continuum, la cavité de la source laser s’étendant alors entre les deux extrémités du continuum (voir plus loin figures 21 à 23).According to the second embodiment with an inclined box, a preferred variant is that the layers of the laser source and the layers of the guide form a continuum, the cavity of the laser source then extending between the two ends of the continuum (see below). Figures 21 to 23).
Le caractère monolithique du dispositif 10 selon l’invention permet en outre la génération paramétrique du faisceau signal Bs selon différentes architectures du point de vue de l’optique non-linéaire, pour conduire à des sources compétitives dans le moyen-infrarouge.The monolithic nature of the device 10 according to the invention also allows the parametric generation of the signal beam Bs according to different architectures from the point of view of non-linear optics, to lead to competitive sources in the mid-infrared.
On rappelle sur la figure 13 les trois modes principaux de génération paramétrique par un composant 90 en optique non-linéaire.FIG. 13 shows the three main modes of parametric generation by a component 90 in non-linear optics.
La figure 13a illustre un fonctionnement OPG pour « Optical Parametric Génération » en anglais tel que décrit et illustré figure 1, sans rétroaction.FIG. 13a illustrates an OPG operation for “Optical Parametric Generation” in English as described and illustrated in FIG. 1, without feedback.
La figure 13b illustre un fonctionnement OPA pour «Optical Parametric Amplifier » en anglais, dans lequel une diode laser signal DLs fournit un faisceau à la fréquence signal qui est amplifié dans le composant 90, sans rétroaction.FIG. 13b illustrates an OPA operation for “Optical Parametric Amplifier” in English, in which a laser diode signal DLs supplies a beam at the signal frequency which is amplified in the component 90, without feedback.
La figure 13c illustre un fonctionnement OPO pour «Optical Parametric Oscillator » en anglais, dans lequel le composant 90 est disposé dans une cavité oscillante pour la longueur d’onde signal As, permettant un effet résonnant à cette longueur d’onde (avec rétroaction).FIG. 13c illustrates an OPO operation for “Optical Parametric Oscillator” in English, in which the component 90 is placed in an oscillating cavity for the wavelength signal As, allowing a resonant effect at this wavelength (with feedback) .
A la suite des étapes de fabrication collectives, des composants individuels selon l’invention sont obtenus par clivage des facettes et optimisés pour un fonctionnement OPG, OPA ou OPO. Dans les figures qui suivent le guide QAPG comprend une couche additionnelle Csup au-dessus du cœur, pouvant réaliser différentes fonctionnalités (voir plus haut).Following the collective manufacturing steps, individual components according to the invention are obtained by cleavage of the facets and optimized for OPG, OPA or OPO operation. In the figures that follow, the QAPG guide includes an additional layer Csup above the core, which can perform various functions (see above).
Les figures 14 à 17 illustrent un dispositif selon la première variante de l’invention dans les différentes configurations optiques précitées. La source laser LS présente des facettes traitées haute réflexion pour la longueur d’onde de pompe.Figures 14 to 17 illustrate a device according to the first variant of the invention in the various optical configurations mentioned above. The LS laser source has facets treated with high reflection for the pump wavelength.
La figure 14 illustre la configuration OPG telle que décrite figure 6.Figure 14 illustrates the OPG configuration as described in Figure 6.
Les figures 15 et 16 illustrent la configuration OPA dans laquelle le dispositif 10 comprend en outre une première diode laser signal DL1s configurée pour émettre le faisceau signal Bs et pour l’injecter dans le cœur du guide GL, le guide opérant alors comme un amplificateur du faisceau signal injecté.FIGS. 15 and 16 illustrate the configuration OPA in which the device 10 further comprises a first signal laser diode DL1s configured to emit the signal beam Bs and to inject it into the heart of the guide GL, the guide then operating as an amplifier of the signal beam injected.
