CA1314615C - Modulateur d'onde electromagnetique a puits quantiques couples, et application a un detecteur d'onde electromagnetique - Google Patents
Modulateur d'onde electromagnetique a puits quantiques couples, et application a un detecteur d'onde electromagnetiqueInfo
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Abstract
La présente divulgation décrit un modulateur d'onde électromagnétique, du type comprenant une structure semi-conductrice comportant une première alternance de couches définissant un premier puits quantique, un dispositif de peuplement d'électrons du premier niveau d'énergie discret du premier puits quantique, et un dispositif de commande de l'absorption par le puits quantique d'une onde à moduler. Le modulateur est caractérisé en ce que la structure semi-conductrice comporte une autre alternance de couches, voisine de la première alternance de couches et définissant un second puits quantique, couplé au premier puits quantique à travers une couche barrière, et en ce que le dispositif de commande comporte un dispositif pour appliquer sur commande à la structure un champ électrique perpendiculaire à la barrière, ce qui permet d'augmenter la durée de vie des paires électron-trou créées.
Description
`I
MODI~Al~E:I~ D'ONDI~ E:IEC~OMAGNl~TIQUE
A PIJIT5 QU~NTIQI~leS COUP:LES, APP:LICATION A UN DETI~ UR
D'ONDE EL13~0~lAGNETIQUl~
L'invention concar}le un modulateur d'onde électromsgnétique à puits quantiques coupl0s . L'onde à moduler peut être de propagation libre ou guldée.
Elle est applicable notamment à la modulation d'ondes 5 infrs-rouges.
Dans le domaine spectral de l'infrarouge, il est très difficile d0 réaliser des modulateurs qui, en mêm~ temps, soient rapldes et présentent une grande profondeur de modulation.
Certai}ls modulateurs mettent en oeuvre l'in~ectiorl, 10 dans une structure semi-conductrice de porteurs libres. Mais, 1EI
bande passante de ces modulateurs est limitée par le temps de recombinaison assez grand de ceux-ci, cette recombinaison pouvant êtrs due ~ une interaction radiative et/ou non rndiative.
On connaît aussl des modulateurs à effet Pockels. Ils 15 utilisent le changement de l'indice de refraction du matériau semi-conducteur sous l'affet d'un champ électrique. Ce sorlt donc des modulateurs "électro-optiques". Mals leur variation d'indice est très faible. Il en résulte que pour obtenir un effet notable, il faut utiliser des dispositifs à grande longueur 20 d'interaction, donc de grande dimension. Bien que l'effet électro-optique soit très rapide puisque ses temps caractéristiques sont de l'ordre de quelques femto-secondes, si l'on souhaite obtenir une bonne profondeur de modulation, ce sera la taille du dispositif qui conditionnera la bande passante 25 du modulateur. 13n outre, ceci est d'autant plus critique dans le domalne Infrarouge (par rapport au domaine visible et proche infrarouge) que les dimenslons du modulateur doivent aussi augmenter avec la longueur d'onde.
D'autres modulateurs connus utilisent le prlncipe de
MODI~Al~E:I~ D'ONDI~ E:IEC~OMAGNl~TIQUE
A PIJIT5 QU~NTIQI~leS COUP:LES, APP:LICATION A UN DETI~ UR
D'ONDE EL13~0~lAGNETIQUl~
L'invention concar}le un modulateur d'onde électromsgnétique à puits quantiques coupl0s . L'onde à moduler peut être de propagation libre ou guldée.
Elle est applicable notamment à la modulation d'ondes 5 infrs-rouges.
Dans le domaine spectral de l'infrarouge, il est très difficile d0 réaliser des modulateurs qui, en mêm~ temps, soient rapldes et présentent une grande profondeur de modulation.
Certai}ls modulateurs mettent en oeuvre l'in~ectiorl, 10 dans une structure semi-conductrice de porteurs libres. Mais, 1EI
bande passante de ces modulateurs est limitée par le temps de recombinaison assez grand de ceux-ci, cette recombinaison pouvant êtrs due ~ une interaction radiative et/ou non rndiative.
On connaît aussl des modulateurs à effet Pockels. Ils 15 utilisent le changement de l'indice de refraction du matériau semi-conducteur sous l'affet d'un champ électrique. Ce sorlt donc des modulateurs "électro-optiques". Mals leur variation d'indice est très faible. Il en résulte que pour obtenir un effet notable, il faut utiliser des dispositifs à grande longueur 20 d'interaction, donc de grande dimension. Bien que l'effet électro-optique soit très rapide puisque ses temps caractéristiques sont de l'ordre de quelques femto-secondes, si l'on souhaite obtenir une bonne profondeur de modulation, ce sera la taille du dispositif qui conditionnera la bande passante 25 du modulateur. 13n outre, ceci est d'autant plus critique dans le domalne Infrarouge (par rapport au domaine visible et proche infrarouge) que les dimenslons du modulateur doivent aussi augmenter avec la longueur d'onde.
D'autres modulateurs connus utilisent le prlncipe de
- 2 ~ 1~6~
l'électro-absorptlon (afot Franz-Keldys11). Dans ce cns, on ~alt Intervenlr un chEImp oloctl Ique de commando qul, lorsqu'll e~t assez élevé, déplace le soull d'absorp10n du matérlau (en termas de ~réquence). Dan3 ca dernler type do modul~teur, 11 5 faut utlllser des materlaux ~eml-conducteurs ayant une énergla de bande lnterdite trè~ procho de l'énergle do l'onde d moduler.
Psr exomple, dans lo cas d'une ondo Infrarougo do longueur d'onda 10 mlcromètres, dos alliages de mntérlsux II-II de la classl~lcatls~rl pérlodlque de~ élérnents do Men~:leleov ~ont 10 utlll~és. Toutefols, l'élaboratlon de co~ matérlaw~ ost très dl~flcile d rnaîtrlser Industrlellement, et étant donna leur alble lntervaUe d'énergle de bande lnterdlte, lls ~ont très senslbles aux Imper~octlons de fabrlcation.
C'est pour cette ralson que d'autres solutlons ont été
15 proposées pour le~quelles on se sert de l'absorption lntra-bando entre par exemple deux nlveaux dlscrets d'un puits quantique.
La fabrlcatlon des matérlsux ~emlconducteurs servant à définlr ce9 pults quantlquos sont blen mleux maîtri~a~ notamment dans le cas d'utillsatlon de semlconducteurs III-V de 1~ cla~slElcatlon 20 pérlodlque des éléments.
Dans une telle structure, le moyen de co~unande de la modulatlon repose sur une onde-pompe, qul est modulée en amplltude et pos~ede une fréquence supérleure h celle de l'onde à moduler. L'onde-pompe sert A poupler un nlveau dlscret du 25 pult3 quantlque. L'absorptlon de l'onde à moduler se falt alors à l'alde d'une transltlon des électrolls (ou des trous3 de ce premlor nivoau dl~cret du pults quantlquo à un autre nlveau discret. On conunande alnsl l'absorptlon d'une onde dont la ~réquence est égale à la dlf~érence entre les énorgles des deux 30 nlveaux dlscrets dlvlsés par la conYtante de Planck.
Plus précisément, un tel modulateur peut comporter une structure possédant un puits quantique dont les caractéristiques optiques sont modifiées par un pompage optique réalisé par une onde de commande appartenant au domaine infra-rouge ~ ' .
~ 3 ~ ~31~
moyen. L'onde de commnnde est modulée uu moyen d'un modulateur classlqua. En ~s~odulnnt l'nmplltuda de l'onde cle conunande, 11 est po~slble do moduler l'nmplltude ou la phase de l'onde ~ modular.
Quolque très interes3ants pour certalne~ appllcntlons, cas modulE~teur~ possèdent néanmolns un lnconvanlent r~slduel:
il e~t Imposslble de les optlmi~er pour obtenlr à la ol~ une grande bande passante et une bonne pro~ondeur de modulntlon.
En e~fet, 1B bande pnssante de ces modulateurs Qst limltée solt psr la bande passante de l'onde-pompe, solt par le temps de recomblnalson des porteurs photo-creés nu premler nlvenu dlscret d'énergla du pults quantlque. Pour nn sublr que la llmltatlon due à ln bande passante de l'onde-pompe, 11 est souhaltable d'avolr des temps de vle des porteurs falbles. Mals alors, pour une pulssance de l'onde-pompe donnée, plus ce temps de ~rle des porteurs est court, plus la profondeur de modulatl~n sera falble. Il apparnît donc flnalement qu'à l'heure actuelle, 11 n'a pa9 encore été pos31ble d'obtenlr des modulatsurs optlques antlèrement satls~aisants, en partlculier lorsqu'il s'sglt de lumlère ln~rarouge.
Un premler but de l'inventlon est de fournlr un modulateur optlque dan3 lequel on a réallsé une séparntlon spatlale des électrons et des trous dnns deux puits quantlque~
dlEférents ce qul permet d'augmenter la durée de vle des paires électron-trou. Ceci permet notamment de dimlnuer la pulssance de l'onde-pompe n~cessalre pour une absorptlon Intra-bande donnée .
