WO2024115447A1 - Surface-emitting device, optical system and associated method - Google Patents

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WO2024115447A1
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Badhise Ben Bakir
Olivier Lartigue
Christophe Constancias
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Definitions

  • the technical field of the invention is that of sources of surface-emitting electromagnetic radiation, such as surface-emitting lasers.
  • Surface emission devices emit electromagnetic radiation, for example a laser beam, with a direction substantially perpendicular to the plane on which they extend. This beam can have good spatial uniformity, particularly in the near field. Surface emitting devices are therefore advantageously integrated into optical systems.
  • the document [“Surface-emitting 10.1 pm quantum cascade distributed feedback lasers” D. Hofstetter & al., Appl. Phys. Lett. 75, 3769-3771 (1999)] discloses a surface emitting device.
  • the device comprises, from an InP substrate, a stack comprising: two InGaAs layers, framing a semiconductor multilayer, the assembly constituting a waveguide, the semiconductor multilayer being described as an “active region”, promoting emission an electromagnetic field (in this case by quantum cascade); and a second-order transmission diffraction grating extending on the free face of the waveguide.
  • the diffraction grating in second-order transmission promotes the emission of a normal component of the electromagnetic field which is then emitted by the free face of the waveguide, comprising the diffraction grating. This is the reason why this type of device is called “surface emitting”.
  • Devices based on a transmission diffraction grating of order two show a problem of stability of the guided modes, for example as a function of temperature.
  • the document [“Experiment demonstration of high speed 1.3 pm grating assisted surface-emitting DFB lasers” J. Luan et al., Optics Express 25111 Vol. 30, No. 14 (Jul. 2022)] solves the stability problem using a diffraction grating in transmission comprising three distinct portions and presenting different orders (a first portion presenting an order two framed by two portions presenting an order one).
  • the order one portions make it possible to confine a guided mode of the electromagnetic field by distributed feedback and thus form a laser cavity.
  • the second order portion carries out surface emission of part of the guide mode normal to the plane of the diffraction grating.
  • the invention relates to a device for surface emission of an electromagnetic field comprising: a waveguide, extending in a plane and comprising a first face and a second face, opposite the first face , the first and second faces being parallel to the plane, the waveguide comprising an active region extending in the plane and being configured to emit the electromagnetic field; and a diffraction grating extending over the first face of the waveguide, the device being remarkable in that the diffraction grating is reflective and has, in a first direction parallel to the plane, a diffraction order greater than or equal to two and in that the second face is transparent.
  • the active region makes it possible to emit a field which can propagate in the waveguide.
  • the diffraction grating interacting with the electromagnetic field (which we will also simply call "field"), can promote, depending on its diffraction order, the appearance of: a counter-propagating component of the field propagating in the first direction in the waveguide; and/or a component of the field propagating in an out-of-plane direction.
  • the counter-propagating component of the field can be induced by a distributed counter-reaction effect of the diffraction grating on the field. This counter-propagating component allows the establishment of stationary modes of the field in the waveguide.
  • direction out of the plane we mean a direction having an angle greater than 20° relative to the plane in which the waveguide extends, or even an angle greater than 45° relative to said plane, or even still preferred manner an angle greater than 80° relative to said plane.
  • a diffraction order equal to two mainly favors the out-of-plane component.
  • a diffraction order greater than two makes it possible to favor the counter-propagating component while retaining an out-of-plane component.
  • the emission can be carried out in an out-of-plane direction.
  • the diffraction grating reflects the field which is then emitted only by the second face of the waveguide. By considering the first face as an “upper” face and the second face as a “lower” face, the device according to the invention can therefore be called a “lower surface emission device”.
  • reflective diffraction grating we mean that the field is reflected by more than 50% by the diffraction grating, or even more than 70%, or preferably more than 90%.
  • transparent face we mean that more than 50% of the optical power is transmitted by the second face. Thus, a substantial part of the optical power generated by the device is transmitted through the second face.
  • a surface emission device according to the invention can therefore be easily integrated into an optical system because it can be deposited directly on the optical system (the second face being for example glued to an optical window) or manufactured directly on the optical system (for example example directly on an optical window).
  • the waveguide is delimited by a first flank and a second flank, the second flank being opposite the first flank, the first and second flanks being substantially perpendicular to a second direction, said second direction being parallel to the plane and parallel to the first direction, the device also comprising a first conductive coating and a second conductive coating, the first conductive coating extending on the first sidewall and the second conductive coating extending on the second sidewall.
  • substantially perpendicular or parallel we mean respectively perpendicular or parallel to within +/- 20°, or even +/- 10°.
  • conductive layer we mean for example a metallic layer.
  • the first and second conductive layers make it possible to reinforce the confinement of the electromagnetic field in the waveguide in the second direction by forming a cavity in the second direction with high reflectivity.
  • the diffraction grating can then also serve as a spectral filter for the guided modes propagating in the second direction in the waveguide.
  • the device comprises at least one electrically insulating spacer disposed between the first conductive layer and the first side and between the second conductive layer and the second side.
  • the different layers of the waveguide are not short-circuited by the conductive layers.
  • the diffraction grating extends directly above the active region of the waveguide, the active region having a length, measured in the first direction, and the diffraction grating having a length, also measured according to the first direction, the length of the diffraction grating being substantially equal to the length of the active region, the grating presenting, according to the first direction, a single diffraction order.
  • substantially equal we mean equal to +/- 20%, or even equal to +/- 10%.
  • single diffraction order we mean for example that the diffraction grating has a constant step (or period) of +/- 10%.
  • the active region has a width, measured in a second direction parallel to the plane and perpendicular to the first direction, and the diffraction grating has a width, measured in the second direction, the width of the diffraction grating being substantially equal to the width of the active region, the grating presenting, in the second direction, another unique diffraction order greater than or equal to two.
  • the diffraction grating has, in the first direction, a diffraction order greater than or equal to three.
  • a diffraction order equal to two mainly favors the out-of-plane component.
  • the spectrum of the field emitted by the second face can therefore be broad or have a multimode signature.
  • a diffraction order greater than two makes it possible to favor the counter-propagating component while retaining an out-of-plane component. Only wavelengths relating to stationary modes can be emitted and the spectrum of the field emitted by the second face is narrow and monochromatic.
  • the active region emits the field by spontaneous emission and/or by stimulated emission.
  • the device can operate in laser mode.
  • the active region implements the emission of the field by inter-band emission or intra-band emission.
  • the active region is configured to carry out a quantum cascade.
  • the electromagnetic field comprises a wavelength comprised in [0.8 pm; 20 pm] and preferably in [4 pm; 12 p.m.],
  • the diffraction grating comprises a periodic structure and a metallic layer, the periodic structure extending over the first face of the waveguide and the metallic layer extending over the periodic structure.
  • the metallic layer prevents the transmission of the field through the diffraction grating which therefore becomes only reflective. It therefore makes it possible to reorient the diffracted field towards the second face (in other words, from the lower face).
  • the diffraction grating has a thickness, measured perpendicular to the plane, greater than ⁇ /(10 n eff ) and preferably greater than 2/(4 n eff ), where 2 is a wavelength of the field electromagnetic emitted by the active region, and n eff is an effective index of a guided mode in the guide wave, interacting with the diffraction grating.
  • the thickness of the diffraction grating also makes it possible to control the effective index of the guided mode. It can therefore make it possible to control the diffraction orders of the guided mode with the diffraction grating.
  • the periodic structure comprises an alternation of first portions and second portions, the first portions being made up of a first semiconductor material having a first optical index and the second portions being made up of a metal or a second material, such as another semiconductor material or a gas, such as air, having a second optical index different from the first optical index.
  • a metal or a second material such as another semiconductor material or a gas, such as air.
  • the first portions of the periodic structure are, for example, lines or plots.
  • the metal layer comprises portions, each portion of the metal layer covering one of the first portions of the periodic structure.
  • the metal layer is continuous.
  • the waveguide comprises a first semiconductor layer based on the first semiconductor material constituting the first portions of the periodic structure, the first semiconductor layer extending from the active region to the first face.
  • the first semiconductor layer is doped.
  • the waveguide of the device comprises a second semiconductor layer extending from the active region of the waveguide to the second face of the waveguide, the thickness of the second semiconductor layer, measured perpendicular to the plane, is between 2 pm and 100 pm and preferably between 2 pm and 40 pm.
  • the invention also relates to an optical system, characterized in that it comprises a device for surface emission of an electromagnetic field according to the invention and an optical window transparent to the electromagnetic field, the second face of the guide wave of the surface emitting device extending over the optical window.
  • the system also includes a thermal regulator configured to regulate the temperature of the waveguide of the device when the device operates in a steady state.
  • the thermal regulator is configured to regulate the temperature of the waveguide to within 0.1°C.
  • the thermal regulator is configured so that the temporal variation of the system temperature is less than 0.1°C/s during operation of the device.
  • the invention further relates to a method of manufacturing the surface emission device according to the invention, the method comprising the following steps: forming a waveguide, extending in a plane and comprising a first face and a second face, opposite the first face, the first and second faces being parallel to the plane, the waveguide comprising an active region extending in the plane and configured to emit an electromagnetic field, the second face being transparent; form a diffraction grating extending on the first face of the waveguide, the diffraction grating being reflective and having, in a first direction parallel to the plane, a diffraction order greater than or equal to two.
  • the method comprises, before the formation of the diffraction grating, a step of optimizing a coupling rate of the diffraction grating with the electromagnetic field emitted by the active region.
  • the opto-geometric parameters of the grating (such as its depth and/or its width and/or its length) are digitally optimized to obtain high reflectivity and an optimal coupling rate from the underside. This optimization thus makes it possible to couple maximum optical power into the optical system.
  • FIG. 1 shows, in a sectional view, an embodiment of a surface emission device according to the invention.
  • FIG. 2 shows a first result of a digital simulation carried out using the device of [Fig. 1 ],
  • FIG. 3 shows a second result of a digital simulation carried out using the device in [Fig. 1 ],
  • FIG. 4 shows a third result of a digital simulation carried out using the device in [Fig. 1 ],
  • FIG. 5 schematically shows an optical system.
  • FIG. 1 presents, in a sectional view, an embodiment of a surface emitting device 1 according to the invention. [Fig. 1] also presents a magnification of a portion T of said device 1.
  • the device 1 comprises: a waveguide 11 and a diffraction grating 12.
  • the waveguide 11 extends in a plane P. This is a plane in which a first direction X and a second direction Y extend.
  • the waveguide 11 comprises a first face 11 a and a second face 11 b, opposite the first face 11 b. We can also call the first face 11a “upper face” and the second face 11b “lower face”.
  • the first and second faces 11 a, 11 b extend parallel to the plane P.
  • the first face 11 a is for example oriented in a third direction Z, perpendicular to the plane P, and the second face 11 b is oriented in the same direction but in an opposite direction.
  • the waveguide 11 also comprises an active region 110.
  • the active region 110 is a portion of the waveguide 11 configured to emit an electromagnetic field (simply called "field").
  • the active region 110 is for example configured so that the emission is spontaneous and/or stimulated. In the latter case, the active region could also be called “amplifying medium” because it can allow the device 1 to operate in laser mode.
  • the active region 110 is for example a stack of sublayers, such as [lnGaAs/AllnAs]xN, where N is the number of pairs of InGaAS/AllnAs sublayers, for example equal to one hundred. In this way, the active region 110 is configured to carry out spontaneous and stimulated emission.
  • the active region may have a thickness Wno, measured perpendicular to the plane P, which may be between 1 pm and 5 pm and preferably between 1.5 pm and 2.5 pm.
  • the active region 110 is preferably framed by two semiconductor layers 111, 112, extending parallel to the plane P.
  • a first semiconductor layer 111 which can be called “top cladding” in English, is extends over the active region 110 and preferably directly against the active region 110.
  • the face of the upper coating 111 which is opposite the active region 110 is then advantageously the first face 11a.
  • the face of the lower coating 112 which is opposite the active region 110 is then advantageously the second face 11 b.
  • the upper and lower coatings 111, 112 can allow the field to be guided in the waveguide 11.
  • they advantageously have optical indices (also called refractive indices) strictly lower than the average optical index of the active region 110.
  • the upper coating 111 has a thickness, measured perpendicular to the plane P, which can be between 1 pm and 2 pm.
  • the lower coating 112 has a thickness, measured perpendicular to the plane P, which can be between 2 pm and 100 pm and preferably between 2 pm and 40 pm.
  • the lower coating 112 is for example a semiconductor heterostructure of type III-V, that is to say materials classified in groups III B and VB of the periodic table of elements (which, according to another convention, corresponds in columns 13 and 15 of the periodic table of elements). Said coating 112 is for example formed from InP.
  • the lower coating 112 can also be doped, for example n-type, that is to say with impurities acting as electronic donors.
  • the lower coating 112 is for example doped with sulfur.
  • the upper coating 111 can be, in the same way as the lower coating 112, a semiconductor heterostructure of type III-V, such as InP. In the same way, the upper coating 111 can be doped, for example n-type.
  • the waveguide 11 is therefore a stack of layers 110, 111, 112 extending parallel to the plane P. It can have the shape of a rectangular parallelepiped delimited from the sides. For example, it has a length Lu, a width and a thickness Wn.
  • the length of the waveguide 11 is for example measured in the first direction X.
  • the width of the waveguide 11 is for example measured in the second direction Y, perpendicular to the first direction
  • the wave 11 is for example measured in the third direction Z, perpendicular to the two aforementioned directions X, Y.
  • the length Lu of the waveguide 11 can be between 1000 pm and 5000 pm. According to one embodiment, the length Lu and the width of the waveguide 11 can be equal, for example to within 10%. Thus, seen from above, the first face 11a can have a square shape. Alternatively, the length Lu of the waveguide 11 can be greater than the width of the waveguide 11 and for example greater than twice the width of the waveguide 11, or even greater than a hundred times the width of the waveguide 11. wave. In this case, we speak of a ridge type waveguide. For example, the width of the waveguide (not shown in the figure) can be between 10 pm and 50 pm.
  • the active region 110 has a length Lno, measured in the first direction X, substantially equal to the length Lu of the waveguide 11. In the same way, the active region 110 has a width, measured in the second direction Y, substantially equal to the width of the waveguide 11. By substantially equal, we mean equal to within 20%, or even within 10%. Flanks, perpendicular to the plane P, delimit for example the waveguide 11 and the active region 110.
  • the diffraction grating 12 extends over the first face 11a of the waveguide 11. In the embodiment of [Fig. 1 ], the diffraction grating 12 extends over the upper coating 111.
  • the diffraction grating is advantageously arranged directly above the active region 110 of the waveguide 11 and preferably centered relative to the latter.
  • the diffraction grating 12 can have a length L12 and a width.
  • the length of the diffraction grating 12 is for example measured along the first direction diffraction grating 12 are advantageously chosen so that the diffraction grating 12 completely covers the active region 110.
  • the lengths and widths of the diffraction grating 12 are, respectively, substantially equal to the lengths and widths of the active region 110 In this way, the diffraction grating 12 can be coupled homogeneously to the field emitted by the active region 110. It makes it possible, for example, to provide a homogeneous distributed counter-reaction over the entire length L110 of the active region 110.
