WO2007057580A2 - Laser solides dopes nd3+ pompes electriquement - Google Patents

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silicon oxide
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Fabrice Gourbilleau
David Breard
Richard Rizk
Jean-Louis Doualan
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Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs
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    • H01S3/176Solid materials amorphous, e.g. glass silica or silicate glass

Definitions

  • the invention relates to the field of solid lasers and relates more particularly to laser cavities doped with rare earth ions.
  • Laser diodes mainly consist of a semiconductor diode to produce a light beam.
  • the pumping is done using an electric current that enriches the generator medium in holes on one side and electrons on the other.
  • Light is produced at the junction by the recombination of holes and electrons.
  • This type of laser does not have cavity mirrors.
  • the population inversion necessary to obtain the laser effect is made possible by means of electrical excitation improving the compactness of such systems.
  • these are systems different from those of solid lasers in terms of operation or structures, and therefore the physical problems that arise.
  • Solid lasers use solid media, such as crystals or glasses as the photon emission medium.
  • the crystal or the glass is only the matrix and is doped at least by an ion which is the laser medium (active medium: medium where the laser effects take place, that is to say the phenomena of excitation and de-excitation of doping elements for light emission).
  • active medium medium where the laser effects take place, that is to say the phenomena of excitation and de-excitation of doping elements for light emission.
  • the laser medium active medium
  • the YAG laser Nd 3+
  • Insulating materials (crystals and glasses) doped with active ions require optical pumping by lamp or diode laser, thus limiting their integration.
  • they offer different and complementary characteristics of laser diodes (short and very short pulses). energy, high brightness, spectral tunability, high light emission power, .
  • the active media are also used in neighboring fields such as doped fibers, waveguide amplifiers,
  • the path of rare-earth doped fibers has a strong development with the realization of very high power laser.
  • the fiber allows a great flexibility of use, but does not go in the direction of the integration of the lasers.
  • the pumping light injected into the waveguide excites the silicon nanograins (by electron-hole combinations), which in turn excite the Rare Earth elements.
  • Such energy transfer between the silicon nanograins and the rare earth elements has been highlighted in the publication "The Nd-nanocluster coupling strength and its effect in excitation / de-excitation of Nd 3+ luminescence in Nd-doped silicon -rich silicon oxide "(Seo et al., Applied Physics Letters, Volume 83, Number 14, October 6, 2003) and increased efficiency (factor of several tens or even a hundred) is obtained.
  • An input optical signal is then amplified in the waveguide using the energy generated by the Rare Earth elements and output as an amplified output optical signal.
  • a first object of the invention is to promote the integration of solid lasers in more complex systems.
  • Another object of the invention is to provide solid lasers as compact as possible.
  • Another object of the invention is to reduce the energy consumption of solid lasers and thus to increase the efficiency rate of these systems.
  • Laser diodes although inexpensive, are still an economic expense in the manufacture of the solid laser system.
  • Another object of the invention is to reduce the manufacturing costs of solid lasers without complicating their manufacture.
  • an optical amplifier consists of an Erbium-doped silicon-based waveguide, which waveguide is supplied with pumping energy of either optical type or electrical type by two electrodes. arranged on the opposite walls of the waveguide, or by Raman effect.
  • the Erbium ions are excited by the electric field applied between the two electrodes.
  • direct excitation does not work in practice, because the Erbium ions are only weakly sensitive to the electric field, the only possibility for a direct excitation of the active Erbium ions being an absorption of photons by this ion (therefore contrary to the electrical excitation), and the system is then strongly energy consuming to obtain a sufficient amount of excited ions.
  • Another object of the invention is therefore to provide a laser electric pumping solution that allows easier excitation of doping ions, including a less energy-consuming solution and improved rate of return. It should also be noted that the operation of these neighboring systems (waveguide amplifier, laser fiber, etc.) depends to a large extent on the input light signal, which is amplified. In contrast, the solid lasers to which the invention is directed do not require the use of input light signals to emit the output signal.
  • One of the above aims is achieved by the use of silicon nanograins in the active medium, which nanograins are sensitive to an electric field passing through the active medium.
  • the invention thus relies on the electrical excitation of active ions via a semiconductor unlike the known prior art.
  • the invention firstly relates to a laser amplification structure comprising an active medium and at least two electrodes disposed on either side of said active medium, said active medium comprising a first layer of a silicon oxide co-doped with silicon nanograins and rare earth ions (hereinafter also referred to as co-doped layer).
  • said electrodes are connected to a power supply so that, in use, an electric current flows in said first layer to excite said silicon nanograins.
  • This laser amplification structure is electrically excitable.
  • silicon nanograins are sensitive to the electric current flowing in the active medium.
  • the silicon nanograins are excited by the electric current and then transfer their excitation energy to the rare earth ions as explained in the publication Seo et al. supra.
  • the traditional mechanisms of laser stimulated emission then apply for the emission of electromagnetic radiation by de-excitation of the rare earth ions.
  • silicon nanograins operate as electrical dopants able to transmit their energy to other dopants.
  • Such a structure thus makes it possible to dispense with a secondary light source (pump laser diode).
  • said first layer is a thin layer in the sense of the semiconductors, that is to say a layer of thickness less than or substantially equal to one micrometer (1 micron) and generally deposited on a substrate of much greater thickness to benefit from the mechanical properties of the latter.
  • the structure obtained offers a large compactness that allows easy integration into equipment or integrated circuits.
  • the active medium consists only of this co-doped thin layer and therefore has a thickness substantially of one micrometer.
  • the dimensions of the nanograins with respect to the thickness of a silicon oxide layer make it difficult to form a homogeneously codoped layer.
  • said active medium further comprises a thin layer of undoped silicon oxide in rare earth ions on which said first layer is deposited. It is also expected that said active medium further comprises a second layer of a silicon oxide co-doped silicon oxide and rare earth ions on which said undoped silicon oxide layer is deposited. In this configuration, it is imperative that the undoped layer is thin because, constituting an insulating layer, it must allow the tunneling effect necessary for the flow of electric current between two codoped layers. By way of example, a thickness of less than or equal to 5 ⁇ m for the undoped layer is recommended.
  • the invention is not limited to an active medium composed of two codoped layers and an undoped layer, but also envisages active media having a large number of codoped layers separated in pairs by an undoped layer. Multilayer structures comprising several tens or even hundreds of layers and in exceptional cases several thousand layers are envisaged.
  • a multilayer active medium is preferably chosen, the two extreme layers (upper and lower) of which are codoped nanograins of Si and rare earth ions.
  • the active medium thus formed includes all of the co-doped layers (thus capable of generating a light wave).
  • the electrodes are positioned parallel to the layers, each electrode covering all or part of the surface of the upper or lower layers (extreme layers) of the active medium.
  • the lower electrode can be either directly in contact with the active medium, that is to say between the latter and the growth substrate, or be positioned on the back of the substrate, the latter allowing electrical conduction.
  • Active media commonly used are a few millimeters thick.
  • the size of the samples can be reduced to a few hundred microns either to improve the heat dissipation (thin disk) or to increase the compactness (microchip).
  • thin disk heat dissipation
  • microchip compactness
  • the Nd 3+ ion with its larger absorption and emission cross sections is very well suited.
  • the active layer of the structure has a thickness of the order of a few microns, and preferably around the micron according to the current injection characteristics and the indices for the light guidance in the layer.
  • a thickness of the order of 1 ⁇ m or less is chosen.
  • the layer active here is the active medium consisting of the multilayer assembly (codoped layers, undoped layers).
  • the invention provides that the co-doped layer has a nanocrystalline or amorphous structure, the average distance separating a rare earth ion from a nanograin Si in said active medium being less than or equal to 0.4 nm.
  • the amplification structure is implemented in lasers as part of the resonant laser cavity.
  • said active medium comprises Bragg gratings disposed substantially perpendicular to said electrodes, said gratings consisting of Ge germanium ions photo-inscribed in said layer (s).
  • all the co-doped layers of the active medium comprise Bragg gratings, preferably aligned from one layer to another.
  • the electrodes cover only part of the surface. active medium.
  • one of the networks is semi-reflective.
  • the two networks are arranged in this same layer, perpendicular to the upper and lower surfaces (in the thickness) of said layer.
  • one of said electrodes is gold (Au) allowing a significant electrical conductivity by minimizing energy losses.
  • the other electrode may be chosen from Ni-Cr alloy.
  • the electrodes each comprise a conductive layer, for example of ITO (Indium-Tin-Oxide), adjacent to one of the opposite faces of the active medium, respectively.
  • ITO Indium-Tin-Oxide
  • the rare earth ions are chosen from Nd 3+ , Yb 3+ , Er 3+ , Tm 3+ and Ho 3+ ions.
  • the Nd 3+ has quickly established itself as the main active ion in laser materials.
  • the success of the YAG: Nd 3+ has made the transition at 1, 064 ⁇ m a standard in terms of laser emission for applications where the wavelength is not the selection criterion.
  • I 1 Yb 3+ must be mentioned, whose emission is in the same wavelength range.
  • Optical pumping of the Nd 3+ ion has long been achieved by lamps with high pumping efficiency because this ion has many energy levels above the emitting laser level which absorb much of the light emitted by lamps.
  • Nd 3+ ion mainly used for its emission around 1, 06 ⁇ m is of the four-level laser system type in which the population inversion is very easy to obtain because the laser terminal level ( 4 ln / 2 ) has a life time several orders of magnitude smaller than the laser emitter level ( 4 F3 / 2 ), while most other ions (Yb 3+ , Er 3+ ...) are almost three-level systems.
  • a preferred embodiment of the invention is therefore envisaged with Nd 3+ ions.
  • the laser terminal level is thermally populated because close to the fundamental level of the ion which requires a greater pumping to achieve the population inversion necessary to reach the laser threshold.
  • the advantage provided by the use of the doping ion Nd 3+ is thus that of reducing energy consumption to achieve the desired pumping.
  • the length of the active medium must be optimized to avoid reabsorption of the laser emission.
  • the stimulated absorption and emission cross sections play a very important role. For the Nd 3+ ion, these absorption and emission cross sections are much larger than for the other ions, in particular Yb 3+ , for a given matrix.
