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WO2003055021A2 - Procede d'amelioration des caracteristiques optiques de composants optoelectroniques multicouches - Google Patents

Procede d'amelioration des caracteristiques optiques de composants optoelectroniques multicouches Download PDF

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Publication number
WO2003055021A2
WO2003055021A2 PCT/FR2002/004396 FR0204396W WO03055021A2 WO 2003055021 A2 WO2003055021 A2 WO 2003055021A2 FR 0204396 W FR0204396 W FR 0204396W WO 03055021 A2 WO03055021 A2 WO 03055021A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical
implantation
layer
refractive index
pattern
Prior art date
Application number
PCT/FR2002/004396
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English (en)
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WO2003055021A3 (fr
Inventor
Hideaki Page
Carlo Sirtori
Alfredo De Rossi
Original Assignee
Thales
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales filed Critical Thales
Priority to US10/499,197 priority Critical patent/US7981707B2/en
Priority to AU2002364846A priority patent/AU2002364846A1/en
Priority to EP02801141A priority patent/EP1466393A2/fr
Publication of WO2003055021A2 publication Critical patent/WO2003055021A2/fr
Publication of WO2003055021A3 publication Critical patent/WO2003055021A3/fr

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3401—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers
    • H01S5/3402—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers intersubband lasers, e.g. transitions within the conduction or valence bands
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01S5/12—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

Definitions

  • Optoelectronic components such as quantum cascade lasers (so-called “QCL”) or optical waveguides with vertical optical confinement, comprise highly doped surface layers and having a strong gradient of refractive index compared to the layers under -jacentes.
  • QCL quantum cascade lasers
  • optical waveguides with vertical optical confinement comprise highly doped surface layers and having a strong gradient of refractive index compared to the layers under -jacentes.
  • multilayer optoelectronic components were used, the refractive index of which varied periodically or pseudo-periodically. Such components are increasingly used in modern optoelectronic devices to control the spatial and spectral coherence of the optical field.
  • CAIBE chemical beam ion beam etching
  • RIE reactive ion etching
  • the subject of the present invention is a process for producing multilayer optoelectronic components with a refraction index varying widely locally, the components produced by this process having the best possible optical characteristics, being easily reproducible, being able to be provided with electrical contact layers if necessary. where appropriate, and which can be mounted so as to have good qualities of heat dissipation.
  • the present invention also relates to optoelectronic components produced according to this method, and the cost price of which is as low as possible.
  • the method according to the invention consists in implanting ions in discontinuous zones of a heavily doped layer, so as to locally modify the concentration of doping and therefore the refractive index of this layer.
  • Figure 1 is a cross-sectional view of a prior art optical waveguide
  • Figure 2 is a cross-sectional view, similar to that of Figure 1, but relating to an optical waveguide produced according to the method of the invention
  • Figure 3 is a simplified perspective view of an optical waveguide produced according to the method of the invention.
  • Figure 4 is a perspective view of a waveguide of the "Horizontal Arrow” type produced according to the method of the invention.
  • Figure 5 is a simplified sectional view of the device of Figure 4.
  • Figure 6 is a diagram showing the relative variations of the refractive index in the width direction of the laser of Figure 5;
  • Figure 7 is a simplified sectional view of an ⁇ -DFB that is to say a waveguide with a zig-zag path, produced according to the method of the invention.
  • Figure 8 is a simplified perspective view of a laser component with a two-dimensional network of ion implantation points, produced according to the method of the invention.
  • the present invention is mainly characterized by ionic or proton implantation in optical waveguides with plasma effect layers in order to produce active band gap optoelectronic components.
  • a waveguide with plasma effect layers takes advantage of the plasma resonance in heavily doped layers making it possible to obtain a strong gradient of refractive index necessary for efficient optical confinement.
  • this solution is more viable than modifying the composition of the alloys of the layers whose band gap is located in the visible or near infrared, alloys such as Al x Ga ( i. X) As.
  • alloys such as Al x Ga ( i. X) As.
