FR2522206A1

FR2522206A1 - Laser a semi-conducteur

Info

Publication number: FR2522206A1
Application number: FR8302490A
Authority: FR
Inventors: Furuya Kazuhito
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1982-02-22
Filing date: 1983-02-16
Publication date: 1983-08-26
Also published as: GB8304711D0; FR2522206B1; JPS58155788A; CA1210122A; DE3306085A1; GB2115218A; GB2115218B; US4464762A

Abstract

L'INVENTION CONCERNE L'OPTOELECTRONIQUE. UN LASER A SEMI-CONDUCTEUR COMPORTE DES REFLECTEURS DE BRAGG DE TYPE REPARTI 11, 13 SE PRESENTANT SOUS LA FORME DE GUIDES D'ONDES COMPORTANT UNE COUCHE DE COEUR 22, 24 EN POLYIMIDE OU EN NITRURE DE SILICIUM, ET DES COUCHES DE GAINE 21, 23, 25 EN SIO (X 2). LES GUIDES D'ONDES SONT INTEGRES DE FACON MONOLITHIQUE AVEC LE MILIEU ACTIF 12. CETTE STRUCTURE REDUIT LES PERTES OPTIQUES DANS LES GUIDES D'ONDES ET AMELIORE LA STABILITE EN TEMPERATURE PAR RAPPORT AUX LASERS DE CE TYPE QUI COMPORTENT DES GUIDES D'ONDES EN SEMI-CONDUCTEUR. APPLICATION AUX TELECOMMUNICATIONS OPTIQUES.

Description

la présente invention concerne le domaine des lasers à semiconducteur

intégrés et elle porte en particulier sur les

lasers à réflecteurs de Bragg de type réparti.

Dans les structures de laser à semiconducteur, les mécanismes de réaction destinés à l'obtention d'une condition dans laquelle l'effet laser se manifeste se sont présentées de

façon générale sous la forme de facettes de miroir réfléchis-

santes On crée ces facettes en clivant ou en polissant des

surfaces planes déterminées autour de la cavité laser active.

Plus récemment, on a obtenu une réaction par une va-

riation périodique de l'indice de réfraction à l'intérieur

d'un guide d'ondes optique contigu à la cavité laser On pro-

duit de telles variations périodiques en ondulant une surface

dans le coeur ou au voisinage du coeur du guide d'ondes opti-

que Les lasers qui utilisent ces surfaces ondulées sont appe-

lés lasers à réaction répartie ou lasers à réflecteurs de Bragg de type réparti Voir par exemple le brevet US 3 760 292 et l'article de S Wang, intitulé "Principles of Distributed Feedback and Distributed BraggReflector Lasers", IEEE J of

Quantum Electronics, Vol QE-10, N O 4, pages 413-427 ( 1974).

Les lasers à réaction répartie comportent des ondu-

lations périodiques à l'intérieur d'un milieu amplificateur actif ainsi qu'à l'extérieur de ce milieu Les lasers de Bragg

de type réparti ne comportent les ondulations que dans les mi-

lieux passifs adjacents au milieu amplificateur actif Les structures périodiques du laser à réflecteurs de Bragg de type

réparti remplissent ainsi une fonction de réflexion d'extrémi-

tés à sélectivité de fréquence, par opposition à la réflexion d'extrémités sans sélectivité de fréquence qu'accomplissent les facettes de miroir planes Cependant, du fait que chaque réflecteur de Bragg est dans un milieu de guide d'ondes passif à pertes élevées, à l'extérieur du milieu actif pompé, le gain

résultant des lasers connus à réflecteurs de Bragg de type ré-

parti est inférieur au gain du milieu actif.

Plusieurs perfectionnements de la structure fonda-

mentale de laser à réflecteurs de Bragg de type réparti ont été proposés par Wang dans l'article précité et par Y Suematsu et col, dans les revues Japan J of Appl Phys, Vol 17, NO 9, pages 1599-1603 ( 1978), et Elect Lett, Vol 16, N 012, pages 455-456 et pages 456-458 ( 1980) Dans l'article de Wang,

la structure utilise un couplage par aboutement entre le mi-

lieu actif d'une part et le guide d'ondes passif et les confi-

gurations de réflecteur, d'autre part Suematsu et col utili- sent une structure de guide double intégrée qui nécessite l'existence d'un couplage de phase entre le milieu actif et le guide d'ondes passif et la configuration de réflecteur qui se

trouvent au-dessous Dans ces deux structures de laser à ré-

flecteurs de Bragg de type réparti, les milieux actif et pas-

sif sont constitués par des matières semiconductrices prove-

nant de la même famille de composés En outre, dans les milieux

de guide d'ondes passifs, la matière semiconductrice est trans-

parente, et non absorbante, pour la fréquence de la lumière de

sortie du laser Bien que ces perfectionnements aient eu ten-

dance à augmenter le rendement quantique différentiel de ces lasers à réflecteurs de Bragg de type réparti par rapport à

d'autres structures de laser à réflecteurs de Bragg de type ré-

parti, ils n'ont pas réduit notablement les pertes des milieux

de guidage d'ondes passifs (non pompés).

L'invention procure un laser à semiconducteur com-

prenant une structure semiconductrice active et des moyens de

réaction optique comprenant au moins un milieu de guidage d'on-

des passif ayant une configuration telle qu'il fonctionne en réflecteur de Bragg, le milieu passif étant en une matière diélectrique et étant intégré de façon monolithique avec la

structure semiconductrice.

L'invention permet d'obtenir non seulement une perte faible par unité de longueur du guide d'ondes, mais également un niveau élevé de stabilité de fréquence sur une gamme de

température étendue.

La composition du guide d'ondes diélectrique en si-

licium varie dans différents modes de réalisation de l'inven-

tion Les couches de gaine du guide d'ondes peuvent consister

en un oxyde de silicium qui ressemble au dioxyde de silicium.

