WO2010012759A1 - Procede de variation de l'indice optique d'un guide a semi-conducteurs, guide a indice optique controlable et commutateur optique ultra-rapide - Google Patents

Procede de variation de l'indice optique d'un guide a semi-conducteurs, guide a indice optique controlable et commutateur optique ultra-rapide Download PDF

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Didier Decoster
Naïma SAADSAOUD
Malek Zegaoui
Jean Chazelas
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    • G02F2202/10—Materials and properties semiconductor
    • G02F2202/102—In×P and alloy

Definitions

  • the present invention relates to a method of varying the optical refractive index of a semiconductor guide. It also relates to a controllable optical index guide and an ultra-fast optical switch with very low insertion losses.
  • the switching function is a basic function in many systems, especially in telecommunication systems or electromagnetic detection systems.
  • Conventional electronic switches are no longer fast enough to meet the performance requirements, particularly in applications for routing microwave signals or digital signals.
  • optical switches coupled via appropriate interfaces to the microwave circuits.
  • the switching function is obtained by modifying the optical index of the materials used. Index variation creates the switching function. When the index is low the material passes the optical wave. When the index is high, a mirror effect is created, the optical wave is reflected and therefore does not pass through the material.
  • the control of the switching function is then done by controlling the optical index variation.
  • Examples of applications include: switching delays in optical architectures for forming transmission and / or receiving paths of electronic scanning antennas, the delays being applied to elementary phase shifters controlling the radiating elements of antennas; optical routing of very high speed digital signals for optical interconnections; the routing of narrow band and broadband microwave signals, routing of local oscillators, particularly for communications and radar applications in the field of reconfigurable architectures and multi-channel broadband microwave receivers.
  • the routing of microwave signals in narrow band and broadband is very constraining in terms of performance. In addition to switching speed, the following performance may be required: strong contrast between channels (strong crosstalk); - very low insertion losses; a very low additional phase noise;
  • the waveguides are generally composed of a double hetero structure, the "small gap” part being the core material of the guide and the "large gap” material layers serving as confinement layers.
  • ⁇ n e ff 1 ⁇ ⁇ n
  • This value is relatively low, which requires the use of very long electrodes, of the order of 1 mm in length.
  • the phase variation of the optical wave is a function of the product interaction length x ⁇ n eff .
  • the interaction length corresponds to the length of the electrodes between which the injection of the carriers takes place.
  • the index variations induced by charge injection in PIN structures based on Nl-V semiconductor materials are indeed limited by the reduction of the lifetime of the carriers when the density of carriers in the structure of the waveguide guide. waves, grows.
  • the lifetime of the carriers ⁇ varies in 1 / (A + BN + CN 2 ) where the parameters A, B and C are related to the non-radiative, radiative and Auger recombination times, N being the density of the carriers.
  • the injected currents increase, the lifetime of the electron-hole pairs ⁇ decreases significantly, by a factor of 10 or more, and high carrier densities can not be reached before breakdown with reasonable currents. In fact, by this current we inject electron-hole pairs. The more we inject, the more they recombine. There is saturation. It is no longer possible to significantly increase the density of carriers.
  • the optical index can no longer be increased, ⁇ n is limited. Indeed, a current / due to the process of radiative recombination is given by the following relation:
  • the subject of the invention is a method for varying the optical index of a guide composed of semiconductor layers forming at least one double hetero-structure, the index variation being effected by electron injection, said injection being caused by an electrical voltage applied to a Schottky-type contact deposited on the double hetero-structure.
  • the double-hetero structure is for example of the InP / GaInAsP / InP type.
  • the lower layer of the double hetero-structure can be obtained by epitaxy on an n + doped substrate, InP.
  • the subject of the invention is also a controllable optical index semiconductor guide, said guide being composed of a double hetero-structure, a Schottky-type contact being deposited on the double hetero-structure, the index variation being by electron injection caused by an electrical voltage applied to the Schottky type contact.
  • the double-hetero structure is for example of the InP / GaInAsP / InP type.
  • the lower layer of the double hetero-structure can be obtained by epitaxy on an InP substrate doped n + , InP.
  • AlInAs indium aluminum arsenide
  • the guide comprises for example an electrode connected to the Schottky contact and a metallized layer on the opposite face of the guide, the applied electrical voltage inducing a potential difference variation between said electrode and the metallized layer.
  • an optical wave switch comprising at least one guide as described above, the switching of an optical wave being carried out by reflection of said optical wave on an area of the guide whose optical index is sufficiently diminished to form a mirror effect.
