EP1307955A2 - Laser accordable en semi-conducteur a emission par la tranche - Google Patents

Laser accordable en semi-conducteur a emission par la tranche

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EP1307955A2
EP1307955A2 EP01963053A EP01963053A EP1307955A2 EP 1307955 A2 EP1307955 A2 EP 1307955A2 EP 01963053 A EP01963053 A EP 01963053A EP 01963053 A EP01963053 A EP 01963053A EP 1307955 A2 EP1307955 A2 EP 1307955A2
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EP
European Patent Office
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tunable
laser
tunable laser
mirror
laser according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01963053A
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German (de)
English (en)
Inventor
Joel Jacquet
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Oclaro North America Inc
Original Assignee
Alcatel CIT SA
Alcatel SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Alcatel CIT SA, Alcatel SA filed Critical Alcatel CIT SA
Publication of EP1307955A2 publication Critical patent/EP1307955A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/105—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length
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    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
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    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/125—Distributed Bragg reflector [DBR] lasers

Definitions

  • the present invention relates to a tunable semiconductor laser with wafer emission, " comprising a laser cavity of reduced length so as to avoid mode jumps.
  • Laser diodes are commonly used as tunable sources for applications in optical data transmission. In such a context, it is important to achieve great tunability, that is to say a wide range of wavelength of emission of the laser, without fear of the mode jumps which harm the quality of the optical transmission.
  • the graph in Figure 1 illustrates the 'tunability' of a 'standard' DBR (Distributed Bragg Reflector) laser for this purpose.
  • This graph gives the laser emission wavelength in nm as a function of the control current in mA applied to the electrode of the laser tuning section.
  • the control current varies the number of carriers in the active layer of the tuning section and influences the emission wavelength of the laser.
  • Such leaps in mode are also inevitable when using a “standard” tunable laser associated with a tunability technology known as MEM for “Micro-Electro-Mechanics”.
  • MEM Micro-Electro-Mechanics
  • One such technique is to vary the length of the resonant cavity of the laser. Indeed, it has been established that by varying the length L of the laser cavity, the emission wavelength ⁇ of the laser is varied. The variation of the length L is of the order of the variation of the wavelength ⁇ .
  • Such a laser is illustrated, for example, in the publication "Tunable laser diode using a nickel micromachined external mirror" by Y.Uenishi, K.Honma and S.Nagaoka published in Electronics letters of June 20, 1996, Vol 32, No 13.
  • FIGs 2a and 2b show schematically such a standard tunable laser MEM.
  • the laser diode 10 comprises a cavity delimited by two reflectors, a fixed and a mobile.
  • the laser diode 10 has a length of around 300 ⁇ m and has a fixed mirror, for example cleaved, at the front. It is the variation of the length of the cavity which allows the laser to be tuned.
  • a mirror 20, Nickel is placed one behind the diode laser 10 mounted on a base 50 in order to vary the length of the resonant cavity by a micromechanical electrical control 25.
  • tunability 20 nm could be obtained with an accuracy of 0.01 nm.
  • the graph in Figure 2b clearly shows that this tunability is not continuous but presents numerous mode jumps.
  • mode jumps must be avoided in applications to dense optical communication systems.
  • These systems generally include wavelength multiplexers known by the English term "avelength Division Multiplexing" for WDM.
  • Tunable lasers are often associated with these WDM systems, the density of which is constantly increasing.
  • Tunable lasers known as, Distributed Feedback Lasers (DFB).
  • DFB Distributed Feedback Lasers
  • the tunability of these lasers is controlled by temperature. Their output power is large, around 30 to 40 mW, but their tunability is limited to only 2 nm, which is not enough for an application to WDM systems.
  • the so-called “external cavity” lasers include a tunability mechanism consisting of an external optical mass element such as a filter or a network for example. These lasers are however too expensive and massive to be implemented in WDM telecommunication networks. In addition,> their reliability has not been demonstrated.
  • Lasers multi-sections p'roposent achieve tunability by means of electrical commands applied to different sections, which may consist of DFB, DBR, SG-DBR (Sample Grating DBR for DBR sampled networks) or temperature sensitive lasers. These lasers make it possible to obtain a good tunability, of approximately 15 to 50 nm, with a correct output power, of approximately 5 to 20 mW, although these values depend essentially on the types of lasers used for each section. Multi-section lasers are however complex to implement and configure, and little is known about their resistance to aging.
  • the fourth family of tunable lasers relates to lasers with vertical emission by the surface known under the term of VCSEL for "Vertical Cavity Surface Emitting Laser ”, in association with the MEM technique.
