EP4244941A1 - Optoelectronic component - Google Patents
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- EP4244941A1 EP4244941A1 EP21811004.7A EP21811004A EP4244941A1 EP 4244941 A1 EP4244941 A1 EP 4244941A1 EP 21811004 A EP21811004 A EP 21811004A EP 4244941 A1 EP4244941 A1 EP 4244941A1
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Definitions
- the present invention relates to an optoelectronic component adapted to be integrated into an optoelectronic circuit, as well as such an optoelectronic circuit.
- the field of the invention is, without limitation, that of optoelectronic components for information and communication technologies.
- Optoelectronic components such as laser sources, light amplifiers, photodetectors or optical modulators, are usually made in bulk crystals of III-V semiconductors. Apart from lasers of the VCSEL type ( Vertical cavity surface emitting laser ), their typical length is of the order of a millimeter. The electrical power required to drive these components is of the order of a few hundred mW. These characteristics limit the integration density of these components in an optoelectronic circuit.
- VCSEL Vertical cavity surface emitting laser
- Optoelectronic components including in particular "ribbon" type waveguide structures whose section is several ⁇ m2 ( ⁇ 10 ⁇ m2), with a length of about 1mm, integrated on silicon have been developed. Such components are described, for example, in documents [1-3]. By design, these devices offer only a reduced interaction of light with the gain or active material of the waveguide, thus limiting their energy efficiency.
- the object of the present invention is to have an optoelectronic component making it possible to remedy at least one of the drawbacks described.
- An object of the present invention is to provide a very compact optoelectronic component which can be densely integrated into a photonic circuit.
- Another object of the present invention is to provide an optoelectronic component with low power consumption.
- Yet another object of the present invention is to provide an optoelectronic component whose manufacture is compatible with CMOS technology (acronym for " Complementary Metal oxide semiconductor ” ).
- an optoelectronic component adapted to be integrated into an optoelectronic circuit, the component comprising:
- the layers being arranged such that the intrinsic and N layers cover the P layer only partially, forming a side face extending perpendicularly from the surface of the P layer, part of the side face forming the total reflection face internal PC waveguide;
- the PC waveguide being arranged to be evanescently coupled to a passive semiconductor waveguide in at least one coupling region.
- the optoelectronic component according to the present invention constitutes a fundamental element for designing specific optoelectronic components that can be integrated into optoelectronic circuits.
- the invention thus proposes a unique design scheme of an optoelectronic component, presenting an active nano-photonic structure consisting of an asymmetric photonic crystal (PC) waveguide fabricated in a III-V semiconductor membrane. This active structure is coupled to a passive waveguide, adapted to propagate optical information in a photonic circuit.
- PC photonic crystal
- Part of the side face, or ridge, represents the total internal reflection face of the CP waveguide.
- the electromagnetic field present in the component according to the present invention is strongly confined in the CP waveguide, the component benefits from a lower energy consumption compared to the optoelectronic components of the state of the art.
- the optoelectronic component according to the invention allows, thanks to the arrangement of the electrical contacts on either side of the waveguide CP in the plane of the membrane and thanks to the edge, a lateral injection of charge carriers, rather than vertically.
- the injection is thus carried out in the membrane in an efficient manner.
- the thickness of the membrane can be minimized (less than 500 nm), while avoiding absorption of the light guided in the CP waveguide by the metal of the contacts.
- the footprint of such a component on a photonic circuit can then be reduced while increasing the light confinement factor.
- the reduced size of the component makes it possible to increase the light-matter interaction.
- the confinement factor defined as the spatial overlap of the light intensity with the light emitting material typically goes from a few percent in the case of a ribbon waveguide type configuration, to more than 15% in the case the invention. It is then possible to reduce the electrical power consumed.
- the reduction in size makes it possible to reduce the electrical capacity of the component, allowing an increase in its working frequency.
- Optoelectronic components according to the invention allow in particular the co-integration of photonic and electronic circuits.
- Light can thus be used as an information carrier through electronic circuits, to be able to replace, at least in part, metallic interconnections with ultra-fast photonic links.
- the energy efficiency and speed of such co-integrated components are greatly improved compared to state-of-the-art circuits.
- the region between the CP and the total reflection face, in the intrinsic, inner layer can be called "active region”.
- CMOS technology used for the manufacture of electronic components and logic circuits. This is possible due to the fact that during manufacturing, only temperatures compatible with CMOS technology ( ⁇ 400°C) are used.
- a P contact can be arranged on the P layer facing the side face and an N contact can be arranged on the N layer adjacent to the photonic crystal, so that the contacts are arranged parallel to the guide. PC wave.
- the two electrical contacts are deposited on the same side of the optoelectronic component, on the other side with respect to the passive waveguide to which it can be coupled, thus facilitating the manufacture of the component.
- This arrangement also allows efficient injection of charge carriers.
- a potential is applied to the electrical contacts, electrons move in the N-doped layer through the CP region to reach the active region, and carriers from the P contact move in the P-doped layer to the active region.
- the resistivity of the CP region is higher than that of bulk material without CP.
- the carriers of the P contact have a shorter effective path than the electrons.
- the adjustment of the volume crossed by the charge carriers then makes it possible to attenuate the problem of unequal mobility between electrons and holes.
- the P contact can also be arranged under the P layer.
- the P contact is between the P layer and the Si of the passive circuit.
- the photonic crystal can be formed by holes extending through the N layer, the intrinsic layer and the P layer, the holes forming a two-dimensional periodic array.
- the PC waveguide may include a gain region.
- the gain region can comprise quantum wells and/or quantum dots.
- quantum wells and/or dots makes it possible to localize the process of stimulated emission, when light propagates in the CP waveguide and charge carriers are injected into the active region. This results in optical amplification.
- the width of the waveguide CP can vary progressively in the at least one coupling region to the passive waveguide.
- the respective distance of the electrical contacts from the CP waveguide can be inversely proportional to the width of the CP waveguide.
- the electrical resistance thus remains constant along the waveguide CP.
- the CP waveguide may include a slow light regime region, in which the photonic crystal includes a local disturbance.
- the waveguide PC can comprise two regions with a fast light regime, arranged respectively upstream and downstream of the region with a slow light regime.
- the fast light regime regions contribute to the mode conversion of guided light in the passive waveguide to a guided mode in the slow light regime region.
- a resonant optical cavity is formed in the waveguide PC by two mirror regions arranged in the direction of propagation of the waveguide PC and by a so-called region of apodization.
- At least one geometric parameter of the photonic crystal in the apodization region can vary gradually between the center and the ends of the apodization region in the direction of propagation.
- the component may also comprise an additional one- or two-dimensional photonic crystal adjacent to the side face.
- This additional photonic crystal can consist of one or two rows of additional holes, arranged on the side of the side face of the CP waveguide.
- One of these additional lines can in particular be made on the edge, which thus has half-holes.
- the additional photonic crystal makes it possible in particular to reduce optical losses.
- an optical amplifier comprising an optoelectronic component according to the invention, configured to amplify light propagating in the PC waveguide when charge carriers are injected into it. this.
- Such a nano-amplifier is an embodiment of a non-resonant optoelectronic component.
- optical modulators or photodetectors can be designed based on the non-resonant component according to the invention, in particular optical modulators or photodetectors.
- the design is achieved by adjusting the composition of the III-V semiconductor membrane.
- a laser source comprising an optoelectronic component comprising a resonant cavity according to the invention, the cavity comprising a gain region, or an active material.
- Such a laser source is an embodiment of a resonant optoelectronic component.
- optical modulators or photodetectors can be designed based on the resonant component according to the invention, in particular optical modulators or photodetectors.
- the design is achieved by adjusting the composition of the III-V semiconductor membrane.
- an optoelectronic circuit comprising at least one of:
- the applications of such a photonic circuit are in the fields of signal processing, telecommunications, artificial intelligence or even sensors.
- the optoelectronic component 1, represented on the comprises a semiconductor membrane, comprising a P-doped layer 2, called the P layer, an intrinsic layer 3 deposited on the P layer 2 and an N-doped layer 4, called the N layer, deposited on the intrinsic layer 3.
- the P layer 2 is not completely covered by the intrinsic layer 3, but has an uncovered part 2a.
- the intrinsic layer 3 is completely covered by the N layer 4.
- the edges 3a, 4a of the intrinsic and N layers 3, 4 (and possibly also the edge 2a of part of the P layer) form a side face 5 s extending perpendicularly from the surface of the P layer 2.
- An asymmetric photonic crystal (CP) waveguide 6 is fabricated in the optoelectronic component 1.
- the CP consists of a hexagonal arrangement of circular holes 7 etched in the membrane comprising the P, N and intrinsic layers, the holes 7 thus forming a two-dimensional periodic network.
- the confinement of the light in the asymmetric CP waveguide 6 is achieved on one longitudinal side by total internal reflection (TIR for “ total internal reflection”) on the lateral face 5 and on the other longitudinal side by the Two-dimensional CP.
