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WO2019002763A1 - Source laser à semi-conducteur - Google Patents

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WO2019002763A1
WO2019002763A1 PCT/FR2018/051571 FR2018051571W WO2019002763A1 WO 2019002763 A1 WO2019002763 A1 WO 2019002763A1 FR 2018051571 W FR2018051571 W FR 2018051571W WO 2019002763 A1 WO2019002763 A1 WO 2019002763A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
waveguide
laser source
wavelength
contra
optical signal
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2018/051571
Other languages
English (en)
Inventor
Quentin WILMART
Karim HASSAN
Ségolène OLIVIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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 Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H01S5/3235—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000 nm, e.g. InP-based 1300 nm and 1500 nm lasers
    • H01S5/32391—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000 nm, e.g. InP-based 1300 nm and 1500 nm lasers based on In(Ga)(As)P

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor laser source capable of emitting at least one Au wavelength.
  • Known laser sources include:
  • this optical cavity comprising:
  • a first waveguide whose core is made of gain material III-V for amplifying the optical signal at the wavelength A Li which propagates along the heart of this first waveguide, this first guide wave being located inside the first layer,
  • a second waveguide whose core is made of silicon, this second waveguide being located inside the second layer,
  • a third waveguide whose core is made of a material less sensitive to temperature, that is to say made in a material whose variation dn f / dT of its refractive index as a function of temperature is at least two times less than the variation dn S i / dT of the refractive index of silicon as a function of temperature, this third waveguide being situated inside the third layer and optically coupled to the first waveguide wave through the second waveguide.
  • such a laser source is disclosed in US2014153600.
  • the resonant cavity is a Fabry-Perot cavity.
  • the ends of the resonant cavity are defined by reflectors between which the optical signal goes back and forth.
  • these reflectors are Bragg gratings also known by the acronym DBR ("Distributed Bragg Reflector") and the material of the third waveguide is silicon nitride.
  • the reflectors are made in the third waveguide material less sensitive to temperature.
  • the filter that is responsible for selecting the emission wavelength A u of the laser source is made in the silicon waveguide. The temperature sensitivity of this laser source is quite important.
  • temperature sensitivity of the laser source is meant here that the emission wavelength A Li of this laser source varies depending on the temperature of the laser source.
  • FR2954638 which corresponds to the application EP2337167A1
  • This resonant cavity is constructed using contra-directional couplers and not using reflectors.
  • the optical signal flows along a loop part of which is formed in the waveguide of material III-V and the other part of which is made in the guide. silicon wave.
  • Contra-directional couplers are also known by the acronym GACC ("Grating-Assisted Contra-directional Coupler”). These contra-directional couplers are known. For example, the operating principle and exemplary embodiments of contra-directional couplers in photonics on silicon are described in the following article: Wei Shi and Al, "Silicon photonic g rating -assisted” contra-directional couplers ", Optics Express . Flight. 21, No. 3, February 2013.
  • the invention therefore aims to provide a semiconductor laser source less sensitive to temperature. It therefore relates to such a laser source according to claim 1.
  • Embodiments of this laser source may have one or more of the features of the dependent claims.
  • FIGS. 1 to 3 are diagrammatic representations of the position of the reflective band of the reflectors of a semiconductor laser source with respect to the bandwidth of a filter of this semiconductor laser source;
  • FIG. 4 is a schematic illustration of the architecture of a semiconductor laser source
  • FIG. 5 is a diagrammatic illustration in plan view of an example of a resonant ring filter that can be implemented in the laser source of FIG. 4;
  • FIG. 6 is a graph schematically illustrating the position of the reflecting band of the reflectors with respect to the bandwidth of the filter of FIG. 5;
  • FIGS. 7A and 7B are diagrammatic illustrations in vertical section according to, respectively, a longitudinal plane and a transverse plane, of a contra-directional coupler implemented in the laser source of FIG. 4;
  • FIG. 8 is a diagrammatic illustration, in vertical section, of a first embodiment of the laser source of FIG. 4;
  • FIG. 9 to 11 are schematic illustrations, in vertical section, of several possible variants of the laser source of Figure 8;
  • FIG. 12 is a schematic illustration of the architecture of a multi-wavelength laser source
  • FIG. 13 is a graph schematically illustrating the position of the reflective band of the reflectors of the laser source of FIG. 12 with respect to the passbands of a filter of this laser source;
  • FIGS. 14 and 15 are diagrammatic illustrations in vertical section according to, respectively, a longitudinal plane and a transverse plane, of another embodiment of a laser source;
  • FIG. 16 is a schematic illustration, in vertical section, of another embodiment of a laser source.
  • a material that is less sensitive to temperature is a material whose variation dn f / dT of its index n f of refraction as a function of temperature is at least two times lower, under the same conditions, at the same time.
  • variation dn S i / dT of index n s of refraction of silicon as a function of temperature.
  • the variation dn S i / dT is equal to 2.3 x 10 ⁇ 4 / ° C to plus or minus 20%.
  • the variation dn f / dT is at least less than 1 ⁇ 10 -4 / ° C. and preferably less than 0.5 ⁇ 10 -4 / ° C.
  • the material that is less sensitive to temperature is silicon nitride (Si 3 N 4 ) whose variation dn f / dT is equal to 0.4 ⁇ 10 -4 / ° C.
  • silicon nitride Si 3 N 4
  • the refractive index of silicon nitride varies with the temperature six to seven times slower than that of silicon.
  • a waveguide is made of material X
  • the heart of this waveguide is made of this material X.
  • the sheath of this guide is wave is made in another material of lower refractive index.
  • each chapter corresponds to a family of possible embodiments.
  • FIG. 1 represents a reflective band 4 of the front and rear reflectors of a Fabry-Perot optical cavity of a semiconductor laser source.
  • This bandwidth 4 is represented on a graph where the abscissa axis represents the wavelength and is expressed in nanometers and the ordinate axis corresponds to the power of the optical signal expressed in watts.
  • the reflective band 4 is characterized by its width AR and its central wavelength A CR .
  • the width AR is the width of the reflective band 4 at -3 dB. This is the wavelength band containing all the wavelengths A Rj capable of being reflected by the front and rear reflectors with a power greater than or equal to 50% of the maximum power Lax reflected by these reflectors.
  • the power Lax is equal to the power of the reflected optical signal for the wavelength A Rj for which this power is maximum.
  • the central wavelength A CR is the wavelength located in the middle of the reflective band 4.
  • the different wavelengths A Rj at which this cavity is likely to resonate are regularly spaced from each other by an interval ⁇ ⁇ .
  • the wavelengths A Rj at which the Fabry-Perot cavity can resonate and which are situated inside the bandwidth 4 are represented by vertical lines.
  • the filter selects from the set of possible wavelengths A Rj only one of these wavelengths A Rj .
  • the wavelength A Rj selected is equal to the emission wavelength Au of the laser source.
  • the filter has a single narrow bandwidth 6 centered on the wavelength ⁇ . This bandwidth 6 is characterized by its width AA f and by its central wavelength A C f.
  • the width AA f is the width of the bandwidth 6 to -3 dB.
  • the central wavelength A Cf is the wavelength located in the middle of the bandwidth 6.
  • the width AA f is less than or equal to the interval ⁇ ⁇ .
  • one of the wavelengths A Rj typically the closest to A C f, is tuned to be equal to this wavelength A C f. This wavelength A Rj which is equal to the wavelength A Cf corresponds to the wavelength A Li .
  • the graph of Figure 1 is shown for an operating temperature of the laser source equal to 20 ° C.
  • the optical signal is guided between the front and rear reflectors by silicon waveguides and 11V gain materials and the filter is made in the silicon waveguide. Under these conditions, it is known that the wavelengths A Rj move as a function of the temperature of about 0.07 nm / ° C.
  • the graph of Figure 2 shows the same elements as the graph of Figure 1, but for an operating temperature of the laser source equal to 33 ° C. It can be seen :
  • the bandwidth 6 has moved about 0.9 nm (about 0.07 x 13 ° C) because the filter is made in the silicon waveguide.
  • the wavelength A Li of the laser source has therefore moved about 0.9 nm.
  • the solution proposed here is to achieve at least partly the filter in the material less sensitive to temperature. Under these conditions, for example, the central wavelength A C f of the filter moves, as a function of temperature, only about 0.01 nm / ° C.
  • FIG. 3 represents the position of the reflective band 4 and the bandwidth 6 in the case where the filter is produced in a silicon nitride waveguide and for an operating temperature of the laser source 33. ° C.
  • the amplitude of the displacement of the central wavelength A CR is the same as in the case represented in FIG. 2.
  • the fact of only at least partially realizing the filter in a material that is less sensitive to the temperature is already sufficient to limit the sensitivity of the wavelength A C fa temperature.
  • it is the filter that selects the emission wavelength A Li of the laser source it becomes possible to obtain a transmission wavelength A Li of the laser source that is less sensitive to temperature. .
  • FIG. 4 schematically represents the general architecture of a monochromatic semiconductor laser source 10 that emits at the Au wavelength.
  • the laser source 10 includes a rear reflector 12 and a front reflector 14 which define the ends of the Fabry-Perot cavity within which the optical signal resonates.
  • the reflector 12 has a reflection factor strictly greater than that of the reflector 14.
  • the reflection factor is equal to the ratio between the power of the optical signal reflected by the reflector on the power of the optical signal incident on this reflector.
  • the reflection factor of reflector 12 is greater than or equal to 90% or 95% for the wavelength A Li .
  • the reflection factor of the reflector 14 is generally between 30% and 70% and is typically 50%.
  • the reflectors 12 and 14 are, for example, broadband reflectors. In this embodiment, this means that the width AR of the reflective band 4 of the reflectors 12 and 14 is strictly greater than AA f + DT x (dA CR / dT), where:
  • AA f is the width of the bandwidth 6 of the filter which selects the wavelength A Li , expressed in nanometers,
  • DT is the width of the predetermined operating temperature range of the laser source 10, expressed in ° C,
  • dAc R / dT is the variation of the central wavelength A C R of the reflective band of the reflectors 12 and 14 as a function of the temperature, expressed in nm / ° C.
  • the operating temperature range of a laser source is often chosen today so that, regardless of the operating temperature of the laser source located within this range, this does not cause a variation of the wavelength ⁇ u greater than 0.35 nm.
  • the width DT of this range is greater than 10 ° C or 30 ° C.
  • the operating temperature range is chosen to be between + 20 ° C and + 55 ° C.
  • the width DT is here equal to 35 ° C.
  • the smallest and largest temperatures in the operating temperature range are noted, respectively, T m in and T ma x.
  • the reflectors 12 and 14 are made in a silicon nitride waveguide.
  • the variation dA C R / dT is here equal to 0.01 nm / ° C.
  • the width AA f is smaller than the range AA R.
  • the AA R interval is less than or equal to 0.5 nm.
  • the AA R interval is equal to 0.3 nm to 15% or 30%.
  • the width AA f is less than or equal to 0.3 nm.
  • the reflectors 12 and 14 are for example reflectors such as Bragg gratings.
  • the laser source comprises successively the following photonic components going from the reflector 12 to the reflector 14:
  • an optional band-pass filter 22 capable of selecting the operating wavelength A u of the laser source 10 among the various possible wavelengths R j within the Fabry-Perot cavity, this filter 22 being made in the silicon nitride waveguide 15,
  • a contra-directional coupler 24 which optically connects a first region of the waveguide 15 to a first region vis-à-vis a silicon waveguide 25, the silicon waveguide 25,
  • a semiconductor optical amplifier 30 better known by the acronym SOA ("Semiconductor Optical Amplifier”), produced in the waveguide 28 and capable of generating and amplifying the resonant optical signal inside the cavity of Fabry-Perot at each wavelength A Rj ,
  • an adiabatic or evanescent coupler 32 which optically connects a second region of the waveguide 28 to a third region vis-à-vis the waveguide 25,
  • a contra-directional coupler 34 which optically connects a fourth region of the waveguide 25 to a first region opposite a waveguide 36 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ), and
  • the reflector 14 made in the end of the waveguide 36.
  • vis-à-vis it is meant that the orthogonal projection of a portion or region or zone in the plane of the substrate is entirely included within the orthogonal projection, in the same plane, the other party or region or area located vis-à-vis. These parts or regions or zones are therefore opposite each other in the vertical direction, that is to say in a direction perpendicular to the plane of the substrate on which the laser source is made and separated from each other. the other only by a dielectric material whose index of refraction n S i 0 2 is smaller than the indices n S i and n f .
  • the index n S i 0 2 is less than or equal to 0.85 x Min (n S i; n f ) or less than or equal to 0.75 x Min (n S i; n f ), where Min ( n S i; n f ) is the function that returns the smallest of the indices n S i and n f .
  • an adiabatic coupler is capable of transferring the quasi-totality of the optical signal present in a first waveguide to a second waveguide located above or below, without reflection.
  • the power of the optical signal transferred in the second waveguide is greater than or equal to 95% of the power of the optical signal flowing in the first waveguide.
  • Such an adiabatic coupler is, for example, obtained by modifying the width of the first waveguide relative to the width of the second waveguide.
  • the width of the silicon waveguide is progressively reduced as the waveguide is approaching the material. -V.
  • the width of the silicon waveguide is, for example, gradually increased.
  • the waveguides of silicon and III-V material generally have a width such that there are zones of these waveguides vis-à-vis where their respective effective propagation indices are equal.
  • the effective propagation index of a waveguide depends on the dimensions of the core of this waveguide and the materials forming this core and the sheath of this waveguide. It can be determined experimentally or by numerical simulation.
  • the filter 22 is a ring resonant filter whose ring is formed in a waveguide 50 ( Figure 5) in Si 3 N 4 .
  • the waveguide 50 in which the ring is made is directly optically connected to two ends of the waveguide 15 by evanescent coupling. Evanescent coupling is obtained by bringing the two waveguides closer to each other.
