FR3133277A1 - GeSn-based laser with electrical pumping and at room temperature for generating a helical-shaped optical phase wave and a method for manufacturing the same - Google Patents
GeSn-based laser with electrical pumping and at room temperature for generating a helical-shaped optical phase wave and a method for manufacturing the same Download PDFInfo
- Publication number
- FR3133277A1 FR3133277A1 FR2201848A FR2201848A FR3133277A1 FR 3133277 A1 FR3133277 A1 FR 3133277A1 FR 2201848 A FR2201848 A FR 2201848A FR 2201848 A FR2201848 A FR 2201848A FR 3133277 A1 FR3133277 A1 FR 3133277A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- layer
- gesn
- type
- laser
- optical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 37
- 229910005898 GeSn Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 23
- 238000005086 pumping Methods 0.000 title claims description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 8
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 14
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 12
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 11
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 5
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 5
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 5
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 3
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- IWTIUUVUEKAHRM-UHFFFAOYSA-N germanium tin Chemical compound [Ge].[Sn] IWTIUUVUEKAHRM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KAJBHOLJPAFYGK-UHFFFAOYSA-N [Sn].[Ge].[Si] Chemical compound [Sn].[Ge].[Si] KAJBHOLJPAFYGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N bis(2-ethylhexyl) phthalate Chemical compound CCCCC(CC)COC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCC(CC)CCCC BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N helium neon Chemical compound [He].[Ne] CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 238000000038 ultrahigh vacuum chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
- H01S5/18386—Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
- H01S5/18386—Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface
- H01S5/18391—Aperiodic structuring to influence the near- or far-field distribution
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
- H01S5/3223—IV compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S2301/00—Functional characteristics
- H01S2301/20—Lasers with a special output beam profile or cross-section, e.g. non-Gaussian
- H01S2301/203—Lasers with a special output beam profile or cross-section, e.g. non-Gaussian with at least one hole in the intensity distribution, e.g. annular or doughnut mode
Abstract
La présente invention fournit un laser à base de GeSn à pompage électrique et à température ambiante pour générer une onde optique de phase de forme hélicoïdale et un procédé de fabrication de celle-ci à moindre coût.The present invention provides an electrically pumped, room temperature GeSn-based laser for generating a helical-shaped optical phase wave and a method for manufacturing the same at low cost.
Description
La présente invention fournit un laser à base de GeSn à pompage électrique et à température ambiante pour générer une onde optique de phase de forme hélicoïdale et un procédé de fabrication de celle-ci à moindre coût.The present invention provides an electrically pumped, room temperature GeSn-based laser for generating a helical-shaped optical phase wave and a method for manufacturing the same at low cost.
Le domaine de l'invention est sans s'y limiter, le traitement de l’information, le lidar, la communication d'informations quantiques.The field of the invention is, without limitation, information processing, lidar, quantum information communication.
Les faisceaux à phase hélicoïdale, également appelés faisceaux vortex, présentent un front d'onde hélicoïdal qui varie à la manière d'un tire-bouchon le long de la direction de propagation du faisceau, avec un vecteur de Poynting qui suit une trajectoire en spirale autour de l'axe du faisceau. Ce comportement est décrit par un terme de phase azimutale. dans l'expression de champ, où il existe un facteur de charge topologique qui peut être à la fois une valeur entière positive et négative en fonction du sens de rotation du front d'onde. Ce facteur signifie également que la structure de phase contient des hélices entrelacées. Le profil d'intensité transversal dans de tels faisceaux ressemble à un anneau de lumière avec un noyau sombre au centre, connu sous le nom de modes en forme de beignet, et le plus souvent supposé appartenir à la base des modes propres de Laguerre-Gaussien ou de Bessel-Gaussien. Les méthodes consistent généralement à manipuler la lumière en utilisant des optiques à transformation de mode externe, par exemple en utilisant une paire de lentilles cylindriques pour transformer les modes Hermite-Gaussien en modes Laguerre-Gaussien (LG) souhaités avec une structure de phase hélicoïdale, ou en utilisant des modulateurs spatiaux de lumière ou des spirales des plaques de phase afin de convertir un faisceau laser conventionnel à front d'onde parallèle en un faisceau exotique portant un moment angulaire orbital, conformément au document US 6995351. Cependant, l'inconvénient est que ces méthodes nécessitent des éléments entre cavités (absorbeurs, ouvertures, fenêtre de Brewster, étalon) ce qui conduit à une procédure d'alignement sophistiquée qui modifie la cohérence du faisceau.Helical phase beams, also called vortex beams, have a helical wavefront that varies in a corkscrew fashion along the direction of beam propagation, with a Poynting vector that follows a spiral path around the axis of the beam. This behavior is described by an azimuthal phase term. in the field expression, where there is a topological charge factor which can be both a positive and negative integer value depending on the direction of rotation of the wavefront. This factor also means that the phase structure contains intertwined helices. The transverse intensity profile in such beams resembles a ring of light with a dark core in the center, known as donut-shaped modes, and most often assumed to belong to the basis of Laguerre-Gaussian eigenmodes or Bessel-Gaussian. The methods typically involve manipulating light using external mode transform optics, for example using a pair of cylindrical lenses to transform Hermite-Gaussian modes into the desired Laguerre-Gaussian (LG) modes with a helical phase structure, or using spatial light modulators or phase plate spirals to convert a conventional parallel wavefront laser beam into an exotic beam carrying orbital angular momentum, according to US 6995351. However, the disadvantage is that these methods require elements between cavities (absorbers, apertures, Brewster window, etalon) which leads to a sophisticated alignment procedure which modifies the coherence of the beam.
