FR2716268A1 - Appareil pour coupler un faisceau optique entre un dispositif optoélectronique et un guide d'ondes. - Google Patents
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Abstract
On décrit ici une interconnexion optique qui utilise une plaquette (1) de silicium munie de rainures (3, 4) attaquées pour exposer des plans cristallographiques préférés afin d'effectuer un alignement d'éléments (5) de focalisation entre des guides d'ondes (6) optiques et des dispositifs (2) optoélectroniques. Les éléments (5) de focalisation sont constitués de plaquettes de silicium et sont gravés pour exposer des plans cristallins qui sont complémentaires de plans cristallins de cavités ou de rainures qui sont attaquées dans la plaquette. Les éléments de focalisation peuvent être des hologrammes formés sur ceux-ci en vue d'une focalisation efficace sur le guide d'ondes (6) optique.
Description
L'invention concerne le couplage d'un dispositif
optoélectronique à une fibre optique et plus précisément, l'utilisation d'un élément optique holographique pour effectuer le couplage d'un dispositif et d'une fibre montés sur un substrat de silicium.
Les communications optiques offrent un procédé de très grande efficacité pour transmettre des informations, notamment pour la transmission numérique et analogique d'informations à vitesse élevée. L'émergence de dispositifs optoélectroniques met en valeur ce procédé efficace de transmission de données. Des difficultés sont liées à la mise en oeuvre de communications à ondes lumineuses, l'une des plus importantes étant le couplage peu efficace d'un guide d'ondes à un dispositif actif.
L'une des sources du couplage inefficace est l'erreur d'alignement de la fibre avec le dispositif.
L'émergence de la technologie des plaquettes de silicium a constitué un moyen permettant d'aligner avec précision des fibres optiques de manière passive. Comme décrit par exemple dans les brevets US-A-5 224 782; 5 163 108; 5 077 878 et 182 782, en effectuant une attaque le long de plans cristallographiques préférés dans une plaquette de silicium, des rainures en "V" sont formées pour un alignement passif précis des fibres optiques avec des dispositifs actifs et/ou des fibres de couplage. Comme exemple d'utilisation de plans cristallographiques pour l'alignement d'un dispositif optoélectronique avec une fibre par utilisation d'un substrat de silicium, on citera celui décrit dans le brevet US-A- 4 210 923. Dans ce brevet 923, un masque de SiO2 est appliqué à un substrat de silicium ayant une surface principale dans l'orientation cristalline (110). En appliquant une solution de KOH et d'eau, on effectue une attaque anisotrope et on forme des rainures en V dont les parois latérales se trouvent dans les plans cristallins (111). Comme décrit plus en détail, la profondeur exacte de la rainure en V peut être établie par un choix de la largeur requise de la rainure. Du fait de la caractéristique connue concernant les angles relatifs des plans cristallographiques, on peut ainsi obtenir un alignement passif précis de la fibre optique avec le dispositif optoélectronique. Un détecteur électro-optique est amené a croltre sur le substrat par des procédés classiques et la lumière provenant de la fibre est appliquée au détecteur à réception par le bord. Dans le brevet US-A- 4 210 923, rien n'est prévu pour focaliser la lumière entrante provenant de la fibre sur le dispositif actif. Par conséquent, il existe des problèmes liés aux rétroréflexions ainsi qu'au couplage peu efficace de la lumière dû à cette mauvaise aptitude à la focalisation. D'autres exemples de masquage et d'attaque de silicium monocristallin permettant de faire apparaître, en des emplacements souhaités des rainures et/ou des ouvertures dont les parois latérales se situent dans des plans cristallographiques préférés, sont décrits dans les brevets US-A-4 897 711; 4 779 946 et 4 446 696, cités ici à titre de référence. Ces références décrivent l'utilisation de diverses techniques d'attaque pour créer des rainures d'alignement afin d'augmenter l'efficacité de couplage de la lumière entre des fibres optiques et entre une fibre et un dispositif.