  • the laser source 10 also comprises:
  • a sensor 40 able to measure a physical quantity representative of the difference between the wavelength ⁇ C f and the nearest wavelength ⁇ R i , and
  • an electronic circuit 42 capable of generating the electrical control signal of the tuning device 16 so as to permanently maintain a wavelength A Rj at the center of the passband 6 of the filter 22.
  • the sensor 40 measures the power of the optical signal emitted by the laser source 10.
  • the laser source 10 comprises two possible outputs for the resonant optical signal, namely by crossing the reflector 14 is through the reflector 12. Since the reflectance of the reflector 12 is greater than that of the reflector 14, the optical signal that comes out through the reflector 12 has a much lower power than that which comes out through the reflector 14. Conventionally, the optical signal that comes out through the reflector 14 is called “useful optical signal” and the one that comes out through the reflector 12 is called “optical control signal” or "optical monitoring signal".
  • the sensor 40 measures the power of the optical signal which crosses the reflector 12.
  • the senor 40 includes a photodetector which measures the power of the optical signal.
  • the power thus measured is transmitted to the electronic circuit 42.
  • This measured power is representative of the difference between the wavelengths A C f and the closest of the wavelengths A Rj .
  • the measured power is maximum when the wavelength ⁇ ⁇ is aligned with one of the wavelengths A Rj .
  • This power decreases continuously as the wavelength A Rj moves away from the wavelength A Cf as long as one remains within a range of width ⁇ ⁇ centered on the length wave A Cf.
  • the electronic circuit 42 builds the control signal which maintains a wavelength A Rj in the center of the bandwidth 6 as a function of the physical quantity measured by the sensor 40. For this purpose, it is electrically connected. to the sensor 40. In addition, it is electrically connected to the tuning device 16 to transmit the generated electrical control signal.
  • the sensor 40 is made on the same substrate as the other photonic components of the laser source 10.
  • the sensor 40 is a germanium photodiode.
  • the electronic circuit 42 is often attached to this substrate.
  • the light that emerges through the reflectors 12 and 14 is then guided, for example, to a photodiode or an optical fiber.
  • additional optical components are used. Since these additional optical components are conventional, they are not described here in detail and, to simplify the figures, they are not shown either.
  • an optical coupler optically connects the output of the reflector 12 or 14 to this photodiode.
  • an optical coupler optically optically connects the output of the reflector to this optical fiber.
  • such a coupler can be made on the edge of the reflector or it can also be a surface network of silicon nitride.
  • FIG. 5 shows in more detail the filter 22 in the case where it is made using a resonant ring.
  • the waveguide 50 forms a ring directly optically connected to two respective ends of the waveguide 15 solely by evanescent couplings.
  • This ring is made of silicon nitride.
  • the two ends of the guide 15 optically connected to the filter 22 are denoted respectively ZZE and ZZS.
  • Figure 6 shows the transmission spectrum of the filter 22. This spectrum has several bandwidths regularly spaced from each other. Here, the center frequencies of two successive bandwidths are spaced from each other by an interval Av f . This Av f interval is better known by the acronym FSR ("Free Spectral Range"). On the graph of Figure 6, only three bands passers 6, 52 and 54 all located within the bandwidth 4 are shown.
  • the dimensions of the filter 22 are determined by numerical simulation or experimentally so that the interval Av f is strictly lower, and for example at least two times smaller, the width AR of the reflective strip 4
  • the filter 22 makes it possible to simultaneously select several wavelengths A Rj denoted ⁇ ⁇ , - 2 , A u and X Ri + 2 in FIG. 6.
  • the source laser 10 is a polychromatic laser source and not a monochromatic laser source of wavelength A Li .
  • the values of the wavelength ⁇ ⁇ and the interval Av f of the filter 22 are set from the following parameters: the perimeter of the ring, the effective index n eff of propagation in the waveguide 50, the index n g of group in the waveguide 50 ("refractive group index" in English) and the order of resonance K.
  • the wavelength A C f and the interval Av f are estimated using the following relationships:
  • peripheral is the perimeter of the ring made in the waveguide 50 and ⁇ is the wavelength of the optical signal for which the wavelength A C f and the interval Av f are calculated.
  • the width AA f can be determined by the propagation losses in the waveguide 50 of the ring and the evanescent coupling coefficients of the waveguide 50 with the ends ZZE and ZZS of the waveguide 15. .
  • the dimensions of the filter 22 are also determined to obtain the desired properties of the evanescent couplings between the waveguide 50 of the ring and the ends ZZE and ZZS of the waveguide 15 and in particular the transfer rate of power between the waveguides 15, 50.
  • an additional filter is combined with the filter 22.
  • the bandwidth 56 of this additional filter is shown in FIG. 6.
  • the bandwidth 56 is centered on the Au wavelength.
  • the width of the bandwidth 56 is represented in the particular case where it is greater than 2 ⁇ ⁇ , where ⁇ ⁇ is the interval between two successive wavelengths A Rj . It is mainly in this case it is interesting to combine the filter 22 and an additional filter. Indeed, in this case, only the combination of these two filters makes it possible to obtain a monochromatic laser source. On the other hand, if one of these two filters was able to select only the Au wavelength, then the use of the other filter would be useless.
  • the function of the additional filter is fulfilled by one or both couplers 24 and 34.
  • a contra-directional coupler in addition to performing an optical coupling between two waveguides, also fulfills the function of a filter. It is therefore not necessary to provide in the laser source 10 an additional filter other than the coupler 24 or 34.
  • the bandwidth 56 corresponds here to the bandwidth of the coupler 24 or 34.
  • FIGS. 7A and 7B show in detail an exemplary embodiment of the coupler 24.
  • the coupler 34 is, for example, embodied as the coupler 24.
  • the coupler 24 comprises a lower portion 44 and an upper portion 46, made , respectively, in the regions opposite the waveguides 15 and 25.
  • the dielectric material interposed between the portions 44 and 46 is silicon oxide.
  • this dielectric material is not shown.
  • This dielectric material also forms the sheath of silicon and silicon nitride waveguides. In Figures 7A and 7B and in the following figures in vertical section, only the heart of these waveguides is shown.
  • the double arrows S s , and S SÎ N represent the propagation directions of the optical signal in the waveguides 25 and 15 respectively.
  • the coupler 24 comprises a network 48 of repeated patterns at regular intervals with a pitch "a" along the direction of propagation of the optical signal.
  • the network 48 is only realized in the part 46.
  • the part 44 is devoid of network of repeated patterns.
  • the repeated pattern is for example a groove 49 dug in the lower face of the portion 46.
  • the lower face of the portion 46 is that which faces the portion 44.
  • Two successive grooves delimit between them a tooth or a stud 51.
  • These grooves 49 and teeth 51 extend mainly in a direction perpendicular to the direction of propagation of the optical signal.
  • the pitch "a” is chosen equal to mA L i / (n ef f-si + n eff -f) within plus or minus 5% or within 2%, where:
  • rieff-si and n eff -f are the effective propagation indices, respectively, of the waveguides 25 and 15, and
  • n is a positive integer.
  • Such a coupler 24 has a bandwidth ⁇ 24 centered on a wavelength A C24 .
  • the coupler 24 is here designed so that its band pass-through ⁇ 24 corresponds to the bandwidth 56 previously described and that the wavelength A C24 is equal to A Li .
  • the coupler 24 thus fulfills the function of additional bandpass filter.
  • the filter 22 As for the filter 22, its bandwidth moves according to the temperature. However, the displacement of its bandwidth here is much lower than what would be observed if this coupler was entirely made of silicon. Indeed, the portion 44 is made of a material less sensitive to temperature.
  • the width of the bandwidth of the coupler 24 can be adjusted by adjusting different dimensions of the coupler 24, for example: the depth of the grooves 49,
  • the filter 22 serves mainly to further reduce the spectrum of the optical signal that would be generated by the laser source 10 in the absence of this filter 22.
  • FIG. 7B represents, on a cross-section, the various dimensions of the coupler 24.
  • the guide 25 is a ridge waveguide comprising a slab ("slab" in English) of thickness 46 mm. i and a thickness of edge e 46 3. the width of the ridge is denoted by i and 46 the width of the slab 46 is denoted by La 2 in this figure. The depth of the grooves 49 is noted e 462 .
  • the thickness and the width of the portion 44 are noted respectively e 44 and 44 .
  • the thickness of the dielectric material between the teeth 51 and the portion 44 is denoted e S io2.
  • the pitch "a" is equal to 280 nm.
  • the number of grooves 49 is greater than or equal to 100, and preferably greater than or equal to 300. Generally, the number of grooves 49 is less than 1000 or 5000.
  • Figure 8 shows a first embodiment of the laser source 10.
  • the laser source 10 is manufactured on a silicon substrate 60 which extends mainly in a horizontal plane corresponding to the plane of the substrate.
  • the laser source 10 comprises successively stacked above the substrate 60 from bottom to top:
  • a layer 68 comprising the waveguide 28 inside which the amplifier 30 is made.
  • the substrate 60 is for example made of crystalline silicon.
  • the adiabatic couplers 26 and 32 are made partly in the waveguide 25 and in the waveguide 28.
  • the amplifier 30 is a broadband amplifier, that is to say capable of generating and amplifying a large range of wavelengths.
  • This range includes the wavelength A Li .
  • it is centered on this wavelength A u at the temperature (T m ax + T m in) / 2.
  • the width of this wavelength range at -3 dB is for example at least 10 nm or 25 nm or 35 nm and remains wide with the increase in temperature.
  • the III-V materials constituting the amplifier 30 are those described in the following article: Dimitris Fitsios et al.
  • the waveguide 28 and the amplifier 30 are in the form of a stack of alternating layers of GalnNAs and GaNAs interposed between a lower underlayer 70 and an upper underlayer.
  • Underlayer 70 is an underlayer of dopant III-V material opposed to the upper sublayer. For example, here it is an N-doped GaAs sublayer.
  • the amplifier 30 has a socket 74 directly in mechanical and electrical contact with the underlayer 70.
  • the P-doped GaAs underlayer is in mechanical and electrical contact with a plug 76.
  • the amplifier 30 When a current greater than the current
  • the amplifier 30 When the threshold of the laser source is applied between the jacks 74 and 76, the amplifier 30 generates and amplifies the optical signal that resonates inside the Fabry-Perot cavity.
  • the tuning device 16 is here a heater adapted to heat the waveguide 25 to move the wavelengths A Rj .
  • the tuning device 16 comprises a resistor 80 electrically connected to two sockets 82 and 84 of electrical contact.
  • the receptacles 82, 84 make it possible to circulate a current in this resistor 80 so as to transform the electrical energy into heat.
  • These sockets 82 and 84 are electrically connected to a source of current or voltage controlled by the electronic circuit 42 as a function of the measurements of the sensor 40.
  • the control of the tuning device 16 thus consists in regulating the electrical power that flows through the resistor 80. Circulating a current in the resistor 80 makes it possible to heat the waveguide 25 and thus to move the wavelengths
  • the resistor 80 is here a band made in the sub-layer 70. This band is therefore an N-doped GaAs band. In this embodiment, it is situated above the waveguide 25 whose variation of index dn S i / dT is clearly greater than the index variation dn f / dT.
  • the tuning device 16, the waveguide 28 and the amplifier 30 are covered with a protective envelope 90 which mechanically isolates them from the outside. Only the plugs 74, 76, 82, 84 protrude beyond the casing 90.
  • the casing 90 is made of silicon nitride.
  • the path of the resonant optical signal in the laser source 10 is shown in FIG. 8 by a double arrow.
  • the laser source 10 can be manufactured using the same manufacturing processes as those used to manufacture CMOS ("Complementary Metal-Oxide Semi-conductor").
  • CMOS Complementary Metal-Oxide Semi-conductor
  • the laser source 10 is manufactured by adapting the process described with reference to Figure 9 of the application filed in France on January 08, 2016 under the number 1650171.
  • FIG. 9 represents a laser source 100 identical to the laser source 10 except that the filter 22 is omitted and the couplers 24 and 34 are replaced, respectively, by couplers 102, 104.
  • the filtering function is here only filled by the couplers 102 and 104.
  • the couplers 102, 104 are identical to the couplers 24, 34 except that, in order for the laser source 100 to be monochromatic, the dimensions of the couplers 102 and 104 are adjusted so that the width ⁇ 2 4 of their bandwidth is less than the interval ⁇ ⁇ . This embodiment is preferred because it renders the use of the filter 22 unnecessary.
  • the coupler 104 does not transmit all of the optical signal at the wavelength A Li of the guide 25 to the guide 36 is vice versa but only a part.
  • the power of the optical signal transmitted from one waveguide to the other is included between 30% and 70% of the optical power of the incident optical signal.
  • the optical power is the optical power of the optical signal at the wavelength A Li .
  • the portion of the optical signal transmitted from one waveguide to the other by the coupler 102 or 104 is adjusted as described for the reflection factors of the reflectors 12 and 14.
  • the portion of the optical signal that leaks from the coupler 104 here is guided by a waveguide 35 to other optical components such as a photodiode.
  • this guide 35 is made in the same silicon layer as the guide 25.
  • it is possible to adjust the length of the coupler 104 In general, the shorter the length of the coupler 104, the greater the proportion of the optical signal leaking to the guide 35 increases.
  • FIG. 10 represents a laser source 110 identical to the laser source 100 except that:
  • the reflectors 12 and 14 are omitted, and
  • the waveguides 15 and 36 are replaced by a single waveguide 112 which directly connects the lower parts of the couplers 24 and 34.
  • the waveguide 112 is made of silicon nitride.
  • the arrows 114 represent the direction of flow of the optical signal inside the resonant cavity.
  • the optical signal propagates from the amplifier 30 to the upper part of the coupler 102 along the waveguide 25.
  • the coupler 102 then transfers the optical signal into the waveguide 112. It then propagates to the lower part of the coupler 104 which transfers it again to the waveguide 25. It then propagates from the upper part of the coupler 104 to the amplifier 30.
  • the circulation of the optical signal inside the resonant cavity forms a loop.