  • Such a laser is described in the publication "2mW CW single mode tunable operation 1550 nm vertical cavity emitting laser with 50 nm tuning. Range" by D. Vakhshoori, P.Tayebati, Chih-Cheng Lu, M.Azimi, P.Wang, Jiang-Huai Zhou and E. Canoglu published in Electronics Letters of May 27, 1999, Vol.35, No 11.
  • An illustration is given in figure 3.
  • Such a laser 10 comprises a substrate 8 (InP for example) and a region active 11 crossing the cavity framed by two reflectors, a fixed 28 and a mobile 25.
  • the mobile mirror is electrically controlled by a suspended membrane 26 making it possible to vary the length of the cavity so as to tune the emission wavelength of the laser.
  • the objective of the present invention is to solve the drawbacks of the prior art.
  • the invention provides a tunable laser having a tunability of approximately 30 nm continuously which is easy to produce, to implement and to control.
  • the laser according to the invention with emission by the wafer, has optical losses at the acceptable threshold for a significant tunability without mode jumps.
  • the length Li of the active section is between 5 and 12 ⁇ m.
  • the length L 2 of the tunable section depends on the tunability of the laser according to the following relationship:
  • ⁇ + 1 ⁇ 2/2 (n ⁇ L ⁇ + n 2 L 2 )
  • ⁇ the laser tunability ⁇ the laser emission wavelength, ni, n 2 the respective refractive indices of the first and second section of the laser cavity.
  • the laser has a continuous tunability ⁇ greater than or equal to 30nm.
  • the two reflectors fixed and mobile, each have a reflectivity greater than or equal to 90%.
  • the fixed reflector is an engraved mirror which is located on the front face of the active section.
  • the etched mirror of the fixed reflector is an alternation of semiconductor and air or an alternation of polymer and air or an alternation of semiconductor and polymer.
  • the rear face of the active section includes an anti-reflective treatment.
  • the movable reflector is a mirror external to the laser cavity.
  • the movable reflector is made of etched silicon or nickel or dielectric deposited on silicon. According to one feature, the movable reflector is controlled by a micro-electro-mechanical control (MEM)
  • MEM micro-electro-mechanical control
  • the tunable section is an air zone.
  • the tunable section is a gas zone.
  • the invention also relates to a method for manufacturing a tunable semiconductor laser with wafer emission, characterized in that it comprises the following steps: production of a laser chip comprising at least one substrate and one layer active consisting of a gain medium, the length Li of the gain medium being between 5 and 12 ⁇ m, production of a fixed etched mirror on the front face of the laser chip, transfer of the laser chip to a base, realization of a movable reflector on the base at the back of the laser chip.
  • the production of the etched mirror comprises the following steps: etching of the active layer of the laser chip, deposition of a polymer in the etched area, - etching of the polymer to form a mirror.
  • the production of the etched mirror comprises the following stages: etching of the active layer of the laser chip, resumption of epitaxy in the area etched by a non-doped semiconductor transparent to the length of emission wave, etching of the transparent non-doped semiconductor to form a mirror.
  • the production of the etched mirror further comprises a step of depositing a polymer in the etchings of the transparent non-doped semiconductor.
  • the invention cleverly makes it possible to produce a laser with emission by the wafer, the cavity of which is sufficiently short to avoid mode jumps on a high tunability while limiting optical losses at the threshold.
  • Wafer emission lasers are also easier to produce and implement than surface emitting lasers.
  • tunability using MEM technology is simple to control and stable over time and at outside temperature conditions. '
  • FIG. 1 is a graph of the emission wavelength of a standard DBR laser as a function of the control current.
  • FIG. 2a is a diagram of a standard laser associated with the known MEM technology according to the prior art.
  • FIG. 2b is a graph of the emission wavelength of the laser of FIG. 2a as a function of the control voltage.
  • - Figure 3 is a schematic sectional view of a MEM-VCSEL laser of the prior art.
  • Figure 4 is a schematic sectional view of the tunable laser according to the invention.
  • FIG. 5 is a graph of the gain of the material of the active section as a function of the emission wavelength of the laser according to the invention.
  • FIG. 6 is a graph of the emission wavelength of the laser according to the invention as a function of the control voltage.
  • the following description relates to a single-mode tunable laser allowing tunability of its emission wavelength of approximately 30 n continuously.
  • the laser according to the invention illustrated in FIG. 4, has a cavity 5 of length L delimited by two reflectors 15 and 20.
  • the cavity 5 is divided into two sections, a first active gain section 1 comprising an active layer 11 of a length Li and a second section 2 of length L 2 tunable.
  • the total length of the cavity L L ⁇ + L 2 is less than or equal to 20 ⁇ .
