FR3142618A1 - SURFACE EMITTING DEVICE, OPTICAL SYSTEM AND ASSOCIATED METHOD - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIF À ÉMISSION DE SURFACE , SYSTÈME OPTIQUE ET PROCÉDÉ ASSOCIÉ Un aspect de l’invention concerne un dispositif (1) à émission de surface comprenant : un guide d’onde (11), comprenant une première face (11a) et une deuxième face (11b) et une région active (110) ; et un réseau de diffraction (12) s’étendant sur la première face (11a) du guide d’onde (11), le dispositif (1) étant remarquable en ce que le réseau de diffraction (12) est réfléchissant et présente un ordre supérieur ou égal à deux et en ce que la deuxième face (11b) est transparente. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1SURFACE-EMISSION DEVICE, OPTICAL SYSTEM AND ASSOCIATED METHOD One aspect of the invention relates to a surface-emitting device (1) comprising: a waveguide (11), comprising a first face (11a) and a second face ( 11b) and an active region (110); and a diffraction grating (12) extending on the first face (11a) of the waveguide (11), the device (1) being remarkable in that the diffraction grating (12) is reflective and has an order greater than or equal to two and in that the second face (11b) is transparent. Figure to be published with the abstract: Figure 1
Description
Le domaine technique de l’invention est celui des sources de rayonnement électromagnétique à émission de surface, telles que les lasers à émission de surface.The technical field of the invention is that of surface-emitting electromagnetic radiation sources, such as surface-emitting lasers.
Les dispositifs à émission de surface émettent un rayonnement électromagnétique, par exemple un faisceau laser, avec une direction sensiblement perpendiculaire au plan sur lequel ils s’étendent. Ce faisceau peut présenter une bonne uniformité spatiale, notamment en champ proche. Les dispositifs à émission de surface sont donc avantageusement intégrés dans des systèmes optiques.Surface emitting devices emit electromagnetic radiation, for example a laser beam, with a direction substantially perpendicular to the plane on which they extend. This beam can have good spatial uniformity, particularly in the near field. Surface emitting devices are therefore advantageously integrated into optical systems.
Le document [« Surface-emitting 10.1 µm quantum cascade distributed feedback lasers » D. Hofstetter & al., Appl. Phys. Lett. 75, 3769-3771 (1999)] divulgue un dispositif à émission de surface. Le dispositif comprend, depuis un substrat en InP, un empilement comprenant :
- deux couches en InGaAs, encadrant une multicouche semiconductrice, l’ensemble constituant un guide d’onde, la multicouche semiconductrice étant décrite comme une « région active », favorisant l’émission d’un champ électromagnétique (en l’occurrence par cascade quantique) ; et
- un réseau de diffraction en transmission d’ordre deux s’étendant sur la face libre du guide d’onde.
- two layers of InGaAs, framing a semiconductor multilayer, the assembly constituting a waveguide, the semiconductor multilayer being described as an “active region”, promoting the emission of an electromagnetic field (in this case by quantum cascade) ; And
- a diffraction grating in transmission of order two extending on the free face of the waveguide.
Le réseau de diffraction en transmission d’ordre deux favorise l’émission d’une composante normale du champ électromagnétique qui est alors émis par la face libre du guide d’onde, comprenant le réseau de diffraction. C’est la raison pour laquelle ce type de dispositif est dit « à émission de surface ». Les dispositifs basés sur un réseau de diffraction en transmission d’ordre deux montrent en revanche un problème de stabilité des modes guidés, par exemple en fonction de la température.The diffraction grating in second-order transmission promotes the emission of a normal component of the electromagnetic field which is then emitted by the free face of the waveguide, comprising the diffraction grating. This is the reason why this type of device is called “surface emitting”. Devices based on a transmission diffraction grating of order two, on the other hand, show a problem of stability of the guided modes, for example as a function of temperature.
Le document [« Experiment demonstration of high speed 1.3 µm grating assisted surface-emitting DFB lasers » J. Luan & al., Optics Express 25111 Vol. 30, No. 14 (jul. 2022)] résout le problème de stabilité au moyen d’un réseau de diffraction en transmission comprenant trois portions distinctes et présentant des ordres différents (une première portion présentant un ordre deux encadrée par deux portions présentant un ordre un). Les portions d’ordre un permettent de confiner un mode guidé du champ électromagnétique par contreréaction répartie et former ainsi une cavité laser. La portion d’ordre deux réalise l’émission de surface d’une partie du mode guide de manière normale au plan du réseau de diffraction.The document [“Experiment demonstration of high speed 1.3 µm grating assisted surface-emitting DFB lasers” J. Luan & al., Optics Express 25111 Vol. 30, No. 14 (Jul. 2022)] solves the stability problem by means of a transmission diffraction grating comprising three distinct portions and having different orders (a first portion having an order two framed by two portions having an order A). The order one portions make it possible to confine a guided mode of the electromagnetic field by distributed feedback and thus form a laser cavity. The second order portion carries out the surface emission of part of the guide mode normal to the plane of the diffraction grating.
Le document [« High power surface emitting terahertz laser with hybrid second- and fourth-order Bragg gratings » Y. Jin & al., Nat. Commun. 9, 1407 (2018)] divulgue un dispositif se distinguant du précédent en ce que le réseau de diffraction en transmission est dit « hybride » car il présente deux ordres différents mais superposés l’un à l’autre. Il s’agit en l’occurrence des ordres deux et quatre.The document [“High power surface emitting terahertz laser with hybrid second- and fourth-order Bragg gratings” Y. Jin & al., Nat. Common. 9, 1407 (2018)] discloses a device distinguishing itself from the previous one in that the transmission diffraction grating is called “hybrid” because it presents two different orders but superimposed on one another. These are orders two and four.
Les dispositifs à émission de surface posent toutefois de nouveaux problèmes. Par exemple, leur intégration dans un système de mesure existant n’est pas aisée. Elle nécessite, par exemple, le recours à des miroirs pour diriger le faisceau vers le système de mesure. Il existe un besoin de fournir un dispositif à émission de surface dont l’intégration dans un système de mesure puisse être simple.Surface emitting devices, however, pose new problems. For example, their integration into an existing measurement system is not easy. It requires, for example, the use of mirrors to direct the beam towards the measuring system. There is a need to provide a surface emitting device whose integration into a measurement system can be simple.
Pour cela, l’invention concerne un dispositif à émission de surface d’un champ électromagnétique comprenant :
- un guide d’onde, s’étendant dans un plan et comprenant une première face et une deuxième face, opposée à la première face, les première et deuxième faces étant parallèles au plan, le guide d’onde comprenant une région active s’étendant dans le plan et étant configurée pour émettre le champ électromagnétique ; et
- un réseau de diffraction s’étendant sur la première face du guide d’onde,
- a waveguide, extending in a plane and comprising a first face and a second face, opposite the first face, the first and second faces being parallel to the plane, the waveguide comprising an active region extending in the plane and being configured to emit the electromagnetic field; And
- a diffraction grating extending over the first face of the waveguide,
La région active permet d’émettre un champ qui peut se propager dans le guide d’onde. Le réseau de diffraction, interagissant avec le champ électromagnétique (que l’on appellera également simplement « champ »), peut favoriser, selon son ordre de diffraction, l’apparition de :
- une composante contra-propagative du champ se propageant selon la première direction dans le guide d’onde ; et/ou
- une composante du champ se propageant selon une direction hors plan.
- a counter-propagating component of the field propagating in the first direction in the waveguide; and or
- a component of the field propagating in an out-of-plane direction.
La composante contra-propagative du champ peut être induite par un effet de contreréaction répartie du réseau de diffraction sur le champ. Cette composante contra-propagative permet l’établissement de modes stationnaires du champ dans le guide d’onde.The counter-propagating component of the field can be induced by a distributed feedback effect of the diffraction grating on the field. This counter-propagating component allows the establishment of stationary modes of the field in the waveguide.