  • FIG. 11 represents a laser source 120 identical to the laser source 100 except that:
  • the coupler 104 is replaced by a reflector 122, and
  • the waveguide 36 is omitted.
  • the reflector 122 performs the same function as the reflector 14 but is made in one end of the waveguide 25.
  • the reflector 122 is a Bragg grating. Therefore, in this embodiment, the laser source 120 comprises a single contra-directional coupler 102.
  • FIG. 12 represents a laser source 220 with N-wavelengths or polynomatic.
  • the laser source 220 is identical to the laser source 10, except that:
  • the filter 22 is omitted.
  • the reflectors 12 and 14 are replaced, respectively, by reflectors 224 and 226.
  • the graph of Figure 13 is identical to that of Figure 6 except that the passbands 6, 52 and 54 of the filter 22 are omitted.
  • the bandwidth 56 of Couplers 24 and 34 extend over more than twice the interval ⁇ ⁇ and therefore include three cavity resonance frequencies noted, respectively, A L i, A L2 and A L3 in FIG. 13.
  • the laser source 220 is a laser source multi-wavelengths which simultaneously emits at wavelengths a L i, a and L2 a L3.
  • the width AR of the reflective strip 234 of the reflectors 224 and 226 is:
  • N is an integer greater than or equal to two and equal to the number of wavelengths A Rj selected by the filter 222.
  • the operation of the laser source 220 is identical to that of the laser source 10 except that it simultaneously transmits N wavelengths noted here A L i, A L2 and A L3 .
  • FIG. 14 represents a laser source 130 comprising a stack, one above the other, starting from the top to the bottom.
  • a waveguide 136 made of a material that is less sensitive to temperature.
  • the waveguide 132 is for example identical to the waveguide 28 and comprises in particular the optical amplifier 30.
  • the waveguide 136 is silicon nitride.
  • the waveguide 132 is optically connected to the waveguide 136 by two contra-directional couplers 138 and 139. These couplers 138, 139 directly connect the waveguides 132 and 136 through the waveguide 134.
  • the optical signal at the wavelength A Li propagates from the waveguide 132 towards the waveguide 136 and vice versa while passing through the waveguide 134.
  • These couplers 138 and 139 are, for example, symmetrical. from each other with respect to a vertical plane. Therefore, only the coupler 138 is described in more detail.
  • the coupler 138 has three parts 141 to 143 facing each other and stacked one above the other in the vertical direction. These portions 141 to 143 are made, respectively, in the waveguides 136, 134 and 132.
  • the coupler 138 includes a network 146 of patterns repeated at regular intervals with a pitch "a".
  • the network 146 is only made in the silicon portion 142.
  • the pitch "a" is here equal to mA L i / (n ef ff + n e ff-in-v) to plus or minus 5% close or 2%, where:
  • n is a positive integer preferably equal to 1
  • n eff - f and n eff -iii-v are the propagation indices, respectively, of the guides 136 and 132.
  • m is equal to 1.
  • the repeated patterns are for example identical to those described with reference to Figures 7A and 7B.
  • the repeated pattern gratings of the couplers 138 and 139 are spaced from each other, in the waveguide 134, by a region 148 devoid of repeated patterns with the not "a".
  • this region 148 has no pattern such as those used in the networks of the couplers 138 and 139.
  • This region 148 is often called the "quarter wave plate”.
  • the horizontal width A Def of region 148 is equal to (n + 1) a, where n is a positive integer or zero.
  • n is equal to 0.
  • n is equal to 0 and the two repeated pattern arrays are spaced from each other by a horizontal distance equal to a.
  • the laser source 130 operates as described in the application FR2954638.
  • the optical signal flows in a loop. This loop and its direction of circulation are represented by arrows 150 in FIG.
  • each coupler 138, 139 is made of a material that is less sensitive to temperature limits the sensitivity to the temperature of the laser source 130. It will also be noted that the laser source 130 is devoid of reflectors and of tuning device such as device 16.
  • Figure 15 shows the different dimensions of the coupler 138 on a cross section and vertical.
  • Lai 4 i, La i4 2 and La i43 the widths, respectively, of the parts 141, 142 and the edge of the portion 143.
  • the portion 143 is shaped in the form of an edge waveguide, such as the portion 46 previously described.
  • a material of low refractive index S 2 is interposed between the parts 141 to 143.
  • this material is also silicon oxide.
  • the thicknesses of silicon oxide between the parts 143, 142 and the parts 142, 141 are noted respectively, e S io2 i and e S io2-2.
  • the thickness of the portions 141 and 142 are noted, e i4 i and ei 42, respectively .
  • the coupler 138 when the wavelength A Li is equal to 1310 nm, the following dimensions are suitable for the coupler 138:
  • the pitch "a" is equal to 260 nm.
  • the length of the grating 146 in the direction of propagation of the optical signal is for example greater than or equal to 1 ⁇ or 2 ⁇ and generally less than 500 ⁇ .
  • This laser source 130 may be manufactured by the same manufacturing processes as those used to manufacture the embodiments of Chapter I.
  • Chapter II Laser Source with SiN / Si and SiN / III-V Contra-Directional Couplers
  • FIG. 16 represents a laser source 150 identical to the laser source 130, except that the waveguides 132, 134 and 136 are replaced, respectively, by waveguides 152, 154 and 156.
  • the waveguide 152 is made of III-V material and comprises an optical amplifier such as the optical amplifier 30.
  • the waveguides 154 and 156 are made, respectively, of silicon and silicon nitride.
  • the left end of the waveguide 152 is optically connected to the left end of the waveguide 156 by a contra-directional coupler 158.
  • the coupler 158 is for example identical to the coupler 138.
  • the right end of the waveguide 152 is connected to the waveguide 154 by an adiabatic coupler 160, for example identical to the coupler 32.
  • the right end of the waveguide 154 is connected to the right end of the waveguide 156 by a contra-directional coupler 162 for example identical to the coupler 104.
  • an array of repetitive patterns of the contra-directional coupler can be realized in the silicon waveguide and another network of repeated patterns can be realized vis-a-vis in the silicon nitride waveguide.
  • the network of repeated patterns of the contra-directional coupler is only realized in the silicon nitride waveguide.
  • grooves 49 may be replaced by holes aligned next to each other or by cylindrical studs aligned in rows.
  • one of the couplers 24, 34, 102 or 104 is replaced by an adiabatic or evanescent coupler.
  • the couplers 138, 139 are replaced by a single contra-directional coupler as described in the application FR2954638.
  • this single coupler is always made in three parts, as described for the laser source 130.
  • the tuning device is not necessarily a heater.
  • a tuner device it is also possible to use as a tuner device a PN junction performed in one of the silicon waveguides.
  • the refractive index of the silicon at this PN junction varies as a function of the polarization of this junction.
  • the electronic control signal of the tuning device then varies the polarization of this PN junction.
  • This way of varying the refractive index of silicon is for example described in more detail in the following article: GT Reed et al., "Silicon optical modulators", Natures photonics, Vol 4, August 2010.
  • Other variants possible agreement device are described in the application filed in France on January 08, 2016 under the number 1650171.
  • the tuning device, the sensor 40 and the electronic circuit 42 are omitted in the embodiments described in Chapters I and III. This is particularly possible when the silicon waveguide is short. Indeed, in this case, the temperature variation only very slightly varies the wavelengths A Rj .
  • an external device for regulating the temperature of the laser source is implemented.
  • the reflection factors of the front and rear reflectors may also be equal.
  • the reflectors are made in part of silicon nitride and partly of silicon.
  • each reflector is then formed of two Bragg gratings vis-a-vis, one in the silicon nitride waveguide and one in the silicon waveguide.
  • the waveguide 25 may be replaced by two silicon waveguides as described in the application US2014153600.
  • the waveguide 28 and the amplifier 30 are optically connected to the waveguide 25 by an evanescent coupling.
  • the adiabatic couplers 26 and 32 are omitted.
  • Such an optical connection between the amplifier and silicon waveguides is for example described in the following article: A. W. Fang et al., "Electrically pumped hybrid AIGalnAs-silicon evanescent laser", Optics Express, Vol. 14, pp. 9203-9210 (2006).
  • the filter 22 may be placed between the coupler 34 and the reflector 14.
  • silicon nitride it is possible, as described above, to use stoichiometric silicon nitride (If 3 N 4 ). It is also possible to use non-stoichiometric silicon nitride (SiN x ).
  • silicon nitride it is also possible to use other materials than silicon nitride.
  • silicon nitride it is also possible to use aluminum nitride as a less sensitive material.
  • the width of the reflective band 4 is then limited by the width of the bandwidth of the amplifier 30.
  • a laser source which emits at several wavelengths A U may also be produced as described, for example, with reference to FIGS. 2 or 6 of the following article: Katarzyna Lawmiczuk et al. "Design of integrated photonic transmitter for fiber-to-the-home systems", Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry and High-Energy Physics Experiments 2010 Proceedings of SPIE, vol 7745, 2010.
  • the filter is a demultiplexer multiplexer known by the acronym AWG ("Array Waveguide Grating"). It is then this AWG component that is made in the material less sensitive to temperature.
  • the waveguides 15 and 36 may be made of a material that is not necessarily a less sensitive material temperature. Indeed, even without this feature, the use of contra-directional couplers instead of adiabatic couplers already has the advantage of making possible a decrease in the size of the resonant cavity. Indeed, at equal performance, a contra-directional coupler is shorter than an adiabatic coupler.
  • a contra-directional coupler in addition to performing an optical coupling between two waveguides, performs at the same time a filtering function.
  • the contra-directional coupler has a bandwidth centered on a wavelength A CGACC whose value depends on the pitch of the network of repeated patterns.
  • the displacement of the wavelength A CGACC is limited as a function of the temperature and therefore the sensitivity of the laser source is limited to the temperature.
  • the fact of using a contra-directional coupler makes it possible to reduce the size of the resonant cavity.
  • a contra-directional coupler performs an optical coupling between two waveguides with the same efficiency as an adiabatic coupling but over a shorter distance.
  • the performance of the contra-directional coupler can be adjusted independently of the thickness of the silicon waveguide.
  • the use of the contra-directional coupler makes it possible to limit the sensitivity to the temperature of the laser source.
  • the fact of partially realizing the silicon nitride coupler therefore increases the size of the pitch "a" of the repeated pattern network. .
  • the larger the size of the step "a" the more it simplifies the manufacture of the contra-directional coupler.
  • Making the network of repeated patterns only in the silicon waveguide facilitates the manufacture of the laser source in particular, when the manufacturer has better control of the etching of silicon than silicon nitride. Moreover, in this case, the realization of the silicon nitride waveguide requires the implementation of a single level of etching and not two as in the case where the network of repeating patterns would be realized in this guide. wave of silicon nitride.
  • the tuning device, the sensor and the electronic circuit can permanently maintain a wavelength A Rj in the center of the bandwidth of the contra-directional coupler. In the case of the embodiments of Chapters I or III, this has the effect of further reducing the sensitivity to temperature without the need to use a device for regulating the temperature of the laser source.
  • a resonant ring limits the size of the additional filter and therefore the size of the semiconductor laser source.
  • the fact of making the reflectors at least partly in the material less sensitive to temperature limits their sensitivity to temperature. This makes it possible to use reflectors whose width AR of the reflective band is smaller.
  • silicon nitride or aluminum nitride as a less temperature-sensitive material allows the sensitivity of the laser source to be divided by at least five at a temperature.

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Abstract

Source laser à semi-conducteur dans laquelle, pour coupler optiquement un troisième guide d'onde (15, 36) à un premier guide d'onde (28) par l'intermédiaire d'un deuxième guide d'onde (25), une cavité optique résonante comporte au moins un coupleur contra-directionnel (24, 34) assisté par réseau apte à transformer l'essentiel du signal optique à une longueur d'onde Au qui se propage dans un sens le long du troisième guide d'onde (15, 36), en un signal optique de même longueur d'onde, qui se propage en sens opposé dans le premier (28) ou le deuxième (25) guide d'onde, ce coupleur contra-directionnel comportant à cet effet au moins une partie réalisée dans le troisième guide d'onde (15, 36) et un réseau de motifs répétés avec un pas régulier, ce réseau de motifs étant réalisé dans le deuxième (25) ou le troisième (15, 36) guide d'onde.

Description

SOURCE LASER À SEMI-CONDUCTEUR
[001] L'invention concerne une source laser à semi-conducteur apte à émettre à au moins une longueur d'onde Au.
[002] Des sources laser connues comportent :
- un substrat sur lequel sont empilées, dans l'ordre, une troisième, une deuxième et une première couches, ce substrat s'étendant essentiellement dans un plan appelé « plan du substrat » et les différentes couches s'étendant parallèlement au plan du substrat,
- une cavité optique apte à faire résonner le signal optique à la longueur d'onde Au, cette cavité optique comportant :
• un premier guide d'onde dont le cœur est réalisé en matériau à gain lll-V pour amplifier le signal optique à la longueur d'onde ALi qui se propage le long du cœur de ce premier guide d'onde, ce premier guide d'onde étant situé à l'intérieur de la première couche,
• un deuxième guide d'onde dont le cœur est réalisé en silicium, ce deuxième guide d'onde étant situé à l'intérieur de la deuxième couche,
• un troisième guide d'onde dont le cœur est réalisé dans un matériau moins sensible à la température, c'est-à-dire réalisé dans un matériau dont la variation dnf/dT de son indice de réfraction en fonction de la température est au moins deux fois inférieure à la variation dnSi/dT de l'indice de réfraction du silicium en fonction de la température, ce troisième guide d'onde étant situé à l'intérieur de la troisième couche et couplé optiquement au premier guide d'onde par l'intermédiaire du deuxième guide d'onde.