L'lnventlon n également pour but de i`ournir un modulateur qul puisse être normalement tran~parent ou blen, au contralre, normalement opaqua, pour l'onde ~lectromagnétlque à
moduler ~
L'lnventlon a au~si pour but de fournlr un modulateur qui pul3se etre commandé par le champ électrlque~
Enfln, le modul~teur pouvant aussl être commnnde pnr la coexl~tence d'une onde-pompe et d'un chnmp électrlque, l1 e~t utilisable comme fonction de porte (ET) ou bien encore dans des applications de type "reconnaissance d'images".
La présente invention vis~ un modulateur d'onde électromagnétique, de type comprenant:
une structure semi-conductrice comportant une première alternance de couches définissant un premier puits quantique, des moyens de peuplement d'électrons du premier niveau d'énergie discret du premier puits quantique, et des moyens de commande d'une absorption par le puits quantique d'une onde à moduler, modulateur dans lequel ladite structure semi-conductrice comporte une autre alternance de couches, voisine de la première alternance de couches et définissant un second puits quantique, couplé au premier puits quantique à travers une couche barrière, et lesdits moyens de commande comportent des moyens propres à appliquer sur commande à la structure un champ électrique perpendiculaire à ladite barrière, ce qui permet d'augmenter la durée de vie des paires électron-trou créées, les puits d'énergie ayant des compositions telles que le premier puits admet un seul niveau discret d'énergie tandis que le deuxième puits admet deux niveaux d'énergie dont la différence correspond à une fréquence à moduler multipliée par la constante de Plank.
De préférence, dans une première famille, parti-culièrement intéressante, de dispositifs, le modulateur est en outre remarquable en ce que l'onde à moduler est sujette à une absorption intrabande, c'est-à-dire réalisée entre un premier et un second niveaux d'énergie situés du même côt~
de la bande interdite de l'un des puits quantiques.
De pré~érence, selon une sous-famille de modula-teurs, le second puits quantique poss~de un intervalle d'énergie de bandes interdites supérieur à celui du premier.
.
._ .
~ ~31~
4a De préférence, dans un mode de realisation plus particulier conforme à cekte sous-~amille, les moyens d'excitation appliquent à la structure semi-conductrice une onde-pompe, propre au peuplement d'un niveau d'énergie du premier puits quantique par des paires electron-trou, tandis que l'application du champ électrique transfere des électrons du premier pui~s quantique au second, ladite absorption intra-bande intervenant dans le second puits quant~que.
1 3 ~
De preference, un aspec-t particulièremen-t intéressant de l'invention réside alors en ce que les moyens d'excitation peu~ent être rendus actiEs sur commande. Ceci permet une fonction de commande "et", ainsi que des S opérations de reconnaissance d'images.
De préférence, dans une autre sous-famille de modulateurs, l'un des puits quantique est dopé.
L'excitation se fait par l'application d'un champ électrique qui transfère des électrons de l'un des puits quantiques à
l'autre, dans lequel intervient l'absorption intra-bande précitée.
De préférence, si le puits dopé est le premier puits, alors le modulateur est normalement transparent pour l'onde à moduler, Dans le cas contraire où le puits dopé
est le second puits, le modulateur est- normalement opaque pour l'onde à moduler.
Dans l'un ou l'autre cas, le modulateur peut, en outre, comporter des contacts ohmiques sur des couches situées de part et d'autre des puits quantiques. Le courant ainsi collecté lui permet de fonctionner en détecteur de lumière pour l'onde modulée.
De préférence, dans une seconde famille de modulateurs, l'onde à moduler est sujette à une absorption inter-bande, entre deux niveaux d'énergie situés de part et d'autre de la bande interdite de l'un des puits quantiques.
Il est également préférentiel, en ce cas, que le second puits quantique possède un intervalle d'énergie de bande interdite supérieur à celui du premier.
De préférence, de façon générale, les modulateurs selon la présente invention peuvent recevoir une onde à
moduler libre, ou bien une onde guidée, selon une ou deux dimensions. De préférence le motif de deux puits quantiques défini plus haut peut être répété plusieurs fois.
De préférence, les modulateurs selon la présente .~
~,,~. ?~
invention peuvent opérer un inPrarouge, sur pratiquement toute la b:ande, notamment pour des longueurs d'ondes d~ 10 micro-mètres ou plus.
D'autres caracteristiques et avantage~ de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillee ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels:
- - la flgure 1 e~t un exelnple de réall~atlon d'un modulateur selon l'art connu - la El~ure 2 sst un schema de prlnclpa d'un modul~teur selon la présente Inventlon;
- 1~ 1gure 3 e~t un dl~ramme schématlque de nlveaux d'energle permettant de mleux comprendra le onotlonnement d'un dl~posJtlf selon la présente Inventlorl;
- les Elgures 4, 5 et 6 sont des diagrnmmes d'allergle et de fonctlon d'ondes deElnlssant plus préclsément lo fonctJonrlament d'un mode de reallsatlon du dlsposltl~ salon la prasente Invantlon;
- la 1gure 7 représente un exemple de renllsatlon du modulateur de l'lnventlon;
- la flgure 8 e~t Ulle varlante de re~llsatlon du modulsteur de la ~Igure 6;
- la flgure 9 est un exemple de réallsatlon du modulateur de l'lnven~lon fonctlonnant en optlque guldée;
- la flgure 10 est une varlante da réallsatlon des modulnteur~
des Elgures 7 d 9;
- la ~lgure 11 est un exemple de réallsatlon d'un détecteur optlque selon l'lnvantloll.
Les desslns annexés comportent pour l'essentlel des éléments de caractère certaln. Il3 sont donc ~ consldérer comme Incorporés d la présente descrlptlon at pourront, non seulement servlr à mleux alre comprendre calle ol, mal~ aus61 contrlbuer à la déElnitlon de l'lnventlon, le cas échéant.
131~61~
- 6a -Comme cela a été,représenté en figure 1, un modulateur selon l'art connu peut comporter une structure possédant un puits quantique (1,2,3~ dont les caractéristiques optiques sont modifiées par un pompage optique realisé par une onde de commande (h.Vl) appartenant au domaine infra-rouge moyen. L'onde de commande h.Vl est modulée au moyen d'un modulateur classique. En modulant l'amplitude de l'onde de commande h.Vl, il est possible de moduler l'amplitude ou la phase de l'onde à,moduler h.v 3.
Sur la figure 2, une structure semi-conductrice selon l'invention est définie par un substrat semi-conducteur S, sur lequel on dépose par épitaxie une couche intermediaire CIl, suivie d'une couche active CPl, d'une couche barrière CB, d'une couche active CP2, et d'u~e couche intermédiaire CI2.
Préferentiellement, le materiau semi-conducteur utilisé pour la structure est fondé sur des semi~conducteurs des ~$
.
7 ~31~
colonnes III et V de la classification pérlodique de Mendelee-v, ou de leurs alliages. Il p~ut s'agir en particulier d'alliages entre l'aluminium, le gallium, I'indium, d'une part et le phosphore, l'arsenic, l'anthnoiner d'autre p~rt. Les alliages 5 peuvent atre binaires ou ternaires ou quaternaires.
La figure 2 fait ancore apparaître deux électrodes E1 et E2 placées, par exemple, l'uns sur la face accessible du substrat, l'autre sur la derniere couche situés à l'opposé, qui est supposée ici être la couche lntermédiaire CI2. L'application 10 d'une tension entre les électrodes E1 et E2 par des moyens de comlTIande MC permet d'établir sur commande un champ électrique perpendiculaire aux diPférentes couches et notamment à la couche barrière CB.
De façon générale, on sait réaliser des structures comportant des puit~ quantiques.
A cet effet, par exemple, le substrat est dope ou non.
La première couche intermédiaire CI1 possedQ une composition qui lui confère un fort intervalle d'énergie de bande interdite (souvent dénommé brièvement "gap" en terminologie - 20 anglo-saxonne). On utilisara ici l'abréviation "intervalle de bande interdite". La couche CP1, qul va servir à définir un premier puits, possède un faible intervalle de bande interdite.
La couche barrière CB possède à nouveau un fort invervalle de bande interdite. La seconde couche de puits CP2 possede un intervalle moyen ou faible da bande interdite, suivant les modes de réalisation. La couche d'isolation CI2 possède à nouveau un fort intervalle de bande interdite. Les épaisseurs de couches sont de quelques dizaines d'angstroms, typiquement 50 angstroms environ. Les épaisseurs des couches peuvent être différentes, suivant les propriétés souhaitées de la structure.
La couche barrière CB a une épaisseur faible relativement aux couches CI1 et CI2. On peut noter que leurs énergies de bandes interdites peuvent être différentes (pour CB, CI1, CI2).
La structure de la figure 2 peut être considérée sur 6~ ~
la base d 'un motlf : le motif élémentaire comprend l'alternanee d'une couche intermédiaire (CI1) et d'une couche de pults (CP1) d'une couche barriere (CB), d'une couche de puits (CP2) et on répète ce motif le long de l'axe de crois~ance d'epitaxie.