Par direction hors du plan, on entend une direction présentant un angle supérieur à 20° par rapport au plan dans lequel s’étend le guide d’onde, voire un angle supérieur à 45° par rapport au dit plan, voire de manière encore préférée un angle supérieur à 80° par rapport audit plan.By out-of-plane direction is meant a direction having an angle greater than 20° relative to the plane in which the waveguide extends, or even an angle greater than 45° relative to said plane, or even more preferably an angle greater than 80° relative to said plane.
Un ordre de diffraction égal à deux permet de favoriser principalement la composante hors plan. Un ordre de diffraction supérieur à deux permet de favoriser la composante contra-propagative tout en conservant une composante hors plan. Dans les deux cas, l’émission peut être réalisée selon une direction hors plan. Toutefois, à la différence des dispositifs décrits dans l’art antérieur, le réseau de diffraction réfléchit le champ qui est alors émis uniquement par la deuxième face du guide d’onde. En considérant la première face comme une face « supérieure » et la deuxième face comme une face « inférieure », le dispositif selon l’invention peut donc être appelé « dispositif à émission de surface inférieure ».A diffraction order equal to two mainly favors the out-of-plane component. A diffraction order greater than two makes it possible to favor the counter-propagating component while retaining an out-of-plane component. In both cases, the emission can be carried out in an out-of-plane direction. However, unlike the devices described in the prior art, the diffraction grating reflects the field which is then emitted only by the second face of the waveguide. By considering the first face as an “upper” face and the second face as a “lower” face, the device according to the invention can therefore be called a “lower surface emission device”.
Par réseau de diffraction réfléchissant, on entend que le champ est réfléchi à plus de 50 % par le réseau de diffraction, voire à plus de 70 %, voire de manière préférée, à plus de 90 %. Par face transparente, on entend que la puissance optique est transmise à plus de 50 % par la deuxième face. Ainsi, une part substantielle de la puissance optique générée par le dispositif est transmise par la deuxième face.By reflective diffraction grating, we mean that the field is reflected more than 50% by the diffraction grating, or even more than 70%, or preferably more than 90%. By transparent face, we mean that more than 50% of the optical power is transmitted by the second face. Thus, a substantial part of the optical power generated by the device is transmitted through the second face.
L’injection du champ électromagnétique dans un système optique (tel qu’un système de mesure) peut donc être réalisée par la deuxième face (la face « inférieure »). Un dispositif à émission de surface selon l’invention est donc aisément intégrable dans un système optique car il peut être déposé directement sur le système optique (la deuxième face étant par exemple collée sur une fenêtre optique) ou fabriqué directement sur le système optique (par exemple directement sur une fenêtre optique).The injection of the electromagnetic field into an optical system (such as a measuring system) can therefore be carried out via the second face (the “lower” face). A surface emission device according to the invention can therefore be easily integrated into an optical system because it can be deposited directly on the optical system (the second face being for example glued to an optical window) or manufactured directly on the optical system (for example example directly on an optical window).
Avantageusement, le guide d’onde est délimité par un premier flanc et un deuxième flanc, le deuxième flanc étant opposé au premier flanc, les premier et deuxième flancs étant sensiblement perpendiculaires à une deuxième direction, ladite deuxième direction étant parallèle au plan et parallèle à la première direction, le dispositif comprenant également un premier revêtement conducteur et un deuxième revêtement conducteur, le premier revêtement conducteur s’étendant sur le première flanc et le deuxième revêtement conducteur s’étendant sur le deuxième flanc. Par sensiblement perpendiculaire ou parallèle, on entend respectivement perpendiculaire ou parallèle à +/- 20° près, voire +/- 10° près. Par couche conductrice, on entend par exemple une couche métallique.Advantageously, the waveguide is delimited by a first flank and a second flank, the second flank being opposite the first flank, the first and second flanks being substantially perpendicular to a second direction, said second direction being parallel to the plane and parallel to the first direction, the device also comprising a first conductive coating and a second conductive coating, the first conductive coating extending on the first sidewall and the second conductive coating extending on the second sidewall. By substantially perpendicular or parallel, we mean respectively perpendicular or parallel to within +/- 20°, or even +/- 10°. By conductive layer, we mean for example a metallic layer.
Les première et deuxième couches conductrices permettent de renforcer le confinement du champ électromagnétique dans le guide d’onde selon la deuxième direction en formant une cavité selon la deuxième direction avec une réflectivité élevée. Le réseau de diffraction peut alors également servir de filtre spectral des modes guidés se propageant selon la deuxième direction dans le guide d’onde.The first and second conductive layers make it possible to reinforce the confinement of the electromagnetic field in the waveguide in the second direction by forming a cavity in the second direction with high reflectivity. The diffraction grating can then also serve as a spectral filter for the guided modes propagating in the second direction in the waveguide.
Préférentiellement, le dispositif comprend au moins un espaceur électriquement isolant disposé entre la première couche conductrice et le premier flanc et entre la deuxième couche conductrice et le deuxième flanc. Ainsi, les différentes couches du guide d’onde ne sont pas court-circuitées par les couches conductrices.Preferably, the device comprises at least one electrically insulating spacer disposed between the first conductive layer and the first sidewall and between the second conductive layer and the second sidewall. Thus, the different layers of the waveguide are not short-circuited by the conductive layers.
Avantageusement, le réseau de diffraction s’étend à l’aplomb de la région active du guide d’onde, la région active présentant une longueur, mesurée selon la première direction, et le réseau de diffraction présentant une longueur, également mesurée selon la première direction, la longueur du réseau de diffraction étant sensiblement égale à la longueur de la région active, le réseau présentant, selon la première direction, un ordre de diffraction unique. Par sensiblement égal, on entend égal à +/- 20 %, voire égal à +/- 10%. Par ordre de diffraction unique, on entend par exemple que le réseau de diffraction présente un pas (ou une période) constant à +/- 10 %. Il ne s’agit pas, par exemple, d’une structure présentant différentes portions selon la première direction ou des pas différents superposés les uns aux autres, tel que divulgué par le document [« High power surface emitting terahertz laser with hybrid second- and fourth-order Bragg gratings » Y. Jin & al., Nat. Commun. 9, 1407 (2018)].Advantageously, the diffraction grating extends directly above the active region of the waveguide, the active region having a length, measured in the first direction, and the diffraction grating having a length, also measured in the first direction. direction, the length of the diffraction grating being substantially equal to the length of the active region, the grating presenting, according to the first direction, a single diffraction order. By substantially equal, we mean equal to +/- 20%, or even equal to +/- 10%. By single diffraction order, we mean for example that the diffraction grating has a constant step (or period) of +/- 10%. It is not, for example, a structure having different portions in the first direction or different pitches superimposed on each other, as disclosed by the document [“High power surface emitting terahertz laser with hybrid second- and fourth-order Bragg gratings » Y. Jin & al., Nat. Common. 9, 1407 (2018)].
Avantageusement, la région active présente une largeur, mesurée selon une deuxième direction parallèle au plan et perpendiculaire à la première direction, et le réseau de diffraction présente une largeur, mesurée selon la deuxième direction, la largeur du réseau de diffraction étant sensiblement égale à la largeur de la région active, le réseau présentant, selon la deuxième direction, un autre ordre de diffraction unique et supérieur ou égal à deux.Advantageously, the active region has a width, measured in a second direction parallel to the plane and perpendicular to the first direction, and the diffraction grating has a width, measured in the second direction, the width of the diffraction grating being substantially equal to the width of the active region, the grating presenting, in the second direction, another unique diffraction order greater than or equal to two.