La figure 15 illustre une première variante préférée dans laquelle la première diode laser signal DL1s est épitaxiée sur une partie de la couche supérieure du guide ne comprenant pas d’alternances d’inversion cristallographique. Le couplage entre la première source laser signal DL1s et le guide est réalisé par ondes évanescentes.FIG. 15 illustrates a first preferred variant in which the first DL1s signal laser diode is epitaxied on a part of the upper layer of the guide not comprising alternations of crystallographic inversion. The coupling between the first DL1s signal laser source and the guide is carried out by evanescent waves.
La figure 16 illustre une autre variante dans laquelle la source DL1s ne fait pas partie du bloc monolithique et est disposée à l’extérieur.FIG. 16 illustrates another variant in which the source DL1s is not part of the monolithic block and is arranged outside.
La figure 17 illustre la configuration OPO dans laquelle la facette respective de chaque extrémité des couches du guide présente un traitement réfléchissant configuré pour réfléchir au moins partiellement la longueur d’onde signal As de manière à réaliser une cavité amplificatrice pour cette longueur d’onde signal.FIG. 17 illustrates the configuration OPO in which the respective facet of each end of the layers of the guide has a reflecting treatment configured to at least partially reflect the signal wavelength As so as to produce an amplifying cavity for this signal wavelength .
La facette côté opposé à la sortie de Bs présente un traitement hautement réfléchissant HR1 tandis que la facette côté sortie de Bs présente un traitement partiellement réfléchissant pour laisser sortir une fraction du faisceau signal.The facet on the side opposite the exit of Bs has a highly reflective treatment HR1 while the facet on the exit side of Bs has a partially reflective treatment to let out a fraction of the signal beam.
Les figures 18 à 20 illustrent un dispositif selon le premier mode de réalisation (avec espace entre LS et QAPG) de la deuxième variante de l’invention (intégration coplanaire), dans les différentes configurations optiques précitées. La source laser LS présente des facettes traitées haute réflexion pour la longueur d’onde de pompe.Figures 18 to 20 illustrate a device according to the first embodiment (with space between LS and QAPG) of the second variant of the invention (coplanar integration), in the different optical configurations mentioned above. The LS laser source has facets treated with high reflection for the pump wavelength.
La figure 18 illustre la configuration OPG, l’espace entre la source laser LS et le guide QAPG est au moins partiellement rempli avec un matériau diélectrique MatD.FIG. 18 illustrates the OPG configuration, the space between the laser source LS and the guide QAPG is at least partially filled with a dielectric material MatD.
La figure 19 illustre la configuration OPA, dans laquelle le dispositif 10 comprend en outre une deuxième diode laser signal DL2s configurée pour émettre le faisceau signal Bs et pour l’injecter dans le cœur du guide, le guide opérant alors comme un amplificateur du faisceau signal injecté. La deuxième diode laser signal DL2s est épitaxiée sur une partie de la couche supérieure du guide ne comprenant pas d’alternances d’orientations cristallographiques, le couplage entre la deuxième diode laser signal et le guide d’onde étant réalisé par ondes évanescentes.FIG. 19 illustrates the configuration OPA, in which the device 10 further comprises a second signal laser diode DL2s configured to emit the signal beam Bs and to inject it into the heart of the guide, the guide then operating as an amplifier of the signal beam injected. The second DL2s signal laser diode is epitaxial on a part of the upper layer of the guide not comprising alternating crystallographic orientations, the coupling between the second signal laser diode and the wave guide being carried out by evanescent waves.
La figure 20 illustre la configuration OPO dans laquelle la facette respective de chaque extrémité des couches constituant le guide présente un traitement réfléchissant configuré pour réfléchir au moins partiellement la longueur d’onde signal, de manière à réaliser une cavité amplificatrice pour cette longueur d’onde. La facette côté opposé à la sortie de Bs présente un traitement hautement réfléchissant tandis que la facette côté sortie de Bs présente un traitement partiellement réfléchissant pour laisser sortir une fraction du faisceau signal.FIG. 20 illustrates the OPO configuration in which the respective facet of each end of the layers constituting the guide has a reflective treatment configured to at least partially reflect the signal wavelength, so as to produce an amplifying cavity for this wavelength . The facet opposite the exit of Bs has a highly reflective treatment while the facet on the exit side of Bs has a partially reflective treatment to let out a fraction of the signal beam.