- TIR total internal reflection
- the waveguide CP 6 thus represents an asymmetric edge-type waveguide (“rib” according to English terminology).
- the horizontal arrow indicates the width of the CP waveguide.
- the semiconductor membrane is in a III-V material.
- the material can be based on GaN (visible range), GaS (near infrared) or InP (telecommunications range).
- the operating wavelength of the optoelectronic component is adjusted by means of the geometric characteristics of the CP (period, diameter of the holes) and of the membrane (thickness) as well as the choice of III-V materials.
- the optoelectronic component 1 is a PIN-type heterojunction (P-doped region—intrinsic region—N-doped region). Electrical contacts P and N are placed parallel to the waveguide CP 6. As illustrated for the embodiment of the , the P contact 10 is arranged parallel to and facing the side face 5 on the P layer 2, and the N contact 11 is arranged parallel to the last row of holes 7 of the CP, on the opposite side of the side face 5. The P and N contacts 10, 11 are arranged in the immediate vicinity of the CP waveguide 6. By way of example, the distance between the edge and the P contact can be ⁇ 1 ⁇ m, and the N contact can be arranged at about 2 to 4 ⁇ m from the center of the CP 6 waveguide.
- the energization of the electrical contacts 10, 11 makes it possible to inject electrical charge carriers into the region of the CP waveguide 6.
- the optoelectronic component 1 is coupled to a passive waveguide 12.
- the component 1 is arranged above the passive waveguide 12 so that the CP waveguide 6 and passive waveguide 12 are evanescently coupled in at least one coupling region.
- the passive waveguide 12 is made of a silicon-based material (Si, SiN, SiO2, SiON, etc.). It can be part of a passive circuitry and allows the propagation of optical information.
- the arrangement of the electrical contacts 10, 11 parallel to the waveguide CP 6, in the plane of the membrane makes it possible to inject charge carriers laterally. This makes it possible in particular to minimize the thickness of the membrane and, consequently, to reduce the size of the component and to increase the confinement factor.
- the asymmetrical arrangement of the CP waveguide and the P,N contacts takes into account the large difference in mobility between electrons and holes.
- the mobility is 80 times greater for the electrons.
- the radiative recombination of the charge carriers is well localized inside the waveguide CP 6. Indeed, the contact P is made as close as possible to the side face 5 of the waveguide CP 6, and the contact N is made on the opposite side of the holes 7 of the CP.
- the resistivity of the membrane provided with CP being greater than that of the membrane without CP, the holes take a much shorter path than the electrons to reach the CP 6 waveguide, making it possible to obtain an excellent spatial overlap between the guided optical mode and radiative recombinations.
- the optoelectronic component 1 as shown in the can be adapted to obtain resonant or non-resonant optoelectronic components.
- An example of a non-resonant optoelectronic component according to an embodiment of the present invention is an optical nano-amplifier.
- the guide CP In order to be able to use the guide CP as an amplifier, it includes a gain region. This gain region can be achieved, for example, by incorporating multiple quantum wells or quantum dots.
- the nano-amplifier has technical characteristics similar to the optoelectronic component described with reference to the .
- the amplifier also comprises several quantum wells or quantum boxes inserted into the III-V membrane at the level of the CP, in order to create a line defect there. Light amplification is achieved in this active material through the stimulated emission process.
- optical amplification of the signal results from the radiative recombinations of the charge carriers.
- the wavelength of the optical signal and that of the radiation emitted during the recombinations must be identical. This wavelength is called the operating wavelength.
- the geometric parameters of the CP can be chosen to obtain a single-mode waveguide at the operating wavelength.
- the geometric parameters can further be adjusted to modify the effective refractive index of the guided mode, the confinement factor and the gain.
- the CP waveguide is coupled by evanescent waves to the passive waveguide (placed below on the (has)).
- linear or adiabatic couplers can be used. The couplers progressively transform the optical mode confined in the passive guide into an optical mode confined in the CP guide. For this, the difference in the effective index between the two waveguides is gradually modified as a function of the propagation distance of the mode. Thus, the effective index difference is reduced in the coupling region.
- the (top, (a)) schematically shows an example of arrangement of a linear coupler 100, or mode converter (to type according to the English terminology).
- the effective index of the guided mode in the CP waveguide 16 is adjusted by gradually modifying the width of the CP waveguide 16.
- the width of the passive waveguide 12 remains constant. Thanks to the variation of the width of the waveguide CP 16 in the region of the coupler 100, the effective index of the latter is progressively adapted.
- the transfer of optical power from the passive waveguide 12 to the CP waveguide 16 thus obtained is illustrated in the bottom (b).
- the (b) shows a simulation of the conversion from a guided mode 22 in the passive waveguide 12 to a guided mode 29 in the CP waveguide 16.
- the spatial distributions of the electromagnetic fields in the respective guides are shown in the transverse direction at the inlet (e) and outlet (s) of the coupler 100, as well as in the longitudinal direction (l) over the entire length of the coupler 100.
- the overlap between the intensity profile of the electromagnetic field propagating in the waveguide CP, the intensity profile of radiative recombination and the active material (wells and/or quantum dots) is optimized.
- the design of the CP waveguide must be optimized. The concentration of injected charge carriers giving rise to stimulated emission events can thus be maximized.
- the nano-amplifier may comprise a region with a slow light regime.
- the geometric parameters of the CP are chosen so that the group low-speed guided mode is available at the desired wavelength.
- a local disturbance can be applied to the rows of holes of the CP closest to the edge of the component.
- This local disturbance may consist of a diameter slightly different from that of the other holes or a different relative position with respect to the network of holes.
- the period of the holes can vary approximately between 1-30%. This has the effect of decreasing the group velocity dispersion in the CP guide and thus enlarging the operating wavelength band of the amplifier in the slow light regime.
- a linear or adiabatic converter 31, as described with reference to makes it possible to convert the guided mode in the passive silicon-based waveguide into the fundamental mode of the CP waveguide, represented by the converter.
- the fundamental mode of the CP waveguide is then coupled to that of a waveguide of the ridge type 32, in which the guiding of the light operates solely by total internal reflection.
- An additional structure 33 couples the mode of the ridge guide to the slow mode of the CP waveguide 34.
- the additional structure 33 consists of a CP waveguide in which the period of the CP is varied linearly in the direction of light propagation .
- the ridge 32 waveguide transfers the fundamental guided mode of the CP waveguide to the slow light band of the CP 34 waveguide.
- the converters are arranged inversely at the output of the slow light CP waveguide 34.
- the period of the CP holes is approximately 260 nm, the holes have a radius of about 100 nm, the membrane has a thickness of about 450 nm, and the thickness of the passive waveguide circuitry is about 220 nm.
- the thickness of the membrane is given by ⁇ /n, where n is the refractive index of the membrane of 3.34.
- This resonant optoelectronic component has technical characteristics similar to the optoelectronic component described with reference to the .
- the resonant optoelectronic component further comprises a resonant optical cavity.
- the optical cavity 20, shown in the is formed in the CP waveguide 26 by two mirror regions 27a, 27b arranged in the direction of propagation of the CP waveguide 26 and a so-called apodization region 28.
- the mirror regions and the apodization region are carried out in the CP.
- The also shows the side face 5 of the CP waveguide 26 and the P contact 10.
- the optical cavity 20 can also comprise a region with an active material, possibly with wells and/or quantum dots, as described above for the nano-amplifier.
- geometric parameters of the CP such as the period or the radius of the holes 7, the width of the guide, etc., are modified and adapted.
- the photonic band gap located, in frequency, below the low group speed mode is exploited to confine the mode between the mirrors, by prohibiting the propagation of light beyond the mirror regions 27a, 27b, respectively.
- one or more of the geometric parameters of the CP such as the width of the guide, the period or the diameter of the holes, are gradually modified from the ends towards the center of the cavity in the direction of propagation. .
- the geometric parameters of the CP such as the width of the guide, the period or the diameter of the holes.
- the asymmetry of the CP waveguide generally results in a non-negligible amplitude transversely polarized magnetic (TM) of the electromagnetic field confined in the resonant mode, in addition to the main amplitude transversely polarized electrical (TE).
- TM transversely polarized magnetic
- TE main amplitude transversely polarized electrical
- the cavity may include one or two rows of additional holes on the side of the lateral face, or edge, of the waveguide CP.
- the cavity 20 according to the embodiment shown in the further comprises two rows of holes 17 additional to the component according to the embodiment of the .
- One of these lines is made astride edge 5, leaving half-holes in the side face, and the other of the lines is made in layer P close to edge 5.
- the resonant optoelectronic component as described in relation to the makes it possible to obtain a cavity with a high quality factor (Q > 10 5 ).
- An example of a longitudinal distribution 43 of a Gaussian mode confined in the cavity 20 is represented on the .
- Such a resonant cavity having a region with an active material, can in particular be used to produce a laser nano-diode.