11ne telle structure va posgéder des proprlétés intéressantes, à partir du moment où on lui a créé des paires électron-trou peuplant certains niveaux d'énerEtie de l'un des puits quantiques.
La figure 3 illustre schématiqu0ment le cas où les couches CPl et CP2 possèdent des intervalles de bande interdite différents .
Les courbes Bv et Bc désignant respectlvement la limite supérieure de la bande de valence et la limite inférieure de la bande de conduction. C'est entre ces deux courbes que se trouve déPini l'lntervaUe de bande lnterdite.
En-dessous de la courbe Bv vont se trouver des niveaux d'energie disponibles pour les trous, parmi lesquels on distingue les trous lourds (h) et les trous légers (L).
Au-dessus de la limite de bande de conductlon Bc vont se trouver les électrons.
De plus, électrons et trous (lourds d'une part, légers d'autre part) ne peuvent prendre que certains niveaux d'énergie discrets .
Pour les trous, on voit sur la figure 3 le premier ~5 nlveau hO pour les trous légers, suivis d'autres niveaux.
Pour les électrons, on distingue pour l'ensemble des deux puits un premier niveau d'énergie EO, suivi d'un second El, et d'un troisième E2.
A chacun des niveaux d'énergie peut être associée une fonction d'onde, désignant la probabilité de présence spatiale d'un électron ou d'un trou pour ce niveau d'énergie. Sont illustrées, par exemple, schématiquement sur la figure 3 les fonctions d'onde WO, W1, W2.
Dans le cas de cette figure 3, on volt que WO est localisé principalement dans le premier puits alors qu~ Wl et W2 1 3 ~
présentant un mnximum de probabilité de présance dans le deuxième puits.
A l'examen de la flgure 3, l~homme de l'art comprendra que l'on peut d~finir dans le puits CP1 un saut d~énergie G1 minimal entre le niveau d'énergie hO pour les trous lourds et le niveau d'énergie EO pour les alectrons.
De même, dans le pu~ts (CP2), on identifie un saut d'énergie minimal G2 entre le niveau d'énergie hi pour les trous lourds et le niveau d'énergie E1 pour les électrons correspondants, Enfin, un troisième ~aut d'énergie G3 peut être défini d'une maniere un peu differente entre le niveau discret E1 et le niveau discret E2 pour las électrons.
L~ cas particulier de la figure 3 illustre la première famille de modulateurs, dans laquelle on va utiliser une absorption intra-bande, et plus précisément la sous-famille dans laquelle les intarvalles Gl et G2 ne sont pas les mêmes pour les deux puits quantiques, ceu~-cl n'étant pas intentionnellament dopes .
L~ figure 7 raprésente un exemple de réali~ation d'un modulateur selon l'invention.
Il comporte sur un substrat S les couches successives suivantes dont la croissance a éte réalisée selon l'axe OZ du repère OXYZ:
- une première couche intermédiaire CI1 - une première couche de puits quantique CP1 - une couche barrière CB
- une deuxième couche de puits quantique CP2 - une deuxième coucha intermédlaire CI2 Des électrodes E1 et E2 connectées à un générateur de tension MC et disposées, l'une sur la face inférieure du substrat S, et l'autre sur la face extérieure de la deuxième couche intermédialre CI2, permettent d'appliquer au modulateur un champ électrique de commande.
Par ailleurs une source lumineuse ME transmet una onde lumlneuYe de fréquence E t liée ~ la longueur de band0 interdlte G1 du pr~mler puits quantique par la relation G1 ~ hfl où h est la constante Planck.
Le premier pults quantique CP1 n'a qu'un ~eul niveau quantique d'électrons pour qu'en ab~ence d'application de champ électrique par les électrodes E1, E2 le modulateur puisse être transparent à l'onde à moduler.
Le modulateur peut également fonctionner avec un premier pults quantique CP1 ayant deux niveaux d'énergie et être transparent à l'onde ~ moduler en l'absence de champ électrique, mals il faut que, la différence de cas deux niveaux d'énergie ne solt pas égale à la difi`érence des nlveaux d'énergle du deuxième puits qui correspond ~ l'onde à moduler.
Icl, la composition et la dimension des couches CP1 et CP2 définissant les puits quantiques sont donc tellas que G1 est inférieur à G2.
En l'ab~ence de champ electrique externe et d'onde-pompe d'energie G1, les nlveaux électroniques EO, E1 et E2 sont vides. Le modulateur est inactif, c'est-à-dire qu'il ne peut pas absorber l'onde à moduler OM.
Lorsque la structure est pompée a l'aide d'une onde de fréquence fl tel que G1 ~ hfl < G2 (avec h = constante de Plank), le niveau EO pour les électrons et le niveau hO pour les trous se peuplent.
La fréquence de l'onde à moduler est supposée égale à
f3, tel que G3 = hf3 où h est également la constante de Plank.
Même en présence de l'onde-pompe, il n'y a pas d'électrons dans le puits CP2. Il n'y a donc pas d'absorption possible à l'énergie G3 correspondant à l'onde ~ moduler.
Si, maintenant, on agit sur les moyens de commande MC de la figure 2 pour appliquer un champ électrique longitudinal à la structure (c'est-à-dlre perpendiculaire à la couche barrière C~), on peut "amener en résonnance" les niveaux EO et E1 des puits CP1 et CP2. En cl'autres termes, on va abaisser les niveaux d'énergie discrets du puits CP2, par 1 3 1 ~
rapport à ceux du pults CPl. Le champ électrique peut donc etre a3usté cie telle manière que ln fonctlon d'onde du niveau EO
solt localisée dans le puits CP2 comme cela est r~presenté sur la figure 6.
Il en résulte la possibillté d'un transfert d'électrons du puits CP1 vers le puits CP2. Ce transfart d'électrons s'effectue par effet tunnel à travers la couche barrière, colr~ne cela est bien connu dans la technique.
A partir du moment où le niveau d'énergie E1 du puits CP2 se trouve peuplé, des transitions entre ces deux niveaux E1 et E2 avec l'énergie G3 deviennent possibles. La lumiere à la fréquence 3 peut donc maintenant être absorbée.
Les figures 4, 5 et 6 illustrant de mnniere plus précise le comportement des deux puits.
On y reconnaît les emplacements du puits CP1 de la barrière CB et du puits CP2.
Sur ces figures 4, 5 et 6 les abscisses représentent des positions en centaines d'angstroms. Les ordonnées présentent l'énergie en centaines de milli-electronvolts et les différentes fonctions d'onde élevées au carré pour être amenées à une probabilité de présence.
La ligne de base E0 marque le premier niveau d'énergie pour les électrons. La ligne en trait pointillé FL
marque le niveau de ~ermi. La llgne de base E1 marqu0 le second niveau d'énergie pour les électrons. Et la ligne de base E2 marqu~ le troisième niveau d'énergie pour les électrons.
A la ligne E0 est sup0rposée la fonction d'onde W0 pour les électrons du niveau correspondant. On volt, sur la figure 4, que cette fonction d'onde présente une plus grande probabilite de présence d'électrons dans le puits CP1, marquant la présence d'électrons dans ce puits.
Mais, en présence du champ électrique propre à
appliquer un potentlel croissant W à la structure, la fonction d'onde du niveau E0 se localise de plus en plus dans le deuxième puits comme on peut le voir sur les figures 5 puis 6. Et des ~3 1~
transitions sont alors posslbles dans le puits CP2 entre les énergies E0 et E2, avac le saut d'énergle G3 auquel correspond l'absorption d'une onde ~ la fréquence f3 précltée.
Il est à noter que, pour la valeur du champ électrique 5 à laquelle les électrons passent du puits CPl au puits CP2, le~
trous restent localises dans le premier puits. Il en résulte une séparation spatiale des électrons qui sont dans le puits CP2 et des trous qui sont dans le puits CP1. Ceci a pour effet d'augmsnter la duréa de vle de3 paires électron-trou 10 photo-créées, et ce de plus de trois ordres de grandeur (environ I000). La conséquence de ceci est que, pour obtenir un0 même quantité d'électron~ en régime stationnaire, sur le niveau du puits quantiqua CP2 permettant une absorption à la fréquence f3, il suffit d'une onde-pompe bien moins puissante 15 tsensiblement mille fois moins puissante) que dans les techniques connues.
La commutatlon de la modulation se fait à l'aide d'une commande par le champ élactrique. La bande passante de ce type de modulateurs est donc limitée par la vitesse d'établissement 20 du champ électrique. Pour une densité de porteur de l'ordre de 1011 à 1O12 électrons par cm~, l'absorption intra-bande etant assez grande, les distances d'interaction peuvent être faibles.
Il s'agit typiquement de quelques microns, que l'on pourra comparer aux quelques millimètres nécessaires pour les 25 modulateurs fondés sur l'effet Pockels.
L'homme de l'art comprendra que ceci permet d'améliorer à la fois la bande passante du modulateur et sa profondeur de modulation.