  • the device 1 is remarkable on the one hand in that the second face 11 b of the waveguide is transparent to the field which can be emitted by the active region 110.
  • transparent we mean that the face 11 b presents a transmission spectral window and that this transmission spectral window corresponds to at least part of the spectrum of the field which can be emitted by the active region 110.
  • the device 1 is also remarkable in that the diffraction grating 12 is reflective and in that it has a diffraction order, in the first direction X, greater than or equal to two.
  • reflective we mean that at least 50% of the field is reflected by the diffraction grating 12.
  • the diffraction order greater than or equal to two in the direction to the diffraction grating and induces a component of the field which propagates outside the plane P, that is to say along +Z and/or -Z. Since the diffraction grating 12 reflects the component of the field propagating along +Z, said component of the field is therefore oriented towards the second face 11 b.
  • the device 1 can therefore carry out emission via the second surface 11 b.
  • the diffraction grating 12 comprises a periodic structure 121.
  • the periodic structure 121 is for example a layer extending over the first face 11a of the waveguide 11. Coupled with the field emitted by the region active 110, it induces diffraction effects.
  • the coupling rate between the field and the diffraction grating 12 is advantageously between 10 cm -1 and 100 cm -1 .
  • the periodic structure 121 comprises for example first portions
  • the first and second portions 1211, 1212 can be lines, oriented in the second direction Y. Said lines are arranged next to each other in the first direction direction X. In other words, they form two combs nested one inside the other. [Fig. 1 ] illustrates this example.
  • the first portions 1211 are pads arranged in a rectangular mesh.
  • the second portions 1212 are tori, surrounding each pad 1211 and filling the space between the pads 1211.
  • the pads 1211 can have a long length in the first direction Y or vice versa.
  • the first portions 1211 are made up of a first semiconductor material having a first optical index.
  • the first semiconductor material is for example a type III-V semiconductor material, such as InP. It may also be the same material as the upper covering 111.
  • the second portions 1212 are made of a second material or a metal.
  • the second material may be another semiconductor material or a gas, such as air. In this case it has a second optical index different from the first optical index.
  • the diffraction grating 12 advantageously presents, in the first direction X, a single diffraction order. That is to say that the period A (or “step”) with which the first portions 121 1 are arranged is constant over the entire length L12 of the network 12.
  • the first portions 1211 then advantageously all have the same width A1211, measured in the first direction direction X.
  • the period A of arrangement of the first portions 1211 which corresponds to the period of the diffraction grating 12 in the first direction A single diffraction order means that the period A is constant over the entire length L12 of the diffraction grating.
  • the active region 110 is preferably configured to emit in the infrared range, that is to say in a range [0.8 pm; 20 pm] or preferably [4 pm; 12 p.m.]. Such wavelengths imply a period A of the network 12 of the order of a micrometer at least.
  • a diffraction grating 12 applicable to the infrared spectrum is also simpler to produce than a grating having a much lower period (for example in the blue or ultraviolet spectrum).
  • the diffraction grating 12 also comprises a metal layer 122 which extends over the periodic structure 121 and preferably over the entire periodic structure 121. It is for example made of Ti or Au.
  • the reflective effect of the diffraction grating 12 can also be provided by the metal layer 122 extending over the periodic structure 121.
  • the metal layer can prevent the transmission of the field through the diffraction grating 12.
  • the metal layer 12 extends in particular over each first portion 1211 of the periodic structure 121. In this way it prevents the transmission of the field through the first portions 1211.
  • the embodiment of [Fig. 1] illustrates a continuous metal layer 122 which extends in the first direction X.
  • the metal layer 122 can be discontinuous and comprise a plurality of portions. Each portion therefore advantageously extends over each first portion 1211 of the periodic structure 1211. If for example the first portions 1211 of the structure of the periodic structure 121 are aligned in the second direction Y, then the metal layer 122 will comprise a plurality of portions also extending in the second direction Y, a portion of the metal layer extending over an upper surface of a first portion 1211.
  • the metal layer 122 can also extend beyond the periodic structure 121 because it can also be used as a contact electrode of the device 1. It can make it possible to apply an electric field uniformly. on the active region 110 in order to inject carriers into the active region 110. The carriers can de-excite by emitting photons in the active region 110.
  • the metal layer 122 also makes it possible to improve the confinement of the field in the waveguide 11 thanks to the plasmonic interaction of the field with the metal.
  • the diffraction grating 12 can be configured so that it has, along the second direction Y, perpendicular to the first direction X, an order greater than or equal to two as well.
  • the field propagating along the second direction Y also couples to the diffraction grating and induces a component of the field which also propagates outside the plane P, that is to say along +Z and/or -Z.
  • This variant can be obtained when the first portions 1211 of the periodic structure 121 are pads arranged in a rectangular mesh.
  • This variant is advantageous when the width and length of the active region (and therefore of the diffraction grating) are substantially equal, for example to within 20%.
  • the length of the active region 110 is much greater than its width, for example 20 times greater than its width (“ridge” type guide), it is preferable that the diffraction grating 12 only presents an order according to the first direction
  • the diffraction grating 12 can also present, along the second direction Y, a single diffraction order.
  • the periods of arrangement of the first and second portions according to the first and second directions X and Y are then constant in the two directions. They can, however, be different, so that the order according to the first direction X is different from the order according to the second direction Y.
  • the lateral confinement of the field can also be provided by conductive layers extending on the sides of the waveguide 11.
  • the waveguide 11 is, for example, delimited by a first side and a second side, opposed to each other.
  • the first and second flanks are for example substantially perpendicular to the second direction Y.
  • the device 1 comprises first and second layers conductive which extend respectively on the first and second sides.
  • the conductive layers are for example metallic layers of Ti or Au, extending perpendicular to the plane P. They form a cavity in the second direction Y of propagation and make it possible to confine the field in the second direction Y.
  • the device 1 advantageously comprises at least one electrically insulating spacer.
  • This is, for example, a dielectric layer.
  • Each spacer is for example arranged on the side walls, between the conductive layers and the side walls.
  • the device 1 can also include third and fourth conductive layers making it possible to contribute to the confinement of the field in the first direction. They extend for example on, respectively, a third and fourth flanks, delimiting the waveguide 11 in the first direction X.
  • the third and fourth flanks can be called "front facet” and “rear facet”.
  • the third and fourth sides are for example perpendicular to the first direction X.
  • Each spacer is then advantageously arranged on the third and fourth sides, between the third and fourth conductive layers and the third and fourth sides so as to avoid any short circuit.
  • the [Fig. 2] and [Fig. 3] present a simulation result obtained from a device 1 as described with reference to [Fig. 1],
  • the reference signs of the different layers are indicated in [Fig. 2] and correspond to the layers described previously.
  • the diffraction grating 12 considered is of order m odd and more particularly in this example equal to three.
  • the field considered is monochromatic and its wavelength is equal to 4.5 pm.
  • FIG. 2 shows, in gray levels, the amplitude E of the electromagnetic field in the different layers, at the end of the simulation.
  • the E field is in arbitrary units.
  • FIG. 3 shows the intensity as a function of time measured at the three sensors 31, 32, 33.
  • the wave train propagating along +kz would be more obvious to see. It would propagate in the same way as the wave train propagating along -kz (by adapting the period as well as the optical indices of the media it would pass through, such as air for example, extending to the place of said metallic layer).
  • the presence of the metal layer 122 reflects the radiation propagating with a vector +kz, which means that the device 1 presented only emits via the lower surface 11 b. In the absence of the metal layer 122, the device 1 would also emit a field along +kz.
  • the modeled device of [Fig. 2] is therefore particularly suitable for emitting a field, such as a laser beam, through the lower surface 11 b of the lower coating 11.
  • FIG. 3 shows that the intensity I31 of the field E as a function of time is very high at the level of the first sensor 31, since the wave train propagating along +kx reaches this sensor 31.
  • the intensity I32 of the field E measured by the second sensor 32, is on the other hand less, because it is the result of the distributed counter-reaction of the diffraction grating 12. The intensity could however be sufficient to maintain a standing wave in the device 1 and activate the stimulated emission in active region 110.
  • the intensity I33 measured by the third sensor 33 increases as a function of time and as the initial wave train (propagating along +kx) moves.
  • the transient regime illustrated by [Fig. 3] ends after a few picoseconds.
  • FIG. 4 shows complementary results of a simulation carried out using the same numerical model as that used to obtain the results of [Fig. 2] and [Fig. 3],
  • This digital model differs from the previous model in that it varies the coupling rate of the diffraction grating 12 with the field E which propagates in the device 1.
  • the parameter studied is more precisely the duty cycle D of the diffraction grating 12.
  • the coupling rate depends on several parameters such as the duty cycle of the grating 12, the thickness W121 of the periodic structure 121 or even the index optics of the materials constituting the periodic structure 121.
  • the diffraction grating 12 has a thickness preferably greater than ⁇ /10 n eff (where ⁇ is a wavelength of the field E and n eff is the effective index of the guided mode considered ) and even more preferably, greater than A/4n eff .
  • a method of manufacturing the device 1 may comprise, firstly, a step of forming the waveguide 11.
  • the waveguide 11 can be formed from an optical system, for example on an optical window.
  • the manufacture of the waveguide 11 comprises for example the formation of the lower coating 112, followed by the formation of the active region 110, followed by the formation of the upper coating 111.
  • These layers are for example produced by molecular beam epitaxy or deposition chemical vapor phase using metal-organic precursors (called “MOCVD” in English for “Metal Organic Chemical Vapor Deposition”).
  • An etching step can be implemented in order to delimit the waveguide
  • the lower coating layer 112 for example in InP, can also be produced in a preliminary step and then glued to a substrate, for example in Si, or an optical window, for example in Si, by molecular bonding.
  • the other layers 110, 111 are then produced from the lower coating 111.
  • Molecular bonding can provide a good surface condition of the second face 11b of the waveguide 11 and thus makes it possible to avoid the implementation of anti-reflective treatment.
  • the method of manufacturing the device 1 may comprise, following the formation of the waveguide 11, the formation of the diffraction grating 12, on the first face 11a of the waveguide 11.
  • the periodic structure 121 may be manufactured on the first face 11 a of the waveguide 11, for example on the upper coating
  • the periodic structure 121 can be etched directly in the upper coating 111, for example by forming a series of trenches parallel to each other and distributed along the first direction X.
  • the metal layer 122 deposited in a second step, for example, fills these trenches with metal.
  • the upper coating 111 is then a little thicker in order to take into account the final thickness W121 of the periodic structure 121.
  • another semiconductor material can be deposited in these trenches.
  • the metal layer 122 is deposited on the periodic structure 121.
  • the metal layer 122 can be deposited directly on the upper coating 111 and the trenches are then made in the upper coating 111, through the metal layer 122.
  • the first portions 1211 of the periodic structure 121 are formed by portions of the upper coating 111 placed under the portions of the metal layer 122 and framed by two trenches.
  • the portions of the metal layer arranged on the first portions 1211 of the periodic structure 121 make it possible to block the transmission of the field through the network 12 and to redirect the laser beam towards the lower face 11 b (or a point of interest or a optical system if applicable).
  • the parameters of the diffraction grating 12, such as the thickness W121 of the periodic structure 121, the materials constituting the first and second portions 1211, 1212 of the periodic structure 121 or even the cyclic ratio D of the grating, can have an influence on the coupling between the diffraction grating 12 and the field emitted by the active region 110.
  • the manufacturing process then advantageously comprises a step of optimizing a rate of coupling of the diffraction grating 12 with the field emitted by the active region 110. This optimization step preferably occurs before the formation of the diffraction grating 12.
  • the expected coupling rate is for example between 10 cm' 1 and 100 cm' 1 .
  • FIG. 5 schematically represents an optical system 2.
  • the optical system 2 comprises for example a fiber or a resonant cavity.
  • the injection of a light beam E into the fiber or the cavity can make it possible to measure a parameter of interest.
  • System 2 comprises a surface emitting device 1 as described above. It also includes an optical window 20 transparent to the light beam E which can be emitted by the active region 110 of the device 1.
  • the optical window 20 is embedded in a support 21, which surrounds for example the optical window 20 and the device 1.
  • the device 1 is located on the optical window 20.
  • the second face 11 b of the waveguide 11 therefore extends over the optical window 20 and preferably directly against the optical window 20.
  • the device 1, carrying out the emission through its second face 11 b does not require an anti-reflective layer to effectively transmit the radiation to the optical window 20.
  • the second face 11 b of the device 1 can also be glued against the window 20 and preferably by molecular bonding.
  • the face of the optical window 20 intended to receive the second face 11 b of the device is preferably planar. It extends for example, when the device
  • the optical window 20 is for example made of Si. It has a thickness W20, measured perpendicular to the plane of the device 1, between 10 pm and 50 pm. In order to limit optical losses, the sum of the thickness W20 of the optical window 20 and the thickness W112 of the lower coating 112, measured perpendicular to the plane P, is less than 100 pm.
  • the waveguide 11 is delimited by first and second flanks 11 c, 11 d in the second direction Y. On each flank 11c, 11d extends a conductive coating 131, 132 making it possible to improve the lateral confinement of the field in the waveguide 11. Each side 11 c, 11 d is isolated from the conductive coating thanks to an electrically insulating spacer 14, placed between each conductive coating and the side on which it extends.
  • the system 2 also comprises a thermal regulator 22 configured to regulate the temperature of the waveguide 11 when the device 1 is in operation and in particular in a stationary regime.
  • a thermal regulator 22 configured to regulate the temperature of the waveguide 11 when the device 1 is in operation and in particular in a stationary regime.
  • surface emitting devices are sensitive to temperature variations. It is therefore advantageous to maintain the fixed temperature during the illumination of sample 3 and preferably at a variation of less than 0.1°C.
  • the illumination can be a few seconds
  • the thermal regulator 22 can be configured so that the temporal variation of the temperature of the system
  • the thermal regulator 22 comprises active cells 221, such as Peltier cells, and a heat sink 222, such as a finned sink.
  • the cells 221 are for example in contact with the support 21, since the thermal transfer offered by the support is sufficient. If it is made of Si for example, the heat transfer is around 150 W/m/K, which may be sufficient.
  • the heatsink 222 is in contact with the cells 221 so as to dissipate the heat pumped from the support 21.

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Abstract

According to one aspect, the invention relates to a surface-emitting device (1) comprising: a waveguide (11), comprising a first face (11a), a second face (11b) and an active region (110); and a diffraction grating (12) extending over the first face (11a) of the waveguide (11); the device (1) being characterised in that the diffraction grating (12) is reflective and has an order greater than or equal to two, and in that the second face (11b) is transparent.

Description

DESCRIPTION DESCRIPTION
TITRE : DISPOSITIF À ÉMISSION DE SURFACE, SYSTÈME OPTIQUE ET PROCÉDÉ ASSOCIÉTITLE: SURFACE EMITTING DEVICE, OPTICAL SYSTEM AND ASSOCIATED METHOD
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
[0001] Le domaine technique de l’invention est celui des sources de rayonnement électromagnétique à émission de surface, telles que les lasers à émission de surface. [0001] The technical field of the invention is that of sources of surface-emitting electromagnetic radiation, such as surface-emitting lasers.