  • the switch comprises for example two guides forming two secant branches, the Schottky contact deposited at the intersection of the two branches covers an area such that the optical index variation of said zone causes the switching of an optical wave of a branch towards the other branch.
  • FIG. 1 an example of a controllable optical index guide according to the prior art
  • FIG. 2 an example of a controllable optical index guide according to the invention
  • FIG. 3 a curve representing the variation of optical index as a function of the current density in a guide according to the invention
  • FIG. 4 an example of an optical switch according to the invention
  • FIGS. 5a and 5b an illustration of the operating principle of the aforementioned switch
  • FIG. 6 an example of use of optical switches according to the invention in a delay line device.
  • FIG. 1 illustrates an exemplary embodiment of an optical switching function according to the prior art, using a PIN type junction.
  • the waveguide formed of several layers is represented by a sectional view. More particularly, the guide comprises a double hetero-structure, a "small gap” layer surrounded by “large gap” material layers.
  • the heart of the guide, forming the actual waveguide, is therefore formed of a central layer 1, the "small gap” layer composed of gallium phosphide, indium and arsenic, GaInAsP.
  • a layer 2, 3 in indium phosphide InP, "large gap” layer, is placed on each side of this layer.
  • InP and GaInAsP layers 7 and 8 respectively surmount the InP layer 2 are P-doped.
  • a n + doped InP layer 4 (it generally merges with the substrate) is placed between a layer 3 of InP and a layer metallized 5 format a first electrode.
  • FIG. 2 shows an example of a device for controlling the optical index of a waveguide according to the invention.
  • the guide has a double hetero structure.
  • the invention proposes a device based on the injection of electrons only, and not on the injection of electron-hole pairs.
  • the invention proposes a device based on the injection of electrons, through a Schottky contact deposited on a double hetero-structure, for example of the InP / GaInAsP / InP type.
  • the invention it is possible to overcome the limitations due to the recombination process. Indeed, the electrons can no longer recombine quickly, their life is mainly related to their transit time in the structure through the diffusion process. We can therefore expect a high density of injected carriers and consequently a strong variation of optical index through the plasma effect.
  • the device of FIG. 2 made in an In P type indium-type Nl-V semiconductor structure comprises:
  • a layer 23 of In P with a thickness of, for example, 0.3 ⁇ m, obtained by epitaxy on an N + doped substrate 24 InP; a GaInAsP quaternary layer having a wavelength of 1 .15 ⁇ m and a thickness of 0.3 ⁇ m, for example;
  • the quaternary layer 21 is the heart of the optical guide.
  • the substrate 24, 23 and the InP upper layer 22 serve as a confinement layer.
  • the upper layer of AI In As improves the quality of the Schottky contact and the last layer of GaInAs serves as a protective layer of the AI layer
  • a Schottky contact 26 is formed on the waveguide.
  • This contact forming an electrode is for example composed of three layers: an upper conducting layer 261 in gold (Au) with a thickness of 3000 ⁇ ; an intermediate layer 262 made of platinum (Pt), forming a barrier height, with a thickness of 150 ⁇ ; a lower layer 263 made of titanium (Ti), forming a bonding layer, with a thickness of 150 ⁇ .
  • An ohmic contact 25, forming the second electrode is for example formed of two layers:
  • a resin 28 makes it possible, for example, to cover the layer 22 with superior In P.
  • This insulating resin makes it possible in particular to extend the upper electrode 26 towards a not shown electrical control, the electrode extending on the resin 28.
  • the lower metal layer 25 being connected to a fixed reference potential, for example the ground potential, the upper electrode 26 is connected to a voltage control signal.
  • This control signal varies the potential difference between the two electrodes 26, 25 causing the injection of electrons by means of the Schottky contact formed by the metal-semiconductor junction, namely the Au / Pt / Ti-Al In As junction.
  • the Schottky contact allows only electrons to be injected;
  • the Schottky contact has the particular advantage of not accumulating charges because of the speed of transfer.
  • the optical index variation ⁇ n obtained is greater than 10 ⁇ 3 or even 10 ⁇ 2 .
  • the variation of effective index ⁇ n e ff measured for a wavelength of 1. 55 microns, for a current density of the order 21 KA / cm 2 is of the order of 10 "1.
  • the average density of carriers in the" small gap "material 21 is close to 10 19 / cm 3.
  • the current density varies in abscissa between 0 and 21 kA / cm 2 .