  • the technology for producing the band gap optoelectronic components according to the invention becomes all the more advantageous as the operating wavelength of these components increases, because that the dimensions of these components increase, and that they are therefore easier to manufacture, thus reducing the requirements in terms of surface roughness.
  • distortions due to temperature have less impact in the far infrared, making it possible to produce interference components with photonic band gap.
  • the invention can " produce on optoelectronic components patterns producing a strong modulation of the refractive index by corresponding modulation of the local doping of these components, the modification of the doping being obtained by implantation of ions or protons by following these patterns.
  • these patterns are not necessarily formed on the surface, but can also be formed in depth if the energy of the implantation beams is increased.
  • the invention provides for forming periodic patterns or pseudo-periodicals directly in the layers of the waveguides, thus making it possible to obtain an intense coupling of the optical field, necessary for the correct functioning of the photonic band gap components.
  • FIG. 1 An optical waveguide 1 with heavily doped layers ("Plasmon enhanced") of the prior art.
  • This waveguide 1 successively comprises, on a substrate 2, a first heavily doped layer 3, a first coating layer 4, a layer 5 forming the active area, and a second heavily doped layer 7.
  • the typical values of the thicknesses of layers 3 to 7 are, respectively, 1 ⁇ m - 3.5 ⁇ m - 1, 7 ⁇ m - 3.5 ⁇ m and 1 ⁇ m.
  • the evolution of the optical mode in the different layers of component 1 is shown at 8.
  • the layers 3 and 7 are highly doped with respect to layers 4 and 6 (approximately 100 times more), so as to obtain with respect to the latter a strong index contrast of refraction necessary for confining the optical mode in the guide.
  • the population of free carriers is large, which means that the “plasma frequency” of layers 3 and 7 is close to the frequency corresponding to the operating wavelength of component 1.
  • the high contrast of refractive index of the layers 3 and 7 relative to that of layers 4 and 6 is used to produce an optical waveguide.
  • Such optical waveguides have been used to produce quantum cascade lasers operating in medium infrared.
  • ions or protons are implanted in the second heavily doped layer (corresponding to layer 7 in FIG. 1) in order to greatly reduce its doping in certain areas. These areas are arranged in a specific pattern which can be formed either using a mask or by controlling the deflection of an implantation beam.
  • Such implantation results in the reduction of the effect of the free carriers of said layer (heavily doped before implantation) on the refractive index of the layer in the areas concerned by implantation. As a result, complex local variations in the refractive index of the layer concerned are thus obtained.
  • the waveguide 9 shown in FIG. 2 has the same layers 2 to 6 as the component 1 in FIG. 1.
  • the zones 11 are regularly spaced and occupy a large part of the thickness of the layer 10, but it is understood that for other embodiments, the implanted zones may have other characteristics, in particular as a function of the characteristics sought for the components treated, that is to say as a function of the profiles of the optical modes which it is desired to obtain.
  • DFB Distributed Feedback
  • FIGS. 4 and 5 show an optical waveguide of the ARROW (“Antiresonant Reflecting Optical Waveguide”) type which allows excellent optical confinement in thin layers having a refractive index lower than that of the substrate.
  • This confinement can be of horizontal type in planar optical waveguides.
  • the waveguide of Figures 4 and 5 is produced according to the invention as follows.
  • This waveguide 13 is formed in the usual way of a substrate 14 on which are deposited, in order, a heavily doped layer 15, a coating layer 16, a layer 17 of active area, a coating layer 18 and a heavily doped layer 19.
  • a pattern of “bars” 20 parallel to each other and parallel to the path of the laser beam 21 passing through the waveguide in operating mode is implanted in the layer 19 (it will be noted in this connection that in the embodiment of Figures 2 and 3, the "bars” 11 were perpendicular to the path of the laser beam in operation).
  • FIGS. 4 and 5 several bars 20 have been installed and only the four central bars have been shown.
  • FIG. 6 shows the variations in relative refractive index (in broken lines) and the variations in intensity of the optical field (in solid lines), along a transverse axis Ox (perpendicular to the direction of the laser beam 21).