- the period of the CP holes is approximately 333 nm, the holes have a radius about 75 nm, and the thickness of the membrane is about 450 nm.
- the thickness of passive silicon-based circuitry is approximately 220 nm.
- a sufficient electrical injection level can nevertheless be reached and thus make the structure laser by adjusting the distance of the electrical metallic contact of the P layer with respect to the edge of the guide CP.
- the respective distance of the electrical contacts of the waveguide PC can in particular be inversely proportional to the width of the waveguide PC.
- the optoelectronic component according to the embodiments described above is a hybrid structure that can be manufactured according to known techniques as follows.
- the III-V semiconductor hetero-structure is transferred to a circuitry of waveguides based on silicon (Si) material.
- the techniques used to produce this transfer may include adhesive bonding, substrate fusion ( “wafer fusion” ), direct substrate transfer by thermocompression, etc.
- a layer of dielectric material typically SiO 2 is inserted beforehand between the III-V semiconductor hetero-structure and the circuitry of the Si-based waveguides in order to adjust the strength of the evanescent coupling to the value desired.
- the thickness of this adjustment layer varies between 50 nm and 500 nm.
- the semiconductor membrane is structured using two levels of lithography followed by plasma-assisted etching, in order to achieve the CP as well as the edge.
- the metal contacts located on the P and N layers are defined by lithography.
- the metals deposited are chosen according to the type of material and doping of the layers used. Annealing of these contacts may be necessary to obtain an ohmic contact. The annealing temperature must not exceed 400°C to remain compatible with CMOS technology.
- the structures are then encapsulated in a low index dielectric material.
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Abstract
The invention relates to an optoelectronic component (1) suitable for being integrated into an optoelectronic circuit, the component (1) comprising: - a III-V semiconductor membrane comprising: • a P-doped layer (2), referred to as the P layer, • an intrinsic layer (3) deposited on the P layer (2), and • an N-doped layer (4), referred to as the N layer, deposited on the intrinsic layer (3); - an asymmetrical photonic crystal waveguide (6, 16, 26), referred to as the PhC waveguide, formed in the membrane by a two-dimensional photonic crystal on one longitudinal side and by a face with total internal reflection on the other longitudinal side; - electrical contacts (10, 11) arranged respectively on either side of the PhC waveguide (6, 16, 26) in the plane of the membrane, adapted to inject electrical charge carriers into the PhC waveguide (6, 16, 26) laterally with respect to the membrane; the layers (2, 3, 4) being arranged such that the intrinsic and N layers (3, 4) only partially cover the P layer (2), forming a side face (5) extending perpendicularly from the surface of the P layer (2), a portion of the side face (5) forming the face with total internal reflection of the PhC waveguide; the PhC waveguide (6, 16, 26) being arranged to be evanescently coupled to a passive semiconductor waveguide (12) in at least one coupling region.
Description
- La présente invention concerne un composant optoélectronique adapté pour être intégré dans un circuit optoélectronique, ainsi qu’un tel circuit optoélectronique.The present invention relates to an optoelectronic component adapted to be integrated into an optoelectronic circuit, as well as such an optoelectronic circuit.
- Le domaine de l'invention est, de manière non limitative, celui des composants optoélectroniques pour les technologies de l’information et de la communication.The field of the invention is, without limitation, that of optoelectronic components for information and communication technologies.
- Les composants optoélectroniques, tels que des sources laser, des amplificateurs de lumière, des photodétecteurs ou des modulateurs optiques, sont généralement fabriqués dans des cristaux massifs de semi-conducteurs III-V. Hormis les lasers de type VCSEL (Vertical cavity surface emitting laser, laser à cavité verticale émettant par la surface), leur longueur type est de l’ordre du millimètre. La puissance électrique nécessaire pour piloter ces composants est de l’ordre de quelques centaines de mW. Ces caractéristiques limitent la densité d’intégration de ces composants dans un circuit optoélectronique.Optoelectronic components, such as laser sources, light amplifiers, photodetectors or optical modulators, are usually made in bulk crystals of III-V semiconductors. Apart from lasers of the VCSEL type ( Vertical cavity surface emitting laser ), their typical length is of the order of a millimeter. The electrical power required to drive these components is of the order of a few hundred mW. These characteristics limit the integration density of these components in an optoelectronic circuit.
- Des composants optoélectroniques incluant notamment des structures de type guide d’onde « ruban » dont la section est de plusieurs µm² (~10µm²), de longueur d’environ 1mm, intégrés sur du silicium ont été développés. De tels composants sont décrits, par exemple, dans les documents [1-3]. Par conception, ces composant n’offrent qu’une interaction réduite de la lumière avec le matériau à gain ou actif du guide d’onde, limitant ainsi leur efficacité énergétique. Optoelectronic components including in particular "ribbon" type waveguide structures whose section is several µm² (~10µm²), with a length of about 1mm, integrated on silicon have been developed. Such components are described, for example, in documents [1-3]. By design, these devices offer only a reduced interaction of light with the gain or active material of the waveguide, thus limiting their energy efficiency.
- Pour diminuer les dimensions de ces objets, il est possible d’exploiter des concepts de nano-photonique où la lumière se retrouve confinée dans des volumes comparables à l’ordre de grandeur de sa longueur d’onde dans le matériau semi-conducteur du guide d’onde. Cependant, la fabrication de tels composants optoélectroniques à partir de concepts nano-photoniques est très complexe.To reduce the dimensions of these objects, it is possible to exploit nano-photonic concepts where the light is confined in volumes comparable to the order of magnitude of its wavelength in the semiconductor material of the guide. of wave. However, the fabrication of such optoelectronic components from nano-photonic concepts is very complex.
- Des exemples de tels composants nano-photoniques sont décrits dans les documents [4] (laser), [5] (photodétecteur), [6] (modulateur). La technologie utilisée est basée sur la réalisation d’une jonction PIN latérale en implantant les dopants des couches P et N. Cependant, cette technologie est complexe à mettre en œuvre et fait appel notamment à un savoir-faire unique en épitaxie pour la localisation du matériau actif dans les zones souhaitées. Des recuits haute température sont aussi nécessaires pour l’activation des dopants implantés. Ceci à des inconvénients importants. Premièrement, il est très difficile d’intégrer ces composants dans des circuits optiques basés sur la photonique sur silicium. En effet, l’intégration hétérogène de ces composants dans un circuit photonique sur Si, faisant appel à une technologie de report de substrat, est très complexe, voire impossible dû à la différence des coefficients d’expansion thermique des différents matériaux mis en jeu lors d’un échauffement important, notamment lors du recuit. Deuxièmement, la technologie ne peut pas être réalisée directement sur des circuits de microélectronique car ceux-ci ne peuvent pas être exposés à des températures dépassant 400°C.Examples of such nano-photonic components are described in documents [4] (laser), [5] (photodetector), [6] (modulator). The technology used is based on the production of a lateral PIN junction by implanting the dopants of the P and N layers. active material in the desired areas. High temperature annealing is also necessary for the activation of the implanted dopants. This has significant drawbacks. First, it is very difficult to integrate these components into optical circuits based on silicon photonics. Indeed, the heterogeneous integration of these components in a photonic circuit on Si, using a substrate transfer technology, is very complex, even impossible due to the difference in the coefficients of thermal expansion of the different materials involved during significant heating, especially during annealing. Secondly, the technology cannot be performed directly on microelectronic circuits because these cannot be exposed to temperatures exceeding 400°C.
- Le but de la présente invention est de disposer d’un composant optoélectronique permettant de remédier à au moins un des inconvénients décrits.The object of the present invention is to have an optoelectronic component making it possible to remedy at least one of the drawbacks described.
- [1] A. W. Fang et al, Opt. Express 16, 4413 (2008)[1] A.W. Fang et al, Opt. Express 16, 4413 (2008)
- [2] H. Park et al, IEEE Photon. Technol. Lett. 19, 223032 (2007)[2] H. Park et al, IEEE Photon. Technology. Lett. 19, 223032 (2007)
- [3] H.-W. Chen et al, Opt. Express 16, 20571-76 (2008)[3] H.-W. Chen et al, Opt. Express 16, 20571-76 (2008)
- [4] S. Matsuo et al, Opt. Express 20, 3773-80 (2012)[4] S. Matsuo et al, Opt. Express 20, 3773-80 (2012)
- [5] K. Nozaki et al, Optica 3(5), 483-492 (2016)[5] K. Nozaki et al, Optica 3(5), 483-492 (2016)
- [6] K. Nozaki et al, APL Photonics, 2, 056105 (2017)[6] K. Nozaki et al, APL Photonics, 2, 056105 (2017)
- Un objet de la présente invention est de proposer un composant optoélectronique très compact, pouvant être densément intégré dans un circuit photonique.An object of the present invention is to provide a very compact optoelectronic component which can be densely integrated into a photonic circuit.
- Un autre objet de la présente invention est de proposer un composant optoélectronique à faible consommation énergétique.Another object of the present invention is to provide an optoelectronic component with low power consumption.
