FR2894395A1 - Systeme d'emission de lumiere, comportant un photodetecteur de controle integre, et procede de fabrication de ce systeme - Google Patents

Abstract

Système d'émission de lumière, comportant un photodétecteur de contrôle intégré, et procédé de fabrication de ce système.Ce système s'applique notamment aux liaisons optiques et comprend un composant électronique émetteur de lumière (2), un guide de lumière (4) qui reçoit la lumière émise par le composant, ce guide comportant une face d'entrée de lumière (8) disposée en regard du composant et réfléchissant une partie de la lumière qu'elle reçoit, et un photodétecteur (14) intégré au composant et détectant une partie de la lumière émise par ce composant, ce photodétecteur étant placé à proximité du composant et apte à recevoir une partie de la lumière réfléchie par la face d'entrée de lumière.

Description

SYSTEME D'EMISSION DE LUMIERE, COMPORTANT UN PHOTODETECTEUR DE CONTROLE

INTEGRE, ET PROCEDE DE FABRICATION DE CE SYSTEME DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine de l'opto-électronique et plus spécifiquement la fabrication d'un émetteur de lumière et de moyens de contrôle de la puissance lumineuse fournie par cet émetteur. Plus précisément, l'invention concerne un système d'émission de lumière comprenant un composant électronique émetteur de lumière (en anglais, light-emitting electronic component), pourvu d'un photo- détecteur de contrôle intégré, ainsi qu'un procédé de fabrication de ce système.

L'invention s'applique plus particulièrement aux composants de type VCSEL, c'est-à-dire les lasers à émission par la surface à cavité verticale (en anglais, vertical cavity surface emitting lasers), et aux diodes électroluminescentes à cavité résonante (en anglais, resonant cavity light-emitting diodes). Elle trouve des applications notamment dans tous les systèmes qui utilisent des liens optiques et, plus généralement, dans tous les systèmes qui comportent des émetteurs de lumière et nécessitent de commander la puissance lumineuse de ces émetteurs, ces derniers étant, par exemple, des VCSEL ou des RCLED.

Rappelons qu'une RCLED est une structure qui est quasiment identique à un VCSEL mais dont les miroirs ont une réflectivité plus faible. L'invention s'applique, par exemple, aux liaisons optiques à grande vitesse, aux liaisons optiques intra-puces (en anglais, intra- chips optical connections), aux liaisons optiques intra-cartes et aux liaisons optiques en espace libre. Toutes ces liaisons ont besoin d'une puissance lumineuse parfaitement stabilisée, commandée automatiquement par un système de type APC (pour Automatic Power Control ). En outre, l'émission-réception à partir d'une puce CMOS (hybridation) est une application qui est parfaitement adaptée à l'invention (en prévoyant, par exemple, un bus optique). ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le niveau de compacité des composants opta-20 électroniques doit répondre à la miniaturisation croissante des modules d'émission-réception. De plus, on demande à ces modules d'être de plus en plus performants tout en étant de moins en moins coûteux. En conséquence, on recherche en permanence des techniques permettant d'augmenter la densité d'intégration des composants sur les puces (en anglais, chips). A ce sujet, on se reportera aux documents 25 30 suivants . [1] Vertical-Cavity Lasers with an Intracavity Resonant Detector, Sui F. Lim et al., IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, vol. 3, n 2, 1997, pages 416 à 421 [2] Power Control of VCSEL Arrays Using Monolithically Integrated Focal Plane Detectors, Mohammad Azadeh et al., Journal of Lightwave Technology, vol. 20, n 8, 2002, pages 1478 à 1484 [3] Demande Internationale WO 03/000019, publiée le 3 janvier 2003, Integrated photodetector for VCSEL feedback control. Dans un système classique d'émission de lumière, deux composants distincts sont généralement 15 implantés : - le composant d'émission, par exemple un laser ruban (en anglais, stripe laser) ou un VCSEL, et - un composant de détection permettant de commander la puissance lumineuse émise, à partir du 20 prélèvement d'une fraction de celle-ci, comme cela se fait dans les systèmes de type APC. Dans le cas d'un laser de type Fabry-Pérot, il est facile d'utiliser une photodiode pour le prélèvement. En effet, les deux faces du laser étant 25 accessibles et de la lumière étant émise même par la face opposée à la face d'émission proprement dite, il est aisé de disposer une photodiode en regard de cette face opposée. Par contre, dans le cas d'un VCSEL, les 30 moyens associés à ce dernier pour le prélèvement d'une partie de la puissance lumineuse sont généralement externes : on place des composants de photodétection à proximité du VCSEL (voir par exemple le document [3]). En effet, les deux miroirs de très haute réflectivité du VCSEL ne sont pas nécessairement accessibles et la fuite latérale de lumière est extrêmement faible. Toutefois, on a déjà proposé de fabriquer une structure monolithique comprenant un VCSEL et une cavité résonante supplémentaire pour la détection, cette cavité étant intégrée à l'empilement de couches du VCSEL. Il convient toutefois de noter que l'intégration d'une telle cavité augmente le temps de production (du fait des étapes d'épitaxie supplémentaires) et fait baisser le rendement de fabrication. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents.

Elle propose d'intégrer le photodétecteur de contrôle, de préférence une photodiode, le plus près possible de la puce (en anglais, chip) du VCSEL ou de la RCLED, plus généralement du composant électronique émetteur de lumière, et d'exploiter la partie externe, 25 ou partie périphérique, du faisceau lumineux émis par ce composant. Notamment dans le cas d'un VCSEL, cette partie est la moins utile du faisceau. Or, dans de nombreux cas, la lumière émise par le VCSEL est injectée dans un guide de lumière, 30 généralement une fibre optique.