  • the invention also relates to an optical laser comprising a resonant laser cavity provided with an amplification structure and an electric current generator connected to said electrodes.
  • the generator is arranged to circulate, in use, an electric current in said active medium to excite said silicon nanograins, in particular in said first layer.
  • the rare earth ions are in turn excited by energy transfer from nanograins of
  • the lasers thus produced are as compact as the laser diodes while providing additional performance such as high energy pulses, purity and spectral stability independent of temperature or manufacturing conditions.
  • the subject of the invention is also a method for manufacturing a laser amplification structure, comprising: a step of deposition of an active medium comprising the deposition of a layer of silicon oxide co-doped with nanograins of silicon and rare earth ions on a substrate, and - a step of depositing electrodes, on either side of the active medium, optionally on at least a portion of said co-doped layer.
  • electrode deposition There are several alternatives for electrode deposition.
  • a metal electrode on the active layer side (here the co-doped layer, but possibly the multilayer assembly mentioned in several places in the present description) opposite to the substrate and another metal electrode on the back of the latter (substrate), if it does not constitute an insurmountable barrier to the electrical conduction in the active medium.
  • a transparent conductive layer Indium-tin-oxide
  • ITO Indium-tin-oxide
  • metal contacts can then be deposited on these transparent conductive layers to allow connection to a current generator.
  • the assembly consisting of the transparent conductive layer and the contact terminals forms an electrode used for the electrical excitation of the co-doped active medium.
  • an electrode is deposited prior to the deposition step of the active medium by the deposition of a conductive layer on said substrate, and in that a second electrode is deposited after the deposition step. active medium on the opposite side of the active medium.
  • the deposition step is performed by reactive magnetron co-sputtering of at least one target comprising a first material of a silicon oxide and a second material of
  • said second material is disposed on a portion of said target. Otherwise, multiple targets each provided with only one type of material are expected to be used in a confocal co-spray process.
  • the substrate acts as anode and the cathode target.
  • a plasma is created between anode and cathode which allows the detachment of elements of silicon, oxides and rare earth elements coming to condense on the substrate.
  • the reactive magnetron co-sputtering methods are very well suited to the formation of thin layers. They thus make it possible to manufacture quasi-planar structures, thus well adapted to semiconductors and to the manufacture of planar lasers electrically excited.
  • said at least one target is a single silicon oxide target surmounted by a plurality of rare earth oxide wafers (variant 1), and said at least one target comprises a silicon Si target, a target of said first silicon oxide material SiO 2 and a target of said second rare earth material (variant 2).
  • the second variant has the advantage of implementing a normal co-sputtering of three parallel cathodes, limiting the interactions between the different elements of the target in the global sense (which are more difficult to control).
  • the nature of the plasma used during the co-sputtering step is not indifferent to the composition of the co-doped layer formed.
  • said co-sputtering step is carried out in a vacuum chamber comprising an argon plasma and / or hydrogen and / or nitrogen.
  • the presence of hydrogen makes it possible to reduce the silicon oxide to incorporate an excess of silicon (the silicon nanograins) in the SiO 2 matrix also deposited.
  • Rare Earth ions are introduced via the plasma into the Si-SiO 2 composite.
  • the level of hydrogen in the plasma therefore constitutes a parameter with regard to the concentrations of rare earth ions and silicon nanoclusters. For this purpose, it is expected that the level of hydrogen in the plasma is between 10 and 90%.
  • a plasma containing hydrogen is used in the absence of a pure silicon target; which is the case in the hypothesis of a SiO 2 target surmounted by rare earth oxide platelets or in the hypothesis of two targets SiO 2 and Nd 2 ⁇ 3 .
  • an Ar + H 2 mixture is used to incorporate silicon Si in the co-doped growth layer (for a single layer), or using an Ar + H 2 mixture to incorporate silicon Si in the co-doped layer enriched in nanoclusters and a pure argon plasma for the undoped growing silica layer in rare earth ions.
  • the presence of hydrogen is not essential since the Si target provides the Si nanoclusters without the need for reduction of SiO 2 silica.
  • Another parameter to take into account is that of the surface of the target occupied by said rare earth material, which is preferably between 3 and 30% of the total surface of the target, a function of the rare earth ion in question. .
  • This parameter makes it possible to vary the proportion of rare earth ions in the final deposit with respect to the excess of silicon (nanograins). For example, for the case of the Erbium ion, the optimal surface is between 23 and 26% whereas in the case of Nd 3+ ions, it should not exceed 12%.
  • said target is also surmounted by at least one wafer comprising germanium (Ge).
  • germanium ions are torn off the wafer and deposited in the layer being deposited.
  • the Germanium ions thus deposited are registered to form said networks.
  • the photo inscription is done using a UV laser.
  • An interference pattern is projected onto the portion of the guide that contains the Ge inducing irradiated areas and non-irradiated areas thus forming the network. Irradiation induces the formation of colored centers that modify the index of the medium. There is thus an alternation of zones with different indices which plays the role of a mirror.
  • Ge ions are inactive from the point of view of the rare earth ion (eg Nd 3+ ). Subsequently, the network is entered only in the desired areas (ends of the layers).
  • the method further comprises a step of annealing said layer thus formed at a temperature of between 800 and 1100 ° C. for at least ten minutes.
  • the method comprises a step of depositing an N doped polycrystalline silicon layer on said doped layer prior to deposition of said electrodes.
  • the method may comprise the succession;
  • the deposition of a co-doped layer is a step of reactive magnetron co-sputtering of at least one target comprising a first material of a silicon oxide and a second material of
  • said second material being disposed on a portion of said target, and said subsequent deposition step is a reactive magnetron sputtering step of a silicon oxide target in a vacuum chamber comprising an argon plasma to form an undoped silicon oxide layer on said co-doped layer.
  • the method comprises a plurality of alternating co-spray and spray step steps to form a multilayer structure, the first and last steps performed being preferably co-spray steps for the deposition.
  • co-doped layers, the electrode being deposited on the top of the layer opposite to the substrate in the structure (the other being on the back of the substrate).
  • the argon plasma is a pure argon plasma, making it possible to obtain an undoped layer having no Si nanograins, said plasma being enriched in hydrogen, so as to incorporate an excess of Si in the undoped insulating layer. This makes it possible to facilitate electrical conduction in the insulating thin layer and to satisfy the tunneling effect.
  • the rare earth ions are of at least one kind chosen from Nd 3+ , Yb 3+ , Er 3+ , Tm 3+ and Ho 3+ ions.
  • a ribbon guide to allow lateral guidance of the light.
  • the ribbons can be made by etching once the layers have been deposited.
  • a suitable technique may be plasma assisted etching (RIE).
  • the invention also relates to a method of operating a laser comprising a laser cavity provided with a laser amplification structure and an electric current generator, said laser amplification structure comprising an active medium and at least two electrodes disposed on either side of said active medium, said active medium comprising a first layer of a silicon oxide is co-doped in silicon nanograins and in rare earth ions, and said electric current generator connected to said electrodes, said method comprising a step of circulating an electric current in said active medium by the application of a power supply to the terminals said electrodes.
  • the invention also relates to a use of a laser amplification structure comprising a layer of a silicon oxide co-doped silicon oxide and rare earth ions, electrically pumped as a laser amplifier. This use can also be applied to a laser or a laser fiber.
  • FIG. 1 schematically represents a target cathode and the substrate-anode within the deposition frame in the configuration of co-doped thin film deposits
  • FIG. 2 is a graph illustrating the absorption spectrum of the Nd 3+ ion in a SiO 2 -Nd film deposited by magnetron sputtering
  • FIG. 3 is a graph illustrating the influence of the hydrogen level in the plasma on the emission intensity of the Nd 3+ ion in films annealed at 900 ° C.
  • FIG. 4 is a graph illustrating the PL intensity of a film made with 80% H2 in plasma and annealed under different conditions
  • FIG. 5 is a schematic representation of the two target cathodes and the substrate-anode within the deposition frame for a multilayer deposition according to the invention.
  • FIG. 6 and 7 illustrate multilayer embodiments implemented by the present invention.
  • a silica matrix containing silicon nanograins associated with the Nd 3+ ion is used for the realization of integrated laser. Indeed, it has recently been demonstrated that there is a transfer between Si nanoclusters and the Nd 3+ ion in layers made by ECR-assisted electrochemical cyclotron resonance (PECVD). ) [Seo et al., Appl. Phys. Lett. , 83, 2778 (2003); "Nd-nanocluster coupling strength and effect in excitation / de-excitation of Nd 3+ luminescence in Nd-doped silicon-rich silicon oxide.”].
  • PECVD electrochemical cyclotron resonance
  • the invention makes it possible to electrically excite the silicon nanograin, which transfers its energy to the Nd 3+ ion, thereby creating a population inversion between the two laser levels of this ion.
  • the aim is to produce reactive magnetron co-sputtering thin layers of neodymium co-doped silica glass and Si nanograins. These guiding layers will lead after etching and deposition of the electrodes to an electrically excited laser system, which can emit around 1, 1 ⁇ m.
  • This approach is compatible with silicon technology and is perfectly consistent with the current trend of manufacturing compact systems easily integrable.
  • the reactive co-spray technique used, inter alia, for deposition of thin films is shown schematically in FIG. 1.
  • a target of pure silica 10 is surmounted by a variable number of platelets of Nd2U3 (rare earth oxide) 1 1 so as to modulate the concentration of Nd 3+ ions incorporated in the deposited layer, as well as pieces of Ge or Ge ⁇ 2 12 to increase the photosensitivity of silica by reducing its gap [see Nishii et al. , Optics Lett., Vol. 20, issue 10, 1,184 (1995); "Ultraviolet-radiation induced chemical reactions through one-and-two-photon absorption processes in Ge ⁇ 2-SiO 2 glasses"].
  • Bragg gratings playing the role of future mirrors of the laser cavity, are photoinscribed at both ends of the Nd 3+ doped silica guide and containing Si nanograins.
  • the silicon excess incorporated in the layer is obtained through the reactive nature of the plasma which consists of a mixture of argon and hydrogen ionized sputtering and interact with the Si ⁇ 2-Nd 2 ⁇ 3-Ge. Given the reducing nature of hydrogen with respect to oxygen, such a process leads to a deficit of oxygen in the layer and thus makes it possible to control the amount of excess silicon by varying the partial pressure of hydrogen.
