FR2876191A1 - Procede et dispositif de couplage de composants optiques - Google Patents
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Abstract
Le dispositif optoélectronique présente un taux de couplage prédéterminé. A cet effet, il comporte :- un substrat (101, 121) sur lequel est reporté au moins un composant optoélectronique (102, 122),- au moins un trou calibré (110, 130) traversant le substrat, chaque trou calibré étant en regard d'un composant électronique et étant destiné au guidage d'une fibre optique (107, 127) en direction dudit composant optoélectronique et- au moins une fibre optique fixée dans un porte fibre (106, 126), et dépassant dudit porte fibre d'une longueur prédéterminée (L), la partie dépassante étant insérée dans un dit trou, en regard d'un composant optoélectronique, de telle manière que, lorsque ledit porte fibre est en butée sur la surface du substrat opposée à la surface de montage du composant optoélectronique, l'écart (e) entre la surface active du composant optoélectronique et l'extrémité de la fibre optique corresponde au taux de couplage prédéterminé.
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF DE COUPLAGE DE COMPOSANTS OPTIQUES
DESCRIPTION
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de couplage de composants optiques. Elle s'applique, en particulier, au couplage d'une fibre optique sur un composant émetteur ou récepteur de signaux lumineux.
Le besoin de réaliser des modules optoélectroniques pour réseaux à fibres optiques haut-débit (10 GBd et plus), à bas coût et en recherchant des dimensions géométriques minimisées a conduit au développement de sousensembles optiques basés sur l'utilisation de puces optoélectroniques de type laser VCSEL (acronyme de Vertical Cavity Surface Emitting Lasers pour lasers à surface émettrice en cavité verticale ou laser émettant en surface) dans le cas d'émetteurs ou de type photodiode (de type PIN à polarisation inverse ou Avalanche) dans le cas de récepteurs.
Diverses méthodes ont été mises en oeuvre pour réaliser le couplage optique du laser vers la fibre optique ou de la fibre optique vers la photodiode. Les plus classiques utilisent, en entrée de la fibre optique, un composant placé dans un boîtier TO (acronyme de Transistor Outline que l'on pourrait traduire par "boîtier intégrant un transistor") muni d'une lentille optique permettant la focalisation du faisceau vers une fibre optique qui est solidarisée au boîtier TO, à l'issue d'une phase d'alignement dite active durant laquelle on mesure en permanence le taux de puissance optique couplé dans la fibre.
Un exemple de description de ces méthodes est le document Trewhella et al. , Evolution of optical subassemblies in IBM data communication transceivers, IBM J. Res. & Dev., 47, 2003.
Cette méthode est coûteuse tant du point de vue du coût des pièces mécaniques composant l'assemblage que du temps de mise en oeuvre du procédé d'assemblage. Elles souffrent de plus de deux inconvénients majeurs: - elles n'intègrent pas dans le boîtier l'électronique de commande du laser, en particulier son circuit de pilotage (driver) - ceci étant particulièrement important dans le cadre des applications à très haute fréquence - et - elles ne permettent pas de réaliser le couplage simultané de plusieurs puces laser, pour des applications dites d'optique parallèle.
Une autre méthode a été proposée en 1991 par Tai et al. dans la publication "Self aligned fibre pigtailed surface emitting lasers on Si submount, Elec. Letters, 27, 1991" Dans cette méthode, le composant émetteur est constitué par le report de la puce émettrice VCSEL sur un substrat en silicium. Un trou est formé à travers le substrat de façon à ce qu'une fibre préalablement clivée puis insérée dans le trou soit guidée par ce dernier et se 2876191 2 trouve positionnée de façon passive (c'est-à-dire sans besoin de faire émettre le laser durant cette opération) face à la zone d'émission du laser VCSEL.
Une approche analogue a été suivie dans la publication de Hayashi et Tsunetsugu, "Optical Module with MU Connector Interface Using Selfalignment Technique by solder bump Chip Bonding, ECTC, 1996". La répétitivité et la précision de positionnement de la puce sur le substrat sont alors garanties par le report de la puce par une technologie dite flip-chip (ou IBM C4) sur le substrat. Cette technologie permet notamment d'atteindre des débits d'informations de l'ordre de 10 GBd de façon plus aisée que par l'utilisation de technologies plus traditionnelles telles le câblage filaire. En outre les propriétés d'autoalignement des billes fusibles utilisées par la technologie flip-chip permettent de garantir la répétabilité de positionnement de la puce par rapport au trou guidant la fibre optique, cette dernière étant elle-même positionnée par rapport à la puce et fixée sur le substrat par alignement passif. Dans cette publication, il est cependant à noter que la fibre n'est pas guidée directement dans le substrat mais collée dans un capillaire (dit férule ) en céramique lui-même guidé dans un trou formé à travers le substrat.