Avantageusement, le réseau de diffraction présente, selon la première direction, un ordre de diffraction supérieur ou égal à trois. Un ordre de diffraction égal à deux permet de favoriser principalement la composante hors plan. Le spectre du champ émis par la deuxième face peut donc être large ou avoir une signature multimode. Un ordre de diffraction supérieur à deux permet de favoriser la composante contra-propagative tout en conservant une composante hors plan. Seules les longueurs d’onde relatives aux modes stationnaires peuvent être émises et le spectre du champ émis par la deuxième face est étroit et monochromatique.Advantageously, the diffraction grating has, in the first direction, a diffraction order greater than or equal to three. A diffraction order equal to two mainly favors the out-of-plane component. The spectrum of the field emitted by the second face can therefore be broad or have a multimode signature. A diffraction order greater than two makes it possible to favor the counter-propagating component while retaining an out-of-plane component. Only wavelengths relating to stationary modes can be emitted and the spectrum of the field emitted by the second face is narrow and monochromatic.
Préférentiellement, la région active émet le champ par émission spontanée et/ou par émission stimulée. Lorsque le champ est émis par émissions spontanée et stimulée, le dispositif peut fonctionner en mode laser. Avantageusement, la région active met en œuvre l’émission du champ par émission inter-bandes ou émission intra-bandes. Préférentiellement, la région active est configurée pour réaliser une cascade quantique.Preferably, the active region emits the field by spontaneous emission and/or by stimulated emission. When the field is emitted by spontaneous and stimulated emissions, the device can operate in laser mode. Advantageously, the active region implements the emission of the field by inter-band emission or intra-band emission. Preferably, the active region is configured to carry out a quantum cascade.
Avantageusement, le champ électromagnétique comprend une longueur d’onde comprise dans [0,8 µm ; 20 µm] et préférentiellement dans [4 µm ; 12 µm].Advantageously, the electromagnetic field comprises a wavelength of [0.8 µm; 20 µm] and preferably in [4 µm; 12 µm].
Avantageusement, le réseau de diffraction comprend une structure périodique et une couche métallique, la structure périodique s’étendant sur la première face du guide d’onde et la couche métallique s’étendant sur la structure périodique. La couche métallique interdit la transmission du champ à travers le réseau de diffraction qui devient donc uniquement réfléchissant. Il permet donc de réorienter le champ diffracté vers la deuxième face (autrement dit, par la face inférieure).Advantageously, the diffraction grating comprises a periodic structure and a metallic layer, the periodic structure extending over the first face of the waveguide and the metallic layer extending over the periodic structure. The metallic layer prevents the transmission of the field through the diffraction grating which therefore becomes only reflective. It therefore makes it possible to reorient the diffracted field towards the second face (in other words, from the lower face).
Avantageusement, le réseau de diffraction présente une épaisseur, mesurée perpendiculairement au plan, supérieure à
Avantageusement, la structure périodique comprend une alternance de premières portions et de deuxièmes portions, les premières portions étant constituées d’un premier matériau semiconducteur présentant un premier indice optique et les deuxièmes portions étant constituées d’un métal ou d’un deuxième matériau, tel qu’un autre matériau semiconducteur ou un gaz, tel que de l’air, présentant un deuxième indice optique différent du premier indice optique. La liberté sur le choix du deuxième matériau permet de sélectionner un matériau s’intégrant facilement dans les procédés technologiques de fabrication du réseau.Advantageously, the periodic structure comprises an alternation of first portions and second portions, the first portions being made up of a first semiconductor material having a first optical index and the second portions being made up of a metal or a second material, such as as another semiconductor material or a gas, such as air, having a second optical index different from the first optical index. Freedom in the choice of the second material makes it possible to select a material that can easily be integrated into the network's technological manufacturing processes.
Les premières portions de la structure périodique sont, par exemple, des lignes ou des plots.The first portions of the periodic structure are, for example, lines or plots.
Avantageusement, la couche métallique comprend des portions, chaque portion de la couche métallique recouvrant une des premières portions de la structure périodique.Advantageously, the metal layer comprises portions, each portion of the metal layer covering one of the first portions of the periodic structure.
Alternativement, la couche métallique est continue.Alternatively, the metal layer is continuous.
Avantageusement, le guide d’onde comprend une première couche semiconductrice à base du premier matériau semiconducteur constituant les premières portions de la structure périodique, la première couche semiconductrice s’étendant de la région active jusqu’à la première face. Préférentiellement, la première couche semiconductrice est dopée.Advantageously, the waveguide comprises a first semiconductor layer based on the first semiconductor material constituting the first portions of the periodic structure, the first semiconductor layer extending from the active region to the first face. Preferably, the first semiconductor layer is doped.
Avantageusement, le guide d’onde du dispositif comprend une deuxième couche semiconductrice s’étendant de la région active du guide d’onde jusqu’ à la deuxième face du guide d’onde, l’épaisseur la deuxième couche semiconductrice, mesurée perpendiculairement au plan, est comprise entre 2 µm et 100 µm et préférentiellement comprise entre 2 µm et 40 µm.Advantageously, the waveguide of the device comprises a second semiconductor layer extending from the active region of the waveguide to the second face of the waveguide, the thickness of the second semiconductor layer, measured perpendicular to the plane , is between 2 µm and 100 µm and preferably between 2 µm and 40 µm.
L’invention concerne également un système optique, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif à émission de surface d’un champ électromagnétique selon l’invention et une fenêtre optique transparente au champ électromagnétique, la deuxième face du guide d’onde du dispositif à émission de surface s’étendant sur la fenêtre optique.The invention also relates to an optical system, characterized in that it comprises a device for surface emission of an electromagnetic field according to the invention and an optical window transparent to the electromagnetic field, the second face of the waveguide of the device with surface emission extending over the optical window.
Avantageusement, le système comprend également un régulateur thermique configuré pour réguler la température du guide d’onde du dispositif lorsque le dispositif fonctionne en un régime stationnaire.Advantageously, the system also includes a thermal regulator configured to regulate the temperature of the waveguide of the device when the device operates in a steady state.
Préférentiellement, le régulateur thermique est configuré pour réguler la température du guide d’onde à 0,1 °C près.Preferably, the thermal regulator is configured to regulate the temperature of the waveguide to within 0.1°C.
Alternativement, le régulateur thermique est configuré pour que la variation temporelle de la température du système soit inférieure à 0,1 °C/s lors du fonctionnement du dispositif.Alternatively, the thermal regulator is configured so that the temporal variation of the system temperature is less than 0.1 °C/s during operation of the device.
L’invention concerne en outre un procédé de fabrication du dispositif à émission de surface selon l’invention, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- former un guide d’onde, s’étendant dans un plan et comprenant une première face et une deuxième face, opposée à la première face, les première et deuxième faces étant parallèles au plan, le guide d’onde comprenant une région active s’étendant dans le plan et configurée pour émettre un champ électromagnétique, la deuxième face étant transparente ;
- former un réseau de diffraction s’étendant sur la première face du guide d’onde, le réseau de diffraction étant réfléchissant et présentant, selon une première direction parallèle au plan, un ordre de diffraction supérieur ou égal à deux.
- form a waveguide, extending in a plane and comprising a first face and a second face, opposite the first face, the first and second faces being parallel to the plane, the waveguide comprising an active region extending in the plane and configured to emit an electromagnetic field, the second face being transparent;
- form a diffraction grating extending on the first face of the waveguide, the diffraction grating being reflective and having, in a first direction parallel to the plane, a diffraction order greater than or equal to two.
Avantageusement, le procédé comprend, avant la formation du réseau de diffraction, une étape d’optimisation d’un taux de couplage du réseau de diffraction avec le champ électromagnétique émis par la région active. Les paramètres opto-géométriques du réseau (tels que sa profondeur et/ou sa largeur et/ou sa longueur) sont optimisés numériquement pour obtenir une forte réflectivité et un taux de couplage optimal par la face inférieure. Cette optimisation permet ainsi de coupler un maximum de puissance optique dans le système optique.Advantageously, the method comprises, before the formation of the diffraction grating, a step of optimizing a coupling rate of the diffraction grating with the electromagnetic field emitted by the active region. The opto-geometric parameters of the grating (such as its depth and/or its width and/or its length) are digitally optimized to obtain high reflectivity and an optimal coupling rate from the underside. This optimization thus makes it possible to couple maximum optical power into the optical system.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.The invention and its various applications will be better understood on reading the following description and examining the accompanying figures.