  • a reactive gas such as hydrogen leads to a phenomenon of selective etching of the growing layer thus favoring the multiplicity of nucleation sites of Si nanograins.
  • the highest density of nanograins which are then ensured a higher coupling rate with Nd 3+ ions and thus a high proportion of optically active ions.
  • Deposits take place at room temperature under a power ranging between 5OW and 120W and a total gas pressure not exceeding 6x10 '2 Torr. In this configuration, the ionization of the gases makes it possible to tear off elements of the target and deposit them on the substrate (anode) 13.
  • the post-deposit heat treatments are carried out between 800 and 1100 ° C., as well as with time, under a stream of pure Ar or N 2 .
  • the 488 nm line provided by an Argon laser is a very weakly resonant line for the Nd 3+ ion, which allows us to use this excitation wavelength to highlight this energy transfer with the rare earth ion.
  • the film deposited with the highest hydrogen content ⁇ H PH 2 / (PH 2 + P A ⁇ ) has the highest intensity (30) with a split emission peak. This is due to the maximum density of Si nanograins playing the role of excitation relay Nd 3+ ions, as already mentioned. The sensitizing role played by the nanograin of
  • the effect of the heat treatment applied on the emission of the Nd 3+ ion is shown in FIG. 4.
  • the increase in temperature strongly favors one of the emission peaks at the expense of the other while increasing the intensity of an order of magnitude.
  • the simple linear guide with or without coating (cladding) is obtained after etching and deposition of electrodes to allow the injection of current.
  • These electrodes Al, Au, Al-Si alloy Certainly are deposited all along the guide, as well as on the underside of the substrate. Electrical excitation leads to the formation of an exciton within the Si nanograin which, by recombining, either emits at 800 nm, or transfers its energy to the Nd 3+ ion in the vicinity and therefore allows the emission of this rare earth at the desired wavelength. Electrical excitation in such systems can be promoted through multilayer structures.
  • Si nanograins which are embedded in an insulating matrix (SiO 2)
  • they must have a sufficient density to be separated from each other by a distance less than the "tunnel distance" ( about 2 to 4 nm) for the injection of electrons.
  • these nanograins must keep a size of less than about 5-6 nm and be surrounded by oxide to maintain the property of quantum confinement carriers that will enable them to play their role of effective sensitizer vis-à-vis the rare earth ion in their close environment, the optimal interaction distance being less than 1 nm.
  • the reactive magnetron sputtering technique used to deposit these multilayers is shown schematically in FIG. 5. It allows the control of the thicknesses of the different types of layers deposited as well as the location of the rare earth ion to optimize its emission. It is characterized by two aspects, the technical aspect related to the use of two cathodes (50a and 50b) and alternate deposits by sequential rotation of the substrate carrier (anode 51) and the reactive aspect related to the presence of hydrogen in the plasma and thus interacting with the silica target.
  • the two targets are silica, one of which is surmounted by a variable number of rare earth oxide platelets (52) so as to modulate the concentration of rare earth ions incorporated.
  • the deposit sequence is as follows:
  • the deposition takes place under argon plasma mixed with hydrogen ( ⁇ 1: 1 ) (53).
  • the deposited layer contains an excess of silicon next to the rare earth ions incorporated by the co-sputtering of the platelets. oxide.
  • the deposition of the SiO 2 layer is done by placing the substrate facing the pure silica target (POSITION A) under a pure argon plasma (54).
  • FIG. 6 illustrates a multilayer structure in which three co-doped Si nanograins 60 layers and Rare Earth ions are separated by two insulating layers 61 of silicic oxide.
  • Bragg gratings 62 are inscribed in each of the two end layers to form the resonant cavity of a laser.
  • the electrodes 63 are placed on either side of a multilayer active medium and fed by a current generator G which passes a current through the stack of layers.
  • the networks 62a on one side of the structure (left side in the figure) are semi-reflective, those 62b on the other side of the structure are almost perfect mirrors. As a result, the light emission 64 from the laser structure excited by the circulating electric current is performed on the same side (left side in the figure).
  • FIG. 7 illustrates another structure according to the invention, the specificities related to the electrodes can be combined in whole or in part with the structure of Figure 6.
  • the deposition of the various layers of this structure is achieved by reactive magnetron sputtering methods as described previously.
  • the structure is deposited in layers on a silicon substrate
  • the active medium 73 comprising a co-doped layer of silicon nanograins and rare earth ions, with a thickness of between 500 nm and 1 ⁇ m and an index of between 1.5 and 2.
  • ITO Indium tin oxide - tin oxide and indium
  • This terminal 74 may be deposited either by removal of a portion of the active medium 73 from the ITO layer, or when initially the deposition of the active medium 73 has been provided on only a portion of the ITO layer 72, then by the localized deposit of metal;
  • a second transparent conductive layer of ITO 75 on the active medium 73 having characteristics similar to the first ITO layer 72;
  • a second SiO 2 silica intermediate layer 76 approximately 200 nm thick and with a medium index substantially equal to 1.45. This layer is deposited on only a portion of the ITO layer 75; one or more metal terminals 76 in direct contact with the second layer of ITO 75.
  • each ITO layer and metal terminal assembly is seen as an electrode of the laser. electrical excitation.
  • This structure has the advantage of being free of the potential barrier induced by the presence of the intermediate layer of silica between the substrate and the active layer.
  • a lower index is used on either side of the guide (layers 71 and 76 of index 1, 45 against 1, minimum 5 for the active layer 73).
  • a thin transparent layer thickness is chosen, of the order of a few 10 nm. .
  • these layers potentially represent a potential barrier for load carriers to overcome.
  • the layer is optionally extremely thin, of the order of a few nm to 10 nm.
  • the ion Ho 3+ for emission also around 2 microns and therefore for the same fields of application as the ion Tm 3+ .
  • silicon di-oxide SiO 2 silicon oxides SiO x ;

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Abstract

L'invention se rapporte au domaine des lasers solides et concerne, plus particulièrement, les cavités laser dopées aux ions Terres Rares. L'invention concerne une structure d'amplification laser, un laser un procédé de fabrication associé et une utilisation de cette structure. La structure d'amplification est excitable électriquement et comprend un milieu actif et au moins deux électrodes disposées de part et d'autre dudit milieu actif, ledit milieu actif comprenant une première couche d'un oxyde de silicium est co-dopée en nanograins de silicium et en ions Terres Rares.

Description

LASER SOLIDES DOPES ND3+ POMPES ELECTRIQUEMENT
L'invention se rapporte au domaine des lasers solides et concerne, plus particulièrement, les cavités laser dopées aux ions Terres Rares.
Le marché des lasers est principalement dominé par les diodes laser et par les lasers à base de matériaux isolants (cristaux et verres) dopés par des terres rares ou des métaux de transition. Les diodes lasers sont principalement constituées d'une diode à semi-conducteur afin de produire un faisceau lumineux. Le pompage se fait à l'aide d'un courant électrique qui enrichit le milieu générateur en trous d'un côté et en électrons de l'autre. La lumière est produite au niveau de la jonction par la recombinaison des trous et des électrons. Ce type de laser ne présente pas de miroirs de cavité. Dans les diodes laser, l'inversion de population nécessaire à l'obtention de l'effet laser est rendue possible par le biais d'une excitation électrique améliorant la compacité de tels systèmes. Il s'agit cependant de systèmes différents de ceux des lasers solides que ce soit sur le plan du fonctionnement ou des structures, et par conséquent des problématiques physiques qui se présentent.
Les lasers solides utilisent des milieux solides, tels que des cristaux ou des verres comme milieu d'émission des photons. Le cristal ou le verre n'est que la matrice et est dopé au moins par un ion qui est le milieu laser (milieu actif : milieu où se déroulent les effets laser c'est-à-dire les phénomènes d'excitation et désexcitation des éléments dopants pour l'émission lumineuse). Parmi les lasers solides, le plus connu et un des plus courants est le laser YAG : Nd3+. Les matériaux isolants (cristaux et verres) dopés par des ions actifs nécessitent un pompage optique par lampe ou par diode laser, limitant ainsi leur intégration. Par contre, ils offrent des caractéristiques différentes et complémentaires des diodes laser (impulsions brèves et très énergétiques, forte brillance, accordabilité spectrale, forte puissance d'émission lumineuse, ... ).
Les milieux actifs sont également utilisés dans des domaines voisins tels que les fibres dopées, les amplificateurs de guide d'onde,
La voie des fibres dopées terre rare connaît un fort développement avec la réalisation de laser de très forte puissance. La fibre autorise une grande souplesse d'utilisation, mais ne va pas dans le sens de l'intégration des lasers.
Pour des systèmes intégrés sous forme de couches minces guidantes dopées par des ions actifs, l'effort porte principalement sur les amplificateurs télécom dopés Er3+ et Tm3+ autour de 1 ,5 μm. De nombreux travaux existent aussi pour la réalisation de laser en couches minces guidantes, pour lesquelles de fortes puissances peuvent être obtenues. De tels systèmes sont décrits, à titre d'exemple, dans les demandes de brevet WO-065093 et US-2005/0195472. Dans cette première demande, un guide d'onde à base d'oxyde de silicium codopé avec des nanoclusters (nanograins) de silicium Si et des atomes Terres Rares absorbe la lumière visible mais pas les émissions infrarouges. Partant de ce principe, une source optique de pompage est disposée au-dessus du guide d'onde. La lumière de pompage injectée dans le guide d'onde excite les nanograins de silicium (par des combinaisons électron-trou), qui excitent à leur tour les éléments Terres Rares. Un tel transfert d'énergie entre les nanograins de silicium et les éléments Terres Rares a été mis en évidence dans la publication « The Nd- nanocluster coupling strength and its effect in excitation/de-excitation of Nd3+ luminescence in Nd-doped silicon-rich silicon oxide » (Seo et al., Applied Physics Letters, Volume 83, Numéro 14, 6 octobre 2003) et une efficacité accrue (facteur de plusieurs dizaines voire cent) est obtenue. Un signal optique d'entrée est alors amplifié dans le guide d'onde en utilisant l'énergie générée par les éléments Terres Rares et sort sous la forme d'un signal optique de sortie amplifié. Ce système, comme l'ensemble des systèmes incorporant des nanograins de silicium, nécessite la combinaison d'une diode laser pour le pompage optique et d'un milieu actif dopé, ce qui est une limite à l'intégration. Un premier but de l'invention est de favoriser l'intégration des lasers solides dans des systèmes plus complexes.