Les figures 21 à 23 illustrent un dispositif selon le deuxième mode de réalisation (continuum entre LS et QAPG) de la deuxième variante de l’invention (intégration coplanaire), dans les différentes configurations optiques précitées.Figures 21 to 23 illustrate a device according to the second embodiment (continuum between LS and QAPG) of the second variant of the invention (coplanar integration), in the different optical configurations mentioned above.
La cavité de la source laser LS s’étend entre les deux extrémités du continuum, ces deux extrémités présentant donc un traitement hautement réfléchissant pour la longueur d’onde de pompe.The cavity of the LS laser source extends between the two ends of the continuum, these two ends therefore presenting a highly reflective treatment for the pump wavelength.
La figure 21 illustre la configuration OPG.Figure 21 illustrates the OPG configuration.
La figure 22 illustre la configuration OPA dans laquelle le dispositif 10 comprend en outre une deuxième diode laser signal DL2s configurée pour émettre le faisceau signal Bs et pour l’injecter dans le cœur du guide. Le guide opère alors comme un amplificateur du faisceau signal injecté. La deuxième diode laser signal DL2s est épitaxiée sur une partie de la couche supérieure du guide ne comprenant pas d’alternances d’inversion cristallographique, le couplage entre la deuxième diode laser signal et le guide étant réalisé par ondes évanescentes.FIG. 22 illustrates the configuration OPA in which the device 10 further comprises a second signal laser diode DL2s configured to emit the signal beam Bs and to inject it into the heart of the guide. The guide then operates as an amplifier of the injected signal beam. The second DL2s signal laser diode is epitaxial on a part of the upper layer of the guide not comprising alternations of crystallographic inversion, the coupling between the second signal laser diode and the guide being carried out by evanescent waves.
La figure 23 illustre la configuration OPO dans laquelle les extrémités du continuum présentent chacune, en plus du traitement réfléchissant à λρ, un traitement réfléchissant configuré pour réfléchir au moins partiellement la longueur d’onde signal As, de manière à réaliser une cavité amplificatrice pour cette longueur d’onde.FIG. 23 illustrates the configuration OPO in which the ends of the continuum each have, in addition to the reflective treatment at λρ, a reflective treatment configured to at least partially reflect the signal wavelength As, so as to produce an amplifying cavity for this wave length.
Selon un autre aspect l’invention concerne un procédé 80 de fabrication d’un dispositif de génération d’un faisceau signal Bs présentant une longueur d’onde signal As comprise entre 2 et 15 pm illustré figure 24.According to another aspect, the invention relates to a method 80 for manufacturing a device for generating a signal beam Bs having a signal wavelength As of between 2 and 15 μm illustrated in FIG. 24.
La première étape 100 réalise un substrat Sub présentant une première orientation cristallographique et comprenant une première partie P1 présentant des reliefs périodiques d’orientation cristallographique inversée par rapport à la première orientation cristallographique, et une deuxième partie P2 dépourvue de reliefs, tel que décrit précédemment.The first step 100 produces a Sub substrate having a first crystallographic orientation and comprising a first part P1 having periodic reliefs of reverse crystallographic orientation with respect to the first crystallographic orientation, and a second part P2 devoid of reliefs, as described above.
Dans une deuxième étape 200 on réalise un guide optique à quasi accord de phase QAPG multicouches, dénommé guide, par épitaxie desdites couches sur le substrat Sub. Le guide comprend une couche guidante dénommée cœur GL configurée pour guider un faisceau optique le long d’un axe Z, et au moins une couche de confinement inférieure Cinf disposée sous le cœur.In a second step 200, a multilayer QAPG quasi-phase optical guide, called a guide, is produced by epitaxy of said layers on the substrate Sub. The guide includes a guiding layer called the GL core configured to guide an optical beam along a Z axis, and at least one lower confining layer Cinf disposed under the heart.