Le brevet US-A-4 897 711 décrit l'utilisation d'un élément de focalisation. Dans cette référence, une diode électroluminescente émettant vers le haut est montée sur un substrat. Une seconde pièce de silicium est attaquée et une surface réfléchissante est formée sur celle-ci pour coupler la lumière provenant de la diode électroluminescente à une fibre montée dans une rainure en V. Une lentille est montée dans un trou pyramidal attaqué de façon anisotrope dans une pièce de silicium intermédiaire pour focaliser la lumière de la diode électroluminescente vers la fibre. Le brevet US-A- 073 003 décrit une structure semblable à celle du brevet ne 711 mais effectue en outre l'alignement de la diode 35,électroluminescente par attaque cristallographique afin d'effectuer un couplage de la lumière à la fibre avec un angle d'incidence pratiquement nul. Le brevet US-A-5 224 184 décrit l'utilisation d'un substrat constitué d' une plaquette de silicium sur lequel est monté un dispositif & semiconducteur, un guide d'ondes optique plan et un élément de focalisation situé entre eux. L'élément de focalisation est dans ce cas une lentille géométrique ou à gradient d'indice (GRIN) qui est placée dans un relief (destiné à contenir une cavité en forme de "V") formé dans le substrat et focalise la lumière entre le dispositif et le guide d'ondes. Une poignée d'alignement de la lentille est montée sur la lentille pour produire une focalisation appropriée entre des accès d'émission et de réception. Le positionnement de la lentille nécessite par conséquent un alignement actif entre des accès optiques. Après alignement, la lentille est fixée par diverses techniques, parmi lesquelles un soudage et un brasage. Enfin, le brevet US-A-5 123 073 décrit l'utilisation de puits en forme de pyramides inversées qui retiennent des lentilles sphériques produisant une focalisation entre des fibres alignées coaxialement et placées dans des rainures en "V". L'invention nécessite l'utilisation d'un boîtier et de cylindres en deux parties pour un alignement mécanique.
Il est souhaitable de pouvoir coupler avec précision de la lumière entre un dispositif optoélectronique et une fibre, avec un rendement de couplage élevé et par conséquent, effectuer un transfert de signaux de puissances élevées. A cet effet, la présente invention a pour objet de permettre une interconnexion optique efficace et de grande précision entre des fibres et les dispositifs optiques par un alignement passif d'un élément de focalisation. Cet alignement passif est obtenu avec une grande précision par emploi des plans cristallins caractéristiques de matériaux cristallins tels que le silicium tant dans le substrat que dans le substrat formant l'élément de focalisation.
L'invention est décrite ci-après & titre d'exemple en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 représente une vue générale de l'appareil de couplage, l'élément 5 de focalisation étant inséré dans la cavité 3 de façon & aligner optiquement le dispositif 2 optoélectronique avec une fibre 6 optique.
La figure 2 représente les lignes d'orientation des plans caractéristiques du silicium (110).
La figure 3 représente une vue tridimensionnelle des plans (111) attaqués à l'intérieur d'un silicium à orientation (100).
La figure 4 représente l'alignement de l'1élément de focalisation en forme de diamant sur lequel est formé un hologramme destiné à être inséré dans la cavité formée dans le substrat.
La figure 5 représente un groupement d'éléments de focalisation destinés à coupler un groupement optoélectronique à un groupement de fibres.
Cet objet, ainsi que d'autres, sont atteints conformément à l'invention. Des guides d'ondes optiques à fibres sont alignés passivement dans un substrat de silicium monocristallin par gravure de rainures en V dans le substrat afin de maintenir les fibres. Des cavités pyramidales inversées sont également gravées dans le substrat de façon à recevoir un élément de focalisation de forme complémentaire.
Les éléments de focalisation sont alignés verticalement afin de coupler avec précision et efficacité de la lumière entre les fibres et les dispositifs, mais cette configuration de couplage pourrait être utilisée pour coupler de la lumière entre des fibres. L'élément de focalisation est une plaquette monocristalline gravée sur ses côtés de façon à s'ajuster dans la cavité complémentaire afin d'aligner efficacement l'élément de focalisation entre la fibre et le dispositif.
A titre d'illustration, on s'intéressera ici à des montages de couplages optiques particuliers constitués de silicium. L'invention portera principalement sur les avantages majeurs liés à l'utilisation des plans cristallographiques définis attaqués de façon à assurer un alignement approprié entre des éléments optiques. Les techniques habituelles de traitement des semiconducteurs permettant de réaliser une fabrication sont bien connues dans ce domaine, de sorte qu'on ne s'intéressera pas particulièrement à ces techniques de fabrication.