  • the intensity of the optical field is maximum (in M1) in the middle of the width of the guide, that is to say in the middle of the zone of width D1
  • this intensity has points M2 and M3 (symmetrical relative to the location of M1), of lower amplitude than in M1, in the first following inter-bar zones, then of the peaks M4 and M5, of even lower amplitude, in the second following interbar zones, and so on to the lateral ends of the guide, where the intensity of the field is practically zero.
  • the refractive index is minimum at the right of the inter-bar zones and maximum at the right of the bars, the maximum values are equal to each other, and the minimum values are equal to each other.
  • optical waveguides of the “ARROW” type have significant advantages from the optical point of view compared to the conventional optical waveguide with confinement in a material with a high refractive index. First of all, they are the seat of only one transverse optical mode, whatever the size of the mode. In addition, it is easy to make couplings between waveguides and phase gratings for high-brightness semiconductor lasers. In addition, it is possible to immunize the waveguides to the phenomenon of spatial gain saturation (gain spatial hole burning).
  • FIG. 7 a partial top view of laser type " ⁇ -DFB" ("Distributed Feedback") with oblique periodic structure.
  • ⁇ -DFB distributed Feedback
  • Such a laser can be a power laser formed in a wide band of waveguides, with an output at the diffraction limit.
  • This periodic structure is in the form of an angular pattern, which forces the light to follow a “zig-zag” path in the waveguide. This results in a significant increase in the angular dependence of the optical reaction, thus only allowing the oscillation of the modes arriving with a normal incidence on the front face of the waveguide.
  • the DFB type structure has the effect that the spectral width is small.
  • FIG. 7 shows an optical waveguide 23 shaped as a “DFB” laser, in which a narrow “corridor” 24 is delimited by two bands 25, 26 with a high gradient of refractive index. These two bands are produced, in accordance with the invention, by ion implantation of patterns in the thickness of the guide, in planes parallel to the axis of the corridor 24.
  • FIG. 8 shows a possible embodiment of a laser cavity 27 with a two-dimensional prohibited photonic band, in accordance with the invention.
  • This cavity 27 is produced from an optical waveguide with an active area (similar to that of FIG. 1), the lateral faces of which are specularly treated.
  • the configuration of this pattern depends on the desired effect.
  • the micro-pavers have a substantially square upper face, and are arranged in rows and columns and regularly spaced in the rows and columns. Only one block is missing, for example in the center of the motif. Under the “empty” (or “fault”) location 29, the optical field is the most intense.
  • the pattern implanted on the surface, or near the surface, of an optical waveguide can be periodic or aperiodic, and the shape of the implanted “blocks” can be different from that shown in FIG. 8.
  • This pattern may have zero, one or more "faults”.
  • it is possible to act finely on the optical mode prevailing in the component obtained, and to adjust it to the particular requirements of each application.

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Abstract

Le procédé de l'invention consiste à implanter des ions en surface de guides d'ondes optiques multicouches, dans la couche fortement dopée (10), selon un motif déterminé, afin de modifier fortement l'indice de réfraction de cette couche. Application : Lasers QCL et DFB.

Description

PROCEDE D'AMELIORATION DES CARACTERISTIQUES OPTIQUES DE COMPOSANTS OPTOELECTRONIQUES MULTICOUCHES
La présente invention se rapporte à un procédé d'amélioration des caractéristiques optiques de composants optoélectroniques multicouches
Des composants optoélectroniques, tels que les lasers à cascade quantique (dits « QCL ») ou les guides d'ondes optiques à confinement optique vertical, comportent des couches superficielles fortement dopées et présentant un fort gradient d'indice de réfraction par rapport aux couches sous-jacentes.
De nombreuses applications des composants optoélectroniques nécessitent que le champ optique qui y règne présente des qualités spectrales et spatiales bien déterminées. En outre, il est souhaitable de pouvoir contrôler le mode optique de ces composants, afin de pouvoir en augmenter les performances. A ce propos, on peut citer, à titre non limitatif, deux applications nécessitant un contrôle du mode optique.
- Les lasers de type « DFB » (« Distributed Feedback ») ont été largement employés ces dernières années. Cette technologie permettait d'améliorer fortement les caractéristiques de bande passante et de fonctionnement monomode des lasers semiconducteurs, caractéristiques essentielles dans l'application aux télécommunications par fibres optiques.