  • WDM optical systems typically require continuous ⁇ tunability of at least 30nm. In other words, it is necessary that the spacing between two resonant modes is at least 30 n.
  • This condition over the total length L of the cavity 5 strongly depends on the conditions of manufacture, emission and the desired tunability.
  • a laser chip 10 is produced so that the length Li of the active section 1 is between 5 and 12 ⁇ m.
  • the length L 2 of the tunable section 2 then depends on the desired tunability according to the following relationship:
  • ⁇ ⁇ 2/2 (n ⁇ L ⁇ + n 2 L 2 )
  • ⁇ 1 the laser tunability
  • ⁇ 2 the laser emission wavelength
  • ni, n 2 the respective refractive indices of the first and second section of the laser cavity.
  • This relation expresses that the laser cavity is defined in such a way that there is only one resonant mode over the range of tunability ⁇ .
  • One consequence of this relationship is the single mode operation of the laser.
  • the gain of the material g of the active section 1 has been plotted as a function of the emission wavelength of the laser ⁇ .
  • the material gain for these points B and C is less than -250cm "1 while it is + 6cm _1 for the main mode at point A.
  • the laser will have an emission in only one mode since 'A generally accepted criterion for qualifying a single mode laser is to have a gain difference of only 5cm "1 between the main mode and the" secondary "modes.
  • the problem to be solved by the invention then consists in making such a small cavity (Li between 5 and 12 ⁇ m) for a wafer emission laser. Indeed, the cavity 5 is delimited by two reflectors 15 and 20. However, on an active section 1 of length Li between 5 and 12 ⁇ m, it is not possible to produce a fixed mirror 15 by the conventional technique of cleavage which has a. precision of the order of ⁇ 5 ⁇ m.
  • the known Bragg stacking technique used to produce mirrors on the surface of components such as VCSELs, is not applicable to the production of mirrors on the wafer of components such as wafer emission lasers which concern us. .
  • the fixed reflector 15 must therefore be an engraved mirror. Several techniques can then be envisaged.
  • a first technique consists in etching the active layer 11 of the laser diode 10 to the substrate 8, then in carrying out an epitaxy resumption, also known by the English term "butt coupling" in a non-active material. transparent to the emission wavelength of the laser in which can etch the mirror 15.
  • the material used for epitaxial regrowth is preferably 1 'undoped InP (index 3.17). Etching, dry or wet according to known techniques, is then carried out in the epitaxial semiconductor to create a reflecting mirror.
  • a second technique consists in etching the active layer 11 of the laser diode 10 to the substrate 8, then in depositing a polymer, for example benzocyclobutene (BCB) which is etched to obtain a reflecting mirror .
  • a polymer for example benzocyclobutene (BCB) which is etched to obtain a reflecting mirror .
  • the two reflectors, the fixed 15 and the mobile 20, each have a reflectivity R greater than or equal to 90% in order to compensate for the short length Li of the active section 1.
  • the movable mirror 20 is associated with a MEM command, the implementation of which has been described previously.
  • This mobile mirror 20 can be produced according to various known techniques, such as anisotropic etching on silicon or micro-polishing on nickel or a dielectric deposit on silicon.
  • the laser chip 10 is transferred to a base 50, made of silicon for example, and the movable mirror 20 is fixed on this base 50 so as to be placed opposite the rear face of the chip 10 to complete the cavity 5.
  • the rear face of the chip '10 advantageously comprises an anti-reflective coating. The tunability of the laser strongly depends on the materials used in its manufacture since they determine the refractive indices.
  • the active section 1 of the cavity 5 consists of the gain medium of the active layer 11. It may be, for example, a mass material such as InGaAsP, InGaAs, InGaAlAs or a structure with quantum wells preferably forced.
  • the tunable section 2 of the cavity is air, or a gas for application to gas detectors for example, the presence of a gas modifying the refractive index of the. tunable section and thus modifying the laser emission wavelength.
  • the graph of the. FIG. 6 illustrates well the continuous tunability of the laser according to the invention.
  • the variation in the emission wavelength of the laser is directly linked to the variation in the length L 2 of the tunable section 2 of the cavity 5 of the laser.
  • This variation in length L 2 is itself linked to the square of the control voltage applied to the MEM.

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Abstract

L'invention concerne un laser accordable (10) en semi-conducteur à émission par la tranche comportant une cavité résonante délimitée par deux réflecteurs (15, 20) dont un est fixe (15) et l'autre mobile (20), ladite cavité étant composée d'une première section (1) active à gain d'une longueur L1 et d'une deuxième section (2) de longueur L2 accordable, caractérisé en ce que la longueur totale de la cavité L= L1+L2 est inférieure ou égale à 20 mu m.