Un autre but de l'invention est de proposer des lasers solides aussi compacts que possible.
La présence des diodes laser pour le pompage optique implique également une déperdition d'énergie due au taux de rendement de celles-ci.
Un autre but de l'invention est de diminuer la consommation énergétique des lasers solides et donc d'augmenter le taux de rendement de ces systèmes. Les diodes laser, bien que peu onéreuses, constituent malgré tout une dépense économique lors de la fabrication du système laser solide.
Un autre but de l'invention est de diminuer les coûts de fabrication des lasers solides sans pour autant complexifier leur fabrication.
Dans la deuxième demande précitée, un amplificateur optique est constitué d'un guide d'ondes à base de silicium dopé en ions Erbium, lequel guide d'ondes est alimenté en énergie de pompage soit de type optique, soit de type électrique par deux électrodes disposées sur les parois opposées du guide d'ondes, soit par effet Raman. Dans le mode de réalisation avec pompage électrique, les ions Erbium sont excités par le champ électrique appliqué entre les deux électrodes. Toutefois, une telle excitation directe ne fonctionne pas en pratique, parce que les ions Erbium ne sont que faiblement sensibles au champ électrique, la seule possibilité pour une excitation directe des ions actifs Erbium étant une absorption de photons par cet ion (donc contraire à l'excitation électrique), et le système est alors fortement consommateur d'énergie pour obtenir une quantité suffisante d'ions excités. Un autre but de l'invention est donc de fournir une solution laser de pompage électrique qui permette une excitation plus aisée des ions dopants, notamment une solution moins consommatrice d'énergie et à taux de rendement amélioré. On note également que le fonctionnement de ces systèmes voisins (amplificateur de guide d'onde, fibre laser, ... ) dépend en grande partie du signal lumineux en entrée, lequel est amplifié. En contraste, les lasers solides auxquels s'adresse l'invention ne requièrent pas l'utilisation de signaux lumineux en entrée pour émettre le signal de sortie.
Un des buts précités est atteint par l'utilisation de nanograins de silicium dans le milieu actif, lesquels nanograins sont sensibles à un champ électrique traversant le milieu actif. L'invention s'appuie ainsi sur l'excitation électrique d'ions actifs par l'intermédiaire d'un semiconducteur au contraire de l'art antérieur connu.
A cet effet, l'invention a tout d'abord comme objet une structure d'amplification laser comprenant un milieu actif et au moins deux électrodes disposées de part et d'autre dudit milieu actif, ledit milieu actif comprenant une première couche d'un oxyde de silicium co-dopée en nanograins de silicium et en ions Terres Rares (ci-après également dénommée couche co-dopée). En pratique, lesdites électrodes sont reliées à une alimentation en courant électrique de sorte qu'en utilisation, un courant électrique circule dans ladite première couche pour exciter lesdits nanograins de silicium. Cette structure d'amplification laser est excitable électriquement.
On a constaté que les nanograins de silicium sont sensibles au courant électrique qui circule dans le milieu actif. Ainsi, les nanograins de silicium sont excités par le courant électrique puis transfèrent leur énergie d'excitation aux ions Terres Rares comme expliqué dans la publication Seo et al. précitée. Les mécanismes traditionnels d'émission stimulée laser s'appliquent ensuite pour l'émission d'une radiation électromagnétique par désexcitation des ions Terres Rares. On remarque ici que les nanograins de silicium opèrent comme des dopants électriques capables de transmettre leur énergie à d'autres dopants.
Une telle structure permet ainsi de s'affranchir d'une source lumineuse secondaire (diode laser de pompage).
Une application de ces structures est la photonique pour laquelle elles sont généralement intégrées à des circuits semi-conducteurs.
A cet effet, il est prévu que ladite première couche est une couche mince au sens des semi-conducteurs, c'est-à-dire une couche d'épaisseur inférieure ou sensiblement égale au micromètre (1 μm) et généralement déposée sur un substrat d'épaisseur nettement supérieure pour bénéficier des propriétés mécaniques de ce dernier. De ce fait, la structure obtenue offre une compacité importante qui permet une intégration aisée dans des équipements ou des circuits intégrés. Dans un mode de réalisation, le milieu actif n'est constitué que de cette couche mince co-dopée et présente donc une épaisseur sensiblement du micromètre.
Les dimensions des nanograins au regard de l'épaisseur d'une couche d'oxyde de silicium rendent délicate la constitution d'une couche codopée de façon homogène.
Pour répondre à ce problème, il est prévu d'avoir recours à des structures multicouches alternant des couches minces codopées et des couches minces non dopées en ions Terres Rares (et éventuellement en nanograins).
A cet effet, il est prévu que ledit milieu actif comprend, en outre, une couche mince d'oxyde de silicium non dopée en ions Terres Rares sur laquelle est déposée ladite première couche. Il est également prévu que ledit milieu actif comprend, en outre, une deuxième couche d'un oxyde de silicium co-dopée en nanograins de silicium et en ions Terres Rares sur laquelle est déposée ladite couche d'oxyde de silicium non dopée. Dans cette configuration, il est impératif que la couche non dopée soit mince car, constituant une couche isolante, elle doit permettre l'effet tunnel nécessaire à la circulation du courant électrique entre deux couches codopées. A titre d'exemple, une épaisseur inférieure ou égale à 5 rîm pour la couche non dopée est préconisée.
L'invention ne se limite pas à un milieu actif composé de deux couches codopées et une couche non dopée, mais envisage également des milieux actifs présentant un grand nombre de couches codopées séparées deux à deux par une couche non dopée. On envisage des structures multicouches comprenant plusieurs dizaines voire centaines de couches et dans des cas exceptionnels, plusieurs milliers de couches. On choisit de préférence un milieu actif multicouches dont les deux couches extrêmes (supérieure et inférieure) sont de nature codopées nanograins de Si et ions Terres Rares. Le milieu actif ainsi formé englobe l'ensemble des couches co-dopées (donc susceptibles de générer une onde lumineuse).
Dans une réalisation multicouches, les électrodes sont positionnées parallèlement aux couches, chaque électrode recouvrant tout ou partie de la surface des couches supérieure ou inférieure (couches extrêmes) du milieu actif. L'électrode inférieure peut être soit directement au contact du milieu actif, c'est-à-dire entre celui-ci et le substrat de croissance, ou soit positionnée sur le revers du substrat, ce dernier permettant la conduction électrique.
Les milieux actifs couramment utilisés font quelques millimètres d'épaisseurs. La taille des échantillons peut être ramenée à quelques centaines de microns soit pour améliorer la dissipation thermique (thin disk) soit pour augmenter la compacité (microchip). Pour les dispositifs microchip, l'ion Nd3+ avec ses plus grandes sections efficaces d'absorption et d'émission est très bien adapté.
Toujours dans le dessein d'une intégration facilitée de la structure, la couche active de la structure présente une épaisseur de l'ordre de quelques μm, et de préférence aux environs du micron selon les caractéristiques d'injection de courant et les indices pour le guidage de la lumière dans la couche. En particulier, lorsqu'une seule couche mince co-dopée est utilisée dans le milieu actif, on choisit une épaisseur de l'ordre du μm ou moins. Nous rappelons que la couche active est ici le milieu actif constitué de l'ensemble multicouches {couches codopées, couches non dopées}.
Dans un but d'optimisation du transfert d'énergie entre les nanograins de silicium et les ions Terres Rares, l'invention prévoit que la couche co-dopée a une structure nanocristalline ou amorphe, la distance moyenne séparant un ion Terres Rares d'un nanograin Si dans ledit milieu actif étant inférieure ou égale à 0,4 nm .
La structure d'amplification est mise en œuvre dans des lasers comme élément de la cavité laser résonante. A cette fin, elle est munie de surfaces réfléchissantes, par exemple des miroirs, de préférence ledit milieu actif comprend des réseaux de Bragg disposés sensiblement perpendiculaires auxdites électrodes, lesdits réseaux étant constitués d'ions germanium Ge photo-inscrits dans ladite (lesdites) couche(s) co-dopée(s). Pour accroître l'efficacité du système, toutes les couches co-dopées du milieu actif comprennent des réseaux de Bragg, de préférence alignés d'une couche à l'autre. Ces réseaux ferment optiquement la cavité résonante en faisant office de miroirs pour les émissions électromagnétiques des ions dopants Terre Rares excités. Il convient de préférence de les placer sensiblement à l'aplomb de l'extrémité des électrodes, et éventuellement au-delà (vers les bords, aux extrémités des couches co-dopées guidantes) lorsque les électrodes ne couvrent qu'une partie de la surface du milieu actif. En pratique, il y a deux réseaux de Bragg parallèles qui se font face de chaque côté des électrodes et délimitent la cavité résonante laser.
De préférence, l'un des réseaux est semi-réfléchissant. Dans le mode de réalisation ne comprenant qu'une seule couche co-dopée, les deux réseaux sont disposés, dans cette même couche, perpendiculaires aux surfaces supérieure et inférieure (dans l'épaisseur) de ladite couche. Par ailleurs, l'une desdites électrodes est en or (Au) permettant une conductivité électrique importante en minimisant les déperditions d'énergie. L'autre électrode peut être choisie en alliage Ni-Cr.
Dans un mode de réalisation, les électrodes comprennent chacune une couche conductrice, par exemple d'ITO (Indium-Tin- Oxide), adjacente à respectivement une des faces opposées du milieu actif.
Selon différents modes de réalisation, les ions Terres Rares sont choisis parmi les ions Nd3+, Yb3+, Er3+, Tm3+ et Ho3+.