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION TECHNOLOGICAL BACKGROUND OF THE INVENTION
[0002] Les dispositifs à émission de surface émettent un rayonnement électromagnétique, par exemple un faisceau laser, avec une direction sensiblement perpendiculaire au plan sur lequel ils s’étendent. Ce faisceau peut présenter une bonne uniformité spatiale, notamment en champ proche. Les dispositifs à émission de surface sont donc avantageusement intégrés dans des systèmes optiques. [0002] Surface emission devices emit electromagnetic radiation, for example a laser beam, with a direction substantially perpendicular to the plane on which they extend. This beam can have good spatial uniformity, particularly in the near field. Surface emitting devices are therefore advantageously integrated into optical systems.
[0003] Le document [« Surface-emitting 10.1 pm quantum cascade distributed feedback lasers » D. Hofstetter & al., Appl. Phys. Lett. 75, 3769-3771 (1999)] divulgue un dispositif à émission de surface. Le dispositif comprend, depuis un substrat en InP, un empilement comprenant : deux couches en InGaAs, encadrant une multicouche semiconductrice, l’ensemble constituant un guide d’onde, la multicouche semiconductrice étant décrite comme une « région active », favorisant l’émission d’un champ électromagnétique (en l’occurrence par cascade quantique) ; et un réseau de diffraction en transmission d’ordre deux s’étendant sur la face libre du guide d’onde. [0003] The document [“Surface-emitting 10.1 pm quantum cascade distributed feedback lasers” D. Hofstetter & al., Appl. Phys. Lett. 75, 3769-3771 (1999)] discloses a surface emitting device. The device comprises, from an InP substrate, a stack comprising: two InGaAs layers, framing a semiconductor multilayer, the assembly constituting a waveguide, the semiconductor multilayer being described as an “active region”, promoting emission an electromagnetic field (in this case by quantum cascade); and a second-order transmission diffraction grating extending on the free face of the waveguide.
[0004] Le réseau de diffraction en transmission d’ordre deux favorise l’émission d’une composante normale du champ électromagnétique qui est alors émis par la face libre du guide d’onde, comprenant le réseau de diffraction. C’est la raison pour laquelle ce type de dispositif est dit « à émission de surface ». Les dispositifs basés sur un réseau de diffraction en transmission d’ordre deux montrent en revanche un problème de stabilité des modes guidés, par exemple en fonction de la température. The diffraction grating in second-order transmission promotes the emission of a normal component of the electromagnetic field which is then emitted by the free face of the waveguide, comprising the diffraction grating. This is the reason why this type of device is called “surface emitting”. Devices based on a transmission diffraction grating of order two, on the other hand, show a problem of stability of the guided modes, for example as a function of temperature.
[0005] Le document [« Experiment demonstration of high speed 1.3 pm grating assisted surface-emitting DFB lasers » J. Luan & al., Optics Express 25111 Vol. 30, No. 14 (jul. 2022)] résout le problème de stabilité au moyen d’un réseau de diffraction en transmission comprenant trois portions distinctes et présentant des ordres différents (une première portion présentant un ordre deux encadrée par deux portions présentant un ordre un). Les portions d’ordre un permettent de confiner un mode guidé du champ électromagnétique par contreréaction répartie et former ainsi une cavité laser. La portion d’ordre deux réalise l’émission de surface d’une partie du mode guide de manière normale au plan du réseau de diffraction. [0005] The document [“Experiment demonstration of high speed 1.3 pm grating assisted surface-emitting DFB lasers” J. Luan et al., Optics Express 25111 Vol. 30, No. 14 (Jul. 2022)] solves the stability problem using a diffraction grating in transmission comprising three distinct portions and presenting different orders (a first portion presenting an order two framed by two portions presenting an order one). The order one portions make it possible to confine a guided mode of the electromagnetic field by distributed feedback and thus form a laser cavity. The second order portion carries out surface emission of part of the guide mode normal to the plane of the diffraction grating.
[0006] Le document [« High power surface emitting terahertz laser with hybrid second- and fourth-order Bragg gratings » Y. Jin & al., Nat. Commun. 9, 1407 (2018)] divulgue un dispositif se distinguant du précédent en ce que le réseau de diffraction en transmission est dit « hybride » car il présente deux ordres différents mais superposés l’un à l’autre. Il s’agit en l’occurrence des ordres deux et quatre. [0006] The document [“High power surface emitting terahertz laser with hybrid second- and fourth-order Bragg gratings” Y. Jin & al., Nat. Common. 9, 1407 (2018)] discloses a device distinguishing itself from the previous one in that the transmission diffraction grating is called “hybrid” because it presents two different orders but superimposed on one another. These are orders two and four.
[0007] Les dispositifs à émission de surface posent toutefois de nouveaux problèmes. Par exemple, leur intégration dans un système de mesure existant n’est pas aisée. Elle nécessite, par exemple, le recours à des miroirs pour diriger le faisceau vers le système de mesure. Il existe un besoin de fournir un dispositif à émission de surface dont l’intégration dans un système de mesure puisse être simple. [0007] Surface emission devices, however, pose new problems. For example, their integration into an existing measurement system is not easy. It requires, for example, the use of mirrors to direct the beam towards the measuring system. There is a need to provide a surface emitting device whose integration into a measurement system can be simple.
RÉSUMÉ DE L’INVENTION SUMMARY OF THE INVENTION
[0008] Pour cela, l’invention concerne un dispositif à émission de surface d’un champ électromagnétique comprenant : un guide d’onde, s’étendant dans un plan et comprenant une première face et une deuxième face, opposée à la première face, les première et deuxième faces étant parallèles au plan, le guide d’onde comprenant une région active s’étendant dans le plan et étant configurée pour émettre le champ électromagnétique ; et un réseau de diffraction s’étendant sur la première face du guide d’onde, le dispositif étant remarquable en ce que le réseau de diffraction est réfléchissant et présente, selon une première direction parallèle au plan, un ordre de diffraction supérieur ou égal à deux et en ce que la deuxième face est transparente. [0008] For this, the invention relates to a device for surface emission of an electromagnetic field comprising: a waveguide, extending in a plane and comprising a first face and a second face, opposite the first face , the first and second faces being parallel to the plane, the waveguide comprising an active region extending in the plane and being configured to emit the electromagnetic field; and a diffraction grating extending over the first face of the waveguide, the device being remarkable in that the diffraction grating is reflective and has, in a first direction parallel to the plane, a diffraction order greater than or equal to two and in that the second face is transparent.
[0009] La région active permet d’émettre un champ qui peut se propager dans le guide d’onde. Le réseau de diffraction, interagissant avec le champ électromagnétique (que l’on appellera également simplement « champ »), peut favoriser, selon son ordre de diffraction, l’apparition de : une composante contra-propagative du champ se propageant selon la première direction dans le guide d’onde ; et/ou une composante du champ se propageant selon une direction hors plan. [0009] The active region makes it possible to emit a field which can propagate in the waveguide. The diffraction grating, interacting with the electromagnetic field (which we will also simply call "field"), can promote, depending on its diffraction order, the appearance of: a counter-propagating component of the field propagating in the first direction in the waveguide; and/or a component of the field propagating in an out-of-plane direction.
[0010] La composante contra-propagative du champ peut être induite par un effet de contreréaction répartie du réseau de diffraction sur le champ. Cette composante contra-propagative permet l’établissement de modes stationnaires du champ dans le guide d’onde. The counter-propagating component of the field can be induced by a distributed counter-reaction effect of the diffraction grating on the field. This counter-propagating component allows the establishment of stationary modes of the field in the waveguide.
[0011] Par direction hors du plan, on entend une direction présentant un angle supérieur à 20° par rapport au plan dans lequel s’étend le guide d’onde, voire un angle supérieur à 45° par rapport au dit plan, voire de manière encore préférée un angle supérieur à 80° par rapport audit plan. [0011] By direction out of the plane, we mean a direction having an angle greater than 20° relative to the plane in which the waveguide extends, or even an angle greater than 45° relative to said plane, or even still preferred manner an angle greater than 80° relative to said plane.
[0012] Un ordre de diffraction égal à deux permet de favoriser principalement la composante hors plan. Un ordre de diffraction supérieur à deux permet de favoriser la composante contra-propagative tout en conservant une composante hors plan. Dans les deux cas, l’émission peut être réalisée selon une direction hors plan. Toutefois, à la différence des dispositifs décrits dans l’art antérieur, le réseau de diffraction réfléchit le champ qui est alors émis uniquement par la deuxième face du guide d’onde. En considérant la première face comme une face « supérieure » et la deuxième face comme une face « inférieure », le dispositif selon l’invention peut donc être appelé « dispositif à émission de surface inférieure ». [0012] A diffraction order equal to two mainly favors the out-of-plane component. A diffraction order greater than two makes it possible to favor the counter-propagating component while retaining an out-of-plane component. In both cases, the emission can be carried out in an out-of-plane direction. However, unlike the devices described in the prior art, the diffraction grating reflects the field which is then emitted only by the second face of the waveguide. By considering the first face as an “upper” face and the second face as a “lower” face, the device according to the invention can therefore be called a “lower surface emission device”.
[0013] Par réseau de diffraction réfléchissant, on entend que le champ est réfléchi à plus de 50 % par le réseau de diffraction, voire à plus de 70 %, voire de manière préférée, à plus de 90 %. Par face transparente, on entend que la puissance optique est transmise à plus de 50 % par la deuxième face. Ainsi, une part substantielle de la puissance optique générée par le dispositif est transmise par la deuxième face. [0013] By reflective diffraction grating, we mean that the field is reflected by more than 50% by the diffraction grating, or even more than 70%, or preferably more than 90%. By transparent face, we mean that more than 50% of the optical power is transmitted by the second face. Thus, a substantial part of the optical power generated by the device is transmitted through the second face.
[0014] L’injection du champ électromagnétique dans un système optique (tel qu’un système de mesure) peut donc être réalisée par la deuxième face (la face « inférieure »). Un dispositif à émission de surface selon l’invention est donc aisément intégrable dans un système optique car il peut être déposé directement sur le système optique (la deuxième face étant par exemple collée sur une fenêtre optique) ou fabriqué directement sur le système optique (par exemple directement sur une fenêtre optique). [0015] Avantageusement, le guide d’onde est délimité par un premier flanc et un deuxième flanc, le deuxième flanc étant opposé au premier flanc, les premier et deuxième flancs étant sensiblement perpendiculaires à une deuxième direction, ladite deuxième direction étant parallèle au plan et parallèle à la première direction, le dispositif comprenant également un premier revêtement conducteur et un deuxième revêtement conducteur, le premier revêtement conducteur s’étendant sur le première flanc et le deuxième revêtement conducteur s’étendant sur le deuxième flanc. Par sensiblement perpendiculaire ou parallèle, on entend respectivement perpendiculaire ou parallèle à +/- 20° près, voire +/- 10° près. Par couche conductrice, on entend par exemple une couche métallique. [0014] The injection of the electromagnetic field into an optical system (such as a measuring system) can therefore be carried out via the second face (the “lower” face). A surface emission device according to the invention can therefore be easily integrated into an optical system because it can be deposited directly on the optical system (the second face being for example glued to an optical window) or manufactured directly on the optical system (for example example directly on an optical window). [0015] Advantageously, the waveguide is delimited by a first flank and a second flank, the second flank being opposite the first flank, the first and second flanks being substantially perpendicular to a second direction, said second direction being parallel to the plane and parallel to the first direction, the device also comprising a first conductive coating and a second conductive coating, the first conductive coating extending on the first sidewall and the second conductive coating extending on the second sidewall. By substantially perpendicular or parallel, we mean respectively perpendicular or parallel to within +/- 20°, or even +/- 10°. By conductive layer, we mean for example a metallic layer.
[0016] Les première et deuxième couches conductrices permettent de renforcer le confinement du champ électromagnétique dans le guide d’onde selon la deuxième direction en formant une cavité selon la deuxième direction avec une réflectivité élevée. Le réseau de diffraction peut alors également servir de filtre spectral des modes guidés se propageant selon la deuxième direction dans le guide d’onde. The first and second conductive layers make it possible to reinforce the confinement of the electromagnetic field in the waveguide in the second direction by forming a cavity in the second direction with high reflectivity. The diffraction grating can then also serve as a spectral filter for the guided modes propagating in the second direction in the waveguide.
[0017] Préférentiellement, le dispositif comprend au moins un espaceur électriquement isolant disposé entre la première couche conductrice et le premier flanc et entre la deuxième couche conductrice et le deuxième flanc. Ainsi, les différentes couches du guide d’onde ne sont pas court-circuitées par les couches conductrices. Preferably, the device comprises at least one electrically insulating spacer disposed between the first conductive layer and the first side and between the second conductive layer and the second side. Thus, the different layers of the waveguide are not short-circuited by the conductive layers.
[0018] Avantageusement, le réseau de diffraction s’étend à l’aplomb de la région active du guide d’onde, la région active présentant une longueur, mesurée selon la première direction, et le réseau de diffraction présentant une longueur, également mesurée selon la première direction, la longueur du réseau de diffraction étant sensiblement égale à la longueur de la région active, le réseau présentant, selon la première direction, un ordre de diffraction unique. Par sensiblement égal, on entend égal à +/- 20 %, voire égal à +/- 10%. Par ordre de diffraction unique, on entend par exemple que le réseau de diffraction présente un pas (ou une période) constant à +/- 10 %. Il ne s’agit pas, par exemple, d’une structure présentant différentes portions selon la première direction ou des pas différents superposés les uns aux autres, tel que divulgué par le document [« High power surface emitting terahertz laser with hybrid second- and fourth-order Bragg gratings » Y. Jin & al., Nat. Commun. 9, 1407 (2018)]. [0019] Avantageusement, la région active présente une largeur, mesurée selon une deuxième direction parallèle au plan et perpendiculaire à la première direction, et le réseau de diffraction présente une largeur, mesurée selon la deuxième direction, la largeur du réseau de diffraction étant sensiblement égale à la largeur de la région active, le réseau présentant, selon la deuxième direction, un autre ordre de diffraction unique et supérieur ou égal à deux. [0018] Advantageously, the diffraction grating extends directly above the active region of the waveguide, the active region having a length, measured in the first direction, and the diffraction grating having a length, also measured according to the first direction, the length of the diffraction grating being substantially equal to the length of the active region, the grating presenting, according to the first direction, a single diffraction order. By substantially equal, we mean equal to +/- 20%, or even equal to +/- 10%. By single diffraction order, we mean for example that the diffraction grating has a constant step (or period) of +/- 10%. It is not, for example, a structure having different portions in the first direction or different pitches superimposed on each other, as disclosed by the document [“High power surface emitting terahertz laser with hybrid second- and fourth-order Bragg gratings » Y. Jin & al., Nat. Common. 9, 1407 (2018)]. [0019] Advantageously, the active region has a width, measured in a second direction parallel to the plane and perpendicular to the first direction, and the diffraction grating has a width, measured in the second direction, the width of the diffraction grating being substantially equal to the width of the active region, the grating presenting, in the second direction, another unique diffraction order greater than or equal to two.