[003] Par exemple, une telle source laser est divulguée dans la demande US2014153600. Dans cette source laser connue, la cavité résonante est une cavité de Fabry-Pérot. Les extrémités de la cavité résonante sont définies par des réflecteurs entre lesquels le signal optique fait des aller-retour. Dans la demande US2014153600, ces réflecteurs sont des réseaux de Bragg également connus sous l'acronyme DBR (« Distributed Bragg Reflector ») et le matériau du troisième guide d'onde est du nitrure de silicium. Les réflecteurs sont réalisés dans le troisième guide d'onde en matériau moins sensible à la température. Classiquement, le filtre qui est chargé de sélectionner la longueur d'onde d'émission Au de la source laser est réalisé dans le guide d'onde en silicium. La sensibilité à la température de cette source laser est assez importante.
[004] Par « sensibilité à la température de la source laser », on désigne ici le fait que la longueur d'onde d'émission ALi de cette source laser varie en fonction de la température de la source laser.
[005] On connaît également de la demande FR2954638, qui correspond à la demande EP2337167A1, une autre source laser dans laquelle la cavité résonante n'est pas une cavité de Fabry-Pérot. Cette cavité résonante est construite à l'aide de coupleurs contra-directionnels et non pas à l'aide de réflecteurs. Dans ce cas, à l'intérieur de la cavité résonante, le signal optique circule le long d'une boucle dont une partie est réalisée dans le guide d'onde en matériau lll-V et dont l'autre partie est réalisée dans le guide d'onde en silicium.
[006] Les coupleurs contra-directionels sont également connus sous l'acronyme GACC (« Grating-Assisted Contra-directional Coupler »). Ces coupleurs contra- directionnels sont connus. Par exemple, le principe de fonctionnement et des exemples de réalisation de coupleurs contra-directionnels en photonique sur silicium sont décrits dans l'article suivant : Wei Shi et Al, « Silicon photonic g rating -assistée] contra-directional couplers », Optics Express. Vol. 21, no 3, février 2013.
[007] De l'état de la technique est également connu de :
- Dupont et Al : « Contradirectional Coupling Between lll-V Stacks and Silicon-On- Insulator Corrugated Waveguides for laser Emission by distributed feedback Effect », IEEE Photonics Technology Letters, vol. 22, n°19, 1/10/201,
- US5233187A,
- US2004/037342A1,
- WO2016/011002A1,
- EP3190672A1.
[008] Cette source laser connue fonctionne également correctement. Toutefois, sa sensibilité à la température est aussi assez importante.
[009] L'invention vise donc à proposer une source laser à semi-conducteur moins sensible à la température. Elle a donc pour objet une telle source laser conforme à la revendication 1.
[0010] Les modes de réalisation de cette source laser peuvent présenter une ou plusieurs des caractéristiques des revendications dépendantes.
[0011] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
- les figures 1 à 3 sont des représentations schématiques de la position de la bande réfléchissante des réflecteurs d'une source laser à semi-conducteur par rapport à la bande passante d'un filtre de cette source laser à semi-conducteur ;
- la figure 4 est une illustration schématique de l'architecture d'une source laser à semi-conducteur ;
- la figure 5 est une illustration schématique en vue de dessus d'un exemple de filtre en anneau résonant pouvant être mis en œuvre dans la source laser de la figure 4;
- la figure 6 est un graphe illustrant schématiquement la position de la bande réfléchissante des réflecteurs par rapport à la bande passante du filtre de la figure 5 ; - les figures 7A et 7B sont des illustrations schématiques en coupe verticale selon, respectivement, un plan longitudinal et un plan transversal, d'un coupleur contra- directionnel mis en œuvre dans la source laser de la figure 4;
- la figure 8 est une illustration schématique, en coupe verticale, d'un premier mode de réalisation de la source laser de la figure 4 ;
- les figures 9 à 11, sont des illustrations schématiques, en coupe verticale, de plusieurs variantes possibles de la source laser de la figure 8 ;
- la figure 12 est une illustration schématique de l'architecture d'une source laser multi-longueurs d'onde ;
- la figure 13 est un graphe illustrant schématiquement la position de la bande réfléchissante des réflecteurs de la source laser de la figure 12 par rapport aux bandes passantes d'un filtre de cette source laser ;
- les figures 14 et 15 sont des illustrations schématiques en coupe verticale selon, respectivement, un plan longitudinal et un plan transversal, d'un autre mode de réalisation d'une source laser;
- la figure 16 est une illustration schématique, en coupe verticale, d'un autre mode de réalisation d'une source laser.
[0012] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail.
[0013] Dans cette description, un matériau moins sensible à la température est un matériau dont la variation dnf/dT de son indice nf de réfraction en fonction de la température est au moins deux fois inférieure, dans les mêmes conditions, à la variation dnSi/dT de l'indice ns, de réfraction du silicium en fonction de la température. Typiquement, la variation dnSi/dT est égale à 2.3 x 10~4/°C à plus ou moins 20 % près. Ainsi, la variation dnf/dT est au moins inférieure à 1 x 10~4 /°C et, de préférence, inférieure à 0.5 x 10~4 /°C. Par la suite, les principaux modes de réalisation sont décrits dans le cas particulier où le matériau moins sensible à la température est du nitrure de silicium (Si3N4) dont la variation dnf/dT est égale à 0.4 x 10~4 /°C. Toutefois, comme décrit en détail à la fin de cette description, d'autres matériaux sont possibles. L'indice de réfraction du nitrure de silicium varie en fonction de la température six à sept fois moins vite que celui du silicium.
[0014] Dans cette description, lorsque l'on indique qu'un guide d'onde est réalisé en matériau X, cela signifie que le cœur de ce guide d'onde est réalisé dans ce matériau X. La gaine de ce guide d'onde est réalisée dans un autre matériau d'indice de réfraction plus faible.
[0015] Par la suite, la description est divisée en trois chapitres, chaque chapitre correspond à une famille de modes de réalisation possibles.
[0016] Chapitre I : Source laser avec un couplage contra-directionnel Si/SiN [0017] La raison pour laquelle la réalisation du filtre dans un guide d'onde en matériau moins sensible à la température diminue la sensibilité de la source laser à la température va d'abord être expliquée en détail en référence aux figures 1 à 3. Ensuite, l'architecture générale d'une source laser à semi-conducteur utilisant un tel filtre est décrite suivie de plusieurs exemples particuliers de réalisation.
[0018] La figure 1 représente une bande réfléchissante 4 des réflecteurs avant et arrière d'une cavité optique de Fabry-Pérot d'une source laser à semi-conducteur. Cette bande passante 4 est représentée sur un graphe où l'axe des abscisses représente la longueur d'onde et est exprimée en nanomètre et l'axe des ordonnées correspond à la puissance du signal optique exprimée en Watt.
[0019] La bande réfléchissante 4 est caractérisée par sa largeur AR et sa longueur d'onde centrale ACR. La largeur AR est la largeur de la bande réfléchissante 4 à -3 dB. Il s'agit de la bande de longueurs d'onde contenant toutes les longueurs d'onde ARj aptes à être réfléchies par les réflecteurs avant et arrière avec une puissance supérieure ou égale à 50 % de la puissance maximale Lax réfléchie par ces réflecteurs. La puissance Lax est égale à la puissance du signal optique réfléchi pour la longueur d'onde ARj pour laquelle cette puissance est maximale.
[0020] La longueur d'onde centrale ACR est la longueur d'onde située au milieu de la bande réfléchissante 4.
[0021] Dans le contexte d'une cavité de Fabry-Pérot, les différentes longueurs d'onde ARj auxquelles cette cavité est susceptible de résonner sont régulièrement espacées les unes des autres par un intervalle Δλκ. Sur la figure 1, les longueurs d'onde ARj auxquelles la cavité de Fabry-Pérot peut résonner et qui sont situées à l'intérieur de la bande passante 4 sont représentées par des traits verticaux.
[0022] Dans le cadre d'une source laser monochromatique qui émet à une seule longueur d'onde ALi, le filtre sélectionne parmi l'ensemble des longueurs d'onde ARj possibles une seule de ces longueurs d'onde ARj. La longueur d'onde ARj sélectionnée est égale à la longueur d'onde Au d'émission de la source laser. À cet effet, le filtre présente une seule bande passante 6 étroite centrée sur la longueur d'onde Au. Cette bande passante 6 est caractérisée par sa largeur AAf et par sa longueur d'onde centrale ACf. La largeur AAf est la largeur de la bande passante 6 à -3 dB. La longueur d'onde centrale ACf est la longueur d'onde située au milieu de la bande passante 6. Pour sélectionner la seule longueur d'onde Au, la largeur AAf est inférieure ou égale à l'intervalle Δλκ. Pour sélectionner la longueur d'onde Au, l'une des longueurs d'onde ARj , typiquement la plus proche de ACf, est accordée pour être égale à cette longueur d'onde ACf. Cette longueur d'onde ARj qui est égale à la longueur d'onde ACf correspond à la longueur d'onde ALi.
[0023] Le graphe de la figure 1 est représenté pour une température de fonctionnement de la source laser égale à 20 °C. [0024] Dans les sources laser connues, le signal optique est guidé entre les réflecteurs avant et arrière par des guides d'onde en silicium et en matériaux à gain ll l-V et le filtre est réalisé dans le guide d'onde en silicium. Dans ces conditions, il est connu que les longueurs d'onde ARj se déplacent en fonction de la température d'environ 0,07 nm/°C.
[0025] Pour illustrer cela, le graphe de la figure 2 représente les mêmes éléments que le graphe de la figure 1, mais pour une température de fonctionnement de la source laser égale à 33°C. On peut constater :
- que la bande passante 4 et la longueur d'onde ACR se sont déplacées de d'environ 0,13 nm (=0.01 x 13°C) car les réflecteurs sont ici réalisés dans le guide d'onde en nitrure de silicium , et
- que la bande passante 6 s'est déplacée de d'environ 0.9 nm (environ 0.07 x 13°C) car le filtre est réalisé dans le guide d'onde en silicium.
[0026] La longueur d'onde ALi de la source laser s'est donc déplacée d'environ 0.9 nm.
[0027] Pour limiter cette dérive de la longueur d'onde Au, la solution proposée ici consiste à réaliser au moins en partie le filtre dans le matériau moins sensible à la température. Dans ces conditions, par exemple, la longueur d'onde centrale ACf du filtre se déplace, en fonction de la température, uniquement d'environ 0,01 nm/°C.
[0028] La figure 3 représente la position de la bande réfléchissante 4 et de la bande passante 6 dans le cas où le filtre est réalisé dans un guide d'onde en nitrure de silicium et pour une température de fonctionnement de la source laser de 33 °C. Comme le montre le graphe de la figure 3, la longueur d'onde centrale ACf du filtre se déplace uniquement de 0,13 nm (=0.01 x 13°C) en réponse à une augmentation de 13 °C de la température de fonctionnement de la source laser. Par contre, l'amplitude du déplacement de la longueur d'onde centrale ACR est la même que dans le cas représenté sur la figure 2. Toutefois, le fait de seulement réaliser au moins en partie le filtre dans un matériau moins sensible à la température est déjà suffisant pour limiter la sensibilité de la longueur d'onde ACf a la température. Or, puisque c'est le filtre qui sélectionne la longueur d'onde ALi d'émission de la source laser, il devient possible d'obtenir une longueur d'onde ALi d'émission de la source laser moins sensible à la température.
[0029] La figure 4 représente schématiquement l'architecture générale d'une source laser 10 à semi-conducteur monochromatique qui émet à la longueur d'onde Au. La source laser 10 comporte un réflecteur arrière 12 et un réflecteur avant 14 qui définissent les extrémités de la cavité de Fabry-Pérot à l'intérieur de laquelle le signal optique résonne. Par exemple, le réflecteur 12 présente un facteur de réflexion strictement supérieur à celui du réflecteur 14. Le facteur de réflexion est égal au rapport entre la puissance du signal optique réfléchi par le réflecteur sur la puissance du signal optique incident sur ce réflecteur. Typiquement, le facteur de réflexion du réflecteur 12 est supérieur ou égal à 90 % ou 95 % pour la longueur d'onde ALi. Le facteur de réflexion du réflecteur 14 est généralement compris entre 30 % et 70 % et vaut typiquement 50 %.
[0030] Les réflecteurs 12 et 14 sont, par exemple, des réflecteurs large bande. Dans ce mode de réalisation , cela signifie que la largeur AR de la bande réfléchissante 4 des réflecteurs 12 et 14 est strictement supérieure à AAf + DT x (dACR/dT) , où :
- AAf est la largeur de la bande passante 6 du filtre qui sélectionne la longueur d'onde ALi, exprimée en nanomètre,
- DT est la largeur de la gamme prédéterminée de températures de fonctionnement de la source laser 10, exprimée en °C,
- dAcR/dT est la variation de la longueur d'onde centrale ACR de la bande réfléchissante des réflecteurs 12 et 14 en fonction de la température, exprimée en nm/°C.
[0031] La gamme de températures de fonctionnement d'une source laser est souvent aujourd'hui choisie pour que, quelle que soit la température de fonctionnement de la source laser située à l'intérieur de cette gamme, cela ne provoque pas une variation de la longueur d'onde Au supérieure à 0,35 nm. Ainsi , par exemple, la largeur DT de cette gamme est supérieure à 10°C ou 30°C. Pour respecter ce critère, ici la gamme de températures de fonctionnement est choisie comme étant comprise entre +20°C et +55°C. La largeur DT est donc ici égale à 35 °C. Par la suite, la plus petite et la plus grande températures de la gamme de températures de fonctionnement sont notées, respectivement, Tmin et Tmax. Dans ce mode de réalisation , les réflecteurs 12 et 14 sont réalisés dans un guide d'onde en nitrure de silicium. Ainsi, la variation dACR/dT est ici égale à 0,01 nm/°C. Comme décrit en référence aux figures 1 à 3, la largeur AAf est inférieure à la l'intervalle AAR. Typiquement, l'intervalle AAR est inférieur ou égal à 0,5 nm. Par exemple, ici, l'intervalle AAR est égal est 0,3 nm à 15 % ou 30 % près. Ainsi , dans ce mode de réalisation , la largeur AAf est inférieure ou égale à 0,3 nm. La largeur AR est donc ici strictement supérieure à 0,65 nm (=0,01 x 35 + 0,3).