L'utilisation de la technologie flip-chip permet le positionnement latéral et transversal (c'est-à-dire dans les deux axes du plan du substrat) de la fibre optique par rapport à la puce (voir, par exemple la demande de brevet US2003/0098511, Moon et al.), toutefois la fibre conserve un degré de liberté dans l'axe optique, ce qui rend sa position axiale par rapport à la puce et donc la puissance optique couplée dans la fibre difficilement contrôlable. Ces deux grandeurs sont en effet directement liées. Les brevets US 4,779,946 (Pimpinella et al.) et US 5, 247,597 (Blacha et al.) proposent de réaliser le trou débouchant par attaque chimique du silicium permettant ainsi d'obtenir un trou de section variable linéairement de telle sorte que la fibre introduite dans ce trou se trouve mécaniquement bloquée longitudinalement suivant l'axe optique lorsque le diamètre de la fibre optique est égal à la section du trou. La distance résiduelle entre la puce et la fibre est alors fixée de façon unique par les propriétés d'attaque chimique du silicium.
Ces dernières techniques présentent donc l'inconvénient de ne pas pouvoir disposer d'un taux de couplage optique que l'on puisse ajuster en fonction de l'application visée et obtenir de façon répétable une fois la valeur du taux de couplage souhaité choisie.
De plus, des documents ne résolvent aucunement les problèmes qui se posent en optique parallèle et n'envisagent aucune intégration sur le substrat de l'électronique de commande.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.
A cet effet, la présente invention vise un procédé et un dispositif de couplage de composants optiques permettant d'assurer un contrôle de la position de la face optique de la fibre par rapport à la surface émissive ou sensible de la puce optoélectronique utilisée comme émetteur ou récepteur, et un dispositif résultant de la mise en oeuvre de ce procédé.
Selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif optoélectronique présentant un taux de couplage prédéterminé, caractérisé en ce qu'il comporte: - un substrat sur lequel est reporté au moins un composant optoélectronique, - au moins un trou calibré traversant le substrat, chaque trou calibré étant en regard d'un composant électronique et étant destiné au guidage d'une fibre optique en direction dudit composant optoélectronique et - au moins une fibre optique fixée dans un porte fibre, et dépassant dudit porte fibre d'une longueur prédéterminée, la partie dépassante étant insérée dans un dit trou, en regard d'un composant optoélectronique, de telle manière que, lorsque ledit porte fibre est en butée sur la surface du substrat opposée à la surface de montage du composant optoélectronique, l'écart entre la surface active du composant optoélectronique et l'extrémité de la fibre optique corresponde au taux de couplage prédéterminé.
Grâce à ces dispositions, le positionnement de la fibre optique peut être effectué de manière passive, c'est-à-dire sans alimenter un laser ni mesurer la quantité de lumière traversant la fibre optique ou reçue par la photodiode, ce qui simplifie et rend plus économique la construction du dispositif de couplage.
De plus, la mise en oeuvre d'un porte fibre permet une excellente répétabilité du placement respectif de la fibre par rapport au composant optoélectronique.
On observe que le taux de couplage prédéterminé peut être volontairement limité afin de ne pas dépasser des niveaux de puissance couplés dans la fibre incompatible avec les niveaux de sécurité oculaires requis par les normes en vigueur.
Selon des caractéristiques particulières, au moins un composant optoélectronique est un laser.
Selon des caractéristiques particulières, au moins un laser est de type VCSEL, c'est-à-dire Vertical Cavity Surface Emitting Laser ou laser à surface émettrice en cavité verticale.
Selon des caractéristiques particulières, le dispositif tel que succinctement exposé ci-dessus comporte, sur ledit substrat, pour au moins un composant optoélectronique, son circuit de commande ou pilote et des pistes électriques reliées d'une part au circuit de commande et, d'autre part, au composant optoélectronique et permettant la propagation d'un signal hyperfréquences entre ledit circuit de commande du pilote et ledit laser.
Selon des caractéristiques particulières, au moins un composant optoélectronique est une photodiode.
Selon des caractéristiques particulières, au moins une photodiode est de type PIN ou Avalanche.
Selon des caractéristiques particulières, le dispositif optoélectronique tel que succinctement exposé ci-dessus comporte, sur le même substrat: une pluralité de composants optoélectroniques, - une pluralité de trous calibrés traversant le substrat, chaque trou calibré étant en regard d'un composant optoélectronique et étant destiné au guidage d'une fibre optique en direction dudit composant optoélectronique et - une pluralité de fibres optiques fixées dans un porte fibre, chaque fibre dépassant dudit porte fibre d'une longueur prédéterminée, cette partie dépassante étant insérée dans un dit trou en regard du composant optoélectronique associé, de telle manière que, lorsque ledit porte fibre est en butée sur la surface du substrat opposée à la surface de montage des composants optoélectroniques, l'écart entre la surface active de chaque composant optoélectronique et l'extrémité de la fibre optique associée corresponde au taux de couplage prédéterminé.
On observe que la longueur prédéterminée des parties dépassantes n'est pas forcément identique pour toutes les fibres.
Selon des caractéristiques particulières, lesdits trous sont disposés sur des lignes comportant, chacune, au moins trois trous.