Par ailleurs, les lasers à semi-conducteur III-V ont de très bonnes performances à ce jour, mais ils présentent les inconvénients d'un coût élevé, d'un faible rendement et d'une faible intégration. Ils ne conviennent pas à la production de masse pour le grand grand public. Cependant, les matériaux du groupe IV ont longtemps été considérés comme l'un des développements futurs des matériaux de source lumineuse intégrée à base de silicium. Les lasers Ge-Si sont une solution compétitive pour l'intégration monolithique à grande échelle car ils sont entièrement compatibles avec la technologie complémentaire de transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS), qui peut réduire considérablement la complexité, le coût et le temps du processus.Furthermore, III-V semiconductor lasers have very good performance to date, but they have the disadvantages of high cost, low efficiency and poor integration. They are not suitable for mass production for the general public. However, Group IV materials have long been considered one of the future developments of silicon-based integrated light source materials. Ge-Si lasers are a competitive solution for large-scale monolithic integration because they are fully compatible with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) field-effect transistor technology, which can significantly reduce complexity, the cost and time of the process.
Ainsi, l'ingénierie de la bande d'énergie du Ge a été initialement proposée par le MIT. Le premier laser hélium-néon à pompage optique a été mis en œuvre pour la première fois en 2010, et des lasers He-Ne à pompage électrique ont été démontrés à partir de 2012. D'autres types de lasers Ge, tels que les lasers GeSn ont récemment été étudiés. Cependant, la densité de courant de seuil est très élevée (280kA/cm2).Thus, Ge energy band engineering was initially proposed by MIT. The first optically pumped helium-neon laser was first implemented in 2010, and electrically pumped He-Ne lasers were demonstrated beginning in 2012. Other types of Ge lasers, such as GeSn have recently been studied. However, the threshold current density is very high (280kA/cm 2 ).
En résumé, pour un laser à semi-conducteur utilisant un matériau à base de Ge à bande interdite directe, l’efficacité lumineuse n'est pas élevée et la densité de courant de seuil est également élevée, ce qui a une grande influence sur les performances du laser à semi-conducteur.In summary, for a semiconductor laser using direct band gap Ge material, the luminous efficiency is not high, and the threshold current density is also high, which has a great influence on the semiconductor laser performance.
Le germanium étain GeSn est destiné à présenter une structure de bande d’énergie directe, c’est à dire que le minimum d’énergie de la vallée L (ou vallée indirecte) est supérieur ou sensiblement égal au minimum d’énergie de la vallée Γ (ou vallée directe) de bande de conduction autrement dit ΔE = Emin, L-Emin, Γ >0. Par sensiblement égal, on entend ici que cette différence d'énergie ΔE est de l'ordre de grandeur ou inférieure à kT, où k est la constante de Boltzmann et T la température du matériau.Germanium tin GeSn is intended to have a direct energy band structure, that is to say that the minimum energy of the valley L (or indirect valley) is greater than or substantially equal to the minimum energy of the valley Γ (or direct valley) of the conduction band, in other words ΔE = Emin, L-Emin, Γ >0. By substantially equal, we mean here that this energy difference ΔE is of the order of magnitude or less than kT, where k is the Boltzmann constant and T the temperature of the material.