Les couches du guide comprennent, selon l’axe Z et au-dessus de la première partie P1, une alternance de premières zones Zi présentant une première orientation cristallographique et de deuxièmes zones Z.i présentant une orientation cristallographique inversée par rapport à la première orientation cristallographique, tel que décrit précédemment.The guide layers comprise, along the axis Z and above the first part P1, an alternation of first zones Zi having a first crystallographic orientation and of second zones Zi having an inverted crystallographic orientation with respect to the first crystallographic orientation, as previously described.
Dans une troisième étape 300 on réalise une source laser LS multicouches par épitaxie desdites couches, la source laser étant configurée pour émettre un faisceau pompe Bp présentant une longueur d’onde pompe Ap comprise entre 1.8 et 5 pm, la source laser comprenant une couche active AL disposée entre au moins une couche de confinement et d’injection supérieure Clsup et au moins une couche de confinement et d’injection inférieure Clinf, tel que décrit précédemment.In a third step 300, a multilayer LS laser source is produced by epitaxy of said layers, the laser source being configured to emit a pump beam Bp having a pump wavelength Ap of between 1.8 and 5 μm, the laser source comprising an active layer AL disposed between at least one upper confinement and injection layer Clsup and at least one lower confinement and injection layer Clinf, as described above.
La couche active de la source laser comprend un premier matériau M1 comprenant du GaSb ou un de ses alliages. Le cœur du guide comprend un deuxième matériau M2 comprenant du GaSb ou du GaAs ou un de leurs alliages.The active layer of the laser source comprises a first material M1 comprising GaSb or one of its alloys. The core of the guide comprises a second material M2 comprising GaSb or GaAs or one of their alloys.
La source laser et le guide sont couplés de sorte qu’un faisceau pompe Bp issu de la couche active AL de la source laser soit injecté dans le cœur GL du guide, les couches de la source laser formant avec les couches du guide et le substrat Sub un bloc cristallin monolithique.The laser source and the guide are coupled so that a pump beam Bp from the active layer AL of the laser source is injected into the core GL of the guide, the layers of the laser source forming with the layers of the guide and the substrate Under a monolithic crystal block.
La réalisation de l’ensemble des couches par épitaxie à partir du substrat Sub permet l’obtention d’un procédé simplifié tout en réalisant des composants LS et Guide QAP de bonne qualité. Les empilements de couches minces épitaxiales forment ainsi un quasi continuum qui ne peut être obtenu par d'autres méthodes de dépôts, qui résultent en une structure du matériau déposé en grains et non pas continue ou quasi-continue.The production of all the layers by epitaxy from the Sub substrate makes it possible to obtain a simplified process while producing good quality LS and QAP Guide components. The stacks of thin epitaxial layers thus form a quasi-continuum which cannot be obtained by other deposition methods, which result in a structure of the material deposited in grains and not continuous or quasi-continuous.
Pour réaliser un dispositif 10 selon la première variante, le procédé, illustré figure 25, présente les spécificités suivantes.To make a device 10 according to the first variant, the method, illustrated in FIG. 25, has the following specificities.
Lors de l’étape 300 les couches de la source laser LS sont réalisées par épitaxie sur les couches du guide. Lors de l’épitaxie les couches de LS s’étendent sur toute la surface supérieure du guide. Le procédé comprend donc une étape 400 de gravure des couches de LS pour définir le composant LS sur la partie du guide située au-dessus de P2, ne comprenant pas d’alternances et enlever les couches LS excédentaires sur au moins la partie du guide située au-dessus de P1.During step 300, the layers of the laser source LS are produced by epitaxy on the guide layers. During epitaxy, the LS layers extend over the entire upper surface of the guide. The method therefore comprises a step 400 of etching the layers of LS to define the component LS on the part of the guide located above P2, not comprising alternations and removing the excess LS layers on at least the part of the guide located above P1.