Description

LASER ACCORDABLE EN SEMI-CONDUCTEUR A EMISSION PAR LA
TRANCHE
La présente invention concerne un laser accordable en semi-conducteur à émission par la tranche," comportant une cavité laser de longueur réduite de manière à éviter les sauts de mode.
On utilise couramment des diodes lasers comme sources accordables dans le cadre d'applications à la transmission optique de données. Dans un tel contexte, il est important de parvenir à une grande accordabilité, c'est à dire une grande gamme de longueur d'onde d'émission du laser, sans craindre les sauts de mode qui nuisent à la qualité de la transmission optique. \ Le graphe de la figure 1 illustre à cet effet 1' accordabilité ' d'un laser ' « standard » DBR (Distributed Bragg Reflector, pour laser à réflecteur de Bragg) . Ce graphe donne la longueur d'onde d'émission du laser en nm en fonction du courant de commande en mA appliqué sur l'électrode de la section d'accord du laser. Le courant de commande fait varier le nombre de porteurs dans la couche active de la section d' accord et influe sur la longueur d' onde d'émission du laser. En général, la section de gain d'un. laser DBR présente une longueur comprise entre 300 et 900 μm. On constate que pour une accordabilité de Δλ= 17 nm, le laser émet 35 modes différents.
De tels sauts de mode sont également inévitables lorsque l'on utilise un laser accordable « standard » associé à une technologie d' accordabilité connue sous le terme de MEM pour « Micro-Electro-Mécanique ». Une telle technique consiste à faire varier la longueur de la cavité résonante du laser. En effet, il a été établi qu'en faisant varier la longueur L de la cavité laser, on fait varier la longueur d'onde d'émission λ du laser. La variation de la longueur L est de l'ordre de la variation de la longueur d'onde λ.
Un tel laser est illustré, par exemple, dans la publication "Tunable laser diode using a nickel micromachined external mirror" de Y.Uenishi, K.Honma et S.Nagaoka parue dans Electronics letters du 20 Juin 1996, Vol 32, No 13.
Les figures 2a et 2b schématisent un tel laser standard accordable MEM. La diode laser 10 comporte une cavité délimitée par deux réflecteurs, un fixe et un mobile. La diode laser 10 a une longueur d'environ 300 μm et présente un miroir fixe, clivé par exemple, à l'avant. C'est la variation de la longueur de la cavité qui permet d'accorder le laser. Pour cela, un miroir 20, en Nickel, est placé à1 l'arrière de la diode laser 10 montée sur une embase 50 afin de faire varier la longueur de la cavité résonante par une commande électrique micro-mécanique 25. Une accordabilité de 20 nm a pu être obtenue avec une précision de 0.01 nm. Néanmoins, le graphe de la figure 2b montre clairement que cette accordabilité n'est pas continue mais présente de nombreux sauts de modes.
Or, les sauts de mode doivent être évités dans les applications aux systèmes de communication optiques denses . Ces systèmes comportent généralement des multiplexeurs en longueur d' onde connus sous le terme anglais de « avelength Division Multiplexing » pour WDM. Des lasers accordables sont souvent associés à ces systèmes WDM dont la densité ne cesse d'augmenter. Il existe également sur le marché de nombreux autres lasers accordables qui peuvent être principalement regroupés en quatre famille's.
Les lasers accordables connus sous le, terme anglo- saxon de « Distributed Feedback Lasers » (DFB) . L' accordabilité de ces lasers est contrôlée par la température. Leur puissance de sortie est importante, 30 à 40 mW environ, mais leur accordabilité est limitée à seulement 2 nm, ce qui n'est pas assez pour une application aux systèmes WDM.
Les lasers dits « à cavité externe » comportent un mécanisme d' accordabilité constitué d'un élément optique massique externe tel qu'un filtre ou un réseau par exemple. Ces lasers sont cependant trop chers et massiques pour être implémentés dans des réseaux de télécommunication WDM. De plus, > leur fiabilité n'est pas démontrée.
Les lasers ' multi-sections p'roposent de réaliser l' accordabilité au moyen de commandes électriques appliquées à différentes sections, qui peuvent être constituées de DFB, de DBR, de SG-DBR (Sample Grating DBR, pour DBR à réseaux échantillonnés), ou de lasers sensibles à la températures. Ces lasers permettent d'obtenir une bonne accordabilité, d'environ 15 à 50 nm, avec une puissance de sortie correcte, d'environ 5 à 20 mW, bien que ces valeurs dépendent essentiellement des types de lasers utilisés pour chaque section. Les lasers multi-section sont cependant complexes à mettre en œuvre et à paramétrer, et on connaît mal leur tenue au vieillissement.
