FR2886744A1 - Couplage optique - Google Patents

Abstract

Afin d'obtenir un positionnement précis d'une fibre optique (12) face à un composé, en particulier optoélectronique et notamment un VCSEL, la fibre est insérée dans un trou (14) puis inclinée par rapport à l'axe du trou afin qu'elle soit bloquée par la tangence à la paroi du trou (14), de préférence en au moins deux points, et par exemple sur une longueur non nulle.Avantageusement, la fibre (12) est associée à un support (24) et l'angle d'inclinaison (theta) tout comme la longueur de la partie (26) de la fibre insérée dans le trou (14) sont contrôlés.

Description

2886744 1

COUPLAGE OPTIQUE

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

L'invention concerne la connexion orientée d'éléments longitudinaux en microtechnologie. En de fibres optiques avec un L'invention a positionnement précis de altération lors de leur insertion, dans un trou normal à l'orientation d'un microsystème. L'invention s'applique notamment pour l'ajustement de fibres optiques dans des puits perpendiculaires au plan défini par le composé, par exemple pour des photodiodes ou des lasers à émission par la surface et à cavité verticale.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le couplage d'une fibre optique et d'un émetteur de faisceau laser nécessite un alignement précis de la fibre, en général avec un jeu inférieur à 10}gym (et moins pour les fibres monomodes). Une technique communément utilisée pour le couplage d'une fibre optique et d'un émetteur laser est ainsi un alignement actif, avec mise sous tension de l'émetteur laser. Le coût est cependant élevé ; c'est pourquoi des techniques d'alignement passif ont été étudiées, par calage mécanique sans flux lumineux. Par exemple, pour un couplage dans le plan du composé, une rainure est particulier, l'invention se rapporte au couplage passif composant optoélectronique. pour objet de faciliter le composants linéaires, sans creusée lors de la formation des couches, et la fibre optique y est placée.

Cette technique est cependant inadaptée pour les composants qui ont la particularité de présenter un axe optique perpendiculaire à leur structure en couches, comme une photodiode ou un laser à émission par la surface et à cavité verticale (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser ).

Par exemple et tel qu'illustré en figure 1, les VCSEL 1 sont des lasers semi-conducteurs qui utilisent un matériau 2 semi-conducteur à puits quantiques multiples comme milieu actif; l'épaisseur du milieu 2 est très faible, car il ne contient que quelques puits quantiques. Ce milieu actif 2 est encadré par deux miroirs 4, 6 réalisés par des couches minces successives de semi-conducteurs, ou miroirs de Bragg, d'indices R >_ 99 % ; l'épaisseur totale du milieu actif 2 et des miroirs 4, 6 peut être de l'ordre de 2 pm. Le faisceau laser (flèche) est issu de la surface de la puce laser 1, et l'axe de la cavité laser est perpendiculaire à la structure en couches 2, 4, 6, d'où la dénomination de lasers à cavité verticale .

Ces composants 1 sont généralement montés sur un support 8, parfois appelé plateforme, en silicium ou céramique par exemple, comprenant typiquement un réseau d'interconnections électriques, comme un circuit imprimé. L'une des techniques de connexion entre VCSEL 1 et plateforme 8 est par exemple une hybridation par brasage avec billes d'alliages fusibles permettant d'obtenir un auto alignement, qui utilise les forces de tension superficielle exercées par une goutte de soudure en fusion sur la pièce à souder. Cette technique de report consiste à déposer dans un premier temps des surfaces métallisées positionnées avec précision par photolithographie sur les deux structures; des billes d'une soudure fusible (eutectique Au/Sn, Indium, etc.) sont alors déposées sur les zones métallisées du composant à reporter. Après un alignement préalable, la zone liquide mouille les deux motifs métalliques et tend à minimiser sa surface lors de la fusion des billes, ce qui entraîne un auto alignement du composant sur le support par superposition des motifs métalliques. La précision obtenue peut être submicronique selon le nombre et la taille des billes, les zones métalliques de mouillage pouvant être définies grâce à l'utilisation des techniques de dépôt/gravure issues de la microélectronique.

De plus, il est usuel que le VCSEL 1 soit protégé par un couvercle 10, parallèle au support 8, et par exemple hybridé sur lui.

Un VCSEL induit ainsi une émission laser (flèche) perpendiculaire au plan défini par le support 8 et le couvercle 10, contrairement au cas d'un émetteur laser de type EEL ( Edge Emitting Laser ).