Avec un couplage de type « taper », l’étape 400 inclut également la définition de la pointe.With a type of coupling, step 400 also includes the definition of the tip.
Pour réaliser un dispositif 10 selon la deuxième variante, le procédé 80 illustré figure 26 présente les spécificités suivantes. L’étape de réalisation 200 des couches du guide QAPG est suivie d’une étape 250 de réalisation d’un caisson Caiss par gravure desdites couches du guide situées au-dessus de la partie P2 du substrat Sub. Les couches de la source laser LS sont alors réalisées par épitaxie dans le caisson Caiss. Au moins une épaisseur d’une couche de la source laser est configurée de sorte que le couplage entre la source laser et le guide soit réalisé par alignement de la couche active AL et du cœur GL. Le procédé 80 comprend en outre une étape 350 de retrait des couches excédentaires épitaxiées en dehors du caisson.To make a device 10 according to the second variant, the method 80 illustrated in FIG. 26 has the following specificities. The step 200 of making the layers of the QAPG guide is followed by a step 250 of making a box caisson by etching said layers of the guide located above the part P2 of the substrate Sub. The layers of the laser source LS are then produced by epitaxy in the box caisson. At least one thickness of a layer of the laser source is configured so that the coupling between the laser source and the guide is achieved by aligning the active layer AL and the core GL. The method 80 further comprises a step 350 of removing the excess epitaxial layers outside the box.
Selon un mode de réalisation préféré l’étape 250 de réalisation du caisson comprend une étape 252 de réalisation d’un masque Ma et une étape de gravure 254 au travers d’une ouverture Op du masque, située dans la partie au-dessus de P2.According to a preferred embodiment, the step 250 of producing the box comprises a step 252 of producing a mask Ma and an etching step 254 through an opening Op of the mask, located in the part above P2 .
La figure 27 illustre la réalisation du masque et la gravure au travers de l’ouverture Op. Typiquement le masque est réalisé à l’aide d’une résine ou d’un multicouche diélectrique/métal, l’ouverture étant réalisée par photolithographie.FIG. 27 illustrates the production of the mask and the etching through the opening Op. Typically the mask is produced using a resin or a dielectric / metal multilayer, the opening being produced by photolithography.
Selon un premier mode de réalisation illustré figure 28 l’étape 254 de gravure au travers de l’ouverture Op du masque est une gravure sèche, le caisson présentant alors des flancs 18 verticaux ou faiblement inclinés. Typiquement, une gravure de type ICP ( Inductively Coupled Plasma en anglais) ou une gravure de type RIE (Reactive Ion Etching en anglais) peut produire de tels flancs.According to a first embodiment illustrated in FIG. 28, the step 254 of etching through the opening Op of the mask is a dry etching, the box then having vertical or slightly inclined sides 18. Typically, an Inductively Coupled Plasma (ICP) type engraving or a Reactive Ion Etching (RIE) type engraving can produce such flanks.
Selon un deuxième mode de réalisation illustré figure 29 l’étape 254 de gravure au travers d’une ouverture Op du masque est une gravure humide anisotrope, le caisson présentant alors des flancs 19 inclinés. Une gravure sèche peut également produire de tels flancs par un choix approprié des paramètres de gravure et du masque.According to a second embodiment illustrated in FIG. 29, step 254 of etching through an opening Op of the mask is an anisotropic wet etching, the box then having inclined flanks 19. Dry etching can also produce such flanks by an appropriate choice of etching parameters and mask.
Optionnellement, il a été déposé une couche d’arrêt CA2 entre le substrat Sub et la première couche de confinement inférieure du guide Cinfl, tel qu’illustré sur les figures 27 à 29, afin qu’il soit possible d’arrêter la gravure du caisson 254 à la surface du substrat.Optionally, a stop layer CA2 has been deposited between the substrate Sub and the first lower confinement layer of the Cinfl guide, as illustrated in FIGS. 27 to 29, so that it is possible to stop the etching of the well 254 on the surface of the substrate.