[0020] Avantageusement, le réseau de diffraction présente, selon la première direction, un ordre de diffraction supérieur ou égal à trois. Un ordre de diffraction égal à deux permet de favoriser principalement la composante hors plan. Le spectre du champ émis par la deuxième face peut donc être large ou avoir une signature multimode. Un ordre de diffraction supérieur à deux permet de favoriser la composante contra-propagative tout en conservant une composante hors plan. Seules les longueurs d’onde relatives aux modes stationnaires peuvent être émises et le spectre du champ émis par la deuxième face est étroit et monochromatique. Advantageously, the diffraction grating has, in the first direction, a diffraction order greater than or equal to three. A diffraction order equal to two mainly favors the out-of-plane component. The spectrum of the field emitted by the second face can therefore be broad or have a multimode signature. A diffraction order greater than two makes it possible to favor the counter-propagating component while retaining an out-of-plane component. Only wavelengths relating to stationary modes can be emitted and the spectrum of the field emitted by the second face is narrow and monochromatic.
[0021] Préférentiellement, la région active émet le champ par émission spontanée et/ou par émission stimulée. Lorsque le champ est émis par émissions spontanée et stimulée, le dispositif peut fonctionner en mode laser. Avantageusement, la région active met en œuvre l’émission du champ par émission inter-bandes ou émission intra- bandes. Préférentiellement, la région active est configurée pour réaliser une cascade quantique. Preferably, the active region emits the field by spontaneous emission and/or by stimulated emission. When the field is emitted by spontaneous and stimulated emissions, the device can operate in laser mode. Advantageously, the active region implements the emission of the field by inter-band emission or intra-band emission. Preferably, the active region is configured to carry out a quantum cascade.
[0022] Avantageusement, le champ électromagnétique comprend une longueur d’onde comprise dans [0,8 pm ; 20 pm] et préférentiellement dans [4 pm ; 12 pm],Advantageously, the electromagnetic field comprises a wavelength comprised in [0.8 pm; 20 pm] and preferably in [4 pm; 12 p.m.],
[0023] Avantageusement, le réseau de diffraction comprend une structure périodique et une couche métallique, la structure périodique s’étendant sur la première face du guide d’onde et la couche métallique s’étendant sur la structure périodique. La couche métallique interdit la transmission du champ à travers le réseau de diffraction qui devient donc uniquement réfléchissant. Il permet donc de réorienter le champ diffracté vers la deuxième face (autrement dit, par la face inférieure). Advantageously, the diffraction grating comprises a periodic structure and a metallic layer, the periodic structure extending over the first face of the waveguide and the metallic layer extending over the periodic structure. The metallic layer prevents the transmission of the field through the diffraction grating which therefore becomes only reflective. It therefore makes it possible to reorient the diffracted field towards the second face (in other words, from the lower face).
[0024] Avantageusement, le réseau de diffraction présente une épaisseur, mesurée perpendiculairement au plan, supérieure à Â/(10 neff) et de préférence supérieure à 2/(4 neff), où 2 est une longueur d’onde du champ électromagnétique émis par la région active, et neff est un indice effectif d’un mode guidé dans le guide d’onde, interagissant avec le réseau de diffraction. L’épaisseur du réseau de diffraction permet également de contrôler l’indice effectif du mode guidé. Elle peut donc permettre de contrôler les ordres de diffraction du mode guidé avec le réseau de diffraction. Advantageously, the diffraction grating has a thickness, measured perpendicular to the plane, greater than Â/(10 n eff ) and preferably greater than 2/(4 n eff ), where 2 is a wavelength of the field electromagnetic emitted by the active region, and n eff is an effective index of a guided mode in the guide wave, interacting with the diffraction grating. The thickness of the diffraction grating also makes it possible to control the effective index of the guided mode. It can therefore make it possible to control the diffraction orders of the guided mode with the diffraction grating.
[0025] Avantageusement, la structure périodique comprend une alternance de premières portions et de deuxièmes portions, les premières portions étant constituées d’un premier matériau semiconducteur présentant un premier indice optique et les deuxièmes portions étant constituées d’un métal ou d’un deuxième matériau, tel qu’un autre matériau semiconducteur ou un gaz, tel que de l’air, présentant un deuxième indice optique différent du premier indice optique. La liberté sur le choix du deuxième matériau permet de sélectionner un matériau s’intégrant facilement dans les procédés technologiques de fabrication du réseau. [0025] Advantageously, the periodic structure comprises an alternation of first portions and second portions, the first portions being made up of a first semiconductor material having a first optical index and the second portions being made up of a metal or a second material, such as another semiconductor material or a gas, such as air, having a second optical index different from the first optical index. Freedom in the choice of the second material makes it possible to select a material that can easily be integrated into the network's technological manufacturing processes.
[0026] Les premières portions de la structure périodique sont, par exemple, des lignes ou des plots. The first portions of the periodic structure are, for example, lines or plots.
[0027] Avantageusement, la couche métallique comprend des portions, chaque portion de la couche métallique recouvrant une des premières portions de la structure périodique. Advantageously, the metal layer comprises portions, each portion of the metal layer covering one of the first portions of the periodic structure.
[0028] Alternativement, la couche métallique est continue. Alternatively, the metal layer is continuous.
[0029] Avantageusement, le guide d’onde comprend une première couche semiconductrice à base du premier matériau semiconducteur constituant les premières portions de la structure périodique, la première couche semiconductrice s’étendant de la région active jusqu’à la première face. Préférentiellement, la première couche semiconductrice est dopée. Advantageously, the waveguide comprises a first semiconductor layer based on the first semiconductor material constituting the first portions of the periodic structure, the first semiconductor layer extending from the active region to the first face. Preferably, the first semiconductor layer is doped.
[0030] Avantageusement, le guide d’onde du dispositif comprend une deuxième couche semiconductrice s’étendant de la région active du guide d’onde jusqu’ à la deuxième face du guide d’onde, l’épaisseur la deuxième couche semiconductrice, mesurée perpendiculairement au plan, est comprise entre 2 pm et 100 pm et préférentiellement comprise entre 2 pm et 40 pm. Advantageously, the waveguide of the device comprises a second semiconductor layer extending from the active region of the waveguide to the second face of the waveguide, the thickness of the second semiconductor layer, measured perpendicular to the plane, is between 2 pm and 100 pm and preferably between 2 pm and 40 pm.
[0031] L’invention concerne également un système optique, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif à émission de surface d’un champ électromagnétique selon l’invention et une fenêtre optique transparente au champ électromagnétique, la deuxième face du guide d’onde du dispositif à émission de surface s’étendant sur la fenêtre optique. [0032] Avantageusement, le système comprend également un régulateur thermique configuré pour réguler la température du guide d’onde du dispositif lorsque le dispositif fonctionne en un régime stationnaire. [0031] The invention also relates to an optical system, characterized in that it comprises a device for surface emission of an electromagnetic field according to the invention and an optical window transparent to the electromagnetic field, the second face of the guide wave of the surface emitting device extending over the optical window. [0032] Advantageously, the system also includes a thermal regulator configured to regulate the temperature of the waveguide of the device when the device operates in a steady state.
[0033] Préférentiellement, le régulateur thermique est configuré pour réguler la température du guide d’onde à 0,1 °C près. [0033] Preferably, the thermal regulator is configured to regulate the temperature of the waveguide to within 0.1°C.
[0034] Alternativement, le régulateur thermique est configuré pour que la variation temporelle de la température du système soit inférieure à 0,1 °C/s lors du fonctionnement du dispositif. Alternatively, the thermal regulator is configured so that the temporal variation of the system temperature is less than 0.1°C/s during operation of the device.
[0035] L’invention concerne en outre un procédé de fabrication du dispositif à émission de surface selon l’invention, le procédé comprenant les étapes suivantes : former un guide d’onde, s’étendant dans un plan et comprenant une première face et une deuxième face, opposée à la première face, les première et deuxième faces étant parallèles au plan, le guide d’onde comprenant une région active s’étendant dans le plan et configurée pour émettre un champ électromagnétique, la deuxième face étant transparente ; former un réseau de diffraction s’étendant sur la première face du guide d’onde, le réseau de diffraction étant réfléchissant et présentant, selon une première direction parallèle au plan, un ordre de diffraction supérieur ou égal à deux. [0035] The invention further relates to a method of manufacturing the surface emission device according to the invention, the method comprising the following steps: forming a waveguide, extending in a plane and comprising a first face and a second face, opposite the first face, the first and second faces being parallel to the plane, the waveguide comprising an active region extending in the plane and configured to emit an electromagnetic field, the second face being transparent; form a diffraction grating extending on the first face of the waveguide, the diffraction grating being reflective and having, in a first direction parallel to the plane, a diffraction order greater than or equal to two.
[0036] Avantageusement, le procédé comprend, avant la formation du réseau de diffraction, une étape d’optimisation d’un taux de couplage du réseau de diffraction avec le champ électromagnétique émis par la région active. Les paramètres opto- géométriques du réseau (tels que sa profondeur et/ou sa largeur et/ou sa longueur) sont optimisés numériquement pour obtenir une forte réflectivité et un taux de couplage optimal par la face inférieure. Cette optimisation permet ainsi de coupler un maximum de puissance optique dans le système optique. Advantageously, the method comprises, before the formation of the diffraction grating, a step of optimizing a coupling rate of the diffraction grating with the electromagnetic field emitted by the active region. The opto-geometric parameters of the grating (such as its depth and/or its width and/or its length) are digitally optimized to obtain high reflectivity and an optimal coupling rate from the underside. This optimization thus makes it possible to couple maximum optical power into the optical system.
[0037] L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES The invention and its various applications will be better understood on reading the following description and examining the accompanying figures. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
[0038] Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique. [0038] The figures are presented for information purposes only and in no way limit the invention. Unless otherwise specified, the same element appearing in different figures presents a unique reference.
[0039] [Fig. 1] montre, selon une vue en coupe, un mode de réalisation d’un dispositif à émission de surface selon l’invention. [0039] [Fig. 1] shows, in a sectional view, an embodiment of a surface emission device according to the invention.
[0040] [Fig. 2] montre un premier résultat d’une simulation numérique réalisée à partir du dispositif de la [Fig. 1 ], [0040] [Fig. 2] shows a first result of a digital simulation carried out using the device of [Fig. 1 ],
[0041] [Fig. 3] montre un deuxième résultat d’une simulation numérique réalisée à partir du dispositif de la [Fig. 1 ], [0041] [Fig. 3] shows a second result of a digital simulation carried out using the device in [Fig. 1 ],
[0042] [Fig. 4] montre un troisième résultat d’une simulation numérique réalisée à partir du dispositif de la [Fig. 1 ], [0042] [Fig. 4] shows a third result of a digital simulation carried out using the device in [Fig. 1 ],
[0043] [Fig. 5] montre schématiquement un système optique. [0043] [Fig. 5] schematically shows an optical system.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DETAILED DESCRIPTION
[0044] La [Fig. 1] présente, selon une vue en coupe, un mode de réalisation d’un dispositif 1 à émission de surface selon l’invention. La [Fig. 1] présente également un grossissement d’une portion T dudit dispositif 1. Dans ce mode de réalisation, le dispositif 1 comprend : un guide d’onde 11 et un réseau de diffraction 12. [0044] [Fig. 1] presents, in a sectional view, an embodiment of a surface emitting device 1 according to the invention. [Fig. 1] also presents a magnification of a portion T of said device 1. In this embodiment, the device 1 comprises: a waveguide 11 and a diffraction grating 12.
[0045] Le guide d’onde 11 s’étend dans un plan P. Il s’agit d’un plan dans lequel s’étendent une première direction X et une deuxième direction Y. Le guide d’onde 11 comprend une première face 11 a et une deuxième face 11 b, opposée à la première face 11 b. On peut également appeler la première face 11 a « face supérieure » et la deuxième face 11 b « face inférieure ». Les premières et deuxième faces 11 a, 11 b s’étendent parallèlement au plan P. La première face 11 a est par exemple orientée selon une troisième direction Z, perpendiculaire au plan P, et la deuxième face 11 b est orientée selon la même direction mais dans un sens opposé. The waveguide 11 extends in a plane P. This is a plane in which a first direction X and a second direction Y extend. The waveguide 11 comprises a first face 11 a and a second face 11 b, opposite the first face 11 b. We can also call the first face 11a “upper face” and the second face 11b “lower face”. The first and second faces 11 a, 11 b extend parallel to the plane P. The first face 11 a is for example oriented in a third direction Z, perpendicular to the plane P, and the second face 11 b is oriented in the same direction but in an opposite direction.
[0046] Le guide d’onde 11 comprend également une région active 110. La région active 110 est une portion du guide d’onde 11 configurée pour émettre un champ électromagnétique (appelé simplement « champ »), La région active 110 est par exemple configurée pour que l’émission soit spontanée et/ou stimulée. Dans ce dernier cas, la région active pourrait également être appelée « milieu amplificateur » car elle peut permettre au dispositif 1 de fonctionner en mode laser. La région active 110 est par exemple un empilement de sous-couches, telles que [lnGaAs/AllnAs]xN, où N est le nombre de paires de sous-couches InGaAS/AllnAs, par exemple égal à cent. De la sorte, la région active 110 est configurée pour réaliser une émission spontanée et stimulée. The waveguide 11 also comprises an active region 110. The active region 110 is a portion of the waveguide 11 configured to emit an electromagnetic field (simply called "field"). The active region 110 is for example configured so that the emission is spontaneous and/or stimulated. In the latter case, the active region could also be called “amplifying medium” because it can allow the device 1 to operate in laser mode. The active region 110 is for example a stack of sublayers, such as [lnGaAs/AllnAs]xN, where N is the number of pairs of InGaAS/AllnAs sublayers, for example equal to one hundred. In this way, the active region 110 is configured to carry out spontaneous and stimulated emission.
[0047] La région active peut présenter une épaisseur Wno, mesurée perpendiculairement au plan P, pouvant être comprise entre 1 pm et 5 pm et préférentiellement entre 1 ,5 pm et 2,5 pm. The active region may have a thickness Wno, measured perpendicular to the plane P, which may be between 1 pm and 5 pm and preferably between 1.5 pm and 2.5 pm.