- Encore un autre but de la présente invention est de proposer un composant optoélectronique dont la fabrication est compatible avec la technologie CMOS (acronyme pour « Complementary Metal Oxide Semiconductor »).Yet another object of the present invention is to provide an optoelectronic component whose manufacture is compatible with CMOS technology (acronym for " Complementary Metal oxide semiconductor ” ).
- Cet objectif est atteint avec un composant optoélectronique adapté pour être intégré dans un circuit optoélectronique, le composant comprenant :This objective is achieved with an optoelectronic component adapted to be integrated into an optoelectronic circuit, the component comprising:
-
-
une membrane semi-conducteur III-V comprenant :
- une couche dopé P, dite couche P,
- une couche intrinsèque déposée sur la couche P, et
- une couche dopé N, dite couche N, déposée sur la couche intrinsèque ;
- a P-doped layer, called the P layer,
- an intrinsic layer deposited on the P layer, and
- an N-doped layer, called N layer, deposited on the intrinsic layer;
- un guide d’onde asymétrique à cristal photonique, dit guide d’onde PC, formé dans la membrane par un cristal photonique bidimensionnel d’un côté longitudinal et par une face à réflexion totale interne de l’autre côté longitudinal ;an asymmetrical photonic crystal waveguide, called PC waveguide, formed in the membrane by a two-dimensional photonic crystal on one longitudinal side and by a total internal reflection face on the other longitudinal side;
- des contacts électriques agencés respectivement de part et d’autre du guide d’onde PC dans le plan de la membrane, adaptés pour injecter des porteurs de charges électriques dans le guide d’onde PC de manière latérale par rapport à la membrane ;electrical contacts arranged respectively on either side of the PC waveguide in the plane of the membrane, adapted to inject electrical charge carriers into the PC waveguide laterally relative to the membrane;
- les couches étant agencées de sorte à ce que les couches intrinsèque et N ne couvrent la couche P que partiellement, formant une face latérale s’étendant perpendiculairement de la surface de la couche P, une partie de la face latérale formant la face à réflexion totale interne du guide d’onde PC ; etthe layers being arranged such that the intrinsic and N layers cover the P layer only partially, forming a side face extending perpendicularly from the surface of the P layer, part of the side face forming the total reflection face internal PC waveguide; and
- le guide d’onde PC étant agencé pour être couplé de manière évanescente à un guide d’onde semi-conducteur passif dans au moins une région de couplage.the PC waveguide being arranged to be evanescently coupled to a passive semiconductor waveguide in at least one coupling region.
- Le composant optoélectronique selon la présente invention constitue un élément fondamental pour concevoir des composants optoélectroniques spécifiques pouvant être intégrés dans des circuits optoélectronique. L’invention propose ainsi un schéma de conception unique d’un composant optoélectronique, présentant une structure nano-photonique active consistant en un guide d’onde à cristal photonique (CP) asymétrique fabriqué dans une membrane de semi-conducteurs III-V. Cette structure active est couplée à un guide d’onde passif, adapté pour propager de l’information optique dans un circuit photonique.The optoelectronic component according to the present invention constitutes a fundamental element for designing specific optoelectronic components that can be integrated into optoelectronic circuits. The invention thus proposes a unique design scheme of an optoelectronic component, presenting an active nano-photonic structure consisting of an asymmetric photonic crystal (PC) waveguide fabricated in a III-V semiconductor membrane. This active structure is coupled to a passive waveguide, adapted to propagate optical information in a photonic circuit.
- Une partie de la face latérale, ou arrête, représente la face à réflexion totale interne du guide d’onde CP.Part of the side face, or ridge, represents the total internal reflection face of the CP waveguide.
- Le champ électromagnétique présent dans le composant selon la présente invention est fortement confiné dans le guide d’onde CP, le composant bénéficie d’une consommation énergétique plus basse par rapport aux composants optoélectroniques de l’état de l’art.The electromagnetic field present in the component according to the present invention is strongly confined in the CP waveguide, the component benefits from a lower energy consumption compared to the optoelectronic components of the state of the art.
- Le composant optoélectronique selon l’invention permet, grâce à l’agencement des contacts électriques de part et d’autre du guide d’onde CP dans le plan de la membrane et grâce à l’arrête, une injection latérale de porteurs de charges, plutôt que verticalement. L’injection s’effectue ainsi dans la membrane de manière efficace. Ainsi, l’épaisseur de la membrane peut être minimisée (inférieure à 500 nm), tout en évitant des absorptions de la lumière guidée dans le guide d’onde CP par le métal des contacts. L’empreinte d’un tel composant sur un circuit photonique peut alors être réduite tout en augmentant le facteur de confinement de la lumière.The optoelectronic component according to the invention allows, thanks to the arrangement of the electrical contacts on either side of the waveguide CP in the plane of the membrane and thanks to the edge, a lateral injection of charge carriers, rather than vertically. The injection is thus carried out in the membrane in an efficient manner. Thus, the thickness of the membrane can be minimized (less than 500 nm), while avoiding absorption of the light guided in the CP waveguide by the metal of the contacts. The footprint of such a component on a photonic circuit can then be reduced while increasing the light confinement factor.
- Grâce à sa structure très compacte, plusieurs de ces composants optoélectroniques selon l’invention peuvent être densément intégrés dans des circuits photoniques. Aussi, la taille réduite du composant permet d’augmenter l’interaction lumière-matière. En effet, le facteur confinement défini comme le recouvrement spatial de l’intensité lumineuse avec le matériau émetteur de lumière passe typiquement de quelques pourcents dans le cas d’une configuration de type guide d’onde ruban, à plus de 15% dans le cas l’invention. Il est alors possible de réduire la puissance électrique consommée. De plus, la diminution de la taille permet de réduire la capacité électrique du composant, permettant une augmentation de sa fréquence de travail. Thanks to its very compact structure, several of these optoelectronic components according to the invention can be densely integrated into photonic circuits. Also, the reduced size of the component makes it possible to increase the light-matter interaction. Indeed, the confinement factor defined as the spatial overlap of the light intensity with the light emitting material typically goes from a few percent in the case of a ribbon waveguide type configuration, to more than 15% in the case the invention. It is then possible to reduce the electrical power consumed. In addition, the reduction in size makes it possible to reduce the electrical capacity of the component, allowing an increase in its working frequency.
- Des composants optoélectroniques selon l’invention permettent notamment la co-intégration de circuits photoniques et électroniques. La lumière peut ainsi être utilisée comme véhicule de l’information à travers les circuits électroniques, pour pouvoir remplacer, au moins en partie, les interconnections métalliques par des liens photoniques ultra rapides. L’efficacité énergétique et la rapidité de tels composants co-intégrés sont grandement améliorées par rapport à des circuits de l’état de l’art.Optoelectronic components according to the invention allow in particular the co-integration of photonic and electronic circuits. Light can thus be used as an information carrier through electronic circuits, to be able to replace, at least in part, metallic interconnections with ultra-fast photonic links. The energy efficiency and speed of such co-integrated components are greatly improved compared to state-of-the-art circuits.
- Par la suite, la région entre le CP et la face à réflexion totale, dans la couche intrinsèque, interne peut être appelé « région active ».Subsequently, the region between the CP and the total reflection face, in the intrinsic, inner layer can be called "active region".
- Leur fabrication peut être compatible avec la technologie CMOS utilisée pour la fabrication de composants électroniques et de circuits logiques. Ceci est possible dû au fait que lors de la fabrication, seulement des températures compatibles avec la technologie CMOS (< 400°C) sont mises en œuvre. Their manufacture may be compatible with the CMOS technology used for the manufacture of electronic components and logic circuits. This is possible due to the fact that during manufacturing, only temperatures compatible with CMOS technology (< 400°C) are used.
- De manière avantageuse, un contact P peut être agencé sur la couche P en regard de la face latérale et un contact N peut être agencé sur la couche N de manière adjacente au cristal photonique, de sorte à ce que les contacts soient agencés parallèlement au guide d’onde PC.Advantageously, a P contact can be arranged on the P layer facing the side face and an N contact can be arranged on the N layer adjacent to the photonic crystal, so that the contacts are arranged parallel to the guide. PC wave.
- Grâce à cet agencement particulier, les deux contacts électriques sont déposés du même côté du composant optoélectronique, de l’autre côté par rapport au guide d’onde passif auquel il peut être couplé, facilitant ainsi la fabrication du composant.Thanks to this particular arrangement, the two electrical contacts are deposited on the same side of the optoelectronic component, on the other side with respect to the passive waveguide to which it can be coupled, thus facilitating the manufacture of the component.