Selon des caractéristiques particulières, au moins un trou présente une forme dont le diamètre du cercle inscrit est supérieur au diamètre d'une fibre optique et dont le cercle inscrit présente, avec ladite forme, trois points de contact formant un triangle sensiblement équilatéral.
Grâce à ces dispositions, la fibre peut être positionnée précisément dans le trou tout en laissant de la place pour que par capillarité, de la colle puisse remplir l'espace entre les bords du trou et la fibre. En effet, la distance entre la fibre et les bords du trou est variable sur la circonférence de la fibre.
Selon des caractéristiques particulières, au moins un porte fibre prend la forme d'une férule.
Selon des caractéristiques particulières, ledit porte-fibre est constitué de plusieurs pièces fixées entre elles, la partie en contact avec la fibre étant un capillaire muni d'un trou dont le diamètre est voisin du diamètre extérieur de la fibre.
Les pièces en question peuvent être fixées de différentes manières, par exemple par emmanchement, collage ou soudage.
Selon des caractéristiques particulières, au moins un porte fibre est constitué d'au moins une pièce portant au moins une rainure dans laquelle une fibre optique peut être au moins partiellement insérée pour bloquer la fibre optique par serrage de ladite pièce contre une autre pièce. Ce porte fibre est appelé classiquement "v-groove", ou bloc de vés fibré.
Selon des caractéristiques particulières, l'extrémité d'au moins une fibre optique est clivée.
Selon des caractéristiques particulières, l'extrémité d'au moins une fibre optique est lentillée ou à coeur étendu.Grâce à ces dispositions, le couplage optique est optimisé et
répétable.
Selon des caractéristiques particulières, le clivage présente un angle par rapport au plan perpendiculaire à la fibre.
Selon des caractéristiques particulières, l'extrémité d'au moins une fibre optique est clivée et recouverte d'un traitement anti-reflet.
Grâce à ces dispositions, on limite les réflexions parasites à l'interface fibre/air. Par exemple, ledit angle prend une valeur entre 4 et 8 pour interdire au flux lumineux réfléchi d'être recouplé dans la cavité laser, ou vers le réseau fibré.
Selon des caractéristiques particulières, l'écart entre la surface active du composant optoélectronique et l'extrémité de la fibre optique est rempli d'un matériau transparent dont l'indice optique est proche de celui de la fibre optique.
Grâce à ces dispositions, on réduit la réflexion de la lumière sur la fibre optique et/ou sur le composant optoélectronique.
Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de fabrication d'un dispositif tel que succinctement exposé ci-dessus présentant un taux de couplage prédéterminé, caractérisé en ce qu'il comporte: - une étape de report, sur un substrat, d'au moins un composant optoélectronique, - une étape de réalisation d'au moins un trou calibré traversant ledit substrat, chaque trou calibré étant en regard d'un composant optoélectronique et étant destiné au guidage d'une fibre optique en direction dudit composant optoélectronique et - une étape d'insertion, dans au moins un trou, d'une partie dépassante de longueur prédéterminée (L) d'une fibre optique fixée dans un porte fibre et de fixation de ladite fibre optique audit substrat en regard d'un composant optoélectronique, lorsque ledit porte fibre est en butée sur la surface du substrat opposée à la surface de montage du composant optoélectronique, l'écart entre la surface active du composant optoélectronique et l'extrémité de la fibre optique correspondant au taux de couplage prédéterminé.
Grâce à ces dispositions, le positionnement de la fibre optique peut être effectué de manière passive, c'est-à-dire sans alimenter un laser ni mesurer la quantité de lumière traversant la fibre optique ou reçue par la photodiode, ce qui simplifie et rend plus économique la construction du dispositif de couplage.
Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape de report d'au moins un composant optoélectronique, au moins un composant optoélectronique est un laser.
Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape de report d'au moins un composant optoélectronique, au moins un laser est de type VCSEL, c'est-à-dire Vertical Cavity Surface Emitting Laser ou laser à surface émettrice en cavité verticale.
Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape de report d'au moins un composant optoélectronique, on reporte aussi, sur ledit substrat, pour au moins un composant optoélectronique, un circuit de commande du pilote, et des pistes électriques reliées d'une part au circuit de commande de pilote et, d'autre part, au composant optoélectronique et permettant la propagation d'un signal hyperfréquences entre ledit circuit de commande du pilote et ledit laser.
Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape de report d'au moins un composant optoélectronique, au moins un composant optoélectronique est une photodiode.
Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape de report d'au moins un composant optoélectronique, au moins une photodiode est de type PIN ou Avalanche.