  • This curve shows that a variation of index ⁇ n of 0.10 can be obtained for a reasonable current density, of the order of 21 kA / cm 2 . There is no saturation.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a switch according to the invention in a perspective view.
  • This switch uses a device for controlling the optical index as described above.
  • the switching is total internal reflection, the reflection being caused by the variation of optical index.
  • the switch is composed of two secant guides 41, 42 of the type illustrated in FIG. 2, with Schottky junction, for example with the same semiconductor layers 21, 22, 23, 24, 27.
  • the Schottky junction is deposited at the intersection of the two branches.
  • Switching is therefore created by a control voltage applied to the electrode of the top 26.
  • the optical index is locally decreased by effect plasma.
  • the index difference is large enough to induce total reflection at the intersection of the two guides 41, 42 facing the electrode.
  • FIGS. 5a and 5b illustrate, in a view from above, the switching mode produced by a switch of the type of that of FIG. 4.
  • the two secant branches 41, 42 of the switch in fact make it possible to obtain two two-way switches 51 , 52 on two outputs 53, 54.
  • a first input 51 is formed of the input of a first branch 41 and the second input 52 is formed the input of the second branch 42.
  • a first output 53 is formed of the output of the first branch 41 and the second output 54 is formed of the output of the second branch 42.
  • Figure 5a illustrates the passage of the optical wave 50 in the second branch, without switching. That is to say that the wave passes from the second input 42 to the second output 54.
  • the electrode 26 is not controlled voltage and therefore does not induce a mirror effect.
  • Figure 5b illustrates the switching of the passage of the second branch 42 to the first branch 41, that is to say that the optical wave 50 from the second input 42 is directed to the output 53 of the second branch.
  • the electrode 26 is voltage controlled so as to induce a mirror effect in the intersection zone of the two waveguides, the two branches 41, 42, located below. The optical wave 50 is then reflected on this zone and continues its propagation in the first branch 41.
  • the Schottky contact surface deposited on a guide corresponds to the surface of an electrode.
  • the geometry of the electrode 26 is adapted to the passage of the optical wave from one branch to the other. In particular, the electrode does not cover the entire intersection so as to leave a free area 55 for the passage of the optical wave to the other branch.
  • the length of the electrode must be large enough to block the entrance of a branch.
  • a notable advantage of such a switch according to the invention is its compactness.
  • the switch example of FIG. 4 can be realized over a length of only 100 ⁇ m. In addition, it is insensitive to polarization and wavelength.
  • the switching time is a function of the recombination time and free carrier transits. In a switch according to the invention, this time can be only a few nanoseconds.
  • Figures 4, 5a and 5b illustrate a 2x2 switch. It is possible to provide other combinations.
  • FIG. 6 illustrates an example of an optical delay line made based on optical switches 61 and optical fibers.
  • An input microwave signal Si at the transmission frequency, modulates a laser source 62.
  • the laser source then delivers an optical signal 63, or optical carrier, modulated at the input frequency f e . More particularly, the carrier modulation copies the incoming microwave signal.
  • the transmission frequency f e may be of the order of 10 GHz while the frequency of the optical carrier may be of the order of 200 THz.
  • the delay line is composed of switches 61 in cascade. According to the branch 41, 42 that it switches, each switch 61 creates a delay k ⁇ or 0 according to its rank k in the chain.
  • the delay line comprises, for example at the output of the last switch, a photodetector 64 which transforms the optical signal into a microwave signal having the modulation frequency f e of the optical carrier

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Abstract

Le guide optique étant composé de couches de semi-conducteurs formant au moins une double hétéro-structure (21, 22, 23, 24), la variation d'indice se fait par injection d'électrons. Cette injection est provoquée par une tension électrique appliquée sur un contact de type Schottky (26, 27) déposé sur la double hétéro-structure. Un commutateur selon l'invention utilise la variation d'indice optique qui induit un effet miroir, la commutation étant effectuée par réflexion de l'onde optique sur une zone d'indice optique réduit. L'invention s'applique notamment pour des commutations d'ondes optiques ultra-rapides à faible pertes d'insertion.

Description

PROCEDE DE VARIATION DE L'INDICE OPTIQUE D'UN GUIDE A
SEMI-CONDUCTEURS,GUIDE A INDICE OPTIQUE CONTROLABLE ET
COMMUTATEUR OPTIQUE ULTRA-RAPIDE
La présente invention concerne un procédé de variation de l'indice de réfraction optique d'un guide à semi-conducteurs. Elle concerne également un guide à indice optique contrôlable et un commutateur optique ultra-rapide à très faibles pertes d'insertion.