- Cet agencement permet également une injection de porteurs de charges efficace. Lorsqu’un potentiel est appliqué aux contacts électriques, des électrons se déplacent dans la couche dopée N à travers la région du CP pour atteindre la région active, et des porteurs du contact P se déplacent dans la couche dopée P vers la région active. La résistivité de la région du CP est plus élevée que celle du matériau massif sans CP. Ainsi, les porteurs du contact P ont un chemin effectif plus court que les électrons. L’ajustement du volume traversé par les porteurs de charges permet alors d’atténuer le problème de la mobilité inégale entre électrons et trous.This arrangement also allows efficient injection of charge carriers. When a potential is applied to the electrical contacts, electrons move in the N-doped layer through the CP region to reach the active region, and carriers from the P contact move in the P-doped layer to the active region. The resistivity of the CP region is higher than that of bulk material without CP. Thus, the carriers of the P contact have a shorter effective path than the electrons. The adjustment of the volume crossed by the charge carriers then makes it possible to attenuate the problem of unequal mobility between electrons and holes.
- Alternativement, le contact P peut aussi être agencé sous la couche P. Dans ce cas, le contact P est-il entre la couche P et le Si du circuit passif.Alternatively, the P contact can also be arranged under the P layer. In this case, the P contact is between the P layer and the Si of the passive circuit.
- Selon un mode de réalisation, le cristal photonique peut être formé par des trous s’étendant à travers la couche N, la couche intrinsèque et la couche P, les trous formant un réseau périodique bidimensionnel.According to one embodiment, the photonic crystal can be formed by holes extending through the N layer, the intrinsic layer and the P layer, the holes forming a two-dimensional periodic array.
- Avantageusement, le guide d’onde PC peut comprendre une région de gain.Advantageously, the PC waveguide may include a gain region.
- Selon un exemple, la région de gain peut comprendre des puits quantiques et/ou des boîtes quantiques. According to one example, the gain region can comprise quantum wells and/or quantum dots.
- La présence des puits et/ou boites quantiques permet de localiser le processus de l’émission stimulée, lorsque de la lumière se propage dans le guide d’onde CP et des porteurs de charges sont injectés dans la région active. Il en résulté une amplification optique. The presence of quantum wells and/or dots makes it possible to localize the process of stimulated emission, when light propagates in the CP waveguide and charge carriers are injected into the active region. This results in optical amplification.
- Selon un mode de réalisation, la largeur du guide d’onde CP peut varier progressivement dans l’au moins une région de couplage au guide d’onde passif.According to one embodiment, the width of the waveguide CP can vary progressively in the at least one coupling region to the passive waveguide.
- Ceci permet d’ajuster progressivement l’indice effectif d’un mode guidé dans le guide d’onde CP, afin de diminuer la différence d’indice effectif entre le guide d’onde CP et le guide d’onde passif. Il en résulte un couplage efficace sans pertes et réflexions. This makes it possible to gradually adjust the effective index of a guided mode in the CP waveguide, in order to reduce the difference in effective index between the CP waveguide and the passive waveguide. This results in efficient coupling without losses and reflections.
- De manière avantageuse, la distance respective des contacts électriques par rapport au guide d’onde CP peut être inversement proportionnelle à la largeur du guide d’onde CP.Advantageously, the respective distance of the electrical contacts from the CP waveguide can be inversely proportional to the width of the CP waveguide.
- La résistance électrique reste ainsi constante le long du guide d’onde CP.The electrical resistance thus remains constant along the waveguide CP.
- Selon un mode de réalisation, le guide d’onde CP peut comprendre une région à régime de lumière lente, dans laquelle le cristal photonique comprend une perturbation locale.According to one embodiment, the CP waveguide may include a slow light regime region, in which the photonic crystal includes a local disturbance.
- En effet, lorsque la vitesse de propagation de la lumière dans le guide d’onde CP est ralentie, le temps d’interaction lumière-matière est augmenté. Il est alors possible d’obtenir la même amplification qu’un amplificateur à régime rapide mais avec un amplificateur qui est d’un facteur de l’indice de groupe plus court qu’un amplificateur à régime rapide. Indeed, when the propagation speed of light in the CP waveguide is slowed down, the light-matter interaction time is increased. It is then possible to obtain the same amplification as a fast-rate amplifier but with an amplifier that is a factor of the group index shorter than a fast-rate amplifier.
- Selon un exemple, le guide d’onde PC peut comprendre deux régions à régime de lumière rapide, agencées respectivement en amont et en aval de la région à régime de lumière lente.According to one example, the waveguide PC can comprise two regions with a fast light regime, arranged respectively upstream and downstream of the region with a slow light regime.
- Les régions à régime de lumière rapide contribuent à la conversion de mode de la lumière guidée dans le guide d’onde passif vers un mode guidé dans la région à régime de lumière lente.The fast light regime regions contribute to the mode conversion of guided light in the passive waveguide to a guided mode in the slow light regime region.
- Selon un mode de réalisation avantageux du composant optoélectronique selon l’invention, une cavité optique résonante est formée dans le guide d’onde PC par deux régions miroirs agencées dans la direction de propagation du guide d’onde PC et par une région dite d’apodisation. According to an advantageous embodiment of the optoelectronic component according to the invention, a resonant optical cavity is formed in the waveguide PC by two mirror regions arranged in the direction of propagation of the waveguide PC and by a so-called region of apodization.
- De manière avantageuse, au moins un paramètre géométrique du cristal photonique dans la région d’apodisation peut varier graduellement entre le centre et les extrémités de la région d’apodisation dans la direction de propagation.Advantageously, at least one geometric parameter of the photonic crystal in the apodization region can vary gradually between the center and the ends of the apodization region in the direction of propagation.
- Selon des modes de réalisation, le composant peut comprendre en outre un cristal photonique supplémentaire mono- ou bidimensionnel adjacent à la face latérale.According to embodiments, the component may also comprise an additional one- or two-dimensional photonic crystal adjacent to the side face.
- Ce cristal photonique supplémentaire peut consister en une ou deux lignes de trous supplémentaires, agencés du côté de la face latérale du guide d’onde CP. Une de ces lignes supplémentaires peut notamment être réalisée sur l’arrête, celle-ci présentant ainsi des demi-trous. This additional photonic crystal can consist of one or two rows of additional holes, arranged on the side of the side face of the CP waveguide. One of these additional lines can in particular be made on the edge, which thus has half-holes.
- Le cristal photonique supplémentaire permet notamment de diminuer des pertes optiques.The additional photonic crystal makes it possible in particular to reduce optical losses.
- Selon un autre aspect de la même invention, il est proposé un amplificateur optique, comprenant un composant optoélectronique selon l’invention, configuré pour amplifier de la lumière se propageant dans le guide d’onde PC lorsque des porteurs de charge sont injectés dans celui-ci.According to another aspect of the same invention, an optical amplifier is proposed, comprising an optoelectronic component according to the invention, configured to amplify light propagating in the PC waveguide when charge carriers are injected into it. this.
- Un tel nano-amplificateur est un exemple de réalisation d’un composant optoélectronique non-résonant.Such a nano-amplifier is an embodiment of a non-resonant optoelectronic component.
- D’autres composant optoélectroniques spécifiques peuvent être conçus sur la base du composant non-résonant selon l’invention, notamment des modulateurs optiques ou des photodétecteurs. La conception est réalisée en ajustant la composition de la membrane en semi-conducteur III-V.Other specific optoelectronic components can be designed based on the non-resonant component according to the invention, in particular optical modulators or photodetectors. The design is achieved by adjusting the composition of the III-V semiconductor membrane.
- Selon encore un autre aspect de la même invention, il est proposé une source laser comprenant un composant optoélectronique comprenant une cavité résonante selon l’invention, la cavité comprenant une région de gain, ou un matériau actif. According to yet another aspect of the same invention, there is proposed a laser source comprising an optoelectronic component comprising a resonant cavity according to the invention, the cavity comprising a gain region, or an active material.
- Une telle source laser est un exemple de réalisation d’un composant optoélectronique résonant.Such a laser source is an embodiment of a resonant optoelectronic component.
- D’autres composant optoélectroniques spécifiques peuvent être conçus sur la base du composant résonant selon l’invention, notamment des modulateurs optiques ou des photodétecteurs. La conception est réalisée en ajustant la composition de la membrane en semi-conducteur III-V.Other specific optoelectronic components can be designed based on the resonant component according to the invention, in particular optical modulators or photodetectors. The design is achieved by adjusting the composition of the III-V semiconductor membrane.
- Selon encore un autre aspect de la même invention, il est proposé un circuit optoélectronique, comprenant au moins l’un parmi :According to yet another aspect of the same invention, there is provided an optoelectronic circuit, comprising at least one of:
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- un composant optoélectronique, an optoelectronic component,
- un amplificateur, etan amplifier, and
- une source lasera laser source
- selon l’invention.according to the invention.
- Les applications d’un tel circuit photonique se trouvent dans les domaines du traitement du signal, des télécommunications, de l’intelligence artificielle ou encore des capteurs.The applications of such a photonic circuit are in the fields of signal processing, telecommunications, artificial intelligence or even sensors.