Selon une variante de réalisation, au lieu d'appliquer 30 une onde de pompage, on prevoit un dopage de l'un des puits et sous application d'un champ électrique le fonctionnement est identique à ce qui est décrit précédemment.
Il convient de préciser que dans c0tte variante de réalisation, si le puits quantique CPl est dopé, le modulateur sera normalement (sans application de champ électriqua) .
.
13 131~
transparent .
Si c'est le puits CP2 qui est dopé, le modulateur sara normalement opaque pour la fréquence f3 à moduler. La structure des couches du modulsteur selon cette variante sera 5 identique à celle de la i'igure 7.
A ce propos, il est rappelé que l'lnégalité des intervalles d'énergie de bande interdite des deux puits peut être due non seulement ~ leur eomposition mais aussi à leur structure, notamment à leur geométrie.
Dans ce qui précèd0, on a consideré deux sous-aspects de la premiere famille de réallsations selon l'invention .
Dans une seconde famille, les fréquences qui interviennent sont liées à des transitions inter-bandes, 15 c'est-à-dire entra la bande de conduction et entre la bande de valence .
L'onde h moduler sera una onda de fréquence fl correspondant à la bande interdite Gl ou légèrement supérieure.
Si l'on se réfère a nouvenu aux figures 3 et 4, il 20 apparaît que l'on peut modul0r l'absorptlon d'une onde à
fréquence fl, liée à ltintervalle de bande interdite G1, située dan3 18 proche infrarouge, par une onde à fréquence f2, liée à
l'intervalle de bande interdite G2.
On conserve bien entendu la double commande par une 25 onde-pompe de fréquence f2 et par le champ électrique. L'intérêt du puits couplé réside alors dans l'augmantation du temps de vie des porteurs, c'est-a-dire des paires électron-trou. Il en résulte une diminution de la puissance de l'onde-pompe qui est nécessaire pour réaliser la saturation de l'absorption à la 30 fréquence fl liée à G1.
Si les deux puits sont identiques, il y a modulation la fréquence fl par effet STARK et l'intérêt du système des puits consiste à augmenter l'effet STARK.
La direction dans laquelle l'onde à moduler doit être appliquée à la structure n'est pas unique. Cependant, on ne ~31~5 veut pas non plus appllquer cette onde dans une direction quelconque. Il faut en effet pour la transition intrabande que la polarisatlon de l'onde lumineuse soit suivant l'axe OZ, alors que pour une transition lnterbande cette polarisation est 5 intardite.
Selon l'exemple de réalisation de la figure 7, l'onde hV3 à moduler est inclinée par rapport à la face supérleure du dispositlf. Pour que le modulateur fonctionna, 11 faut que l'une des composantes du chnmp électrique de l'onde ~ moduler soit 10 polarisée selon un axe parallèle à l'axe OZ, cet axe OZ étant l'axe de croissance des couches C11, à CI2 constituant le modulateur. Il convient donc que l'on ait l'une des composantes d~ l'onde à moduler s~rientée selon un autre axe que l'axe OZ.
Selon la figure 8, les deux ondes h~1 et h~3 sont 15 parnllèles au plan des couche~ du modulateur et plus précisément parallèles à l'axe OY.
Cependant, bien que cela ne soit pas représenté, on pourrait avolr tout autre type d'orientation des directions d'ondes h~?l et h~3 soit entre-elles, soit par rapport au plan 20 des couches CI1 à CI2 du modulatsur Dans le cas où l'onde à moduler ou l'oncle de pompage arrive selon la face superieure ciu modulateur, l'électrode E2, au moins, doit être seml-transparente à l'onde ou aux ondes qui la traversent.
25 A cet égard, on notera que l'onde à moduler peut être soit libre, soit guidée par confinement selon ~me dimension, soit guidée selon deux dimensions.
La figure 9 représente un exemple de réalisation fonctionnant en mode guidé. La couche intermediaire CI2 possède 30 à sa partie supérieure une portion de guidage G orientée, par exemple, selon l'axe OY. La réalisation de ce guide est connue dans la technique et l'on sait déterminer un guide ayant des dimenslons permettant d'obtenir un bon guidage.
Selon la figure 9, l'électrocle F,2 ne recouvre que la partie de guidage G, mais selon d'autres mode de réalisatlon , .
:~3~ ~15 elle peut recouvrir également l'ensemble de la couche C12.
Selon l'exemple d~7 re~lisation de la flgure 9, l'onde à moduler est orientée selon l'axe OY mais elle pourrait avoir une autre orientation. La direction de polarlsatlon de cette onde doit etre orientaè selon 1'axe de crolssance OZ.
Dans ce qui préc~de, on choisit un substrat dont l'indice de réfraction est de préférence inferieur à l'indice du guide.
Dans le cas d'un fonctlonnement par transmission travers le modulateur, c'est-à-dire d'un fonctionncment dans lequel l'onde à moduler pénetre dans le modulateur par la face supérieure de celui-ci, le substrat pèut pr~senter une certaine absorption ce qui peut être pré~udiciable au fonctionnement du dispositif .
Pour limiter cet inconvénient, on prévoit alors d'amlncir le substrat.
Cortune cela est représenté, par exemple en figure 1O, une cavité
pratiquée dans l'épaisseur du substrat dlminue le trajet optique dans le matériau du substrat.
Dans les- exemples de réalisation des figures 7 à 1O, on a représenté des modulateurs dans lesquels une onde de pompage permet un peuplement en électrons du niveau d'énergie du premier puits quantique CP1. On peut également réaliser ce peuplement en électrons par dopage. Dans ce cas là, la source ME d'onde de pompage n'est pas utile at le système reste sLmilaire à ceux représentés sur les figures.
L'homme de l'art comprendra également que l'efficacité de modulation peut être accrue, en prenant une structure où le motif de deux puits quantiques est repété
plusieurs fois. Dans ce cas, si l'on se refère à la figure 2, la couche CI2 ~oue le rôle de couche CI1, et serait donc suivie d'un autre ensemble CPl,CB,CP2,CI2, et ainsi de suite, le cas échéant .
Selon l'invention, la structure de l'lnvention peut être appliquée à la réalisation d'un détecteur d'onde . :
.
.
., ,, .
l'électro-absorptlon (afot Franz-Keldys11). Dans ce cns, on ~alt Intervenlr un chEImp oloctl Ique de commando qul, lorsqu'll e~t assez élevé, déplace le soull d'absorp10n du matérlau (en termas de ~réquence). Dan3 ca dernler type do modul~teur, 11 5 faut utlllser des materlaux ~eml-conducteurs ayant une énergla de bande lnterdite trè~ procho de l'énergle do l'onde d moduler.
Psr exomple, dans lo cas d'une ondo Infrarougo do longueur d'onda 10 mlcromètres, dos alliages de mntérlsux II-II de la classl~lcatls~rl pérlodlque de~ élérnents do Men~:leleov ~ont 10 utlll~és. Toutefols, l'élaboratlon de co~ matérlaw~ ost très dl~flcile d rnaîtrlser Industrlellement, et étant donna leur alble lntervaUe d'énergle de bande lnterdlte, lls ~ont très senslbles aux Imper~octlons de fabrlcation.
C'est pour cette ralson que d'autres solutlons ont été
15 proposées pour le~quelles on se sert de l'absorption lntra-bando entre par exemple deux nlveaux dlscrets d'un puits quantique.
La fabrlcatlon des matérlsux ~emlconducteurs servant à définlr ce9 pults quantlquos sont blen mleux maîtri~a~ notamment dans le cas d'utillsatlon de semlconducteurs III-V de 1~ cla~slElcatlon 20 pérlodlque des éléments.
Dans une telle structure, le moyen de co~unande de la modulatlon repose sur une onde-pompe, qul est modulée en amplltude et pos~ede une fréquence supérleure h celle de l'onde à moduler. L'onde-pompe sert A poupler un nlveau dlscret du 25 pult3 quantlque. L'absorptlon de l'onde à moduler se falt alors à l'alde d'une transltlon des électrolls (ou des trous3 de ce premlor nivoau dl~cret du pults quantlquo à un autre nlveau discret. On conunande alnsl l'absorptlon d'une onde dont la ~réquence est égale à la dlf~érence entre les énorgles des deux 30 nlveaux dlscrets dlvlsés par la conYtante de Planck.
Plus précisément, un tel modulateur peut comporter une structure possédant un puits quantique dont les caractéristiques optiques sont modifiées par un pompage optique réalisé par une onde de commande appartenant au domaine infra-rouge ~ ' .
~ 3 ~ ~31~
moyen. L'onde de commnnde est modulée uu moyen d'un modulateur classlqua. En ~s~odulnnt l'nmplltuda de l'onde cle conunande, 11 est po~slble do moduler l'nmplltude ou la phase de l'onde ~ modular.
Quolque très interes3ants pour certalne~ appllcntlons, cas modulE~teur~ possèdent néanmolns un lnconvanlent r~slduel:
il e~t Imposslble de les optlmi~er pour obtenlr à la ol~ une grande bande passante et une bonne pro~ondeur de modulntlon.