Selon des caractéristiques particulières du procédé tel que succinctement exposé ci- dessus: - au cours de l'étape de report, sur un substrat, d'au moins un composant optoélectronique, on reporte, sur le substrat une pluralité de composants optoélectroniques, - au cours de l'étape de réalisation d'au moins un trou calibré traversant ledit substrat, on réalise une pluralité de trous calibrés, chaque trou calibré étant en regard d'un composant électronique et étant destiné au guidage d'une fibre optique en direction dudit composant optoélectronique et - au cours de l'étape d'insertion, on insert, dans chacun desdits trous, une fibre fixée dans un porte fibre et on fixe ladite fibre audit substrat en regard d'un composant optoélectronique, lorsque ledit porte fibre est en butée sur la surface du substrat opposée à la surface de montage du composant optoélectronique, l'écart entre la surface active du composant optoélectronique et l'extrémité de la fibre optique correspondant ainsi au taux de couplage prédéterminé.
Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape d'insertion, lesdits trous sont disposés sur des lignes comportant, chacune, au moins trois trous.
Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape de réalisation d'au moins un trou calibré, au moins un trou présente une forme dont le diamètre du cercle inscrit est supérieur au diamètre d'une fibre optique et dont le cercle inscrit présente, avec ladite forme, trois points de contact formant un triangle sensiblement équilatéral.
Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape d'insertion, au moins un porte fibre prend la forme d'une férule.
Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape d'insertion, l'extrémité d'au moins une fibre optique est clivée.
Selon des caractéristiques particulières, le clivage de ladite fibre présente un angle par rapport au plan perpendiculaire à la fibre.
Selon des caractéristiques particulières, le procédé tel que succinctement exposé ci-dessus comporte une étape de remplissage de l'écart entre la surface active du composant optoélectronique et l'extrémité de la fibre optique avec un matériau transparent dont l'indice optique est proche de celui de la fibre optique.
Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape de report, on met en oeuvre une méthode "flip-chip".
Selon des caractéristiques particulières, l'étape de report par une méthode "flip-chip" comporte une étape de report de plots métallisés sur ledit substrat, une étape de dépôt d'un matériau fusible sur lesdits plots métallisés et, une étape de re-fusion dudit matériau fusible au cours de laquelle le matériau fusible prend la forme de bille de diamètre contrôlé.
Selon des caractéristiques particulières, l'étape de report par une méthode "flip-chip" comporte une étape de report, sur le composant optoélectronique, de plots métalliques correspondant avec la position des billes du substrat.
Grâce à ces dispositions, le dispositif possède de très bonnes performances de transmission de signaux hyperfréquences et le montage bénéficie d'un auto-alignement de chaque composant optoélectronique permettant de maîtriser la position du composant optoélectronique par rapport au trou de guidage des fibres.
De ce fait, l'alignement passif de la fibre et du composant optoélectronique dans le plan du substrat permettent une haute répétitivité du taux de couplage optique entre le composant optoélectronique et la fibre optique correspondante.
Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape de report, on reporte, sur un même substrat commun, une pluralité de composants optoélectroniques et on découpe ledit substrat communs aux dimensions de substrats portant, chacun, au moins un composant optoélectronique individuel.
Grâce à ces dispositions, le coût de fabrication est encore réduit.
Les avantages, buts et caractéristiques du procédé étant similaires à ceux du dispositif tel que succinctement exposé ci-dessus, ils ne sont pas rappelés ici.
D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite, dans un but explicatif et nullement limitatif en regard des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente, schématiquement, en perspective, un premier mode de réalisation particulier d'un dispositif objet de la présente invention, après assemblage, - la figure 2 représente, schématiquement et en vue de face, le premier mode de réalisation illustré en figure 1, - la figure 3 représente, schématiquement, une partie du mode de réalisation particulier illustré en figure 1, avant assemblage, - la figure 4 représente, schématiquement, la partie du mode de réalisation illustré en figure 3 dans le substrat illustré en figure 2, après assemblage, - la figure 5 représente un mode de réalisation particulier de la présente invention dans un dispositif à optiques parallèles, - la figure 6 représente, en coupe, un ruban de fibres optiques et un porte-fibres mis en oeuvre dans le mode de réalisation illustré en figure 5, - la figure 7 représente, en coupe, un trou mis en oeuvre dans les modes de réalisation illustrés en figures 1 à 6, - la figure 8 représente, en coupe, un mode de réalisation particulier du couplage optique entre une fibre optique et un composant optoélectronique, couplage pouvant être mis en oeuvre dans les modes de réalisation particuliers illustrés en figures 1 à 7 et - la figure 9 représente, sous forme d'un logigramme, des étapes mises en oeuvre dans un mode de réalisation particulier du procédé objet de la présente invention.
On observe, en figures 1 et 2, un substrat 101 préalablement équipé de plots métallisés 111 (voir figures 4 et 8) permettant le report par technologie flip chip de divers composants électroniques et optoélectroniques, en particulier un composant optoélectronique 102, son circuit de commande 103 et un ou plusieurs composants électroniques (circuits intégrés) 104 (dans les figures, un seul composant 104 est représenté) nécessaires à la commande du composant optoélectronique 102 ou à la conversion du signal détecté si le composant est un détecteur, par exemple une photodiode, ainsi que les composants électroniques passifs nécessaires à leur fonctionnement (non représentés).