Notamment, le Nd3+ s'est rapidement imposé comme le principal ion actif dans les matériaux laser. Le succès du YAG:Nd3+ a fait de la transition à 1 ,064 μm un standard en terme d'émission laser pour des applications où la longueur d'onde n'est pas le critère de sélection. Parmi les autres ions terres rares il faut citer I1Yb3+, dont l'émission se situe dans le même domaine de longueur d'onde. Le pompage optique de l'ion Nd3+ a été longtemps réalisé par des lampes avec une grande efficacité de pompage car cet ion a de nombreux niveaux d'énergie au- dessus du niveau laser émetteur qui absorbent une grande partie de la lumière émise par les lampes. Le développement, dans les années 80, des diodes du type AIGaAs émettant autour de 800 nm, amène au remplacement progressif des laser Nd3+ avec pompage lampe par des lasers avec pompage diode laser. L'ion Nd3+ surtout utilisé pour son émission autour de 1 ,06 μm est du type système laser à quatre niveaux dans lequel l'inversion de population est très facile à obtenir car le niveau terminal laser (4ln/2) a un temps de vie de plusieurs ordres de grandeur plus petit que le niveau émetteur laser (4F3/2), alors que la plupart des autres ions (Yb3+, Er3+...) sont des systèmes quasi trois niveaux. Une réalisation préférée de l'invention est donc envisagée avec des ions Nd3+. Pour ces « autres » ions, le niveau terminal laser est peuplé thermiquement car proche du niveau fondamental de l'ion ce qui nécessite un pompage plus important pour réaliser l'inversion de population indispensable pour atteindre le seuil laser. L'avantage procuré par l'utilisation de l'ion dopant Nd3+ est ainsi celui de diminuer la consommation énergétique pour aboutir au pompage souhaité. De plus, il faut optimiser la longueur du milieu actif pour éviter la réabsorption de l'émission laser. Les sections efficaces d'absorption et d'émission stimulée jouent un rôle très important. Pour l'ion Nd3+ ces sections efficaces d'absorption et d'émission sont beaucoup plus grandes q ue pour les autres ions en particulier l'Yb3+, pour une matrice donnée.
L'invention a également pour objet un laser optique comprenant une cavité laser résonante munie d'une structure d'amplification et, un générateur de courant électrique relié auxdites électrodes.
Précisément, le générateur est agencé pour faire circuler, en utilisation , un courant électrique dans ledit milieu actif pour exciter lesdits nanograins de silicium, notamment dans ladite première couche. Selon les mécanismes évoqués précédemment, les ions Terres Rares se retrouvent à leur tour excités par transfert d'énergie des nanograins de
Si à eux.
Les lasers ainsi réalisés sont aussi compacts que les diodes laser tout en apportant des performances supplémentaires telles que des impulsions très énergétiques, une pureté et une stabilité spectrale indépendante de la température ou des conditions de fabrication.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une structure d'amplification laser, comprenant : - une étape de dépôt d'un milieu actif comprenant le dépôt d'une couche d'un oxyde de silicium co-dopée en nanograins de silicium et en ions Terres Rares sur un substrat, et - une étape de dépôt d'électrodes, de part et d'autre du milieu actif, éventuellement sur au moins une partie de ladite couche co-dopée. Plusieurs alternatives se présentent pour le dépôt des électrodes.
Dans une première alternative, il est envisagé de déposer une électrode métallique du côté de la couche active (ici la couche co- dopée, mais éventuellement l'ensemble multicouches évoqué à plusieurs endroits dans la présente description) opposé au substrat et une autre électrode métallique sur le revers de ce dernier (substrat), si celui-ci ne constitue pas un obstacle isolant rédhibitoire à la conduction électrique dans le milieu actif.
Dans une seconde alternative, il est envisagé de déposer sur les deux faces opposées de la couche active une couche de conducteur transparent, type ITO (Indium-tin-oxide). Notamment, on peut prévoir de déposer une couche d'ITO sur le substrat avant d'effectuer le dépôt des couches actives. Des contacts métalliques peuvent être ensuite déposés sur ces couches conductrices transparentes pour permettre la connexion à un générateur de courant. L'ensemble constitué de la couche conductrice transparente et des bornes de contact forme une électrode utilisée pour l'excitation électrique du milieu actif co-dopé.
Il est ainsi prévu qu'une électrode est déposée préalablement à l'étape de dépôt du milieu actif par le dépôt d'une couche conductrice sur ledit substrat, et par le fait qu'une deuxième électrode est déposée postérieurement à l'étape de dépôt du milieu actif sur la face opposée du milieu actif.
Dans un mode de réalisation, l'étape de dépôt est réalisée par co- pulvérisation magnétron réactive d'au moins une cible comprenant un premier matériau d'un oxyde de silicium et d'un second matériau de
Terres Rares. Eventuellement, ledit second matériau est disposé sur une partie de ladite cible. Autrement, on prévoit l'utilisation de plusieurs cibles équipées chacune d'un seul type de matériau dans u n processus de co-pulvérisation confocale.
Lors de cette étape de dépôt, le substrat fait office d'anode et la cible de cathode. Par ce mécanisme, un plasma est créé entre anode et cathode lequel permet le détachement d'éléments de silicium, d'oxydes et d'éléments Terres Rares venant se condenser sur le substrat. Les procédés de co-pulvérisation magnétron réactive sont fort bien adaptés à la formation de couches minces. Ils permettent ainsi de fabriquer des structures quasi planaires, donc bien adaptées à des semi-conducteurs et à la fabrication de lasers planaires excités électriquement. Selon deux variantes, ladite au moins une cible est une unique cible d'oxyde de silicium surmontée d'une pluralité de plaquettes d'oxyde de Terres Rares (variante 1 ), et ladite au moins une cible comprend une cible de silicium Si, une cible dudit premier matériau d'oxyde silicium SiO2 et une cible dudit second matériau de Terres Rares (variante 2).
La deuxième variante à l'avantage de mettre en œuvre une co- pulvérisation normale de trois cathodes parallèles, limitant les interactions entre les différents éléments de la cible au sens global (lesquelles sont plus difficilement contrôlables).
La nature du plasma utilisé lors de l'étape de co-pulvérisation n'est pas indifférente de la composition de la couche co-dopée formée. Ainsi , il est prévu que ladite étape de co-pulvérisation est réalisée dans une enceinte sous vide comprenant un plasma d'argon et/ou d'hydrogène et/ou d'azote. Dans le cas d'une pulvérisation réactive, la présence de l'hydrogène permet de réduire l'oxyde de silicium pour incorporer un excès de silicium (les nanograins de silicium) dans la matrice de SiO2 également déposée. Les ions Terres Rares sont, par le biais du plasma, introduits dans le composite Si-Siθ2. Le taux d'hydrogène dans le plasma constitue donc un paramètre en vue des concentrations d'ions Terres Rares et de nanoclusters de silicium. A cet effet, il est prévu que le taux d'hydrogène dans le plasma est compris entre 10 et 90%. Ce taux favorise selon les conditions de dépôts (pression du plasma, température du substrat, distance interélectrodes... etc..) la formation de germes de Si en plus ou moins grand nombre, et donc par conséquent sur la densité des nanoclusters au sein de la couche déposée. En général, on utilise un plasma contenant de l'hydrogène en l'absence d'une cible de silicium pur ; ce qui est le cas dans l'hypothèse d'une cible SiO2 surmontée de plaquettes d'oxyde de Terres Rares ou dans l'hypothèse de deux cibles SiO2 et Nd2θ3. Dans cette dernière hypothèse, on utilise un mélange Ar + H2 pour incorporer du silicium Si dans la couche co-dopée en croissance (pour une couche simple), ou l'on utilise un mélange Ar + H2 pour incorporer du silicium Si dans la couche co-dopée enrichie en nanoclusters et un plasma pur d'argon pour la couche de Silice en croissance non dopée en ions Terres Rares.
Au contraire, si l'on dispose de trois cibles Si, SiÛ2 et Nd2θ3, la présence d'hydrogène n'est pas indispensable puisque la cible Si fournit les nanoclusters de Si sans besoin de réduction de la silice SiO2. Un autre paramètre à prendre en compte est celui de la surface de la cible occupée par ledit matériau en Terres Rares, laquelle est de préférence comprise entre 3 et 30% de la surface totale de la cible, fonction de l'ion Terres Rares en question. Ce paramètre permet de faire varier la proportion d'ions Terres Rares dans le dépôt final par rapport à l'excès de silicium (nanograins). Par exemple, pour le cas de l'ion Erbium, la surface optimale est comprise entre 23 et 26% alors que dans le cas des ions Nd3+, elle ne doit pas dépasser 12%.
En vue d'obtenir des réseaux de Bragg comme mentionné précédemment, il est prévu que, pendant ladite étape de co- pulvérisation, ladite cible est également surmontée d'au moins une plaquette comprenant du germanium (Ge). Toujours par co- pulvérisation magnétron réactive, des ions germanium sont arrachés de la plaquette et déposés dans la couche en cours de dépôt. Les ions Germanium ainsi déposés sont inscrits pour former lesdits réseaux. La photo inscription se fait en utilisant un laser UV. Une figure d'interférence est projetée sur la partie du guide qui contient le Ge induisant des zones irradiées et des zones non irradiées formant ainsi le réseau. L'irradiation induit la formation de centres colorés qui modifient l'indice du milieu. On a ainsi une alternance de zones avec des indices différents qui joue le rôle d'un miroir.
A cet effet, il peut être prévu de ne placer la plaquette de germanium qu'aux instants propices pour la formation des réseaux de Bragg, c'est-à-dire uniquement lors du dépôt des couches co-dopées (puisqu'il n'y a aucune émission lumineuse dans les couches non dopées dépourvues d'ions Terres Rares).
Selon une alternative, on prévoit de déposer du Ge partout dans la couche co-dopée en croissance. Les ions Ge sont inactifs du point de vue de l'ion Terres Rares (par exemple Nd3+). Par la suite, on inscrit le réseau uniquement dans les zones souhaitées (extrémités des couches).
Par ailleurs, les défauts moléculaires qui peuvent se créer lors du dépôt des couches doivent être réparés ou atténués. Pour ce faire, le procédé comprend, en outre, une étape de recuit de ladite couche ainsi formée à une température comprise entre 800 et 1 1000C pendant au moins dix minutes.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de dépôt d'une couche de silicium polycristallin dopé N sur ladite couche dopée préalablement au dépôt desdites électrodes.