En e~fet, 1B bande pnssante de ces modulateurs Qst limltée solt psr la bande passante de l'onde-pompe, solt par le temps de recomblnalson des porteurs photo-creés nu premler nlvenu dlscret d'énergla du pults quantlque. Pour nn sublr que la llmltatlon due à ln bande passante de l'onde-pompe, 11 est souhaltable d'avolr des temps de vle des porteurs falbles. Mals alors, pour une pulssance de l'onde-pompe donnée, plus ce temps de ~rle des porteurs est court, plus la profondeur de modulatl~n sera falble. Il apparnît donc flnalement qu'à l'heure actuelle, 11 n'a pa9 encore été pos31ble d'obtenlr des modulatsurs optlques antlèrement satls~aisants, en partlculier lorsqu'il s'sglt de lumlère ln~rarouge.
Un premler but de l'inventlon est de fournlr un modulateur optlque dan3 lequel on a réallsé une séparntlon spatlale des électrons et des trous dnns deux puits quantlque~
dlEférents ce qul permet d'augmenter la durée de vle des paires électron-trou. Ceci permet notamment de dimlnuer la pulssance de l'onde-pompe n~cessalre pour une absorptlon Intra-bande donnée .
L'lnventlon n également pour but de i`ournir un modulateur qul puisse être normalement tran~parent ou blen, au contralre, normalement opaqua, pour l'onde ~lectromagnétlque à
moduler ~
L'lnventlon a au~si pour but de fournlr un modulateur qui pul3se etre commandé par le champ électrlque~
Enfln, le modul~teur pouvant aussl être commnnde pnr la coexl~tence d'une onde-pompe et d'un chnmp électrlque, l1 e~t utilisable comme fonction de porte (ET) ou bien encore dans des applications de type "reconnaissance d'images".
La présente invention vis~ un modulateur d'onde électromagnétique, de type comprenant:
une structure semi-conductrice comportant une première alternance de couches définissant un premier puits quantique, des moyens de peuplement d'électrons du premier niveau d'énergie discret du premier puits quantique, et des moyens de commande d'une absorption par le puits quantique d'une onde à moduler, modulateur dans lequel ladite structure semi-conductrice comporte une autre alternance de couches, voisine de la première alternance de couches et définissant un second puits quantique, couplé au premier puits quantique à travers une couche barrière, et lesdits moyens de commande comportent des moyens propres à appliquer sur commande à la structure un champ électrique perpendiculaire à ladite barrière, ce qui permet d'augmenter la durée de vie des paires électron-trou créées, les puits d'énergie ayant des compositions telles que le premier puits admet un seul niveau discret d'énergie tandis que le deuxième puits admet deux niveaux d'énergie dont la différence correspond à une fréquence à moduler multipliée par la constante de Plank.
De préférence, dans une première famille, parti-culièrement intéressante, de dispositifs, le modulateur est en outre remarquable en ce que l'onde à moduler est sujette à une absorption intrabande, c'est-à-dire réalisée entre un premier et un second niveaux d'énergie situés du même côt~
de la bande interdite de l'un des puits quantiques.
De pré~érence, selon une sous-famille de modula-teurs, le second puits quantique poss~de un intervalle d'énergie de bandes interdites supérieur à celui du premier.
.
._ .
~ ~31~
4a De préférence, dans un mode de realisation plus particulier conforme à cekte sous-~amille, les moyens d'excitation appliquent à la structure semi-conductrice une onde-pompe, propre au peuplement d'un niveau d'énergie du premier puits quantique par des paires electron-trou, tandis que l'application du champ électrique transfere des électrons du premier pui~s quantique au second, ladite absorption intra-bande intervenant dans le second puits quant~que.
1 3 ~
De preference, un aspec-t particulièremen-t intéressant de l'invention réside alors en ce que les moyens d'excitation peu~ent être rendus actiEs sur commande. Ceci permet une fonction de commande "et", ainsi que des S opérations de reconnaissance d'images.
De préférence, dans une autre sous-famille de modulateurs, l'un des puits quantique est dopé.
L'excitation se fait par l'application d'un champ électrique qui transfère des électrons de l'un des puits quantiques à
l'autre, dans lequel intervient l'absorption intra-bande précitée.
De préférence, si le puits dopé est le premier puits, alors le modulateur est normalement transparent pour l'onde à moduler, Dans le cas contraire où le puits dopé
est le second puits, le modulateur est- normalement opaque pour l'onde à moduler.
Dans l'un ou l'autre cas, le modulateur peut, en outre, comporter des contacts ohmiques sur des couches situées de part et d'autre des puits quantiques. Le courant ainsi collecté lui permet de fonctionner en détecteur de lumière pour l'onde modulée.
De préférence, dans une seconde famille de modulateurs, l'onde à moduler est sujette à une absorption inter-bande, entre deux niveaux d'énergie situés de part et d'autre de la bande interdite de l'un des puits quantiques.
Il est également préférentiel, en ce cas, que le second puits quantique possède un intervalle d'énergie de bande interdite supérieur à celui du premier.
De préférence, de façon générale, les modulateurs selon la présente invention peuvent recevoir une onde à
moduler libre, ou bien une onde guidée, selon une ou deux dimensions. De préférence le motif de deux puits quantiques défini plus haut peut être répété plusieurs fois.
De préférence, les modulateurs selon la présente .~
~,,~. ?~
invention peuvent opérer un inPrarouge, sur pratiquement toute la b:ande, notamment pour des longueurs d'ondes d~ 10 micro-mètres ou plus.
D'autres caracteristiques et avantage~ de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillee ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels:
- - la flgure 1 e~t un exelnple de réall~atlon d'un modulateur selon l'art connu - la El~ure 2 sst un schema de prlnclpa d'un modul~teur selon la présente Inventlon;
- 1~ 1gure 3 e~t un dl~ramme schématlque de nlveaux d'energle permettant de mleux comprendra le onotlonnement d'un dl~posJtlf selon la présente Inventlorl;
- les Elgures 4, 5 et 6 sont des diagrnmmes d'allergle et de fonctlon d'ondes deElnlssant plus préclsément lo fonctJonrlament d'un mode de reallsatlon du dlsposltl~ salon la prasente Invantlon;
- la 1gure 7 représente un exemple de renllsatlon du modulateur de l'lnventlon;
- la flgure 8 e~t Ulle varlante de re~llsatlon du modulsteur de la ~Igure 6;
- la flgure 9 est un exemple de réallsatlon du modulateur de l'lnven~lon fonctlonnant en optlque guldée;
- la flgure 10 est une varlante da réallsatlon des modulnteur~
des Elgures 7 d 9;
- la ~lgure 11 est un exemple de réallsatlon d'un détecteur optlque selon l'lnvantloll.
Les desslns annexés comportent pour l'essentlel des éléments de caractère certaln. Il3 sont donc ~ consldérer comme Incorporés d la présente descrlptlon at pourront, non seulement servlr à mleux alre comprendre calle ol, mal~ aus61 contrlbuer à la déElnitlon de l'lnventlon, le cas échéant.
131~61~
- 6a -Comme cela a été,représenté en figure 1, un modulateur selon l'art connu peut comporter une structure possédant un puits quantique (1,2,3~ dont les caractéristiques optiques sont modifiées par un pompage optique realisé par une onde de commande (h.Vl) appartenant au domaine infra-rouge moyen. L'onde de commande h.Vl est modulée au moyen d'un modulateur classique. En modulant l'amplitude de l'onde de commande h.Vl, il est possible de moduler l'amplitude ou la phase de l'onde à,moduler h.v 3.
Sur la figure 2, une structure semi-conductrice selon l'invention est définie par un substrat semi-conducteur S, sur lequel on dépose par épitaxie une couche intermediaire CIl, suivie d'une couche active CPl, d'une couche barrière CB, d'une couche active CP2, et d'u~e couche intermédiaire CI2.
Préferentiellement, le materiau semi-conducteur utilisé pour la structure est fondé sur des semi~conducteurs des ~$
.
7 ~31~
colonnes III et V de la classification pérlodique de Mendelee-v, ou de leurs alliages. Il p~ut s'agir en particulier d'alliages entre l'aluminium, le gallium, I'indium, d'une part et le phosphore, l'arsenic, l'anthnoiner d'autre p~rt. Les alliages 5 peuvent atre binaires ou ternaires ou quaternaires.
La figure 2 fait ancore apparaître deux électrodes E1 et E2 placées, par exemple, l'uns sur la face accessible du substrat, l'autre sur la derniere couche situés à l'opposé, qui est supposée ici être la couche lntermédiaire CI2. L'application 10 d'une tension entre les électrodes E1 et E2 par des moyens de comlTIande MC permet d'établir sur commande un champ électrique perpendiculaire aux diPférentes couches et notamment à la couche barrière CB.
De façon générale, on sait réaliser des structures comportant des puit~ quantiques.
A cet effet, par exemple, le substrat est dope ou non.