Si cette couche CA2 n’est pas présente, le substrat sera lui-même légèrement gravé.If this CA2 layer is not present, the substrate will itself be slightly etched.
A la fin de l’étape 300 de réalisation des couches de LS, les couches épitaxiées sont présentes dans le caisson mais également au-dessus de la couche supérieure du guide QAPG, qui peut être soit GL soit une couche Csup telle que décrite précédemment.At the end of step 300 of making the LS layers, the epitaxial layers are present in the box but also above the upper layer of the QAPG guide, which can be either GL or a Csup layer as described above.
Pour le cas d’un caisson à flancs droits, la structure laser Poly réalisée audessus du guide est poly-cristalline, tel qu’illustré figure 30. L’empilement laser comprend dans cet exemple une couche de contact de type n CCn, une couche de confinement et d’injection inférieure Clinf, une couche active AL, une couche de confinement et d’injection supérieure Clsup et une couche de contact de type p CCp. L’épaisseur de CCn est ajustée pour aligner la couche active du laser et le cœur du guide. Les propriétés électriques deFor the case of a box with straight sides, the laser structure Poly produced above the guide is poly-crystalline, as illustrated in FIG. 30. The laser stack comprises in this example a contact layer of type n CCn, a layer Clinf containment and lower injection layer, an AL active layer, a Clsup upper containment and injection layer and a CCp p-type contact layer. The thickness of CCn is adjusted to align the active layer of the laser and the core of the guide. The electrical properties of
CCp et CCn sont choisies pour réaliser un bon contact électrique en déposant un métal dessus.CCp and CCn are chosen to make a good electrical contact by depositing a metal on it.
L’étape 350 consiste à retirer cette structure Poly excédentaire.Step 350 consists in removing this excess Poly structure.
Une première option est par exemple de laisser le masque Ma pendant l’épitaxie de LS, l’étape 350 étant une étape d’attaque sélective du masque permettant de réaliser le « lift-off » du matériau excédentaire.A first option is for example to leave the mask Ma during the epitaxy of LS, step 350 being a step of selective attack of the mask making it possible to carry out the "lift-off" of the excess material.
Une deuxième option est d’éliminer le masque avant l’étape 300 mais en ayant préalablement au dépôt du masque déposé sur la couche supérieure du guide une couche d’arrêt CA1 monocristalline. Lors de l’épitaxie 300 CA1 se couvre de matériaux monocristallins cette fois. On élimine ensuite ces matériaux sur le haut du guide par attaque (sous-gravure) sélective de CA1 ou par attaque jusqu’à CA1 en ayant préalablement protégé le caisson.A second option is to remove the mask before step 300, but before depositing the mask deposited on the upper layer of the guide, a stop layer CA1 monocrystalline. During epitaxy 300 CA1 is covered with monocrystalline materials this time. These materials are then removed on the top of the guide by selective attack (under-etching) of CA1 or by attack until CA1 having previously protected the box.
Une troisième option est d’éliminer le masque avant l’étape 300 sans présence de CA1. Dans ce cas, les matériaux également monocristallins excédentaires sont éliminés, après protection du caisson, en contrôlant précisément le procédé de gravure afin de l’arrêter dès que la couche supérieure du guide GL est atteinte. Cet arrêt peut être facilité par l’insertion lors de l’étape 300 d’une couche d’arrêt CA3 sous la structure laser LS.A third option is to remove the mask before step 300 without the presence of CA1. In this case, the excess monocrystalline materials are eliminated, after protection of the box, by precisely controlling the etching process in order to stop it as soon as the upper layer of the GL guide is reached. This stopping can be facilitated by the insertion in step 300 of a stopping layer CA3 under the laser structure LS.