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.The figures are presented for information purposes only and in no way limit the invention. Unless otherwise specified, the same element appearing in different figures presents a unique reference.
La
Le guide d’onde 11 s’étend dans un plan P. Il s’agit d’un plan dans lequel s’étendent une première direction X et une deuxième direction Y. Le guide d’onde 11 comprend une première face 11a et une deuxième face 11b, opposée à la première face 11b. On peut également appeler la première face 11a « face supérieure » et la deuxième face 11b « face inférieure ». Les premières et deuxième faces 11a, 11b s’étendent parallèlement au plan P. La première face 11a est par exemple orientée selon une troisième direction Z, perpendiculaire au plan P, et la deuxième face 11b est orientée selon la même direction mais dans un sens opposé.The waveguide 11 extends in a plane P. This is a plane in which a first direction X and a second direction Y extend. The waveguide 11 comprises a first face 11a and a second face 11b, opposite the first face 11b. We can also call the first face 11a “upper face” and the second face 11b “lower face”. The first and second faces 11a, 11b extend parallel to the plane P. The first face 11a is for example oriented in a third direction Z, perpendicular to the plane P, and the second face 11b is oriented in the same direction but in one direction opposite.
Le guide d’onde 11 comprend également une région active 110. La région active 110 est une portion du guide d’onde 11 configurée pour émettre un champ électromagnétique (appelé simplement « champ »). La région active 110 est par exemple configurée pour que l’émission soit spontanée et/ou stimulée. Dans ce dernier cas, la région active pourrait également être appelée « milieu amplificateur » car elle peut permettre au dispositif 1 de fonctionner en mode laser. La région active 110 est par exemple un empilement de sous-couches, telles que [InGaAs/AlInAs]×N, où N est le nombre de paires de sous-couches InGaAS/AlInAs, par exemple égal à cent. De la sorte, la région active 110 est configurée pour réaliser une émission spontanée et stimulée.The waveguide 11 also includes an active region 110. The active region 110 is a portion of the waveguide 11 configured to emit an electromagnetic field (simply called “field”). The active region 110 is for example configured so that the emission is spontaneous and/or stimulated. In the latter case, the active region could also be called “amplifying medium” because it can allow device 1 to operate in laser mode. The active region 110 is for example a stack of sublayers, such as [InGaAs/AlInAs]×N, where N is the number of pairs of InGaAS/AlInAs sublayers, for example equal to one hundred. In this way, the active region 110 is configured to carry out spontaneous and stimulated emission.
La région active peut présenter une épaisseur W1 10, mesurée perpendiculairement au plan P, pouvant être comprise entre 1 µm et 5 µm et préférentiellement entre 1,5 µm et 2,5 µm.The active region may have a thickness W 1 10 , measured perpendicular to the plane P, which may be between 1 µm and 5 µm and preferably between 1.5 µm and 2.5 µm.
La région active 110 est préférentiellement encadrée par deux couches semiconductrices 111, 112, s’étendant parallèlement au plan P. Une première couche semiconductrice 111, qui peut être appelée « revêtement supérieur » ou « top cladding » en anglais, s’étend sur la région active 110 et préférentiellement directement contre la région active 110. Dans ce mode de réalisation, la face du revêtement supérieur 111 qui est opposée à la région active 110 est alors avantageusement la première face 11a. Une deuxième couche semiconductrice 112, qui peut être appelée « revêtement inférieur » ou « bottom cladding » en anglais, s’étend également sur la région active 110 et préférentiellement contre la région active 110. La face du revêtement inférieur 112 qui est opposée à la région active 110 est alors avantageusement la deuxième face 11b.The active region 110 is preferably framed by two semiconductor layers 111, 112, extending parallel to the plane P. A first semiconductor layer 111, which can be called "top cladding" in English, extends over the active region 110 and preferably directly against the active region 110. In this embodiment, the face of the upper coating 111 which is opposite the active region 110 is then advantageously the first face 11a. A second semiconductor layer 112, which can be called "bottom cladding" or "bottom cladding" in English, also extends over the active region 110 and preferably against the active region 110. The face of the lower coating 112 which is opposite the active region 110 is then advantageously the second face 11b.
Les revêtements supérieur et inférieur 111, 112 peuvent permettre le guidage du champ dans le guide d’onde 11. Pour cela, ils présentent avantageusement des indices optiques (également appelés indices de réfraction) strictement inférieurs à l’indice optique moyen de la région active 110.The upper and lower coatings 111, 112 can allow the field to be guided in the waveguide 11. For this, they advantageously have optical indices (also called refractive indices) strictly lower than the average optical index of the active region 110.
Le revêtement supérieur 111 présente une épaisseur, mesurée perpendiculairement au plan P, pouvant être comprise entre 1 µm et 2 µm. Le revêtement inférieur 112 présente une épaisseur, mesurée perpendiculairement au plan P, pouvant être comprise entre 2 µm et 100 µm et préférentiellement entre 2 µm et 40 µm.The upper coating 111 has a thickness, measured perpendicular to the plane P, which can be between 1 µm and 2 µm. The lower coating 112 has a thickness, measured perpendicular to the plane P, which can be between 2 µm and 100 µm and preferably between 2 µm and 40 µm.
Le revêtement inférieur 112 est par exemple une hétérostructure semiconductrice de type III-V, c’est-à-dire des matériaux rangés dans les groupes III B et V B du tableau périodique des éléments (qui, selon une autre convention, correspond aux colonnes 13 et 15 du tableau périodique des éléments). Ledit revêtement 112 est par exemple formé à partir de InP. Le revêtement inférieur 112 peut également être dopé, par exemple de type n, c’est-à-dire avec des impuretés jouant le rôle de donneurs électronique. Le revêtement inférieur 112 est par exemple dopé à partir de soufre.The lower coating 112 is for example a semiconductor heterostructure of type III-V, that is to say materials classified in groups III B and V B of the periodic table of the elements (which, according to another convention, corresponds to columns 13 and 15 of the periodic table of elements). Said coating 112 is for example formed from InP. The lower coating 112 can also be doped, for example n-type, that is to say with impurities acting as electronic donors. The lower coating 112 is for example doped with sulfur.
Le revêtement supérieur 111 peut être, de la même façon que le revêtement inférieur 112, une hétérostructure semiconductrice de type III-V, telle que le InP. De la même façon, le revêtement supérieur 111 peut être dopé, par exemple de type n.The upper coating 111 can be, in the same way as the lower coating 112, a type III-V semiconductor heterostructure, such as InP. In the same way, the upper coating 111 can be doped, for example n-type.
Dans le mode de réalisation de la
La longueur L11du guide d’onde 11 peut être comprise entre 1000 µm et 5000 µm. Selon un mode de réalisation, la longueur L11et la largeur du guide d’onde 11 peuvent être égales, par exemple à 10% près. Ainsi, vu de dessus, la première face 11a peut présenter une forme carrée. Alternativement, la longueur L11du guide d’onde 11 peut être supérieure à la largeur du guide d’onde 11 et par exemple supérieure à deux fois la largeur du guide d’onde 11, voire supérieure à cent fois la largeur du guide d’onde. On parle dans ce cas de guide d’onde de type crête ou « ridge » en anglais. Par exemple, la largeur du guide d’onde (non représentée sur la figure) peut être comprise entre 10 µm et 50 µm.The length L 11 of the waveguide 11 can be between 1000 µm and 5000 µm. According to one embodiment, the length L 11 and the width of the waveguide 11 can be equal, for example to within 10%. Thus, seen from above, the first face 11a can have a square shape. Alternatively, the length L 11 of the waveguide 11 can be greater than the width of the waveguide 11 and for example greater than twice the width of the waveguide 11, or even greater than a hundred times the width of the guide d 'wave. In this case, we speak of a ridge type waveguide. For example, the width of the waveguide (not shown in the figure) can be between 10 µm and 50 µm.