L'invention proposée est nouvelle et inventive et fournit un laser à base de GeSn à pompage électrique et à température ambiante pour générer une onde optique de phase de forme hélicoïdale et un procédé de fabrication de celle-ci à moindre coût.The proposed invention is novel and inventive and provides an electrically pumped, room temperature GeSn-based laser for generating a helical-shaped optical phase wave and a method of manufacturing the same at lower cost.
La présente invention (1000) est nouvelle et inventive et fournit un laser à base de GeSn à pompage électrique et à température ambiante pour générer une onde optique de phase de forme hélicoïdale et un procédé de fabrication de celle-ci à moindre coût.The present invention (1000) is novel and inventive and provides an electrically pumped, room temperature GeSn-based laser for generating a helical-shaped optical phase wave and a method of manufacturing the same at low cost.
L’invention comprend un laser à base de GeSn pour générer une onde optique de phase de forme hélicoïdale et comprenant une région de gain située entre une première extrémité définie par un premier miroir et une seconde extrémité définie par une région de sortie, avec entre autre un second miroir, agencé de manière à former une cavité optique (composée par exemple d'espace libre, de matériau massif ou de guide(s) optique(s)) comprenant la région de gain et des moyens pour pomper la région de gain afin de générer l'onde optique.The invention comprises a GeSn-based laser for generating a phase optical wave of helical shape and comprising a gain region located between a first end defined by a first mirror and a second end defined by an output region, with inter alia a second mirror, arranged so as to form an optical cavity (composed for example of free space, solid material or optical guide(s)) comprising the gain region and means for pumping the gain region in order to to generate the optical wave.
L'invention comprend en outre au moins un moyen de mise en forme des profils d'intensité lumineuse et/ou de phase de l'onde optique et agencé pour sélectionner au moins un mode transverse à symétrie de rotation de l'onde optique, ledit mode transverse à symétrie de rotation étant choisis entre ceux d'indice radial égal à zéro et d'indice azimutal étant un nombre entier de module supérieur ou égal à 1.The invention further comprises at least one means for shaping the light intensity and/or phase profiles of the optical wave and arranged to select at least one transverse mode with rotational symmetry of the optical wave, said transverse mode with rotational symmetry being chosen between those with a radial index equal to zero and an azimuthal index being an integer with a module greater than or equal to 1.
L’invention utilise un matériau GeSn et une structure P-I-N, ce qui améliore l'efficacité par rapport à une structure laser conventionnelle en matériau Ge fortement dopée. Le matériau de structure GeSn de l'invention est plus proche de la bande interdite directe que le matériau Ge. L'efficacité quantique interne de la luminescence est plus élevée ; et la structure PIN peut mieux limiter la luminescence du porteur dans la région I, et le facteur de limitation est amélioré. La plupart des porteurs émettent de la lumière dans la région I, la région I n'est pas dopée, la recombinaison non radiative est réduite et le facteur de perte est également réduit. Les modifications ci-dessus réduisent la densité de courant de seuil. La longueur d’onde λ de fonctionnement peut être dans le visible ou dans le proche infrarouge, par exemple 980 nm environ.The invention uses a GeSn material and a P-I-N structure, which improves efficiency compared to a conventional laser structure made of heavily doped Ge material. The GeSn structural material of the invention is closer to the direct bandgap than the Ge material. The internal quantum efficiency of luminescence is higher; and the PIN structure can better limit the luminescence of the carrier in the I region, and the limitation factor is improved. Most carriers emit light in the I region, the I region is not doped, nonradiative recombination is reduced, and the loss factor is also reduced. The above modifications reduce the threshold current density. The operating wavelength λ can be in the visible or in the near infrared, for example approximately 980 nm.