[0032] Ici , les réflecteurs 12 et 14 sont par exemple des réflecteurs tels que des réseaux de Bragg.
[0033] Entre les réflecteurs 12 et 14, la source laser comporte successivement les composants photoniques suivants en allant du réflecteur 12 vers le réflecteur 14 :
- un guide d'onde optique 15 en nitrure de silicium (Si3N4) dans lequel est réalisé le réflecteur 12,
- un filtre passe-bande 22 optionnel apte à sélectionner la longueur d'onde Au de fonctionnement de la source laser 10 parmi les différentes longueurs d'onde ARj possibles à l'intérieur de la cavité de Fabry-Pérot, ce filtre 22 étant réalisé dans le guide d'onde 15 en nitrure de silicium,
- un coupleur contra-directionnel 24 qui raccorde optiquement une première région du guide d'onde 15 à une première région en vis-à-vis d'un guide d'onde 25 en silicium, - le guide d'onde 25 en silicium,
- un dispositif d'accord 16 optionnel réalisé dans le guide d'onde 25, ce dispositif d'accord 16 étant apte à déplacer les longueurs d'onde ARj en fonction d'un signal électrique de commande et en utilisant les propriétés du silicium du guide d'onde 25, - un coupleur adiabatique ou évanescent 26 qui raccorde optiquement une deuxième région du guide d'onde 25 à une première région en vis-à-vis d'un guide d'onde 28 en matériau à gain lll-V,
- un amplificateur optique 30 à semi-conducteur plus connu sous l'acronyme SOA (« Semiconductor Optical Amplifier ») réalisé dans le guide d'onde 28 et apte à générer et à amplifier le signal optique résonant à l'intérieur de la cavité de Fabry- Pérot à chaque longueur d'onde ARj,
- un coupleur adiabatique ou évanescent 32 qui raccorde optiquement une deuxième région du guide d'onde 28 à une troisième région en vis-à-vis du guide d'onde 25,
- un coupleur contra-directionnel 34 qui raccorde optiquement une quatrième région du guide d'onde 25 à une première région en vis-à-vis d'un guide d'onde 36 en nitrure de silicium (Si3N4), et
- le réflecteur 14 réalisé dans l'extrémité du guide d'onde 36.
[0034] Dans cette description, par « en vis-à-vis », on désigne le fait que la projection orthogonale d'une partie ou région ou zone dans le plan du substrat est entièrement incluse à l'intérieur de la projection orthogonale, dans le même plan, de l'autre partie ou région ou zone située en vis-à-vis. Ces parties ou régions ou zones sont donc l'une en face de l'autre dans la direction verticale, c'est-à-dire dans une direction perpendiculaire au plan du substrat sur lequel est réalisé la source laser et séparées l'une de l'autre uniquement par un matériau diélectrique dont l'indice de la réfraction nSi02 est plus petit que les indices nSi et nf. Typiquement, l'indice nSi02 est inférieur ou égal à 0,85 x Min(nSi ; nf) ou inférieur ou égal à 0,75 x Min(nSi ; nf), où Min(nSi ; nf) est la fonction qui retourne le plus petit des indices nSi et nf.
[0035] Par la suite, seules les particularités de la source laser 10 sont décrites en détail. Pour des informations générales sur la réalisation et le fonctionnement d'une source laser à semi-conducteur utilisant des guides d'onde en silicium et en matériau à gain lll-V, le lecteur peut consulter l'article suivant : B. Ben Bakir et al., « Hybrid Si/lll-V lasers with adiabatic coupling », 2011.
[0036] Pour une description détaillée d'un coupleur adiabatique, le lecteur est renvoyé à l'article suivant : Amnon Yariv et al. , « Supermode Si/lll-V hybrid Lasers, optical amplifiers and modulators: proposai and analysis » Optics Express 9147, vol. 14, No. 15, 23/07/2007.
[0037] En particulier, un coupleur adiabatique est apte à transférer la quasi-totalité du signal optique présent dans un premier guide d'onde vers un second guide d'onde situé au-dessus ou en dessous, sans réflexion. Par exemple, la puissance du signal optique transférée dans le second guide d'onde est supérieure ou égale à 95 % de la puissance du signal optique qui circule dans le premier guide d'onde. Un tel coupleur adiabatique est, par exemple, obtenu en modifiant la largeur du premier guide d'onde par rapport à la largeur du second guide d'onde. Typiquement pour un couplage adiabatique d'un guide d'onde en silicium vers un guide d'onde en matériau lll-V, la largeur du guide d'onde en silicium est progressivement réduite à l'approche du guide d'onde en matériau lll-V. En sens inverse, pour transférer par couplage adiabatique un signal optique du guide d'onde en matériau lll-V vers le premier guide d'onde en silicium, la largeur du guide d'onde en silicium est par exemple progressivement augmentée. De plus, les guides d'onde en silicium et en matériau lll-V ont généralement une largeur telle qu'il existe des zones de ces guides d'onde en vis-à- vis où leurs indices effectifs respectifs de propagation sont égaux. L'indice effectif neff de propagation est aussi connu sous le nom de « constante de phase du mode ». Il est défini par la relation suivante : ng = neff - Adneff/dA, où ng est l'indice de groupe et λ est la longueur d'onde du signal optique guidé par le guide. L'indice effectif de propagation d'un guide d'onde dépend des dimensions du cœur de ce guide d'onde et des matériaux formant ce cœur et la gaine de ce guide d'onde. Il peut être déterminé expérimentalement ou par simulation numérique.
[0038] Dans ce mode de réalisation, le filtre 22 est un filtre en anneau résonant dont l'anneau est réalisé dans un guide d'onde 50 (figure 5) en Si3N4. De préférence, le guide d'onde 50 dans lequel est réalisé l'anneau est directement raccordé optiquement à deux extrémités du guide d'onde 15 par couplage évanescent. Un couplage évanescent est obtenu en rapprochant les deux guides d'onde l'un de l'autre.
[0039] Pour générer le signal électrique de commande du dispositif d'accord 16, la source laser 10 comporte également :
- un capteur 40 apte à mesurer une grandeur physique représentative de l'écart entre la longueur d'onde ACf et la plus proche des longueurs d'onde ARj, et
- un circuit électronique 42 apte à générer le signal électrique de commande du dispositif d'accord 16 de manière à maintenir en permanence une longueur d'onde ARj au centre de la bande passante 6 du filtre 22.
[0040] A cet effet, ici, le capteur 40 mesure la puissance du signal optique émis par la source laser 10. Dans ce mode de réalisation, la source laser 10 comporte deux sorties possibles pour le signal optique résonant à savoir soit en traversant le réflecteur 14 soit en traversant le réflecteur 12. Étant donné que le facteur de réflexion du réflecteur 12 est plus grand que celui du réflecteur 14, le signal optique qui sort en traversant le réflecteur 12 a une puissance beaucoup plus faible que celui qui sort en traversant le réflecteur 14. Classiquement, le signal optique qui sort en traversant le réflecteur 14 est appelé « signal optique utile » et celui qui sort en traversant le réflecteur 12 est appelé « signal optique de pilotage » ou « signal optique de monitoring ». Ici, le capteur 40 mesure la puissance du signal optique qui traverse le réflecteur 12. Par exemple, le capteur 40 comporte un photo-détecteur qui mesure la puissance du signal optique. La puissance ainsi mesurée est transmise au circuit électronique 42. Cette puissance mesurée est représentative de l'écart entre les longueurs d'onde ACf et la plus proche des longueurs d'onde ARj. En effet, la puissance mesurée est maximale quand la longueur d'onde λα est alignée avec l'une des longueurs d'onde ARj. Cette puissance diminue continûment au fur et à mesure que la longueur d'onde ARj s'éloigne de la longueur d'onde ACf tant que l'on reste à l'intérieur d'un intervalle de largeur Δλκ centré sur la longueur d'onde ACf.
[0041] Le circuit électronique 42 construit le signal de commande qui permet de maintenir une longueur d'onde ARj au centre de la bande passante 6 en fonction de la grandeur physique mesurée par le capteur 40. À cet effet, il est raccordé électriquement au capteur 40. De plus, il est raccordé électriquement au dispositif d'accord 16 pour lui transmettre le signal électrique de commande généré. Typiquement, le capteur 40 est réalisé sur le même substrat que les autres composants photoniques de la source laser 10. Par exemple, le capteur 40 est une photodiode en germanium. Le circuit électronique 42 est souvent rapporté sur ce substrat.
[0042] La lumière qui ressort par l'intermédiaire des réflecteurs 12 et 14 est ensuite guidée, par exemple, vers une photodiode ou une fibre optique. Pour cela des composants optiques supplémentaires sont utilisés. Étant donné que ces composants optiques supplémentaires sont conventionnels, ils ne sont pas décrits ici en détail et, pour simplifier les figures, ils ne sont pas non plus représentés. Par exemple, si une photodiode est réalisée dans une couche en silicium située au-dessus de la couche dans laquelle sont réalisées les réflecteurs 12 et 14, alors un coupleur optique raccorde optiquement la sortie du réflecteur 12 ou 14 à cette photodiode. Si la sortie de la source laser 10 est raccordée à une fibre optique, alors un coupleur optique raccorde optiquement directement la sortie du réflecteur à cette fibre optique. Dans ce dernier cas, un tel coupleur peut être réalisé sur la tranche du réflecteur ou il peut aussi s'agir d'un réseau surfacique en nitrure de silicium.
[0043] La figure 5 représente plus en détail le filtre 22 dans le cas où celui-ci est réalisé à l'aide d'un anneau résonant. A cet effet, le guide d'onde 50 forme un anneau directement raccordé optiquement à deux extrémités respectives du guide d'onde 15 uniquement par couplages évanescents. Cet anneau est réalisé en nitrure de silicium. Sur cette figure 5 les deux extrémités du guide 15 raccordées optiquement au filtre 22 sont notées, respectivement, ZZE et ZZS.
[0044] La figure 6 représente le spectre de transmission du filtre 22. Ce spectre présente plusieurs bandes passantes régulièrement espacées les unes des autres. Ici, les fréquences centrales de deux bandes passantes successives sont espacées l'une de l'autre par un intervalle Avf. Cet intervalle Avf est plus connu sous l'acronyme FSR (« Free Spectral Range »). Sur le graphe de la figure 6, seule trois bandes passantes 6, 52 et 54 toutes situées à l'intérieur de la bande passante 4 sont représentées.
[0045] Dans ce mode de réalisation, les dimensions du filtre 22 sont déterminées par simulation numérique ou expérimentalement pour que l'intervalle Avf soit strictement inférieur, et par exemple au moins deux fois inférieur, à la larguer AR de la bande réfléchissante 4. Ainsi, plusieurs des bandes passantes du filtre 22, c'est-à-dire ici les bandes passantes 6, 52 et 54, se trouvent à l'intérieur de la bande réfléchissante 4 quelle que soit la température de fonctionnement. Dès lors, le filtre 22 permet de sélectionner simultanément plusieurs longueurs d'onde ARj, notées λκ,-2, Au et XRi+2 sur la figure 6. Ainsi, si aucun filtre supplémentaire n'est utilisé, la source laser 10 est une source laser polychromatique et non pas une source laser monochromatique de longueur d'onde ALi.
[0046] Par exemple, les valeurs de la longueur d'onde λα et de l'intervalle Avf du filtre 22 sont fixées à partir des paramètres suivants : le périmètre de l'anneau, l'indice effectif neff de propagation dans le guide d'onde 50, l'indice ng de groupe dans le guide d'onde 50 (« refractive group index » en anglais) et l'ordre de résonance K. A titre d'illustration, la longueur d'onde ACf et de l'intervalle Avf sont estimés à l'aide des relations suivantes :
Figure imgf000012_0001
où « perimeter » est le périmètre de l'anneau réalisé dans le guide d'onde 50 et λ est la longueur d'onde du signal optique pour laquelle la longueur d'onde ACf et l'intervalle Avf sont calculés.
[0047] La largeur AAf peut être déterminée par les pertes de propagation dans le guide d'onde 50 de l'anneau et les coefficients de couplage évanescent du guide d'onde 50 avec les extrémités ZZE et ZZS du guide d'onde 15.
[0048] Les dimensions du filtre 22 sont également déterminées pour obtenir les propriétés souhaitées des couplages évanescents entre le guide d'onde 50 de l'anneau et les extrémités ZZE et ZZS du guide d'ondes 15 et en particulier le taux de transfert de puissance entre les guides d'ondes 15, 50.
[0049] Dans ce mode de réalisation, pour obtenir une source laser monochromatique de longueur d'onde ALi, un filtre supplémentaire est combiné au filtre 22. La bande passante 56 de ce filtre supplémentaire est représentée sur la figure 6. La bande passante 56 est centrée sur la longueur d'onde Au. La largeur de la bande passante 56 est représentée dans le cas particulier où elle est supérieure à 2Δλκ, où Δλκ est l'intervalle entre deux longueurs d'ondes ARj successives. C'est principalement dans ce cas qu'il est intéressant de combiner le filtre 22 et un filtre supplémentaire. En effet, dans ce cas, seule la combinaison de ces deux filtres permet d'obtenir une source laser monochromatique. A l'inverse, si l'un de ces deux filtres était capable à lui seul de sélectionner seulement la longueur d'onde Au, alors l'usage de l'autre filtre serait inutile. Dans ce mode de réalisation, la fonction du filtre supplémentaire est remplie par l'un des coupleurs 24 et 34 ou par les deux. En effet, un coupleur contra-directionnel, en plus de réaliser un couplage optique entre deux guides d'onde, remplit également la fonction d'un filtre. Il n'est donc pas nécessaire de prévoir dans la source laser 10 un filtre supplémentaire autre que le coupleur 24 ou 34. La bande passante 56 correspond ici à la bande passante du coupleur 24 ou 34.