La région active 110 présente une longueur L110, mesurée selon la première direction X, sensiblement égale à la longueur du L11du guide d’onde 11. De la même manière, la région active 110 présente une largeur, mesurée selon la deuxième direction Y, sensiblement égale à la largeur du guide d’onde 11. Par sensiblement égale, on entend égale à 20 % près, voire 10 % près. Des flancs, perpendiculaires au plan P délimitent par exemple le guide d’onde 11 et la région active 110.The active region 110 has a length L 110 , measured in the first direction Y, substantially equal to the width of the waveguide 11. By substantially equal, we mean equal to within 20%, or even within 10%. Flanks, perpendicular to the plane P, delimit for example the waveguide 11 and the active region 110.
Le réseau de diffraction 12 s’étend sur la première face 11a du guide d’onde 11. Dans le mode de réalisation de la
Le réseau de diffraction 12 peut présenter une longueur L12et une largeur. La longueur du réseau de diffraction 12 est par exemple mesurée selon la première direction X. La largeur du réseau de diffraction 12 est par exemple mesurée selon la deuxième direction Y, perpendiculaire à la première direction X. La longueur L12et la largeur du réseau de diffraction 12 sont avantageusement choisie de sorte que le réseau de diffraction 12 recouvre totalement la région active 110. En d’autres termes, les longueurs et largeurs du réseau de diffraction 12 sont, respectivement, sensiblement égales aux longueurs et largeurs de la région active 110. De la sorte, le réseau de diffraction 12 peut être couplé de manière homogène au champ émis par la région active 110. Il permet par exemple de fournir une contreréaction répartie homogène sur toute la longueur L110de la région active 110.The diffraction grating 12 may have a length L 12 and a width. The length of the diffraction grating 12 is for example measured along the first direction X. The width of the diffraction grating 12 is for example measured along the second direction Y, perpendicular to the first direction diffraction grating 12 are advantageously chosen so that the diffraction grating 12 completely covers the active region 110. In other words, the lengths and widths of the diffraction grating 12 are, respectively, substantially equal to the lengths and widths of the active region 110. In this way, the diffraction grating 12 can be coupled homogeneously to the field emitted by the active region 110. It makes it possible, for example, to provide a homogeneous distributed counter-reaction over the entire length L 110 of the active region 110.
Le dispositif 1 est remarquable d’une part en ce que la deuxième face 11b du guide d’onde est transparente au champ qui peut être émis par la région active 110. Par transparente, on entend que la face 11b présente une fenêtre spectrale de transmission et que cette fenêtre spectrale de transmission correspond à une partie au moins du spectre du champ qui peut être émis par la région active 110.The device 1 is remarkable on the one hand in that the second face 11b of the waveguide is transparent to the field which can be emitted by the active region 110. By transparent, we mean that the face 11b presents a spectral transmission window and that this transmission spectral window corresponds to at least part of the spectrum of the field which can be emitted by the active region 110.
Le dispositif 1 est remarquable d’autre part en ce que le réseau de diffraction 12 est réfléchissant et en ce qu’il présente un ordre de diffraction, selon la première direction X, supérieur ou égal à deux. Par réfléchissant, on entend qu’au moins 50 % du champ est réfléchi par le réseau de diffraction 12. L’ordre de diffraction supérieur ou égal à deux selon la direction X implique que le champ se propageant selon la première direction X, se couple au réseau de diffraction et induit une composante du champ qui se propage hors du plan P, c’est-à-dire selon +Z et/ou -Z. Puisque le réseau de diffraction 12 réfléchit la composante du champ se propageant selon +Z, ladite composante du champ est donc orientée vers la deuxième face 11b. Le dispositif 1 peut donc réaliser une émission par la deuxième surface 11b.The device 1 is also remarkable in that the diffraction grating 12 is reflective and in that it has a diffraction order, in the first direction X, greater than or equal to two. By reflective, we mean that at least 50% of the field is reflected by the diffraction grating 12. The diffraction order greater than or equal to two in the direction to the diffraction grating and induces a component of the field which propagates outside the plane P, that is to say along +Z and/or -Z. Since the diffraction grating 12 reflects the component of the field propagating along +Z, said component of the field is therefore oriented towards the second face 11b. The device 1 can therefore carry out emission via the second surface 11b.
Avantageusement, le réseau de diffraction 12 comprend une structure périodique 121. La structure périodique 121 est par exemple une couche s’étendant sur la première face 11a du guide d’onde 11. Couplée avec le champ émis par la région active 110, elle induit les effets de diffraction. Le taux de couplage entre le champ et le réseau de diffraction 12 est avantageusement compris entre 10 cm-1et 100 cm-1.Advantageously, the diffraction grating 12 comprises a periodic structure 121. The periodic structure 121 is for example a layer extending over the first face 11a of the waveguide 11. Coupled with the field emitted by the active region 110, it induces diffraction effects. The coupling rate between the field and the diffraction grating 12 is advantageously between 10 cm -1 and 100 cm -1 .
La structure périodique 121 comprend par exemple des premières portions 1211 et des deuxièmes portions 1212. Ces premières et deuxièmes portions 1211, 1212 sont agencées périodiquement et forment une alternance selon la première direction X et selon la deuxième direction Y le cas échéant.The periodic structure 121 comprises for example first portions 1211 and second portions 1212. These first and second portions 1211, 1212 are arranged periodically and form an alternation in the first direction X and in the second direction Y where appropriate.
Par exemple, les premières et deuxièmes portions 1211, 1212 peuvent être des lignes, orientées selon la deuxième direction Y. Lesdites lignes sont agencées les unes à côtés des autres selon la première direction X de manière à former une alternance selon la première direction X. Autrement dit, elles forment deux peignes imbriqués l’un dans l’autre. La
Selon un autre exemple, les premières portions 1211 sont des plots agencés selon un maillage rectangulaire. Les deuxièmes portions 1212 sont des tores, entourant chaque plot 1211 et remplissant l’espace entre les plots 1211. Selon une variante de cet exemple, les plots 1211 peuvent présenter une grande longueur selon la première direction X et une petite longueur selon la deuxième direction Y ou inversement.According to another example, the first portions 1211 are pads arranged in a rectangular mesh. The second portions 1212 are tori, surrounding each pad 1211 and filling the space between the pads 1211. According to a variant of this example, the pads 1211 can have a long length in the first direction Y or vice versa.
Les premières portions 1211 sont constituées d’un premier matériau semiconducteur présentant un premier indice optique. Le premier matériau semiconducteur est par exemple un matériau semiconducteur de type III-V, tel que l’InP. Il peut également s’agit du même matériau que le revêtement supérieur 111. Les deuxièmes portions 1212 sont constituées d’un deuxième matériau ou d’un métal. Le deuxième matériau peut être un autre matériau semiconducteur ou un gaz, tel que de l’air. Dans ce cas il présente un deuxième indice optique différent du premier indice optique.The first portions 1211 are made up of a first semiconductor material having a first optical index. The first semiconductor material is for example a type III-V semiconductor material, such as InP. It may also be the same material as the upper covering 111. The second portions 1212 are made of a second material or a metal. The second material may be another semiconductor material or a gas, such as air. In this case it has a second optical index different from the first optical index.