La présente invention sera mieux comprise à partir de la description de figures :The present invention will be better understood from the description of the figures:
La structure du laser Ge/GeSn à pompage électrique et à température ambiante de la présente invention (1000) est composée:The structure of the electrically pumped, room temperature Ge/GeSn laser of the present invention (1000) is composed of:
- d’une couche de substrat (1001),- a substrate layer (1001),
- d’une première couche miroir de Bragg (1002),- a first Bragg mirror layer (1002),
- d’une première couche Ge de type n (1003),- a first n-type Ge layer (1003),
- d’une deuxième couche Ge de type n (1004),- a second n-type Ge layer (1004),
- d’une couche GeSn (1005),- a GeSn layer (1005),
- d’une première une couche Ge de type p (1006),- a first, a p-type Ge layer (1006),
- d’une seconde couche Ge de type p (1007),- a second p-type Ge layer (1007),
- d’une seconde couche miroir de Bragg (1008),- a second Bragg mirror layer (1008),
- d’une couche de moyen de filtrage transversal de l'onde optique (1009),- a layer of transverse filtering means of the optical wave (1009),
Selon un mode de réalisation de l’invention, le substrat (1001) est de préférence un substrat de silicium qui est un matériau de silicium sur isolant ou un substrat de matériau de silicium massif.According to one embodiment of the invention, the substrate (1001) is preferably a silicon substrate which is a silicon-on-insulator material or a substrate of solid silicon material.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la première couche miroir de Bragg (1002) est une couche de film Si/SiO2, qui est une structure périodique composée de Si et SiO2 disposés alternativement de bas en haut. Un réflecteur de Bragg distribué formé par une structure périodique de deux matériaux ayant un indice de réfraction relativement grand dans un agencement alterné fait partie généralement d'une micro-cavité optique. A titre d’exemple, l’indice de réfraction sera proche de 3 dans le domaine du proche infrarouge.According to one embodiment of the invention, the first Bragg mirror layer (1002) is a layer of Si/SiO2 film, which is a periodic structure composed of Si and SiO2 arranged alternately from bottom to top. A distributed Bragg reflector formed by a periodic structure of two materials having a relatively large refractive index in an alternating arrangement is generally part of an optical micro-cavity. For example, the refractive index will be close to 3 in the near infrared region.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le miroir de Bragg a une réflectivité élevée, supérieure à 99% ou supérieure au miroir de sortie.According to one embodiment of the invention, the Bragg mirror has a high reflectivity, greater than 99% or greater than the output mirror.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la première couche Ge de type n (1003), la deuxième couche Ge de type n (1004), la couche GeSn (1005), la première couche Ge de type p (1006) et la deuxième couche p (1007) de type Ge constitue une structure PIN.According to one embodiment of the invention, the first n-type Ge layer (1003), the second n-type Ge layer (1004), the GeSn layer (1005), the first p-type Ge layer (1006) and the second layer p (1007) of Ge type constitutes a PIN structure.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la structure PIN permet de mieux limiter la luminescence des porteurs dans la région I, et le facteur de limitation est amélioré ; les porteurs émettent principalement de la lumière dans la région I, la région I n'est pas dopée, la recombinaison non radiative est réduite et le coefficient de perte est également réduit. La variation de la densité de courant de seuil est réduite ; et l'efficacité est améliorée par rapport à une structure laser conventionnelle en matériau Ge.According to one embodiment of the invention, the PIN structure makes it possible to better limit the luminescence of the carriers in region I, and the limitation factor is improved; the carriers mainly emit light in region I, region I is not doped, nonradiative recombination is reduced, and the loss coefficient is also reduced. The variation in threshold current density is reduced; and the efficiency is improved compared with a conventional laser structure made of Ge material.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la deuxième couche miroir de Bragg (1008) est cylindrique.According to one embodiment of the invention, the second Bragg mirror layer (1008) is cylindrical.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen de filtrage transversal de l'onde optique (1009) est cylindrique.According to one embodiment of the invention, the transverse filtering means of the optical wave (1009) is cylindrical.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la première couche Ge de type n (1003) et la deuxième couche Ge de type n (1004) La couche GeSn (1005), la première couche Ge de type P (1006) et la deuxième couche Ge de type P (1007) sont également cylindriques. A titre d’exemple, le diamètre de ces couches est compris entre 100 nm et 100 µm.According to one embodiment of the invention, the first n-type Ge layer (1003) and the second n-type Ge layer (1004) The GeSn layer (1005), the first P-type Ge layer (1006) and the second Ge layer of type P (1007) are also cylindrical. For example, the diameter of these layers is between 100 nm and 100 µm.
Selon un mode de réalisation de l’invention, chaque couche de l’empilement est en germanium, germanium-étain ou en silicium-germanium-étain ou en nitrure de silicium.According to one embodiment of the invention, each layer of the stack is made of germanium, germanium-tin or silicon-germanium-tin or silicon nitride.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la hauteur de l’empilement est compris entre 800 et 1200 nm.According to one embodiment of the invention, the height of the stack is between 800 and 1200 nm.