Le composant optoélectronique 102 est, par exemple, un laser à émission verticale VCSEL pour l'émission d'un signal lumineux dans une fibre optique 107 ou une photodiode PIN ou à avalanche, pour détection et réception d'un signal lumineux issu de la fibre optique 107.
Le substrat 101 peut être réalisé en divers matériaux (Silicium, Alumine, Quartz, ...) compatibles avec la réalisation sur une au moins de ses faces de pistes conductrices (non représentées) adaptées à la propagation d'un signal électrique hyperfréquence. Sur ce substrat on peut réaliser des plots métallisés sur lesquelles on dépose un matériau fusible, par exemple l'indium, susceptible lors d'une refusion de se reformer en billes de diamètre contrôlé, typiquement entre 5 pm et 500pm. C'est le procédé de microbillage connu sous le nom de flip-chip .
Dans les deux cas, de laser ou de photodiodes, le composant optoélectronique 102 est équipé de plots métalliques coïncident avec la position des billes du substrat 101.
L'utilisation d'un report de type flip-chip est motivé par les bonnes performances hyperfréquence de cette technologie et par ses propriétés d'auto-alignement du composant 102 permettant ainsi de maîtriser sa position par rapport au trou 110 de guidage de la fibre optique 107. De ce fait, la présente invention réalise un alignement passif de la fibre optique 107 et du composant optoélectronique 102 dans le plan du substrat 101.
Le substrat 101, illustré en vue de face en figure 2, est percé d'un trou 110 débouchant situé en regard de la zone d'émission lumineuse du laser ou de la zone de réception de la photodiode.
Le trou 110 réalisé dans le substrat 101 peut être obtenu par différents procédés tels que la gravure sèche ou le perçage par laser. La forme du trou 110 n'est pas nécessairement circulaire: il peut s'agir de toute forme géométrique dans laquelle peut s'inscrire un cercle du diamètre de la fibre optique à insérer, typiquement de 125 à 130 pm (voir figure 7).
Dans un porte fibre ou férule 106, la fibre optique 107, par exemple en silice, est montée maintenue par collage ou tout autre moyen de fixation (brasage, soudage, scellement verre-verre,...). L'une des faces du portefibre 106 est en contact avec la face du substrat 101 opposée à la face accueillant le composant optoélectronique 102.
Ce porte-fibre ou férule 106 apparaît en vue de coupe en figures 3 et 4. Elle est constituée d'un capillaire 108, par exemple en céramique, contenant la fibre optique 107, le capillaire 108 étant inséré dans un corps extérieur 109 qui peut être en métal ou tout autre matériau. La partie du porte-fibre 106 en contact avec la fibre optique 107 est le capillaire 108, muni d'un trou dont le diamètre est voisin du diamètre extérieur de la fibre optique 107. Les pièces constituant le porte-fibre 106 peuvent être fixées entre elles de différentes manières, par exemple par emmanchement, collage ou soudage.
La fibre optique 107 peut être monomode ou multimode suivant l'application visée et la longueur d'onde d'émission utilisée. Une partie 112 de la fibre optique 107 dépasse du porte-fibre ou férule 106 d'une longueur L déterminée à l'avance en connaissant l'évolution de la puissance couplée du laser dans la fibre ou de la fibre dans la photodiode, en fonction de l'écart entre ces deux composants et de l'épaisseur du substrat 101. La longueur de dépassement L peut être maîtrisée avec une très faible dispersion, par exemple en utilisant un procédé de clivage ou découpe de la fibre optique 107 par laser, ou un procédé de polissage de l'extrémité de la fibre optique 107.
La figure 4 illustre la configuration définitive du module optique une fois le porte-fibre ou férule 106 assemblée au substrat 101, la partie 112 de la fibre optique 107 qui dépasse du porte-fibre 106 étant insérée dans le trou 110 jusqu'à mise en contact du porte-fibre et du substrat 101. La distance entre la zone active du composant optoélectronique et le substrat est déterminée par la hauteur h des billes fusibles 111, connue avec précision. L'écart résiduel e entre le composant optoélectronique et la fibre optique 107 vaut donc (voir figure 8) : e=s+h-L Ainsi, la longueur de dépassement L est déterminée afin qu'une fois la fibre optique 107 placée dans le trou 110 et le porte fibre 106 étant en butée sur la surface du substrat 101 opposée à la surface de montage des composants optoélectroniques, l'écart résiduel e entre la surface active du composant optoélectronique 102 et l'extrémité clivée de la fibre optique 107 correspondant au taux de couplage de la lumière recherché. Le taux de couplage recherché peut être volontairement limité afin de ne pas dépasser des niveaux de puissance couplés dans la fibre incompatible avec les niveaux de sécurité oculaires requis par les normes en vigueur.
De ce fait, la présente invention réalise un alignement passif de la fibre optique 107 et du composant optoélectronique 102 dans la direction perpendiculaire au plan du substrat 101.
L'espace d'épaisseur e séparant la fibre optique 107 et le composant optoélectronique 102 peut en outre être rempli avec une colle ou un autre matériau transparent (voir figure 8) dont l'indice optique est proche de celui de la fibre optique 107, par exemple 1,5 environ pour certains verres ou silices.