Cependant, dans les applications de forte puissance, qui nécessitent un mode de grandes dimensions, la technologie DFB ne convient pas pour contrôler la structure transverse du mode. Cela est limitant pour les applications de lasers de haute puissance. D'autres solutions sont envisageables, notamment des lasers dits « α-DFB » dont le concept est également compatible avec la méthode de fabrication proposée dans la présente demande.
Pour pouvoir réaliser ces applications, on a utilisé des composants optoélectroniques multicouches dont l'indice de réfraction variait de façon périodique ou pseudo-périodique. De tels composants sont de plus en plus utilisés dans les dispositifs optoélectroniques modernes pour en maîtriser la cohérence spatiale et spectrale du champ optique.
Pour fabriquer ces composants optoélectroniques à variation d'indice, on met en œuvre des techniques connues de gravure par faisceau ionique à assistance chimique (« CAIBE », soit « Chemical Assisted Ion Beam Etching ») ou de gravure ionique réactive (« RIE »). Cependant, le processus de gravure par lui-même peut entraîner un état de surface rugueux, et par conséquent des pertes optiques par diffusion. La gravure chimique permet de réduire la rugosité des surfaces gravées. Cependant, il est difficile de maîtriser ce processus de gravure chimique, en particulier pour des petites structures (de dimensions inférieures à 1 μm), et ce processus est difficilement reproductible, et, dans la plupart des cas, l'attaque chimique est sélective et anisotropique. Souvent, des structures ainsi gravées peuvent être incompatibles avec le dépôt de couches de contact électrique. En outre, il peut être difficile dans certains cas de monter les composants avec la face épitaxiée vers le bas en vue d'améliorer les caractéristiques de radiateur thermique. Enfin, le couplage du champ optique vers le composant optoélectronique, peut être faible du fait que la partie gravée se trouve habituellement être la couche superficielle. La présente invention a pour objet un procédé de réalisation de composants optoélectroniques multicouches à indice de réfraction variant fortement localement, les composants réalisés selon ce procédé présentant des caractéristiques optiques les meilleures possible, étant facilement reproductibles, pouvant être munis de couches de contact électrique le cas échéant, et pouvant être montés de façon à présenter de bonnes qualités de dissipation thermique.
La présente invention a également pour objet des composants optoélectroniques réalisés selon ce procédé, et dont le prix de revient soit le plus faible possible. Le procédé conforme à l'invention consiste à implanter des ions dans des zones discontinues d'une couche fortement dopée, de façon à modifier localement la concentration du dopage et donc l'indice de réfraction de cette couche.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de mise en œuvre, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, dans lequel :
• la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un guide d'ondes optiques de l'art antérieur ; • la figure 2 est une vue en coupe transversale, similaire à celle de la figure 1 , mais se rapportant à un guide d'ondes optiques réalisé selon le procédé de l'invention ;
• la figure 3 est une vue simplifiée en perspective d'un guide d'ondes optiques réalisé selon le procédé de l'invention ;
• la figure 4 est une vue en perspective d'un guide d'ondes de type « Horizontal Arrow » réalisé selon le procédé de l'invention ;
• la figure 5 est une vue en coupe simplifiée du dispositif de la figure 4 ;
• la figure 6 est un diagramme montrant les variations relatives de l'indice de réfraction dans le sens de la largeur du laser de la figure 5 ;
• la figure 7 est une vue simplifiée en coupe d'un α-DFB c'est-à- dire un guide d'ondes à trajet en zig-zag, réalisé selon le procédé de l'invention ; et
• la figure 8 est une vue simplifiée en perspective d'un composant laser à réseau bi-dimensionnel de points d'implantation ionique, réalisé selon le procédé de l'invention. La présente invention est principalement caractérisée par l'implantation ionique ou protonique dans des guides d'ondes optiques à couches à effet plasma en vue de réaliser des composants optoélectroniques actifs à bande interdite (« band gap » en anglais).