Selon un mode de réalisation de l’invention, une couche en nitrure de silicium a une épaisseur comprise entre 200 et 700 nm.According to one embodiment of the invention, a silicon nitride layer has a thickness of between 200 and 700 nm.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la composante massique de Sn dans GeSn est comprise entre 11 et 20 %.According to one embodiment of the invention, the mass component of Sn in GeSn is between 11 and 20%.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la composition d’une couche peut être SixGe1-x- ySny; dans laquelle la plage de x est de 0,1 à 0,15 et la plage de y est de 0,08 à 0,1.According to one embodiment of the invention, the composition of a layer can be Si x Ge 1-x- y Sn y ; in which the range of x is 0.1 to 0.15 and the range of y is 0.08 to 0.1.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l’épaisseur d’une couche de Ge dopée peut être de 3 à 100 nm et la concentration de dopage est de 1015à 1019cm-3.According to one embodiment of the invention, the thickness of a doped Ge layer can be from 3 to 100 nm and the doping concentration is from 10 15 to 10 19 cm -3 .
Selon un mode de réalisation de l’invention, il est possible de contrôler la charge et le signe de l'OAM dans une cavité laser en perturbant légèrement la base propre transverse à symétrie rotatoire de telle manière que le mode avec un signe OAM indésirable soit fortement altéré, sans affecter de manière significative le mode souhaité.According to one embodiment of the invention, it is possible to control the charge and the sign of the OAM in a laser cavity by slightly disturbing the transverse eigenbase with rotary symmetry in such a way that the mode with an undesirable OAM sign is strongly altered, without significantly affecting the desired mode.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les modes transversaux à symétrie rotative sélectionnés sont choisis dans la base Laguerre-Gauss (LG) ou Bessel-Gauss (BG).According to one embodiment of the invention, the selected transverse modes with rotary symmetry are chosen from the Laguerre-Gauss (LG) or Bessel-Gauss (BG) base.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen de mise en forme des profils d'intensité lumineuse et/ou de phase de l'onde optique peut consister en un moyen de filtrage transversal de ladite onde optique.According to one embodiment of the invention, the means for shaping the light intensity and/or phase profiles of the optical wave may consist of a means for transverse filtering of said optical wave.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen de filtrage transversal de l'onde optique peut comprendre au moins une zone discoïdale centrale assurant des pertes optiques élevées entre une valeur de déphasage minimale et une valeur de déphasage maximale, et/ou une zone annulaire, située autour de la zone centrale et fournissant un déphasage gradué azimutal Δm. Le déphasage Δm induit par la zone annulaire peut être de tout type apte à générer un déphasage azimutal sur l'onde optique qui oscille à l'intérieur de la cavité optique.According to one embodiment of the invention, the transverse filtering means of the optical wave may comprise at least one central discoidal zone ensuring high optical losses between a minimum phase shift value and a maximum phase shift value, and/or a annular zone, located around the central zone and providing a graduated azimuthal phase shift Δm. The phase shift Δm induced by the annular zone can be of any type capable of generating an azimuthal phase shift on the optical wave which oscillates inside the optical cavity.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la charge et le signe du moment cinétique orbital sont contrôlés en ajustant les caractéristiques dimensionnelles et optiques du moyen de filtrage transversal de l'onde optique.According to one embodiment of the invention, the charge and the sign of the orbital angular momentum are controlled by adjusting the dimensional and optical characteristics of the transverse filtering means of the optical wave.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen de filtrage transverse peut fournir au moins un déphasage spiral perturbatif gradué Δm entre la valeur de déphasage minimale et la valeur de déphasage maximale pour au plus une spire et pour un aller-retour de l'onde optique dans la cavité optique.According to one embodiment of the invention, the transverse filtering means can provide at least one graduated perturbative spiral phase shift Δm between the minimum phase shift value and the maximum phase shift value for at most one turn and for a round trip of l optical wave in the optical cavity.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la valeur de déphasage maximale Δm peut être négligeable par rapport à 2π, et par exemple, elle peut être inférieure à Δm=2π/5 afin de ne pas trop perturber l'onde optique qui oscille à l'intérieur de la cavité optique.According to one embodiment of the invention, the maximum phase shift value Δm can be negligible compared to 2π, and for example, it can be less than Δm=2π/5 in order not to disturb the optical wave which oscillates too much. inside the optical cavity.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la valeur de déphasage fournie par un élément de phase en spirale peut être linéaire entre une valeur minimale à une première position azimutale (0 radian) et une valeur maximale à une seconde position azimutale (2π radians).According to one embodiment of the invention, the phase shift value provided by a spiral phase element can be linear between a minimum value at a first azimuthal position (0 radians) and a maximum value at a second azimuthal position (2π radians ).
Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen de filtrage transverse peut consister en un masque unique situé à proximité de la deuxième surface de miroir de Bragg.According to one embodiment of the invention, the transverse filtering means may consist of a single mask located near the second Bragg mirror surface.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les déphasages de la zone centrale et/ou de la zone annulaire peuvent être assurés par des variations d'indice de réfraction du moyen de filtrage transversal de l'onde optique.According to one embodiment of the invention, the phase shifts of the central zone and/or the annular zone can be ensured by variations in the refractive index of the transverse filtering means of the optical wave.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen de filtrage transverse peut être fabriqué en technologie semi-conductrice III-V ou grâce à un matériau semi-conducteur, un matériau diélectrique, un matériau organique ou un matériau métallique tant que la partie réelle de l'indice optique varie le long de l'axe longitudinal de rotation.According to one embodiment of the invention, the transverse filtering means can be manufactured in III-V semiconductor technology or using a semiconductor material, a dielectric material, an organic material or a metallic material as long as the part actual optical index varies along the longitudinal axis of rotation.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les moyens de pompage de la région de gain peuvent consister en un pompage électrique de la région de gain.According to one embodiment of the invention, the means for pumping the gain region may consist of electrical pumping of the gain region.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le milieu de gain peut comprendre par exemple des puits quantiques ou des points quantiques et il peut être pompé électriquement.According to one embodiment of the invention, the gain medium may comprise, for example, quantum wells or quantum dots and it may be electrically pumped.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, un laser vortex peut être réalisé avec un moyen de filtrage transversal de l'onde optique (et plus précisément ses zones centre et annulaire) dont l'indice de réfraction est modulable, ou dont la longueur du chemin optique est modulable. Cela peut être réalisé en utilisant un moyen électrique pour régler activement la longueur du chemin optique de la cavité et/ou son indice de réfraction en utilisant des modulateurs électro-optiques pour modifier l'élément de phase en spirale.According to another embodiment of the invention, a vortex laser can be produced with a transverse filtering means of the optical wave (and more precisely its center and annular zones) whose refractive index is adjustable, or whose length of the optical path is adjustable. This can be achieved by using electrical means to actively adjust the cavity's optical path length and/or its refractive index using electro-optical modulators to modify the spiral phase element.
Selon un mode de réalisation de l’invention, il est possible de fournir un laser vortex simple fréquence avec une bande passante de gain inférieure à 2 THz.According to one embodiment of the invention, it is possible to provide a single frequency vortex laser with a gain bandwidth of less than 2 THz.
Le procédé de fabrication d'un laser à base de GeSn à pompage électrique et à température ambiante est simple et comprend les étapes suivantes :The manufacturing process for an electrically pumped GeSn-based laser at room temperature is simple and includes the following steps:
(1) former une première couche miroir de Bragg sur une surface de substrat;(1) forming a first Bragg mirror layer on a substrate surface;
(2) former une première couche de Ge de type n sur une surface de la première couche miroir de Bragg ;(2) forming a first n-type Ge layer on a surface of the first Bragg mirror layer;
(3) former une seconde couche de Ge de type n sur une surface de la première couche de Ge de type n ;(3) forming a second n-type Ge layer on a surface of the first n-type Ge layer;
(4) former une couche de GeSn sur une surface de la deuxième couche de Ge de type n ;(4) forming a GeSn layer on a surface of the second n-type Ge layer;
(5) former une première couche de Ge de type p sur une surface de la couche de GeSn ;(5) forming a first p-type Ge layer on a surface of the GeSn layer;
(6) former une deuxième couche de Ge de type p sur une surface de la première couche de Ge de type p ;(6) forming a second p-type Ge layer on a surface of the first p-type Ge layer;
(7) former une seconde couche de miroir de Bragg sur une surface de la seconde couche de Ge de type p ;(7) forming a second Bragg mirror layer on a surface of the second p-type Ge layer;
(8) former le moyen de filtrage transversal de l'onde optique.(8) form the transverse filtering means of the optical wave.
Dans un mode de réalisation de l'invention, l'étape (1) comprend la couche de film mince de Si et la couche de film mince de SiO2 qui sont développées en alternance sur le substrat de Si par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma pour former la première couche de miroir de Bragg.In one embodiment of the invention, step (1) comprises the Si thin film layer and the SiO2 thin film layer which are alternately grown on the Si substrate by chemical vapor deposition assisted by plasma to form the first Bragg mirror layer.