L'extrémité de la fibre optique 107 peut également être équipée d'une microlentille (non représentée) et/ou être à coeur étendu et/ou recouverte d'un traitement anti-reflet, afin d'optimiser le taux de couplage du composant optoélectronique et de la fibre optique 107.
Préférentiellement, les opérations de préparation du substrat 101 et de report du composant optoélectronique 102 et des composants électroniques 103 et 104 sont réalisées collectivement sur une plaque (wafer) d'un même matériau, cette plaque étant par la suite découpée aux dimensions d'un substrat individuel 101. On diminue ainsi le coût de fabrication par une approche collective.
On observe, en figure 5, que la présente invention, dont les caractéristiques sont décrites ci-dessus pour un seul composantoptoélectronique 102, peut être facilement mis en oeuvre dans des applications dites d'optique parallèle dans lesquelles on souhaite aligner simultanément plusieurs lasers à émission verticale ou plusieurs photodiodes 122 à un ruban de fibres optiques 140, dont le nombre est, typiquement de 4, 8 ou 12.
A cet effet, on place le ruban de fibres optiques 140 dans un portefibres ou férule multi-fibres 126 ou un bloc de dit "v-grooves" (voir figure 6) et on réalise un clivage collectif des fibres optiques tel que chaque fibre optique dépasse du porte-fibre d'une longueur déterminée L. Le substrat 121 est, quant à lui, percé du nombre de trous 130 correspondant au nombre de composants optoélectroniques 122 à coupler au ruban de fibres optiques 140.
Par exemple, les fibres optiques 140, une fois montées dans le portefibres 126, sont espacées d'une distance typique de 250 pm et sont guidées par les trous 130 percés dans le substrat 121, en vis-à-vis desquels ont été reportées par flip-chip respectivement un nombre égal de composants optoélectroniques, par exemple lasers à émission verticale ou photodiodes.
L'ensemble des composants optoélectroniques peuvent être disposés en barrette ou en une matrice à deux dimensions.
Préférentiellement, les trous 130 sont disposés sur des lignes comportant, chacune, au moins trois trous 130.
On observe, en figure 6, en coupe, le ruban de fibres optiques 140 et le porte-fibres 126 constitué d'au moins une (ici deux) pièce 135 portant au moins une rainure 136 dans laquelle une fibre optique 127 peut être au moins partiellement insérée. Chaque fibre optique 127 est bloquée en position dans le porte-fibres 126 par serrage, l'une contre l'autre des pièces 135 ou, s'il n'y a qu'une pièce 135 comportant des rainures, par serrage de cette pièce 135 contre une pièce plane sans rainures dite classiquement "contre-lame".
On observe, en figure 7, en coupe, un trou 110 ou 130 mis en oeuvre dans les modes de réalisation illustrés en figures 1 à 6. Ce trou présente une forme dont le diamètre du cercle inscrit est supérieur au diamètre d'une fibre optique 107 ou 127 et dont le cercle inscrit présente, avec ladite forme, trois points de contact formant un triangle préférentiellement sensiblement équilatéral. Ainsi, la fibre optique peut être positionnée précisément dans le trou tout en laissant de la place pour que, par capillarité, de la colle dont l'indice optique est proche de celui de la fibre optique puisse remplir l'espace entre les bords du trou et la fibre puisque la distance entre la fibre et les bords du trou est variable sur la circonférence de la fibre optique.
On observe, en figure 8, en coupe, un couplage optique entre une fibre optique 107 ou 127 et un composant optoélectronique, 102 ou 122.
L'extrémité de la fibre optique est clivée afin d'optimiser le couplage de la lumière. Ce clivage est réalisé, dans le mode de réalisation représenté, avec un angle entre 4 et 8 qui limite les réflexions parasites à l'interface de la fibre optique.
L'écart résiduel e entre la fibre optique et le composant optoélectronique est, dans le mode de réalisation représenté, rempli d'un matériau transparent 150, par exemple une colle réticulable aux ultraviolets, dont l'indice optique est proche de celui de la fibre optique, afin de réduire la réflexion de la lumière sur la fibre.
L'écart résiduel e entre le composant optoélectronique et la fibre optique 107 vaut e=s+h-Lavec: - L, la longueur de la partie de la fibre optique qui dépasse du porte- fibre, - h, la distance entre la zone active du composant optoélectronique et le substrat, égale à la hauteur h des billes fusibles, connue avec précision et - s, l'épaisseur du substrat portant le trou dans lequel est inséré la fibre optique.
On observe, en figure 9, sous forme d'un logigramme, des étapes mises en oeuvre dans un mode de réalisation particulier du procédé objet de la présente invention.
Au cours d'une étape 200, on détermine un taux de couplage optique que l'on souhaite obtenir de manière répétitive et précise entre une fibre optique et un composant optoélectronique et on détermine l'écart e entre ces éléments qui correspond à ce taux de couplage et la valeur de la longueur L de la partie de la fibre optique qui dépassera du porte- fibre, en tenant compte des valeurs de l'épaisseur s du substrat et de la hauteur h des billes fusibles.