Comme le montre la figure 1, un dispositif 2 optoélectronique est monté sur un substrat 1 cristallin tel que du silicium avec une surface supérieure dans le plan (100). Bien que le dispositif optoélectronique représenté soit un élément discret, comme le substrat est constitué de silicium, il est clair qu'un dispositif pourrait être réalisé sur le substrat par des techniques de croissance épitaxiale et de dopage bien connues dans ce domaine. Du fait de l'utilisation d'un silicium à orientation (100), l'attaque fournit des cavités 3 de forme pyramidale inversée et des rainures 4 en forme de "V" destinées respectivement à recevoir des éléments 5 de focalisation et des guides d'ondes 6 optiques. Les éléments 5 de focalisation sont constitués de silicium à orientation (110) et sont attaqués sur leurs côtés de façon à s'ajuster dans les cavités 3. Cette fabrication de la caractéristique d'alignement de l'élément de focalisation sera décrite de façon plus détaillée ci- après.
Pour comprendre la façon dont on obtient un alignement passif précis des éléments de focalisation, on s'intéressera aux figures 2 et 3 qui représentent les plans cristallographiques préférés du silicium. En effectuant une attaque par des techniques classiques, on expose des rainures en V dont les parois latérales se situent dans les plans (111). Comme le montre la figure 3, l'attaque du substrat (100) révèle les parois latérales dans les plans (111) et (111) formant un angle de dégagement de 70,5 degrés entre eux. Lors de l'utilisation de plaquettes de silicium à orientation (100), la plaquette est masquée de façon photolitographique par application de masques ayant des ouvertures alignées avec les plans cristallographiques. A cet effet, des matériaux de masquage tels que le nitrure de silicium, le dioxyde de silicium ou des matériaux polymères spéciaux sont formés par croissance, déposés ou appliqués à la tournette sur le substrat. Un vernis photosensible est ensuite appliqué sur la partie supérieure du matériau de masquage par application à la tournette, puis la couche de vernis photosensible est définie et soumise & la formation d'un motif de façon photolithographique. Les motifs de vernis photosensible sont ensuite transférés sur le matériau de masquage par des techniques d'attaque au mouillé ou à sec.
Enfin, un agent d'attaque anisotrope est appliqué et les surfaces non masquées (100) sont rapidement attaquées jusqu'à ce que la famille (111) des plans cristallins apparaisse.
Comme agents d'attaque anisotrope représentatifs, on citera le KOH, l'hydroxyde d'ammonium, l'hydroxyde de tétraméthyl ammonium, l'hydrazine et une solution d'éthylènediamine- pyrocatéchol-eau. Les plans cristallins révélés sont attaqués suffisamment lentement pour que le processus d'attaque cesse automatiquement en laissant des détails mécaniques qui sont fixés par les dimensions du masque. L'attaque effectuée suivant cette orientation cristalline est connue comme étant un processus auto-limité et la profondeur de la rainure est directement proportionnelle à la largeur de l'ouverture du masque. Pour une description plus détaillée de ce phénomène on se référera au brevet US-A-4 210 923 cité à titre de référence. Comme le montre la figure 1, les cavités 3 et les rainures en V 4 sont attaquées avec des largeurs de masques différentes et ont donc des profondeurs différentes. Les cavités les plus profondes sont plus larges, ce qui permet à l'élément de focalisation de capter le faisceau élargi du laser et de focaliser le faisceau jusqu'à obtention d'une taille de trace appropriée à l'entrée de la fibre. La rainure en V a la profondeur nécessaire pour permettre un alignement adéquat de la fibre avec le faisceau optique. A titre d'exemple, lorsqu'on utilise une fibre d'un diamètre de 125 micromètres, la profondeur de la rainure en V se situe dans l'intervalle de 50 à 75 micromètres. En ce qui concerne la figure 4, on peut voir la façon dont l'utilisation du caractère complémentaire des côtés de l'élément de focalisation avec les parois latérales de la cavité 3 permet à l'élément 5 de focalisation d'être positionné avec précision dans la cavité. L'hologramme 7 est ainsi directement aligné avec le dispositif optoélectronique formé ou monté sur la surface du substrat 1 et la fibre 6, telle qu'elle est vue sur la figure 1.
Si l'on s'intéresse à présent à la fabrication de l'élément de focalisation pour effectuer un alignement passif précis de l'élément de focalisation entre le dispositif optoélectronique et le guide d'ondes à fibre, un masque comportant un groupement de parallélogrammes en forme d'ilots présentant des structures de compensation à leurs quatre angles, est utilisé pour réguler 1' attaque latérale des angles pendant l'attaque anisotrope. Le parallélogramme du masque présente l'orientation illustrée dans la figure 2.
Cette attaque anisotrope, qui est semblable du point de vue de la technique à celle décrite à propos de la fabrication des rainures en V, produit le découpage des éléments de focalisation dans le silicium cristallin à orientation (110).