[0048] La région active 110 est préférentiellement encadrée par deux couches semiconductrices 111 , 112, s’étendant parallèlement au plan P. Une première couche semiconductrice 111 , qui peut être appelée « revêtement supérieur » ou « top cladding » en anglais, s’étend sur la région active 110 et préférentiellement directement contre la région active 110. Dans ce mode de réalisation, la face du revêtement supérieur 111 qui est opposée à la région active 110 est alors avantageusement la première face 11 a. Une deuxième couche semiconductrice 112, qui peut être appelée « revêtement inférieur » ou « bottom cladding » en anglais, s’étend également sur la région active 110 et préférentiellement contre la région active 110. La face du revêtement inférieur 112 qui est opposée à la région active 110 est alors avantageusement la deuxième face 11 b. The active region 110 is preferably framed by two semiconductor layers 111, 112, extending parallel to the plane P. A first semiconductor layer 111, which can be called "top cladding" in English, is extends over the active region 110 and preferably directly against the active region 110. In this embodiment, the face of the upper coating 111 which is opposite the active region 110 is then advantageously the first face 11a. A second semiconductor layer 112, which can be called "bottom cladding" or "bottom cladding" in English, also extends over the active region 110 and preferably against the active region 110. The face of the lower coating 112 which is opposite the active region 110 is then advantageously the second face 11 b.
[0049] Les revêtements supérieur et inférieur 111 , 112 peuvent permettre le guidage du champ dans le guide d’onde 11. Pour cela, ils présentent avantageusement des indices optiques (également appelés indices de réfraction) strictement inférieurs à l’indice optique moyen de la région active 110. [0049] The upper and lower coatings 111, 112 can allow the field to be guided in the waveguide 11. For this, they advantageously have optical indices (also called refractive indices) strictly lower than the average optical index of the active region 110.
[0050] Le revêtement supérieur 111 présente une épaisseur, mesurée perpendiculairement au plan P, pouvant être comprise entre 1 pm et 2 pm. Le revêtement inférieur 112 présente une épaisseur, mesurée perpendiculairement au plan P, pouvant être comprise entre 2 pm et 100 pm et préférentiellement entre 2 pm et 40 pm. The upper coating 111 has a thickness, measured perpendicular to the plane P, which can be between 1 pm and 2 pm. The lower coating 112 has a thickness, measured perpendicular to the plane P, which can be between 2 pm and 100 pm and preferably between 2 pm and 40 pm.
[0051] Le revêtement inférieur 112 est par exemple une hétérostructure semiconductrice de type lll-V, c’est-à-dire des matériaux rangés dans les groupes III B et V B du tableau périodique des éléments (qui, selon une autre convention, correspond aux colonnes 13 et 15 du tableau périodique des éléments). Ledit revêtement 112 est par exemple formé à partir de InP. Le revêtement inférieur 112 peut également être dopé, par exemple de type n, c’est-à-dire avec des impuretés jouant le rôle de donneurs électronique. Le revêtement inférieur 112 est par exemple dopé à partir de soufre. The lower coating 112 is for example a semiconductor heterostructure of type III-V, that is to say materials classified in groups III B and VB of the periodic table of elements (which, according to another convention, corresponds in columns 13 and 15 of the periodic table of elements). Said coating 112 is for example formed from InP. The lower coating 112 can also be doped, for example n-type, that is to say with impurities acting as electronic donors. The lower coating 112 is for example doped with sulfur.
[0052] Le revêtement supérieur 1 11 peut être, de la même façon que le revêtement inférieur 112, une hétérostructure semiconductrice de type lll-V, telle que le InP. De la même façon, le revêtement supérieur 111 peut être dopé, par exemple de type n. The upper coating 111 can be, in the same way as the lower coating 112, a semiconductor heterostructure of type III-V, such as InP. In the same way, the upper coating 111 can be doped, for example n-type.
[0053] Dans le mode de réalisation de la [Fig. 1 ], le guide d’onde 11 est donc un empilement de couches 110, 111 , 112 s’étendant parallèlement au plan P. Il peut présenter une forme de parallélépipède rectangle délimité des flancs. Il présente par exemple une longueur Lu, une largeur et une épaisseur Wn. La longueur du guide d’onde 11 est par exemple mesurée selon la première direction X. La largeur du guide d’onde 11 est par exemple mesurée selon la deuxième direction Y, perpendiculaire à la première direction X. L’épaisseur Wn du guide d’onde 11 est par exemple mesurée selon la troisième direction Z, perpendiculaire au deux directions X, Y précitées. [0053] In the embodiment of [Fig. 1 ], the waveguide 11 is therefore a stack of layers 110, 111, 112 extending parallel to the plane P. It can have the shape of a rectangular parallelepiped delimited from the sides. For example, it has a length Lu, a width and a thickness Wn. The length of the waveguide 11 is for example measured in the first direction X. The width of the waveguide 11 is for example measured in the second direction Y, perpendicular to the first direction The wave 11 is for example measured in the third direction Z, perpendicular to the two aforementioned directions X, Y.
[0054] La longueur Lu du guide d’onde 11 peut être comprise entre 1000 pm et 5000 pm. Selon un mode de réalisation, la longueur Lu et la largeur du guide d’onde 11 peuvent être égales, par exemple à 10% près. Ainsi, vu de dessus, la première face 11 a peut présenter une forme carrée. Alternativement, la longueur Lu du guide d’onde 11 peut être supérieure à la largeur du guide d’onde 11 et par exemple supérieure à deux fois la largeur du guide d’onde 11 , voire supérieure à cent fois la largeur du guide d’onde. On parle dans ce cas de guide d’onde de type crête ou « ridge » en anglais. Par exemple, la largeur du guide d’onde (non représentée sur la figure) peut être comprise entre 10 pm et 50 pm. The length Lu of the waveguide 11 can be between 1000 pm and 5000 pm. According to one embodiment, the length Lu and the width of the waveguide 11 can be equal, for example to within 10%. Thus, seen from above, the first face 11a can have a square shape. Alternatively, the length Lu of the waveguide 11 can be greater than the width of the waveguide 11 and for example greater than twice the width of the waveguide 11, or even greater than a hundred times the width of the waveguide 11. wave. In this case, we speak of a ridge type waveguide. For example, the width of the waveguide (not shown in the figure) can be between 10 pm and 50 pm.
[0055] La région active 110 présente une longueur Lno, mesurée selon la première direction X, sensiblement égale à la longueur du Lu du guide d’onde 11 . De la même manière, la région active 110 présente une largeur, mesurée selon la deuxième direction Y, sensiblement égale à la largeur du guide d’onde 11. Par sensiblement égale, on entend égale à 20 % près, voire 10 % près. Des flancs, perpendiculaires au plan P délimitent par exemple le guide d’onde 11 et la région active 110. The active region 110 has a length Lno, measured in the first direction X, substantially equal to the length Lu of the waveguide 11. In the same way, the active region 110 has a width, measured in the second direction Y, substantially equal to the width of the waveguide 11. By substantially equal, we mean equal to within 20%, or even within 10%. Flanks, perpendicular to the plane P, delimit for example the waveguide 11 and the active region 110.
[0056] Le réseau de diffraction 12 s’étend sur la première face 11 a du guide d’onde 11. Dans le mode de réalisation de la [Fig. 1 ], le réseau de diffraction 12 s’étend sur le revêtement supérieur 111. Le réseau de diffraction est avantageusement disposé à l’aplomb de la région active 110 du guide d’onde 11 et de manière préférée centrée par rapport à cette dernière. The diffraction grating 12 extends over the first face 11a of the waveguide 11. In the embodiment of [Fig. 1 ], the diffraction grating 12 extends over the upper coating 111. The diffraction grating is advantageously arranged directly above the active region 110 of the waveguide 11 and preferably centered relative to the latter.
[0057] Le réseau de diffraction 12 peut présenter une longueur L12 et une largeur. La longueur du réseau de diffraction 12 est par exemple mesurée selon la première direction X. La largeur du réseau de diffraction 12 est par exemple mesurée selon la deuxième direction Y, perpendiculaire à la première direction X. La longueur L12 et la largeur du réseau de diffraction 12 sont avantageusement choisie de sorte que le réseau de diffraction 12 recouvre totalement la région active 110. En d’autres termes, les longueurs et largeurs du réseau de diffraction 12 sont, respectivement, sensiblement égales aux longueurs et largeurs de la région active 110. De la sorte, le réseau de diffraction 12 peut être couplé de manière homogène au champ émis par la région active 110. Il permet par exemple de fournir une contreréaction répartie homogène sur toute la longueur L110 de la région active 110. The diffraction grating 12 can have a length L12 and a width. The length of the diffraction grating 12 is for example measured along the first direction diffraction grating 12 are advantageously chosen so that the diffraction grating 12 completely covers the active region 110. In other words, the lengths and widths of the diffraction grating 12 are, respectively, substantially equal to the lengths and widths of the active region 110 In this way, the diffraction grating 12 can be coupled homogeneously to the field emitted by the active region 110. It makes it possible, for example, to provide a homogeneous distributed counter-reaction over the entire length L110 of the active region 110.
[0058] Le dispositif 1 est remarquable d’une part en ce que la deuxième face 11 b du guide d’onde est transparente au champ qui peut être émis par la région active 110. Par transparente, on entend que la face 11 b présente une fenêtre spectrale de transmission et que cette fenêtre spectrale de transmission correspond à une partie au moins du spectre du champ qui peut être émis par la région active 110. [0058] The device 1 is remarkable on the one hand in that the second face 11 b of the waveguide is transparent to the field which can be emitted by the active region 110. By transparent, we mean that the face 11 b presents a transmission spectral window and that this transmission spectral window corresponds to at least part of the spectrum of the field which can be emitted by the active region 110.
[0059] Le dispositif 1 est remarquable d’autre part en ce que le réseau de diffraction 12 est réfléchissant et en ce qu’il présente un ordre de diffraction, selon la première direction X, supérieur ou égal à deux. Par réfléchissant, on entend qu’au moins 50 % du champ est réfléchi par le réseau de diffraction 12. L’ordre de diffraction supérieur ou égal à deux selon la direction X implique que le champ se propageant selon la première direction X, se couple au réseau de diffraction et induit une composante du champ qui se propage hors du plan P, c’est-à-dire selon +Z et/ou -Z. Puisque le réseau de diffraction 12 réfléchit la composante du champ se propageant selon +Z, ladite composante du champ est donc orientée vers la deuxième face 11 b. Le dispositif 1 peut donc réaliser une émission par la deuxième surface 11 b. [0059] The device 1 is also remarkable in that the diffraction grating 12 is reflective and in that it has a diffraction order, in the first direction X, greater than or equal to two. By reflective, we mean that at least 50% of the field is reflected by the diffraction grating 12. The diffraction order greater than or equal to two in the direction to the diffraction grating and induces a component of the field which propagates outside the plane P, that is to say along +Z and/or -Z. Since the diffraction grating 12 reflects the component of the field propagating along +Z, said component of the field is therefore oriented towards the second face 11 b. The device 1 can therefore carry out emission via the second surface 11 b.
[0060] Avantageusement, le réseau de diffraction 12 comprend une structure périodique 121. La structure périodique 121 est par exemple une couche s’étendant sur la première face 11 a du guide d’onde 11 . Couplée avec le champ émis par la région active 110, elle induit les effets de diffraction. Le taux de couplage entre le champ et le réseau de diffraction 12 est avantageusement compris entre 10 cm-1 et 100 cm-1. Advantageously, the diffraction grating 12 comprises a periodic structure 121. The periodic structure 121 is for example a layer extending over the first face 11a of the waveguide 11. Coupled with the field emitted by the region active 110, it induces diffraction effects. The coupling rate between the field and the diffraction grating 12 is advantageously between 10 cm -1 and 100 cm -1 .
[0061] La structure périodique 121 comprend par exemple des premières portions[0061] The periodic structure 121 comprises for example first portions
1211 et des deuxièmes portions 1212. Ces premières et deuxièmes portions 1211 ,1211 and second portions 1212. These first and second portions 1211,
1212 sont agencées périodiquement et forment une alternance selon la première direction X et selon la deuxième direction Y le cas échéant. 1212 are arranged periodically and form an alternation in the first direction X and in the second direction Y where appropriate.
[0062] Par exemple, les premières et deuxièmes portions 1211 , 1212 peuvent être des lignes, orientées selon la deuxième direction Y. Lesdites lignes sont agencées les unes à côtés des autres selon la première direction X de manière à former une alternance selon la première direction X. Autrement dit, elles forment deux peignes imbriqués l’un dans l’autre. La [Fig. 1 ] illustre cet exemple. [0062] For example, the first and second portions 1211, 1212 can be lines, oriented in the second direction Y. Said lines are arranged next to each other in the first direction direction X. In other words, they form two combs nested one inside the other. [Fig. 1 ] illustrates this example.
[0063] Selon un autre exemple, les premières portions 1211 sont des plots agencés selon un maillage rectangulaire. Les deuxièmes portions 1212 sont des tores, entourant chaque plot 1211 et remplissant l’espace entre les plots 1211. Selon une variante de cet exemple, les plots 1211 peuvent présenter une grande longueur selon la première direction X et une petite longueur selon la deuxième direction Y ou inversement. [0063] According to another example, the first portions 1211 are pads arranged in a rectangular mesh. The second portions 1212 are tori, surrounding each pad 1211 and filling the space between the pads 1211. According to a variant of this example, the pads 1211 can have a long length in the first direction Y or vice versa.
[0064] Les premières portions 1211 sont constituées d’un premier matériau semiconducteur présentant un premier indice optique. Le premier matériau semiconducteur est par exemple un matériau semiconducteur de type lll-V, tel que l’InP. Il peut également s’agit du même matériau que le revêtement supérieur 111. Les deuxièmes portions 1212 sont constituées d’un deuxième matériau ou d’un métal. Le deuxième matériau peut être un autre matériau semiconducteur ou un gaz, tel que de l’air. Dans ce cas il présente un deuxième indice optique différent du premier indice optique. The first portions 1211 are made up of a first semiconductor material having a first optical index. The first semiconductor material is for example a type III-V semiconductor material, such as InP. It may also be the same material as the upper covering 111. The second portions 1212 are made of a second material or a metal. The second material may be another semiconductor material or a gas, such as air. In this case it has a second optical index different from the first optical index.
[0065] Le réseau de diffraction 12 présente avantageusement, selon la première direction X, un ordre de diffraction unique. C’est-à-dire que la période A (ou « pas ») avec laquelle sont agencées les premières portions 121 1 est constante sur toute la longueur L12 du réseau 12. Les premières portions 1211 présentent alors avantageusement toutes une même largeur A1211, mesurée selon la première direction X. Les deuxièmes portions 1212, séparant les premières portions 1211 , peuvent également présenter une même largeur A1212, également mesurée selon la première direction X. La période A d’agencement des premières portions 1211 , qui correspond à la période du réseau de diffraction 12 selon la première direction X est donc égale à A1211+A1212. Un ordre de diffraction unique signifie que la période A est constante sur toute la longueur L12 du réseau de diffraction. The diffraction grating 12 advantageously presents, in the first direction X, a single diffraction order. That is to say that the period A (or “step”) with which the first portions 121 1 are arranged is constant over the entire length L12 of the network 12. The first portions 1211 then advantageously all have the same width A1211, measured in the first direction direction X. The period A of arrangement of the first portions 1211, which corresponds to the period of the diffraction grating 12 in the first direction A single diffraction order means that the period A is constant over the entire length L12 of the diffraction grating.