Selon un mode de réalisation de la deuxième variante, le procédé comprend, après l’étape de réalisation du caisson 250 et l’élimination du masque et avant l’étape 300 d’épitaxie, une étape 270 de dépôt d’un diélectrique MatD sur les flancs du caisson tel qu’illustré figure 31. Cette couche réalise une interface optique entre la source laser LS et le guide QAPG et optionnellement permet de protéger le cœur GL lorsque celui-ci contient de l’aluminium.According to an embodiment of the second variant, the method comprises, after the step of making the well 250 and removing the mask and before the step 300 of epitaxy, a step 270 of depositing a dielectric MatD on the sides of the box as illustrated in FIG. 31. This layer provides an optical interface between the laser source LS and the QAPG guide and optionally makes it possible to protect the heart GL when it contains aluminum.
Un exemple de structure obtenue après l’étape 350 est illustré figure 32. Le matériau diélectrique remplit ici l’espace entre LS et le guide QAPG.An example of a structure obtained after step 350 is illustrated in FIG. 32. The dielectric material here fills the space between LS and the QAPG guide.
On définit la couche active AL comme correspondant à la couche émettrice entourée des deux couches optiques définissant la cavité optique.The active layer AL is defined as corresponding to the emitting layer surrounded by the two optical layers defining the optical cavity.
Par ailleurs, en maîtrisant une épitaxié de type « Butt-joint » il est possible d’obtenir une structure sans aucun espace entre LS et le guide QAPG.In addition, by mastering an epitaxial type of "butt-joint" it is possible to obtain a structure without any space between LS and the QAPG guide.
La figure 33 illustre un exemple de structure obtenue après l’étape 300 d’épitaxie dans un caisson à flancs inclinés. De manière naturelle les couches du laser se prolongent continûment sur le dessus du guide QAPG et forment un continuum avec les couches du guide.FIG. 33 illustrates an example of a structure obtained after step 300 of epitaxy in a box with inclined sides. Naturally, the layers of the laser extend continuously over the top of the QAPG guide and form a continuum with the layers of the guide.
La figure 34 illustre un exemple de structure à caisson à flancs inclinés après l’étape 350, une fois la matière excédentaire enlevée.FIG. 34 illustrates an example of a structure with a box with inclined sides after step 350, once the excess material has been removed.
Ces structures présentent l’avantage d’une excellente injection du mode optique de AL vers GL, et les flancs des couches Cinf sont protégés avec AL.These structures have the advantage of an excellent injection of the optical mode from AL to GL, and the sides of the Cinf layers are protected with AL.
Pour les deux variantes, une fois l’épitaxie réalisée et les couches excédentaires présentes suite à cette épitaxié enlevées, classiquement le procédé de réalisation du composant final comprend les étapes décrites cidessous. La figure 35 illustre un dispositif final réalisé selon la deuxième variante du procédé.For both variants, once the epitaxy has been carried out and the excess layers present following this epitaxy have been removed, conventionally the process for producing the final component comprises the steps described below. FIG. 35 illustrates a final device produced according to the second variant of the method.
-réalisation du contact p (métallique) Contp et définition du ruban laser StrL, -réalisation éventuelle du contact n Contn en face avant/supérieure (comme illustré figure 35) par gravure jusqu’à CCn le long du ruban laser, -définition du ruban du guide StrG -amincissement du substrat,-realization of the contact p (metallic) Contp and definition of the StrL laser ribbon, -realization of the contact n Contn on the front / upper face (as illustrated in Figure 35) by etching to CCn along the laser ribbon, guide StrG - thinning of the substrate,
-réalisation d’un contact n en face arrière si non réalisé en face avant, -clivage face laser « gauche » et face laser « droite » ou gravure pour définir le composant final.-realization of a contact n on the rear face if not made on the front face, -cleavage on the "left" laser face and on the "right" laser face or etching to define the final component.
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S. ROUX ET AL: "Low-loss orientation-patterned GaSb waveguides for mid-infrared parametric conversion", OPTICAL MATERIALS EXPRESS, vol. 7, no. 8, 1 August 2017 (2017-08-01), pages 3011, XP055505866, ISSN: 2159-3930, DOI: 10.1364/OME.7.003011 * |
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