Comme on peut le noter d'après la figure 2, en utilisant une technique d'attaque appropriée, on forme l'élément de focalisation de façon qu'il ait des dimensions complémentaires de celles de la cavité pratiquée dans le substrat constitué par la plaquette. A cet effet, comme le montre mieux la figure 4, en choisissant la plaquette (110) pour l'élément de focalisation et en attaquant les côtés de façon à faire révéler la famille des plans (111), l'angle de l'élément de focalisation en forme de losange est de 70,5 degrés. Il s'agit précisément de l'angle de dégagement de la cavité formée dans le substrat (100) de la plaquette.
L'ajustement est fait avec une grande précision, étant donné que la profondeur des cavités et des rainures en V dans le substrat et que la longueur des côtés de l'élément de focalisation peuvent être définies avec précision par un masquage et des vitesses d'attaque appropriées. Il est clair qu'un alignement passif précis de l'élément de focalisation entre le dispositif optoélectronique et la fibre peut être obtenu par utilisation des plans cristallins caractéristiques révélés par l'attaque. Dans ce cas, on a utilisé un substrat (100) et une plaquette (110) pour l'élément de focalisation.
En utilisant des techniques d'attaque connues afin de faire apparaître les plans caractéristiques souhaités sur les deux côtés de l'élément de focalisation et les côtés de la cavité dans le substrat, on obtient un alignement passif précis. A titre d'exemple, comme le montre la figure 2, en attaquant une plaquette de silicium (110), on expose respectivement les côtés 1 et 2 dans les plans (111) et (111) avec un angle de dégagement de 70,5 degrés. Cela produit l'élément de focalisation en forme de losange qu'illustre plus précisément la figure 4. On attaque ensuite le substrat (100) pour révéler une cavité dont les parois latérales se situent dans les plans (111) et (111) avec un angle de dégagement de 70,5 degrés. Par conséquent, si l'on considère la figure 4, on peut noter que l'angle 8 de l'élément de focalisation 5 s'ajuste dans l'angle 9 de la cavité pratiquée dans le substrat 1 de la plaquette. Il est clair que c'est l'aspect complémentaire des plans révélés qui permet cet alignement et par conséquent, que l'utilisation d'autres orientations cristallines permettant un alignement entrent dans le cadre de l'invention. Enfin, comme le montre la figure 4, l'élément 5 de focalisation est monté verticalement sur la partie supérieure du substrat 1 de la plaquette. Cela permet de focaliser des lasers à émission par le bord sur une fibre sans avoir à transmettre les émissions lumineuses vers le haut afin qu'elles sortent du plan d'émission vers une autre couche de silicium. Ici encore, l'alignement des plans cristallins des cavités et des éléments de focalisation permettent un excellent alignement vertical de l'élément de focalisation entre le dispositif et la fibre ou entre deux fibres.
Si l'on s'intéresse de nouveau à la figure 1, l'élément 5 de focalisation contient un élément de focalisation destiné a comporter par exemple un hologramme.
L'une des façons de disposer un hologramme sur l'élément de focalisation consiste a le former directement sur la plaquette de silicium par le procédé de codage Discret Itératif Radialement Symétrique sur l'Axe (RSIDO). Cette technique se caractérise par des rendements de diffraction de 85%-95% par comparaison à des systèmes de codage antérieurs qui n'obtenaient que des rendements de 60%. De plus, les hologrammes sont capables d'une focalisation précise à des distances focales multiples, ainsi qu'à des distances focales indépendantes de la longueur d'onde. Pour une description plus complète du procédé RSIDO, on se référera au brevet US- A-5 202 775, cité ici à titre de référence. Conformément à la présente invention, un substrat de silicium est choisi avec une orientation (110) pour l'élément de focalisation. Une couche amorphe de SiO2 est déposée par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou par d'autres techniques de dépôt connues dans ce domaine. On crée ainsi une surface qui ne peut pas être attaquée de façon anisotrope. Un vernis photosensible est ensuite appliqué à la tournette sur un substrat de chrome sur quartz. Le motif est déterminé à partir de la sortie d'un système de codage tel que la technique RSIDO qui produit un rendement de diffraction élevé. On attaque le motif sélectivement dans le film de chrome pour former un masque. Ces étapes sont répétées pour créer huit niveaux de phase. On applique ensuite un vernis photosensible à la tournette sur la couche amorphe de silicium, et on utilise un rayonnement UV pour éclairer le masque. L'image du masque est formée sur le vernis photosensible, ce qui permet d'exposer le vernis photosensible par exemple par utilisation d'une réduction de 5X. On développe ensuite le vernis photosensible pour créer le motif dans la couche amorphe. On grave ensuite la couche amorphe par des ions réactifs pour créer les profondeurs de phase appropriées. On répète ce processus avec d'autres masques pour produire des échelons de phase supplémentaires.