Aux fins d'aboutir aux milieux actifs multicouches mentionnés précédemment, le procédé peut comprendre la succession ;
- du dépôt d'une couche co-dopée, et
- d'une étape ultérieure de dépôt pour former une couche d'oxyde de silicium non dopée sur lad ite couche co-dopée.
On prévoit que le dépôt d'une couche co-dopée est une étape de co- pulvérisation magnétron réactive d'au moins une cible comprenant un premier matériau d'un oxyde de silicium et d'un second matériau de
Terres Rares, ledit second matériau étant disposé sur une partie de ladite cible, et ladite étape ultérieure de dépôt est une étape de pulvérisation magnétron réactive d'une cible d'oxyde de silicium dans une enceinte sous vide comprenant un plasma d'argon pour former une couche d'oxyde de silicium non dopée sur ladite couche co-dopée.
On choisit des cathodes distinctes en ce qui concerne chacune des étapes de co-pulvérisation et pulvérisation car les paramètres de réaction sont distincts. Plus précisément, le procédé comprend une pluralité d'alternances d'étapes de co-pulvérisation et d'étape de pulvérisation pour former une structure multicouches, les première et dernière étapes réalisées étant, de préférence, des étapes de co-pulvérisation pour le dépôt de couches co-dopées, l'électrode étant déposée sur le dessus de la couche opposée au substrat dans la structure (l'autre étant sur le revers du substrat).
Selon deux alternatives, lors de ladite étape de pulvérisation, : - le plasma d'argon est un plasma pur d'argon , permettant d'obtenir une couche non dopée ne présentant pas de nanograins de Si, - ledit plasma est enrichi en hydrogène, de façon à incorporer un excès de Si dans la couche isolante non dopée. Ceci permet de faciliter la conduction électrique dans la couche mince isolante et de satisfaire à l'effet tunnel.
Par ailleurs, les ions Terres Rares sont d'au moins une nature choisie parmi les ions Nd3+, Yb3+, Er3+, Tm3+ et Ho3+.
Par ailleurs, il est également envisagé de procéder à la fabrication d'un guide ruban pour permettre un guidage latéral de la lumière. La fabrication des guides rubans peut se faire par gravure une fois les couches déposées. On part du dispositif multicouches sur lequel on grave un guide ruban de quelques nm à quelques dizaines de nm à l'aide d'un masque. Une technique adaptée peut être la gravure assistée par plasma (RIE).
L'invention a également pour objet un procédé de fonctionnement d'un laser comprenant une cavité laser munie d'une structure d'amplification laser et un générateur de courant électrique, ladite structure d'amplification laser comprenant un milieu actif et au moins deux électrodes disposées de part et d'autre dudit milieu actif, ledit milieu actif comprenant une première couche d'un oxyde de silicium est co-dopée en nanograins de silicium et en ions Terres Rares, et ledit générateur de courant électrique relié auxdites électrodes, ledit procédé comprenant une étape de circulation d'un courant électrique dans ledit milieu actif par l'application d'une alimentation électrique aux bornes desdites électrodes.
L'invention a également pour objet une utilisation d'une structure d'amplification laser comprenant une couche d'un oxyde de silicium co- dopée en nanograins de silicium et en ions Terres Rares, pompée électriquement comme amplificateur laser. Cette utilisation peut être également appliquée à un laser ou une fibre laser.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée ci-dessous et des figures annexées dans lesquelles : - FIG. 1 représente schématiquement une cathode-cible et l'anode- substrat au sein du bâti de dépôt dans la configuration des dépôts des couches minces co-dopées ;
- FIG. 2 est un graphiq ue illustrant le spectre d'absorption de l' ion Nd3+ dans un film Siθ2-Nd déposé par pulvérisation magnétron ; - FIG. 3 est un graphique illustrant l'influence du taux d'hydrogène dans le plasma sur l'intensité d'émission de l'ion Nd3+dans des films recuits à 9000C ;
- FIG. 4 est un graphique illustrant l'intensité de PL d'un film fabriqué avec 80% de H2 dans le plasma et recuit sous différentes conditions ;
- FIG. 5 est une représentation schématique des deux cathodes-cibles et de l'anode-substrat au sein du bâti de dépôt pour un dépôt multicouches selon l'invention ; et
- les FIG. 6 et 7 illustrent des réalisations multicouches mises en œuvre par la présente invention.
L'exemple décrit ci-après permet de mettre en évidence le mécanisme et l'optimisation du transfert d'énergie efficace entre le nanograins de Si et l'ion Nd3+, pour des couches minces fabriquées par pulvérisation magnétron réactive, permettant de la sorte la fabrication d'un laser planaire excité électriquement.
Le confinement des porteurs (excitons) dans des nanograins de silicium insérés dans une matrice de silice permet d'obtenir une luminescence visible par excitation électrique ou optique d'un tel système composite. De nombreux travaux portent sur l'étude des nanograins de silicium associés à l'ion Er3+ pour réaliser des amplificateurs dans le domaine de longueur d'onde propice aux télécommunications (1 ,54 μm). Un transfert d'énergie efficace existe entre les nanograins et la terre rare qui peut ainsi émettre avec une intensité 100 fois plus importante que celle qui prévaut sans la présence de nanograins.
Une matrice silice contenant des nanograins de silicium associés à l'ion Nd3+ est utilisée pour la réalisation de laser intégré. En effet, il a été récemment démontré l'existence d'un transfert entre des nanoclusters de Si et l'ion Nd3+ dans des couches fabriquées par PECVD (dépôt chimique en phase gazeuse assisté par plasma) assisté par ECR (Electron Cyclotron Resonnance) [Seo et al., Appl. Phys. Lett. , 83, 2778 (2003) ; "The Nd-nanocluster coupling strength and its effect in excitation/de-excitation of Nd3+ luminescence in Nd-doped silicon- rich silicon oxide."]. L'invention permet d'exciter électriquement le nanograin de silicium qui transférant son énergie vers l'ion Nd3+ crée ainsi une inversion de population entre les deux niveaux laser de cet ion. Une émission laser autour de 1 , 1 μm, dépendant de la nature de la matrice (matériau et dopants), est ainsi obtenue.
Il s'agit de fabriquer par co-pulvérisation magnétron réactive des couches mince d'un verre de silice co-dopé au néodyme et aux nanograins de Si. Ces couches guidantes aboutiront après gravure et dépôt des électrodes à un système laser excité électriquement, pouvant émettre autour de 1 , 1 μm. Cette approche est compatible avec la technologie du silicium et est parfaitement en cohérence avec la tendance actuelle de fabrication de systèmes compacts facilement intégrables. La technique de co-pulvérisation réactive utilisée, entre autres, pour le dépôt des couches minces est schématisée sur la FIG. 1.
Une cible de silice pure 10 est surmontée d'un nombre variable de plaquettes de Nd2U3 (oxyde de Terres Rares) 1 1 de sorte à moduler la concentration en ions Nd3+ incorporée dans la couche déposée, ainsi que de morceaux de Ge ou Geθ2 12 pour permettre d'augmenter la photosensibilité de la silice par le biais d'une réduction de son gap [voir Nishii et al. , Optics Lett., Vol 20, issue 10, 1 184 (1995); "Ultraviolet- radiation induced chemical reactions through one-and two-photon absorption processes in Geθ2-SiO2 glasses"]. Ainsi, des réseaux de Bragg, jouant le rôle de futurs miroirs de la cavité laser, sont photoinscrits aux deux extrémités du guide de silice dopés en ions Nd3+ et contenant des nanograins de Si. L'excès en silicium incorporé dans la couche est obtenu par le biais du caractère réactif du plasma qui consiste en un mélange d'argon et d'hydrogène ionisés venant pulvériser et interagir avec l'ensemble Siθ2-Nd2θ3-Ge. Compte tenu du caractère réducteur de l'hydrogène vis-à-vis de l'oxygène, un tel procédé conduit à un déficit d'oxygène dans la couche et permet ainsi de contrôler la quantité de silicium en excès en variant la pression partielle d'hydrogène. Outre ce paramètre, l'utilisation d'un gaz réactif tel que l'hydrogène conduit à un phénomène de gravure sélective de la couche en croissance favorisant ainsi la multiplicité des sites de nucléation des nanograins de Si. La plus forte densité de nanograins qui s'ensuit, assure un taux de couplage plus important avec les ions Nd3+ et donc une forte proportion d'ions optiquement actifs. Les dépôts s'opèrent à température ambiante sous une puissance variant entre 5OW et 120W et une pression totale des gaz ne dépassant pas 6x10'2 Torr. Dans cette configuration, l'ionisation des gaz permet l'arrachage d'éléments de la cible et leur dépôt sur le substrat (anode) 13.
Les traitements thermiques post dépôt sont effectués entre 800 et 11000C, ainsi qu'en fonction du temps, sous un flux d'Ar ou de N2 purs. Un spectre d'absorption de l'ion Nd3+ provenant d'un film de SiO2- Nd (sans la présence de silicium en excès) fabriqué par pulvérisation magnétron, est présenté sur la FIG. 2. Ce spectre souligne la présence de la forte absorption (20) de l'ion Nd3+ à 800 nm, qui permet d'envisager le transfert énergétique entre des nanograins de Si excités et l'ion Nd3+. De plus, on peut constater que la raie à 488 nm fournie par un laser Argon est une raie très faiblement résonnante pour l'ion Nd3+, ce qui nous permet d'utiliser cette longueur d'onde d'excitation pour mettre en évidence ce transfert d'énergie avec l'ion terre rare.
La FIG. 3 montre l'évolution de l'intensité de photoluminescence de l'ion Nd3+ en fonction du taux d'hydrogène ΓH = PH2/(PH2+PAΓ) dans le plasma pour des films minces fabriqués à une puissance RF de 6OW.
