FR2495383A1 - Diode electroluminescente a superradiance ayant un rendement de couplage eleve avec un guide d'ondes optiques - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne l'optoélectronique. Une diode électroluminescente à supperradiance 150 présente un confinement latéral de la lumière dans le plan de jonction dans le but d'améliorer le rendement de couplage avec une fibre optique. Le guide d'ondes qui est formé dans ce but dans la diode a une ouverture numérique égale à celle de la fibre optique, et l'indice de réfraction n, la longueur L et la largeur D du guide d'ondes formé dans la diode sont choisis de façon que le paramètre nD/2L soit très inférieur à l'ouverture numérique. Application aux télécommunications optiques. (CF DESSIN DANS BOPI)
Description
La présente invention concerne les systèmes de transmission par guides
d'ondes optiques et elle porte plus particulièrement sur des diodes électroluminescentes à superradiance capables de fournir de la lumière à une fibre ou un guide d'ondes optique avec un rendement maximal.
Bien que les lasers à semiconducteurs aient ren-
contré un succès considérable dans l'utilisation en tant que sources optiques dans les systèmes à guides d'ondes à fibres, il existe encore de nombreux problèmes non résolus en ce qui concerne ces dispositifs. Plus particulièrement, un grand nombre des lasers n'ont pas des durées de vie s'approchant de celles des autres composants des systèmes à guides
d'ondes à fibres et leur rendement de fabrication n'est tou-
jours pas aussi élevé qu'on le désire. Certaines théories sur le fait que les lasers n'offrent pas une durée de vie
appropriée ont suggéré que la présence de maximums d'oscil-
lation optique à l'intérieur de la cavité du laser peut, en fait, contribuer à la dégradation rapide du dispositif. Au contraire, les diodes électroluminescentes produisent un rayonnement non cohérent et, par conséquent, elles n'ont pas d'ondes stationnaires d'énergie optique à l'intérieur de
leur région active et, pour cette raison, elles peuvent pré-
senter des durées de vie beaucoup plus longues que leurs
cousins les lasers. Cependant, les diodes électroluminescen-
tes fabriquées jusqu'à maintenant ne permettent pas de cou-
pler vers une fibre le niveau de puissance optique qui est nécessaire pour les applications dans les systèmes, et il a donc été suggéré d'utiliser les diodes électroluminescentes
à superradiance. Les diodes électroluminescentes à super-
radiance sont supérieures aux diodes électroluminescentes
ordinaires dans la mesure o elles ont une plus grande lar-
geur de bande de modulation et une plus faible largeur spectrale. Dans ce type de diode électroluminescente, la région active est pompée jusqu'à un niveau tel que les faisceaux lumineux qui sont générés à l'intérieur de la région active manifestent un gain, mais le dispositif est
conçu à dessein de façon à ne pas avoir de résonateur opti-
hue, afin d'éviter une oscillation laser.
On trouve la description d'un type de diode élec-
troluminescente à superradiance dans l'article intitulé
"A Stripe-Geometry Double-Heterostructure Amplified-Sponta-
neous-Emission (Superluminescent) Diode" par T. P. Lee et col., IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-9, nO 8, août 1973, pages 820-828. Dans la diode électroluminescente
à superradiance décrite dans cet article, une région de con-
finement de courant ayant une configuration géométrique en bande est établie par le contact réalisé sur un dispositif
à double hétérostructure, et on donne volontairement au con-
tact une longueur inférieure à la longueur totale de la puce de semiconducteur, dans le but de faire en sorte que le rayonnement soit absorbé dans la région non pompée qui n'est pas couverte par le contact. De cette manière, on
emp8che le fonctionnement en laser. L'article précité suggè-
re également de donner à l'ouverture numérique "géométrique"
de la région active une valeur pratiquement égale à l'ouver-
ture numérique de la fibre vers laquelle la lumière doit
être couplée.