L'émission peut être dirigée vers la plateforme d'hybridation 8 ou en direction opposée.

Que le faisceau laser soit émis vers le support 8 ou le couvercle 10 se pose le problème de sa gestion: en particulier, le faisceau laser est généralement dirigé dans une fibre optique 12, pour les applications dans les réseaux optiques de télécommunication. La solution consiste généralement à percer le support 8 (ou le couvercle 10) afin d'approcher une fibre optique 12 vers le VCSEL 1 par le trou 14.

Le document US 2003/0098511 propose ainsi une architecture où une fibre est insérée dans un trou de diamètre légèrement plus grand qu'elle. Dans le cas de l'hybridation avec centrage sur un trou d'une plateforme, il est possible de réaliser simultanément un alignement optique, un contact électrique et un contact thermique entre le composant et son support, tel que décrit dans le document FR 2 807 168. Le jeu nécessaire à l'insertion de la fibre introduit cependant une certaine erreur aléatoire de la position de la fibre dans le trou, ce qui dégrade le taux de couplage entre le composant et la fibre.

Le document US 4 826 272 présente l'assemblage d'une fibre perpendiculaire à un composant optoélectronique dans lequel l'extrémité de la fibre est en butée dans un trou pyramidal débouchant à section carrée. Si cette technique permet passivement de centrer la fibre et de déterminer la distance entre son extrémité et le composant, la butée rigide dans l'axe de la fibre rend délicate la mise en place de la fibre, qui pourrait se briser à son extrémité.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'un des objets de l'invention est de proposer une technique précise de positionnement radial d'une fibre optique à travers une plaque percée permettant de pallier les inconvénients des techniques existantes.

L'invention a pour but de supprimer un jeu radial dans le positionnement d'un composé linéaire, par exemple une fibre optique, et toute butée sur l'extrémité du composant.

Sous un de ses aspects, l'invention se rapporte ainsi à un procédé d'insertion d'une fibre optique dans une plaque par un trou plus grand qu'elle.

La fibre est ensuite inclinée par rapport à l'axe du trou de sorte qu'elle vient en butée périphérique avec la surface intérieure du trou, qui est de conformation appropriée. La fibre se trouve alors bloquée par le point de tangence au moins, ou de préférence au moins deux points de tangence dans un même plan perpendiculaire à l'axe de la fibre, si possible la tangence s'étendant sur une longueur non nulle. Il est ainsi possible de déterminer avec précision son positionnement par rapport à la plaque.

La plaque est de préférence positionnée de sorte que le trou d'insertion soit localisé en face d'un composant optoélectronique, en particulier un VCSEL.

L'inclinaison de la fibre par rapport à l'axe du trou est avantageusement déterminée grâce à un dispositif de support de la fibre qui se positionne au contact de la plaque et assure ainsi la différence requise entre les axes.

L'invention concerne sous un autre aspect 30 un dispositif adapté pour un tel procédé. Une plaque du dispositif comprend ainsi un trou traversant, avantageusement sous forme de cylindre. De préférence, sur l'une des faces de la plaque au moins, le trou est de forme non circulaire telle qu'un cercle de diamètre inférieur, par exemple de 10 au diamètre du cercle inscrit dans le trou puisse être tangent au contour du trou en au moins deux points. En particulier, le trou peut être triangulaire, parallélépipédique, ellipsoïde, avantageusement régulier.

La plaque du dispositif selon l'invention est avantageusement associée à un composé optoélectronique faisant face au trou et/ou à une deuxième plaque qui lui est parallèle de façon à former une cavité dans laquelle le trou débouche. Un élément longitudinal, par exemple une fibre optique, peut être inséré dans le trou, et les dimensions peuvent être choisies de sorte que, selon l'inclinaison entre les axes de l'élément longitudinal et du trou, l'élément longitudinal soit isolé des parois du trou ou tangent, de préférence en au moins deux points, aux parois. La fibre peut être maintenue et protégée dans un support comprenant un plan d'extrémité dont une partie de la fibre fait saillie afin de pouvoir être insérée dans le trou, le plan d'extrémité du support pouvant être accolé à la plaque du dispositif.

De préférence, l'angle de l'axe du trou par rapport aux faces de la plaque et/ou l'angle du plan du support de la fibre par rapport à son axe et/ou le parallélisme entre les deux faces de la plaque trouée sont déterminés de façon à ce que l'inclinaison de la fibre puisse être reproductible sans effort.