La fonction de commutation est une fonction de base dans de nombreux systèmes, notamment dans des systèmes de télécommunication ou des systèmes de détection électromagnétique. Les commutateurs électroniques classiques ne sont plus assez rapides pour répondre aux performances demandées, en particulier dans des applications de routage de signaux hyperfréquences ou de signaux numériques. Pour atteindre ces performances, il est connu d'utiliser des commutateurs optiques couplés via des interfaces appropriées aux circuits hyperfréquence. La fonction de commutation est obtenue en jouant sur la modification d'indice optique des matériaux utilisés. La variation d'indice crée la fonction de commutation. Lorsque l'indice est faible le matériau laisse passer l'onde optique. Lorsque l'indice est élevé, un effet miroir est créé, l'onde optique se réfléchit et donc ne passe pas à travers le matériau.
La commande de la fonction de commutation se fait alors par commande de la variation d'indice optique.
Parmi, les exemples d'applications, on peut citer : la commutation de retards dans les architectures optiques de formation de voies d'émission et/ou de réception des antennes à balayage électronique, les retards étant appliqués aux déphaseurs élémentaires commandant les éléments rayonnant des antennes ; le routage optique de signaux numériques à très haut débit pour des interconnexions optiques ; le routage de signaux hyperfréquence à bande étroite et à large bande, routage des oscillateurs locaux en particulier pour les applications communications et radars dans le domaine des architectures reconfigurables et des récepteurs hyperfréquence à large bande multivoies. Le routage de signaux hyperfréquence en bande étroite et en large bande est très contraignant en ce qui concerne les performances. En plus de la rapidité de commutation, les performances suivantes peuvent être exigées : un fort contraste entre voies (forte diaphotie) ; - de très faibles pertes d'insertion ; un très faible bruit de phase additionnel ;
- une consommation réduite et la possibilité d'étendre la fonction de commutation à la fonction de matrice de routage sans atteindre une complexité technologique rédhibitoire. A ces performances requises, s'ajoute encore la nécessité d'obtenir des commutateurs ayant les plus faibles dimensions possibles, afin de répondre aux exigences de compacité des applications.
Les commutateurs optiques connus ne permettent pas d'atteindre l'ensemble de ces performances.
Une des limitations importante des dispositifs photoniques intégrés connus est liée à la variation Δn d'indice optique obtenue par les effets électro-optiques. Parmi les mécanismes ultra-rapides, les effets de porteurs dans les semiconducteurs sont les plus efficaces et parmi eux l'effet plasma pour lequel chaque porteur associé à une charge fixe de signe opposé crée un dipôle oscillant à la fréquence de l'onde optique. Ces effets sont obtenus dans les jonctions guides à structure PIN dans les matériaux Nl-V. Les guides d'ondes sont en général composés d'une double hétéro structure, la partie « petit gap » étant le matériau cœur du guide et les couches de matériau « grand gap » servant de couches de confinement.
Dans un guide d'ondes PIN, grâce à la jonction, les porteurs minoritaires sont injectés dans la couche intrinsèque où est localisé le cœur du guide. Le maximum de variation d'indice effectif, Δneff (qui prend en compte le confinement de l'onde optique dans le matériau à petit gap avec Δneff = l~. Δn), est généralement compris entre 10~3 et 10~2 . Cette valeur est relativement faible, ce qui nécessite d'utiliser des électrodes très longues, de l'ordre de 1 mm de longueur. En effet, la variation de phase de l'onde optique est fonction du produit longueur d'interaction x Δneff. La longueur d'interaction correspond à la longueur des électrodes entre lesquels se produit l'injection des porteurs. Par exemple, pour un commutateur à couplage entre deux guides couplés, la commutation se produit pour un déphasage de π. Plus la variation d'indice Δn est faible, plus la longueur doit alors être importante. Dans les solutions de l'art antérieur, cette variation est relativement faible, de l'ordre de 10~3 à 10~2 comme indiqué ci-dessus.