L'invention est basée sur la découverte du fait qu'on peut obtenir le rendement maximal en couplant une
diode électroluminescente à superradiance à une fibre opti-
que ou un autre guide d'ondes en établissant un confinement latéral de l'énergie optique à l'intérieur de la région active de la diode électroluminescente, de façon à former dans la région active un guide d'ondes dont l'ouverture
numérique latérale effective NAg (et non l'ouverture numé-
rique "géométrique") soit pratiquement égale à l'ouverture numérique NAf du guide d'ondes optique qui doit être excité par la diode électroluminescente à superradiance. En outre, on réalise la diode électroluminescente à superradiance de façon qu'elle ait une région de guide d'ondes pompée ayant une longueur L, une largeur D et un indice de réfraction effectif n tels que l'ouverture numérique "géométrique" nD/2L soit très inférieure à l'ouverture numérique du guide de la diode électroluminescente à superradiance. Ainsi, on
a: NAg NAf et nD/2L < NA. Il en résulte que la popula-
tion de porteurs inversée à l'intérieur de la région active -est utilisée de façon très efficace pour amplifier les rayons lumineux qui sont tous capturés par le coeur de la
fibre ou par le guide d'ondes externe.
Dans le mode de réalisation particulier décrit ci-après, le guide d'ondes qui se trouve à l'intérieur de la diode électroluminescente est réalisé en chargeant la couche active par une structure en forme d'arête. L'indice effectif de la couche active sous la région de l'arête est supérieur à l'indice effectif de la couche active à l'extérieur de la région chargée par l'arête, ce qui définit un guide d'ondes latéral à l'intérieur de la région active. Dans ce mode de réalisation particulier chargé par une arête, on forme par croissance épitaxiale sur un substrat de phosphure d'indiul une couche active quaternaire comportant les éléments indium, gallium, arsenic et phosphore, et on charge cette couche quaternaire par une arête de phosphure d'indium. Dans d'autres modes de réalisation, la couche active quaternaire peut être isolée du substrat de phosphure d'indium par une seconde couche quaternaire de composition différente, et on peut réaliser un réglage fin de l'une ou l'autre de ces structures, dans le but d'obtenir l'ouverture numérique optimale, en interposant une troisième couche quaternaire
entre la couche active et l'arête de phosphure d'indium.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de
la description qui va suivre de modes de réalisation et en
se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une représentation d'une diode électroluminescente à superradiance construite conformément à l'invention de façon à être adaptée à un guide d'ondes à fibre optique multimode de type classique, La figure 2 est une représentation d'une diode électroluminescente à superradiance et d'une fibre optique
multimode positionnées de façon à mettre en oeuvre l'inven-
tion, et La figure 3 est un graphique montrant le rendement
(exprimé par le rapport entre la puissance optique introdui-
te dans la fibre et la puissance électrique appliquée à la
diode) en fonction de l'ouverture numérique latérale du gui-
de d'ondes à l'intérieur de la couche de région active de la diode. La diode électroluminescente a superradiance occupe une position intermédiaire entre une diode électroluminescente sans gain et un laser à injection. Elle rayonne de la lumière
non cohérente, mais elle a une luminosité élevée, un diagram-
me spectral et un diagramme de rayonnement réduits, et une grande largeur de bande de modulation. L'invention est basée sur l'étude de la façon d'obtenir le rendement maximal dans le couplage d'une diode électroluminescente à superradiance
à un guide d'ondes à fibre optique. Pour obtenir le rende-
ment maximal, exprimé par le rapport entre la puissance opti-
que introduite dans le guide d'ondes et la puissance électri-
que qui est appliquée à la diode électroluminescente à super-
radiance, on assure un confinement latéral de l'énergie opti-
que à l'intérieur de la diode électroluminescente à super-
radiance, en réalisant cette dernière de façon qu'elle com-
porte un guide d'ondes dans la jonction plane de la couche de région active. Dans l'étude effectuée, on a simulé au moyen d'un modèle sur ordinateur le comportement d'une diode électroluminescente à superradiance ayant une configuration géométrique en bande. Le programme utilisé trace les rayons lumineux provenant de sources uniformément réparties sur tout le guide d'ondes en bande, ce qui donne des contributions de
puissance qui sont accumulées à des points discrets à l'in-
térieur de la structure, et permet de calculer la densité de photons et la puissance de sortie à chaque extrémité de la bande. Le problème est rendu non linéaire par l'interaction entre la densité de photons, qui sature le gain, et le gain
qui détermine la densité de photons. On a obtenu des solu-
tions stationnaires par itérations successives.