[0050] Les figures 7A et 7B représentent en détail un exemple de mode de réalisation du coupleur 24. Le coupleur 34 est, par exemple, réalisé comme le coupleur 24. Le coupleur 24 comporte une partie inférieure 44 et une partie supérieure 46, réalisées, respectivement, dans les régions en vis-à-vis des guides d'onde 15 et 25. Ici, le matériau diélectrique interposé entre les parties 44 et 46 est de l'oxyde de silicium. Sur les figures 7A et 7B ainsi que sur toutes les figures montrant une coupe verticale, ce matériau diélectrique n'est pas représenté. Ce matériau diélectrique forme également la gaine des guides d'onde en silicium et en nitrure de silicium. Sur les figures 7A et 7B et sur les figures suivantes en coupe verticale, seul le cœur de ces guides d'onde est représenté.
[0051] Sur la figure 7A, les doubles flèches Ss, et SSÎN représentent les directions de propagation du signal optique dans les guides d'onde, respectivement 25 et 15.
[0052] Le coupleur 24 comporte un réseau 48 de motifs répétés à intervalle régulier avec un pas « a » le long de la direction de propagation du signal optique. Dans ce mode de réalisation particulier, le réseau 48 est uniquement réalisé dans la partie 46. La partie 44 est dépourvue de réseau de motifs répétés.
[0053] Le motif répété est par exemple une rainure 49 creusée dans la face inférieure de la partie 46. La face inférieure de la partie 46 est celle qui est tournée vers la partie 44. Deux rainures successives délimitent entre elles une dent ou un plot 51. Ces rainures 49 et dents 51 s'étendent principalement dans une direction perpendiculaire à la direction de propagation du signal optique.
[0054] Pour qu'un signal optique à la longueur d'onde Au puisse être transféré du guide d'onde 15 vers le guide d'onde 25 et vice-versa grâce au coupleur 24, le pas « a » est choisi égal à mALi/(neff-si + neff-f) à plus ou moins 5 % près ou 2 % près, où :
- rieff-si et neff-f sont les indices effectifs de propagation, respectivement, des guides d'onde 25 et 15, et
- m est un nombre entier positif.
De préférence, m est égal à 1. Un tel coupleur 24 présente une bande passante Δλ24 centrée sur une longueur d'onde AC24. Le coupleur 24 est ici conçu pour que sa bande passante Δλ24 corresponde à la bande passante 56 précédemment décrite et que la longueur d'onde AC24 soit égale à ALi. Le coupleur 24 remplit donc la fonction de filtre passe-bande supplémentaire. Comme pour le filtre 22, sa bande passante se déplace en fonction de la température. Toutefois, le déplacement de sa bande passante est ici nettement inférieure à ce qui serait observé si ce coupleur était entièrement réalisé en silicium. En effet, la partie 44 est réalisée dans un matériau moins sensible à la température.
[0055] De façon connue, la largeur de la bande passante du coupleur 24 peut être ajustée en ajustant différentes dimensions du coupleur 24, comme par exemple : - la profondeur des rainures 49,
- le nombre de motifs répétés,
- la largeur du réseau 48,
- la largeur et la longueur des parties 44 et 46 dans un plan parallèle au plan du substrat,
- la distance entre les parties 44 et 46 dans une direction perpendiculaire au plan du substrat,
etc.
[0056] Dans ce mode de réalisation, le filtre 22 sert surtout à réduire encore plus le spectre du signal optique qui serait généré par la source laser 10 en absence de ce filtre 22.
[0057] La figure 7B représente sur une coupe transversale les différentes dimensions du coupleur 24. Dans ce mode de réalisation, le guide 25 est un guide d'onde en arête comportant une dalle (« slab » en anglais) d'épaisseur e46i et une arête d'épaisseur e463. La largeur de l'arête est notée La46i et la largeur de la dalle est notée La462 sur cette figure. La profondeur des rainures 49 est notée e462. Les rainures
49 sont seulement creusées dans l'arête et sur toute la largeur de cette arête.
L'épaisseur et la largeur de la partie 44 sont notées, respectivement e44 et La44.
L'épaisseur du matériau diélectrique entre les dents 51 et la partie 44 est notée eSio2.
[0058] À titre d'illustration, lorsque la longueur d'onde Au est égale à 1310 nm, les dimensions du coupleur 24 peuvent avoir les valeurs suivantes : La46i = 400 nm, La462
= 5 μιη, e46i = 200 nm, e462 = 150 nm, e463 = 300 nm, eSi02 = 200 nm, e44 = 600 nm et
La44 = 700 nm.
[0059] Lorsque la longueur d'onde Au est égale 1310 nm, le pas « a » est égal à 280 nm. Par exemple, le nombre de rainures 49 est supérieur ou égal à 100, et de préférence supérieur ou égal à 300. Généralement, le nombre de rainures 49 est inférieur à 1000 ou 5000.
[0060] La figure 8 représente un premier mode de réalisation de la source laser 10. Ici, la source laser 10 est fabriquée sur un substrat 60 en silicium qui s'étend principalement dans un plan horizontal correspondant au plan du substrat. [0061] Sur la figure 8, la source laser 10 comporte successivement empilées au- dessus du substrat 60 en allant du bas vers le haut :
- une couche 64 de nitrure de silicium encapsulé dans de l'oxyde de silicium et qui contient les guides d'onde 15 et 36,
- une couche 66 de silicium monocristallin encapsulé dans de l'oxyde de silicium dans laquelle est réalisé le guide d'onde 25, et
- une couche 68 comportant le guide d'onde 28 à l'intérieur duquel est réalisé l'amplificateur 30.
[0062] Le substrat 60 est par exemple réalisé en silicium cristallin.
[0063] Les coupleurs adiabatiques 26 et 32 sont réalisés en partie dans le guide d'onde 25 et dans le guide d'onde 28.
[0064] De préférence, l'amplificateur 30 est un amplificateur large bande, c'est-à-dire capable de générer et d'amplifier une plage importante de longueurs d'onde. Cette plage comprend la longueur d'onde ALi. Typiquement, elle est centrée sur cette longueur d'onde Au à la température (Tmax+Tmin)/2. La largeur de cette plage de longueur d'onde à -3 dB est par exemple d'au moins 10 nm ou 25 nm ou 35nm et reste large avec l'augmentation de température. Par exemple, les matériaux lll-V constituant l'amplificateur 30 sont ceux décrits dans l'article suivant : Dimitris Fitsios et al. « High-gain 1,3 μνη GalnNAs semiconductor optical amplifier with enchanced température stability for all-optical processing at 10 Gb/s », Applied optics, may 2015 vol. 54, n°l, 1er janvier 2015. Le fait de réaliser l'amplificateur 30 comme décrit dans cet article permet en plus d'obtenir un amplificateur large bande stable en température. Cela améliore le fonctionnement de la source laser et notamment cela permet de maintenir une puissance émise par la source laser presque constante dans toute la gamme de températures de fonctionnement [Tmin ; Tmax]. Dans ce cas, le guide d'onde 28 et l'amplificateur 30 se présentent sous la forme d'un empilement de sous- couches en alternance en GalnNAs et en GaNAs interposées entre une sous-couche inférieure 70 et une sous-couche supérieure en GaAs dopé P. La sous-couche 70 est une sous-couche en matériau lll-V de dopage opposé à la sous couche supérieure. Par exemple, ici, il s'agit d'une sous-couche en GaAs dopé N.
[0065] L'amplificateur 30 comporte une prise 74 directement en contact mécanique et électrique avec la sous-couche 70. La sous-couche en GaAs dopée P est en contact mécanique et électrique avec une prise 76. Lorsqu'un courant supérieur au courant de seuil de la source laser est appliqué entre les prises 74 et 76, l'amplificateur 30 génère et amplifie le signal optique qui résonne à l'intérieur de la cavité de Fabry-Pérot.
[0066] Le dispositif d'accord 16 est ici une chaufferette apte à chauffer le guide d'onde 25 pour déplacer les longueurs d'onde ARj.
[0067] Dans ce mode de réalisation, le dispositif d'accord 16 comprend une résistance 80 électriquement raccordée à deux prises 82 et 84 de contact électrique. Les prises 82, 84 permettent de faire circuler un courant dans cette résistance 80 de manière à transformer l'énergie électrique en chaleur. Ces prises 82 et 84 sont électriquement raccordées à une source de courant ou de tension commandée par le circuit électronique 42 en fonction des mesures du capteur 40. La commande du dispositif d'accord 16 consiste donc ici à régler la puissance électrique qui traverse la résistance 80. Faire circuler un courant dans la résistance 80 permet de chauffer le guide d'onde 25 et donc de déplacer les longueurs d'onde
Figure imgf000016_0001
[0068] La résistance 80 est ici une bande réalisée dans la sous-couche 70. Cette bande est donc une bande en GaAs dopée N. Dans ce mode de réalisation, elle est située au-dessus du guide d'onde 25 dont la variation d'indice dnSi/dT est nettement supérieure à la variation d'indice dnf/dT.
[0069] Le dispositif d'accord 16, le guide d'onde 28 et l'amplificateur 30 sont recouverts d'une enveloppe protectrice 90 qui les isole mécaniquement de l'extérieur. Seules les prises 74, 76, 82, 84 font saillie au-delà de l'enveloppe 90. Par exemple, l'enveloppe 90 est réalisée en nitrure de silicium.
[0070] Le trajet du signal optique résonant dans la source laser 10 est représenté sur la figure 8 par une double flèche.
[0071] La source laser 10 peut être fabriquée à l'aide des mêmes procédés de fabrication que ceux utilisés pour fabriquer des composant CMOS (« Complementary Metal-Oxyde Semi-conductor »). Par exemple, la source laser 10 est fabriquée en adaptant le procédé décrit en référence à la figure 9 de la demande déposée en France le 08 janvier 2016 sous le numéro 1650171.
[0072] Les figures suivantes représentent schématiquement différentes variantes possibles de la source laser 10. Sur ces figures, les éléments déjà décrits en référence aux figures 4 et 8 portent les mêmes références numériques mais sont représentées de façon plus schématique. De plus, pour simplifier ces figures, le dispositif d'accord 16, le capteur 40 et le circuit 42 ne sont pas représentés.
[0073] La figure 9 représente une source laser 100 identique à la source laser 10 sauf que le filtre 22 est omis et que les coupleurs 24 et 34 sont remplacés, respectivement, par des coupleurs 102, 104. La fonction de filtrage est ici uniquement remplie par les coupleurs 102 et 104. Les coupleurs 102, 104 sont identiques aux coupleurs 24, 34 sauf que, pour que la source laser 100 soit monochromatique , les dimensions des coupleurs 102 et 104 sont ajustées pour que la largeur Δλ24 de leur bande passante soit inférieure à l'intervalle Δλκ. Ce mode de réalisation est préféré car il rend inutile l'usage du filtre 22.
[0074] Dans la cas particulier des figures 9 et 10, une autre possibilité pour faire sortir le signal optique de la cavité résonante a aussi été représentée. Pour cela, ici, le coupleur 104 ne transmet pas la totalité du signal optique à la longueur d'onde ALi du guide 25 vers le guide 36 est vice versa mais seulement une partie. Par exemple, la puissance du signal optique transmise d'un guide d'onde vers l'autre est comprise entre 30 % et 70 % de la puissance optique du signal optique incident. La puissance optique est ici la puissance optique du signal optique à la longueur d'onde ALi. Typiquement, la partie du signal optique transmise d'un guide d'onde vers l'autre par le coupleur 102 ou 104 est réglée comme décrit pour les facteurs de réflexion des réflecteurs 12 et 14. La partie du signal optique qui fuit du coupleur 104 est ici guidée par une guide d'onde 35 vers d'autres composants optiques tels qu'une photodiode. De préférence, ce guide 35 est réalisé dans la même couche en silicium que le guide 25. Pour régler la proportion du signal optique transmise d'un guide vers l'autre, par exemple, il est possible d'ajuster la longueur du coupleur 104. En général, plus la longueur du coupleur 104 est courte plus la proportion du signal optique qui fuit vers le guide 35 augmente.
[0075] La figure 10 représente une source laser 110 identique à la source laser 100 sauf que :
- les réflecteurs 12 et 14 sont omis, et
- les guides d'onde 15 et 36 sont remplacés par un seul guide d'onde 112 qui relie directement les parties inférieures des coupleurs 24 et 34.
[0076] Le guide d'onde 112 est réalisé en nitrure de silicium. Sur cette figure, les flèches 114 représentent le sens de circulation du signal optique à l'intérieur de la cavité résonante. Ici, le signal optique se propage depuis l'amplificateur 30 jusqu'à la partie supérieure du coupleur 102 le long du guide d'onde 25. Le coupleur 102 transfère alors le signal optique dans le guide d'onde 112. Il se propage alors jusqu'à la partie inférieure du coupleur 104 qui le transfère à nouveau vers le guide d'onde 25. Il se propage alors de la partie supérieure du coupleur 104 jusqu'à l'amplificateur 30. Dans ce mode de réalisation, la circulation du signal optique à l'intérieur de la cavité résonante forme une boucle.
[0077] La figure 11 représente une source laser 120 identique à la source laser 100 sauf que :
- le coupleur 104 est remplacé par un réflecteur 122, et
- le guide d'onde 36 est omis.
[0078] Le réflecteur 122 remplit la même fonction que le réflecteur 14 mais il est réalisé dans une extrémité du guide d'onde 25. À cet effet, par exemple, le réflecteur 122 est un réseau de Bragg. Dès lors, dans ce mode de réalisation, la source laser 120 comporte un seul coupleur contra-directionnel 102.
[0079] La figure 12 représente une source laser 220 à N-longueurs d'onde ou poli- chromatique. La source laser 220 est identique à la source laser 10, sauf que :
- le filtre 22 est omis, et
- les réflecteurs 12 et 14 sont remplacés, respectivement, par des réflecteurs 224 et 226.