Les variations d'indice induit par injection de charge dans les structures PIN à base de matériaux semi-conducteurs Nl-V sont en effet limitées par la réduction de la durée de vie des porteurs lorsque la densité de porteurs, dans la structure du guide d'ondes, croît. La durée de vie des porteurs τ varie en 1/(A + BN + CN2) où les paramètres A, B et C sont reliés aux temps de recombinaisons non radiatives, radiatives et d'Auger, N étant la densité des porteurs. Quand les courants injectés augmentent, la durée de vie des paires électron- trou τ décroît significativement, d'une réduction d'un facteur 10 ou plus, et de fortes densités de porteurs ne peuvent pas être atteintes avant claquage avec des courants raisonnables. En fait, par ce courant on injecte des paires d'électron-trou. Plus on en injecte, plus ils se recombinent. Il y a alors saturation. Il n'est alors plus possible d'augmenter significativement la densité de porteurs. L'indice optique ne peut plus être augmenté, Δn est limité. En effet, un courant / dû au processus de recombinaison radiative étant donné par la relation suivante :
I = ^-V (1 ) τ q étant la charge élémentaire, F Ie volume de la zone active, la densité N de porteurs injectés varie en V7 et sature aux forts courant, avec le même comportement pour Δn ou Δneff.
En conséquence, de longues électrodes sont requises pour les applications de commutation. Les dimensions typiques des commutateurs ainsi réalisés sont d'environ L = 1 mm de long, liées au rapport λ/2Δn. Cette longueur L permet de réaliser un déphasage de π sur un signal optique à la longueur d'onde λ se propageant dans le guide d'onde.
Ces mécanismes de recombinaison de paires d'électron-trou affecte fortement la possibilité d'obtenir des dispositifs photoniques compacts même en présence de nano guides. Un but de l'invention est notamment d'atteindre les performances précitées tout en réduisant la longueur des électrodes. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de variation d'indice optique d'un guide composé de couches de semiconducteurs formant au moins une double hétéro-structure, la variation d'indice se faisant par injection d'électrons, ladite injection étant provoquée par une tension électrique appliquée sur un contact de type Schottky déposé sur la double hétéro-structure.
La double-hétéro structure est par exemple du type InP / GaInAsP / InP. La couche inférieure de la double hétéro-structure peut-être obtenue par épitaxie sur un substrat dopé n+, en InP.
L'invention à également pour objet un guide à semi-conducteurs à indice optique contrôlable, ledit guide étant composé d'une double hétéro-structure, un contact de type Schottky étant déposé sur la double hétéro-structure, la variation d'indice se faisant par injection d'électrons provoquée par une tension électrique appliquée sur le contact de type Schottky.
La double-hétéro structure est par exemple du type InP / GaInAsP / InP.
La couche inférieure de la double hétéro-structure peut-être obtenue par épitaxie sur un substrat InP dopé n+, en InP.
Une couche composée d'arséniure d'indium et d'aluminium (AIInAs) est par exemple interposée entre le contact Schottky la double hétéro-structure.
Avantageusement, le guide comporte par exemple une électrode reliée au contact Schottky et une couche métallisée sur la face opposée du guide, la tension électrique appliquée induisant une variation de différence de potentiel entre ladite électrode et la couche métallisée. L'invention a encore pour objet, un commutateur d'onde optique, comportant au moins un guide tel que décrit précédemment, la commutation d'une onde optique étant réalisée par réflexion de ladite onde optique sur une zone du guide dont l'indice optique est suffisamment diminué pour former un effet de miroir. Le commutateur comporte par exemple deux guides formant deux branches sécantes, le contact Schottky déposé à l'intersection des deux branches recouvre une zone telle que la variation d'indice optique de ladite zone provoque la commutation d'une onde optique d'une branche vers l'autre branche . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : la figure 1 , un exemple de guide à indice optique contrôlable selon l'art antérieur ; la figure 2, un exemple de guide à indice optique contrôlable selon l'invention ; la figure 3, une courbe représentant la variation d'indice optique en fonction de la densité de courant dans un guide selon l'invention ; - la figure 4, un exemple de commutateur optique selon l'invention ;
- les figures 5a et 5b, une illustration du principe de fonctionnement du commutateur précité ;
- la figure 6, un exemple d'utilisation de commutateurs optiques selon l'invention dans un dispositif à ligne à retard.
La figure 1 illustre un exemple de réalisation d'une fonction de commutation optique selon l'art antérieur, utilisant une jonction de type PIN. Le guide d'onde formé de plusieurs couches est représenté par une vue en coupe. Plus particulièrement le guide comprend une double hétéro-structure, une couche « petit gap » entourée de couches en matériau « grand gap ».