La meilleure façon de montrer les résultats de l'étude sur ordinateur consiste à considérer les courbes représentées sur la figure 3. Ces deux courbes supposent
dans la diode électroluminescente à superradiance une struc-
ture de guide d'ondes en bande ayant un coefficent de réfle-
xion de zéro à chaque extrémité dé la région active. Elles supposent également toutes deux une ouverture numérique de 0,2 pour le guide d'ondes à fibre optique. Il est bien connu que ceci est l'ouverture numérique caractéristique qu'on obtient dans les fibres optiques multimodes construites à l'heure actuelle par les techniques de dép8t de vapeur. Les deux courbes sont tracées en portant en ordonnée le rende- ment, exprimé par le rapport entre la puissance optique introduite dans le guide à fibre optique et la puissance
électrique appliquée à la diode électroluminescente à super-
radiance, et en portant en abscisse l'ouverture numérique latérale effective du guide d'ondes à l'intérieur de la région active du dispositif. Pour les deux courbes, la région de guide d'ondes a une largeur D, une longueur L, un indice de réfraction effectif n et elle est pompée avec une densité de courant de 5000 A/cm. Comme l'indique la figure 3, le dispositif représenté par la courbe 301 présente un maximum de rendement de valeur très élevée à un point auquel l'ouverture numérique du guide d'ondes dans la diode électroluminescente à superradiance est égale à l'ouverture
numérique de la fibre optique. Ceci s'oppose au cas du dis-
positif représenté par la courbe 302, pour lequel le rende-
ment à cette ouverture numérique de 0,2 est simplement un peu supérieur au rendement à des ouvertures numériques plus élevées.
La différence entre les deux dispositifs représen-
tés par les courbes 301 et 302 peut être spécifiée par le paramètre d'ouverture numérique "géométrique" nD/2L, dans lequel n est l'indice effectif du guide d'ondes, D est la largeur du guide d'ondes et L est la longueur du guide d'ondes. Pour la courbe 302, ce paramètre nD/2L est égal à 0,28, c'est-à-dire qu'il est approximativement égal à l'ouverture numérique de la fibre optique. Pour la courbe 301 pour laquelle le dispositif présente un maximum critique
de rendement, ce paramètre nD/2L est égal à 0,035, c'est-à-
dire qu'il est très inférieur à l'ouverture numérique du guide d'ondes optique. En fait, la courbe 301 correspond à un guide d'ondes en bande mince et très allongé, dans la région active, pour lequel le paramètre nD/2L est très
inférieur à l'ouverture numérique du guide d'ondes optique.
Dans ce cas, les rayons optiques situés à l'intérieur du guide d'ondes peuvent utiliser l'inversion de population des électrons pour produire essentiellement des rayons qui sont capturés de façon certaine par le coeur de la fibre optique, en particulier lorsque ce guide d'ondes a une ouverture numérique pratiquement égale à celle du guide d'ondes optique. Le rendement indiqué par la courbe 301 diminue à partir du maximum pour des ouvertures numériques
qui sont inférieures à l'optimum, du fait que ce cas repré-
sente un moindre guidage des rayons optiques et que de nombreux rayons sont perdus dands la couche non pompée, à l'extérieur de la région pompée. Le rendement diminue pour
les ouvertures numériques qui sont supérieures à l'ouvertu-
re numérique du guide d'ondes optique du fait que dans ces cas, les rayons sont limités de façon encore plus serrée, si bien qu'une partie importante de la population inversée d'électrons est utilisée pour produire des rayons qui ne
peuvent jamais être capturés par le coeur de la fibre opti-
que. En conclusion, l'étude sur ordinateur effectuée par les inventeurs a révélé les critères suivants pour l'établissement du rendement de couplage maximal entre une diode électroluminescente à superradiance et un guide d'ondes optique: (1) l'ouverture numérique obtenue par le
confinement latéral dans la région active d'une diode élec-
troluminescente à superradiance en bande à émission par l'extrémité doit être approximativement égale à l'ouverture numérique du guide d'ondes optique, et (2) la région active doit être construite de façon à avoir un indice effectif n, une largeur D et une longueur L tels que nD/2L soit très
inférieur à l'ouverture numérique du guide d'ondes optique.