La quatrième famille de lasers accordables concerne les lasers à émission verticale par la surface connus sous le terme de VCSEL pour « Vertical Cavity Surface Emitting Laser », en association avec la technique MEM.
Un tel laser est décrit dans la publication "2mW CW single mode opération tunable 1550 nm vertical cavity emitting laser with 50 nm tuning . range" de D.Vakhshoori, P.Tayebati, Chih-Cheng Lu, M.Azimi, P.Wang, Jiang-Huai Zhou et E. Canoglu parue dans Electronics Letters du 27 mai 1999, Vol.35, No 11. Une illustration en est donnée sur la figure 3. Un tel laser 10 comporte un substrat 8 (InP par exemple) et une région active 11 traversant la cavité encadrée par deux réflecteurs, un fixe 28 et un mobile 25. Le miroir mobile est commandé électriquement par une membrane suspendue 26 permettant de faire varier la longueur de la cavité de manière à accorder la longueur d'onde d'émission du laser.
Un tel laser comporte cependant des limitations technologiques. D'une part quant à la fiabilité et la résistance de la membrane 26 qui commande le miroir mobile 25, et d'autre part quant au procédé de fabrication qui nécessite un amincissement du substrat 8 par une gravure sélective au niveau de la cavité.
En outre, le gain élevé nécessaire pour obtenir un effet laser dans une cavité si petite (de longueur inférieure à 1 μm) , les pertes optiques importantes liées à la diffraction, ainsi que l'élévation de la température de la jonction due à une mauvaise dissipation obligent à recourir à une source de pompage optique, ce qui complique l'assemblage de ce laser et accroît son coût.
L'objectif de la présente invention est de résoudre les inconvénients de l'art antérieur. A cet effet, l'invention propose un laser accordable présentant une accordabilité d'environ 30 nm en continu qui soit facile à réaliser, à implémenter et à contrôler. Le laser selon l'invention, a émission par la tranche, présente des pertes optiques au seuil acceptables pour une accordabilité importante sans sauts de mode.
La présente invention concerne plus particulièrement un laser accordable en semi-conducteur à émission par la tranche comportant une cavité résonante délimitée par deux réflecteurs dont un est fixe et 1-' autre mobile, ladite cavité étant composée d'une première section active à gain d'une longueur Li et d'une deuxième section de longueur L2 accordable, caractérisé en ce que la longueur totale de la cavité L= Lι+L2 est inférieure ou égale à* 20 μm.
Selon une caractéristique, la longueur Li de la section active est comprise entre 5 et 12 μm.
Selon une autre caractéristique, la longueur L2 de la section accordable dépend de 1 'accordabilité du laser selon la relation suivante:
Δλ + 1 = λ2 / 2(nιLι+n2L2) Avec Δλ l' accordabilité du laser, λ la longueur d'onde d'émission du laser, ni, n2 les indices de réfraction respectifs de la première et deuxième section de la cavité laser.
Selon une particularité, le laser présente une accordabilité Δλ en continue supérieure ou égale à 30nm.
Selon une caractéristique, les deux réflecteurs, fixe et mobile, ont chacun une réflectivité supérieure ou égale à 90%. Selon une caractéristique, le réflecteur fixe est un miroir gravé qui se situe sur la face avant de la section active.
Selon les modes de réalisation, le miroir gravé du réflecteur fixe est une alternance de semi-conducteur et d' air ou une alternance de polymère et d' air ou une alternance de semi-conducteur et de polymère.
Selon une autre caractéristique, la face arrière de la section active comporte un traitement antireflet. Selon une autre caractéristique, le réflecteur mobile est un miroir externe à la cavité laser.
Selon les modes de réalisation, le réflecteur mobile est en silicium gravé ou en nickel ou en diélectrique déposé sur du silicium. Selon une particularité, le réflecteur mobile est contrôlé par une commande micro-éLectro-mécanique (MEM)
Selon un mode de réalisation, la section accordable est une zone d'air.
Selon un autre mode de réalisation, la section accordable est une zone de gaz.
L' invention concerne également 'un procédé de fabrication d'un laser accordable en semi-conducteur à émission par la tranche, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: réalisation d'une puce laser comportant au moins un substrat et une couche active constituée d'un milieu à gain, la longueur Li du milieu à gain étant comprise entre 5 et 12 μm, réalisation d'un miroir gravé fixe sur la face avant de la puce laser, report de la puce laser sur une embase, réalisation d'un réflecteur mobile sur l'embase à l'arrière de la puce laser. Selon un premier mode de mise en œuvre, la réalisation du miroir gravé comporte les étapes suivantes : gravure de la couche active de la puce laser, dépôt d'un polymère dans la zone gravée, - gravure du polymère pour constituer un miroir.