- D’autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l’examen de la description détaillée d’exemples nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :Other advantages and features will appear on examining the detailed description of non-limiting examples, and the accompanying drawings in which:
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- Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure.It is understood that the embodiments which will be described below are in no way limiting. In particular, variants of the invention may be imagined comprising only a selection of characteristics described below isolated from the other characteristics described, if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the prior art. This selection includes at least one preferably functional feature without structural details, or with only part of the structural details if only this part is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art.
- En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s’oppose à cette combinaison sur le plan technique.In particular, all the variants and all the embodiments described can be combined with each other if nothing prevents this combination from a technical point of view.
- Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures peuvent conserver la même référence. In the figures, the elements common to several figures may retain the same reference.
- La
- Le composant optoélectronique 1, représenté sur la
- Comme illustré sur la
- Un guide d’onde à cristal photonique (CP) asymétrique 6 est fabriqué dans le composant optoélectronique 1. Tel qu’illustré sur la
- Sur la
- La membrane en semi-conducteur est dans un matériau III-V. Selon la longueur d’onde de fonctionnement visée du composant, le matériau peut être à base de GaN (gamme visible), GaS (proche infrarouge) ou InP (gamme télécommunication). The semiconductor membrane is in a III-V material. Depending on the intended operating wavelength of the component, the material can be based on GaN (visible range), GaS (near infrared) or InP (telecommunications range).
- La longueur d’onde d’opération du composant optoélectronique est ajustée au moyen des caractéristiques géométriques du CP (période, diamètre des trous) et de la membrane (épaisseur) ainsi que du choix des matériaux III-V.The operating wavelength of the optoelectronic component is adjusted by means of the geometric characteristics of the CP (period, diameter of the holes) and of the membrane (thickness) as well as the choice of III-V materials.
- Electriquement, le composant optoélectronique 1 est une hétérojonction de type PIN (région dopé P – région intrinsèque – région dopé N). Des contacts électriques P et N sont placés parallèlement au guide d’onde CP 6. Comme illustré pour le mode réalisation de la
- La mise sous tension des contacts électriques 10, 11 permet d’injecter des porteurs de charges électriques dans la région du guide d’onde CP 6.The energization of the electrical contacts 10, 11 makes it possible to inject electrical charge carriers into the region of the CP waveguide 6.
- Le composant optoélectronique 1 est couplé à un guide d’onde passif 12. Dans le mode de réalisation représenté, le composant 1 est agencé au-dessus du guide d’onde passif 12 de manière à ce que le guide d’onde CP 6 et le guide d’onde passif 12 soient couplés de manière évanescente dans au moins une région de couplage. Le guide d’onde passif 12 est en un matériau à base de silicium (Si, SiN, SiO2, SiON, etc.). Il peut faire partie d’une circuiterie passive et permet la propagation de l’information optique.The optoelectronic component 1 is coupled to a passive waveguide 12. In the embodiment shown, the component 1 is arranged above the passive waveguide 12 so that the CP waveguide 6 and passive waveguide 12 are evanescently coupled in at least one coupling region. The passive waveguide 12 is made of a silicon-based material (Si, SiN, SiO2, SiON, etc.). It can be part of a passive circuitry and allows the propagation of optical information.
- L’agencement des contacts électriques 10, 11 parallèlement au guide d’onde CP 6, dans le plan de la membrane, permet d’injecter de façon latérale des porteurs de charge. Ceci permet notamment de minimiser l’épaisseur de la membrane et, par conséquent, de réduire la taille du composant et d’augmenter le facteur de confinement. The arrangement of the electrical contacts 10, 11 parallel to the waveguide CP 6, in the plane of the membrane, makes it possible to inject charge carriers laterally. This makes it possible in particular to minimize the thickness of the membrane and, consequently, to reduce the size of the component and to increase the confinement factor.
- L’agencement asymétrique du guide d’onde CP et des contacts P, N tient compte de la grande différence de mobilité entre les électrons et les trous. La mobilité est 80 fois importante pour les électrons., La recombinaison radiative des porteurs de charge est bien localisée à l’intérieur du guide d’onde CP 6. En effet, le contact P est réalisé au plus près de la face latérale 5 du guide d’onde CP 6, et le contact N est réalisé du côté opposé des trous 7 du CP. La résistivité de la membrane pourvue du CP étant plus grande que celle de la membrane sans CP, les trous empruntent un chemin bien plus court que les électrons pour atteindre le guide d’onde CP 6, permettant d’obtenir un excellent recouvrement spatial entre le mode optique guidé et les recombinaisons radiatives. The asymmetrical arrangement of the CP waveguide and the P,N contacts takes into account the large difference in mobility between electrons and holes. The mobility is 80 times greater for the electrons. The radiative recombination of the charge carriers is well localized inside the waveguide CP 6. Indeed, the contact P is made as close as possible to the side face 5 of the waveguide CP 6, and the contact N is made on the opposite side of the holes 7 of the CP. The resistivity of the membrane provided with CP being greater than that of the membrane without CP, the holes take a much shorter path than the electrons to reach the CP 6 waveguide, making it possible to obtain an excellent spatial overlap between the guided optical mode and radiative recombinations.
- Le composant optoélectronique 1 tel qu’illustré sur la
- Des exemples d’un composant non résonant et d’un composant résonant vont être décrits par la suite.Examples of a non-resonant component and a resonant component will be described later.
- Un exemple d’un composant optoélectronique non-résonant selon un mode de réalisation de la présente invention est un nano-amplificateur optique. Afin de pouvoir exploiter le guide CP en tant qu’amplificateur, celui-ci comprend une région de gain. Cette région de gain peut être obtenue, par exemple, par l’incorporation de multiples puits quantiques ou de boîtes quantiques.An example of a non-resonant optoelectronic component according to an embodiment of the present invention is an optical nano-amplifier. In order to be able to use the guide CP as an amplifier, it includes a gain region. This gain region can be achieved, for example, by incorporating multiple quantum wells or quantum dots.
- Le nano-amplificateur présente des caractéristiques techniques similaires au composant optoélectronique décrit en référence à la
- L’amplificateur comprend en outre plusieurs puits quantiques ou boites quantiques insérés dans la membrane III-V au niveau du CP, afin d’y créer un défaut linéique. L’amplification de la lumière est réalisée, dans ce matériau actif, grâce au processus d’émission stimulée. Lorsqu’un signal optique se propage dans le guide d’onde CP et des porteurs de charge sont injectés en même temps dans la région du guide d’onde CP, une amplification optique du signal résulte des recombinaisons radiatives des porteurs de charge. Pour cela, la longueur d’onde du signal optique et celle de la radiation émise lors des recombinaisons doivent être identiques. Cette longueur d’onde est dite longueur d’onde de fonctionnement. The amplifier also comprises several quantum wells or quantum boxes inserted into the III-V membrane at the level of the CP, in order to create a line defect there. Light amplification is achieved in this active material through the stimulated emission process. When an optical signal propagates in the CP waveguide and charge carriers are injected into the CP waveguide region at the same time, optical amplification of the signal results from the radiative recombinations of the charge carriers. For this, the wavelength of the optical signal and that of the radiation emitted during the recombinations must be identical. This wavelength is called the operating wavelength.
- Les paramètres géométriques du CP peuvent être choisis pour obtenir un guide d’onde monomode à la longueur d’onde de fonctionnement. Les paramètres géométriques peuvent en outre être ajustés pour modifier l’indice de réfraction effectif du mode guidé, le facteur de confinement et le gain.The geometric parameters of the CP can be chosen to obtain a single-mode waveguide at the operating wavelength. The geometric parameters can further be adjusted to modify the effective refractive index of the guided mode, the confinement factor and the gain.
- Selon un mode de réalisation, le guide d’onde CP est couplé par ondes évanescentes au guide d’onde passif (placé en dessous sur la
- La
- Le transfert de puissance optique du guide d’onde passif 12 au guide d’onde CP 16 ainsi obtenu est illustré sur la
- Pour obtenir de l’amplification optique, le recouvrement entre le profil d’intensité du champ électromagnétique se propageant dans le guide d’onde CP, le profil d’intensité de la recombinaison radiative et le matériau actif (puits et/ou boites quantiques) est optimisé. Pour ce faire, le design du guide d’onde CP doit être optimisé. La concentration en porteurs de charges injectés donnant lieu à des évènements d’émission stimulée peut ainsi être maximisée.To obtain optical amplification, the overlap between the intensity profile of the electromagnetic field propagating in the waveguide CP, the intensity profile of radiative recombination and the active material (wells and/or quantum dots) is optimized. To do this, the design of the CP waveguide must be optimized. The concentration of injected charge carriers giving rise to stimulated emission events can thus be maximized.
- La
- Selon un mode de réalisation, le nano-amplificateur peut comporter une région à régime de lumière lente. Pour ce faire, les paramètres géométriques du CP sont choisis pour que le mode guidé à faible vitesse de groupe soit disponible à la longueur d’onde souhaitée. According to one embodiment, the nano-amplifier may comprise a region with a slow light regime. To do this, the geometric parameters of the CP are chosen so that the group low-speed guided mode is available at the desired wavelength.