Cependant, dans tous les cas, il est évidemment nécessaire
de faire en sorte que la diode électroluminescente à super-
radiance présente un gain résultant, et que la largeur de
la région active dans la diode électroluminescente à super-
radiance soit inférieure à la largeur du coeur du guide
d'ondes optique.
La figure 1 représente une diode électroluminescen-
te à superradiance 150 qui constitue un mode de réalisation d'une diode électroluminescente à superradiance qui peut être réalisée pour mettre en oeuvre l'invention avec une
fibre optique multimode de type classique ayant une ouver-
ture numérique de 0,2. Comme le montre la figure 1, une cou-
che de phosphure d'indium 101 de 2 pm est formée par crois-
sance épitaxiale sur un substrat de phosphure d'indium 100,
puis une couche active 102 en InGaAsP est formée par crois-
sance épitaxiale sur la couche 101, avec une épaisseur de -0,6 pm. On choisit les éléments de cette couche 102 de
façon à obtenir une bande interdite représentant une lon-
gueur d'onde de 1,3 pm. On fait croître la couche 101 avec un dopage de type n. On fait croître par épitaxie au sommet de la couche 102 une couche 103 de phosphure d'indium de type p ayant une épaisseur de 1 pm. Enfin, on fait croître par épitaxie sur la couche 103 une couche supérieure 104,
avec un fort dopage de type p, afin de réaliser un bon con-
tact électrique avec les couches situées sous elle. On uti-
lise ensuite les techniques d'attaque classiques pour former une structure en forme d'arête ayant une longueur L de 500 Pum à une extrémité du dispositif, ce qui laisse environ
500 Pm des couches d'origine intactes 103 et 104, à l'arriè-
re du dispositif, pour fair.e fonction d'absorbant. On revêt ensuite d'une couche de nitrure de silicium 106 toute la
surface supérieure du dispositif, à l'exception de la surfa-
ce supérieure de l'arête, et on recouvre la surface supérieu-
re de l'arête avec un contact en alliage or/zinc 105. On recouvre également toute la surface inférieure-du dispositif,
sous le substrat 100, avec un contact or/étain 107.
Le confinement latéral est obtenu dans la région active de la couche 102 par le fait que l'arête située sur la région active donne à cette partie de la couche active 102 un indice effectif supérieur à celui des parties de la
région active 102 qui ne sont pas couvertes par l'arête.
L'ouverture numérique NAg de ce guide d'ondes est égale à (N1 - N2), en désignant par N1 l'indice effectif de la
région active de la couche 102 sous l'arête et par N2 l'indi-
ce effectif-dans les régions de la couche 102 qui ne sont pas couvertes par la structure en forme d'arête. On peut calculer ces indices effectifs N1 et N2 en utilisant les techniques indiquées par H. Kogelnik et col. dans leur article intitulé "Scaling Rules for Thin-Film Optical Waveguides," Applied Optics, Vol. 13, (1974), pages 1857- 1862. Pour la structure représentée sur la figure 1, avec une épaisseur de région active de 0,6 pm, on calcule que l'ouverture numérique est égale à 0,26 pour le mode TE
et à 0,44 pour le mode TM. On a trouvé qu'une autre struc-
ture donnant des ouvertures numériques qui sont proches de
l'ouverture numérique d'une fibre multimode est une structu-
re dans laquelle la couche 101, formée par croissance épita-
xiale, est une couche quaternaire ayant une bande interdite
équivalente à une longueur d'onde de 1,1 jum. Dans ce der-
nier cas, l'ouverture numérique est égale à 0,26 pour le mode TE et à 0, 36 pour le mode TM. Dans ces deux cas, on peut diminuer légèrement les ouvertures numériques, dans le but de les faire correspondre d'encore plus près à celle du guide d'ondes optique, en faisant croître par épitaxie entre
les couches 102 et 103 une couche quaternaire d'indice infé-
rieur à celui de la couche 102, ce qui réalise en fait un
réglage fin des indices effectifs dans chacune des régions.