Selon un deuxième mode de mise en œuvre, la réalisation du miroir gravé comporte les étapes suivantes : gravure de la couche active de la puce laser, reprise d'épitaxie dans la zone gravée par un semi-conducteur non dopé transparent à la longueur d'onde d'émission, gravure du semi-conducteur non dopé transparent pour constituer un miroir.
Selon un troisième mode de mise en œuvre, la réalisation du miroir gravé comporte en' outre une étape de dépôt d'un polymère dans les gravures du semiconducteur non dopé transparent.
L'invention permet astucieusement de réaliser un laser à émission par la tranche dont la cavité est suffisamment courte pour éviter les sauts de mode sur une grande accordabilité tout en limitant les pertes optiques au seuil.
Les lasers à émission par la tranche sont en outre plus faciles à réaliser et implémenter que les lasers à émission verticale par la surface. De plus, l' accordabilité à l'aide d'une technologie MEM est simple à contrôler et stable dans le temps et aux conditions de température extérieure. '
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui suit donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et faite en. référence aux figures dans lesquelles:
La figure 1, déjà décrite, est un graphe de la longueur d'onde d'émission d'un laser standard DBR en fonction du courant de commande .
La figure 2a, déjà décrite, est un schéma d'un laser standard associé à la technologie connue MEM selon l'art antérieur.
La figure 2b, déjà décrite, est un graphe de la longueur d'onde d'émission du laser de la figuré 2a en fonction de la tension de commande . - La figure 3 est une vue schématique en coupe d'un laser MEM-VCSEL de l'art antérieur. La figure 4 est une vue schématique en coupe du laser accordable selon l'invention. La figure 5 est un graphe du gain du matériau de la section active en fonction de la longueur d'onde d'émission du laser selon l' invention.
La figure 6 est un graphe de la longueur d'onde d'émission du laser selon l'invention en fonction de la tension de commande.
La description qui suit concerne un laser accordable monomode permettant une accordabilité de sa longueur d'onde d'émission d'environ 30 n en continu. Le laser selon l'invention, illustré sur la figure 4, présente une cavité 5 de longueur L délimitée par deux réflecteurs 15 et 20.
Selon l'invention, la cavité 5 se décompose en deux sections, une première section 1 active à gain comportant une couche active 11 d'une longueur Li et d'une deuxième section 2 de longueur L2 accordable. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la longueur totale de la cavité L= Lι+L2 est inférieure ou égale à 20 μ . On parlera par la suite d'une section active 1 et d'une section accordable 2 de la cavité 5.
Les systèmes optiques WDM nécessitent typiquement une accordabilité Δλ en continue d'au moins 30nm. En d'autres termes, il est nécessaire que l'espacement entre deux modes résonants soit au minimum de 30 n .
Or, cet espacement Δλ entre deux modes résonants" (Fabry-Perot) est donné par la relation suivante:
Δλ = λ2 / 2 (ng*L)
Avec ng l'indice effectif du guide d'onde et λ la longueur d'onde d'émission du laser.
Cela conduit à la relation sur L, la longueur de la cavité, L < λ2 / 2 (ng* Δλ) .
Ainsi, par exemple, pour λ=1.55μm, ng=3.3 (indice du guide 11 en InP si on considère que la deuxième section est de l'air) et Δλ=30nm, on obtient L < 12 μm.
Cette condition sur la longueur totale L de la cavité 5 dépend fortement des conditions de fabrication, d'émission et de l' accordabilité recherchée. Préférentiellement, on réalise une puce laser 10 de manière à ce que la longueur Li de la section active 1 soit comprise entre 5 et 12 μm. La longueur L2 de la section accordable 2 dépend alors de l' accordabilité souhaitée selon la relation suivante:
Δλ = λ2 / 2(nιLι+n2L2) Avec Δλ 1 ' accordabilité du laser, λ la longueur d'onde d'émission du laser, ni, n2 les indices de réfraction respectifs de la première et deuxième section de la cavité laser. Cette relation exprime que la cavité laser est définie de telle manière qu'il n'y ait qu'un mode résonnant sur la plage d' accordabilité Δλ. Une conséquence de cette relation est le fonctionnement monomode du laser. Sur la figure 5, on a reporté le gain du matériau g de la section active 1 en fonction de la longueur d'onde d'émission du laser λ. La relation utilisée est la suivante : ' • g = g0 + 2.66 Δλ - 0.247 (Δλ)2 - 0.00171 (Δλ)3 Si on considère un mode résonant au maximum de la courbe du gain (point A à 1545nm) , les modes secondaires doivent se situer à 30nm (points B et C) .