[0080] Le graphe de la figure 13 est identique à celui de la figure 6 sauf que les bandes passantes 6, 52 et 54 du filtre 22 sont omises. La bande passante 56 des coupleurs 24 et 34 s'étend sur plus de deux fois l'intervalle Δλκ et englobe donc trois fréquences de résonances de la cavité notées, respectivement, ALi, AL2 et AL3 sur la figure 13. Dans ces conditions, la source laser 220 est une source laser multi- longueurs d'onde qui émet simultanément aux longueurs d'onde ALi, AL2 et AL3.
[0081] Par exemple, la largeur AR de la bande réfléchissante 234 des réflecteurs 224 et 226 est :
- supérieure à DT x (dACR/dT) si N x Avf < DT x (dACR/dT), et
- supérieure à N x Avf + DT x (dACf/dT) si N x Avf > DT x dACR/dT,
où N est un nombre entier supérieur ou égal à deux et égal au nombre de longueurs d'onde ARj sélectionnées par le filtre 222.
[0082] Le fonctionnement de la source laser 220 est identique à celui de la source laser 10 sauf qu'elle émet simultanément N longueurs d'onde notées ici ALi, AL2 et AL3.
[0083] Chapitre II : source laser comportant un coupleur contra-directionnel SiN/lll-V
[0084] La figure 14 représente une source laser 130 comportant un empilement, les uns au-dessus des autres, en partant du haut vers le bas
- d'un guide d'onde 132 en matériau lll-V,
- d'un guide d'onde 134 en silicium, et
- d'un guide d'onde 136 en matériau moins sensible à la température.
[0085] Le guide d'onde 132 est par exemple identique au guide d'onde 28 et comporte notamment l'amplificateur optique 30. Ici, le guide d'onde 136 est ne nitrure de silicium. Le guide d'onde 132 est optiquement raccordé au guide d'onde 136 par deux coupleurs contra-directionnels 138 et 139. Ces coupleurs 138, 139 raccordent directement les guides d'ondes 132 et 136 par l'intermédiaire du guide d'onde 134. Ici, le signal optique à la longueur d'onde ALi se propage du guide d'onde 132 vers le guide d'onde 136 et vice versa en traversant le guide d'onde 134. Ces coupleurs 138 et 139 sont par exemple symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan vertical. Par conséquent, seul le coupleur 138 est décrit plus en détail.
[0086] Le coupleur 138 comporte trois parties 141 à 143 en vis-à-vis et empilées les unes au-dessus des autres dans la direction verticale. Ces parties 141 à 143 sont réalisées, respectivement, dans les guides d'onde 136, 134 et 132. Dans ce mode de réalisation, le coupleur 138 comporte un réseau 146 de motifs répétés à intervalle régulier avec un pas « a ». Le réseau 146 est uniquement réalisé dans la partie 142 en silicium. Pour raccorder optiquement le guide d'onde 136 directement au guide d'onde 132, le pas « a » est ici égal à mALi/(neff-f + neff-in-v) a plus ou moins 5 % près ou 2 % près, où :
- m est un entier positif de préférence égal à 1, et
- neff-f et neff-iii-v sont les indices de propagation, respectivement, des guides 136 et 132.
Ici, m est égal à 1. [0087] Les motifs répétés sont par exemple identiques à ceux décrits en référence aux figures 7A et 7B.
[0088] Pour que la source laser 130 soit monochromatique, les réseaux de motifs répétés des coupleurs 138 et 139 sont espacés l'un de l'autre, dans le guide d'onde 134, par une région 148 dépourvue de motifs répétés avec le pas « a ». Par exemple, ici, cette région 148 ne comporte aucun motif tel que ceux utilisés dans les réseaux des coupleurs 138 et 139. Cette région 148 est souvent appelée « lame quart d'onde ». La largeur horizontale ADef de la région 148 est égale à (n + l)a, où n est un entier positif ou nul. De préférence, n est égal à 0. Ici, n est égal à 0 et les deux réseaux de motifs répétés sont espacés l'un de l'autre par une distance horizontale égale à a.
[0089] La source laser 130 fonctionne comme décrit dans la demande FR2954638. En particulier, à l'intérieur de la cavité résonante, le signal optique circule en formant une boucle. Cette boucle et son sens de circulation sont représentés par des flèches 150 sur la figure 14.
[0090] Le fait qu'une partie de chaque coupleur 138, 139 soit réalisée dans un matériau moins sensible à la température limite la sensibilité à la température de la source laser 130. On notera aussi que la source laser 130 est dépourvue de réflecteur et de dispositif d'accord tel que le dispositif 16.
[0091] La figure 15 représente les différentes dimensions du coupleur 138 sur une coupe transversale et verticale. Sur cette figure, on note Lai4i, Lai42 et Lai43 les largeurs, respectivement, des parties 141, 142 et de l'arête de la partie 143. Dans ce mode de réalisation, la partie 143 est conformée sous la forme d'un guide d'onde en arête, comme la partie 46 précédemment décrite. Un matériau de faible indice nSio2 de réfraction est interposé entre les parties 141 à 143. Ici, ce matériau est aussi de l'oxyde de silicium.
[0092] Les épaisseurs d'oxyde de silicium entre les parties 143, 142 et les parties 142, 141 sont notées, respectivement, eSio2 i et eSio2-2. L'épaisseur des parties 141 et 142 sont notées, respectivement, ei4i et ei42.
[0093] À titre d'exemple, lorsque la longueur d'onde ALi est égale à 1310 nm, les dimensions suivantes conviennent pour le coupleur 138 : Lai4i = Lai42 = Lai43 = 5 μιη, eSio2 i = 80 nm, ei42 = 500 nm, eSi02-2 = 200 nm, ei4i = 600 nm. Pour une longueur d'onde Au = 1310 nm, le pas « a » est égal à 260 nm. La longueur du réseau 146 dans la direction de propagation du signal optique est par exemple supérieure ou égale à 1 μιη ou 2 μιη et généralement inférieure à 500 μιη.
[0094] Cette source laser 130 peut être fabriquée par les mêmes procédés de fabrication que ceux utilisables pour fabriquer les modes de réalisation du chapitre I.
[0095] On notera aussi que les modes de réalisation du chapitre II ne nécessitent pas de dispositif d'accord, de capteur et de circuit électronique tel que ceux décrits au chapitre I. [0096] Chapitre III : source laser avec des coupleurs contra-directionnels SiN/Si et SiN/lll-V
[0097] La figure 16 représente une source laser 150 identique à la source laser 130, sauf que les guides d'onde 132, 134 et 136 sont remplacées, respectivement, par des guides d'onde 152, 154 et 156.
[0098] Le guide d'onde 152 est réalisé en matériau lll-V et comporte un amplificateur optique tel que l'amplificateur optique 30.
[0099] Les guides d'onde 154 et 156 sont réalisés, respectivement, en silicium et en nitrure de silicium.
[00100] L'extrémité gauche du guide d'onde 152 est raccordée optiquement à l'extrémité gauche du guide d'onde 156 par un coupleur contra-directionnel 158. Le coupleur 158 est par exemple identique au coupleur 138.
[00101] L'extrémité droite du guide d'onde 152 est raccordée au guide d'onde 154 par un coupleur adiabatique 160 par exemple identique au coupleur 32.
[00102] L'extrémité droite du guide d'onde 154 est raccordée à l'extrémité droite du guide d'onde 156 par un coupleur contra-directionnel 162 par exemple identique au coupleur 104.
[00103] Le fonctionnement de cette source laser se déduit des explications données aux chapitres I et II. Les flèches en gras sur la figure 16 représentent la circulation du signal optique à l'intérieur de la cavité résonante.
[00104] Variantes du coupleur contra-directionnel :
[00105] Dans tous les modes de réalisation décrits ici, un réseau de motifs répétés du coupleur contra-directionnel peut être réalisé dans le guide d'onde en silicium et un autre réseau de motifs répétés peut être réalisé en vis-à-vis dans le guide d'onde en nitrure de silicium. Dans une autre variante, le réseau de motifs répétés du coupleur contra-directionnel est uniquement réalisé dans le guide d'onde en nitrure de silicium.
[00106] D'autres formes de motifs répétés sont possibles. Par exemple, les rainures 49 peuvent être remplacées par des trous alignés les uns à côté des autres ou par des plots cylindriques alignés en rangées.
[00107] En variante, l'un des coupleurs 24, 34, 102 ou 104 est remplacé par un coupleur adiabatique ou évanescent.
[00108] En variante, les coupleurs 138, 139 sont remplacés par un seul coupleur contra-directionnel comme décrit dans la demande FR2954638. Toutefois, cet unique coupleur est toujours réalisé en trois parties, comme décrit pour la source laser 130.
[00109] Autres variantes de la source laser :
[00110] Le dispositif d'accord n'est pas nécessairement une chaufferette. Par exemple, il est aussi possible d'utiliser en tant que dispositif d'accord une jonction P-N réalisée dans l'un des guides d'onde en silicium. L'indice de réfraction du silicium au niveau de cette jonction P-N varie en fonction de la polarisation de cette jonction. Le signal électronique de commande du dispositif d'accord fait alors varier la polarisation de cette jonction P-N. Cette façon de faire varier l'indice de réfraction du silicium est par exemple décrite plus en détail dans l'article suivant : G. T. Reed et al., « Silicon optical modulators », Natures photonics, Vol 4, août 2010. D'autres variantes possibles du dispositif d'accord sont décrites dans la demande déposée en France le 08 janvier 2016 sous le numéro 1650171.
[00111] En variante, le dispositif d'accord, le capteur 40 et le circuit électronique 42 sont omis dans les modes de réalisation décrits au chapitre I et III. Cela est notamment possible lorsque le guide d'onde en silicium est court. En effet, dans ce cas, la variation de température ne fait que très faiblement varier les longueurs d'onde ARj.
[00112] Dans un autre mode de réalisation, à la place ou en plus du dispositif d'accord 16, du capteur 40 et du circuit électrique 42, un dispositif externe de régulation de la température de la source laser est mis en œuvre.
[00113] Les facteurs de réflexion des réflecteurs avant et arrière peuvent aussi être égaux.
[00114] En variante, les réflecteurs sont réalisés en partie en nitrure de silicium et en partie en silicium. Typiquement, chaque réflecteur est alors formé de deux réseaux de Bragg en vis-à-vis, un dans le guide d'onde en nitrure de silicium et un dans le guide d'onde en silicium.
[00115] Le guide d'onde 25 peut être remplacé par deux guides d'ondes en silicium comme décrit dans la demande US2014153600.
[00116] D'autres modes de réalisation du filtre 22, du guide d'onde 28 et de l'amplificateur 30 et du capteur 40 sont possibles. Par exemple de tels autres modes de réalisation possibles sont décrits dans la demande déposée en France le 08 janvier 2016 sous le numéro 1650171.
[00117] En variante, le guide d'onde 28 et l'amplificateur 30 sont raccordés optiquement au guide d'onde 25 par un couplage évanescent. Dans ce cas, les coupleurs adiabatiques 26 et 32 sont omis. Un tel raccordement optique entre l'amplificateur et des guides d'onde en silicium est par exemple décrit dans l'article suivant : A. W. Fang et al., « Electrically pumped hybrid AIGalnAs-silicon évanescent laser », Optics Express, Vol. 14, pp. 9203-9210 (2006).
[00118] L'ordre dans lequel sont agencés les différents composants photoniques à l'intérieur de la cavité résonante peut être modifié. Par exemple, le filtre 22 peut être placé entre le coupleur 34 et le réflecteur 14.
[00119] Il est possible d'utiliser différent type de nitrure de silicium. Par exemple il est possible, comme décrit ci-dessus, d'utiliser du nitrure de silicium stœchiométrique (Si3N4). Il est aussi possible d'utiliser du nitrure de silicium non-stœchiométrique (SiNx).
[00120] Il est également possible d'utiliser d'autres matériaux que le nitrure de silicium. Par exemple, il est possible aussi d'utiliser, en tant que matériau moins sensible à la température, le nitrure d'aluminium.
[00121] Tout ce qui est enseigné ici dans le cas particulier où la bande réfléchissante des réflecteurs est plus étroite que celle de l'amplificateur 30, s'applique aussi au cas inverse. Dans le cas inverse, la largeur de la bande réfléchissante 4 est alors limitée par la largeur de la bande passante de l'amplificateur 30.
[00122] Une source laser qui émet à plusieurs longueurs d'onde AU peut également être réalisée comme décrit, par exemple, en référence aux figures 2 ou 6 de l'article suivant : Katarzyna Lawmiczuk et al. « Design of integrated photonic transmitter for application in fiber-to-the-home Systems », Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry and High-Energy Physics Experiments 2010 Proceedings of SPIE, vol 7745, 2010. Dans ce cas, le filtre est un multiplexeur démultiplexeur connu sous l'acronyme de AWG (« Array Waveguide Grating »). C'est alors ce composant AWG qui est réalisé dans le matériau moins sensible à la température.
[00123] Variantes du procédé de fabrications :
[00124] D'autres procédés de fabrication sont possibles. Par exemple, le procédé décrit en référence à la figure 17 de l'article suivant peut être facilement adapté pour fabriquer les sources laser décrites ici : Martijn J.R. Heck et al, « Ultra-low loss waveguide plateform and its intégration with silicon photonics », Laser photonics rev. 8, n°5, pages 667-686 (2014).
[00125] Autres variantes :
[00126] Dans le cas des modes de réalisation décrits aux chapitres I et III , les guides d'onde 15 et 36 peuvent être réalisés dans un matériau qui n'est pas nécessairement un matériau moins sensible à la température. En effet, même sans cette caractéristique, l'utilisation de coupleurs contra-directionnels à la place des coupleurs adiabatiques présente déjà l'avantage de rendre possible une diminution de la taille de la cavité résonante. En effet, à performance égale, un coupleur contra-directionnel est moins long qu'un coupleur adiabatique.