Un autre mode de réalisation de l'invention peut être vu sur la figure 5. Comme le montre ce mode de réalisation, le masquage et la gravure du substrat donnent un groupement de cavités et de rainures en V parallèles. Le pas d'espacement des rainures en V est choisi de façon à rendre maximal le nombre de guides d'ondes optiques à fibres dans une superficie donnée du substrat de silicium. Si l'on choisit des fibres d'un diamètre de 125 micromètres, le pas d'espacement des rainures en V peut être choisi de façon à n'être que de 250 micromètres. Comme décrit précédemment, la largeur et la profondeur des rainures dépendent l'une de l'autre. Le pas d'espacement des rainures en V et des cavités n'est ainsi limité que par les profondeurs requises des cavités et par le nombre de rainures en V nécessaire pour effectuer l'alignement du ou des dispositif(s) optoélectronique(s) avec la ou les fibre(s). Cette configuration permet de monter ou de former un seul groupement d'émetteurs/récepteurs sur le substrat, qui sont précisément alignés avec les éléments de focalisation et le groupement de fibres. En variante, des dispositifs discrets pourraient être montés ou formés sur le substrat.
Diverses autres modifications apparaîtront aux spécialistes de la technique. Toutes les variantes qui reposent fondamentalement sur les directives proposées par la présente invention entrent dans le cadre de la présente invention.
Claims (8)
1. Appareil pour coupler un faisceau optique entre un dispositif optoélectronique et un guide d'ondes optique, caractérisé en ce qu'il comprend: (a.) un substrat ayant une épaisseur sélectionnée entre des surfaces supérieure et inférieure; (b.) un dispositif optoélectronique monté sur ladite surface supérieure; (c.) une rainure attaquée dans ladite surface supérieure et dans laquelle est monté un guide d'ondes optique; (d.) une cavité attaquée dans ladite surface supérieure ayant une première extrémité en communication avec ladite rainure et une seconde extrémité adjacente audit dispositif optoélectronique; et (e.) un élément de focalisation monté dans ladite cavité de façon que le faisceau optique émis par, ou incident sur ledit dispositif optoélectronique soit transmis à travers ledit guide d'ondes optique et focalisé par ledit élément de focalisation.
2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat est constitué de silicium.
3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite surface supérieure présente l'orientation cristallographique (100).
4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite rainure et ladite cavité ont sensiblement la forme d'un "V" dont les parois latérales sont orientées dans les plans cristallographiques (111).
5. Appareil selon la revendication 1, dans lequel ledit élément de focalisation comprend en outre une plaquette de substrat de silicium orientée suivant la direction cristallographique (110) ayant un moyen pour focaliser le faisceau optique monté dans, ou formé sur ledit élément de focalisation.
6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite plaquette de substrat de silicium a une épaisseur sélectionnée entre les surfaces supérieure et inférieure et en ce qu'elle présente des surfaces latérales sensiblement parallèles gravées pour exposer les plans cristallographiques (111).
7. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit moyen de focalisation comprend en outre un hologramme généré sur ledit élément de focalisation.
8. Appareil pour coupler des faisceaux optiques entre des dispositifs optoélectroniques et des guides d'ondes optiques, caractérisé en ce qu'il comprend: (a.) un substrat ayant une épaisseur sélectionnée entre des surfaces supérieure et inférieure; (b.) au moins un dispositif optoélectronique monté sur ladite surface supérieure; (c.) un ensemble de rainures sensiblement parallèles attaquées dans ladite surface supérieure, un guide d'ondes optique étant monté dans chacune desdites rainures; (d.) un ensemble de cavités gravées dans ladite surface supérieure, chacune desdites cavités ayant une première extrémité en communication avec l'une desdites rainures et une seconde extrémité adjacente audit dispositif optoélectronique; et un ensemble d'éléments de focalisation, l'un desdits éléments de focalisation étant monté dans chacune desdites cavités, de sorte que les faisceaux optiques émis par, ou incidents sur ledit dispositif optoélectronique est transmis a travers l'un de chacun desdits guides d'ondes optiques et est focalisé par l'un desdits éléments de focalisation.
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