Le réseau de diffraction 12 présente avantageusement, selon la première direction X, un ordre de diffraction unique. C’est-à-dire que la période A (ou « pas ») avec laquelle sont agencées les premières portions 1211 est constante sur toute la longueur L12du réseau 12. Les premières portions 1211 présentent alors avantageusement toutes une même largeur A1211, mesurée selon la première direction X. Les deuxièmes portions 1212, séparant les premières portions 1211, peuvent également présenter une même largeur A1212, également mesurée selon la première direction X. La période A d’agencement des premières portions 1211, qui correspond à la période du réseau de diffraction 12 selon la première direction X est donc égale à A1211+A1212. Un ordre de diffraction unique signifie que la période A est constante sur toute la longueur L12du réseau de diffraction.The diffraction grating 12 advantageously presents, in the first direction X, a single diffraction order. That is to say that the period A (or "step") with which the first portions 1211 are arranged is constant over the entire length L 12 of the network 12. The first portions 1211 then advantageously all have the same width A 1211 , measured in the first direction the period of the diffraction grating 12 in the first direction X is therefore equal to A 1211 +A 1212 . A single diffraction order means that the period A is constant over the entire length L 12 of the diffraction grating.
La région active 110 est préférentiellement configurée pour émettre dans la gamme infrarouge, c’est-à-dire dans une gamme [0,8 µm ; 20 µm] ou préférentiellement [4µm ; 12 µm]. De telles longueurs d’onde impliquent une période A du réseau 12 de l’ordre du micromètre au moins. Un réseau de diffraction 12 applicable au spectre infrarouge est également plus simple à réaliser qu’un réseau présentant une période bien inférieure (par exemple dans le spectre bleu ou ultraviolet).The active region 110 is preferably configured to emit in the infrared range, that is to say in a range [0.8 µm; 20 µm] or preferably [4 µm; 12 µm]. Such wavelengths imply a period A of the network 12 of the order of a micrometer at least. A diffraction grating 12 applicable to the infrared spectrum is also simpler to produce than a grating having a much lower period (for example in the blue or ultraviolet spectrum).
Le réseau de diffraction 12 comprend également une couche métallique 122 qui s’étend sur la structure périodique 121 et préférentiellement sur toute la structure périodique 121. Elle est par exemple constituée de Ti ou Au. L’effet réfléchissant du réseau de diffraction 12 peut d’ailleurs être fourni par la couche métallique 122 s’étendant sur la structure périodique 121. La couche métallique peut empêcher la transmission du champ à travers le réseau de diffraction 12. La couche métallique 12 s'étend notamment sur chaque première portion 1211 de la structure périodique 121. De la sorte elle empêche la transmission du champ à travers les premières portions 1211.The diffraction grating 12 also includes a metal layer 122 which extends over the periodic structure 121 and preferably over the entire periodic structure 121. It is for example made of Ti or Au. The reflective effect of the diffraction grating 12 can also be provided by the metal layer 122 extending over the periodic structure 121. The metal layer can prevent the transmission of the field through the diffraction grating 12. The metal layer 12 extends in particular over each first portion 1211 of the periodic structure 121. In this way it prevents the transmission of the field through the first portions 1211.
Le mode de réalisation de la
La couche métallique 122 peut également s’étendre au-delà de la structure périodique 121 car elle peut également être utilisée en tant qu’électrode de contact du dispositif 1. Elle peut permettre d’appliquer un champ électrique de manière uniforme sur la région active 110 afin d’injecter des porteurs dans la région active 110. Les porteurs peuvent se désexciter en émettant des photons dans la région active 110.The metal layer 122 can also extend beyond the periodic structure 121 because it can also be used as a contact electrode of the device 1. It can make it possible to apply an electric field uniformly to the active region. 110 in order to inject carriers into the active region 110. The carriers can de-excite by emitting photons in the active region 110.
La couche métallique 122 permet également d’améliorer le confinement du champ dans le guide d’onde 11 grâce à l’interaction plasmonique du champ avec le métal.The metal layer 122 also makes it possible to improve the confinement of the field in the waveguide 11 thanks to the plasmonic interaction of the field with the metal.
Selon une variante, le réseau de diffraction 12 peut être configuré de sorte qu’il présente, selon la deuxième direction Y, perpendiculaire à la première direction X, un ordre supérieur ou égal à deux également. Ainsi le champ se propageant selon la deuxième direction Y, se couple également au réseau de diffraction et induit une composante du champ qui se propage également hors du plan P, c’est-à-dire selon +Z et/ou -Z. Cette variante peut être obtenue lorsque les premières portions 1211 de la structure périodique 121 sont des plots agencés selon un maillage rectangulaire. Cette variante est avantageuse lorsque la largeur et la longueur de la région active (et donc du réseau de diffraction) sont sensiblement égales, par exemple à 20 % près. En revanche, si la longueur de la région active 110 est très supérieure à sa largeur, par exemple 20 fois supérieure à sa largeur (guide de type « ridge »), il est préférable que le réseau de diffraction 12 ne présente un ordre que selon la première direction X et aucun ordre selon la deuxième direction Y. En d’autres termes, les premières portions 1211 de la structure périodique 121 peuvent être des lignes alignées selon la deuxième direction Y et réparties selon la première direction X.According to a variant, the diffraction grating 12 can be configured so that it has, in the second direction Y, perpendicular to the first direction X, an order greater than or equal to two as well. Thus the field propagating along the second direction Y also couples to the diffraction grating and induces a component of the field which also propagates outside the plane P, that is to say along +Z and/or -Z. This variant can be obtained when the first portions 1211 of the periodic structure 121 are pads arranged in a rectangular mesh. This variant is advantageous when the width and length of the active region (and therefore of the diffraction grating) are substantially equal, for example to within 20%. On the other hand, if the length of the active region 110 is much greater than its width, for example 20 times greater than its width (“ridge” type guide), it is preferable that the diffraction grating 12 only presents an order according to the first direction
S’il y a lieu, le réseau de diffraction 12 peut également présenter, selon la deuxième direction Y, un ordre de diffraction unique. Les périodes d’agencement des premières et deuxièmes portions selon les premières et deuxièmes directions X et Y sont alors constantes dans les deux directions. Elles peuvent toutefois être différentes, de sorte que l’ordre selon la première direction X soit différent de l’ordre selon la deuxième direction Y.If necessary, the diffraction grating 12 can also present, in the second direction Y, a single diffraction order. The periods of arrangement of the first and second portions according to the first and second directions X and Y are then constant in the two directions. They can, however, be different, so that the order according to the first direction X is different from the order according to the second direction Y.
Le confinement latéral du champ peut également être apportés par des couches conductrices s’étendant sur les flancs du guide d’onde 11. Le guide d’onde 11 est, par exemple, délimité par un premier flanc et un deuxième flanc, opposés l’un à l’autre. Les premier et deuxième flancs sont par exemple sensiblement perpendiculaires à la deuxième direction Y. On parle alors de « flancs latéraux » ou « facettes latérales ». Le dispositif 1 comprend des première et deuxième couches conductrices qui s’étendent respectivement sur les premier et deuxième flancs. Les couches conductrices sont par exemple des couches métalliques en Ti ou Au, s’étendant perpendiculairement au plan P. Elles forment une cavité selon la deuxième direction Y de propagation et permettent de confiner le champ selon la deuxième direction Y.The lateral confinement of the field can also be provided by conductive layers extending on the sides of the waveguide 11. The waveguide 11 is, for example, delimited by a first side and a second side, opposite the one to the other. The first and second flanks are for example substantially perpendicular to the second direction Y. We then speak of “lateral flanks” or “lateral facets”. The device 1 comprises first and second conductive layers which extend respectively on the first and second sides. The conductive layers are for example metallic layers of Ti or Au, extending perpendicular to the plane P. They form a cavity in the second direction Y of propagation and make it possible to confine the field in the second direction Y.
Afin d’éviter un court-circuit au sein du guide d’onde (par exemple un court-circuit du revêtement supérieur 111 avec le revêtement inférieur 112), le dispositif 1 comprend avantageusement au moins un espaceur électriquement isolant. Il s’agit par exemple d’une couche diélectrique. Chaque espaceur est par exemple disposé sur les flancs latéraux, entre les couches conductrices et les flancs latéraux.In order to avoid a short circuit within the waveguide (for example a short circuit of the upper coating 111 with the lower coating 112), the device 1 advantageously comprises at least one electrically insulating spacer. This is, for example, a dielectric layer. Each spacer is for example arranged on the side walls, between the conductive layers and the side walls.