On peut fabriquer une couche de coeur soit à partir de nitrure

de silicium, soit à partir d'un revêtement de polyimide.

Chaque guide d'ondes ne permet de préférence la pro-

pagation que d'un seul mode et utilise un couplage par aboute-

ment, avec des profils adaptés, pour assurer la liaison avec la région de milieu actif Des variantes de structure du laser comprennent des guides d'ondes colinéaires, des guides d'ondes non colinéaires, ou un guide d'ondes et une facette de miroir.

Les guides d'ondes non colinéaires sont couplés au milieu ao-

tif à travers une fenêtre de Brewster Le guide d'ondes est du

côté de la région active qui est opposé à la facette de miroir.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la

description qui va suivre de modes de réalisation et en se ré-

férant aux dessins annexés sur lesquels:

La figure 1 est une vue de dessus d'un laser à ré-

flecteurs de Bragg de type réparti conforme à l'invention,

comportant des guides d'ondes diélectriques colinéaires, cou-

plés par aboutement; La figure 2 est une coupe du laser à réflecteurs de Bragg de type réparti de la figure 1, observé dans le plan de coupe 2-2;

la figure 3 est une vue de dessus d'un laser à ré-

flecteurs de Bragg de type réparti, conforme à l'invention, comportant des guides d'ondes diélectriques non colinéaires, couplés par aboutement; et la figure 4 est une coupe d'un laser à réflecteurs de Bragg de type réparti conforme à l'invention, ne comportant

qu'un seul guide d'ondes diélectrique passif.

Des explications théoriques et pratiques approfondies ont été présentées dans de nombreux documents pour expliquer la structure physique générale et le fonctionnement des lasers

à réflecteurs de Bragg de type réparti Sauf lorsque c'est né-

cessaire, on n'accordera ici que peu d'attention à ces détails.

Le lecteur intéressé est donc invité à se reporter à certains au moins des documents suivants: brevets US 3 760 292,

3 868 589, 3 884 549 et 3 970 959, ainsi qu'aux articles te-

chniques précités de Wang et Suematsu.

La figure 1 montre une vue de dessus d'un laser à réflecteurs de Bragg de type réparti, 10 Le laser 10 est un

laser à double hétérostructure, monomode, à configuration géo-

métrique en ruban Ce laser comprend trois régions distinctes constituées par des milieux différents, à savoir des régions

de milieux passifs de guidage d'ondes, 11 et 13, et une ré-

gion de milieu amplificateur actif, 12 Un contact métallique 14 procure un moyen de connexion d'une source de potentiel électrique, pour pomper une zone en ruban de la région active 12 au-dessus d'un niveau de seuil La région de Milieu passif de guidage d'ondes 11 consiste en un guide d'ondes optique diélectrique monomode et bidimensionnel, ayant une couche de coeur 22, une couche de gaine supérieure'21 et une couche de gaine inférieure 23 (figure 2) La région de milieu passif de

guidage d'ondes 13 consiste également en un guide d'ondes op-

tique diélectrique monomode et bidimensionnel, ayant une cou-

che de coeur 24, une couche de gaine supérieure 21 et une

couche de gaine inférieure 25 (figure 2).

Au moins dans la zone en ruban située sous le con-

tact 14, la région active 12 comprend des couches alternées de matière semiconductrice III-V, pour former une jonction pn à double hétérostructure Les guides d'ondes diélectriques et la jonction pn à double hétérostructure sont respectivement formés par dépôt et par croissance sur une couche de substrat semiconducteur (figure 2, couche 19) On utilise un couplage

par aboutement, avec adaptation des profils de mode,pour re-

lier optiquement la région active 12 aux deux régions passives 11 et 13 A chaque frontière région active-région passive, on améliore le couplage de l'énergie optique en interposant une mince couche de matière de revêtement antiréfléchissant (non représentée) entre les surfaces aboutées des régions active

et passive.

Des réflecteurs de Bragg, représentés à titre d'exem-

ple sur la figure 1, sont disposés dans une couche de coeur ( 21 ou 24) ou à proximité de celle-ci, dans chaque région de

guide d'ondes passive ( 11 et 13), dans une direction pratique-

ment transversale par rapport à la direction de propagation de l'énergie optique dans les deux régions de guide d'ondes

passives Chaque réflecteur de Bragg comprend une surface on-

dulée qui constitue un mécanisme de réaction à l'intérieur de la région de guide d'ondes particulière Les ondulations qui

forment ensemble la surface ondulée font apparaître des per-

turbations pratiquement constantes dans le temps et périodi-

ques dans l'espace, dans les caractéristiques de transmission du milieu passif respectif Chaque ondulation a des dimensions comme l'amplitude et l'écartement entre centres (A 9, figure 2) pour des ondulations adjacentes, qui sont suffisantes pour produire une réaction d'énergie optique capable d'entretenir une oscillation à la longueur d'onde désirée; l, avec: il A O A= 2 2 neff

tandis que % est la longueur d'onde d'espace libre de la lu-

mière et neff est l'indice de réfraction effectif dans la ré-

gion de guide d'ondes passive 11 ou 13, déterminé par la cons-

tante de propagation du guide d'ondes, normalisée par la cons-

tante de propagation en espace libre L Ia condition décrite ci-

dessus produit un phénomène connu sous le nom de rétrodiffu-

sion de Bragg Voir les documents de Wang précités, ainsi que l'article de W Ng et col, intitulé "Holographic Interference

Lithography for Integrated Opties", IEBE Trans Electron Devi-

ces, Vol ED-25, pages 1193-1200 ( 1978) et l'article de L. Johnson et col, intitulé "Generation of Periodic Surface Corrugations", Appl Opt, Vol 17, pages 1165-1181 ( 1978), pour avoir des renseignements sur les dimensions et la forme

(sinusoïdale, en dents de scie, triangulaire ou rectangulai-

re) des ondulations Les ondulations qui forment les réflec-

teurs de Bragg peuvent s'étendre sur toute la longueur de cha-

que guide d'ondes passif, comme il est représenté sur les fi-

gures, ou bien elles peuvent 4 tre situées aux extrémités des

guides d'ondes La disposition des réflecteurs de Bragg affec-

te la longueur pompée normalisée du laser, qui est le rapport de la longueur pompée à la longueur totale Bien que certaines dispositions de réflecteurs diminuent le gain résultant du

laser au-dessous d'un certain maximum, ces dispositions procu-

rent effectivement un plus haut degré de stabilité de fréquen-

ce en fonction de la densité de courant d'injection La lon-

gueur et le pouvoir de réflexion de chaque réflecteur de Bragg,

déterminés par le nombre et l'amplitude des ondulations indivi-

duelles, fieènt la réflectance du mécanisme de réaction.

Les guides d'ondes actif et passif représentés sur _j

la figure 1 se présentent sous la forme d'un seul ruban lon-

gitudinal Les couches de coeur 22 et 24 des guides d'ondes, telles qu'on les voit sur la figure 1, sont colinéaires par rapport aux axes centraux respectifs de la propagation de l'énergie optique dans ces guides On expliquera ci-après de

façon plus détaillée, en relation avec la figure 2, les carac-

téristiques de la structure de laser décrite ci-dessus.

la figure 2 est une coupe du laser à réflecteurs de Bragg de type réparti, 10, intégré de façon monolithique, qui est représenté sur la figure 1 Comme décrit ci-dessus, le laser 10 comprend trois régions intéressantes distinctes, c'est-à-dire les régions passives 11 et 13 et la région active

12 Chaque région passive comprend un guide d'ondes diélectri-

que multicouche sur lequel est disposé un réflecteur de Bragg.

Ia région active 12 comprend une jonction pn à hétérostructure

semiconductrice, capable de générer des photoémissions stimu-

lées lorsqu'elle est pompée électriquement au-dessus d'un ni-

veau de seuil par une source de potentiel branché entre des

contacts métalliques 14 et 15.

L'hétérostructure semiconductrice III-V qui se trou-

ve dans la région active 12 comprend un contact métallique en ruban 14, une couche de gaine supérieure 16, une couche de coeur active 17, une couche de gaine inférieure 18, une couche de substrat de guide d'ondes 19, une couche de substrat 20 et un contact métallique 15 le contact 14 définit une zone en ruban pompée à l'intérieur de la région active 12 Les couches

19 et 20 s'étendent au-delà des limites longitudinales, c'est-

à-dire des surfaces 26 et 27, de la région active 12 Par con-

séquent, la matière semiconductrice qui se trouve dans les régions 11 à 13 constitue au point de vue géométrique ce qu'on appelle une mésa Les guides d'ondes diélectriques situés dans les régions 11 et 13 sont aboutés aux surfaces 26 et 27 de la mésa ainsi qu'à la surface 28 de la couche de substrat de

guide d'ondes 19.

Dans les régions passives 11 et 13, le guide d'ondes optique diélectrique est une structure multicouche comprenant un composé diélectrique du silicium Chaque guide d'ondes est

intégré de façon monolithique avec le bloc de l'hétérostructu-

re semiconductrice Des réflecteurs de Bragg, représentés sous

la forme d'ondulations constantes dans le temps et périodiques.

dans l'espace le long de surfaces ondulées 29 et 30, sont dis-

posés sur chaque couche de coeur de guide d'ondes ou à proxi-

mité de celles-ci Bien que chaque réflecteur de Bragg soit représenté situé directement sur une surface supérieure ( 29, ) de la couche de coeur de guide d'ondes correspondante ( 22, 24), on peut construire d'autres modes de réalisation du laser ou 10 ' dans lesquels les réflecteurs de Bragg sont situés au-dessus de la couche de gaine supérieure ou au-dessous de la couche de gaine inférieure du guide d'ondes En outre, bien que les réflecteurs de Bragg qui sont représentés s'étendent

sur toute la longueur de chaque région passive, on peut cons-

truire d'autres modes de réalisation du laser 10 ou 10 ' dans lesquels chaque réflecteur de Bragg s'étend sur une partie de

la longueur totale à l'extrémité d'une région passive.

Dans la région passive 11 ( 13), le guide d'ondes op-

tique diélectrique comprend une couche de gaine supérieure de guide d'ondes 21 ( 21), des couches de coeur de guide d'ondes 22 ( 24), une surface ondulée 29 ( 30) formant un réflecteur de Bragg, et une couche de gaine inférieure de guide d'ondes 23

( 25) Lorsqu'on observe la structure dans une direction trans-

versale par rapport à la direction de propagation de l'énergie optique dans le guide d'ondes, la couche de coeur de guide d'ondes 22 est définie par une forme en T ou en T renversé,

qu'on appelle guide d'ondes à nervure et qui est décrite ci-

dessous de façon plus détaillée La couche de coeur de guide d'ondes 22 peut également avoir une forme de parallélépipède rectangle qui s'analyse comme un cas spécial ou limite d'un guide d'ondes à nervure Dans un cas comme dans l'autre, il est important que le guide d'ondes permette la propagation

d'un seul mode tout en assurant un confinement latéral bidi-

mensionnel En outre, les guides d'ondes sont couplés par

aboutement et avec adaptation des profils de mode à la struc-

ture semiconductrice qui se trouve dans la région active 12.

la couche de gaine supérieure de guide d'ondes, 21,

et les couches de gaine inférieures 23 et 25 sont en un com-

posé diélectrique du silicium, tel que de l'oxyde de silicium,

Si OX (xi" 2) qui est amorphe et ressemble à du dioxyde de si-

licium Les couches de coeur de guide d'ondes 22 et 24 sont soit en une matière polymère telle que du polyimide, soit en

un composé diélectrique du silicium tel que le nitrure de si-

licium, Si 3 N 4.

Pour un dispositif à hétérostructure semiconductri-

ce III-V tel que le laser à réflecteurs de Bragg de type ré-

parti, 10, on accomplit habituellement la croissance épitaxia-

le du dispositif sur un substrat ( 100) dans un système

In Ga As P/In P ou dans un système Al Ga As/Ga As Cette configura-

tion de substrat assure de pouvoir disposer de l'axe t 01 T > en tant que direction désirée pour la propagation de l'énergie optique. Chaque laser ( 10 et 10 ') représenté sur les figures est formé par croissance par épitaxie en phase liquide sur un substrat ( 100), dest-à-dire la couche de substrat 20, dans l'ordre suivant: couche de substrat de guide d'ondes de type n, 19, couche de gaine inférieure de type n, 18, couche active non dopée ou de type n, 17, et couche de gaine supérieure de type p, 16 On peut inverser le type de conductivité de chaque couche de façon que chaque couche p devienne une couche N et que chaque couche N devienne une couche p En outre, on peut incorporer une couche de recouvrement facultative au-dessus de la couche de gaine 16, dans un autre mode de réalisation du bloc de l'hétérostructure Le mode de réalisation représenté sur la figure 2 est obtenu en supprimant la croissance d'une

couche de recouvrement dans la fabrication du bloc d'hétéro-

structure semiconductrice.

Les matières semiconductrices pour l'hétérostructure

sont choisies dans le groupe des composés III-V Dans le sys-

tème In Ga As P/In P, on utilise un composé III-V binaire, In P, pour les couches de gaine 16 et 18 et pour le substrat 20 On utilise un composé III-V quaternaire In 1 Y Gay Asx P x pour la couche active 17 et la couche de substrat de guide d'ondes 19, et on choisit les rapports de composition x et y de l'alliage pour produire une longueur d'onde particulière () pour la lumière de sortie laser, ou une bande d'énergie interdite et

une constante de réseau particulières pourl'hétérostructure.

On trouvera une description de techniques pour choisir x et

y dans l'article de R Moon et col, "Bandgap and Iattice Constant of Ga Inâs P as a Function of Alloy Composition", J.

Electron, Materials, Vol 3, page 635 ( 1974) Dans la descrip-

tion qui suit, on sélectionne à titre d'exemple des rapports

de composition x = 0,52 et y = 0,22 pour produire une lon-

gueur d'onde de 1,3 Mm ( 0,95 e V) Il est important de noter que l'invention est également applicable lorsqu'on change ces rapports pour produire des longueurs d'onde dans la plage de

0,95 pm à 1,7 pm Pour des rapports de concentration produi-

sant des longueurs d'onde de lumière de sortie du laser supé-

rieures à 1,5 pm, il est nécessaire de faire crottre une cou-

che quaternaire anti-refusion entre les couches 16 et 17 pen-

dant la croissance épitaxiale en phase liquide de l'hétéros-

tructure Ia présence d'une telle couche anti-refusion ne né-

cessite qu'une légère modification de la préparation de sur-

face décrite ci-dessous, en ce qui concerne les temps d'expo-

sition à l'attaque, pour obtenir des résultats acceptables.

Pour un laser à hétérostructure tel que celui repré-

senté sur la figure 2, dans le système In Gats P/In P, les cou-

ches de gaine 16 et 18 ont approximativement 1,5-3 Mm d'épais-

seur, la couche active 17 et la couche de substrat de guide d'ondes 19 ont approximativement 100-300 nm d'épaisseur, et

le substrat 20 a approximativement 75-100 x d'épaisseur Na-

turellement, pour la simplicité et la clarté de l'explication,

les épaisseurs de couches de la figure 2 ne sont pas nécessai-

rement dessinées à l'échelle.

Dans le système Al Ga As/Ga As, on utilise un composé

III-V binaire, Gais, pour le substrat 20 On utilise un compo-

sé III-V ternaire, Al Ga As, pour les couches 16 à 19 Les cou-

ches de gaine 16 et 18 utilisent respectivement Alr Gal r Az S et Alu Ga u As; la couche active 17 utilise Als Ga_ 1 s As; et la couche de substrat de guide d'ondes 19 utilise A Gal w Aso Du

fait que la couche de gaine 18 consiste en une matière de com-

position différente de celle de la couche de substrat 20, on peut supprimer la couche 19 dans la croissance cristalline On choisit les rapports de composition d'alliage r, s, u et w pour produire une longueur d'onde particulière pour la lumière de sortie du laser, ou une bande d'énergie interdite et une

constante de réseau particulières pour le bloc de semicorduc-

teur à hétérostructure En général, on choisit les rapports de composition S et W inférieurs aux rapports r et u et, dans un but de symétrie, r et u sont égaux Des techniques pour choisir les rapports de composition des diverses couches de Al Ga As sont indiquées dans l'ouvrage de H Kressel et col,

intitulé "Semiconductor Lasers and Heterojunction LE Ds", pa-

ges 357-363 (Academic Press: New York 1977).

Les épaisseurs de couches pour une hétérostructure Al Ga As/Ga As représentée sur la figure 2 sont pratiquement identiques à celles décrites ci-dessus en relation avec le système In Ga As P/In P, à l'exception du fait que la couche de

substrat facultative 19 est dans la plage de 0,2 à 1,8 pm.

Une mésa à hétérostructure est formée dans la ré-

gion 12 par des techniques de masquage photolithographique et

d'attaque chimique par voie humide Des agents d'attaque pré-

férentiels et à sélectivité de matière sont bien adaptés dans ce but On pourra voir à ce titre l'article de K Furuya et col, intitulé "Crystallographic Facets Chemically Etched in In Ga As P/In P for Integrated Optics", Elect Lett, vol 17, pages 582-583 ( 1981) et le document de L A Ooldren et col, intitulé "Etched Mirrors, Grooves and Surfaces for Ga In As P/

In P Integrated Optical Devices Using Stop -Etch Crystal Pla-

nes", Proc of Topical Meeting on Integrated and Guided Wave

Optics, Paper WB 1 ( 1982) Les agents d'attaque et les techni-

ques décrits dans les documents précités sont utiles pour met-

tre à nu des facettes lisses, de qualité miroir, dans des plans cristallographiques Pour une direction de propagation

de l'énergie optique selon l'axe 01 T 1 >, deux surfaces pré-

férées pour des facettes de miroir sont la surface 26 corres-

pondant par exemple au plan (OT 1), et la surface 27 correspon-

dant par exemple au plan ( 01 T).

En plus de la mise à nu des facettes de miroir de la mésa à hétérostructure, il est important de mettre à nu une surface pratiquement plane destinée à faire fonction de couche de substrat pour le guide d'ondes diélectrique Ce plan est représenté sur la figure 2 par la surface 28 de la couche 19.

Indépendamment du système d'hétérostructure semicon-

ductrice qui est employé, les dimensions de la surface 28 en ce qui concerne l'uniformité et la planéité sont importantes pour la fabrication ultérieure du guide d'ondes optique dié- lectrique sur cette surface Comme il apparaîtra ci-dessous, les dimensions d'uniformité et de planéité de la surface 28

affectent les dimensions d'uniformité et de planéité des pa-

rois du guide d'ondes optique diélectrique Un guide d'ondes

ayant des parois rugueuses peut produire des pertes par diffu-

sion excessives On considère généralement que l'uniformité

des parois de guide d'ondes doit 4 tre assurée avec une tolé-

rance égale à une fraction de la longueur d'onde optique dé-

sirésur une dimension d'environ cinq longueurs d'onde Voir l'article de D Marcuse paru dans le Bell System Technical Journal, Vol 48, page 3187 et suivantes ( 1969), ainsi que l'article de J E Goell et col intitulé "Ion Bombardment Fabrication of Optical Waveguides Using Electron Resist Masks", Appl Phys Lett, Vol 21, pages 72-73 ( 1972) Du fait que la forme des parois du guide d'ondes est directement déterminée par la forme de la surface 28, il est nécessaire

de respecter la tolérance fixée pour l'uniformité de la sur-

face 28 et de la couche de substrat de guide d'ondes 19 pen-

dant la croissance épitaxiale du cristal à hétérostructure

semiconductrice.

Une fois que les surfaces 26, 27 et 28 ont été suf-

fisamment mises à nu en utilisant les techniques décrites ci-

dessus, on revêt au moins les surfaces 26 et 27 avec une pel-

licule mince d'une matière anti-réfléchissante, par une techni-

que de traitement par évaporation, pour éviter un fonctionne-

ment en mode Fabry-Pérot produit par des réflexions aux fron-

* tières, et pour assurer un degré de couplage approprié entre la région active 12 et les régions de guide d'ondes passives 11 et 13 Les revêtements anti-réfléchissants sous la forme de pellicules minces ont un indice de réfraction, nar, égal à la moyenne géométrique des indices de réfraction effectifs

des guides d'ondes actif et passif dans les régions respecti-

ves 12 (active) et 11 et 13 On a ainsi: nar (n An P) ( 1) en désigant par n A l'indice de réfraction effectif du guide

d'ondes dans la région active 12 et par n I, l'indice de réfrac-

tion effectif du guide d'ondes dans la région passive 11 ou la région passive 13 Chaque indice de réfraction effectif est donné par la constante de propagation du guide d'ondes réel,

normalisée par la constante de propagation de l'espace libre.

L'épaisseur de la couche de revêtement anti-réfléchissant, a.r, est donnée par l'expression: 1 ar = AC ( 2) dans laquelle % O est la longueur d'onde optique dans l'espace libre Des oxydes métalliques tels que Ta 205 et Ti O 5 sont des matières qui conviennent pour l'évaporation sur les surfaces 26 et 27 dans un système In Ga As P/In P pour former une couche

de revêtement anti-réfléchissant.

Les régions passives 1 l et 13 comprennent des guides d'ondes optiques diélectriques monomodes bidimensionnels couplés à la région active 12, avec des joints aboutés, avec adaptation des profils de mode Chaque guide d'ondes comprend

une couche de coeur allongée, remplissant une fonction de gui-

dage, en matière diélectrique, pratiquement entourée par un milieu ayant un indice de réfraction inférieur à celui de la couche de coeur Comme c'est le cas dans les structures de

guide d'ondes à nervure, il n'est pas nécessaire que les cou-

ches de coeur de guide d'ondes, 22 et 24, soient complètement entourées par de la matière diélectrique pour créer un milieu à indice de réfraction plus faible autour de chaque coeur, et donc un confinement bidimensionnel Il suffit en effet que

seul l'indice de réfraction effectif autour de la zone en ru-

ban dans chaque couche de coeur soit inférieur à l'indice de réfraction effectif de la zone en ruban de la couche de coeur correspondante Parconséquent, une structure de guide d'ondes à nervure est suffisante pour assurer un confinement optique monomode bidimensionnel Les propriétés des guides d'ondes à nervure sont expliquées par F K Reinhart et col, dans un article intitulé "Transmission Properties of Rib Waveguides Formed by Anodization of Epitaxial Ga As on Alx Ga X As Iayers",

Appl Phys Lett Vol 24, pages 270-272 ( 1974).

Ia fabrication d'un guide d'ondes diélectrique sur une couche à hétérostructure semiconductrice III-V a été dé- crite dans un article de K Furuya et col, intitulé "A Novel Deposit/Spin Waveguide Interconnection (DSWI)-Technique of Semiconductor Integrated Optics", Proc of Topical Mtg of

Integrated and Guided-Wave Optics, PDP-8 ( 1982).

La formation d'une guide d'ondes optique diélectri-

que sur la surface 28 de la couche de substrat de guide d'on-

des 19 commence par un dép 8 t directionnel dans des conditions

définies d'une matière diélectrique telle que l'oxyde de si-

licium(Si Ox, x 2), pour former les couches de gaine infé-

rieures de guide d'ondes, 23 et 25, seulement sur la surface 28 la matière diélectrique choisie pour former les couches de gaine inférieures de guide d'ondes, 23 et 25, présente un indice de réfraction inférieur à celui des couches de coeur

de guide d'ondes, 22 et 24 Le dépôt de la matière diélectri-

que doit être effectué dans des conditions très bien définies pour éviter que la matière diélectrique de la couche de gaine inférieure de guide d'ondes adhère aux surfaces 26 ou 27, et en particulier aux surfaces 26 ou 27 qui se trouvent au-dessus

d'une frontière entre les couches semiconductrices 17 et 18.

Deux techniques à basse température ont été dévelop-

pées pour le dépôt directionnel dans des conditions définies

de Si Ox sur la couche 19 Une technique fait intervenir l'éva-

poration thermique d'une source de monoxyde de silicium, Si O,

dans une atmosphère d'oxygène Une autre technique fait inter-

venir une évaporation par faisceau d'électrons d'une source

de dioxyde de silicium, Si 02, dans le vide.

Dans la technique d'évaporation thermique, on place le bloc de semiconducteur dans une atmosphère d'oxygène ( 02)

d'environ 2,0 x 10-2 Pa On applique un courant de façon com-

mandée à un filament de tantale pour évaporer la source de Si O C'est ce courant qui commande la vitesse d'évaporation de la source de Si O, ainsi que la vitesse de dépôt du Si O sur la surface 28 de la couche 19 Comme indiqué ci-dessus, sur la surface 28 de la couche 19 Commre indiqué cidessus, -s.

le dépôt de Si Ox est directionnel, dans la mesure o les par-

ticules de Si O et Si O 2 sont dans un environnement prati Luement exempt de collisions et n'adhèrent que sur un plan ( 100), c'est-à-dire la surface 28 et d'autres surfaces qui lui sont parallèles Un exemple de vitesse de dépôt qui donne un dépôt directionnel bien défini pour les couches de gaine inférieures de guide d'ondes 23 et 25 est d'environ 0,5 nm par seconde, ou

0,03 pm/mn On peut faire varier l'atmosphère de 2 pour chan-

ger la proportion entre Si O et Si O 2 dans les couches 23 et 25.

Naturellement, de telles variations de l'atmosphère O 2 affec-

tent l'indice de réfraction des couches 23 et 25 dans la mesu-

re o Si O a un indice de réfraction de 1,90 et Si O 2 a un indi-

ce de réfraction de 1,46 Pour l'exemple d'atmosphère de 2 donné ci-dessus, les caractéristiques stoechiométriques des couches 23 et 25 correspondent à Si Ox (xw 2), c'est-à-dire une composition hétérogène de Si O et Si O 2 qui ressemble à Si 02,

avec un indice de réfraction de 1,50.

Comme indiqué ci-dessus, la seconde technique de dépdt fait intervenir l'évaporation par faisceau d'électrons

d'une source de Si O 2, dans le vide Un exemple de vide utili-

sable pour cette technique est d'environ 1,3 x 10-4 Pa Dans cette technique, on place le bloc de semiconducteur dans une chambre dans laquelle on a fait le vide, et dans laquelle se trouve un creuset contenant la source de Si O 2 On focalise sur la source un faisceau d'électrons de puissance suffisante,

pour provoquer l'évaporation de Si O 2 On contrôle soigneuse-

ment la puissance du faisceau pour commander la vitesse de dé-

p 8 t, tandis qu'on commande la pression du vide pour produire

un flux directionnel de Si O 2 dirigé uniquement vers les sur-

faces à nu qui sont parallèles à la surface 28 (plan ( 100)).

Pendant tout ce traitement de dépôt, le bloc de semiconducteur est à la température ambiante La liaison qui se produit à la

frontière entre les couches 19 et 23 ou 25 est donc une liai-

son chimique incomplète.

Les couches de gaine inférieures de guide d'ondes

23 et 25 sont adjacentes à la couche 18 du bloc à hétérostruc-

ture semiconductrice, mais ne viennent pas complètement en contact avec les surfaces respectives 26 et 27 de la couche 18 Les surfaces supérieures des couches 23 et 25 présentent

essentiellement les mêmes dimensions d'uniformité et de pla-

néité que la surface 28 du substrat de guide d'ondes, à l'ex-

ception d'une région étroite près des surfaces 26 et 27, dans laquelle les couches 23 et 25 sont biseautées Cette région étroite de biseau ne s'étend pas sur plus de 0,3 pim à partir

des surfaces 26 ou 27.

Les couches 23 et 25 font fonction de couches de

gaine inférieures pour le guide d'ondes optique diélectrique.

En général, chacune des couches 23 et 25 a approximativement la même épaisseur que la couche 18 Pour éviter des perte par rayonnement, par couplage évanescent à travers le guide d'ondes, vers la couche 19, il est souhaitable que les couches 23 et 25 aient une épaisseur approximative d'au moins 1 pm ou,

de préférence, 2,0 pm L'épaisseur des couches 23 et 25 déter-

mine également la position d'une couche de coeur passive de guide d'ondes, qui sera formée ultérieurement, par rapport à la couche de coeur active 17 Chacune des couches 23 et 25 doit 6 tre suffisamment épaisse pour maximiser le coefficient de transmission à partir de la couche de coeur semiconductrice 17 vers chacune des couches de coeur de guide d'ondes optique diélectrique passives qui sont aboutées (couches 22 et 24), c'està-dire l'adaptation de profils de mode entre la couche

17 et les guides d'ondes diélectriques L'adaptation de pro-

fils de mode est décrite ci-après de façon plus détaillée* Les couches de coeur de guide d'ondes 22 et 24 sont formées sur la surface à nu des couches respectives 23 et 25 et sur les surfaces respectives 26 et 27 Chacune des couches 22 et 24 consiste en une matière diélectrique ayant un indice de réfraction supérieur aux indices de réfraction des couches 23 et 25 Les couches de guide d'ondes 22 et 24 font fonction de couches de coeur pour le guide d'ondes passif De ce fait, il est souhaitable que la matière diélectrique choisie pour

les couches 22 et 24 soit optiquement transparente à la lon-

gueur d'onde ou aux longueurs d'onde de la lumière qu'on dé-

sire faire propager dans ces couches.

Dans un exemple de réalisation de l'invention, on utilise une matière de revêtement organique de type polyimide telle que le rev 6 tement de polyimide PYRALIN (marque de E I.

Du Pont de Nemours and Company), PI 2555, pour former les cou-

ches de coeur de guide d'ondes diélectrique 22 et 24 Voir

également les brevets US 3 179 614 et 3 179 634 Le rev 4 te-

ment de polyimide PYRALIN a un indice de réfraction d'environ 1,7 et il est transparent pour les longueurs d'ondes optiques

dans la plage de 0,85 à 1,8 pm, après 100 % d'imidisation.

On forme les couches de coeur de guide d'ondes dié-

lectriques 22 et 24 en accomplissant les opérations suivantes avec le revêtement de polyimide PYRALIN On traite la mésa semiconductrice et la couche de guide d'ondes diélectrique avec une matière destinée à favoriser l'adhérence des couches 22 et 24 sur les surfaces 26 et 27 et sur les surfaces à nu

des couches 23 et 25 Un exemple d'agent favorisant l'adhéren-

ce est vendu sous le nom de produit VM-651 par la firme E I.

Du Pont de Nemours and Company On applique ensuite la pelli-

cule de revêtement de polyimide sur le bloc semiconducteur et

diélectrique On procède à l'extraction des bulles d'air pré-

sentes dans la pellicule de revêtement de polyimide en plaçant ensuite le bloc comprenant la mésa semiconductrice et le guide

d'ondes diélectrique dans une chambre à vide pendant une cour-

te durée A ce point, la pellicule de revêtement de polyimide formant les couches 22 et 24 est en contact complet avec, au moins, les surfaces 26 et 27 et les couches 23 et 25 On place ensuite la structure intégrée de façon monolithique sur une

table tournante ou un appareil de centrifugation à la tempéra-

ture ambiante, sur lequel elle est maintenue en place par le vide et est mise en rotation à une vitesse dans la plage de

3000 à 7000 t/mn pendant environ 2 minutes La vitesse de ro-

tation et la viscosité de la pellicule de revêtement de polyi-

mide déterminent l'épaisseur des couches 22 et 24 dans la di-

rection < 100 > Un exemple de plage d'épaisseur pour la pellicule de revêtement de polyimide constituant la couche 22

ou 24 s'étend environ de 0,3 à 1,2 pi.

Une fois que les couches 22 et 24 ont été formées

sur les couches respectives 23 et 25, par revêtement par cen-

trifugation, et avant le durcissement complet, la pellicule

de revêtement de polyimide est partiellement durcie par étuva-

ge de la pellicule, pour effectuer une imidisation inférieure

à 100 %, par exemple à 13000 pendant environ 5 mn Le polyimi-

de partiellement durci est soluble dans certaines solutions

et se pr 4 te donc à des opérations de mise en forme ou de dé-

finition de motif par des techniques photolithographiques. La définition d'un motif dans les couches de coeur 22 et 24 partiellement durcies est effectuée en utilisant une

matière de réserve photographique classique, comme celle por-

tant la référence AZ 1350 J, pour produire une forme appropriée, telle qu'un ruban longitudinal, et une largeur transversale (direction 401 >) appropriée pour la couche de coeur des

guides d'ondes diélectriques On développe la matière de ré-

serve photographique Ensuite, après définition d'un motif et avant durcissement, on enlève complètement ou partiellement des parties sélectionnées des couches 22 et 24 par attaque

avec le développateur AZ 303 ou un plasma d'oxygène, pour for-

mer par exemple la structure de guide d'ondes à nervure dé-

crite ci-dessus.

Les ondulations périodiques qui forment les réflec-

teurs de Bragg peuvent être formées par attaque ou gravure sur les couches de coeur de guide d'ondes 22 et 24 avant le

durcissement complet de ces couches Des techniques de fabri-

cation holographiques ou par interférences ont étd décrites dans les articles précités de Ng et col et Johnson et col*, ainsi que dans le brevet US 3 689 264 et dans un article de K Pennington et col, intitulé "Holographic Techniques for

Fabrication of Optical Waveguide Networks", IBM Tech Disclo-

sure Bull, Vol 14, N O 5, pages 1493 1494 ( 1971) En utili-

sant ces techniques, il est possible de régler la période et

la position des réflecteurs de Bragg.

On durcit ensuite complètement les parties restantes

non attaquées des couches 22 et 24 Le durcissement de la pel-

licule de revêtement de polyimide centrifugée est effectuée

par étuvage de la structure intégrée de façon monolithique pen-

dant une durée suffisante et à une température suffisante pour

permettre une imidisation à 100 % A titre d'exemple, on a réa-

lisé le durcissement par étuvage à 20000 pendant environ 2 heures. La couche de gaine 21 est une troisième couche de matière diélectrique qui est appliquée dans chaque région de

guide d'ondes passive sur les couches de coeur 22 et 24 L'in-

dice de réfraction de la couche 21 est inférieur aux indices de réfraction des couches 22 et 24, pour assurer un confine- ment optique approprié de chaque couche de coeur En outre,

la couche de gaine 21 passive les parties du laser à réflec-

teurs de Bragg de type réparti, 10, avec lesquelles elle vient

en contact Le d 6 pôt ou le revêtement par centrifugation cons-

tituent d'autres techniques utilisables pour fabriquer la cou-

che 21 Dans un exemple tiré de la pratique, on utilise l'éva-

poration thermique de monoxyde de silicium, Si O, dans une at-

mosphère d'oxygène, pour déposer une couche de Si Ox (x 4/2), en

tant que couche de gaine 21 sur les couches de coeur 22 et 24.

la technique d'évaporation thermique est décrite ci-dessus en

relation avec la fabrication des couches de gaine 23 et 25.

Il convient de noter que pour un guide d'ondes polyi-

mide/oxyde de silicium, comme décrit ci-dessus, l'indice de

réfraction effectif du guide d'ondes passif N est dans la pla-

ge de 1,6 à 1,7, selon les épaisseurs des couches.

la figure 3 montre un laser à réflecteurs de Bragg de type réparti, 10 ', comportant des guides d'ondes optiques diélectriques non colinéaires dans des régions passives 11 ' et 13 ', couplés par aboutement à la région active 12 ' à travers

des fenttres de Brewster la couche de substrat de guide d'on-

des 19 ' supporte la mésa à hétérostructure sous le contact

métallique en ruban 14 ', ainsi que le guide d'ondes diélectri-

que dont les couches de coeur 22 ' et 24 ' et la couche de gaine 21 ' sont représentées L'angle de Brewster 8 B est défini par la relation: * = tg 1 n n A

dans laquelle N 4 et n sont les indices de réfraction effec-

tifs des régions passive et active respectives.

la figure 4 montre un autre mode de réalisation du

laser à réflecteurs de Bragg de type réparti qui est représen-

té sur la figure 2 La structure de laser de la figure 4 fonc-

tionne en source optique Cette structure est identique à cel-

le de la figure 2 en ce qui concerne la région passive 11 et la région active 12, à l'exception du fait que la surface 27 de la région active 12 n'est pas recouverte par un revêtement anti-réfléchissant De ce fait, la surface 27 fonctionne en réflecteur du type miroir ou en mécanisme de réaction, pour

produire une réaction d'énergie optique suffisante pour entre-

tenir des oscillations à fréquence optique Ici encore, il est important de noter que les surfaces 26 et 27 sont des surfaces pratiquement planes, parallèles entre elles, qui se trouvent

sur des c 6 tés opposés de la région active 12.

la fabrication du laser représenté sur la figure 4 peut être accomplie d'une manière similaire à celle du laser En outre, le laser 10 représenté sur la figure 2 peut ttre construit avec la région active 12 s'étendant sur une longueur égale au double de la longueur nécessaire, le long d'un axe longitudinal Le clivage' du laser au point milieu de la région active 12, sur un plan parallèle à la surface 26 (figure 2)

produit alors deux lasers du type représenté sur la figure 4.

On a estimé que pour un laser à réflecteurs de Bragg

de type réparti qui a été décrit, la perte par unité de lon-

gueur du guide d'ondes passif est de l'ordre de 0,5 d B/mn, tan-

dis que les lasers à réflecteurs de Bragg de type réparti à guide d'ondes semiconducteur présentent une perte par unité de

longueur qui est, au mieux, de 5,0 d B/mn.

Enfin, un avantage apparent de la technique de fabri-

cation utilisée ici consiste en ce que les lasers sont fabri-

qués à la température ambiante ou au voisinage de celle-ci.

Par conséquent, l'intégration monolithique ne perturbe pas

l'intégrité cristalline de la matière semiconductrice Les dis-

positifs à laser construits conformément à la technique décrite ici présentent donc une meilleure fiabilité et une plus longue durée de vie que d'autres lasers fabriqués à des-températures plus élevées De plus, l'absence d'opérations supplémentaires de croissance de cristal dans la formation des guides d'ondes diélectriques passifs, dans le cadre de l'invention, augmente les niveaux de rendement de fabrication qu'on peut obtenir, par rapport à des processus qui nécessitent une croissance de

cristal supplémentaire.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir

du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1 laser à semiconducteur comprenant une structure semiconductrice active ( 12) et des moyens de réaction optique

( 11, 13) comprenant au moins un milieu de guidage d'ondes pas-

sif ( 21, 22, 23) ayant une configuration telle qu'il fonction- ne en réflecteur de Bragg, caractérisé en ce que le milieu passif est en matière diélectrique et est intégré de façon

monolithique à la structure semiconductrice.

2 Laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu passif comprend une couche de coeur ( 22) en matière diélectrique qui est intercalée entre des couches de

gaine ( 21, 23) en matière diélectrique.

3 laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que les couches de gaine ( 21, 23) sont en oxyde de silicium,

Si OX, avec x approximativement égal à 2.

4 laser selon l'une quelconque des revendications

2 ou 3, caractérisé en ce que la couche de coeur ( 22) est en

un polyimide.

Laser selon l'une quelconque des revendications

2 ou 3, caractérisé en ce que la couche de coeur ( 22) est en

nitrure de silicium.