[00127] Avantages des modes de réalisation décrits :
[00128] Un coupleur contra-directionnel en plus de réaliser un couplage optique entre deux guides d'onde, réalise en même temps une fonction de filtrage. En effet, le coupleur contra-directionnel présente une bande passante centrée sur une longueur d'onde ACGACC dont la valeur dépend du pas du réseau de motifs répétés. En réalisant une partie de ce coupleur contra-directionnel dans un matériau moins sensible à la température, on limite le déplacement de la longueur d'onde ACGACC en fonction de la température et donc on limite la sensibilité de la source laser à la température. [00129] De plus, dans le cas des modes de réalisation des chapitres I ou III, le fait d'utiliser un coupleur contra-directionnel permet de diminuer la taille de la cavité résonante. En effet, un coupleur contra-directionnel réalise un couplage optique entre deux guides d'onde avec la même efficacité qu'un couplage adiabatique mais sur une distance plus courte. Par ailleurs, contrairement à un couplage adiabatique, les performances du coupleur contra-directionnel peuvent être ajustées indépendamment de l'épaisseur du guide d'onde en silicium. Ainsi, le remplacement du couplage adiabatique entre les guides d'onde en silicium et en nitrure de silicium par un coupleur contra-directionnel permet de choisir l'épaisseur du guide d'onde en silicium uniquement en fonction des performances souhaitées pour le couplage adiabatique entre ce guide d'onde en silicium et le guide d'onde en matériau ll l-V. Il n'est donc plus nécessaire :
- soit de prévoir des épaisseurs différentes du guide d'onde en silicium au niveau des couplages Si/SiN et Si/lll-V,
- soit de choisir une épaisseur uniforme pour le guide d'onde en silicium qui permet d'obtenir un compromis entre les niveaux de performance des couplages adiabatiques entre les guides d'onde en silicium et en matériau lll-V et entre les guides d'onde en silicium et en nitrure de silicium.
[00130] Dans le cas des modes de réalisation du chapitre II , l'utilisation du coupleur contra-directionnel dont une partie est au moins réalisée en nitrure de silicium, permet de limiter la sensibilité à la température de la source laser.
[00131] De plus, puisque l'indice effectif de propagation du nitrure de silicium est inférieur à celui du silicium, le fait de réaliser en partie le coupleur en nitrure de silicium augmente donc la taille du pas « a » du réseau de motifs répétés. Or, plus la taille du pas « a » est grande, plus cela simplifie la fabrication du coupleur contra- directionnel.
[00132] Le fait de réaliser le réseau de motifs répétés uniquement dans le guide d'onde en silicium facilite la fabrication de la source laser notamment, lorsque le fabricant maîtrise mieux la gravure du silicium que du nitrure de silicium. De plus, dans ce cas, la réalisation du guide d'onde en nitrure de silicium nécessite la mise en œuvre d'un seul niveau de gravure et non pas deux comme dans le cas où le réseau de motifs répétés serait réalisé dans ce guide d'onde en nitrure de silicium.
[00133] Le dispositif d'accord, le capteur et le circuit électronique permettent de maintenir en permanence une longueur d'onde ARj au centre de la bande passante du coupleur contra-directionnel. Dans le cas des modes de réalisation des chapitres I ou III , cela a pour conséquence de réduire encore plus la sensibilité à la température sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à un dispositif de régulation de la température de la source laser.
[00134] L'utilisation d'un filtre passe-bande supplémentaire réalisé dans le guide d'onde en nitrure de silicium permet de limiter, si nécessaire, la bande passante des coupleurs contra-directionnels et cela sans augmenter sa sensibilité à la température. En effet, le filtre est réalisé dans le matériau moins sensible à la température.
[00135] L'utilisation d'un anneau résonant en tant que filtre permet de limiter l'encombrement du filtre supplémentaire et donc l'encombrement de la source laser à semi-conducteur.
[00136] Le fait de réaliser les réflecteurs au moins en partie dans le matériau moins sensible à la température permet de limiter leur sensibilité à la température. Ceci permet d'utiliser des réflecteurs dont la largeur AR de la bande réfléchissante est plus faible.
[00137] L'utilisation de deux coupleurs contra-directionnels couplant chacun une extrémité du guide d'onde en nitrure de silicium aux guides d'onde en silicium permet de réaliser une cavité résonante sans utiliser des réflecteurs avant et arrière.
[00138] Espacer de (n+l)a les réseaux de motifs répétés dans la source laser 130 permet d'obtenir une source laser monomode.
[00139] L'utilisation du nitrure de silicium ou du nitrure d'aluminium en tant que matériau moins sensible à la température permet de diviser par au moins cinq la sensibilité de la source laser à la température.

Claims

REVENDICATIONS
1. Source laser à semi-conducteur apte à émettre à au moins une longueur d'onde ALi, cette source laser comportant :
- un substrat (60) sur lequel sont empilées, dans l'ordre, une troisième (64), une deuxième (66) et une première (68) couches, ce substrat s'étendant essentiellement dans un plan appelé « plan du substrat » et les différentes couches s'étendant parallèlement au plan du substrat,
- une cavité optique apte à faire résonner le signal optique à la longueur d'onde ALi, cette cavité optique comportant :
• un premier guide d'onde (28 ; 132 ; 152) dont le cœur est réalisé en matériau à gain lll-V pour amplifier le signal optique à la longueur d'onde Au qui se propage le long du cœur de ce premier guide d'onde, ce premier guide d'onde étant situé à l'intérieur de la première couche,
• un deuxième guide d'onde (25 ; 134; 154) dont le cœur est réalisé en silicium, ce deuxième guide d'onde étant situé à l'intérieur de la deuxième couche,
• un troisième guide d'onde (15, 36 ; 112 ; 136; 156) dont le cœur est réalisé dans un matériau moins sensible à la température, c'est-à-dire réalisé dans un matériau dont la variation dnf/dT de son indice de réfraction en fonction de la température est au moins deux fois inférieure à la variation dnSi/dT de l'indice de réfraction du silicium en fonction de la température, ce troisième guide d'onde étant situé à l'intérieur de la troisième couche et couplé optiquement au premier guide d'onde par l'intermédiaire du deuxième guide d'onde,
caractérisé en ce que, pour coupler optiquement le troisième guide d'onde au premier guide d'onde par l'intermédiaire du deuxième guide d'onde, la cavité optique comporte au moins un coupleur contra-directionnel (24, 34 ; 102, 104 ; 138, 139 ; 158 ; 228, 229) assisté par réseau apte à transformer l'essentiel du signal optique à la longueur d'onde Au qui se propage dans un sens le long du troisième guide d'onde, en un signal optique de même longueur d'onde Au, qui se propage en sens opposé dans le premier ou le deuxième guide d'onde, ce coupleur contra-directionnel comportant à cet effet au moins une partie (44 ; 141) réalisée dans le troisième guide d'onde et un réseau (48 ; 146) de motifs répétés avec un pas régulier « a » dans le sens de propagation du signal optique à la longueur d'onde ALi, ce réseau de motifs étant réalisé dans le deuxième ou le troisième guide d'onde.
2. Source laser selon la revendication 1, dans laquelle le réseau (48 ; 146) de motifs répétés est uniquement réalisé à l'intérieur du deuxième guide d'onde (25 ; 134 ; 154).
3. Source laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle :
- le deuxième guide d'onde (25 ; 154) comporte une première région optiquement couplée, par un couplage adiabatique ou évanescent, à une première région en vis-à- vis du premier guide d'onde (28 ; 152) de manière à permettre au signal optique à la longueur d'onde Au de passer du deuxième guide d'onde vers le premier guide d'onde et vice-versa,
- le troisième guide d'onde (15, 36 ; 112 ; 156) comporte une première région optiquement couplée, par l'intermédiaire du coupleur contra-directionnel (24, 34 ; 102, 104 ; 162), à une deuxième région en vis-à-vis du deuxième guide d'onde (25; 154) de manière à permettre au signal optique à la longueur d'onde Au de passer du troisième guide d'onde vers le deuxième guide d'onde et vice-versa, le pas régulier « a » du réseau de motifs répétés du coupleur contrat directionnel étant à cet effet égal à mALi/(neff-si+neff-f) à plus ou moins 5 % près, où :
· rieff-si et neff-f sont les indices effectifs de propagation, respectivement, des deuxième et troisième guides d'onde, et
• m est un nombre entier strictement supérieur à zéro,
- les première et deuxième régions du deuxième guide d'onde étant décalées l'une par rapport l'autre le long du deuxième guide d'onde.
4. Source laser selon la revendication 3, dans laquelle :
- la cavité optique est apte à faire résonner un signal optique à au moins une longueur d'onde possible ARj, et
- la source laser comporte aussi :
· un dispositif d'accord (16) apte à décaler la longueur d'onde ARj en réponse à un signal électrique de commande,
• un capteur (40) apte à mesurer une grandeur physique représentative de l'écart entre la longueur d'onde ALi et la longueur d'onde ARj possible, et
• un circuit électronique (42) apte à générer, en fonction de la grandeur physique mesurée par le capteur, le signal électrique de commande du dispositif d'accord pour maintenir la longueur d'onde ARj égale à la longueur d'onde Au.
5. Source laser selon la revendication 3 ou 4 émettant uniquement à une seule longueur d'onde Au, dans laquelle :
- la cavité optique est apte à faire résonner le signal optique à plusieurs fréquences de résonance possibles, les longueurs d'onde possibles ARj de ces fréquences de résonance possibles étant régulièrement espacées les unes des autres par un intervalle Δλκ et toutes comprises à l'intérieur d'une bande réfléchissante de largeur AR, et - la largeur de la bande passante du coupleur contra-directionnel (102, 104) est inférieure à l'intervalle Δλκ.
6. Source laser selon la revendication 3 ou 4 émettant uniquement à une seule longueur d'onde ALi, dans laquelle :
- la cavité optique est apte à faire résonner le signal optique à plusieurs fréquences de résonance possibles, les longueurs d'onde possibles ARj de ces fréquences de résonance possibles étant régulièrement espacées les unes des autres par un intervalle Δλκ et toutes comprises à l'intérieur d'une bande réfléchissante de largeur AR,
- la bande passante du coupleur contra-directionnel (24, 34) est supérieure à deux fois l'intervalle Δλκ,
- la cavité optique comporte, en plus du coupleur contra-directionnel (24, 34), un filtre passe-bande (22) supplémentaire entièrement réalisé dans le matériau moins sensible à la température et agencé pour être traversé par le signal optique résonant, ce filtre passe-bande supplémentaire présentant une bande passante centrée sur la longueur d'onde Au et de largeur inférieure à l'intervalle Δλκ, ce filtre passe bande supplémentaire comportant à cet effet un anneau résonant.
7. Source laser selon la revendication 3 ou 4 émettant simultanément à plusieurs longueurs d'onde Au, dans laquelle :
- la cavité optique est apte à faire résonner le signal optique à plusieurs fréquences de résonance possibles, les longueurs d'onde possibles ARj de ces fréquences de résonance possibles étant régulièrement espacées les unes des autres par un intervalle Δλκ et toutes comprises à l'intérieur d'une bande réfléchissante de largeur AR,
- la bande passante du coupleur contra-directionnel (24, 34) est supérieure à deux fois l'intervalle Δλκ,
- la cavité optique est dépourvue de filtre passe-bande supplémentaire apte à réduire la bande passante du coupleur contra-directionnel (24, 34).
8. Source laser selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dans laquelle la cavité optique comporte :
- un quatrième guide d'onde (36) dont le cœur est réalisé dans le même matériau que le troisième guide d'onde (15), ce quatrième guide d'onde étant situé à l'intérieur de la troisième couche,
- un réflecteur avant (14 ; 226) et un réflecteur arrière (12 ; 224) optiquement raccordés l'un à l'autre par l'intermédiaire des premier, deuxième, troisième et quatrième guides d'onde, ces réflecteurs avant et arrière formant les extrémités d'une cavité optique de Fabry-Pérot apte à faire résonner le signal optique à la longueur d'onde ALi, les réflecteurs avant et arrière étant réalisés à l'intérieur, respectivement, des troisième (15) et quatrième (36) guides d'onde.
9. Source laser selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, dans laquelle : - la première région du troisième guide d'onde est optiquement couplée, par l'intermédiaire d'un premier coupleur contra-directionnel (102), à la deuxième région du deuxième guide d'onde (25), et
- le troisième guide d'onde (112) comporte une deuxième région optiquement couplée, par l'intermédiaire d'un deuxième coupleur contra-directionnel (104), à une troisième région en vis-à-vis du deuxième guide d'onde (15) de manière à permettre au signal optique à la longueur d'onde Au de passer du troisième guide d'onde vers le deuxième guide d'onde et vice-versa, les première et troisième régions du deuxième guide d'onde (15) étant située de part et d'autre de la deuxième région du deuxième guide d'onde (15).
10. Source laser selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans laquelle le coupleur contra-directionnel (138, 139 ; 158) comporte une première (143), une deuxième (142) et une troisième (141) parties réalisées à l'intérieur, respectivement, du premier (132 ; 160), du deuxième (134 ; 154) et du troisième (136 ; 156) guides d'onde, ces trois parties étant empilées les unes au-dessus des autres dans une direction perpendiculaire au plan du substrat et le pas régulier « a » du réseau (146) de motifs répétés étant égal à mAL (neff-iii-v+neff-f) à plus ou moins 5 % près, où :
- neff-m-v et neff-f sont les indices effectifs de propagation, respectivement, des premier et troisième guides d'onde, et
- m est un nombre entier strictement supérieur à zéro,
le réseau de motifs répétés étant réalisés dans la deuxième ou la troisième partie du coupleur contra-directionnel.
11. Source laser selon la revendication 10, dans laquelle :
- la source laser comporte un premier (138) et un second (139) coupleurs contra- directionnels, et
-les réseaux de motifs répétés de ces premier et second coupleurs contra- directionnels sont séparés l'un de l'autre par une région (148) dépourvue de motif répété, la largeur de cette région (148) étant égale à (n+l)a, où « a » est le pas des réseaux de motifs répétés des premier (138) et second (139) coupleurs contra- directionnels.
12. Source laser selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le matériau moins sensible à la température est du nitrure de silicium ou du nitrure d'aluminium.
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