Le dispositif 1 peut également comprendre des troisième et quatrième couches conductrices permettant de contribuer au confinement du champ selon la première direction. Elles s’étendent par exemple sur, respectivement, un troisième et quatrième flancs, délimitant le guide d’onde 11 selon la première direction X. Les troisième et quatrième flancs peuvent être appelés « facette avant » et « facette arrière ». Les troisième et quatrième flancs sont par exemple perpendiculaires à la première direction X. Chaque espaceur est alors avantageusement disposé sur les troisième et quatrième flancs, entre les troisième et quatrième couches conductrices et les troisième et quatrième flancs de manière à éviter tout court-circuit.The device 1 can also include third and fourth conductive layers making it possible to contribute to the confinement of the field in the first direction. They extend for example on, respectively, a third and fourth flanks, delimiting the waveguide 11 in the first direction X. The third and fourth flanks can be called "front facet" and "rear facet". The third and fourth sides are for example perpendicular to the first direction X. Each spacer is then advantageously arranged on the third and fourth sides, between the third and fourth conductive layers and the third and fourth sides so as to avoid any short circuit.
Les
Afin de faciliter l’interprétation des résultats, la simulation considère uniquement un train d’onde émis par la région active 110 en X = 0 µm et se propageant selon les X croissants avec un vecteur d’onde kXpositif. Dans la réalité, le champ émis se propageant dans les deux sens. La simulation est arrêtée lorsque le train d’onde atteint 1450 µm (la
La
On observe, dans la
La présence de la couche métallique 122 réfléchit le rayonnement se propageant avec un vecteur +kZ, ce qui fait que le dispositif 1 présenté n’émet que par la surface inférieure 11b. En l’absence de la couche métallique 122, le dispositif 1 émettrait également un champ selon +kZ. Le dispositif modélisé des
La
L’intensité I33mesurée par le troisième capteur 33 augmente en fonction du temps et à mesure que le train d’onde initial (se propageant selon +kX) se déplace. Le régime transitoire illustré par la
Les conditions opératoires et structurelles de la simulation ont été choisie pour mettre en évidence la propagation du champ vers la face inférieure 11b. Un ajustement des paramètres du réseau de diffraction 11 pourrait permettre d’augmenter la contre-réaction du réseau 12 sur le champ se propageant dans le guide 11. Elle pourrait également permettre de diminuer le taux de couplage du champ, tout en assurant que la majeure partie de la puissance optique véhiculée par le champ serait dirigée vers la face inférieure 11b (et vers un point d’intérêt ensuite).The operational and structural conditions of the simulation were chosen to highlight the propagation of the field towards the lower face 11b. An adjustment of the parameters of the diffraction grating 11 could make it possible to increase the counter-reaction of the grating 12 on the field propagating in the guide 11. It could also make it possible to reduce the coupling rate of the field, while ensuring that the major part of the optical power conveyed by the field would be directed towards the lower face 11b (and then towards a point of interest).
La
Une simulation réalisée au moyen du même modèle numérique montre que l’intensité du champ se propageant normalement au plan du réseau 12 dépend également de l’épaisseur W121de la structure périodique 121. Plus son épaisseur W1 21est élevée et meilleur est le couplage entre le réseau 12 et le champ E. Le réseau de diffraction 12 présente une épaisseur préférentiellement supérieure à
Un procédé de fabrication du dispositif 1 peut comprendre, en premier lieu, une étape de formation du guide d’onde 11. Le guide d’onde 11 peut être formé à partir d’un système optique, par exemple sur une fenêtre optique. La fabrication du guide d’onde 11 comprend par exemple la formation du revêtement inférieur 112, suivi de la formation de la région active 110, suivi de la formation du revêtement supérieur 111. Ces couches sont par exemple réalisées par épitaxie par jet moléculaire ou dépôt chimique par phase vapeur utilisant des précurseurs métallo-organiques (dite « MOCVD » en anglais pour « Metal Organic Chemical Vapor Deposition »). Une étape de gravure peut compléter être mise en œuvre afin de délimiter le guide d’onde 11.A method of manufacturing the device 1 may comprise, firstly, a step of forming the waveguide 11. The waveguide 11 may be formed from an optical system, for example on an optical window. The manufacture of the waveguide 11 comprises for example the formation of the lower coating 112, followed by the formation of the active region 110, followed by the formation of the upper coating 111. These layers are for example produced by molecular beam epitaxy or deposition chemical vapor phase using metal-organic precursors (called “MOCVD” in English for “Metal Organic Chemical Vapor Deposition”). An etching step can be implemented in order to delimit the waveguide 11.
La couche de revêtement inférieur 112, par exemple en InP, peut également être réalisée dans une étape préliminaire puis collée sur un substrat, par exemple en Si, ou une fenêtre optique, par exemple en Si, par collage moléculaire. Les autres couches 110, 111 sont ensuite réalisées à partir du revêtement inférieur 111. Le collage moléculaire peut offrir un bon état de surface de la deuxième face 11b du guide d’onde 11 et permet ainsi d’éviter la mise en œuvre d’un traitement anti-reflet.The lower coating layer 112, for example in InP, can also be produced in a preliminary step then bonded to a substrate, for example in Si, or an optical window, for example in Si, by molecular bonding. The other layers 110, 111 are then produced from the lower coating 111. Molecular bonding can provide a good surface condition of the second face 11b of the waveguide 11 and thus makes it possible to avoid the implementation of a anti-reflective treatment.
Le procédé de fabrication du dispositif 1 peut comprendre, subséquemment à la formation du guide d’onde 11, la formation du réseau de diffraction 12, sur la première face 11a du guide d’onde 11. La structure périodique 121 peut être fabriquée sur la première face 11a du guide d’onde 11, par exemple sur le revêtement supérieur 111. De manière avantageuse, la structure périodique 121 peut être gravée directement dans le revêtement supérieur 111, en formant par exemple une série de tranchées parallèles les unes aux autres et réparties selon la première direction X. La couche métallique 122, déposée dans un deuxième temps, vient par exemple remplir ces tranchées de métal. Le revêtement supérieur 111 est alors un peu plus épais afin de tenir compte de l’épaisseur W121finale de la structure périodique 121.The method of manufacturing the device 1 may include, subsequent to the formation of the waveguide 11, the formation of the diffraction grating 12, on the first face 11a of the waveguide 11. The periodic structure 121 can be manufactured on the first face 11a of the waveguide 11, for example on the upper coating 111. Advantageously, the periodic structure 121 can be etched directly in the upper coating 111, for example by forming a series of trenches parallel to each other and distributed along the first direction X. The metal layer 122, deposited in a second step, for example fills these trenches with metal. The upper coating 111 is then a little thicker in order to take into account the final thickness W 121 of the periodic structure 121.
Alternativement, un autre matériau semiconducteur peut être déposé dans ces tranchées. Après une étape de planarisation, la couche métallique 122 est déposée sur la structure périodique 121.Alternatively, another semiconductor material can be deposited in these trenches. After a planarization step, the metal layer 122 is deposited on the periodic structure 121.