Au cours d'une étape 205, on prépare un substrat et on reporte des composants optoélectroniques et électroniques sur une plaque (wafer) d'un même matériau, en mettant en oeuvre un procédé "flip-chip" avec des billes de diamètre h. On reporte, en particulier, un composant optoélectronique, un circuit de commande et des pistes électriques reliées d'une part au circuit de commande et, d'autre part, au composant optoélectronique, qui permettent la propagation d'un signal hyperfréquences entre ledit circuit de commande du pilote et ledit composant optoélectronique.
L'étape de report par une méthode "flip-chip" comporte une étape de report de plots métallisés sur le substrat 206, une étape de dépôt d'un matériau fusible sur lesdits plots métallisés.
L'étape de report par une méthode "flip-chip" comporte aussi une étape de report, sur le composant optoélectronique, de plots métalliques correspondant avec la position des billes du substrat 207.
L'étape de report comporte une étape de mise en regard 208 des plots métalliques des composants et des plots métallisés sur le substrat.
Enfin, l'étape de report comporte une étape de re-fusion 209 du matériau fusible au cours de laquelle le matériau fusible prend la forme de bille de diamètre contrôlé Au cours d'une étape 210, on effectue un perçage de chaque trou nécessaire au passage d'une fibre optique, dans un substrat d'épaisseur s. Chaque trou est calibré et traverse ledit substrat, et est en regard d'un composant optoélectronique et est destiné au guidage d'une fibre optique en direction dudit composant optoélectronique.
Au cours d'une étape optionnelle 215, on découpe la plaque aux dimensions d'un substrat individuel.
Au cours d'une étape 220, on insère au moins une fibre optique dans un porte-fibre et on solidarise ces deux éléments.
Au cours d'une étape 225, on effectue un clivage de chaque fibre optique pour que la partie de la fibre qui dépasse du porte-fibre possède une longueur L. Eventuellement, on effectue le clivage avec un angle par rapport à l'axe de la fibre optique, pour limiter les réflexions parasites.
Au cours d'une étape 230, on insert, dans au moins un trou, une fibre fixée dans un porte fibre.
Au cours d'une étape 235, on fixe la fibre optique et le porte fibre au substrat, par exemple par collage ou brasure, en regard d'un composant optoélectronique, ledit porte fibre étant à la fin de l'étape d'assemblage en butée sur la surface du substrat opposée à la surface de montage du composant optoélectronique.
Ainsi, l'écart entre la surface active du composant optoélectronique et l'extrémité de la fibre optique correspondant ainsi au taux de couplage prédéterminé.
Pour fixer la fibre optique, on utilise, par exemple une colle dont l'indice optique est proche de celui de la fibre qui, par capillarité remplit l'espace entre la fibre optique et le trou.
Au cours d'une étape optionnelle 240, on remplit l'écart entre la surface active du composant optoélectronique et l'extrémité de la fibre optique avec un matériau transparent dont l'indice optique est proche de celui de la fibre optique.
Claims (13)
1 - Dispositif optoélectronique présentant un taux de couplage prédéterminé, caractérisé en ce qu'il comporte: - un substrat (101, 121) sur lequel est reporté au moins un composant optoélectronique (102, 122), - au moins un trou calibré (110, 130) traversant le substrat, chaque trou calibré étant en regard d'un composant électronique et étant destiné au guidage d'une fibre optique (107, 127) en direction dudit composant optoélectronique et - au moins une fibre optique fixée dans un porte fibre (106, 126), et dépassant dudit porte fibre d'une longueur prédéterminée (L), la partie dépassante étant insérée dans un dit trou, en regard d'un composant optoélectronique, de telle manière que, lorsque ledit porte fibre est en butée sur la surface du substrat opposée à la surface de montage du composant optoélectronique, l'écart (e) entre la surface active du composant optoélectronique et l'extrémité de la fibre optique corresponde au taux de couplage prédéterminé.
2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un composant optoélectronique (102, 122) est de type laser émettant en surface ou VCSEL, c'est-à-dire Vertical Cavity Surface Emitting Laser ou laser à surface émettrice en cavité verticale.
3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte, sur ledit substrat, pour au moins un composant optoélectronique (102), son circuit de commande ou pilote (103) et des pistes électriques reliées d'une part au circuit de commande et, d'autre part, au composant optoélectronique et permettant la propagation d'un signal hyperfréquences entre ledit circuit de commande du pilote et ledit laser.
4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins un composant optoélectronique (102, 122) est une photodiode de type PIN ou Avalanche.