Un guide d'ondes à couches à effet plasma tire parti de la résonance plasmique dans des couches fortement dopées permettant d'obtenir un fort gradient d'indice de réfraction nécessaire à un confinement optique efficace. Pour les longueurs d'onde situées dans le moyen ou le lointain infrarouge, cette solution est plus viable que de modifier la composition des alliages des couches dont la bande interdite se situe dans le visible ou le proche infrarouge, alliages tels que AlxGa(i.X)As. Parmi les composants concernés, on peut citer les composants à transition inter-sous- bande tels que les lasers à cascade quantique (« QCL » en anglais).
La technologie de réalisation des composants optoélectroniques à bande interdite selon l'invention devient d'autant plus intéressante que la longueur d'onde de fonctionnement de ces composants augmente, du fait que les dimensions de ces composants augmentent, et qu'ils sont donc plus faciles à fabriquer, réduisant ainsi les exigences en matière de rugosité de surface. En outre, les distorsions dues à la température ont moins d'impact dans l'infrarouge lointain, rendant possible la réalisation de composants interférentiels à bande interdite photonique.
Selon"" l'invention', on peut" réaliser sur des composants optoélectroniques des motifs produisant une forte modulation de l'indice de réfraction par modulation correspondante du dopage local de ces composants, la modification du dopage étant obtenue par implantation d'ions ou de protons en suivant ces motifs. En outre, ces motifs ne sont pas nécessairement formés en surface, mais peuvent également être formés en profondeur si l'on augmente l'énergie des faisceaux d'implantation. L'invention prévoit de former des motifs périodiques ou pseudo-périodiques directement dans les couches des guides d'onde, permettant ainsi d'obtenir un couplage intense du champ optique, nécessaire à un bon fonctionnement des composants à bande interdite photonique. Une structure photonique obtenue par implantation ionique permet la réalisation de contacts électriques sur le composant, car le courant peut passer par les zones n'ayant pas subi d'implantation (les motifs n'occupent qu'une partie de la couche sur laquelle on doit déposer la couche métallique conductrice). De plus, on garde un état de surface plan, du fait que la structure en motifs est implantée en profondeur. Il est alors possible de monter ces composants avec la région active vers le bas, afin d'en améliorer la dissipation thermique, comme cela se fait déjà pour les diodes laser de puissance. On a représenté en figure 1 , en vue en coupe simplifiée, un guide d'ondes optiques 1 à couches fortement dopées (« Plasmon enhanced ») de l'art antérieur. Ce guide d'ondes 1 comporte successivement, sur un substrat 2, une première couche 3 fortement dopée, une première couche 4 de revêtement, une couche 5 formant la zone active, et une deuxième couche fortement dopée 7. Selon un exemple de réalisation, les valeurs typiques des épaisseurs des couches 3 à 7 sont, respectivement, de 1 μm - 3,5 μm - 1 ,7 μm - 3,5 μm et 1 μm. On a représenté en 8 l'évolution du mode optique dans les différentes couches du composant 1. Les couches 3 et 7 sont fortement dopées par rapport aux couches 4 et 6 (environ 100 fois plus), de façon à obtenir par rapport à ces dernières un fort contraste d'indice de réfraction nécessaire au confinement du mode optique dans le guide. La population de porteurs libres est importante, ce qui fait que la « fréquence plasmique » des couches 3 et 7 est proche de la fréquence correspondant à la longueur d'onde de fonctionnement du composant 1. Le fort contraste d'indice de réfraction des couches 3 et 7 par rapport à celui des couches 4 et 6 est mis à profit pour réaliser un guide d'ondes optiques. De tels guides d'ondes optiques ont été utilisés pour réaliser des lasers à cascade quantique fonctionnant en infrarouge moyen.