7 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre et en référence aux dessins annexés, donnés à titre illustratif et nullement limitatifs.

La figure 1, déjà décrite, montre un VCSEL.

Les figures 2A, 2B, 2C montrent des exemples préférés de trous de passage de la fibre.

Les figures 3A et 3B montrent une insertion de la fibre selon des modes préférés de l'invention.

Les figures 4A, 4B, 4C illustrent des exemples de réalisation de l'invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Bien que susceptible d'autres applications, le système selon l'invention sera décrit pour le couplage de fibres optiques sur un composant optoélectronique, qui peut être un photo détecteur ou un photoémetteur; pour simplifier, l'exemple du VCSEL sera développé, avec émission vers une plaque 10, qui dans le cas décrit est le couvercle, mais peut tout aussi bien être la plateforme sur laquelle le VCSEL est hybridé.

Le VCSEL comporte, tel qu'illustré en figure 1, une plaque 10 par laquelle passe le rayonnement laser émis. La plaque 10 est ainsi percée d'un trou débouchant 14 permettant le passage d'une fibre optique 12 transmettant le rayonnement laser à tout dispositif 1 le récupérant et l'utilisant.

Une fibre optique 12 est un cylindre flexible s'étendant le long d'un axe. Généralement, la section radiale d'une fibre optique 12 est un cercle de diamètre constant d; des écarts par rapport à ce standard peuvent cependant être admis: en particulier, l'invention s'applique tout autant pour un composant linéaire ou un élément longitudinal de section elliptique inscrite dans un cercle circonscrit de diamètre d.

Le trou 14 peut être réalisé selon toute technique, par exemple par gravure plasma profonde ( Deep Reactive Ion Etching ). Selon l'invention, le trou 14 débouchant de la plaque 10 est plus large que la fibre 12, c'est-à-dire que le cercle inscrit 16 dans le trou 14 est de diamètre D supérieur à d: ainsi, il est possible d'insérer la fibre 12 dans le trou 14 sans l'altérer.

Cependant, selon l'invention, la forme du trou 14 est telle que la fibre optique 12 peut se positionner en butée sur la surface du trou 14, lors d'une inclinaison de l'axe de la fibre optique 12 par rapport à l'axe du trou 14, c'est-à-dire lorsque, dans un plan de coupe au moins, la fibre 12 vient se placer contre le contour du trou. Ainsi la forme du trou 14 et le mode d'insertion de la fibre 12 permettent de garantir avec précision le positionnement de la fibre 12 dans le trou 14.

En particulier, il est préférable que le cercle circonscrit à la section de la fibre 12 soit tel qu'il puisse être tangent en au moins deux points 18 à la surface, ou au contour, du trou 14, alors que son diamètre d est inférieur au diamètre D du cercle inscrit 16 dans le trou 14. Ces points de tangence 18 servent ainsi de butées latérales à la fibre 12 dans cette orientation.

Différentes formes de trou sont adaptées. Notamment, tel qu'illustré sur les figures 2, les contours de trou de forme triangulaire, avantageusement un triangle régulier 14A et notamment équilatéral (figure 2A), en forme de losange 14B (figure 2B) ou plus généralement de polygone, sont adaptés et relativement simples à dimensionner: il suffit usuellement que le diamètre D du cercle inscrit 16 dans ces profils 14A, 14B soit légèrement supérieur à celui d de la fibre 12 pour que la fonction soit remplie.

Une autre option est une forme ovoïde, ou elliptique, du trou (figure 2C). Dans ce cas, pour obtenir deux points de tangence 16 au moins, il importe que le cercle inscrit 16 dans le trou 14C ne soit pas trop grand par rapport à la fibre 12. Habituellement, on prend un diamètre D de cercle inscrit 16 équivalent à 10/9 du diamètre d de la fibre 12.

Avantageusement, le trou 14 est cylindrique le long de son axe, c'est-àdire que les parois du trou 14 sont parallèles à l'axe sur toute l'épaisseur e de la plaque 10, et que la forme du trou 14 sur chaque face de la plaque 10 est identique. Il peut cependant y avoir des écarts par rapport à ce mode de réalisation, avec par exemple un trou évasé depuis la face de sortie 20.

La fibre 12 est insérée dans le trou 14, son axe étant approximativement parallèle à celui du trou 14: grâce à la différence de dimensions, l'insertion peut être rapide, fiable, sans altération de la fibre 12. Ensuite, la fibre 12 est inclinée par rapport à l'axe du trou afin de se plaquer en butée sur sa surface, au moins à la face 20 de sortie: figure 3A. Ainsi, la position de la fibre 12 est déterminée, sans action du jeu ô occasionné par la différence de diamètres D - d.