Le cœur du guide, formant le guide d'onde proprement dit, est donc formé d'une couche centrale 1 , la couche « petit gap » composée de phosphure de gallium, d'indium et d'arsenic, GaInAsP. Une couche 2, 3 en phosphure d'indium InP, couche « grand gap », est placée de chaque côté de cette couche. Des couches 7 et 8 respectivement en InP et GaInAsP surmontent la couche 2 en InP sont dopées de type P. Une couche 4 de InP dopée n+ (elle se confond généralement au substrat) est placée entre une couche 3 d'InP et une couche métallisée 5 format une première électrode. Sous l'effet d'une différence de potentiel entre les deux électrodes 6, 5, des porteurs, formés de paires d'électron-trous, migrent vers de la couche 4 InP, dopée n+, vers la couche centrale 3. L'indice optique est alors modifié. Cependant, comme indiqué précédemment, la variation d'indice optique Δn est insuffisante. La figure 2 présente un exemple de dispositif de contrôle de l'indice optique d'un guide d'onde selon l'invention. Comme dans le cas précédent, le guide comporte une double hétéro-structure. L'invention propose un dispositif basé sur l'injection d'électrons uniquement, et non pas sur l'injection de paires d'électron-trou. A cet effet, l'invention propose un dispositif basé sur l'injection d'électrons, au travers d'un contact Schottky déposé sur une double hétéro-structure, par exemple du type InP / GaInAsP / InP. Grâce à l'invention, il est possible de dépasser les limitations dues au processus de recombinaison. En effet, les électrons ne peuvent plus se recombiner rapidement, leur durée de vie est essentiellement liée à leur temps de transit dans la structure au travers du processus de diffusion. On peut donc s'attendre à une forte densité de porteurs injectés et en conséquence à une forte variation d'indice optique au travers de l'effet plasma.
Le dispositif de la figure 2 réalisé dans une structure de semi-conducteur Nl-V de type In P, Phosphure d'indium, comporte :
- une couche 23 d'In P, d'épaisseur par exemple de 0,3 μm, obtenue par épitaxie sur un substrat 24 InP, dopé n+ ; - une couche quaternaire 21 GaInAsP de longueur d'onde 1 ,15 μm et d'épaisseur 0,3 μm par exemple ;
- une couche 22 de d'InP d'épaisseur 1 .6 μm par exemple; une couche supérieure 27 en arséniure d'aluminium et d'indium AIInAs d'épaisseurs respectives de 150 Â par exemple, cette couche est éventuellement recouverte d'une couche en arséniure de gallium et d'indium GaInAs d'épaisseur par exemple 50 Â.
Toutes ces couches sont non intentionnellement dopées et sont formées par épitaxie en accord de maille sur InP. La couche quaternaire 21 est le cœur du guide optique. Le substrat 24, 23 et la couche épaisse supérieure 22 d'InP servent de couche de confinement. La couche supérieure d'AI In As permet d'améliorer la qualité du contact Schottky et la dernière couche de GaInAs sert de couche de protection de la couche d'AI
In As contre l'oxydation. Par l'utilisation de techniques conventionnelle de photolithographie et de gravure RIE, des guides de 5 μm de large et de 1 μm d'épaisseur peuvent être réalisés.
Après retrait de la couche de protection en Ga In As, un contact Schottky 26 est réalisé sur le guide d'onde. Ce contact, formant électrode, est par exemple composé de trois couches : - une couche supérieure 261 conductrice en or (Au), d'épaisseur 3000 Â ; une couche intermédiaire 262 en platine (Pt), formant hauteur de barrière, d'épaisseur 150 Â ; une couche inférieure 263 en titane (Ti), formant une couche d'accrochage, d'épaisseur 150 Â.
Un contact ohmique face arrière 25, formant la deuxième électrode, est par exemple formé de deux couches :
- une couche supérieure 251 en titane (Ti), formant une couche d'accrochage, d'épaisseur 100 Â ;
- une couche inférieure 252 en or (Au) d'épaisseur 500 Â.
Une résine 28 permet par exemple de recouvrir la couche 22 d'In P supérieure. Cette résine isolante permet notamment de prolonger l'électrode supérieure 26 vers une commande électrique non représentée, l'électrode se prolongeant sur la résine 28. La couche métallique inférieure 25 étant reliée à un potentiel fixe de référence, par exemple le potentiel de masse, l'électrode supérieure 26 est reliée à un signal de commande en tension. Ce signal de commande fait varier la différence de potentiel entre les deux électrodes 26, 25 entraînant l'injection d'électrons grâce au contact Schottky formé de la jonction métal-semiconducteur, soit la jonction Au/Pt/Ti - Al In As. Il n'y a pas de couche de type P. Aucune couche n'est dopée, il peut cependant y avoir un dopage résiduel de type N. Le contact Schottky permet de n'injecter que des électrons ; Le contact Schottky a notamment comme avantage de ne pas accumuler de charges en raison de la rapidité de transfert. Sous l'effet d'une tension de commande appliquée à l'électrode supérieure 26, il y a injection d'électrons. En raison du faible gap de la couche quaternaire 21 , guidant l'onde optique, cette couche attire les électrons et les piège, ce qui provoque un effet miroir vis-à-vis de l'onde optique. L'onde optique se réfléchit alors au lieu de continuer sa propagation, et une fonction de commutation peut ainsi être obtenue. En d'autres termes, l'injection d'électrons provoqués par le contact Schottky fait varier l'indice optique.