Selon l'invention, et ainsi que schématiquement illustré en figure 2, on implante des ions ou des protons dans la deuxième couche fortement dopée (correspondant à la couche 7 de la figure 1 ) afin de réduire fortement son dopage en certaines zones. Ces zones sont disposées selon un motif déterminé qui peut être formé soit à l'aide d'un masque, soit en contrôlant la déflexion d'un faisceau d'implantation. Une telle implantation entraîne la diminution de l'effet des porteurs libres de ladite couche (fortement dopée avant l'implantation) sur l'indice de réfraction de la couche dans les zones concernées par l'implantation. Il en résulte que l'on obtient ainsi des variations locales complexes de l'indice de réfraction de la couche concernée. Ces variations suivent le motif formé par les zones d'implantation, et elles sont fonction à la fois des doses du bombardement ionique et des variations spatiales de l'intensité de ce bombardement, et elles peuvent avoir un effet important sur la formation du mode optique dans le composant traité.
Le guide d'ondes 9 représenté en figure 2 comporte les mêmes couches 2 à 6 que le composant 1 de la figure 1. Seule la couche supérieure 10, qui avait, avant traitement par bombardement ionique, les mêmes caractéristiques que la couche 7 du composant 1 , comporte un motif périodique ou quasi périodique de zones implantées 11 et s'étendant sur toute la largeur du composant, comme on le voit sur la figure 3 (la direction longitudinale du composant 9 est la direction du faisceau laser 12 passant dans le composant lors de son utilisation). Dans le cas présent, les zones 11 sont régulièrement espacées et occupent une grande partie de l'épaisseur de la couche 10, mais il est bien entendu que pour d'autres exemples de réalisation, les zones implantées peuvent avoir d'autres caractéristiques, en fonction des caractéristiques recherchées pour les composants traités, c'est- à-dire en fonction des profils des modes optiques que l'on veut obtenir.
Une application possible de l'invention est la réalisation de lasers DFB (« Distributed Feedback ») qui ont alors une structure similaire à celle représentée en figures 2 et 3.
On a représenté en figures 4 et 5 un guide d'ondes optiques de type ARROW (« Antiresonant Reflecting Optical Waveguide ») qui permet un excellent confinement optique dans des couches minces ayant un indice de réfraction inférieur à celui du substrat. Ce confinement peut être de type horizontal dans des guides d'ondes optiques planaires.
Le guide d'ondes des figures 4 et 5 est réalisé selon l'invention de la façon suivante. Ce guide d'ondes 13 est formé de façon habituelle d'un substrat 14 sur lequel sont déposées, dans l'ordre, une couche 15 fortement dopée, une couche 16 de revêtement, une couche 17 de zone active, une couche 18 de revêtement et une couche 19 fortement dopée. Selon l'invention, on implante dans la couche 19 un motif de « barres » 20 parallèles entre elles et parallèles au trajet du faisceau laser 21 passant dans le guide d'ondes en régime de fonctionnement (on remarquera à ce propos, que dans le mode de réalisation des figures 2 et 3, les « barres » 11 étaient perpendiculaires au trajet du faisceau laser en fonctionnement). Dans l'exemple illustré en figures 4 et 5, on a implanté plusieurs barres 20 et seules les quatre barres centrales ont été représentées.
On a représenté en figure 6 les variations d'indice de réfraction relatif (en trait interrompu) et les variations d'intensité du champ optique (en trait continu), selon un axe transversal Ox (perpendiculaire à la direction du faisceau laser 21 ). On constate que l'intensité du champ optique est maximale (en M1 ) au milieu de la largeur du guide, c'est-à-dire au milieu de la zone de largeur D1 , puis cette intensité présente des pointes M2 et M3 (symétriques par rapport à l'emplacement de M1 ), d'amplitude plus faible qu'en M1 , dans les premières zones inter-barres suivantes, puis des pointes M4 et M5, d'amplitude encore plus faible, dans les secondes zones interbarres suivantes, et ainsi de suite jusqu'aux extrémités latérales du guide, où l'intensité du champ est pratiquement nulle. L'indice de réfraction est minimal au droit des zones inter-barres et maximal au droit des barres, les valeurs maximales sont égales entre elles, et les valeurs minimales sont égales entre elles.
Les guides d'ondes optiques de type « ARROW » présentent des avantages importants du point de vue optique par rapport au guide d'ondes optiques classiques à confinement dans un matériau à fort indice de réfraction. Tout d'abord, ils ne sont le siège que d'un seul mode optique transversal, quelle que soit la taille du mode. De plus, il est facile de réaliser des couplages entre guides d'ondes et réseaux de phase pour des lasers semiconducteurs à forte luminosité. En outre, il est possible d'immuniser les guides d'ondes au phénomène de la saturation spatiale du gain (gain spatial hole burning).