La première couche intermédiaire CI1 possedQ une composition qui lui confère un fort intervalle d'énergie de bande interdite (souvent dénommé brièvement "gap" en terminologie - 20 anglo-saxonne). On utilisara ici l'abréviation "intervalle de bande interdite". La couche CP1, qul va servir à définir un premier puits, possède un faible intervalle de bande interdite.
La couche barrière CB possède à nouveau un fort invervalle de bande interdite. La seconde couche de puits CP2 possede un intervalle moyen ou faible da bande interdite, suivant les modes de réalisation. La couche d'isolation CI2 possède à nouveau un fort intervalle de bande interdite. Les épaisseurs de couches sont de quelques dizaines d'angstroms, typiquement 50 angstroms environ. Les épaisseurs des couches peuvent être différentes, suivant les propriétés souhaitées de la structure.
La couche barrière CB a une épaisseur faible relativement aux couches CI1 et CI2. On peut noter que leurs énergies de bandes interdites peuvent être différentes (pour CB, CI1, CI2).
La structure de la figure 2 peut être considérée sur 6~ ~
la base d 'un motlf : le motif élémentaire comprend l'alternanee d'une couche intermédiaire (CI1) et d'une couche de pults (CP1) d'une couche barriere (CB), d'une couche de puits (CP2) et on répète ce motif le long de l'axe de crois~ance d'epitaxie.
11ne telle structure va posgéder des proprlétés intéressantes, à partir du moment où on lui a créé des paires électron-trou peuplant certains niveaux d'énerEtie de l'un des puits quantiques.
La figure 3 illustre schématiqu0ment le cas où les couches CPl et CP2 possèdent des intervalles de bande interdite différents .
Les courbes Bv et Bc désignant respectlvement la limite supérieure de la bande de valence et la limite inférieure de la bande de conduction. C'est entre ces deux courbes que se trouve déPini l'lntervaUe de bande lnterdite.
En-dessous de la courbe Bv vont se trouver des niveaux d'energie disponibles pour les trous, parmi lesquels on distingue les trous lourds (h) et les trous légers (L).
Au-dessus de la limite de bande de conductlon Bc vont se trouver les électrons.
De plus, électrons et trous (lourds d'une part, légers d'autre part) ne peuvent prendre que certains niveaux d'énergie discrets .
Pour les trous, on voit sur la figure 3 le premier ~5 nlveau hO pour les trous légers, suivis d'autres niveaux.
Pour les électrons, on distingue pour l'ensemble des deux puits un premier niveau d'énergie EO, suivi d'un second El, et d'un troisième E2.
A chacun des niveaux d'énergie peut être associée une fonction d'onde, désignant la probabilité de présence spatiale d'un électron ou d'un trou pour ce niveau d'énergie. Sont illustrées, par exemple, schématiquement sur la figure 3 les fonctions d'onde WO, W1, W2.
Dans le cas de cette figure 3, on volt que WO est localisé principalement dans le premier puits alors qu~ Wl et W2 1 3 ~
présentant un mnximum de probabilité de présance dans le deuxième puits.
A l'examen de la flgure 3, l~homme de l'art comprendra que l'on peut d~finir dans le puits CP1 un saut d~énergie G1 minimal entre le niveau d'énergie hO pour les trous lourds et le niveau d'énergie EO pour les alectrons.
De même, dans le pu~ts (CP2), on identifie un saut d'énergie minimal G2 entre le niveau d'énergie hi pour les trous lourds et le niveau d'énergie E1 pour les électrons correspondants, Enfin, un troisième ~aut d'énergie G3 peut être défini d'une maniere un peu differente entre le niveau discret E1 et le niveau discret E2 pour las électrons.
L~ cas particulier de la figure 3 illustre la première famille de modulateurs, dans laquelle on va utiliser une absorption intra-bande, et plus précisément la sous-famille dans laquelle les intarvalles Gl et G2 ne sont pas les mêmes pour les deux puits quantiques, ceu~-cl n'étant pas intentionnellament dopes .
L~ figure 7 raprésente un exemple de réali~ation d'un modulateur selon l'invention.
Il comporte sur un substrat S les couches successives suivantes dont la croissance a éte réalisée selon l'axe OZ du repère OXYZ:
- une première couche intermédiaire CI1 - une première couche de puits quantique CP1 - une couche barrière CB
- une deuxième couche de puits quantique CP2 - une deuxième coucha intermédlaire CI2 Des électrodes E1 et E2 connectées à un générateur de tension MC et disposées, l'une sur la face inférieure du substrat S, et l'autre sur la face extérieure de la deuxième couche intermédialre CI2, permettent d'appliquer au modulateur un champ électrique de commande.
Par ailleurs une source lumineuse ME transmet una onde lumlneuYe de fréquence E t liée ~ la longueur de band0 interdlte G1 du pr~mler puits quantique par la relation G1 ~ hfl où h est la constante Planck.
Le premier pults quantique CP1 n'a qu'un ~eul niveau quantique d'électrons pour qu'en ab~ence d'application de champ électrique par les électrodes E1, E2 le modulateur puisse être transparent à l'onde à moduler.
Le modulateur peut également fonctionner avec un premier pults quantique CP1 ayant deux niveaux d'énergie et être transparent à l'onde ~ moduler en l'absence de champ électrique, mals il faut que, la différence de cas deux niveaux d'énergie ne solt pas égale à la difi`érence des nlveaux d'énergle du deuxième puits qui correspond ~ l'onde à moduler.
Icl, la composition et la dimension des couches CP1 et CP2 définissant les puits quantiques sont donc tellas que G1 est inférieur à G2.
En l'ab~ence de champ electrique externe et d'onde-pompe d'energie G1, les nlveaux électroniques EO, E1 et E2 sont vides. Le modulateur est inactif, c'est-à-dire qu'il ne peut pas absorber l'onde à moduler OM.
Lorsque la structure est pompée a l'aide d'une onde de fréquence fl tel que G1 ~ hfl < G2 (avec h = constante de Plank), le niveau EO pour les électrons et le niveau hO pour les trous se peuplent.
La fréquence de l'onde à moduler est supposée égale à
f3, tel que G3 = hf3 où h est également la constante de Plank.
Même en présence de l'onde-pompe, il n'y a pas d'électrons dans le puits CP2. Il n'y a donc pas d'absorption possible à l'énergie G3 correspondant à l'onde ~ moduler.
Si, maintenant, on agit sur les moyens de commande MC de la figure 2 pour appliquer un champ électrique longitudinal à la structure (c'est-à-dlre perpendiculaire à la couche barrière C~), on peut "amener en résonnance" les niveaux EO et E1 des puits CP1 et CP2. En cl'autres termes, on va abaisser les niveaux d'énergie discrets du puits CP2, par 1 3 1 ~
rapport à ceux du pults CPl. Le champ électrique peut donc etre a3usté cie telle manière que ln fonctlon d'onde du niveau EO
solt localisée dans le puits CP2 comme cela est r~presenté sur la figure 6.
Il en résulte la possibillté d'un transfert d'électrons du puits CP1 vers le puits CP2. Ce transfart d'électrons s'effectue par effet tunnel à travers la couche barrière, colr~ne cela est bien connu dans la technique.
A partir du moment où le niveau d'énergie E1 du puits CP2 se trouve peuplé, des transitions entre ces deux niveaux E1 et E2 avec l'énergie G3 deviennent possibles. La lumiere à la fréquence 3 peut donc maintenant être absorbée.
Les figures 4, 5 et 6 illustrant de mnniere plus précise le comportement des deux puits.
On y reconnaît les emplacements du puits CP1 de la barrière CB et du puits CP2.
Sur ces figures 4, 5 et 6 les abscisses représentent des positions en centaines d'angstroms. Les ordonnées présentent l'énergie en centaines de milli-electronvolts et les différentes fonctions d'onde élevées au carré pour être amenées à une probabilité de présence.
La ligne de base E0 marque le premier niveau d'énergie pour les électrons. La ligne en trait pointillé FL
marque le niveau de ~ermi. La llgne de base E1 marqu0 le second niveau d'énergie pour les électrons. Et la ligne de base E2 marqu~ le troisième niveau d'énergie pour les électrons.
A la ligne E0 est sup0rposée la fonction d'onde W0 pour les électrons du niveau correspondant. On volt, sur la figure 4, que cette fonction d'onde présente une plus grande probabilite de présence d'électrons dans le puits CP1, marquant la présence d'électrons dans ce puits.
Mais, en présence du champ électrique propre à
appliquer un potentlel croissant W à la structure, la fonction d'onde du niveau E0 se localise de plus en plus dans le deuxième puits comme on peut le voir sur les figures 5 puis 6. Et des ~3 1~
transitions sont alors posslbles dans le puits CP2 entre les énergies E0 et E2, avac le saut d'énergle G3 auquel correspond l'absorption d'une onde ~ la fréquence f3 précltée.