[0066] La région active 110 est préférentiellement configurée pour émettre dans la gamme infrarouge, c’est-à-dire dans une gamme [0,8 pm ; 20 pm] ou préférentiellement [4pm ; 12 pm]. De telles longueurs d’onde impliquent une période A du réseau 12 de l’ordre du micromètre au moins. Un réseau de diffraction 12 applicable au spectre infrarouge est également plus simple à réaliser qu’un réseau présentant une période bien inférieure (par exemple dans le spectre bleu ou ultraviolet). The active region 110 is preferably configured to emit in the infrared range, that is to say in a range [0.8 pm; 20 pm] or preferably [4 pm; 12 p.m.]. Such wavelengths imply a period A of the network 12 of the order of a micrometer at least. A diffraction grating 12 applicable to the infrared spectrum is also simpler to produce than a grating having a much lower period (for example in the blue or ultraviolet spectrum).
[0067] Le réseau de diffraction 12 comprend également une couche métallique 122 qui s’étend sur la structure périodique 121 et préférentiellement sur toute la structure périodique 121. Elle est par exemple constituée de Ti ou Au. L’effet réfléchissant du réseau de diffraction 12 peut d’ailleurs être fourni par la couche métallique 122 s’étendant sur la structure périodique 121. La couche métallique peut empêcher la transmission du champ à travers le réseau de diffraction 12. La couche métallique 12 s'étend notamment sur chaque première portion 1211 de la structure périodique 121. De la sorte elle empêche la transmission du champ à travers les premières portions 1211. The diffraction grating 12 also comprises a metal layer 122 which extends over the periodic structure 121 and preferably over the entire periodic structure 121. It is for example made of Ti or Au. The reflective effect of the diffraction grating 12 can also be provided by the metal layer 122 extending over the periodic structure 121. The metal layer can prevent the transmission of the field through the diffraction grating 12. The metal layer 12 extends in particular over each first portion 1211 of the periodic structure 121. In this way it prevents the transmission of the field through the first portions 1211.
[0068] Le mode de réalisation de la [Fig. 1 ] illustre une couche métallique 122 continue et qui s'étend selon la première direction X. Alternativement la couche métallique 122 peut être discontinue et comprendre une pluralité de portions. Chaque portion s'étend donc avantageusement sur chaque première portion 1211 de la structure périodique 1211. Si par exemple les premières portions 1211 de la structure de la structure périodique 121 sont alignées selon la deuxième direction Y, alors la couche métallique 122 comprendra une pluralité de portions s’étendant également selon la deuxième direction Y, une portion de la couche métallique s’étendant sur une surface supérieure d’une première portion 1211. [0068] The embodiment of [Fig. 1] illustrates a continuous metal layer 122 which extends in the first direction X. Alternatively, the metal layer 122 can be discontinuous and comprise a plurality of portions. Each portion therefore advantageously extends over each first portion 1211 of the periodic structure 1211. If for example the first portions 1211 of the structure of the periodic structure 121 are aligned in the second direction Y, then the metal layer 122 will comprise a plurality of portions also extending in the second direction Y, a portion of the metal layer extending over an upper surface of a first portion 1211.
[0069] La couche métallique 122 peut également s’étendre au-delà de la structure périodique 121 car elle peut également être utilisée en tant qu’électrode de contact du dispositif 1. Elle peut permettre d’appliquer un champ électrique de manière uniforme sur la région active 110 afin d’injecter des porteurs dans la région active 110. Les porteurs peuvent se désexciter en émettant des photons dans la région active 110. [0069] The metal layer 122 can also extend beyond the periodic structure 121 because it can also be used as a contact electrode of the device 1. It can make it possible to apply an electric field uniformly. on the active region 110 in order to inject carriers into the active region 110. The carriers can de-excite by emitting photons in the active region 110.
[0070] La couche métallique 122 permet également d’améliorer le confinement du champ dans le guide d’onde 11 grâce à l’interaction plasmonique du champ avec le métal. [0070] The metal layer 122 also makes it possible to improve the confinement of the field in the waveguide 11 thanks to the plasmonic interaction of the field with the metal.
[0071] Selon une variante, le réseau de diffraction 12 peut être configuré de sorte qu’il présente, selon la deuxième direction Y, perpendiculaire à la première direction X, un ordre supérieur ou égal à deux également. Ainsi le champ se propageant selon la deuxième direction Y, se couple également au réseau de diffraction et induit une composante du champ qui se propage également hors du plan P, c’est-à-dire selon +Z et/ou -Z. Cette variante peut être obtenue lorsque les premières portions 1211 de la structure périodique 121 sont des plots agencés selon un maillage rectangulaire. Cette variante est avantageuse lorsque la largeur et la longueur de la région active (et donc du réseau de diffraction) sont sensiblement égales, par exemple à 20 % près. En revanche, si la longueur de la région active 110 est très supérieure à sa largeur, par exemple 20 fois supérieure à sa largeur (guide de type « ridge »), il est préférable que le réseau de diffraction 12 ne présente un ordre que selon la première direction X et aucun ordre selon la deuxième direction Y. En d’autres termes, les premières portions 1211 de la structure périodique 121 peuvent être des lignes alignées selon la deuxième direction Y et réparties selon la première direction X. [0071] According to a variant, the diffraction grating 12 can be configured so that it has, along the second direction Y, perpendicular to the first direction X, an order greater than or equal to two as well. Thus the field propagating along the second direction Y also couples to the diffraction grating and induces a component of the field which also propagates outside the plane P, that is to say along +Z and/or -Z. This variant can be obtained when the first portions 1211 of the periodic structure 121 are pads arranged in a rectangular mesh. This variant is advantageous when the width and length of the active region (and therefore of the diffraction grating) are substantially equal, for example to within 20%. On the other hand, if the length of the active region 110 is much greater than its width, for example 20 times greater than its width (“ridge” type guide), it is preferable that the diffraction grating 12 only presents an order according to the first direction
[0072] S’il y a lieu, le réseau de diffraction 12 peut également présenter, selon la deuxième direction Y, un ordre de diffraction unique. Les périodes d’agencement des premières et deuxièmes portions selon les premières et deuxièmes directions X et Y sont alors constantes dans les deux directions. Elles peuvent toutefois être différentes, de sorte que l’ordre selon la première direction X soit différent de l’ordre selon la deuxième direction Y. [0072] If necessary, the diffraction grating 12 can also present, along the second direction Y, a single diffraction order. The periods of arrangement of the first and second portions according to the first and second directions X and Y are then constant in the two directions. They can, however, be different, so that the order according to the first direction X is different from the order according to the second direction Y.
[0073] Le confinement latéral du champ peut également être apportés par des couches conductrices s’étendant sur les flancs du guide d’onde 11. Le guide d’onde 11 est, par exemple, délimité par un premier flanc et un deuxième flanc, opposés l’un à l’autre. Les premier et deuxième flancs sont par exemple sensiblement perpendiculaires à la deuxième direction Y. On parle alors de « flancs latéraux » ou « facettes latérales ». Le dispositif 1 comprend des première et deuxième couches conductrices qui s’étendent respectivement sur les premier et deuxième flancs. Les couches conductrices sont par exemple des couches métalliques en Ti ou Au, s’étendant perpendiculairement au plan P. Elles forment une cavité selon la deuxième direction Y de propagation et permettent de confiner le champ selon la deuxième direction Y. [0073] The lateral confinement of the field can also be provided by conductive layers extending on the sides of the waveguide 11. The waveguide 11 is, for example, delimited by a first side and a second side, opposed to each other. The first and second flanks are for example substantially perpendicular to the second direction Y. We then speak of “lateral flanks” or “lateral facets”. The device 1 comprises first and second layers conductive which extend respectively on the first and second sides. The conductive layers are for example metallic layers of Ti or Au, extending perpendicular to the plane P. They form a cavity in the second direction Y of propagation and make it possible to confine the field in the second direction Y.
[0074] Afin d’éviter un court-circuit au sein du guide d’onde (par exemple un court- circuit du revêtement supérieur 111 avec le revêtement inférieur 112), le dispositif 1 comprend avantageusement au moins un espaceur électriquement isolant. Il s’agit par exemple d’une couche diélectrique. Chaque espaceur est par exemple disposé sur les flancs latéraux, entre les couches conductrices et les flancs latéraux. [0074] In order to avoid a short circuit within the waveguide (for example a short circuit of the upper coating 111 with the lower coating 112), the device 1 advantageously comprises at least one electrically insulating spacer. This is, for example, a dielectric layer. Each spacer is for example arranged on the side walls, between the conductive layers and the side walls.
[0075] Le dispositif 1 peut également comprendre des troisième et quatrième couches conductrices permettant de contribuer au confinement du champ selon la première direction. Elles s’étendent par exemple sur, respectivement, un troisième et quatrième flancs, délimitant le guide d’onde 11 selon la première direction X. Les troisième et quatrième flancs peuvent être appelés « facette avant » et « facette arrière ». Les troisième et quatrième flancs sont par exemple perpendiculaires à la première direction X. Chaque espaceur est alors avantageusement disposé sur les troisième et quatrième flancs, entre les troisième et quatrième couches conductrices et les troisième et quatrième flancs de manière à éviter tout court-circuit. [0075] The device 1 can also include third and fourth conductive layers making it possible to contribute to the confinement of the field in the first direction. They extend for example on, respectively, a third and fourth flanks, delimiting the waveguide 11 in the first direction X. The third and fourth flanks can be called "front facet" and "rear facet". The third and fourth sides are for example perpendicular to the first direction X. Each spacer is then advantageously arranged on the third and fourth sides, between the third and fourth conductive layers and the third and fourth sides so as to avoid any short circuit.
[0076] Les [Fig. 2] et [Fig. 3] présentent un résultat de simulation obtenu à partir d’un dispositif 1 tel que décrit en référence à [Fig. 1], Les signes de référence des différentes couches sont indiqués sur la [Fig. 2] et correspondent aux couches décrites précédemment. Les revêtements supérieur et inférieur 111 , 112 et la région active 110 présentent un même indice optique n = 3,1. Le réseau de diffraction 12 considéré est d’ordre m impair et plus particulièrement dans cet exemple égal à trois. Les premières portions 1211 de la structure périodique 121 présente un indice optique n = 3,1 tandis que les deuxième portions 1212 de la structure périodique 122 sont métalliques, par exemple en Au. Le champ considéré est monochromatique et sa longueur d’onde est égale à 4,5 pm. La période A de la structure périodique 121 (avec A = mA/2neff où m est l’ordre de diffraction du réseau, neff l’indice optique effectif et  est la longueur d’onde considérée) est A = 3,3 pm. Le réseau de diffraction présente une épaisseur W12 = 400 nm. Le rapport cyclique D du réseau (calculé comme D = A1211/A) est égal à 0,5. [0077] Afin de faciliter l’interprétation des résultats, la simulation considère uniquement un train d’onde émis par la région active 110 en X = 0 pm et se propageant selon les X croissants avec un vecteur d’onde kx positif. Dans la réalité, le champ émis se propageant dans les deux sens. La simulation est arrêtée lorsque le train d’onde atteint 1450 pm (la [Fig. 2] n’est qu’une partie tronquée de ces 1450 pm). Trois régions de l’espace, que l’on nommera « capteurs », sont considérés pour intégrer l’intensité du champ électromagnétique en fonction du temps. Il s’agit de capteurs virtuels 31 , 32, 33, qui n’ont aucune interaction avec la propagation du temps dans le dispositif 1 . [0076] The [Fig. 2] and [Fig. 3] present a simulation result obtained from a device 1 as described with reference to [Fig. 1], The reference signs of the different layers are indicated in [Fig. 2] and correspond to the layers described previously. The upper and lower coatings 111, 112 and the active region 110 have the same optical index n = 3.1. The diffraction grating 12 considered is of order m odd and more particularly in this example equal to three. The first portions 1211 of the periodic structure 121 have an optical index n = 3.1 while the second portions 1212 of the periodic structure 122 are metallic, for example made of Au. The field considered is monochromatic and its wavelength is equal to 4.5 pm. The period A of the periodic structure 121 (with A = mA/2n eff where m is the diffraction order of the grating, n eff the effective optical index and  is the wavelength considered) is A = 3.3 p.m. The diffraction grating has a thickness W12 = 400 nm. The duty cycle D of the network (calculated as D = A1211/A) is equal to 0.5. [0077] In order to facilitate the interpretation of the results, the simulation only considers a wave train emitted by the active region 110 at X = 0 pm and propagating along the increasing X with a positive wave vector kx. In reality, the emitted field propagates in both directions. The simulation is stopped when the wave train reaches 1450 pm ([Fig. 2] is only a truncated part of these 1450 pm). Three regions of space, which we will call “sensors”, are considered to integrate the intensity of the electromagnetic field as a function of time. These are virtual sensors 31, 32, 33, which have no interaction with the propagation of time in the device 1.
[0078] La [Fig. 2] montre, en niveaux de gris, l’amplitude E du champ électromagnétique dans les différentes couches, à la fin de la simulation. Le champ E est en unité arbitraire. La [Fig. 3] montre l’intensité en fonction du temps mesurées au niveau des trois capteurs 31 , 32, 33. [0078] [Fig. 2] shows, in gray levels, the amplitude E of the electromagnetic field in the different layers, at the end of the simulation. The E field is in arbitrary units. [Fig. 3] shows the intensity as a function of time measured at the three sensors 31, 32, 33.
[0079] On observe, dans la [Fig. 2], la propagation d’un train d’onde selon un vecteur d’onde opposé -kx au train initial +kx. Il s’agit de l’onde résultant de la contre- réaction répartie du réseau de diffraction 12 sur le premier train d’onde (selon +kx). On observe également une onde se propageant avec un vecteur d’onde -kz perpendiculaire au vecteur d’onde initial kx et dans le sens des Z décroissants. De manière moins visible, on observe également une onde se propageant avec un vecteur d’onde +kz perpendiculaire au vecteur d’onde initial kx et dans le sens des Z croissants. Toutefois, cette dernière est moins évidente à observer puisqu’elle est réfléchie par le réseau de diffraction 12 et donc redirigée en -kz. En l’absence de la couche métallique 122 sur la structure périodique 121 , le train d’onde se propageant selon +kz serait plus évident à voir. Il se propagerait de la même façon que le train d’onde se propageant selon -kz (moyennant une adaptation de la période ainsi que les indices optiques des milieux qu’il traverserait, comme de l’air par exemple, s’étendant à la place de ladite couche métallique). [0079] We observe, in [Fig. 2], the propagation of a wave train according to an opposite wave vector -kx to the initial train +kx. This is the wave resulting from the distributed feedback of the diffraction grating 12 on the first wave train (according to +kx). We also observe a wave propagating with a wave vector -kz perpendicular to the initial wave vector kx and in the direction of decreasing Z. Less visibly, we also observe a wave propagating with a wave vector +kz perpendicular to the initial wave vector kx and in the direction of increasing Z. However, the latter is less obvious to observe since it is reflected by the diffraction grating 12 and therefore redirected in -kz. In the absence of the metallic layer 122 on the periodic structure 121, the wave train propagating along +kz would be more obvious to see. It would propagate in the same way as the wave train propagating along -kz (by adapting the period as well as the optical indices of the media it would pass through, such as air for example, extending to the place of said metallic layer).