Or, le gain matériau pour ces point B et C est inférieur à -250cm"1 alors qu'il est de +6cm_1 pour le mode principal au point A. On peut donc affirmer que le laser aura une émission sur un seul mode puisqu'un critère généralement admis pour qualifier un laser monomode est d'avoir une différence de gain de 5cm"1 seulement entre le mode principal et les modes « secondaires ».
Si on considère un cas moins favorable avec deux modes résonants proches des extrémités de la bande d' accordabilité (points D à 1530 nm et E à 1560 nm) , le laser pourrait avoir un fonctionnement bimode en oscillant sur ces deux modes étant donné la faible différence de gain matériau entre les deux. Afin d' éviter un tel fonctionnement il suffit de générer une variation de gain d' au moins 5cm"1 et d' éloigner les modes résonants de 1 nm supplémentaire pour un composant accordable sur 30 nm (d'après la relation g (λ) précédemment décrite). En toute rigueur, l'équation d' accordabilité précédente doit donc s'écrire : Δλ + 1 = λ2 / 2 (nιLι+n2L2)
Le problème que doit résoudre l'invention consiste alors à réaliser une cavité aussi petite (Li comprise entre 5 et 12 μm) pour un laser à émission par la tranche. En effet, la cavité 5 est délimitée par deux réflecteurs 15 et 20. Or, sur une section active 1 de longueur Li comprise entre 5 et 12 μm, il n'est pas possible de réaliser un miroir fixe 15 par la technique classique du clivage qui comporte une. précision de l'ordre de ±5μm.
La technique connue de l'empilement de Bragg, utilisée pour réaliser des miroirs sur la surface de composants comme les VCSELs, n'est pas applicable à la réalisation de miroirs sur la tranche de composants comme les lasers à émission par la tranche qui nous concernent.
Le réflecteur fixe 15 doit donc être un miroir gravé. Plusieurs techniques sont alors envisageables.
Une première technique consiste à réaliser une gravure de la couche active 11 de la diode laser 10 jusqu'au substrat 8, puis à procéder à une reprise d'épitaxie, également connue sous le terme anglais de "butt coupling" dans un matériau non actif transparent à la longueur d'onde d'émission du laser dans lequel on peut graver le miroir 15. Le matériau utilisé pour la recroissance épitaxiale est préférentiellement de 1 ' InP non dopé (indice 3.17). Une gravure, sèche ou humide selon les techniques connues, est alors réalisée dans le semi-conducteur épitaxié pour créer un miroir réfléchissant .
Une deuxième technique consiste à réaliser une gravure de la couche active 11 de la diode laser 10 jusqu'au substrat 8, puis à procéder à un dépôt de polymère, par exemple du benzocyclobutene (BCB) que l'on grave pour obtenir un miroir réfléchissant.
Ces deux ' techniques peuvent également être combinées dans une troisième, en réalisant un dépôt de polymère dans les gravures du semi-conducteur épitaxié afin d'avoir une alternance semi-conducteur - polymère au lieu d'une alternance semi-conducteur - air ou d'une alternance polymère - air.
Selon une particularité de l'invention, les deux réflecteurs, le fixe 15 et le mobile 20, présentent chacun une réflectivité R supérieure ou égale à 90% afin de compenser la faible longueur Li de la section active 1. En effet, la condition au seuil du laser s'exprime par la relation suivante : α = 1/Lι log(l/R).
Selon l'invention, le miroir mobile 20 est associé à une commande MEM dont la mise en œuvre a été décrite précédemment .
Ce miroir mobile 20 peut être réalisé selon diverses techniques connues, telles qu'une gravure anisotropique sur silicium ou un micro-polissage sur du Nickel ou un dépôt de diélectrique sur silicium.
La puce laser 10 est reportée sur une embase 50, en silicium par exemple, et le miroir mobile 20 est fixé sur cette embase 50 de manière à être placé en vis à vis de la face arrière de la puce 10 pour compléter la cavité 5. La face arrière de la puce' 10 comporte avantageusement un revêtement antireflet. L' accordabilité du laser dépend fortement des matériaux utilisés dans sa fabrication puisqu'ils déterminent les indices de réfraction.
La section active 1 de la cavité 5 est constituée du milieu à gain de la couche active 11. Il peut s'agir, par exemple, d'un matériau massique tel que InGaAsP, InGaAs, InGaAlAs ou d'une structure à puits quantiques préférentiellement contraints.