Il est à noter que, pour la valeur du champ électrique 5 à laquelle les électrons passent du puits CPl au puits CP2, le~
trous restent localises dans le premier puits. Il en résulte une séparation spatiale des électrons qui sont dans le puits CP2 et des trous qui sont dans le puits CP1. Ceci a pour effet d'augmsnter la duréa de vle de3 paires électron-trou 10 photo-créées, et ce de plus de trois ordres de grandeur (environ I000). La conséquence de ceci est que, pour obtenir un0 même quantité d'électron~ en régime stationnaire, sur le niveau du puits quantiqua CP2 permettant une absorption à la fréquence f3, il suffit d'une onde-pompe bien moins puissante 15 tsensiblement mille fois moins puissante) que dans les techniques connues.
La commutatlon de la modulation se fait à l'aide d'une commande par le champ élactrique. La bande passante de ce type de modulateurs est donc limitée par la vitesse d'établissement 20 du champ électrique. Pour une densité de porteur de l'ordre de 1011 à 1O12 électrons par cm~, l'absorption intra-bande etant assez grande, les distances d'interaction peuvent être faibles.
Il s'agit typiquement de quelques microns, que l'on pourra comparer aux quelques millimètres nécessaires pour les 25 modulateurs fondés sur l'effet Pockels.
L'homme de l'art comprendra que ceci permet d'améliorer à la fois la bande passante du modulateur et sa profondeur de modulation.
Selon une variante de réalisation, au lieu d'appliquer 30 une onde de pompage, on prevoit un dopage de l'un des puits et sous application d'un champ électrique le fonctionnement est identique à ce qui est décrit précédemment.
Il convient de préciser que dans c0tte variante de réalisation, si le puits quantique CPl est dopé, le modulateur sera normalement (sans application de champ électriqua) .
.
13 131~
transparent .
Si c'est le puits CP2 qui est dopé, le modulateur sara normalement opaque pour la fréquence f3 à moduler. La structure des couches du modulsteur selon cette variante sera 5 identique à celle de la i'igure 7.
A ce propos, il est rappelé que l'lnégalité des intervalles d'énergie de bande interdite des deux puits peut être due non seulement ~ leur eomposition mais aussi à leur structure, notamment à leur geométrie.
Dans ce qui précèd0, on a consideré deux sous-aspects de la premiere famille de réallsations selon l'invention .
Dans une seconde famille, les fréquences qui interviennent sont liées à des transitions inter-bandes, 15 c'est-à-dire entra la bande de conduction et entre la bande de valence .
L'onde h moduler sera una onda de fréquence fl correspondant à la bande interdite Gl ou légèrement supérieure.
Si l'on se réfère a nouvenu aux figures 3 et 4, il 20 apparaît que l'on peut modul0r l'absorptlon d'une onde à
fréquence fl, liée à ltintervalle de bande interdite G1, située dan3 18 proche infrarouge, par une onde à fréquence f2, liée à
l'intervalle de bande interdite G2.
On conserve bien entendu la double commande par une 25 onde-pompe de fréquence f2 et par le champ électrique. L'intérêt du puits couplé réside alors dans l'augmantation du temps de vie des porteurs, c'est-a-dire des paires électron-trou. Il en résulte une diminution de la puissance de l'onde-pompe qui est nécessaire pour réaliser la saturation de l'absorption à la 30 fréquence fl liée à G1.
Si les deux puits sont identiques, il y a modulation la fréquence fl par effet STARK et l'intérêt du système des puits consiste à augmenter l'effet STARK.
La direction dans laquelle l'onde à moduler doit être appliquée à la structure n'est pas unique. Cependant, on ne ~31~5 veut pas non plus appllquer cette onde dans une direction quelconque. Il faut en effet pour la transition intrabande que la polarisatlon de l'onde lumineuse soit suivant l'axe OZ, alors que pour une transition lnterbande cette polarisation est 5 intardite.
Selon l'exemple de réalisation de la figure 7, l'onde hV3 à moduler est inclinée par rapport à la face supérleure du dispositlf. Pour que le modulateur fonctionna, 11 faut que l'une des composantes du chnmp électrique de l'onde ~ moduler soit 10 polarisée selon un axe parallèle à l'axe OZ, cet axe OZ étant l'axe de croissance des couches C11, à CI2 constituant le modulateur. Il convient donc que l'on ait l'une des composantes d~ l'onde à moduler s~rientée selon un autre axe que l'axe OZ.
Selon la figure 8, les deux ondes h~1 et h~3 sont 15 parnllèles au plan des couche~ du modulateur et plus précisément parallèles à l'axe OY.
Cependant, bien que cela ne soit pas représenté, on pourrait avolr tout autre type d'orientation des directions d'ondes h~?l et h~3 soit entre-elles, soit par rapport au plan 20 des couches CI1 à CI2 du modulatsur Dans le cas où l'onde à moduler ou l'oncle de pompage arrive selon la face superieure ciu modulateur, l'électrode E2, au moins, doit être seml-transparente à l'onde ou aux ondes qui la traversent.
25 A cet égard, on notera que l'onde à moduler peut être soit libre, soit guidée par confinement selon ~me dimension, soit guidée selon deux dimensions.
La figure 9 représente un exemple de réalisation fonctionnant en mode guidé. La couche intermediaire CI2 possède 30 à sa partie supérieure une portion de guidage G orientée, par exemple, selon l'axe OY. La réalisation de ce guide est connue dans la technique et l'on sait déterminer un guide ayant des dimenslons permettant d'obtenir un bon guidage.
Selon la figure 9, l'électrocle F,2 ne recouvre que la partie de guidage G, mais selon d'autres mode de réalisatlon , .
:~3~ ~15 elle peut recouvrir également l'ensemble de la couche C12.
Selon l'exemple d~7 re~lisation de la flgure 9, l'onde à moduler est orientée selon l'axe OY mais elle pourrait avoir une autre orientation. La direction de polarlsatlon de cette onde doit etre orientaè selon 1'axe de crolssance OZ.
Dans ce qui préc~de, on choisit un substrat dont l'indice de réfraction est de préférence inferieur à l'indice du guide.
Dans le cas d'un fonctlonnement par transmission travers le modulateur, c'est-à-dire d'un fonctionncment dans lequel l'onde à moduler pénetre dans le modulateur par la face supérieure de celui-ci, le substrat pèut pr~senter une certaine absorption ce qui peut être pré~udiciable au fonctionnement du dispositif .
Pour limiter cet inconvénient, on prévoit alors d'amlncir le substrat.
Cortune cela est représenté, par exemple en figure 1O, une cavité
pratiquée dans l'épaisseur du substrat dlminue le trajet optique dans le matériau du substrat.
Dans les- exemples de réalisation des figures 7 à 1O, on a représenté des modulateurs dans lesquels une onde de pompage permet un peuplement en électrons du niveau d'énergie du premier puits quantique CP1. On peut également réaliser ce peuplement en électrons par dopage. Dans ce cas là, la source ME d'onde de pompage n'est pas utile at le système reste sLmilaire à ceux représentés sur les figures.
L'homme de l'art comprendra également que l'efficacité de modulation peut être accrue, en prenant une structure où le motif de deux puits quantiques est repété
plusieurs fois. Dans ce cas, si l'on se refère à la figure 2, la couche CI2 ~oue le rôle de couche CI1, et serait donc suivie d'un autre ensemble CPl,CB,CP2,CI2, et ainsi de suite, le cas échéant .
Selon l'invention, la structure de l'lnvention peut être appliquée à la réalisation d'un détecteur d'onde . :
.
.
., ,, .
3 1 ~
électromagnetiqu~ .
Dans ce cas là, on réalise des contacts ohmiques R1, R~ sur les couches extérleures du dispositif comme cela est raprésenté sur la figure 11.
Un datecteur de o~urant DE est alors connecté aux contacts ohmiques et parmet au disposltif de l'invention da fonctionner en détecteur d'onde électromagnatique.
Ce dispositif peut alor~ atre ut31isé en clispositif de reconnaissance d'images en permettant de réaliser la fonction 10 "ET" de l'onde de pompe et de l'onde à moduler.
En optique guidée, on pourra ninsi envisager l'intégration d'un modulateur et d'un dstecteur infrarouge ~ur la même structure semi-conductrice, ce qui peut être intéressant pour certaines applications .
La figure 11 représente un exempls de réallsation d'un tel détecteur. A tltre d'exemple, on a représenté un détecteur fonctionnant en mode guidé. L'électrode E2 ne recouvre qu'une partie du guide.
Sur une autre partie du guide est réalisée un contact 20 oht,nique R1. Sur la face libre du sub~trat S est également réalisé un autre contact ohmique R2. Un détecteur DE est connecté entre les deux contacts ohmiques R1 et R2 et parmet de détecter un courant traduisant la traversée d'une onde h~3.
Selon le détecteur de la figure 11, il est possible de 25 réaliser liélectrode E1 et le contact ohmique R2 en une seula pièce, le datecteur DE et le générateur MC ayant alors une de leurs bornes connectées électriquement.
Le détecteur de la figure 11 fonctionne en optique guidée. Il peut également fonctionner en optique non guidée en 30 adaptant le modulateur de la figure 7 par réalisation d'au moins un contact ohmique R1 à la surface de la couche CI2. Ce détecteur peut alors fonctionner en détecteur d'image en éclairant la face ~upérieure de la couche CI2 à l'aide d'une onde de pompe (h~1) et d'une onde à moduler. Chaque onde transmet une image et le détecteur permet alors de le~t identifier.