Selon une autre alternative, la couche métallique 122 peut être déposée directement sur le revêtement supérieur 111 et les tranchées sont réalisées ensuite dans le revêtement supérieur 111, à travers la couche métallique 122. Ainsi, les premières portions 1211 de la structure périodique 121 sont formées par des portions du revêtement supérieur 111 disposées sous les portions de la couche métallique 122 et encadrées par deux tranchées. Les portions de la couche métallique disposées sur les premières portions 1211 de la structure périodique 121 permettent de bloquer la transmission du champ à travers le réseau 12 et de rediriger le faisceau laser vers la face inférieure 11b (ou un point d’intérêt ou un système optique s’il y a lieu).According to another alternative, the metal layer 122 can be deposited directly on the upper coating 111 and the trenches are then made in the upper coating 111, through the metal layer 122. Thus, the first portions 1211 of the periodic structure 121 are formed by portions of the upper covering 111 placed under the portions of the metal layer 122 and framed by two trenches. The portions of the metal layer arranged on the first portions 1211 of the periodic structure 121 make it possible to block the transmission of the field through the network 12 and to redirect the laser beam towards the lower face 11b (or a point of interest or a system optical if applicable).
Les paramètres du réseau de diffraction 12, tels que l’épaisseur W121de la structure périodique 121, les matériaux constituant les premières et deuxièmes portions 1211, 1212 de la structure périodique 121 ou encore le rapport cyclique D du réseau, peuvent avoir une influence sur le couplage entre le réseau de diffraction 12 et le champ émis par la région active 110. Le procédé de fabrication comprend alors avantageusement une étape d’optimisation d’un taux de couplage du réseau de diffraction 12 avec le champ émis par la région active 110. Cette étape d’optimisation intervient préférentiellement avant la formation du réseau de diffraction 12. Le taux de couplage attendu est par exemple compris entre 10 cm-1et 100 cm-1.The parameters of the diffraction grating 12, such as the thickness W 121 of the periodic structure 121, the materials constituting the first and second portions 1211, 1212 of the periodic structure 121 or even the duty cycle D of the grating, can have an influence on the coupling between the diffraction grating 12 and the field emitted by the active region 110. The manufacturing process then advantageously comprises a step of optimizing a rate of coupling of the diffraction grating 12 with the field emitted by the active region 110. This optimization step preferably occurs before the formation of the diffraction grating 12. The expected coupling rate is for example between 10 cm -1 and 100 cm -1 .
La
Le système 2 comprend un dispositif 1 à émission de surface tel que décrit précédemment. Il comprend également une fenêtre optique 20 transparente au faisceau lumineux E qui peut être émis par la région active 110 du dispositif 1. Dans le mode de réalisation de la
Le dispositif 1 est localisé sur la fenêtre optique 20. La deuxième face 11b du guide d’onde 11 s’étend donc sur la fenêtre optique 20 et de préférence directement contre le fenêtre optique 20. En effet, le dispositif 1, réalisant l’émission par sa deuxième face 11b, ne requiert pas de couche anti-réfléchissante pour transmettre efficacement le rayonnement à la fenêtre optique 20. La deuxième face 11b du dispositif 1 peut d’ailleurs être collée contre la fenêtre 20 et préférentiellement par collage moléculaire.The device 1 is located on the optical window 20. The second face 11b of the waveguide 11 therefore extends over the optical window 20 and preferably directly against the optical window 20. In fact, the device 1, carrying out the emission by its second face 11b, does not require an anti-reflective layer to effectively transmit the radiation to the optical window 20. The second face 11b of the device 1 can also be glued against the window 20 and preferably by molecular bonding.
La face de la fenêtre optique 20 destinée à recevoir la deuxième face 11b du dispositif est préférentiellement plane. Elle s’étend par exemple, lorsque le dispositif 1 est disposé sur la fenêtre, parallèlement au plan P du dispositif 1.The face of the optical window 20 intended to receive the second face 11b of the device is preferably planar. It extends for example, when the device 1 is placed on the window, parallel to the plane P of the device 1.
La fenêtre optique 20 est par exemple en Si. Elle présente une épaisseur W20, mesurée perpendiculairement au plan du dispositif 1, comprise entre 10 µm et 50 µm. Afin de limiter les pertes optiques, la somme de l’épaisseur W20de la fenêtre optique 20 et de l’épaisseur W112du revêtement inférieur 112, mesurée perpendiculairement au plan P, est inférieure à 100 µm.The optical window 20 is for example made of Si. It has a thickness W 20 , measured perpendicular to the plane of the device 1, between 10 µm and 50 µm. In order to limit optical losses, the sum of the thickness W 20 of the optical window 20 and the thickness W 112 of the lower coating 112, measured perpendicular to the plane P, is less than 100 µm.
Le guide d’onde 11 est délimité par des premier et deuxième flancs 11c, 11d dans la deuxième direction Y. Sur chaque flanc 11c, 11d s’étend un revêtement conducteur 131, 132 permettant d’améliorer le confinement latéral du champ dans le guide d’onde 11. Chaque flanc 11c, 11d est isolé du revêtement conducteur grâce à un espaceur 14 électriquement isolant, disposé entre chaque revêtement conducteur et le flanc sur lequel il s’étend.The waveguide 11 is delimited by first and second flanks 11c, 11d in the second direction Y. On each flank 11c, 11d extends a conductive coating 131, 132 making it possible to improve the lateral confinement of the field in the guide wave 11. Each side 11c, 11d is isolated from the conductive coating thanks to an electrically insulating spacer 14, disposed between each conductive coating and the side on which it extends.
Dans un mode de réalisation avantageux, le système 2 comprend également un régulateur thermique 22 configuré pour réguler la température du guide d’onde 11 lorsque le dispositif 1 est en fonctionnement et en particulier en un régime stationnaire. En effet, les dispositifs à émission de surface sont sensibles aux variations de température. Il est donc avantageux de maintenir la température fixe pendant l’illumination de l’échantillon 3 et préférentiellement à une variation inférieure à 0,1 °C. L’illumination pouvant être de quelques secondes, le régulateur thermique 22 peut être configuré pour que la variation temporelle de la température du système 2 soit inférieure à 0,1 °C/s lors du fonctionnement du dispositif.In an advantageous embodiment, the system 2 also comprises a thermal regulator 22 configured to regulate the temperature of the waveguide 11 when the device 1 is in operation and in particular in a stationary regime. Indeed, surface emitting devices are sensitive to temperature variations. It is therefore advantageous to maintain the fixed temperature during the illumination of sample 3 and preferably at a variation of less than 0.1°C. Since the illumination can last for a few seconds, the thermal regulator 22 can be configured so that the temporal variation of the temperature of the system 2 is less than 0.1 °C/s during operation of the device.
Le mode de réalisation de la
Claims (16)
- un guide d’onde (11), s’étendant dans un plan (P) et comprenant une première face (11a) et une deuxième face (11b), opposée à la première face, les première et deuxième faces étant parallèles au plan, le guide d’onde comprenant une région active (110) s’étendant dans le plan et configurée pour émettre le champ électromagnétique ; et
- un réseau de diffraction (12) s’étendant sur la première face du guide d’onde,
- a waveguide (11), extending in a plane (P) and comprising a first face (11a) and a second face (11b), opposite the first face, the first and second faces being parallel to the plane, the waveguide comprising an active region (110) extending in the plane and configured to emit the electromagnetic field; And
- a diffraction grating (12) extending over the first face of the waveguide,
- former un guide d’onde (11), s’étendant dans un plan (P) et comprenant une première face (11a) et une deuxième face (11b), opposée à la première face, les première et deuxième faces étant parallèles au plan, le guide d’onde comprenant une région active (110) s’étendant dans le plan et configurée pour émettre un champ électromagnétique, la deuxième face étant transparente ;
- former un réseau de diffraction (12) s’étendant sur la première face du guide d’onde, le réseau de diffraction étant réfléchissant et présentant, selon une première direction (X) parallèle au plan, un ordre de diffraction supérieur ou égal à deux.
- form a waveguide (11), extending in a plane (P) and comprising a first face (11a) and a second face (11b), opposite the first face, the first and second faces being parallel to the plane , the waveguide comprising an active region (110) extending in the plane and configured to emit an electromagnetic field, the second face being transparent;
- form a diffraction grating (12) extending over the first face of the waveguide, the diffraction grating being reflective and having, in a first direction (X) parallel to the plane, a diffraction order greater than or equal to two .
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