La section accordable 2 de la cavité est de l'air, ou un gaz pour une application à des détecteurs de gaz par exemple, la présence d'un gaz modifiant l'indice de réfraction de la. section accordabie et modifiant ainsi la longueur d'onde d'émission du laser.
Le graphe de la. figure 6 illustre bien 1' accordabilité continue du laser selon l'invention. La variation de la longueur d'onde d'émission du laser est directement liée à la variation de la longueur L2 de la section accordable 2 de la cavité 5 du laser. Cette variation de la longueur L2 est elle même liée au carré de la tension de commande appliquée au MEM.
Les relations suivantes ont pu être établies : Δλ= 2 ΔL2 avec ΔL2 = k*V2 et k une constante dont la valeur a été déterminée à 0.8 nm/V2.

Claims

REVENDICATIONS
1. Laser accordable (10) en semi-conducteur à émission par la tranche comportant une cavité résonante délimitée par deux réflecteurs (15, 20) dont un est fixe (15) et l'autre mobile (20), ladite cavité étant composée d'une première section (1) active à gain d'une longueur Li et d'une deuxième section (2) de longueur L2 accordable, caractérisé en ce que la longueur totale de la cavité L= Lι+L2 est inférieure ou égale à 20 μm.
2. Laser accordable selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur Li de la section active (1) est comprise entre 5 et 12 μm.
I
3. Laser accordable selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la longueur L2 de la section accordable (2) dépend de 1' accordabilité du laser selon la relation suivante:
Δλ + 1 = λ2 / 2(nιLι+n2L2) Avec Δλ l' accordabilité du laser, λ la longueur d'onde d'émission du laser, ni, n2 les indices de réfraction respectifs de la première et deuxième section de la cavité laser.
4. Laser accordable selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il présente une accordabilité Δλ en continue supérieure ou égale à 30nm.
5. Laser accordable selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux réflecteurs, fixe (15) et mobile (20), ont chacun une réflectivité supérieure ou égale à 90%.
6. Laser accordable selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réflecteur fixe (15) est un miroir gravé.
7. Laser accordable selon la revendication 6, caractérisé en ce que le miroir gravé du réflecteur fixe (15) est une alternance de semi-conducteur et d' air.
8. Laser accordable selon la revendication 6, caractérisé en ce que le miroir, gravé du réflecteur fixe (15) est une alternance de polymère et d'air.
9. Laser accordable selon la revendication 6, caractérisé en ce que le miroir gravé du réflecteur fixe (15) est une alternance de semi-conducteur et de polymère.
10. Laser accordable selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le réflecteur fixe (15) se situe sur la face avant de la section active (1) .
11. Laser accordable selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face arrière de la section active (1) comporte un traitement antireflet.
12. Laser accordable selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réflecteur mobile (20) est un miroir externe à la cavité laser.
13. Laser accordable selon la revendication 12, caractérisé en ce que le réflecteur mobile (20) est en silicium gravé.
14. Laser accordable selon la revendication 12, caractérisé en ce que le réflecteur mobile (20) est en nickel.
15. Laser accordable selon la revendication 12, caractérisé en ce que le réflecteur mobile (20) est en diélectrique déposé sur silicium.
16. Laser accordable selon l'une des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que le réflecteur mobile (20) est contrôlé par une commande micro-électromécanique (MEM) .
17. Laser accordable selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la section accordable (2) est une zone d'air.
18. Laser accordable selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la section accordable (2) est une zone de gaz.
19. Procédé de fabrication d'un laser accordable en semi-conducteur à émission par la tranche selon les revendications 1 à 18, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: réalisation d'une puce laser (10) comportant au moins un substrat (8) et une couche active (11) constituée d'un milieu à gain, la longueur Li du milieu à gain étant comprise entre 5 et 12 μm, réalisation d'un miroir gravé fixe (15) sur la face avant de la puce laser (10),
- report de la puce laser (10) sur une embase (50),
- réalisation d'un réflecteur mobile (20) sur l'embase (50) à l'arrière de la puce laser (10) .
20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que la réalisation du miroir gravé (15) comporte les étapes suivantes: - gravure de la couche active de la puce laser,
- dépôt d'un polymère dans la zone gravée, gravure du polymère , pour constituer un miroir. '
21. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que la réalisation du miroir gravé (15) comporte les étapes suivantes:
- gravure de la couche active de la puce laser,
- reprise d' épitaxié dans la zone gravée par un semi-conducteur non dopé transparent à la longueur d'onde d'émission, gravure du semi-conducteur non dopé transparent pour constituer un miroir.
22. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que la réalisation du miroir gravé (15) comporte en outre une étape de dépôt d'un polymère dans les gravures du semi-conducteur non dopé transparent.
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