La variation d'indice optique Δn obtenue est supérieure à 10~3 ou même 10~2. Ainsi, dans un exemple de réalisation, la variation d'indice effectif Δneff mesurée pour une longueur d'onde de 1 ,55 μm, pour une densité de courant de l'ordre de 21 KA/cm2 est de l'ordre de 10"1. La densité moyenne de porteurs dans le matériau « petit gap » 21 est proche de 1019 / cm3. Des temps de commutation de l'ordre de la nanoseconde sont obtenus pour des courants injectés de l'ordre de 420 mA. Ces valeurs montrent que l'invention permet d'obtenir une très grande variation d'indice, de l'ordre de 10 fois supérieures aux valeurs obtenues de façon classique, et cela pour des densités de courant raisonnables. Les variations d'indice sont obtenues sans phénomène notable d'absorption induite par l'injection des électrons. Par ailleurs, l'absorption due au contact Schottky est faible comparée à l'absorption des structures de diodes PIN.
La figure 3 illustre par une courbe la variation d'indice effectif Δneff en fonction de la densité de courant pour un dispositif selon l'invention, pour une longueur d'onde λ = 1 ,55 μm. La densité de courant varie en abscisse entre 0 et 21 kA/cm 2. Cette courbe montre qu'une variation d'indice Δn de 0,10 peut être obtenue pour une densité de courant raisonnable, de l'ordre de 21 kA/cm 2. Il n'y a pas de saturation.
La figure 4 présente un exemple de réalisation d'un commutateur selon l'invention par une vue en perspective. Ce commutateur utilise un dispositif de contrôle de l'indice optique tel que décrit précédemment. La commutation est à réflexion interne totale, la réflexion étant provoquée par la variation d'indice optique.
Le commutateur est composé de deux guides sécants 41 , 42 du type de celui illustré par la figure 2, à jonction Schottky, avec par exemple les mêmes couches en semi-conducteurs 21 , 22, 23, 24, 27. La jonction Schottky est déposée à l'intersection des deux branches.
Une électrode 26 positionnée à l'intersection des deux guides, recouvre la jonction Schottky. Cette électrode est reliée à une tension de commande dont la variation entraîne la variation de l'indice optique par injection d'électrons comme décrit précédemment. L'injection d'électrons suit la variation de différence de potentiel crée entre l'électrode du dessus 26 et la couche métallisée 25 du dessous.
La commutation est donc créée par une tension de commande appliquée sur l'électrode du dessus 26. L'indice optique est localement diminué par effet plasma. La différence d'indice est suffisamment importante pour induire une réflexion totale à l'intersection des deux guides 41 , 42 en regard de l'électrode.
Les figures 5a et 5b illustrent, par une vue de dessus, le mode de commutation produit par un commutateur du type de celui de la figure 4. Les deux branches sécantes 41 , 42 du commutateur permettent en fait d'obtenir deux commuter deux entrées 51 , 52 sur deux sorties 53, 54. Une première entrée 51 est formée de l'entrée d'une première branche 41 et la deuxième entrée 52 est formée l'entrée de la deuxième branche 42. De même une première sortie 53 est formée de la sortie de la première branche 41 et la deuxième sortie 54 est formée de la sortie de la deuxième branche 42.
La figure 5a illustre le passage de l'onde optique 50 dans la deuxième branche, sans commutation. C'est-à-dire que l'onde passe de la deuxième entrée 42 à la deuxième sortie 54. L'électrode 26 n'est pas commandée en tension et n'induit donc pas d'effet miroir.