On peut constater que le film déposé avec le plus haut taux d'hydrogène ΓH = PH2/(PH2+P) présente la plus forte intensité (30) avec un pic d'émission dédoublé. Ceci est dû à la densité maximale de nanograins de Si jouant le rôle de relais d'excitation des ions Nd3+, comme déjà évoqué. Le rôle de sensibilisateur joué par le nanograin de
Si est clairement démontré avec une forte augmentation de l'intensité des films contenant du silicium en comparaison de celui qui a été fabriqué avec un plasma pur (ou quasi pur) d'argon (31) et donc qui ne contient pas (ou peu) de Si en excès.
L'effet du traitement thermique appliqué sur l'émission de l'ion Nd3+ est présenté sur la FIG. 4. L'augmentation de la température favorise fortement un des pics d'émission aux dépens de l'autre tout en augmentant l'intensité d'un ordre de grandeur.
Le guide linéaire simple avec ou sans revêtement (cladding) est obtenu après gravure et dépôt d'électrodes pour permettre l'injection de courant. Ces électrodes (Al, Au, alliage Al-Si...) sont déposées tout le long du guide, ainsi qu'au revers du substrat. L'excitation électrique conduit à la formation d'un exciton au sein du nanograin de Si qui va, en se recombinant, soit émettre à 800 nm, soit transférer son énergie à l'ion Nd3+ se trouvant au voisinage et donc permettre l'émission de cette terre rare à la longueur d'onde voulue. L'excitation électrique dans de tels systèmes peut être favorisée par le biais de structures multicouches. En effet, pour permettre une excitation électrique optimale des nanograins de Si qui se trouvent noyés dans une matrice isolante (Siθ2) , ceux-ci doivent avoir une densité suffisante pour être séparés entre eux d'une distance inférieure à la « distance tunnel » (environ 2 à 4 nm) pour l'injection des électrons. De plus, ces nanograins doivent garder une taille inférieure à environ 5-6 nm et être entourés d'oxyde pour conserver cette propriété de confinement quantique des porteurs qui va leur permettre de jouer leur rôle de sensibilisateur efficace vis-à-vis de l'ion terre rare se trouvant dans leur environnement proche, la distance d'interaction optimale étant inférieure à 1 nm.
La technique de pulvérisation magnétron réactive utilisée pour déposer ces multicouches est schématisée sur la FIG. 5. Elle permet le contrôle des épaisseurs des différents types de couches déposées ainsi que la localisation de l'ion terre rare pour optimiser son émission. Elle se caractérise par deux aspects, l'aspect technique lié à l'utilisation de deux cathodes (50a et 50b) et dépôts alternés par rotation séquentielle du porte-substrat (anode 51 ) et l'aspect réactif lié à la présence d'hydrogène dans le plasma et donc interagissant avec la cible de silice. Les deux cibles sont en silice dont l'une est surmontée d'un nombre variable de plaquettes d'oxyde de terres rares (52) de sorte à moduler la concentration d'ions terres rares incorporés.
La séquence de dépôt est la suivante :
- lorsque le substrat (ou l'anode) se trouve face à la cible surmontée des morceaux d'oxyde de terres rares (POSITION B), le dépôt s'effectue sous plasma d'argon mélangé à l'hydrogène (~1 : 1 ) (53). Compte tenu du pouvoir réducteur de l'hydrogène vis-à-vis de l'oxygène provenant de la cible de silice, la couche déposée contient alors un excès de silicium à côté des ions terres rares incorporés par la co-pulvérisation des plaquettes d'oxyde. - le dépôt de la couche de Siθ2 se fait en plaçant le substrat face à la cible de silice pure (POSITION A), sous un plasma pur d'argon (54).
Ces séquences sont répétées autant de fois qu'il est nécessaire pour obtenir les caractéristiques structurales et les propriétés optiques adéquates du film fabriqué.
La FIG. 6 illustre une structure multicouches dans laquelle trois couches 60 co-dopées nanograins de Si et ions Terres Rares sont séparées par deux couches 61 isolantes d'oxyde de silicum. Des réseaux de Bragg 62 sont inscrits dans chacune des deux couches extrêmes pour former la cavité résonante d'un laser. Les électrodes 63 sont placées de part et d'autre d u milieu actif multicouches et alimentées par un générateur de courant G qui fait passer un courant à travers l'empilement des couches. Les réseaux 62a d'un côté de la structure (côté gauche sur la figure) sont semi-réfléchissants, ceux 62b de l'autre côté de la structure sont des miroirs presque parfaits. De ce fait, l'émission lumineuse 64 issue de la structure laser excitée par le courant électrique circulant est effectuée du même côté (côté gauche sur la figure).
La FIG. 7 illustre une autre structure conforme à l'invention dont les spécificités liées aux électrodes peuvent être combinées en tout ou partie avec la structure de la figure 6. Le dépôt des diverses couches de cette structure est réalisé par des procédés de pulvérisation magnétron réactive comme décrits précédemment.
La structure est déposée par couches sur un substrat de silicium
(70). Elle comprend, dans l'ordre, : - une première couche intermédiaire (buffer) 71 de silice SiÛ2 d'environ
5 μm d'épaisseur et d'indice de milieu sensiblement égal à 1 ,45 ;
- une couche conductrice transparente d'ITO (Indium-tin-oxide - oxyde d'étain et indium) 72 d'épaisseur inférieure à 100 nm et d'indice environ égal à 1 ,9 ; - le milieu actif 73 comprenant une couche co-dopée nanograins de silicium et ions Terres Rares, d'épaisseur comprise entre 500 nm et 1 μm et d'indice compris entre 1 ,5 et 2. Une structure multicouches comme décrites en référence à la FIG. 6 peut également être envisagée ;
- une (ou plusieurs) borne métallique 74 sur une partie de la couche 72 non recouverte par le milieu actif 73, de préférence d'un côté du milieu actif autre que celui qui fait office de sortie de laser (typiquement le côté muni d'un miroir de Bragg partiellement réfléchissant). Cette borne 74 peut être déposée soit par retrait d'une partie du milieu actif 73 de la couche ITO, soit lorsque initialement le dépôt du milieu actif 73 n'a été prévu que sur une partie seulement de la couche ITO 72, puis par le dépôt localisé de métal ;
- une deuxième couche conductrice transparente d'ITO 75 sur le milieu actif 73, présentant des caractéristiques similaires à la première couche d'ITO 72 ;
- une deuxième couche intermédiaire de silice Siθ2 76 d'environ 200 nm d'épaisseur et d'indice de milieu sensiblement égal à 1 ,45. Cette couche est déposée sur une partie seulement de la couche d'ITO 75 ; - une ou plusieurs bornes métalliques 76 en contact direct avec la deuxième couche d'ITO 75.
La/les bornes métalliques 74 au contact de la première couche d'ITO 72 sont reliées à un borne d'un générateur de courant 78 et les bornes métalliques 77 au contact de la deuxième couche d'ITO 75 sont reliées à l'autre borne du générateur de courant 78 de telle sorte à faire traverser un courant dans le milieu actif 73 grâce à la conductivité des couches ITO 72 et 75. Dans ce mode de réalisation, chaque ensemble couche ITO et borne métallique est vu comme une électrode du laser à excitation électrique.
Il en résulte une distribution de photons (issus de la désexcitation des ions terres rares à l'origine du phénomène laser) à l'intérieur du guide formé par le milieu actif. Cette structure présente l'avantage de s'affranchir de la barrière de potentiel induite par la présence de la couche intermédiaire de silice entre le substrat et la couche active.
Pour assurer le guidage de la lumière dans le milieu actif (milieu d'amplification), on utilise un indice plus faible de part et d'autre du guide (couches 71 et 76 d'indice 1 ,45 contre 1 ,5 minimum pour la couche active 73) . Pour diminuer l'impact des couches transparentes conductrices ITO 72 et 75 dans le guidage et l'amplification du signal lumineux et notamment pour éviter les pertes par ondes évanescentes, on choisit une épaisseur de couches transparentes fine, de l'ordre de quelques 10 nm. En outre, ces couches représentent potentiellement une barrière de potentiel à franchir pour les porteurs de charge. Ainsi, la couche est éventuellement extrêmement fine, de l'ordre de quelques nm à 10 nm.
Parmi les terres rares susceptibles de bénéficier du rôle de sensibilisateur efficace joué par les nanograins de Si, il y a aussi :
- L'ion Yb3+ pour une émission autour de 1 μm - L'ion Er3+ pour une émission à 1 ,54 μm qui permettrait ainsi le transport et le transfert optiques de l'information, notamment dans les ordinateurs.
- L'ion Tm3+ pour une émission vers 2 μm pour des applications en télémétrie, sécurité oculaire, dans le domaine médical. - L'ion Ho3+ pour une émission aussi autour de 2 μm et donc pour les mêmes domaines d'application que l'ion Tm3+.
Par ailleurs, différentes natures de matrice peuvent être utilisées :
- di-oxyde de silicium SiO2 ; - oxydes de silicium SiOx ;
- oxynitrures de silicium SiOxNy ;
Pour des matrices en oxynitrures de silicium, on prévoit que ledit plasma est enrichi en azote, permettant ainsi de former une matrice oxynitrurée qui facilite la conduction électrique en son sein en présence de nanograins de Si. La présence de l'azote peut être complémentaire de celle de l'hydrogène.

Claims

REVENDICATIONS
1. Structure d'amplification laser comprenant un milieu actif et au moins deux électrodes disposées de part et d'autre dudit milieu actif, ledit milieu actif comprenant une première couche d'un oxyde de silicium dopée en en ions Terres Rares, caractérisée par le fait que ladite première couche d'un oxyde de silicium est co-dopée en nanograins de silicium et en ions Terres Rares.
2. Structure selon la revendication 1 , caractérisée par le fait que ledit milieu actif comprend, en outre, une couche mince d'oxyde de silicium non dopée en ions Terres Rares sur laquelle est déposée ladite première couche.
3. Structure selon la revendication précédente, caractérisée par le fait que ledit milieu actif comprend une pluralité de couches d'un oxyde de silicium co-dopée en nanograins de silicium et en ions Terres Rares, lesdites couches co-dopées étant séparées par des couches d'oxyde de silicium non dopée, les couches supérieure et inférieure dudit milieu actif étant des couches co-dopées.
4. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ladite couche co-dopée a une structure dans laquelle la distance moyenne séparant un ion Terres Rares d'un nanograin de silicium dans ledit milieu actif est inférieure ou égale à 0,4 nm.
5. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les ions Terres Rares sont d'au moins une nature choisie parmi les ions Nd3+, Yb3+, Er3+, Tm3+ et Ho3+.
6. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ledit milieu actif comprend des réseaux de Bragg disposés sensiblement perpendiculaires auxdites électrodes, lesdits réseaux étant constitués d'ions germanium Ge photo-inscrits dans ladite (lesdites) couche(s) co-dopée(s).
7. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que lesdites électrodes comprennent chacune une couche conductrice adjacente à respectivement une des faces opposées du milieu actif.
8. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la(les)dite(s) couche(s) codopée(s) est(sont) une(des) couche(s) mince(s).
9. Laser optique comprenant une cavité laser munie d'une structure d'amplification selon l'une quelconque des revendications précédentes et, un générateur de courant électrique relié auxdites électrodes.
10. Laser selon la revendication, caractérisé en ce que ledit générateur de courant est agencé pour faire circuler, en utilisation, un courant électrique dans ledit milieu actif pour exciter lesdits nanograins de silicium
1 1. Procédé de fabrication d'une structure d'amplification laser, comprenant : une étape de dépôt d'un milieu actif comprenant le dépôt d'une couche d'un oxyde de silicium co-dopée en nanograins de silicium et en ions Terres Rares sur un substrat, et une étape de dépôt d'électrodes, de part et d'autre du milieu actif.
12. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait qu'une électrode est déposée préalablement à l'étape de dépôt du milieu actif par le dépôt d'une couche conductrice sur ledit substrat, et par le fait qu'une deuxième électrode est déposée postérieurement à l'étape de dépôt du milieu actif sur la face opposée du milieu actif.
13. Procédé selon la revendication 1 1 ou 12, caractérisé par le fait que ladite première étape est réalisée par co-pulvérisation magnétron réactive d'au moins une cible comprenant un premier matériau d'un oxyde de silicium et d'un second matériau de Terres Rares, ledit second matériau étant disposé sur une partie de ladite cible.
14. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que ladite au moins une cible est une unique cible d'oxyde de silicium surmontée d'une pluralité de plaquettes d'oxyde de Terres Rares.
15. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que la surface de la cible occupée par ledit matériau en Terres Rares est comprise entre 3 et 30% de la surface totale de ladite unique cible.
16. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait que ladite au moins une cible comprend une cible de silicium Si, une cible dudit premier matériau d'oxyde silicium Siθ2 et une cible dudit second matériau de Terres Rares.
17. Procédé selon l'une des revendications 13 à 16, caractérisé par le fait que ladite étape de co-pulvérisation est réalisée dans une enceinte sous vide comprenant un plasma d'argon et d'hydrogène ionisés.
18. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que le taux d'hydrogène dans le plasma est compris entre 40 et 90%.
19. Procédé selon l'une quelconques des revendications 13 à
18, caractérisé par le fait que pendant ladite étape de co- pulvérisation, ladite cible est également surmontée d'au moins une plaquette comprenant du germanium (Ge).
20. Procédé selon l'une quelconques des revendications 1 1 à
19, caractérisé par le fait qu'il comprend, en outre, une étape de recuit de ladite couche ainsi formée à une température comprise entre 800 et 11000C pendant au moins dix minutes.
21. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 20, caractérisé par le fait que l'étape de dépôt du milieu actif comprend la succession ;
- du dépôt d'une couche co-dopée, et - d'une étape ultérieure de dépôt pour former une couche d'oxyde de silicium non dopée sur ladite couche co-dopée.
22. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que le dépôt d'une couche co-dopée est une étape de co- pulvérisation magnétron réactive d'au moins une cible comprenant un premier matériau d'un oxyde de silicium et d'un second matériau de Terres Rares, ledit second matériau étant disposé sur une partie de ladite cible, et ladite étape ultérieure de dépôt est une étape de pulvérisation magnétron réactive d'une cible d'oxyde de silicium dans une enceinte sous vide comprenant un plasma d'argon pour former une couche d'oxyde de silicium non dopée sur ladite couche co-dopée.
23. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait qu'il comprend une pluralité d'alternances de dépôts de couches co-dopées et d'étapes ultérieures de dépôt pour former une structure multicouches, les première et dernière étapes de ladite pluralité d'alternances étant des étapes de co-pulvérisation pour le dépôt de couches co-dopées.
24. Procédé selon l'une des revendications 22 et 23, caractérisé par le fait que, lors de ladite étape de pulvérisation, le plasma d'argon est un plasma pur d'argon.
25. Procédé selon l'une des revendications 22 et 23, caractérisé par le fait que, lors de ladite étape de pulvérisation, ledit plasma est enrichi en hydrogène.
26. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 25, caractérisé par le fait que les ions Terres Rares sont d'au moins une nature choisie parmi les ions Nd3+, Yb3+, Er3+, Tm3+ et Ho3+.
27. Procédé de fonctionnement d'un laser comprenant une cavité laser munie d'une structure d'amplification laser et un générateur de courant électrique, ladite structure d'amplification laser comprenant un milieu actif et au moins deux électrodes disposées de part et d'autre dudit milieu actif, ledit milieu actif comprenant une première couche d'un oxyde de silicium est co-dopée en nanograins de silicium et en ions Terres Rares, et ledit générateur de courant électrique relié auxdites électrodes, ledit procédé comprenant une étape de circulation d'un courant électrique dans ledit milieu actif par l'application d'une alimentation électrique aux bornes desdites électrodes.
28. Utilisation d'une structure d'amplification laser comprenant une couche d'un oxyde de silicium co-dopée en nanog rains de silicium et en ions Terres Rares, pompée électriquement comme amplificateur laser.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101486422B1 (ko) * 2008-05-16 2015-01-27 삼성전자주식회사 광증폭매체, 광증폭매체의 제조방법 및 광증폭매체를 포함하는 광학소자

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9793676B1 (en) 2016-11-07 2017-10-17 Dicon Fiberoptics, Inc. Solid-state optical amplifier having an active core and doped cladding in a single chip
JP2019164260A (ja) * 2018-03-20 2019-09-26 住友大阪セメント株式会社 光変調器

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1174742B1 (fr) * 1995-07-28 2006-03-01 Sabeus Photonics, Inc. Procédé de modification de l'indice de réfraction dans un verre de germanosilicate
KR100442062B1 (ko) * 2002-01-29 2004-07-30 주식회사 럭스퍼트 광소자용 박막, 이를 이용한 광방출구조체 및 그 제조방법
US7095058B2 (en) * 2003-03-21 2006-08-22 Intel Corporation System and method for an improved light-emitting device
JP4336133B2 (ja) * 2003-03-27 2009-09-30 学校法人東海大学 ナノシリコン発光素子の製造法
US7440180B2 (en) * 2004-02-13 2008-10-21 Tang Yin S Integration of rare-earth doped amplifiers into semiconductor structures and uses of same
EP1751805A4 (fr) * 2004-04-30 2007-07-04 Newsouth Innovations Pty Ltd Semi-conducteurs amorphes artificiels et applications a des cellules solaires

Non-Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BREARD ET AL: "Nd<3+> photoluminescence study of Nd-doped Si-rich silica films obtained by reactive magnetron sputtering" JOURNAL OF LUMINESCENCE, AMSTERDAM, NL, vol. 121, no. 2, décembre 2006 (2006-12), pages 209-212, XP005719143 ISSN: 0022-2313 *
GOURBILLEAU F ET AL: "Fabrication and optical properties of Er-doped multilayers Si-rich SiO2/SiO2: size control, optimum Er-Si coupling and interaction distance monitoring" OPTICAL MATERIALS, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS B.V. AMSTERDAM, NL, vol. 27, no. 5, février 2005 (2005-02), pages 868-875, XP004738724 ISSN: 0925-3467 *
IACONA F ET AL: "Electroluminescence at 1.54 &mgr" APPLIED PHYSICS LETTERS, AIP, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, MELVILLE, NY, US, vol. 81, no. 17, 21 octobre 2002 (2002-10-21), pages 3242-3244, XP012032279 ISSN: 0003-6951 *
IRRERA A ET AL: "Correlation between electroluminescence and structural properties of Si nanoclusters" OPTICAL MATERIALS, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS B.V. AMSTERDAM, NL, vol. 27, no. 5, février 2005 (2005-02), pages 1031-1040, XP004738756 ISSN: 0925-3467 *
NAVARRO-URRIOS ET AL: "Optical losses and gain in silicon-rich silica waveguides containing Er ions" JOURNAL OF LUMINESCENCE, AMSTERDAM, NL, vol. 121, no. 2, décembre 2006 (2006-12), pages 249-255, XP005719153 ISSN: 0022-2313 *
NAZAROV A ET AL: "Light emission and charge trapping in Er-doped silicon dioxide films containing silicon nanocrystals" APPLIED PHYSICS LETTERS, AIP, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, MELVILLE, NY, US, vol. 86, no. 15, 7 avril 2005 (2005-04-07), pages 151914-151914, XP012064994 ISSN: 0003-6951 *
RAN G Z ET AL: "Room-temperature 1.54 &mgr" JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS. NEW YORK, US, vol. 90, no. 11, 1 décembre 2001 (2001-12-01), pages 5835-5837, XP012053668 ISSN: 0021-8979 *
SUN J M ET AL: "On the mechanism of electroluminescence excitation in Er-doped SiO2 containing silicon nanoclusters" OPTICAL MATERIALS, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS B.V. AMSTERDAM, NL, vol. 27, no. 5, février 2005 (2005-02), pages 1050-1054, XP004738759 ISSN: 0925-3467 *
YURTSEVER AYCAN ET AL: "Three-dimensional imaging of nonspherical silicon nanoparticles embedded in silicon oxide by plasmon tomography" APPLIED PHYSICS LETTERS, AIP, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, MELVILLE, NY, US, vol. 89, no. 15, 13 octobre 2006 (2006-10-13), pages 151920-151920, XP012086275 ISSN: 0003-6951 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101486422B1 (ko) * 2008-05-16 2015-01-27 삼성전자주식회사 광증폭매체, 광증폭매체의 제조방법 및 광증폭매체를 포함하는 광학소자

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