Structure du filtre étudié

4.3 Structure du filtre étudié

4.3.1 Choix desmatériaux

D’après les équations de Maxwell, le principe de fonctionnement d’un filtre à réseaux résonnants est invariant par changement d’échelle, donc par changement de longueur d’onde. Il est alors inutile de refaire ici l’étude théorique sur le fonctionnement du filtre. En revanche, le changement de longueur d’onde implique de mener une étude de matériaux afin de déterminer ceux qui seront les mieux adaptés à la nouvelle gamme spectrale.

Nous avons vu, dans le chapitre précédent, que les matériaux choisis pour la fabrication de filtres fonctionnant à 1.57 µm étaient des matériaux issus de la microélectronique silicium. Ces derniers sont largement utilisés pour des applications dans le domaine du proche infrarouge. Cependant, ces matériaux ne sont pas compatibles avec une utilisation dans le moyen infrarouge car ils présentent, dans cette gamme de longueurs d’onde, une absorption qui nuit grandement aux performances de filtrage recherchées. En effet, les filtres à réseaux résonnants sont caractérisés par des facteurs de qualité élevés qui imposent généralement

Parmi les matériaux répondant à cette contrainte, les critères de sélection sont alors basés essentiellement sur la faisabilité technologique. En effet, les matériaux compatibles avec la gamme spectrale envisagée seront choisis de sorte à ce que leur élaboration soit aisément maîtrisable par les procédés généralement mis en œuvre, comme par exemple la croissance épitaxiale par jets moléculaires.

Certains matériaux semiconducteurs tels que ZnSe, CaF2 ou SiGe n’ont pas

été retenus car leur croissance épitaxiale est très difficile. En effet, ces matériaux sont mécaniquement très contraints et, par conséquent, des craquelures sont fréquemment observées sur les couches épitaxiées.

Les alliages semiconducteurs III-V sont, quand à eux, largement utilisés dans

la gamme spectrale 1-12 µm pour la fabrication de VCSELs [8, 9], de lasers à

cascade [10], de diodes électroluminescentes [11, 12] ou des détecteurs inter-sous-bandes [13]. Ce sont donc des matériaux largement connus et maîtrisés. Parmi ces alliages, la filière qui nous a particulièrement intéressés est la filière GaAs qui présente des matériaux de choix pour tout ce qui concerne la réalisation de composants électroniques et optoélectroniques. Ces matériaux présentent d’excellentes propriétés optiques dans la gamme spectrale envisagée ici, notamment ils sont transparents sur une grande plage de longueurs d’onde allant de 0.9 µm à 17 µm [14]. De plus, ces matériaux peuvent être épitaxiés uniformément sur de grandes surfaces, condition nécessaire pour une exploitation dans le moyen infrarouge. Ces matériaux permettent également le dépôt d’un grand nombre de couches avec de bons contrôles, à la fois sur la composition des matériaux et sur l’épaisseur déposée. Par conséquent, ils permettent d’obtenir des bonnes précisions sur l’indice optique des couches semiconductrices élaborées. Enfin, étant donné que le GaAs et l’AlGaAs sont des matériaux très utilisés pour l’optoélectronique, leur technologie est diffusée et maîtrisée dans la plupart des centrales de technologie du domaine, notamment dans celle de notre laboratoire.

4.3.2 Structureschématique du filtre

Outre les nombreux avantages qui viennent d’être cités, la filière GaAs présente quelques limitations pour nos applications. Ces limitations, intrinsèques aux alliages GaAs / GaAlAs, sont essentiellement :

 l’oxydation rapide, au contact de l’air, de l’aluminium contenu dans l’alliage

GaAlAs. Cette oxydation peut former une couche non homogène détériorant les performances d’un réseau qui y serait gravé. Par conséquent, la couche supérieure de l’empilement multicouche envisagé sera uniquement constituée de GaAs. Toutefois, ce matériau présente un indice de réfraction supérieur à

réseau dans cette couche supérieure de haut indice complexifie la conception de la structure antireflet et augmente aussi la sensibilité aux éventuelles erreurs de fabrication.

 la rugosité aux interfaces est accentuée par le dépôt de AlxGa(1-x)As sur AlAs. De manière générale, pour atténuer cette rugosité, les couches de AlxGa(1-x)As à fort taux d’aluminium doivent être séparées par une couche de GaAs. Dans notre cas, par souci de qualité des interfaces, nous projetons donc un empilement qui ne sera constitué que d’une alternance de couches en GaAs (n = 3.3) et AlAs (n = 2.86).

 l’utilisation d’un substrat à haut indice (GaAs), imposée par la filière GaAs, fait qu’il est difficile de confiner un seul mode guidé dans la structure multicouche, sans que ce dernier ne soit sensible au substrat. Ce point sera détaillé dans l’étude théorique qui va suivre.  

On peut remarquer ici que, pour limiter les contraintes induites par le substrat de haut indice, une solution serait d’utiliser la filière In(1-x)GaxAsyP(1-y). Dans ce cas, le substrat InP serait de bas indice par rapport aux matériaux utilisés pour l’empilement multicouche. De ce fait, il y aurait moins de modes à pertes dans la structure et il serait donc plus facile d’isoler un mode guidé. Toutefois, les matériaux à base de InP présentent un faible contraste d’indice, ce qui rend difficile l’optimisation de la structure antireflet nécessaire à l’obtention des performances de filtrage visées. De plus, l’épitaxie de ces matériaux est difficile, notamment pour les grandes épaisseurs nécessaires au filtrage dans la gamme spectrale étudiée, et le dépôt sur de grandes surfaces n’est pas encore maîtrisé. L’ensemble de ces raisons nous a donc confortés dans le choix de la filière GaAs pour la conception du filtre projeté.

Prenant en compte les limitations qui viennent d’être décrites, l’empilement multicouche constituant la structure du filtre a pu être défini. Le schéma de la structure retenue est donné dans la figure 4.2. Cette structure est ainsi constituée d’une alternance de couches AlAs / GaAs épitaxiée sur un substrat en GaAs et présentant une couche supérieure en GaAs.

Figure 4.2: Schéma de l'empilement multicouche, sur un substrat GaAs, constituant la structure du filtre.