[0080] La présence de la couche métallique 122 réfléchit le rayonnement se propageant avec un vecteur +kz, ce qui fait que le dispositif 1 présenté n’émet que par la surface inférieure 11 b. En l’absence de la couche métallique 122, le dispositif 1 émettrait également un champ selon +kz. Le dispositif modélisé des [Fig. 2] est donc particulièrement adapté pour émettre un champ, tel qu’un faisceau laser, par la surface inférieure 11 b du revêtement inférieur 11 . [0081] La [Fig. 3] montre que l’intensité I31 du champ E en fonction du temps est très élevée au niveau du premier capteur 31 , dès lors que le train d’onde se propageant selon +kx atteint ce capteur 31. L’intensité I32 du champ E, mesurée par le deuxième capteur 32, est en revanche moindre, car il s’agit de la résultante de la contreréaction répartie du réseau de diffraction 12. L’intensité pourrait toutefois être suffisante pour entretenir une onde stationnaire dans le dispositif 1 et activer l’émission stimulée dans la région active 110. The presence of the metal layer 122 reflects the radiation propagating with a vector +kz, which means that the device 1 presented only emits via the lower surface 11 b. In the absence of the metal layer 122, the device 1 would also emit a field along +kz. The modeled device of [Fig. 2] is therefore particularly suitable for emitting a field, such as a laser beam, through the lower surface 11 b of the lower coating 11. [0081] [Fig. 3] shows that the intensity I31 of the field E as a function of time is very high at the level of the first sensor 31, since the wave train propagating along +kx reaches this sensor 31. The intensity I32 of the field E , measured by the second sensor 32, is on the other hand less, because it is the result of the distributed counter-reaction of the diffraction grating 12. The intensity could however be sufficient to maintain a standing wave in the device 1 and activate the stimulated emission in active region 110.
[0082] L’intensité I33 mesurée par le troisième capteur 33 augmente en fonction du temps et à mesure que le train d’onde initial (se propageant selon +kx) se déplace. Le régime transitoire illustré par la [Fig. 3] prend fin au bout de quelques picosecondes. The intensity I33 measured by the third sensor 33 increases as a function of time and as the initial wave train (propagating along +kx) moves. The transient regime illustrated by [Fig. 3] ends after a few picoseconds.
[0083] Les conditions opératoires et structurelles de la simulation ont été choisie pour mettre en évidence la propagation du champ vers la face inférieure 11 b. Un ajustement des paramètres du réseau de diffraction 11 pourrait permettre d’augmenter la contre-réaction du réseau 12 sur le champ se propageant dans le guide 11. Elle pourrait également permettre de diminuer le taux de couplage du champ, tout en assurant que la majeure partie de la puissance optique véhiculée par le champ serait dirigée vers la face inférieure 11 b (et vers un point d’intérêt ensuite). [0083] The operational and structural conditions of the simulation were chosen to highlight the propagation of the field towards the lower face 11 b. An adjustment of the parameters of the diffraction grating 11 could make it possible to increase the counter-reaction of the grating 12 on the field propagating in the guide 11. It could also make it possible to reduce the coupling rate of the field, while ensuring that the major part of the optical power conveyed by the field would be directed towards the lower face 11 b (and then towards a point of interest).
[0084] La [Fig. 4] montre des résultats complémentaires d’une simulation réalisée à partir du même modèle numérique que celui utilisé pour obtenir les résultats des [Fig. 2] et [Fig. 3], Ce modèle numérique diffère toutefois du modèle précédent en ce qu’il fait varier le taux de couplage du réseau de diffraction 12 avec le champ E qui se propage dans le dispositif 1 . Le paramètre étudier est plus précisément le rapport cyclique D du réseau de diffraction 12. En effet, le taux de couplage dépend de plusieurs paramètres tels que le rapport cyclique du réseau 12, l’épaisseur W121 de la structure périodique 121 ou encore l’indice optique des matériaux constituant la structure périodique 121. Dans la [Fig. 4], les rapports cycliques considérés sont D = 0,5 (identique à celui des [Fig. 2] et [Fig. 3]) et D = 0,35. On observe qu’un rapport cyclique D < 0,5 tend à augmenter les intensités I32 et I33 mesurées par les deuxième et troisième capteurs 32, 33 (qui correspondent aux intensités des trains d’onde se propageant selon -kx et -kz). L’intensité 131 mesurée par le premier capteur 31 est en revanche réduite, car la puissance qu’elle véhicule se dissipe vers les autres ondes de propagation (en l’occurrence selon -kx et -ky). [0085] Une simulation réalisée au moyen du même modèle numérique montre que l’intensité du champ se propageant normalement au plan du réseau 12 dépend également de l’épaisseur W121 de la structure périodique 121. Plus son épaisseur W121 est élevée et meilleur est le couplage entre le réseau 12 et le champ E. Le réseau de diffraction 12 présente une épaisseur préférentiellement supérieure à Â/10 neff (où  est une longueur d’onde du champ E et neff est l’indice effectif du mode guidé considéré) et de manière encore préférée, supérieure à A/4neff. [0084] [Fig. 4] shows complementary results of a simulation carried out using the same numerical model as that used to obtain the results of [Fig. 2] and [Fig. 3], This digital model, however, differs from the previous model in that it varies the coupling rate of the diffraction grating 12 with the field E which propagates in the device 1. The parameter studied is more precisely the duty cycle D of the diffraction grating 12. Indeed, the coupling rate depends on several parameters such as the duty cycle of the grating 12, the thickness W121 of the periodic structure 121 or even the index optics of the materials constituting the periodic structure 121. In [Fig. 4], the duty cycles considered are D = 0.5 (identical to that of [Fig. 2] and [Fig. 3]) and D = 0.35. We observe that a duty cycle D < 0.5 tends to increase the intensities I32 and I33 measured by the second and third sensors 32, 33 (which correspond to the intensities of the wave trains propagating along -kx and -kz). The intensity 131 measured by the first sensor 31 is, however, reduced, because the power it carries is dissipated towards the other propagation waves (in this case according to -kx and -ky). [0085] A simulation carried out using the same digital model shows that the intensity of the field propagating normally to the plane of the network 12 also depends on the thickness W121 of the periodic structure 121. The higher its thickness W121, the better the coupling between the grating 12 and the field E. The diffraction grating 12 has a thickness preferably greater than Â/10 n eff (where  is a wavelength of the field E and n eff is the effective index of the guided mode considered ) and even more preferably, greater than A/4n eff .
[0086] Un procédé de fabrication du dispositif 1 peut comprendre, en premier lieu, une étape de formation du guide d’onde 11 . Le guide d’onde 11 peut être formé à partir d’un système optique, par exemple sur une fenêtre optique. La fabrication du guide d’onde 11 comprend par exemple la formation du revêtement inférieur 112, suivi de la formation de la région active 110, suivi de la formation du revêtement supérieur 111. Ces couches sont par exemple réalisées par épitaxie par jet moléculaire ou dépôt chimique par phase vapeur utilisant des précurseurs métallo-organiques (dite « MOCVD » en anglais pour « Metal Organic Chemical Vapor Deposition »). Une étape de gravure peut compléter être mise en œuvre afin de délimiter le guide d’onde[0086] A method of manufacturing the device 1 may comprise, firstly, a step of forming the waveguide 11. The waveguide 11 can be formed from an optical system, for example on an optical window. The manufacture of the waveguide 11 comprises for example the formation of the lower coating 112, followed by the formation of the active region 110, followed by the formation of the upper coating 111. These layers are for example produced by molecular beam epitaxy or deposition chemical vapor phase using metal-organic precursors (called “MOCVD” in English for “Metal Organic Chemical Vapor Deposition”). An etching step can be implemented in order to delimit the waveguide
I I . I I .
[0087] La couche de revêtement inférieur 112, par exemple en InP, peut également être réalisée dans une étape préliminaire puis collée sur un substrat, par exemple en Si, ou une fenêtre optique, par exemple en Si, par collage moléculaire. Les autres couches 110, 111 sont ensuite réalisées à partir du revêtement inférieur 111. Le collage moléculaire peut offrir un bon état de surface de la deuxième face 11 b du guide d’onde 11 et permet ainsi d’éviter la mise en œuvre d’un traitement anti-reflet. The lower coating layer 112, for example in InP, can also be produced in a preliminary step and then glued to a substrate, for example in Si, or an optical window, for example in Si, by molecular bonding. The other layers 110, 111 are then produced from the lower coating 111. Molecular bonding can provide a good surface condition of the second face 11b of the waveguide 11 and thus makes it possible to avoid the implementation of anti-reflective treatment.
[0088] Le procédé de fabrication du dispositif 1 peut comprendre, subséquemment à la formation du guide d’onde 11 , la formation du réseau de diffraction 12, sur la première face 11 a du guide d’onde 11. La structure périodique 121 peut être fabriquée sur la première face 11 a du guide d’onde 11 , par exemple sur le revêtement supérieur[0088] The method of manufacturing the device 1 may comprise, following the formation of the waveguide 11, the formation of the diffraction grating 12, on the first face 11a of the waveguide 11. The periodic structure 121 may be manufactured on the first face 11 a of the waveguide 11, for example on the upper coating
I I I . De manière avantageuse, la structure périodique 121 peut être gravée directement dans le revêtement supérieur 111 , en formant par exemple une série de tranchées parallèles les unes aux autres et réparties selon la première direction X. La couche métallique 122, déposée dans un deuxième temps, vient par exemple remplir ces tranchées de métal. Le revêtement supérieur 111 est alors un peu plus épais afin de tenir compte de l’épaisseur W121 finale de la structure périodique 121 . [0089] Alternativement, un autre matériau semiconducteur peut être déposé dans ces tranchées. Après une étape de planarisation, la couche métallique 122 est déposée sur la structure périodique 121. III. Advantageously, the periodic structure 121 can be etched directly in the upper coating 111, for example by forming a series of trenches parallel to each other and distributed along the first direction X. The metal layer 122, deposited in a second step, for example, fills these trenches with metal. The upper coating 111 is then a little thicker in order to take into account the final thickness W121 of the periodic structure 121. Alternatively, another semiconductor material can be deposited in these trenches. After a planarization step, the metal layer 122 is deposited on the periodic structure 121.
[0090] Selon une autre alternative, la couche métallique 122 peut être déposée directement sur le revêtement supérieur 111 et les tranchées sont réalisées ensuite dans le revêtement supérieur 111 , à travers la couche métallique 122. Ainsi, les premières portions 1211 de la structure périodique 121 sont formées par des portions du revêtement supérieur 111 disposées sous les portions de la couche métallique 122 et encadrées par deux tranchées. Les portions de la couche métallique disposées sur les premières portions 1211 de la structure périodique 121 permettent de bloquer la transmission du champ à travers le réseau 12 et de rediriger le faisceau laser vers la face inférieure 11 b (ou un point d’intérêt ou un système optique s’il y a lieu). [0090] According to another alternative, the metal layer 122 can be deposited directly on the upper coating 111 and the trenches are then made in the upper coating 111, through the metal layer 122. Thus, the first portions 1211 of the periodic structure 121 are formed by portions of the upper coating 111 placed under the portions of the metal layer 122 and framed by two trenches. The portions of the metal layer arranged on the first portions 1211 of the periodic structure 121 make it possible to block the transmission of the field through the network 12 and to redirect the laser beam towards the lower face 11 b (or a point of interest or a optical system if applicable).
[0091] Les paramètres du réseau de diffraction 12, tels que l’épaisseur W121 de la structure périodique 121 , les matériaux constituant les premières et deuxièmes portions 1211 , 1212 de la structure périodique 121 ou encore le rapport cyclique D du réseau, peuvent avoir une influence sur le couplage entre le réseau de diffraction 12 et le champ émis par la région active 110. Le procédé de fabrication comprend alors avantageusement une étape d’optimisation d’un taux de couplage du réseau de diffraction 12 avec le champ émis par la région active 110. Cette étape d’optimisation intervient préférentiellement avant la formation du réseau de diffraction 12. Le taux de couplage attendu est par exemple compris entre 10 cm’1 et 100 cm’1. [0091] The parameters of the diffraction grating 12, such as the thickness W121 of the periodic structure 121, the materials constituting the first and second portions 1211, 1212 of the periodic structure 121 or even the cyclic ratio D of the grating, can have an influence on the coupling between the diffraction grating 12 and the field emitted by the active region 110. The manufacturing process then advantageously comprises a step of optimizing a rate of coupling of the diffraction grating 12 with the field emitted by the active region 110. This optimization step preferably occurs before the formation of the diffraction grating 12. The expected coupling rate is for example between 10 cm' 1 and 100 cm' 1 .
[0092] La [Fig. 5] représente schématiquement un système optique 2. Le système optique 2 comprend par exemple une fibre ou une cavité résonante. L’injection d’un faisceau lumineux E dans la fibre ou la cavité peut permettre de réaliser une mesure d’un paramètre d’intérêt. [0092] [Fig. 5] schematically represents an optical system 2. The optical system 2 comprises for example a fiber or a resonant cavity. The injection of a light beam E into the fiber or the cavity can make it possible to measure a parameter of interest.
[0093] Le système 2 comprend un dispositif 1 à émission de surface tel que décrit précédemment. Il comprend également une fenêtre optique 20 transparente au faisceau lumineux E qui peut être émis par la région active 110 du dispositif 1. Dans le mode de réalisation de la [Fig. 5], la fenêtre optique 20 est encastrée dans un support 21 , qui entoure par exemple la fenêtre optique 20 et le dispositif 1 . [0093] System 2 comprises a surface emitting device 1 as described above. It also includes an optical window 20 transparent to the light beam E which can be emitted by the active region 110 of the device 1. In the embodiment of [Fig. 5], the optical window 20 is embedded in a support 21, which surrounds for example the optical window 20 and the device 1.
[0094] Le dispositif 1 est localisé sur la fenêtre optique 20. La deuxième face 11 b du guide d’onde 11 s’étend donc sur la fenêtre optique 20 et de préférence directement contre le fenêtre optique 20. En effet, le dispositif 1 , réalisant l’émission par sa deuxième face 11 b, ne requiert pas de couche anti-réfléchissante pour transmettre efficacement le rayonnement à la fenêtre optique 20. La deuxième face 11 b du dispositif 1 peut d’ailleurs être collée contre la fenêtre 20 et préférentiellement par collage moléculaire. [0094] The device 1 is located on the optical window 20. The second face 11 b of the waveguide 11 therefore extends over the optical window 20 and preferably directly against the optical window 20. In fact, the device 1, carrying out the emission through its second face 11 b, does not require an anti-reflective layer to effectively transmit the radiation to the optical window 20. The second face 11 b of the device 1 can also be glued against the window 20 and preferably by molecular bonding.
[0095] La face de la fenêtre optique 20 destinée à recevoir la deuxième face 11 b du dispositif est préférentiellement plane. Elle s’étend par exemple, lorsque le dispositifThe face of the optical window 20 intended to receive the second face 11 b of the device is preferably planar. It extends for example, when the device
1 est disposé sur la fenêtre, parallèlement au plan P du dispositif 1 . 1 is placed on the window, parallel to the plane P of the device 1.
[0096] La fenêtre optique 20 est par exemple en Si. Elle présente une épaisseur W20, mesurée perpendiculairement au plan du dispositif 1 , comprise entre 10 pm et 50 pm. Afin de limiter les pertes optiques, la somme de l’épaisseur W20 de la fenêtre optique 20 et de l’épaisseur W112 du revêtement inférieur 112, mesurée perpendiculairement au plan P, est inférieure à 100 pm. [0096] The optical window 20 is for example made of Si. It has a thickness W20, measured perpendicular to the plane of the device 1, between 10 pm and 50 pm. In order to limit optical losses, the sum of the thickness W20 of the optical window 20 and the thickness W112 of the lower coating 112, measured perpendicular to the plane P, is less than 100 pm.
[0097] Le guide d’onde 11 est délimité par des premier et deuxième flancs 11 c, 11 d dans la deuxième direction Y. Sur chaque flanc 11c, 11d s’étend un revêtement conducteur 131 , 132 permettant d’améliorer le confinement latéral du champ dans le guide d’onde 11. Chaque flanc 11 c, 11 d est isolé du revêtement conducteur grâce à un espaceur 14 électriquement isolant, disposé entre chaque revêtement conducteur et le flanc sur lequel il s’étend. [0097] The waveguide 11 is delimited by first and second flanks 11 c, 11 d in the second direction Y. On each flank 11c, 11d extends a conductive coating 131, 132 making it possible to improve the lateral confinement of the field in the waveguide 11. Each side 11 c, 11 d is isolated from the conductive coating thanks to an electrically insulating spacer 14, placed between each conductive coating and the side on which it extends.
[0098] Dans un mode de réalisation avantageux, le système 2 comprend également un régulateur thermique 22 configuré pour réguler la température du guide d’onde 11 lorsque le dispositif 1 est en fonctionnement et en particulier en un régime stationnaire. En effet, les dispositifs à émission de surface sont sensibles aux variations de température. Il est donc avantageux de maintenir la température fixe pendant l’illumination de l’échantillon 3 et préférentiellement à une variation inférieure à 0,1 °C. L’illumination pouvant être de quelques secondes, le régulateur thermique 22 peut être configuré pour que la variation temporelle de la température du système[0098] In an advantageous embodiment, the system 2 also comprises a thermal regulator 22 configured to regulate the temperature of the waveguide 11 when the device 1 is in operation and in particular in a stationary regime. Indeed, surface emitting devices are sensitive to temperature variations. It is therefore advantageous to maintain the fixed temperature during the illumination of sample 3 and preferably at a variation of less than 0.1°C. The illumination can be a few seconds, the thermal regulator 22 can be configured so that the temporal variation of the temperature of the system
2 soit inférieure à 0,1 °C/s lors du fonctionnement du dispositif. 2 is less than 0.1 °C/s during operation of the device.
[0099] Le mode de réalisation de la [Fig. 5] montre que le régulateur thermique 22 comprend des cellules actives 221 , telles que des cellules Peltier, et un dissipateur thermique 222, tel qu’un dissipateur à ailettes. Les cellules 221 sont par exemple en contact avec le support 21 , dès lors que le transfert thermique offert par le support est suffisant. S’il est par exemple réalisé en Si, le transfert thermique est d’environ 150 W/m/K, ce qui peut être suffisant. Le dissipateur 222 est en contact avec les cellules 221 de manière à dissiper la chaleur pompée à partir du support 21. [0099] The embodiment of [Fig. 5] shows that the thermal regulator 22 comprises active cells 221, such as Peltier cells, and a heat sink 222, such as a finned sink. The cells 221 are for example in contact with the support 21, since the thermal transfer offered by the support is sufficient. If it is made of Si for example, the heat transfer is around 150 W/m/K, which may be sufficient. The heatsink 222 is in contact with the cells 221 so as to dissipate the heat pumped from the support 21.

Claims

REVENDICATIONS
[Revendication 1 ] Dispositif (1 ) à émission de surface d’un champ électromagnétique comprenant : [Claim 1] Device (1) for surface emission of an electromagnetic field comprising:
- un guide d’onde (11 ), s’étendant dans un plan (P), présentant une longueur, mesurée selon une première direction parallèle au plan, et une largeur, mesurée selon une deuxième direction parallèle au plan et perpendiculaire à la première direction, la longueur du guide d’onde étant supérieure à la largeur du guide d’onde, le guide d’onde comprenant une première face (11 a) et une deuxième face (11 b), opposée à la première face, les première et deuxième faces étant parallèles au plan, la deuxième face étant transparente, le guide d’onde comprenant une région active (110) s’étendant dans le plan et configurée pour émettre le champ électromagnétique ; et - a waveguide (11), extending in a plane (P), having a length, measured in a first direction parallel to the plane, and a width, measured in a second direction parallel to the plane and perpendicular to the first direction, the length of the waveguide being greater than the width of the waveguide, the waveguide comprising a first face (11 a) and a second face (11 b), opposite the first face, the first and second faces being parallel to the plane, the second face being transparent, the waveguide comprising an active region (110) extending in the plane and configured to emit the electromagnetic field; And
- un réseau de diffraction (12), réfléchissant, s’étendant sur la première face du guide d’onde, le dispositif étant caractérisé en ce que le réseau de diffraction présente, selon une première direction (X) parallèle au plan, un ordre de diffraction supérieur ou égal à trois. - a diffraction grating (12), reflecting, extending on the first face of the waveguide, the device being characterized in that the diffraction grating presents, in a first direction (X) parallel to the plane, an order diffraction greater than or equal to three.
[Revendication 2] Dispositif (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le guide d’onde (11 ) est délimité par un premier flanc (11 c) et un deuxième flanc (11 d), le deuxième flanc étant opposé au premier flanc, les premier et deuxième flancs étant sensiblement perpendiculaires à une deuxième direction (Y), ladite deuxième direction étant parallèle au plan (P) et perpendiculaire à la première direction (X), le dispositif comprenant également un premier revêtement (131 ) conducteur et un deuxième revêtement (132) conducteur, le premier revêtement conducteur s’étendant sur le premier flanc et le deuxième revêtement conducteur s’étendant sur le deuxième flanc. [Claim 2] Device (1) according to the preceding claim, characterized in that the waveguide (11) is delimited by a first flank (11 c) and a second flank (11 d), the second flank being opposite the first sidewall, the first and second sidewalls being substantially perpendicular to a second direction (Y), said second direction being parallel to the plane (P) and perpendicular to the first direction (X), the device also comprising a first conductive coating (131) and a second conductive coating (132), the first conductive coating extending over the first sidewall and the second conductive coating extending over the second sidewall.
[Revendication s] Dispositif (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réseau de diffraction (12) s’étend à l’aplomb de la région active (110) du guide d’onde (11 ), la région active présentant une longueur (Lno), mesurée selon la première direction (X), et le réseau de diffraction présentant une longueur (L12), également mesurée selon la première direction, la longueur du réseau de diffraction étant sensiblement égale à la longueur de la région active, le réseau présentant, selon la première direction, un ordre de diffraction unique. [Claims] Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the diffraction grating (12) extends directly above the active region (110) of the waveguide (11), the active region having a length (Lno), measured in the first direction (X), and the diffraction grating having a length (L12), also measured in the first direction, the length of the grating diffraction being substantially equal to the length of the active region, the grating presenting, in the first direction, a unique diffraction order.
[Revendication 4] Dispositif (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la région active (110) présente une largeur, mesurée selon une deuxième direction (Y) parallèle au plan (P) et perpendiculaire à la première direction (X), et le réseau de diffraction (12) présente une largeur, mesurée selon la deuxième direction, la largeur du réseau de diffraction étant sensiblement égale à la largeur de la région active, le réseau présentant, selon la deuxième direction, un autre ordre de diffraction unique et supérieur ou égal à deux. [Claim 4] Device (1) according to the preceding claim, characterized in that the active region (110) has a width, measured in a second direction (Y) parallel to the plane (P) and perpendicular to the first direction (X) , and the diffraction grating (12) has a width, measured in the second direction, the width of the diffraction grating being substantially equal to the width of the active region, the grating presenting, in the second direction, another diffraction order unique and greater than or equal to two.
[Revendication s] Dispositif (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réseau de diffraction (12) comprend une structure périodique (121 ) et une couche métallique (122), la structure périodique s’étendant sur la première face (11 a) du guide d’onde (11 ) et la couche métallique s’étendant sur la structure périodique. [Claims] Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the diffraction grating (12) comprises a periodic structure (121) and a metallic layer (122), the periodic structure extending over the first face (11 a) of the waveguide (11) and the metal layer extending over the periodic structure.
[Revendication s] Dispositif (1 ) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la structure périodique (121 ) comprend une alternance de premières portions (1211 ) et de deuxièmes portions (1212), les premières portions étant constituées d’un premier matériau semiconducteur présentant un premier indice optique et les deuxièmes portions étant constituées d’un métal ou d’un deuxième matériau, tel qu’un autre matériau semiconducteur ou un gaz, présentant un deuxième indice optique différent du premier indice optique. [Claim s] Device (1) according to claim 5, characterized in that the periodic structure (121) comprises an alternation of first portions (1211) and second portions (1212), the first portions being made up of a first material semiconductor having a first optical index and the second portions being made of a metal or a second material, such as another semiconductor material or a gas, having a second optical index different from the first optical index.
[Revendication 7] Dispositif (1 ) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche métallique (122) comprend des portions, chaque portion de la couche métallique recouvrant une des premières portions (1211 ) de la structure périodique (121 ). [Claim 7] Device (1) according to claim 6, characterized in that the metal layer (122) comprises portions, each portion of the metal layer covering one of the first portions (1211) of the periodic structure (121).
[Revendication s] Dispositif (1 ) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche métallique (122) est continue. [Claims] Device (1) according to claim 6, characterized in that the metal layer (122) is continuous.
[Revendication 9] Dispositif (1 ) selon l’une des trois revendications précédentes, caractérisé en ce que le guide d’onde (11 ) comprend une première couche semiconductrice (111 ) à base du premier matériau semiconducteur constituant les premières portions (1211 ) de la structure périodique (121 ), la première couche semiconductrice s’étendant de la région active jusqu’à la première face. [Claim 9] Device (1) according to one of the three preceding claims, characterized in that the waveguide (11) comprises a first semiconductor layer (111) based on the first semiconductor material constituting the first portions (1211) of the periodic structure (121), the first semiconductor layer extending from the active region to the first face.
[Revendication 10] Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le champ électromagnétique comprend une longueur d’onde comprise dans [0,8 pm ; 20 pm], [Claim 10] Device according to one of the preceding claims, characterized in that the electromagnetic field comprises a wavelength comprised in [0.8 pm; 8 p.m.],
[Revendication 11 ] Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le guide d’onde (11 ) du dispositif (1 ) comprend une deuxième couche semiconductrice (112) s’étendant de la région active (110) du guide d’onde jusqu’ à la deuxième face (11 b) du guide d’onde et en ce que l’épaisseur (W112) de la deuxième couche semiconductrice, mesurée perpendiculairement au plan (P), est comprise entre 2 pm et à 100 pm. [Claim 11] Device according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide (11) of the device (1) comprises a second semiconductor layer (112) extending from the active region (110) of the guide wave to the second face (11 b) of the waveguide and in that the thickness (W112) of the second semiconductor layer, measured perpendicular to the plane (P), is between 2 pm and 100 p.m.
[Revendication 12] Système (2) optique, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif (1 ) à émission de surface d’un champ électromagnétique selon l’une des revendications précédentes et une fenêtre optique (20) transparente au champ électromagnétique, la deuxième face (11 b) du guide d’onde (11 ) du dispositif à émission de surface s’étendant sur la fenêtre optique. [Claim 12] Optical system (2), characterized in that it comprises a device (1) for surface emission of an electromagnetic field according to one of the preceding claims and an optical window (20) transparent to the electromagnetic field, the second face (11 b) of the waveguide (11) of the surface emission device extending over the optical window.
[Revendication 13] Système (2) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend également un régulateur thermique (22) configuré pour réguler la température du guide d’onde (11 ) du dispositif (1 ) lorsque le dispositif (1 ) fonctionne en un régime stationnaire. [Claim 13] System (2) according to the preceding claim, characterized in that it also comprises a thermal regulator (22) configured to regulate the temperature of the waveguide (11) of the device (1) when the device (1 ) operates in a steady state.
[Revendication 14] Procédé de fabrication d’un dispositif (1 ) à émission de surface selon l’une des revendications 1 à 12, le procédé comprenant les étapes suivantes : [Claim 14] Method for manufacturing a surface emitting device (1) according to one of claims 1 to 12, the method comprising the following steps:
- former un guide d’onde (11 ), s’étendant dans un plan (P), présentant une longueur, mesurée selon une première direction parallèle au plan, et une largeur, mesurée selon une deuxième direction parallèle au plan et perpendiculaire à la première direction, de telle sorte que la longueur du guide d’onde est supérieure à la largeur du guide d’onde, le guide d’onde comprenant une première face (11 a) et une deuxième face (11 b), opposée à la première face, les première et deuxième faces étant parallèles au plan, la deuxième face étant transparente, le guide d’onde comprenant une région active (110) s’étendant dans le plan et configurée pour émettre un champ électromagnétique, la deuxième face étant transparente ; - former un réseau de diffraction (12) s’étendant sur la première face du guide d’onde, le réseau de diffraction étant réfléchissant et présentant, selon une première direction (X) parallèle au plan, un ordre de diffraction supérieur ou égal à trois. [Revendication 15] Procédé selon la revendication précédente, comprenant, avant la formation du réseau de diffraction (12), une étape d’optimisation d’un taux de couplage du réseau de diffraction avec un champ électromagnétique émis par la région active (110). - form a waveguide (11), extending in a plane (P), having a length, measured in a first direction parallel to the plane, and a width, measured in a second direction parallel to the plane and perpendicular to the first direction, such that the length of the waveguide is greater than the width of the waveguide, the waveguide comprising a first face (11a) and a second face (11b), opposite the first face, the first and second faces being parallel to the plane, the second face being transparent, the waveguide comprising an active region (110) extending in the plane and configured to emit an electromagnetic field, the second face being transparent ; - form a diffraction grating (12) extending over the first face of the waveguide, the diffraction grating being reflective and having, in a first direction (X) parallel to the plane, a diffraction order greater than or equal to three. [Claim 15] Method according to the preceding claim, comprising, before the formation of the diffraction grating (12), a step of optimizing a coupling rate of the diffraction grating with an electromagnetic field emitted by the active region (110) .
PCT/EP2023/083281 2022-11-29 2023-11-28 Surface-emitting device, optical system and associated method WO2024115447A1 (en)

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FR2212503A FR3142618A1 (en) 2022-11-29 2022-11-29 SURFACE EMITTING DEVICE, OPTICAL SYSTEM AND ASSOCIATED METHOD
FRFR2212503 2022-11-29

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