Dans un mode de réalisation de l'invention, l'étape (2) comprend la première couche de Ge de type n qui est développée sur la surface de la première couche de film mince Si/SiO2 par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur sous vide ultra poussé à une température de croissance de 330 à 380 °C.In one embodiment of the invention, step (2) comprises the first n-type Ge layer which is grown on the surface of the first Si/SiO2 thin film layer by a chemical vapor deposition process. under ultra-high vacuum at a growth temperature of 330 to 380 °C.
Dans un mode de réalisation de l'invention, l'étape (3) comprend la croissance de la seconde couche de Ge de type n à la surface de la première couche de Ge de type n par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur sous ultra-vide à une température de croissance de 200 à 280°C, et de la seconde couche de Ge de type n Le dopage la concentration est inférieure à la concentration de dopage de la première couche de Ge de type n.In one embodiment of the invention, step (3) comprises growing the second n-type Ge layer on the surface of the first n-type Ge layer by a chemical vapor deposition process under ultra-high vacuum at a growth temperature of 200 to 280°C, and the second layer of n-type Ge The doping concentration is lower than the doping concentration of the first layer of n-type Ge.
Dans un mode de réalisation de l'invention, l'étape (4) comprend une couche de GeSn qui est développée sur la surface de la seconde couche de Ge de type n par épitaxie par jet moléculaire à une température de croissance de 80 à 95°C, et la composante massique de Sn dans le GeSn est comprise entre 11 et 20 %.In one embodiment of the invention, step (4) comprises a GeSn layer that is grown on the surface of the second n-type Ge layer by molecular beam epitaxy at a growth temperature of 80 to 95 °C, and the mass component of Sn in GeSn is between 11 and 20%.
Dans un mode de réalisation de l'invention, l'étape (5) comprend la première couche de Ge de type p qui est développée sur la surface de la couche de GeSn par une méthode de dépôt chimique en phase vapeur sous ultra-vide à une température de croissance de 200 à 280 °C.In one embodiment of the invention, step (5) comprises the first p-type Ge layer which is grown on the surface of the GeSn layer by an ultra-high vacuum chemical vapor deposition method at a growth temperature of 200 to 280°C.
Dans un mode de réalisation de l'invention, l'étape (6) comprend la croissance de la deuxième couche de Ge de type p à la surface de la première couche de Ge de type p par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur sous ultra-vide à une température de croissance de 330 à 380°C, la deuxième couche de Ge de type p La concentration de dopage est supérieure à la concentration de dopage de la première couche de Ge de type p.In one embodiment of the invention, step (6) comprises growing the second p-type Ge layer on the surface of the first p-type Ge layer by a chemical vapor deposition process under ultra-high vacuum at a growth temperature of 330-380°C, the second p-type Ge layer The doping concentration is higher than the doping concentration of the first p-type Ge layer.
Dans un mode de réalisation de l'invention, l'étape (7) comprend une couche de film mince de Si et une couche de film mince de SiO2 qui sont formées en alternance sur la surface de la seconde couche de Ge de type p par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma pour former la seconde couche de miroir de Bragg.In one embodiment of the invention, step (7) comprises a Si thin film layer and a SiO2 thin film layer which are alternately formed on the surface of the second p-type Ge layer by plasma-assisted chemical vapor deposition to form the second Bragg mirror layer.