Le contact entre fibre 12 et trou 14 peut être réalisé, tel qu'illustré sur la figure 3A, en un plan, proche de la face de sortie 20. Cependant, la fibre 12 est flexible: selon le jeu possible ô = D - d et l'épaisseur e de la plaque 10, la partie d'extrémité 22 de la fibre 12 peut légèrement se courber et rester plaquée dans la rainure formée par les points de tangence 18: figure 3B. Cette configuration est particulièrement intéressante car elle permet de prédéfinir la courbure appliquée à la fibre 12 dans le trou 14 et contrôler plus aisément la localisation de la fibre 12 par rapport à la surface du trou 14.

En effet, avec 0 l'inclinaison de la fibre 12, lorsque la fibre 12 est calée sur les parois du trou 14 à l'extrémité 20 de la plaque 10 sur une longueur non nulle, on a: eÉtan 0 > ô. Par exemple, pour une plaque 10 d'épaisseur e = 400}gym et un jeu ô de 4}gym, il y a contact pour une inclinaison 0 au moins supérieure à 00 = 10 mrad, soit 0,57 .

Pour une configuration dans laquelle l'angle d'inclinaison 00 est dépassé, il est possible de déterminer le rayon de courbure R de la fibre, et donc les pertes induites: R e/tan 0, et avec p pertes linéiques (dB/m) Pour la traversée d'une plaque d'épaisseur e = 400}gym d'une fibre 12 de diamètre de coeur a), = 50}gym et d'indice de coeur n, = 1,5 pour une ouverture numérique ON = 0,2, avec un rayon de courbure R = 20 mm, soit une inclinaison de 0 = 20 mrad, on obtient des pertes p = -0,658 dB/m, soit de -0,26 mdB.

Une fibre optique 12 est généralement montée dans un support mécanique 24 qui l'entoure de façon fixe à l'exception d'une partie distale 26 de longueur 1. En particulier, il est possible d'assembler directement une face 28 du support mécanique 24 sur la face d'entrée 30 de la plaque 10, la partie de fibre 26 faisant saillie du support 24 seule étant insérée dans le trou 12. Comme la longueur 1 de fibre optique dépassant du support 24, c'est-à-dire la longueur entre la face d'entrée 30 (donc la face de sortie 20) et l'extrémité 32 de la fibre, peut être préalablement ajustée précisément, par exemple avec une précision de l'ordre de 10}gym avec un système de clivage au laser, la distance entre l'extrémité de la fibre 32 et le composant hybridé 1 situé en regard peut être précise. i n 2

cl) 1- R É ON2 pour une fibre multi mode d'ouverture numérique ON, dont le coeur a un diamètre c <_ d et un indice de réfraction nom.

Il est ainsi préférable de maximiser le rayon de courbure R, afin de minimiser les pertes p induites dans la fibre optique 12, tout en maintenant 0 > 00 pour garder un positionnement stable.

p=10Élog De plus, dans cette configuration, il est possible de faciliter la détermination de l'angle d'inclinaison 6 de la fibre 12 dans le trou 14.

Par exemple, il est possible d'usiner la face 28 du support de fibre 24 qui vient au contact de la face d'entrée 30 de la plaque 10, par exemple par usinage mécanique, selon l'angle 6 désiré : voir figure 4A. Inversement, par exemple par amincissement mécano chimique, il est possible d'usiner la plaque 10 de sorte que ses deux faces 20, 30 ne soient pas parallèles: voir figure 4B. Il est également possible de former le trou 14 dans la plaque 10 de biais , c'est-à-dire avec un axe incliné par rapport à la normale aux surfaces 20, 30 (figure 4C) ; dans ce cas, il est particulièrement intéressant que l'inclinaison de l'axe du trou 14 soit telle que le blocage de la fibre 12 soit obtenu alors que l'axe de la fibre 12 en sortie du trou 14 soit perpendiculaire à la surface 20.

L'invention permet ainsi un positionnement passif précis de l'extrémité 32 de la fibre 12 par rapport au trou 14, et donc à un dispositif 1 qui serait placé à distance connue de la face 20 de sortie du trou, et ce en l'absence de butée rigide à l'extrémité 32 de la fibre qui serait susceptible de la détériorer lors de l'assemblage. L'invention peut en outre être utilisée pour une nappe de fibres, dont la mise en place peut être identique et précisément reproduite.