- Selon un exemple, une perturbation locale peut être appliquée sur les rangées de trous du CP les plus proches de l’arrête du composant. Cette perturbation locale peut consister en un diamètre légèrement différent de celui des autres trous ou une position relative différente par rapport aux réseau de trous. Par exemple, la période des trous peut varier environ entre 1-30%. Ceci a pour effet de diminuer la dispersion de vitesse de groupe dans le guide CP et ainsi d’agrandir la bande de longueurs d’onde de fonctionnement de l’amplificateur en régime de lumière lente. According to an example, a local disturbance can be applied to the rows of holes of the CP closest to the edge of the component. This local disturbance may consist of a diameter slightly different from that of the other holes or a different relative position with respect to the network of holes. For example, the period of the holes can vary approximately between 1-30%. This has the effect of decreasing the group velocity dispersion in the CP guide and thus enlarging the operating wavelength band of the amplifier in the slow light regime.
- Afin de pouvoir coupler un mode guidé dans le guide d’onde passif dans le guide CP à régime lent, il est nécessaire d’opérer la conversion de mode en plusieurs étapes. Un exemple d’un enchainement de conversions de mode est décrit ci-après en référence à la
- Un convertisseur 31 linéaire ou adiabatique, tel que décrit en référence à la
- Les convertisseurs sont agencés de manière inverse en sortie du guide d’onde CP à lumière lente 34.The converters are arranged inversely at the output of the slow light CP waveguide 34.
- A titre d’exemple, pour un composant optoélectronique non-résonant fonctionnant, par exemple en tant qu’amplificateur optique, à une longueur d'onde λ de 1550 nm, la période des trous du CP est d’environ 260 nm, les trous ont un rayon d’environ 100 nm, la membrane a une épaisseur d’environ 450 nm, et l’épaisseur de la circuiterie de guide d’ondes passif est d’environ 220 nm. L’épaisseur de la membrane est donnée par λ/n, n étant l’indice de réfraction de la membrane de 3,34.By way of example, for a non-resonant optoelectronic component operating, for example as an optical amplifier, at a wavelength λ of 1550 nm, the period of the CP holes is approximately 260 nm, the holes have a radius of about 100 nm, the membrane has a thickness of about 450 nm, and the thickness of the passive waveguide circuitry is about 220 nm. The thickness of the membrane is given by λ/n, where n is the refractive index of the membrane of 3.34.
- Un exemple d’un composant optoélectronique résonant selon un mode de réalisation de la présente invention sera décrit par la suite. Ce composant optoélectronique résonant présente des caractéristiques techniques similaires au composant optoélectronique décrit en référence à la
- Le composant optoélectronique résonant comprend en outre une cavité optique résonante. La
- La cavité optique 20, montrée sur la
- La cavité optique 20 peut également comprendre une région avec un matériau actif, possiblement avec des puits et/ou des boites quantiques, telle que décrite ci-dessus pour le nano-amplificateur.The optical cavity 20 can also comprise a region with an active material, possibly with wells and/or quantum dots, as described above for the nano-amplifier.
- Pour réaliser les régions miroirs 27a, 27b et la région d’apodisation 28a, des paramètres géométriques du CP, tels que la période ou le rayon des trous 7, la largeur du guide, etc., sont modifiés et adaptés. To produce the mirror regions 27a, 27b and the apodization region 28a, geometric parameters of the CP, such as the period or the radius of the holes 7, the width of the guide, etc., are modified and adapted.
- Dans les régions miroirs 27a, 27b, la bande interdite photonique située, en fréquence, en dessous du mode à faible vitesse de groupe est exploitée pour confiner le mode entre les miroirs, en interdisant la propagation de lumière au-delà des régions miroir 27a, 27b, respectivement.In the mirror regions 27a, 27b, the photonic band gap located, in frequency, below the low group speed mode is exploited to confine the mode between the mirrors, by prohibiting the propagation of light beyond the mirror regions 27a, 27b, respectively.
- Dans la région d’apodisation 28, un ou plusieurs des paramètres géométriques du CP, tels que la largeur du guide, la période ou le diamètre des trous, sont graduellement modifiés à partir des extrémités vers le centre de la cavité dans la direction de propagation. Il est notamment possible d’obtenir un mode résonant présentant une forme spatiale gaussienne de cette façon. In the apodization region 28, one or more of the geometric parameters of the CP, such as the width of the guide, the period or the diameter of the holes, are gradually modified from the ends towards the center of the cavity in the direction of propagation. . In particular, it is possible to obtain a resonant mode with a Gaussian spatial shape in this way.
- De l’asymétrie du guide d’onde CP résulte de manière générale une amplitude non-négligeable polarisée transverse magnétique (TM) du champ électromagnétique confiné dans le mode résonant, en plus de l’amplitude principale polarisée transverse électrique (TE). L’amplitude polarisée TM n’est pas réfléchie par les miroirs et n’est donc pas confinée dans la cavité, occasionnant ainsi des pertes optiques importantes et empêchant d’obtenir un facteur de qualité élevé. The asymmetry of the CP waveguide generally results in a non-negligible amplitude transversely polarized magnetic (TM) of the electromagnetic field confined in the resonant mode, in addition to the main amplitude transversely polarized electrical (TE). The TM polarized amplitude is not reflected by the mirrors and is therefore not confined in the cavity, thus causing significant optical losses and preventing a high quality factor from being obtained.
- Pour éviter ou diminuer ces pertes, la cavité peut comporter une ou deux lignes de trous supplémentaires du côté de la face latérale, ou arrête, du guide d’onde CP. La cavité 20 selon le mode de réalisation représenté sur la
- Ainsi, le composant optoélectronique résonant tel que décrit en relation avec la
- Une telle cavité résonante, ayant une région avec un matériau actif, peut notamment être utilisée pour réaliser une nano-diode laser. Such a resonant cavity, having a region with an active material, can in particular be used to produce a laser nano-diode.
- A titre d’exemple, pour un composant optoélectronique résonant fonctionnant, par exemple en tant que source laser, à une longueur d'onde λ de 1550 nm, la période des trous du CP est d’environ 333 nm, les trous ont un rayon d’environ 75 nm, et l’épaisseur de la membrane est d’environ 450 nm. L’épaisseur de la circuiterie passive basé sur du silicium est d’environ 220 nm. By way of example, for a resonant optoelectronic component operating, for example as a laser source, at a wavelength λ of 1550 nm, the period of the CP holes is approximately 333 nm, the holes have a radius about 75 nm, and the thickness of the membrane is about 450 nm. The thickness of passive silicon-based circuitry is approximately 220 nm.
- Pour l’injection électrique d’une telle cavité, les restrictions suivantes doivent être prises en compte :For the electrical injection of such a cavity, the following restrictions must be taken into account:
-
-
Comme illustré sur la
- La ou les lignes de trous supplémentaires peuvent augmenter la résistivité de la couche P.The line(s) of additional holes can increase the resistivity of the P layer.
- Un niveau d’injection électrique suffisant peut néanmoins être atteint et ainsi faire laser la structure en réglant la distance du contact métallique électrique de la couche P par rapport à l’arrête du guide CP. A sufficient electrical injection level can nevertheless be reached and thus make the structure laser by adjusting the distance of the electrical metallic contact of the P layer with respect to the edge of the guide CP.
- La distance respective des contacts électriques du guide d’onde PC peut notamment être inversement proportionnelle à la largeur du guide d’onde PC.The respective distance of the electrical contacts of the waveguide PC can in particular be inversely proportional to the width of the waveguide PC.
- La
- Le composant optoélectronique selon les modes de réalisation décrits ci-dessus est une structure hybride pouvant être fabriqué selon des techniques connues comme suit.The optoelectronic component according to the embodiments described above is a hybrid structure that can be manufactured according to known techniques as follows.
- L’hétéro-structure en semi-conducteur III-V est reportée sur une circuiterie de guides d’onde basés sur la matériau silicium (Si). Les techniques employées pour réaliser ce report peuvent comprendre le collage adhésif, la fusion de substrat (« wafer fusion » en langue anglaise), le report direct de substrat par thermocompression, etc. Une couche de matériau diélectrique (typiquement SiO2) est insérée au préalable entre l’hétéro-structure en semi-conducteur III-V et la circuiterie des guides d’onde basés sur le Si afin de régler la force du couplage évanescent à la valeur souhaitée. Typiquement, l’épaisseur ce cette couche de réglage varie entre 50 nm et 500 nm. The III-V semiconductor hetero-structure is transferred to a circuitry of waveguides based on silicon (Si) material. The techniques used to produce this transfer may include adhesive bonding, substrate fusion ( “wafer fusion” ), direct substrate transfer by thermocompression, etc. A layer of dielectric material (typically SiO 2 ) is inserted beforehand between the III-V semiconductor hetero-structure and the circuitry of the Si-based waveguides in order to adjust the strength of the evanescent coupling to the value desired. Typically, the thickness of this adjustment layer varies between 50 nm and 500 nm.