5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte, sur le même substrat (121) : - une pluralité de composants optoélectroniques (122), - une pluralité de trous calibrés (130) traversant le substrat, chaque trou calibré étant en regard d'un composant optoélectronique et étant destiné au guidage d'une fibre optique (127) en direction dudit composant optoélectronique et - une pluralité de fibres optiques fixées dans un porte fibre (126), chaque fibre dépassant dudit porte fibre d'une longueur prédéterminée, cette partie dépassante étant insérée dans un dit trou en regard du composant optoélectronique associé, de telle manière que, lorsque ledit porte fibre est en butée sur la surface du substrat opposée à la surface de montage des composants optoélectroniques, l'écart entre la surface active de chaque composant optoélectronique et l'extrémité de la fibre optique associée corresponde au taux de couplage prédéterminé.
6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits trous (130) sont disposés sur des lignes comportant, chacune, au moins trois trous.
7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins un trou (110, 130) présente une forme dont le diamètre du cercle inscrit est supérieur au diamètre d'une fibre optique (107, 127) et dont le cercle inscrit présente, avec ladite forme, trois points de contact formant un triangle sensiblement équilatéral.
8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le porte- fibre (106, 126) est constitué de plusieurs pièces fixées entre elles, la partie en contact avec la fibre optique étant un capillaire (108) muni d'un trou dont le diamètre est voisin du diamètre extérieur de la fibre optique.
9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'extrémité d'au moins une fibre optique (107, 127) est clivée.
10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le clivage présente un angle par rapport au plan perpendiculaire à la fibre.
11 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'extrémité (112, 132) de la fibre optique (107, 127) est lentillée ou à coeur étendu.
12 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'écart (e) entre la surface active du composant optoélectronique (102, 122) et l'extrémité de la fibre optique (107, 127) est rempli d'un matériau transparent (150) dont l'indice optique est proche de celui de la fibre optique.
13 - Procédé de fabrication d'un dispositif tel que succinctement exposé ci-dessus présentant un taux de couplage prédéterminé, caractérisé en ce qu'il comporte: - une étape de report (205), sur un substrat (101, 121), d'au moins un composant optoélectronique (102, 122), - une étape de réalisation (210) d'au moins un trou calibré (110, 130) traversant ledit substrat, chaque trou calibré étant en regard d'un composant optoélectronique et étant destiné au guidage d'une fibre optique (107, 127) en direction dudit composant optoélectronique et - une étape d'insertion (230), dans au moins un trou, d'une partie dépassante de longueur prédéterminée (L) d'une fibre optique fixée dans un porte fibre (106, 126) et de fixation (235) de ladite fibre optique audit substrat en regard d'un composant optoélectronique, lorsque ledit porte fibre est en butée sur la surface du substrat opposée à la surface de montage du composant optoélectronique, l'écart (e) entre la surface active du composant optoélectronique et l'extrémité (112, 132) de la fibre optique correspondant au taux de couplage prédéterminé.
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|---|---|---|---|---|
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4830450A (en) * | 1985-09-09 | 1989-05-16 | British Telecommunications Public Limited Company | Optical fibre termination |
| US5065011A (en) * | 1989-07-20 | 1991-11-12 | Fujitsu Limited | Photodetector module for coupling with optical fiber |
| US5247597A (en) * | 1992-03-25 | 1993-09-21 | International Business Machines Corporation | Optical fiber alignment |
| US5631987A (en) * | 1995-06-07 | 1997-05-20 | Reliaspeed, Inc. | Low cost, mode-field matched, high performance laser transmitter optical subassembly |
| US20020159719A1 (en) * | 2001-04-13 | 2002-10-31 | Seiko Epson Corporation | Optical-fiber supporting member and optical transmission device using the same |
| WO2002093696A2 (fr) * | 2001-05-15 | 2002-11-21 | Peregrine Semiconductor Corporation | Boitier optoelectronique de petite echelle |
-
2004
- 2004-10-05 FR FR0410464A patent/FR2876191B1/fr not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4830450A (en) * | 1985-09-09 | 1989-05-16 | British Telecommunications Public Limited Company | Optical fibre termination |
| US5065011A (en) * | 1989-07-20 | 1991-11-12 | Fujitsu Limited | Photodetector module for coupling with optical fiber |
| US5247597A (en) * | 1992-03-25 | 1993-09-21 | International Business Machines Corporation | Optical fiber alignment |
| US5631987A (en) * | 1995-06-07 | 1997-05-20 | Reliaspeed, Inc. | Low cost, mode-field matched, high performance laser transmitter optical subassembly |
| US20020159719A1 (en) * | 2001-04-13 | 2002-10-31 | Seiko Epson Corporation | Optical-fiber supporting member and optical transmission device using the same |
| WO2002093696A2 (fr) * | 2001-05-15 | 2002-11-21 | Peregrine Semiconductor Corporation | Boitier optoelectronique de petite echelle |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2906644A1 (fr) * | 2006-09-29 | 2008-04-04 | Intexys Sa Sa | Procede et dispositif de connexion de circuits electroniques et/ou optoelectroniques. |
| CN115657229A (zh) * | 2022-12-29 | 2023-01-31 | 苏州熹联光芯微电子科技有限公司 | 一种光模块及共封装光学系统 |
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