L'invention trouve une application particulière dans le domaine des télécommunications, pour les composants situés aux interfaces optique/électrique du réseau comme les transceivers , c'est-à-dire des émetteurs/récepteurs effectuant la conversion des signaux optiques en signaux électriques, et inversement; le composant peut cependant également être un composant optique passif comme une lentille. L'invention est notamment applicable aux composants optoélectroniques que l'on veut assembler à des liens optiques à fort débit, par exemple des câbles optiques munis de connecteurs, et à la connexion parallèle d'une pluralité de fibres.

Claims (18)

REVENDICATIONS

1. Dispositif microélectronique comprenant une plaque (10) avec deux faces opposées (20, 30), un trou (14) traversant la plaque entre les deux faces et s'étendant le long d'un axe, et un élément longitudinal (12) s'étendant le long d'un deuxième axe, s'insérant au moins partiellement dans le trou (14) au niveau d'une de ses extrémités de façon telle que les deux axes de l'élément longitudinal (12) et du trou (14) sont inclinés d'un angle (6) non nul sur une partie au moins du trou (14), et que l'élément longitudinal (12) est tangent au contour du trou (14) au moins au niveau d'une face (20), de sorte que l'élément longitudinal (12) peut être bloqué.

2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la forme du trou (14) est telle qu'un élément longitudinal (12) de section circulaire soit tangent en au moins deux points (16) au contour du trou (14).

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2 dans lequel le trou (14) est un cylindre s'étendant le long de son axe.

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel la forme du trou est un polygone, en particulier un triangle régulier (14A) ou un losange (14B).

5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel la forme du trou est une ellipse (14C).

6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel les deux faces (20, 30) de la plaque sont parallèles, et l'axe du trou (14) est incliné par rapport à la normale aux faces.

7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel l'axe du trou (14) est perpendiculaire à l'une des faces (20) de la plaque (10).

8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel l'axe de l'élément longitudinal (12) à son extrémité (32) insérée dans le trou (14) est perpendiculaire à la face (20) au niveau de laquelle il est tangent.

9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel l'élément longitudinal (12) est tangent au contour du trou (14) sur un segment (22) de longueur non nulle.

10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 comprenant une deuxième plaque parallèle à l'une des faces (20) et une cavité formée entre les deux plaques.

11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10 comprenant un composant optique (1), en particulier un laser par émission de surface et à cavité verticale, face au trou (14).

12. Dispositif selon l'une des

revendications 1 à 11 dans lequel l'élément

longitudinal comprend une fibre optique (12).

13. Dispositif selon la revendication 12 dans lequel la fibre optique (12) est associée à un support (24) duquel elle fait saillie (26), le support (24) comprenant une surface (28) qui peut être en contact avec l'une des faces (30) de la plaque (10) de façon à provoquer l'inclinaison (6) entre les axes de l'élément longitudinal (12) et du trou (14).

14. Procédé de couplage d'une fibre optique (12) comprenant: - la mise en place d'une plaque (10) comprenant un trou (14) traversant selon un axe, de taille telle que la fibre optique (12) peut être insérée dans le trou (14) ; - l'insertion de la fibre optique (12) 25 dans le trou (14) ; l'inclinaison de la fibre optique (12) par rapport à l'axe du trou de sorte que la fibre optique (12) soit tangente à la surface du trou (14) au moins au niveau de son extrémité (32) afin que la fibre (12) soit bloquée.

15. Procédé selon la revendication 14 dans lequel, après l'inclinaison, l'extrémité (32) de la fibre optique est tangente en au moins deux points (18) au contour du trou (14).

16. Procédé selon l'une des revendications 14 ou 15 dans lequel, après l'inclinaison, la fibre optique (12) est tangente au contour du trou (14) sur une partie d'extrémité (22) s'étendant d'une longueur non nulle le long de son axe.

17. Procédé selon l'une des revendications 14 à 16 dans lequel le trou (14) de la plaque (10) est mis en place face à un composé optoélectronique (1).

18. Procédé selon l'une des revendications 14 à 17 dans lequel la fibre optique (12) est associée à un support (24) dont elle fait saillie par une face distale (28), et dans lequel l'inclinaison de la fibre optique (12) est obtenue lorsque la face distale (28) du support (24) arrive en contact de la plaque (10).