Dans un mode de réalisation de l'invention, l'étape (8) comprend un matériau diélectrique, dont la partie réelle de l'indice optique varie le long de l'axe longitudinal de rotation.In one embodiment of the invention, step (8) comprises a dielectric material, the real part of the optical index of which varies along the longitudinal axis of rotation.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2201848A FR3133277A1 (en) | 2022-03-03 | 2022-03-03 | GeSn-based laser with electrical pumping and at room temperature for generating a helical-shaped optical phase wave and a method for manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2201848A FR3133277A1 (en) | 2022-03-03 | 2022-03-03 | GeSn-based laser with electrical pumping and at room temperature for generating a helical-shaped optical phase wave and a method for manufacturing the same |
| FR2201848 | 2022-03-03 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3133277A1 true FR3133277A1 (en) | 2023-09-08 |
Family
ID=82319816
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2201848A Pending FR3133277A1 (en) | 2022-03-03 | 2022-03-03 | GeSn-based laser with electrical pumping and at room temperature for generating a helical-shaped optical phase wave and a method for manufacturing the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3133277A1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6995351B2 (en) | 2002-01-16 | 2006-02-07 | The University Of Chicago | Multiple optical vortices for manipulating particles |
| EP3035456A1 (en) * | 2014-12-15 | 2016-06-22 | Université Montpellier 2 Sciences et Techniques | Laser device with a beam carrying controlled orbital angular momentum. |
-
2022
- 2022-03-03 FR FR2201848A patent/FR3133277A1/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6995351B2 (en) | 2002-01-16 | 2006-02-07 | The University Of Chicago | Multiple optical vortices for manipulating particles |
| EP3035456A1 (en) * | 2014-12-15 | 2016-06-22 | Université Montpellier 2 Sciences et Techniques | Laser device with a beam carrying controlled orbital angular momentum. |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| KUMAR RAMAN ET AL: "Orbital Angular Momentum Modes From VCSELs Using Grayscale Photolithography", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, IEEE, USA, vol. 33, no. 16, 26 April 2021 (2021-04-26), pages 824 - 827, XP011869527, ISSN: 1041-1135, [retrieved on 20210727], DOI: 10.1109/LPT.2021.3075891 * |
| LI HUANLU ET AL: "Orbital angular momentum vertical-cavity surface-emitting lasers", OPTICA, vol. 2, no. 6, 4 June 2015 (2015-06-04), pages 547 - 552, XP055968415, DOI: 10.1364/OPTICA.2.000547 * |
| LIFENG ZHANG ET AL: "Study on Ge/GeSn double heterojunction vertical cavity surface emitting laser enabled by ultra-injection technique", MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS, vol. 61, no. 7, 26 February 2019 (2019-02-26), US, pages 1788 - 1791, XP055968308, ISSN: 0895-2477, DOI: 10.1002/mop.31801 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2715808B1 (en) | Semiconductor structure for emitting light, and method for manufacturing such a structure | |
| US20160307939A1 (en) | Microstructure enhanced absorption photosensitive devices | |
| EP3195428B1 (en) | Dual-frequency vertical-external-cavity surface-emitting laser device for generating thz and method for generating thz | |
| JP2009520377A (en) | II-VI / III-V layered structure on InP substrate | |
| WO2002001604A2 (en) | Optoelectronic device with integrated wavelength filtering | |
| WO2009150341A1 (en) | Terahertz wave emission laser device | |
| FR2688637A1 (en) | SURFACE - EMITTING POWER LASER AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME. | |
| FR3053538A1 (en) | LASER SOURCE WITH SEMICONDUCTOR | |
| Sarcan et al. | Dilute nitride resonant-cavity light emitting diode | |
| FR3070505B1 (en) | SUSPENDED MEMBRANE SEMICONDUCTOR STRUCTURE HAVING AN OPTICAL CAVITY | |
| FR3068527A1 (en) | LASER SOURCE WITH SEMICONDUCTOR | |
| WO2008071518A1 (en) | Quantic cascade laser amplifier with an anti-reflection coating including a layer of yttrium fluoride | |
| EP2562567A1 (en) | Method for producing an optical reflector with semiconductor nanocrystals | |
| FR3133277A1 (en) | GeSn-based laser with electrical pumping and at room temperature for generating a helical-shaped optical phase wave and a method for manufacturing the same | |
| FR2990072A1 (en) | TERAHERTZ WAVE EMISSION LASER DEVICE HAVING A STRUCTURED STRUCTURE | |
| EP0316414A1 (en) | Composite structure, application to a laser and process for producing same | |
| EP1229374A2 (en) | Optical cavities for optical devices | |
| EP3462555B1 (en) | Laser source with a germanium based suspended membrane and integrated waveguide contributing to forming the optical cavity | |
| FR2671238A1 (en) | METHOD OF MAKING SURFACE - EMITTING SEMICONDUCTOR LASERS, AND LASERS OBTAINED BY THE PROCESS | |
| WO2013102664A1 (en) | Structured substrate for leds with high light extraction | |
| EP1307955A2 (en) | Edge-emitting semiconductor tunable laser | |
| WO2000022704A1 (en) | Method for controlling a unipolar semiconductor laser | |
| EP2804271B1 (en) | Electrically pumped parametric optical source on a chip | |
| EP3396732A1 (en) | Organic light-emitting diode with performance optimised by plasmon suppression | |
| WO2019171003A1 (en) | Light emission device comprising at least one vcsel and a spread lens |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20230908 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |