CA2084355A1

CA2084355A1 - Composant optique semi-conducteur a mode de sortie elargi et son procede de fabrication

Info

Publication number: CA2084355A1
Application number: CA002084355A
Authority: CA
Inventors: Pierre Doussiere
Original assignee: Pierre Doussiere; Alcatel Alsthom Compagnie Generale D'electricite; Alcatel
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1991-12-04
Filing date: 1992-12-02
Publication date: 1993-06-05
Also published as: FR2684823B1; FR2684823A1; JP3202082B2; DE69204432T2; EP0545820B1; DE69204432D1; JPH05243679A; NO308817B1; NO924648D0; EP0545820A1; NO924648L; ATE127288T1; ES2076018T3; US5278926A

Abstract

: Composant optique semi-conducteur à mode de sortie élargi et son procédé de fabrication Un composant tel qu'un laser comporte deux guides de lumière superposés, l'un actif (101), l'autre passif (102). La largeur du guide actif décroit dans une partie arrière (TB) d'une section de transition de mode (TB, TC) pour coupler un mode optique "étroit " ? (NA), qui est amplifié et guidé par le guide actif, à mode "large" (NC) qui est guidé par ce guide passif et qui présente une taille plus grande que ce mode étroit. La largeur du guide passif (102) décroît ensuite dans une partie avant (TC) de cette section pour couplet le mode large à un mode circularisé (NE) encore plus large. L'invention s'applique notamment à la réalisation de têtes optiques pour les réseaux de télécommunications à fibres optiques. FIGURE A PUBLIER :Fig.8

Description

2~3~
-- 1 .

C~ ant optique_semi-conduote~ ~ mode de sor~ie ~ yl procedé de fabr tion La présente invention concerne à la ~ois la réalisation d'un composant optique semi-conducteur et son couplage à un élément optique qui lui est extérieur. Elle tend plus précisément à résoudre un problème connu qui e~t d'obtenir simultanément deux résultats. Un premier résultat à obtenir est de "traiter" une lumière avec efficacité dans le composant optique considéré, le mot "traiter"
désignant ici des actions telles que émettre, amplifier, détecter ou moduler cette lumi~re. On considèrera souvent ci-après, à titre d'exemple typique quoique non limitatif, et pour faciliter la comprehen~qion de la présente invent$on, que le composant optique dans lequel cette lumi3re est traitée est un laæer. La lumiare à traiter présente alors la forme d'une onde guidée danq ce laser selon un mode dit étroit dont la taille peut ~tre limitée par des considération~
liées à la recherche d'efficacité et au fonctionnement interne de ce laser. Le deuxième résultat à obtenir est que la lumière qui est ainsi traitée soit fournie audit élément optique extérieur ou puisse être efficacement reçue de cPt élément SOU8 la forme d'une onde guidée selon un mode élar$i présent~nt une taille plus grande que ce mode étroit. Dans un cas typique un tel mode ~largi présente l'avantage de permettre un couplage plus ~acile et plu3 ef~icace de cette onde avec une fibre optique qui reçoit ou fournit la lumiare traitée ou à
traiter.
Une première solution connue à ce probl~me est décrite dan~ un document Koch :
T.L. ~OCH, U. ~O~EN, G. EISENSTEIN, M.G. YOUNG, M. ORON, C~Ro GILES
and ~ ILLLR
"Tapered waveguide InGaAs~InGaAsp ~ultiple quantwm well lasers"
30 IEEL Photonics technology letters, Vol.2, n 2, February l990, pp. 88.
Ce document decrit un émetteur laser semi-conducteur fournissant une onde de sortie guidee selon un mode élargi. La réalisation de ce laser est complexe.
Une deuxi~me solution connue à ce problème est décrite dans un document SK~NI :

:

- 2 - 2 ~ 8L~ 3 ~ ~

Y. SHANI, C.H. ~ENRY, R.C. KISTIER, K.J. ORLOWSKY and D.A. ACKERMAN
"Efficient coupling of a semiconductor laser to an optical ~iber by means of a tapered waveguide on siliconl' Appl. Phys. lett, 55, December 1989, pp.2389.
Ce document décrit un dispositif de couplage qui reçoit une onde selon un mode étroit en sortie d'un émetteur laser se~i-conducteur et qui la traslsmet selon un mode élargi facilitant le couplage à une fibre optique.
L'insertion d'un tel dispositif complique la réalisation d'une tête optique qui doit coupler l'émetteur laser à la fibre optique dans un espace limité. De plus le positionnement du dispositif de couplage par rapport à 1'émetteur laser est délicat.
La présente invention a notamment pour but de proposer pour ce problè~me une solution qui soit simple à réaliser, qui ne néces~ite qu'un espace limité, et qui n'&ntraine que de faibles pertes de lumièrer Un composant auquel cette invention s'applique comporte deux guides de lumière l'un actif l'autre pasqi~ superpo~es sur au moins une partie de leurs longueurs, l'aire transversale du guide actif décroissant dans une section de transition de mode pour coupler un mode optiqu~ "étroit", qui est traité et ~uidé par le guide actif, à
un mode "large" qui est guidé par le guide passif et qui présente ~me taille plu grande que ce mode étroit. Selon cette invention la décroissance de cette aire résulte au moins partiellément du fait que la largeur du guide actif décro~t dans la s~ction de transition d~
2S mode.
A l'aide des figures schém~tiques ci-jointe~, on va décrire ci-après comment la présente invention peut etre mlse en oeuvre, étant entendu que les éléments et dispositions mentionnés et représentés ne le sont qu'à titre d'exemples non limitati~s. Lor ~u'un m~me elément est représenté sur plusieurs figures il y est designé par le m~me signe de référence.
La figure 1 représente une vue d'un premier la~er selon la pré~ente invention en coupe selon un plan transversal I I de la figure ~; 2.
La figure 2 représente une vue de ce premier laser en coupe .

-,.

-,' ~ ' -.

partielle selon un plan longitudinal II-II de la flgure lc La figure 3 représente une vue de ce premier laser en coupe partielle selon un plan horizontal III-III de la figure 1.
Les figures 4, 5 et 6 représentent des vues de ce premi~r laser en coupe selon le plan transversal I-I à des étapes successives de la fabrication de ce laser.
La ~igure 7 représente une vue d'un de~ me laser s&lon cette invention, en coupe selon un plan transversal VII-VII de la ~igure 8.
La figure 8 représente une vue de ce deuxième laser selon cette invention, en coupe partielle selon un plan longitudinal VIII- VIII de la ~igure 7.
La ~igure 9 représente une vue de ce deuxiame las~r en coupe partielle selon un plan horizontal IX - IX de la figure 7.
La figure lO représente une vue partielle en p0rspective de ce deuxième laser.
Pour décrire la mise en oeuvre d0 cette invention on va tout d'abord donner, dans le cas du premier laser selon cette invention et en référant aux figures 1 et 2, la dé~inition de termes qui seront employés par la suits et qui sont dé~inis par rapport ~ une plaquette semi-conductrice 4 supposee horizontale. Cette plaquette définit deux directions longitudlnale X et transversale Y. Des plans horizontaux s'étendent selon ce~ deux directions. De3 plans transversaux sont perpendiculaires à cette direction longitudinale. Cette plaquette definit au.ssi une direction verticale Z perpendiculaire ~ ces plan~
horizontaux. Des longueurs, des largeurs, des épsisseurs et des aires transYersales d'éléments internes à cette plaquette seront mesuré~s selon ce~ directions longitudinale, transversale et verticale et ~ns ces plans transYersaux~ respectivement.
Cette plaquette comporte trois sections successives SA, SB, SC
(figure 2) qui s'étendent et se succèdent longitudinalement et qui constituent au moins une section de traitement SA et une section de transition de mode SB~ Dans le ca6 d0crit où elle constitue un las0r, la section de traitement SA constitue plu~ particuli~rement une section d'amplification. Cette section debute en un point initial de

3~ transition PA au voisinage de la section d'ampli~ication et se termine en un point de mode large PB qui constitue en même temps, dans ce .

- ~ - 2~8~5~
premier laser, un point ~inal de transition à dlstance de cette ~ectlon. Une troisieme sectlon de ce premier laser constitue une section de couplag~ SC a partir de laquelle le laser peut être couplé
~ une fibre optique.
Selon des disposltions connues deux faces lon~ltudinalement extr8mes non representées de cette plaquette peuvent oonstituer des réflecteurs pour réaliser un ém0tteur laser. Elles pourralent aussi être traitées pour éviter la réflexion de 1Q lumi~re ~t constituer un ampllficateur laser qui serait couplé ~ deux fibrea opti4ues d'entrée et d0 sortie st qui comporterait pour cela deux sections de transition ds mode et deux sections de couplage de part et d'autre de la section d'ampli~ication.
On va maintenant décrire de manlèra g~nérale certalnes dispo~itions qui sont adoptées dans les lasers donnés en exemple et qul leur sont communes, quant aux ~onction~ indiqué~s, avec le laser du document Koch précédemment cité.
Conformém~nt a ces dispositions communes la plaquette 4 comporte une sucoe sion verticale de couches fonctionnelles horizontales qui constituent au moins les élément~ suivants :
- Une couche de confinsm~nt inf0rieur~ 6 d'un premier type de conductivité.
- Un guide passif 2 s'étendant longitudinalement et encadré
transversalement par un~ mati~re c~mplémentaire 32. Pour lui permettre de guider des ondes lumineu3e~, ce guide pré ente un indlce de ~ -réfraction qui 0st "accru" c 1e3t ~-dirc suparieur aux indlces de réfraction des matériaux environnants. Cet indice, une largeur normals et une épaisseur de ce guide sont choisis pQUr gulder cette lumi~re selon un mode unique qui constitue un mode "large" MC.
- Un guide actif 1 s'~tendan~ longitudinalement et enoadre ~0 transYersalement par une matière complémentaire 32. Ce gulda e~t constitué d'un mat~riau acti~ qui prssente un indice de r~fraction accru pour gulder lad~te lumi~re et qui est de plus apte a tralter ~ ~ cette lumière p~r interactlon avec des porteurs de oharg~ de types ; opposé3 et, plus partiouliarement, a ampllfier oette lumi~re par~ 35 combinai~on de tels porteurs. Ce guids actif est constitué d'une seule :
- . :
.
, : .

- 5 - 2 ~ 3 ~ 5 couch~ semi-conductrice mais pourra~t être constltu~ par une successlon vertloale de telles couches de compositions dl~férentes.
Les guides passif et actif sont mutuellement superposés. Leur~
largeurs, épaisseurs, indices de réfraction et dlstance mutuelle sont choisis pour réaliser un couplage optique mutuel antre ces guldes dans les sections d'amplification SA et de transition de mode SB, et pour que l'ensemble de ces guides guide ladite lu~iare dans cette section d'ampli~ication selon un mode unique qui concentre l'énergie de cette - lumière dans ce guide actif pour favorlser son amplification. Ce mode unlque constitue un mode étroit dont uns taille est plus petite que celle dudit mode large MC. La largeur et l'épaisseur du guide actif 1 dans la section d amplification SA de~inissent un8 alre tran~ersal~
de traitement. Dans la section de transition de mode S~ st ~ partir du point initial de transition PA, l'aira transversale de ce guide décro~t progre3sivement à partir de cette aire transversale de traitement pour que la lumière qui est guidéo au voisinag~ de ce point selon le mode étroit soit guidée par le guide passi~ selvn le mode large MC au voisinage du point dit de mode large PB. Quant au guide passif 2 il s'étend avec de~ caractéristiques constantes dans les 2n sections d'amplification et a~ moinB jusqu'au point de mode large.
Dans ce premier laser il oonserYe ces caractéristiques sur toute la longueur de la plaquette 4.
La propagation de la lumi~re selon le m~de étroit permet son ampli~ication efricace et é~entuellement peu sensible à sa polarisation dans la section d'amplification. Le mode large ~acilite le coupla~o ~ une fibre optiqu~.
La plaque*te 4 comport~ encore, ~ titre ~ssentiel, une couche de con~incment ~upérieure 8 présentant un deuxième type de conductivité
oppos~ au premier pour quo le passa8e d'un courant électrique d'alimentation d'un sens direct entre ces couches de confinement inférieure et supérleure s'accompagne de 1'injection de dits porteurs de char~es de type~ oppo~és dans le guid~ actif 1 dans la section d'amplification SA.
On comprendra que la mati~re complémentaire 32 comporte diverses couohe~ bier oonnues g~i sont utile= pour le ~onotionn~me=t d~ laser - , ' .
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-- 6 _ 2~35~

et qui ne sont pas repr2sentées. Il s'agit notamment des couches laterales de confinement optique et électrique, des couches de contact etc... Par ailleurs la plaquette est munie d'électrodes non représentée~ pour permettre d'injecter le courant électrique d'alimentation.
On va maintenant indiquer d'une manière un peu plu8 particuliares d'autres dites dispositions communes.
Dans la section d'ampli~ication SA ou au moins au point initial de transition, le guide passif 2 présente une largeur dite "no~male"
qui est supérieure ou égale à la largeur du guide actif 1. Il présente aus~i une épaisseur ou égale qui est ~upérieure ou égal et un indice de réfraction moyen qui est inférieur, à l'épa1sseur et ~ l'indice de ré~raction présentés par ce guide acti~, respectivement. Plus précisément l'indice moyen du guide passif est choisi suf~isamment proche de celui du matériau environnant pour que le mode étroit soit essentiellement guidé par le guide actl~ dan3 la section SA.
Le point de mode large PB constitue un~ extrémité du guide acti~
1.
Le mode large MC présente deæ tailles transversale et verticale supérieures à 200X et de pré~erence ~ 400% de tailles transYersale et verticale du mode étroit NAI Ces tailles de chacun de ces modes ~ont classiquement définie cGmme étant les dimensions transversale et verticale du domaine dans Iequel le champ électrique de ce mode e~t affaibli dans un rapport inferieur ~ 2,718 par rapport au cb~mp électrique maximal de ce mode, reæpectivement.
Dans le laser du document KOCH la décroissance de l'aire transversale du guide acti~ dans la section de transition de mode est réalisée par une succes ion longitudlnale de diminutions brusques de l'épai~eur de c~ guide. Cette disposition pr~sente certain3 ; 30 inconvénients : Elle provoque des pertes de lumiare. Et sa réalisation néeeR~ite une succession d'étapes de gravur~ coûteuses.
Con~ormement à la présente invention ces inconvénients peuvent e~tre tr~s simplement évités totalement gr~ce au fait qus le guide actif 1 peut présenter une épaisseur constante danR la section de .:

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~ ~ .
- ---7 2~3~5 :
transition de mode SB, la decroissance de sa section transv~rsalaetant obtenue alors exclusivement par le fait que sa largeur decro~t progressivement ~ partir du point initial de transition PA jusqu ~ au point de mode large PB. Ces inconvénients pourraient cependant aussi n'être évités que partiellement, la décroissance de section transversale réAultant alors ~ la fois d'une décroissance de largeur et d'une décroissance d'épaisseur.
Par ailleurs une couche de séparation 10 est de pré~érence interposée entre les deux guides actif 1 et passif 2. Elle présente un indice de réfraction plu8 bas que l'indice de ré~raction moyen de chacun de ces deux guides. Son épaisseur constitue une épaisseur de séparation qui est choi~ie assez grande pour permettre de limiter trarsversalement le guide actif, c'est-à-dire de définlr sa largeur, par une opération de gravure 9 tout en évitant le risque que cette opération de grav~re atteign~ le guide passif, qui, dans la section de transition, doit être plus large pour des raisonæ qui appara~tront ci-apr~s. Cette épais~eur est en même temps choisie su~fisa~ment petite pour maintenir le couplage optique nécessaire entre les guides actif et passif.
Le guide actif 1 présente, dans la section de tran~ition de mode SB et en projection sur un plan horizontal, la forme génerale d'une pointe ~ extrémité coupée 28, c'est-à-dire que sa largeur se reduit progressive~ent jusqu'à une largeur finale suffisammPnt faible p~ur ; que son influence sur le mode de propagation de la lumi~re devienne negligeable devant celle du guide 2. Cette influence appara~t sur les figure~ 2 et 3 qui représentent tras approximativement des diagrammes de répartition d'énergie correspondant au mode étroit MA, à une répartition intermédiaire MB et au mod~ larg~ MC. Chacune de ces répartitio~s est représentée par deux diagrammes l'un sur la figure 2 l'autre sur la figure 3. Chacun de ce~ diagrammes comporte une courbe et un axe de re~érence. Cet axe d~ référence représente une ligne d'un ~ plan vertical transversal passant dans la plaquette 4, cette ligne : ~ passant par le point de ce plan où la valeur du champ électrique alternatif du mode optique guidé est maximale. En chacun des points de cette li~ne on determine la valeur de C2 champ électrique et le carré

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3 ~ ~
de cette valeur est porte parallèlement à la direction longitudinale X
pour marquer un point de la courbe de ce di~gramrne. Ces diagrammes représentent donc ces modes en montrant la répartition des champs slectriques de ces modes.
Il appara~t de ces diagrammes que la dl~croissance de la largeur du guide 1 provoque une diminution du confinl~ment du mode optique guidé dans le guide 1 ainsi qu'un "glissernent" progressif de ce mode vers le guide 2. Ce glissement s'accompagne d'une dilatation due ~
l'indice de réfraction moyen plus faible du guide 2. La lon~ueur de la zone de decroissance doit être suffisante pour assurer la petitesse souhaitée des pertes de transition (de 50 ~ 200 micromètres dans le cas d'une longueur d'onde de l'ordre de 0,8 à 1,6 micromatre).
Le fait que les deux guides soient superposés rend la présente invention particuliarement adaptée ~ une réalisation par des techniques de croissance épitaxiale usuelles. Dè~ lors il devient pos~ible de réaliser des compssa~t~ optiquem~nt actifs, incluant le transfert du mode d'un guide actif (guide 1) a guidage ~ort ~saut d'indice d'au moins 10 1 ) vers un ~uide passif (guide 2) à guidage faible (saut d'indice d'au plu9 lo 2 ) par une section de transition adiabatique continue, autorisant de ~aible~ pertes, sur un m~me substrat.
Le choix d'un rétrécissement latéral du guide 1 autorise }a réalisation de la section de transition et du guide acti~ dans une seule et m~me étape de masqua~e et gravure. Il combine eet avantage avec ceux de solutions déjà proposées jusqu'alors nécessitant des étapes de masquage multiples (document KOCH) ou ne permettant que la réalisation de composants pasæifs ~document SHANI)~
La présente invention peut donc trouver des applications importantes dans la réalisation de composants optoélectroniques ~0 semi-conducteurs acti~s pour les systèmes de transmissions par fibres optiqoes monomodesO De tels composants peuvent notamment constituer des émetteurs, amplificateurs, modulateurs~ Ils sont désignés glohalement ici par Ie terme 'llaser".
Dans le pre~iar laser selon la présente invention le gulde passif 2 est constitué par une succe3sion verticale de couches :: :

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.
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d'élévation d'indice 12, 14, 16, 18 et de couches d'abaissement d'indice 20, 22, 24, Ces couches d'elevation d'indice présentent des indices de réfraction plus haut que ce~ couche~ d'abaissement d'indice de manière à donnèr ~ ce guide passi~ 2, vis-à-vis de l.ad$te lumière, un indice de refraction moyen compris entre ceux de ces couches d'elévation et d'abaissement d'indice.
La deuxième laser donné en exemple de la présente invention est généralement identique au pre~ier. Il comporte donc des éléments assurant les me~mes fonctions, ces éléments étant identifiés par les mêmes mots, et les indicationæ données ci-de6sus restant valables sauf indications contraires. Lorsqu'un élément de ce deuxiame laser assure la m8me ~onction qu'u~ élément au premier laser il sera dé~igné
ci-apr~s par le même numéro de référence augmente du nombre 100.
Par rapport ~ ce premier laser, ce deuxième laser estt de manière générale, caractérisé par le fait que la largeur du guide actif 101 décro~t vers l'avant dan~ une partie arrière TB seulement de la section de transition de mode et que la largeur du guide passif 102 décroXt vers l'avant dans une partie avant TC de cette ~ection pour coupler ledit mode large NC à un ~ode circularisé de taille encore 20 plU8 grande NE.
Plus précisément la section de transition TB, TC comporte deux : : parties successives, arri~re et avant~ con~tituant une premi~re : transition TB et une deuxième transition TC. Cette premlare transition ~B s'étend dudit point initial de tra~ition QA audit point de ~o~e lar8e QB, la largeur dudit guide actif 101 décroissant vers l'avant dans cette premi~re transition. Cette deuxième tran~ition ~'étend longitud1nalement vers l'avant ~ partir de ce point de mode large QB
jusqu'audit un point terminal de transition QC, la largeur dudit guide ~ passif 102 décroissant vers 1'avant dan cette deuxièm0 transition : ~0 pour que }a lumiare qui est guidée par ce guide pa~si~ selon ledit : mode large au voisinage de ce point de mode large soit guidée par ce m8me guide selon un mode circularisé NE au voisinage de ce p~int : terminal de transition QC. Ce mode circularisé présente des tailles hori~ontale et Yerticale aacrue~ par rapport ~ ce mode large, cette taille verticsle étant accrue dans un rapport plu8 grand que cette ::
: .
- , ' ' : . , .

2~3~

taille horizontale.
Selon une disposition préférée, dans la deuxième transition TC, la largeur du guide passi~ 202 est d'abord égale a une largeur normale de guide passif LN, cette largeur étant mesurée au pOillt de mode large QBI puiq cette largeur decro~t progressivement jusqu'au point ~erminal da transition QC où elle devient égale à une largeur reduite de guide passi~ LR. Dans le laser donné en e~emple, oette largeur reste ensuite égale à cette largeur réduite dans une section de couplage TD
s`étendant ~ l'avant de la section de transition jusqu'à une extrémité
QD du laser. L'épaisseur de ce guide est constante. Le guide actif est absent ~ partir du point de mode large Q3.
La largeur reduite LR est de pr~férence inférieure à 60 %, et par exemple égale à 40 % de la largeur normale LN du guide passi~ 102.
Le guide passif 102 comporte une seule couche d'elévation d'ind$ce. Son épaisseur peut alors e~tre inférieure à celle du guide actif 101.
Le figures 8 ~ 10 montrent en outre le coeur 150 d'une ~ibre optique monomodale 152 danQ laquelle le mode circularisé est injecté.
Le guide actif 101 a par exemple, dans la section de traitement 20 TA, une largeur de 2000 nm et une épai~seur de 100 nm.
Sa largeur ~inale au point de mode large NC est par e~emple de 400 nm, la longue~r de la transitiGn arri~re TB étant de 0,1 mm. Le guide passi~ 102 a par exemple une largeur réduite LM de 2000 nm, la longusur de la transitio~ avant TC étant de 0!1 mm.
Les ~igures 8 et 9 représentent, de la me~me maniare que les figures 2 et 3, respçctivement, des diagrammes de répartition de l'énergie lumineuse dans les modes guidés par les guide~ 101 et 102.
Ledit mode étroit est représenté en NA, une premi~re répartition intermédiaire en NB, ledit mode large en NC, une deuxia~e partition intermédiaire en ND, et ledit mode circulari~é en Æ .
;~ Les avantages des dispositions adoptées dans ce deuxiame laser apparaissent lorsque lorsqu'on consid~re c~ qui suit :
Le but à atteindre est par exemple de réduire la divergence angulaire du faiseau optique émis par un laser semiconducteur de ~ason ~; 35 à faciliter l'injection de ce faisceau dans un guide externe constitué

: - . . . : ~' : . ' . . . . . . .

. . .

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, 3 ~

par une fibre optique. Les meilleures conditions d'injection sont realisees quand le mode guidé dans le laser ~ la sortie de celui-ci est identique à celui qui peut ~tre guide dans le guide externe.
Le diamètre du mode guidé dans un laser semiconducteur est de 1'ordre du micron de fa~on à assurer une lnteraction lumi~re/porteurs eff~cace. Le diamètre du mode guidé par une fibre optique est standardisé à 10 microns de façon ~ minimiser les pertes de propagation dans la fibre et à faciliter les connexions. Les dispo~itions adoptées dans le de~xi~me laser permettent de dilater adiabatiquement le mode de propagation de la lumière à partir du guide acti~ de façon à obtenir un ~ode de taille suffisante et de forme sensiblement circulaire au niveau point terminal de transltion QC.
Immédiatement ~ I'avant de la transition arriare TB, le mode guide dans le guide 102 doit 8tre, selon le plan horizsntal, presque totalement confiné dans ce ~uide de façon à constituer une charge guidante aus3i grande que p~ssible pour le guidage de la lumière, compte devant être tenu de l'épaisseur de ce guideO Pour atteindre ce résultat, c'est~~-dire pour que la puissance lumineuse du mode glisse du guide 101 vers le guide 102 malgre l'indice de réfraction plu~
faible de ce dernier, la largeur du guide 102 doit 8tre sensiblement supérieure ~ celle du guid~ 101. Il en résulte que le mode propre au guide 102 e~t nécessairement fortement aplati, sa taille verticale étant plu8 ~aible d'un facteur 2 qu* sa taille horizontale.
Par ailleur~, la dilatation du mode est, à ce stade, 2S in8uff~sante, surtout dans le plan vertical, pour as~urer la qualité
de couplage souhaité en sortie du laser. Cette insuf~isance de dilatation résulte de l'épaisseur et de l'indice qui sont imposés au guide 102 pour as~urer le glissement du mode vers ce guide.
C'est pourquoi, selon la presente invention le gui~e 102 se ~0 prolonge au-delà de la transition arriare en réduisant progressivement sa largeur pour circulariser et encore dilater le mode qu'il guide. Sa largeur réduite doit ~tre inférieure ~ la taille du mode guidé, ceci d'un faeteur 2.
~ La dilatation et la circularisation du mode qu'il guide s'expliquent par le fa~t qu'en réduisant suffisamment la largeu~ du .

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2~8~3~

guide, on provoque un déconfinement du mode dans le plan horizontal.
Dans ces conditions? la répartition du mode dans le plan vertical devient fortement dépendante de son con~ine~nent dans le plan horizontal. On dit que le~ répartitio~s du rnode dans le plan verticai et dans le plan hori~ontal deviennent ~ortennent interdépendantes, le régime de ~uidage étant dit "faible". Cette situation s'oppose à celle où le guide est suf~isamment large pour que l'on puisse eonsidérer qu'il est infiniment large relativement à son épai seur. Dans cette derni~re situation, les répartitions hori~ontale~ et ~erticale~ du mode sont indépendantes et le régime de guiclage est dit "latéral ~ort".
La transition doit 8tre répartie sur une longueur suffisante de façon ~ éviter, une foi3 encore, les pertes par rayonnement.
Un résultat analogue pourrait être obtenu a l'aide d'une seule transition telle que celle du premier laser donné en exemple. ~ais pour cela la longueur de cette transition d~vrait etre égale ~ la longueur totale de deux tran~itions décrites plus haut. La réalisation du la~er serait alors rendue trè~ délicate du ~ait des très faibles angles qu'il faudrait donner aux bords du guide actifO Le fonctionnement du laser serait rendu aléatoire parce ~ue l'on ne pourrait pas optimiser séparément la transition du guide 1 vers guide 2 et la cirrularisation du mode. Au contraire, la limitation de la dilatation du mode dans la premi~re transition du deuxi~me laser sel~n cette invention permet de conferer une charge ~uidante accrue au guide pas3i~ 102 oompte tenu du fait que la largeur finale du guide actif 101, à~son extremité Q~, doit 8tre asse~ ~aible pour conférer en ce point à ce guide une charge guidante négligeable par rapport a celle du gulde passif 102. Cet accroissement de la charge guidante au guide 102 evite d'avoir à donner à cette largeur finale du guide act f 101 une valeur trop faible pour être ~acilement et ef~icacement réalisée.
Les tolérances de fabricatlon sur les dimension~ terminales de la pointe formée par le guide 101 sont ainsi relachées. La sensibilits du mode aux imper~eotions des bords du guide 101 est également di~inuée.
Ceci permet un fonctionnement plus reproductible du laser.
~ 35 La pr~Bente invention autorise d'autre part un positionnement : ~

::
, .
- - . , .. . .. ..

2 ~ 5 ~

beaucoup plus tolerant de la fibre par rapport QU composant (qu~lques micrometres) que les lasers connus. Elle permet donc de simplifier la réalisation des têtes optiques qui sont utilisees comme source~
optiques dans les reseaux de telec~lmunications ~ fibres optiques.
S Certaines des indications precedentes S 1 appliquent aussi pour le report des composants optiquement acti~s sur un autre type de composants semiconducteurs (hybridation sur siliclum) qui pose le m8me type de probl~mes.
La présente invention peut egalement trouver une application dans la réalisation d'amplificateurs optiques~ semi-conducteurs non résonants à rubans enterrés faiblement sensibles à la polarisation du mode guide. En effet, la petite taille du mode guide dans le guide actif favorise une faible sensibilite du gain à la polarisatlon du mode tandis que la taille importante du mode dan~ le guide passif favorise la diminution de la reflectivité de la ~ace terminale du composant (face clivée) dan~ le cas où la normale à cette face est désalignée par rapport à l'axe du guide.
On va maintenant indiquer de manière genérale le~ opération~
permettant de fabriquer le premier laser qui a éte decrit ci-dessus:
- Une premi~re opération de croissance épitaxiale (figure 4) forme une succession verticale de couche initiales qui con~titueront lesdites couche~ fonctionnelles 6, 2, lO, 1) 8 apr~s limitation tran~versale des guide~ actif 1 et pas~if 2 et qui sont désignees par les m~Mes numeros de réf*ence, respectivementc Cette croissance peut être réalisée par des techniques usuelles de croissance epita~iale ("Epitaxie par jet moléculaire" (EJM), "Organometallic Chemical Vapor Deposition" (MOCVD), etc...). Le ~uide 2 peut être constitue d'une couche mince OU9 comme precedemment décrit, d'un empilement de couches tras mince~ transparentes d'élévation d'indice 12, 14, 16, 15, qépar~es par un matériau d'abaissement d'indice identique à celui du substrat (puits dilues).
Le choix de l'écartement et du nombre des couche d'elevation d'indice permet de contr81er précisement l'indice de re~actlon moyen du guide 2.
- Une premi~re opération de gravure est ef~ectuec à partir d'une face .

2 ~ 3 r~ ~3 - 14 _ superie~re au moins provisoire 30 da la pla~uette qui est situee du côte de ladite couche de confinement supérieure a. Cette opération est poursuivie jusque dans l'épaisseur de la couche de séparation lO. Elle a pour but de limiter transversalement le guide actif 1. La présence de la couche de sépar~tion lO facilite oette opération.
- Une deuxi~me opération de gravure pénétre plus loin jusque dan~
l'épaisseur de la couche initiale ~ pour limiter transversalement le guide passif 2. Cette opération est faoilitéle par le ~ait que la largeur du guide 2 est plus grande que celle du guide 1 (figure 6). La pro~ondeur de la gravure permet de contr81er le saut d'indice tran6versal et d'assurer la propagation d'un seul mode.
C2s deux opérations de gravure sont réalisées par de~ technique3 de masquage classiques appropriées ~figure 5).
- On e~feotue ensuite une deuxième opération de croissance pour enterrer ces guides et les couches de séparation lO et de confinement supérieure 8 d~n~ la matière complementa$re 32 qui complate la plaquet~e 4. Cette croissance est de préférence r~alisée par épitaxie et peut ~tre sélective ou non (fig.l).
Le deuxiame laser donné en exemple peut être ~abriqué par la m8ms ~uite d'operations, le3 formes des masques utilisé~ pour les opérations de gravure~ devant cependant 8tre modif$éea, de m8me que, é~entuellement, le~ par~m~tre~ de~ opération de croissance~
épitaxiales~

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Claims

1/ Composant optique semi-conducteur à mode de sortie élargi, ce composant comportant deux guides de lumière s'étendant d'arrière en avant selon une longueur de ce composant pour guider des modes de propagation d'une lumière, l'un de ces guides étant un guide actif (101) apte à traiter cette lumière, l'autre étant un guide passif (102) s'étendant sous ce guide actif au moins dans une section de transition de mode (TB, TC) qui est une section de la longueur de ce composant , l'aire transversale de ce guide actif décroissant vers l'avant dans cette section de transition de mode , grâce à quoi un mode "étroit" (NA), guidé par ce guide actif à l'arrière de cette section de transition est couplé à un mode "large" (NC) qui est guidé
par ce guide passif à l'avant de cette section de transition et qui présente une taille plus grande que ce mode étroit, ce composant étant caractérisé par le fait que la largeur dudit guide actif (101) décroît vers l'avant dans une partie arrière (TB) de ladite section de transition de mode (TB, TC) et la largeur dudit guide passif (102) décroît vers l'avant dans une partie avant (TC) de cette section pour coupler ledit mode large à un mode circularisé de taille encore plus grande.

2/ Composant selon la revendication 1, ce composant étant constitué
par une plaquette semi-conductrice (4), cette plaquette présentant trois directions longitudinale (X), transversale (Y) et verticale (Z) mutuellement perpendiculaires, des plans horizontaux s'étendant selon ces directions longitudinale et transversale, des plans transversaux étant perpendiculaires à cette direction longitudinale, des longueurs, des largeurs, des épaisseurs et des aires transversales d'éléments internes à cette plaquette étant mesurées selon ces directions longitudinale, transversale et verticale et dans ces plans transversaux, respectivement, cette plaquette comportant des sections (SA, SB, SC) qui s'étendent et se succèdent longitudinalement dans un sens d'arrière en avant et qui constituent au moins une section de traitement (SA) et une section de transition de mode (SB), cette sections de transition débutant en un point initial de transition (PA) au voisinage de cette section de traitement et se terminant en un point final de transition (PB) à distance de cette section, cette plaquette comportant par ailleurs une succession verticale de couches fonctionnelles horizontales qui constituent, au moins :
- une couche de confinement inférieure (6) d'un premier type de conductivité, - un guide passif (2) s'étendant longitudinalement et encadré
transversalement par une matière complémentaire (32), ce guide présentant un indice de réfraction accru pour guider une lumière, cet indice, une largeur normale et une épaisseur de ce guide étant choisis pour guider cette lumière selon un mode unique constituant un mode "large" (MC), - un guide actif (1) s'étendant longitudinalement et encadré
transversalement par une matière complémentaire (32), ce guide étant constitué d'un matériau actif qui présente un indice de réfraction accru pour guider ladite lumière et qui est de plus apte à traiter cette lumière avec amplification, modulation ou détection de cette lumière par interaction avec des porteurs de charges de types opposés, ces guides passif et actif étant mutuellement superposés et présentant des largeurs, épaisseurs, indices de réfraction et distance mutuelle choisis pour réaliser un couplage optique mutuel entre ces guides et pour que l'ensemble de ce guides guide ladite lumière dans cette section de traitement selon un mode unique qui concentre l'énergie de cette lumière dans ce guide actif et qui favorise ainsi son traitement, ce mode unique constituant un mode étroit dont une taille est plus petite que celle dudit mode large (MC), cette largeur et cette épaisseur de ce guide actif (1) dans cette section de traitement (SA) définissant une aire transversale de traitement, ce guide actif (1) présentant, dans ladite section de transition de mode (SB), à
partir dudit point initial de transition (PA), une aire transversale qui décroît vers l'avant à partir de cette aire transversale de traitement pour que la lumière qui est guidée au voisinage de ce point selon ledit mode étroit soit guidée par ledit guide passif salon ledit mode large (MC) en un point de mode large (PB) appartenant à cette section de transition, - et une couche de confinement supérieure 18) présentant un deuxième type de conductivité opposé au premier pour permettre le déplacement desdits porteurs de charges de types opposés au voisinage du dit guide actif (1) dans ladite section de traitement (SA), lesdits indices de réfraction accrus étant supérieur aux indices de réfraction desdites couches de confinement inférieure (6) et supérieure (8) et des dites matières complémentaires, ce composant étant caractérisé par le fait que ledit guide actif (1) présente une épaisseur constante en tous points de ladite section de transition de mode (SB) où ce guide existe, sa largeur décroissant progressivement à partir dudit point initial de transition (PA) jusqu'au dit point de mode large (PB).