La figure 5b illustre la commutation du passage de la deuxième branche 42 vers la première branche 41 , c'est-à-dire que l'onde optique 50 issue de la deuxième entrée 42 est dirigée vers la sortie 53 de la deuxième branche. Dans ce cas, l'électrode 26 est commandée en tension de façon à induire un effet miroir dans la zone d'intersection des deux guides d'ondes, les deux branches 41 , 42, située en dessous. L'onde optique 50 se réfléchit alors sur cette zone et poursuit sa propagation dans la première branche 41. De préférence, la surface de contact Schottky déposée sur un guide correspond à la surface d'une électrode. La géométrie de l'électrode 26 est adaptée au passage de l'onde optique d'une branche à l'autre. En particulier, l'électrode ne recouvre pas la totalité de l'intersection de façon à laisser une zone libre 55 pour le passage de l'onde optique vers l'autre branche. Cependant, la longueur de l'électrode doit être suffisamment grande pour bloquer l'entrée d'une branche. Un avantage notable d'un tel commutateur selon l'invention est sa compacité. L'exemple de commutateur de la figure 4 peut être réalisé sur une longueur de 100 μm seulement. De plus, il est insensible à la polarisation et à la longueur d'onde. Le temps de commutation est fonction du temps de recombinaison et des transits des porteurs libres. Dans un commutateur selon l'invention, ce temps peut être seulement de quelques nanosecondes. Les figures 4, 5a et 5b illustrent un commutateur 2x2. Il est possible de prévoir d'autres combinaisons.
Un commutateur tel qu'illustré par la figure 4 est notamment bien adapté pour la création de lignes à retards optiques. La figure 6 illustre un exemple de ligne à retards optiques réalisée à base de commutateurs optiques 61 et de fibres optiques. Un signal hyperfréquence d'entrée Si, à la fréquence d'émission, module une source laser 62. La source laser délivre alors en sortie un signal optique 63, ou porteuse optique, modulée à la fréquence d'entrée fe. Plus particulièrement, la modulation de porteuse recopie le signal hyperfréquence d'entrée. La fréquence d'émission fe peut être de l'ordre de 10 GHz alors que la fréquence de la porteuse optique peut être de l'ordre de 200 THz. La ligne à retards est composée de commutateurs 61 en cascade. Selon la branche 41 , 42 qu'il commute, chaque commutateur 61 crée un retard kτ ou 0 selon son rang k dans la chaîne. La ligne à retard comporte par exemple en sortie du dernier commutateur un photodétecteur 64 qui transforme le signal optique en un signal hyperfréquence ayant la fréquence de modulation fe de la porteuse optique

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de variation d'indice optique d'un guide composé de couches de semi-conducteurs formant au moins une double hétéro-structure (21 , 22, 23, 24), caractérisé en ce que la variation d'indice se fait par injection d'électrons, ladite injection étant provoquée par une tension électrique appliquée sur un contact de type Schottky (26, 27) déposé sur la double hétéro-structure.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la double-hétéro structure est du type InP / GaInAsP / InP.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche inférieure (23) de la double hétéro-structure est obtenue par épitaxie sur un substrat dopé n+, en InP.
4. Guide à semi-conducteurs à indice optique contrôlable, ledit guide étant composé d'une double hétéro-structure (21 , 22, 23, 24), caractérisé en ce qu'un contact de type Schottky (26, 27) étant déposé sur la double hétéro- structure, la variation d'indice se fait par injection d'électrons provoquée par une tension électrique appliquée sur le contact de type Schottky.
5. Guide selon la revendication 4, caractérisé en ce que la double-hétéro structure est du type InP / GaInAsP / InP.
6. Guide selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche inférieure (23) de la double hétéro-structure est obtenue par épitaxie sur un substrat
InP (24) dopé n+, en InP.
7. Guide selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'une couche (27) composée d'arséniure d'indium et d'aluminium (AIInAs) est interposée entre le contact Schottky la double hétéro-structure.
8. Guide selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que qu'il comporte une électrode (26) reliée au contact Schottky et une couche métallisée (25) sur la face opposée du guide, la tension électrique appliquée induisant une variation de différence de potentiel entre ladite électrode (26) et la couche métallisée (25).
9. Commutateur d'onde optique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un guide selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, la commutation d'une onde optique (50) étant réalisée par réflexion de ladite onde optique sur une zone du guide dont l'indice optique est suffisamment diminué pour former un effet de miroir.
10. Commutateur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte deux guides formant deux branches sécantes (41 , 42), le contact Schottky déposé à l'intersection des deux branches recouvre une zone telle que la variation d'indice optique de ladite zone provoque la commutation d'une onde optique (50) d'une branche (42) vers l'autre branche (41 ).
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