17 13~1gl~i Enfin, le d~tect~ur p8Ut atre réalise en appliquant la varisnte de realisation cle l'invention dans l~quelle le psuplement en électrons du niveau d'énergie extérieur du premler puits quantique est obtenu par dopage. La source ME
n'est donc plus utile. Le détecteur fonctionne en detection d'un niveau fixe de l'onde à moduler.
Bien entendu, la présente invention n'est pas lhnitée aux modes de réalisations décrlts mais s'étend à toute variante incluse dans le cadre des revendications ci-après.
:
électromagnetiqu~ .
Dans ce cas là, on réalise des contacts ohmiques R1, R~ sur les couches extérleures du dispositif comme cela est raprésenté sur la figure 11.
Un datecteur de o~urant DE est alors connecté aux contacts ohmiques et parmet au disposltif de l'invention da fonctionner en détecteur d'onde électromagnatique.
Ce dispositif peut alor~ atre ut31isé en clispositif de reconnaissance d'images en permettant de réaliser la fonction 10 "ET" de l'onde de pompe et de l'onde à moduler.
En optique guidée, on pourra ninsi envisager l'intégration d'un modulateur et d'un dstecteur infrarouge ~ur la même structure semi-conductrice, ce qui peut être intéressant pour certaines applications .
La figure 11 représente un exempls de réallsation d'un tel détecteur. A tltre d'exemple, on a représenté un détecteur fonctionnant en mode guidé. L'électrode E2 ne recouvre qu'une partie du guide.
Sur une autre partie du guide est réalisée un contact 20 oht,nique R1. Sur la face libre du sub~trat S est également réalisé un autre contact ohmique R2. Un détecteur DE est connecté entre les deux contacts ohmiques R1 et R2 et parmet de détecter un courant traduisant la traversée d'une onde h~3.
Selon le détecteur de la figure 11, il est possible de 25 réaliser liélectrode E1 et le contact ohmique R2 en une seula pièce, le datecteur DE et le générateur MC ayant alors une de leurs bornes connectées électriquement.
Le détecteur de la figure 11 fonctionne en optique guidée. Il peut également fonctionner en optique non guidée en 30 adaptant le modulateur de la figure 7 par réalisation d'au moins un contact ohmique R1 à la surface de la couche CI2. Ce détecteur peut alors fonctionner en détecteur d'image en éclairant la face ~upérieure de la couche CI2 à l'aide d'une onde de pompe (h~1) et d'une onde à moduler. Chaque onde transmet une image et le détecteur permet alors de le~t identifier.
17 13~1gl~i Enfin, le d~tect~ur p8Ut atre réalise en appliquant la varisnte de realisation cle l'invention dans l~quelle le psuplement en électrons du niveau d'énergie extérieur du premler puits quantique est obtenu par dopage. La source ME
n'est donc plus utile. Le détecteur fonctionne en detection d'un niveau fixe de l'onde à moduler.
Bien entendu, la présente invention n'est pas lhnitée aux modes de réalisations décrlts mais s'étend à toute variante incluse dans le cadre des revendications ci-après.
:
Claims (18)
1. Modulateur d'onde électromagnétique, de type comprenant:
une structure semi-conductrice comportant une première alternance de couches définissant un premier puits quantique, des moyens de peuplement d'électrons du premier niveau d'énergie discret du premier puits quantique, et des moyens de commande d'une absorption par le puits quantique d'une onde à moduler, modulateur dans lequel ladite structure semi-conductrice comporte une autre alternance de couches, voisine de la première alternance de couches et définissant un second puits quantique, couplé au premier puits quantique à travers une couche barrière, et lesdits moyens de commande comportent des moyens propres à appliquer sur commande à la structure un champ électrique perpendiculaire à ladite barrière, ce qui permet d'augmenter la durée de vie des paires électron-trou créées, les puits d'énergie ayant des compositions telles que le premier puits admet un seul niveau discret d'énergie tandis que le deuxième puits admet deux niveaux d'énergie dont la différence correspond à une fréquence à moduler multipliée par la constante de Planck.
une structure semi-conductrice comportant une première alternance de couches définissant un premier puits quantique, des moyens de peuplement d'électrons du premier niveau d'énergie discret du premier puits quantique, et des moyens de commande d'une absorption par le puits quantique d'une onde à moduler, modulateur dans lequel ladite structure semi-conductrice comporte une autre alternance de couches, voisine de la première alternance de couches et définissant un second puits quantique, couplé au premier puits quantique à travers une couche barrière, et lesdits moyens de commande comportent des moyens propres à appliquer sur commande à la structure un champ électrique perpendiculaire à ladite barrière, ce qui permet d'augmenter la durée de vie des paires électron-trou créées, les puits d'énergie ayant des compositions telles que le premier puits admet un seul niveau discret d'énergie tandis que le deuxième puits admet deux niveaux d'énergie dont la différence correspond à une fréquence à moduler multipliée par la constante de Planck.
2. Modulateur selon la revendication 1, dans lequel l'onde à moduler est une onde à fréquence f3 = G3/h, G3 étant une différence de niveaux d'énergie d'un des puits quantiques et h la constante de Planck, l'onde à moduler étant sujette à une absorption intra-bande, entre un premier et un second niveaux d'énergie situés d'un même côté d'une bande interdite dudit puits quantique.
3. Modulateur selon la revendication 1, dans lequel lesdits puits d'énergie ont des compositions telles que le premier puits admet deux niveaux d'énergie de différence supérieure ou égale à un produit d'une fréquence à moduler par la constante de Planck tandis que le deuxième puits admet deux niveaux d'énergie de différence supérieure ou égale à un produit de la fréquence à moduler par la constante de Planck.
4. Modulateur selon la revendication 2, dans lequel lesdites couches ont une épaisseur et une composition telles que le second puits quantique possède un intervalle d'énergie de bande interdite supérieur à un intervalle d'énergie de bande interdite du premier puits quantique.
5. Modulateur selon la revendication 4, dans lequel les moyens de peuplement d'électrons appliquent à la structure semi-conductrice une onde-pompe, propre à un peuplement d'un niveau d'énergie de l'un des puits quantique, tandis qu'une application du champ électrique transfère des électrons de cedit puits quantique à l'autre puits quantique, ladite absorption intrabande intervenant dans ce second puits quantique.
6. Modulateur selon la revendication 5, dans lequel les moyens de peuplement d'énergie sont actifs sur commande et sont combinés aux moyens de commande pour permettre une fonction "ET".
7. Modulateur selon la revendication 4, dans lequel les moyens de peuplement d'électrons de l'un des puits quantiques comportent un dopage d'une couche active de ce puits.
8. Modulateur selon la revendication 7, dans lequel le puits dopé est le premier puits, le modulateur étant normalement transparent pour l'onde à moduler.
9. Modulateur selon la revendication 7, dans lequel le puits dopé est le second puits, le modulateur étant normalement opaque pour l'onde à moduler.
10. Modulateur selon la revendication 1, dans lequel l'onde a moduler est une onde à fréquence f1 = G1/h, G1 étant une différence des niveaux d'énergie d'un desdits puits quantique et h une constante de Planck, sujette à une absorption interbande, entre deux niveaux d'énergie situés de part et d'autre d'une bande interdite de cedit puits quantique.
11. Modulateur selon la revendication 10, dans lequel le second puits quantique possède un intervalle d'énergie de bande interdite différent ou égal à un intervalle d'énergie de bande interdite du premier puits quantique.
12. Modulateur selon la revendication 11, opérant dans un proche infrarouge.
13. Modulateur selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, recevant ladite onde à
moduler guidée, selon une ou deux dimensions.
moduler guidée, selon une ou deux dimensions.
14. Modulateur selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, dans lequel un motif de deux puits quantiques est répété plusieurs fois.
15. Modulateur selon la revendication 2, dans lequel une longueur d'onde à moduler appliquée au modulateur a une valeur au moins égale à la constante de Planck divisée par la différence de niveau d'énergie.
16. Modulateur selon la revendication 10, dans lequel une longueur d'onde à moduler appliquée au modulateur a une valeur au moins égale à la constante de Planck divisée par la largeur de bande interdite du deuxième puits.
17. Modulateur selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 15 ou 16, comportant des contacts ohmiques sur des faces extérieures du modulateur de part et d'autre des puits quantiques ainsi qu'un détecteur de courant connecté à ces contacts ohmiques, pour réaliser un détecteur d'onde magnétique.
18. Modulateur selon la revendication 5, dans lequel les moyens de peuplement d'électrons appliquent à la structure semi-conductrice l'onde-pompe, propre au peuplement du niveau d'énergie de l'un des puits quantique par des paires d'électron-trou.
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| FR8806346 | 1988-05-11 |
Publications (1)
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| CA1314615C true CA1314615C (fr) | 1993-03-16 |
Family
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