On a schématiquement représenté en figure 7, une vue partielle de dessus de laser de type « α-DFB » (« Distributed Feedback ») à structure périodique oblique. Un tel laser peut être un laser de puissance formé dans une bande large de guide d'ondes, à sortie en limite de diffraction. Cette structure périodique est en forme de motif anguleux, ce qui oblige la lumière à suivre un trajet en « zig-zag », dans le guide d'ondes. Ceci a pour conséquence l'augmentation importante de la dépendance angulaire de la réaction optique, ne permettant ainsi que l'oscillation des modes arrivant avec une incidence normale sur la face frontale du guide d'ondes. La structure de type DFB a pour effet que la largeur spectrale est faible.
Sur la figure 7, on a représenté un guide d'ondes optiques 23 conformé en laser «DFB », dans lequel un « couloir » étroit 24 est délimité par deux bandes 25, 26 à fort gradient d'indice de réfraction. Ces deux bandes sont réalisées, conformément à l'invention, par implantation ionique de motifs dans l'épaisseur du guide, dans des plans parallèles à l'axe du couloir 24.
On a représenté en figure 8 un exemple possible de réalisation d'une cavité laser 27 à bande photonique interdite bi-dimensionnelle, conforme à l'invention. Cette cavité 27 est réalisée à partir d'un guide d'ondes optiques à zone active (similaire à celui de la figure 1 ) dont les faces latérales sont traitées spéculairement. Sur la surface supérieure du guide 27, on implante un motif bidimensionnel de micro-pavés 28 présentant un défaut. La configuration de ce motif est fonction de l'effet recherché. Dans le présent exemple, les micro-pavés ont une face supérieure sensiblement carrée, et sont disposés en lignes et colonnes et régulièrement espacés dans les lignes et les colonnes. Seul manque un pavé, par exemple au centre du motif. Sous l'emplacement « vide » (ou « défaut ») 29, le champ optique est le plus intense.
De façon générale, le motif implanté à la surface, ou près de la surface, d'un guide d'ondes optique peut être périodique ou apériodique, et la forme des « pavés » implantés peut être différente de celle représentée en figure 8. Ce motif peut présenter zéro, un ou plusieurs « défauts ». Selon la configuration du motif ainsi implanté, on peut agir finement sur le mode optique régnant dans le composant obtenu, et l'ajuster aux exigences particulières de chaque application.
Ainsi, on peut, par exemple, contrôler le profil du faisceau laser ou réaliser des microcavités ou ajuster les propriétés dispersives de la couche plasmique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'amélioration des caractéristiques optiques de composants optoélectroniques multicouches, caractérisé par le fait qu'il consiste à implanter des ions dans des zones discontinues (11 , 20, 28) d'une couche fortement dopée -(10, 19), de façon à modifier localement la concentration du dopage de la couche, et donc l'indice de réfraction de cette couche.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que l'implantation est faite selon un motif périodique (11 , 20).
3. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que l'implantation est faite selon un motif apériodique.
4. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que l'implantation est faite selon motif bi-dimensionnel (28).
5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que le motif comporte au moins un défaut (29).
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'implantation est faite en surface.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'implantation est faite en profondeur.
8. Guide d'ondes de type « ARROW », caractérisé par le fait qu'il est réalisé selon le procédé de la revendication 1 ou 2.
9. Laser de type « DFB », caractérisé par le fait qu'il est réalisé selon le procédé de la revendication 1 ou 3.
10. Laser de type « α-DFB » à structure périodique oblique, caractérisé par le fait qu'il comporte un guide d'ondes optique (23) dans lequel un « couloir » (24) est délimité par deux bandes (25, 26) à fort gradient d'indice de réfraction réalisées selon le procédé de la revendication 1 ou 2.
11. Laser de type « QCL », caractérisé par le fait qu'il est réalisé selon le procédé de la revendication 1.
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