- Après le report, la membrane en semi-conducteur est structurée en utilisant deux niveaux de lithographie suivis de gravure assistée par plasma, afin de réaliser le CP ainsi que l’arrête.After the transfer, the semiconductor membrane is structured using two levels of lithography followed by plasma-assisted etching, in order to achieve the CP as well as the edge.
- Les contacts métalliques localisés sur les couches P et N sont définis par lithographie. Les métaux déposés sont choisis en fonction du type de matériau de et de dopage des couches utilisé. Un recuit de ces contacts peut être nécessaire pour obtenir un contact ohmique. La température du recuit ne doit pas dépasser 400°C pour rester compatible avec la technologie CMOS.The metal contacts located on the P and N layers are defined by lithography. The metals deposited are chosen according to the type of material and doping of the layers used. Annealing of these contacts may be necessary to obtain an ohmic contact. The annealing temperature must not exceed 400°C to remain compatible with CMOS technology.
- Les structures sont ensuite encapsulées dans un matériau diélectrique d’indice bas. The structures are then encapsulated in a low index dielectric material.
- Enfin, des connexions électriques (« vias ») sont ouvertes et métallisées au-dessus des contacts métalliques afin de pouvoir alimenter électriquement le composant optoélectronique. Finally, electrical connections ( “ vias ” ) are opened and metallized above the metal contacts in order to be able to electrically supply the optoelectronic component.
- Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention.Of course, the invention is not limited to the examples which have just been described and many adjustments can be made to these examples without departing from the scope of the invention.
Claims (15)
- Composant optoélectronique (1) adapté pour être intégré dans un circuit optoélectronique, le composant (1) comprenant :
- une membrane semi-conducteur III-V comprenant :
- une couche dopé P (2), dite couche P,
- une couche intrinsèque (3) déposée sur la couche P (2), et
- une couche dopé N (4), dite couche N, déposée sur la couche intrinsèque (3) ;
- un guide d’onde asymétrique (6, 16, 26) à cristal photonique, dit guide d’onde CP, formé dans la membrane par un cristal photonique bidimensionnel d’un côté longitudinal et par une face à réflexion totale interne de l’autre côté longitudinal ;
- des contacts électriques (10, 11) agencés respectivement de part et d’autre du guide d’onde CP (6, 16, 26) dans le plan de la membrane, adaptés pour injecter des porteurs de charges électriques dans le guide d’onde CP (6, 16, 26) de manière latérale par rapport à la membrane ;
le guide d’onde CP (6, 16, 26) étant agencé pour être couplé de manière évanescente à un guide d’onde semi-conducteur passif (12) dans au moins une région de couplage.Optoelectronic component (1) adapted to be integrated into an optoelectronic circuit, the component (1) comprising:- a III-V semiconductor membrane comprising:
- a P-doped layer (2), called the P layer,
- an intrinsic layer (3) deposited on the P layer (2), and
- an N-doped layer (4), called the N layer, deposited on the intrinsic layer (3);
- an asymmetrical photonic crystal waveguide (6, 16, 26), called the CP waveguide, formed in the membrane by a two-dimensional photonic crystal on one longitudinal side and by a total internal reflection face on the other longitudinal side;
- electrical contacts (10, 11) arranged respectively on either side of the CP waveguide (6, 16, 26) in the plane of the membrane, adapted to inject electrical charge carriers into the waveguide CP (6, 16, 26) laterally to the membrane;
the CP waveguide (6, 16, 26) being arranged to be evanescently coupled to a passive semiconductor waveguide (12) in at least one coupling region. - une membrane semi-conducteur III-V comprenant :
- Composant (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’un contact P (10) est agencé sur la couche P (2) en regard de la face latérale (5) et qu’un contact N (11) est agencé sur la couche N (4) de manière adjacente au cristal photonique, de sorte à ce que les contacts (10, 11) soient agencés parallèlement au guide d’onde CP (6, 16, 26).Component (1) according to Claim 1, characterized in that a P contact (10) is arranged on the P layer (2) opposite the lateral face (5) and that an N contact (11) is arranged on the N layer (4) adjacent to the photonic crystal, so that the contacts (10, 11) are arranged parallel to the CP waveguide (6, 16, 26).
- Composant (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cristal photonique est formé par des trous (7) s’étendant à travers la couche N (4), la couche intrinsèque (3) et la couche P (2), les trous (7) formant un réseau périodique bidimensionnel.Component (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the photonic crystal is formed by holes (7) extending through the N layer (4), the intrinsic layer (3) and the P layer (2), the holes (7) forming a two-dimensional periodic network.
- Composant (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le guide d’onde PC (6, 16, 26) comprend une région de gain.Component (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the PC waveguide (6, 16, 26) comprises a gain region.
- Composant (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la région de gain comprend des puits quantiques et/ou des boîtes quantiques. Component (1) according to Claim 4, characterized in that the gain region comprises quantum wells and/or quantum dots.
- Composant (1) selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la largeur du guide d’onde CP (6, 16, 26) varie progressivement dans l’au moins une région de couplage au guide d’onde passif (12).Component (1) according to claim 4 or 5, characterized in that the width of the CP waveguide (6, 16, 26) varies progressively in the at least one coupling region to the passive waveguide (12) .
- Composant (1) la revendication 6, caractérisé en ce que la distance respective des contacts électriques (10, 11) par rapport au guide d’onde CP (6, 16, 26) est inversement proportionnelle à la largeur du guide d’onde CP (6, 16, 26).Component (1) according to Claim 6, characterized in that the respective distance of the electrical contacts (10, 11) with respect to the CP waveguide (6, 16, 26) is inversely proportional to the width of the CP waveguide (6, 16, 26).
- Composant (1) selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le guide d’onde CP (6, 16, 26) comprend une région (34) à régime de lumière lente, dans laquelle le cristal photonique comprend une perturbation locale.Component (1) according to any one of Claims 4 to 7, characterized in that the CP waveguide (6, 16, 26) comprises a region (34) with a slow light regime, in which the photonic crystal comprises a local disturbance.
- Composant (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le guide d’onde CP (6, 16, 26) comprend deux régions (33) à régime de lumière rapide, agencées respectivement en amont et en aval de la région (34) à régime de lumière lente.Component (1) according to the preceding claim, characterized in that the CP waveguide (6, 16, 26) comprises two regions (33) with a fast light regime, arranged respectively upstream and downstream of the region (34 ) at slow light regime.
- Amplificateur optique, comprenant un composant optoélectronique (1) selon l’une quelconque des revendications 4 à 9, configuré pour amplifier de la lumière se propageant dans le guide d’onde CP (6, 6, 26) lorsque des porteurs de charge sont injectés dans celui-ci.An optical amplifier, comprising an optoelectronic component (1) according to any one of claims 4 to 9, configured to amplify light propagating in the CP waveguide (6, 6, 26) when charge carriers are injected In this one.
- Composant (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel une cavité optique résonante (20) est formée dans le guide d’onde CP (6, 16, 26) par deux régions miroirs (27a, 27b) agencées dans la direction de propagation du guide d’onde CP (6, 16, 26) et par une région dite d’apodisation (28). Component (1) according to any one of Claims 1 to 5, in which a resonant optical cavity (20) is formed in the CP waveguide (6, 16, 26) by two mirror regions (27a, 27b) arranged in the direction of propagation of the CP waveguide (6, 16, 26) and by a so-called apodization region (28).
- Composant (1) selon la revendication 11, caractérisée en ce qu’au moins un paramètre géométrique du cristal photonique dans la région d’apodisation (28) varie graduellement entre le centre et les extrémités de la région d’apodisation (28) dans la direction de propagation.Component (1) according to Claim 11, characterized in that at least one geometric parameter of the photonic crystal in the apodization region (28) varies gradually between the center and the ends of the apodization region (28) in the direction of spread.
- Composant (1) selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu’il comprend un cristal photonique supplémentaire (17) mono- ou bidimensionnel adjacent à la face latérale.Component (1) according to Claim 11 or 12, characterized in that it comprises an additional one- or two-dimensional photonic crystal (17) adjacent to the side face.
- Source laser comprenant un composant optoélectronique (1) résonant selon l’une des revendications 11 à 13 en combinaison avec la revendication 4 ou 5. Laser source comprising a resonant optoelectronic component (1) according to one of Claims 11 to 13 in combination with Claim 4 or 5.
- Circuit optoélectronique, comprenant au moins l’un parmi :
- un composant optoélectronique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 et 11 à 13,
- un amplificateur selon la revendication 10, et
- une source laser selon la revendication 14.
- an optoelectronic component (1) according to any one of claims 1 to 9 and 11 to 13,
- an amplifier according to claim 10, and
- a laser source according to claim 14.
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