Le dispositif ainsi réalisé, comportant un confi-
nement latéral dans le but d'obtenir une ouverture numéri-
que approximativement égale à celle du guide d'ondes à fibre optique, peut ensuite être monté de la manière représentée
sur la figure 2, afin de diriger directement son rayonne-
ment de sortie dans le coeur d'une fibre optique. Avant le
montage, le revêt avantageusement la diode électrolumines-
cente à superradiance avec un revêtement antiréfléchissant 201 qui couvre la totalité de la face d'émission de lumière de la diode électroluminescente à superradiance. Si la réflectivité de la face de sortie est suffisamment faible,
on peut obtenir un avantage supplémentaire en ce qui con-
cerne la puissance de sortie en remplaçant l'absorbant situé à l'extrémité opposée de la diode électroluminescente à
superradiance par un miroir ayant une réflectivité finie.
L'homme de l'art notera qu'on peut encore améliorer davantage
le rendement de couplage en intercalant une lentille cylin-
drique orientée parallèlement au plan de jonction, entre la
diode électroluminescente à superradiance et la fibre opti-
que, dans le but de capturer de façon plus efficace les rayons optiques qui sont émis par la région active de la diode électroluminescente à superradiance. Cette adaptation améliore le rendement du fait que l'ouverture numérique transversale perpendiculairement au plan de jonction de cette région active est habituellement très grande par
rapport à l'ouverture numérique de la fibre optique.
L'homme de l'art notera également que l'invention peut être mise en oeuvre en adaptant l'ouverture numérique
de la diode électroluminescente à superradiance à l'ouver-
ture numérique d'un système optique dans lequel la diode introduit de la lumière. Par conséquent, on peut également interposer une lentille sphérique c*assique entre la diode électroluminescente à superradiance et le guide d'ondes à
fibre optique dans le but de transformer à la fois la lar-
geur et l'ouverture numérique du guide d'ondes optique en une ouverture numérique et une largeur effectives, vues par
la diode électroluminescente à superradiance. Cette trans-
formation obéit évidemment à la relation optique classique définie par la lentille, ce qui fait que le produit de la largeur par l'ouverture numérique demeure constant dans la transformation. On peut en outre utiliser d'autres techniques et
procédés connus de l'homme de l'art pour réaliser le confi-
nement latéral nécessaire dans le guide d'ondes de la diode
électroluminescente à superradiance.
Il va de soi que de nombreuses autres modifica-
tions peuvent être apportées au dispositif décrit et repré-
senté, sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (5)
1. Diode électroluminescente à superradiance et à émission par l'extrémité, comportant une couche active avec une région pompée de longueur L, qui peut être adaptée au couplage à un système de guide d'ondes optique de sortie ayant un diamètre de coeur supérieur à la largeur de la
région d'émission de lumière de cette diode, et une ouvertu-
re numérique NAf, caractérisée en ce que les indices de
réfraction dans la couche active adjacente à la région pom-
pée dans la diode électroluminescente à superradiarce sont choisis de façon à établir un confinement latéral de la lumière dans la couche active de la diode, dans une région
de guide d'ondes ayant une largeur D et une ouverture numé-
rique latérale NAg pratiquement égale à l'ouverture numéri-
que NAf du système de guide d'ondes optique de sortie, et le paramètre nD/2L, dans lequel n est l'indice de réfraction effectif dans la région d'émission de lumière de la diode,
est très inférieur àl'ouverture numérique NAg.
2. Diode électroluminescente à superradiance selon la revendication 1, caractérisée en ce que le confinement latéral de la lumière est obtenu par une structure en forme d'arête qui n'existe que sur la région d'émission de lumière
de la diode électroluminescente.
3. Diode électroluminescente à superradiance selon la revendication 2, caractérisée en ce que la couche active
de cette diode est composée d'éléments choisis dans le grou-
pe comprenant l'indium, le gallium, l'arsenic et le phospho-
re.
4. Diode électroluminescente à superradiance selon la revendication 3, caractérisée en ce que la structure en forme d'arête comporte une couche de phosphure d'indium
formée par croissance épitaxiale sur la couche active.
5. Diode électroluminescente à superradiance selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un revêtement antiréfléchissant sur sa face d'émission de lumière.
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