3/ Composant selon la revendication 2, dans lequel ledit guide passif (2) présente audit point initial de transition (PA) une largeur normale supérieure et un indice de réfraction moyen inférieur à la largeur et à l'indice de réfraction présentés par ledit guide actif (1) dans ladite section de traitement (SA), respectivement.

4/ Comportant selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'une couche de séparation (10) est interposée entre les deux dits guides actif (1) et passif (2), cette couche de séparation présentant un indice de réfraction plus bas que l'indice de réfraction moyen de chacun de ces deux guides.

5/ Composant selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit point de mode large (PB) constitue une extrémité dudit guide actif (1).

6/ Composant selon la revendication 5, dans lequel ledit guide actif (1) présente, dans ladite section de transition de mode (SB), et en projection sur un dit plan horizontal, la forme générale d'une pointe à extrémité coupée (28).

7/ Composant selon la revendication 2 dans lequel ledit mode large (MC) présente des tailles transversale et verticale supérieure à 200%
de tailles transversale et verticale dudit mode étroit (MA), ces tailles de chacun de ces modes étant les dimension transversale et verticale du domaine dans lequel le champ électrique de ce mode est affaibli dans un rapport inférieur à 2,718 par rapport au champ électrique maximal de ce mode, respectivement.

8/ Laser selon la revendication 7, dans lequel ledit mode large (MC) présente des tailles transversale et verticale supérieures à 400% de tailles transversale et verticale dudit mode étroit (MA), respectivement.

9/ Composant selon la revendication 2 caractérisé par le fait que ladite section de transition (TB, TC) comporte une première transition (TB) et une deuxième transition (TC), cette deuxième transition (TB) s'étendant dudit point initial de transition (QA) audit point de mode large (QB), la largeur dudit guide actif (101) décroissant vers l'avant dans cette première transition, cette deuxième transition s'étendant longitudinalement vers l'avant à partir de ce point de mode large (QB) jusqu'au dit point terminal de transition (QC), la largeur dudit guide passif (102) décroissant vers l'avant dans cette deuxième transition pour que la lumière qui est guidée par ce guide passif selon ledit mode large (NC) au voisinage de ce point de mode large soit guidée par ce même guide selon un mode circularisé (NE) au voisinage de ce point terminal de transition (QC), ce mode circularisé
présentant des taille horizontale et verticale accrues par rapport à
ce mode large, cette taille verticale étant accrue dans un rapport plus grand que cette taille horizontale.

10/ Composant salon la revendication 9 caractérisé par le fait que dans ladite deuxième transition (TC), la largeur dudit guide passif (202) est d'abord égale à une largeur normale de guide passif (LN) audit point de mode large (QB) puis décroît progressivement jusqu'au audit point terminal de transition (QC) où elle devient égale à une largeur réduite de guide passif (LR), l'épaisseur de ce guide étant constante, ledit guide actif étant absent.

11/ Composant selon la revendication 10 caractérisé par le fait que ladite largeur réduite (LR) de guide passif est inférieure à 60 % de ladite largeur normale de guide passif (LN).

12 / Composant selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une section de couplage (TD) qui s'étend à
l'avant dudit point terminal de transition (QC) et dans laquelle la largeur dudit guide passif (102) reste égale à ladite largeur réduite (LR).

13/ Procédé de fabrication d'un composant selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la fabrication de ladite plaquette (4) comporte les opérations suivantes :
- une première opération de croissance épitaxiale pour former une succession verticale de couches initiales qui constitueront respectivement lesdites couches fonctionnelles (6, 29 10, 1, 8) après limitation transversale desdits guides actif (1) et passif (2), - une première opération de gravure, à partir d'une face supérieure au moins provisoire (30) de ladite plaquette qui est situés du côté de ladite couche de confinement supérieure (8), et jusque dans l'épaisseur de ladite couche de séparation (10) pour limiter transversalement ledit guide actif (1), - une deuxième opération de gravure pénétrant plus loin au moins jusque dans l'épaisseur de ladite couche initiale (2) qui constituera ledit guide passif (2) pour limiter transversalement ce guide, - et une deuxième opération de croissance pour enterrer ces guides (1, 2) et lesdites couches de séparation (10) et de confinement supérieure (8) dans une matière complèmentaire (32) qui complète ladite plaquette (4).