Dans la présente invention, on propose alors de mesurer la lumière injectée dans cette fibre optique pour contrôler cette lumière. Et, pour ce faire, on propose d'utiliser la lumière qui est réfléchie à la surface de la fibre et qui est donc redirigée vers le VCSEL. De façon précise, la présente invention a pour objet un système d'émission de lumière comprenant : un composant électronique émetteur de lumière, - un guide de lumière qui est prévu pour recevoir la lumière émise par le composant, ce guide de lumière comportant une face d'entrée de lumière qui est disposée en regard du composant et qui réfléchit une partie de la lumière qu'elle reçoit, et un photodétecteur qui est intégré au composant et prévu pour détecter une partie de la lumière émise par ce composant, ce photodétecteur étant placé à proximité du composant et apte à recevoir une partie de la lumière qui est réfléchie par la face d'entrée de lumière. De préférence, le photodétecteur est une photodiode annulaire qui entoure le composant.

Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le composant est un laser à émission par la surface, à cavité verticale, ce laser comprenant des premier et deuxième miroirs qui délimitent la cavité, le premier miroir reposant sur un substrat et le deuxième miroir étant placé en regard de la face d'entrée de lumière.

De préférence, le système objet de l'invention comprend en outre un support auquel est fixé le guide de lumière et ce support est fixé à l'ensemble formé par le composant et le photodétecteur de façon que la face d'entrée de lumière soit placée en regard du composant. La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication du système d'émission de lumière objet de l'invention, dans lequel on forme le composant et le photodétecteur sur un substrat, le composant ayant des première et deuxième faces, reposant sur le substrat par sa première face et émettant la lumière par sa deuxième face, et on dispose le guide de lumière au substrat de façon que la face d'entrée de lumière soit en regard de la deuxième face du composant. Selon un mode de réalisation particulier du procédé objet de l'invention, - le composant est un laser à émission par la surface, à cavité verticale, et le photodétecteur est une photodiode à cavité, ce laser et la photodiode comprenant chacun des premier et deuxième miroirs, qui délimitent la cavité correspondante, et une couche 25 active placée dans cette cavité , - on forme, sur le substrat, un empilement de couches, permettant la formation des premier et deuxième miroirs, de la cavité et de la couche active du laser et de la photodiode, le premier miroir de 30 chacun de ceux-ci étant alors en contact avec le substrat, et 15 20 - on forme le laser et la photodiode à partir de l'empilement. Selon un mode de réalisation préféré de ce procédé, on diminue en outre la réflectivité du deuxième miroir de la photodiode. De préférence, les premier et deuxième miroirs du laser et de la photodiode sont des miroirs de Bragg et l'on grave le deuxième miroir de la photodiode pour en diminuer la réflectivité.

De préférence, on fixe le guide de lumière à un support et l'on fixe ce support au substrat de façon que la face d'entrée de lumière soit en regard de la deuxième face du composant. Le support est de préférence fixé au substrat par l'intermédiaire de billes de brasure (en anglais, solder balls), par la technique de la puce retournée (en anglais, flip-chip technique), avec laquelle le procédé de fabrication, objet de l'invention, est avantageusement compatible.

La présente invention presente aussi d'autres avantages . - elle permet de fabriquer simultanément le composant émetteur de lumière et le photodétecteur, au lieu de fabriquer ce photodétecteur indépendamment du composant et de l'intégrer à ce dernier puisque l'invention permet, notamment dans le cas d'un VCSEL, d'utiliser la couche active qui engendre la lumière fournie par le VCSEL en tant que couche de détection de lumière, - elle permet d'utiliser des barrettes ou des matrices de composants électroniques émetteurs de lumière, notamment des VCSEL, en intégrant éventuellement des fonctions de contrôle intelligentes formant des pixels, à proximité immédiate des ensembles VCSEL-détecteur sur un circuit de commande, par hybridation de ces ensembles sur un circuit de commande qui est par exemple de type CMOS, - elle permet de diminuer sensiblement les coûts de fabrication de VCSEL dont l'émission lumineuse est contrôlée par un système de type APC, et - elle autorise la fabrication de composants matriciels ayant un faible pas (en anglais, pitch), avec un contrôle individuel de la puissance émise par chaque VCSEL.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un exemple du système d'émission de lumière, objet de l'invention, et - les figures 2 à 5 illustrent 25 schématiquement des étapes d'un procédé de fabrication de ce dispositif.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 est une vue en coupe schématique d'un exemple du système d'émission de lumière, objet de l'invention. Le système de la figure 1 comprend un composant électronique émetteur de lumière 2 et un guide de lumière 4 qui est prévu pour recevoir la lumière 6 émise par le composant. Ce guide de lumière comporte une face d'entrée de lumière 8 qui est 10 disposée en regard du composant ou, plus précisément, de la face 10 de ce composant (face avant), par laquelle la lumière 6 est émise (l'autre face du composant, ou face arrière, ayant la référence 11 sur la figure 1). La face d'entrée 8 réfléchit une partie 15 12 de la lumière qu'elle reçoit du composant. Le système comprend aussi un photodétecteur de contrôle 14 qui est intégré au composant 2 et prévu pour détecter une partie de la lumière émise par ce composant. Ce photodétecteur 14 est placé à proximité 20 du composant 2 et apte à recevoir une partie de la lumière 12 qui est réfléchie par la face d'entrée de lumière 8. Dans l'exemple, le composant est un VCSEL, le guide de lumière 4 est une fibre optique et le 25 photodétecteur 14 est une photodiode à cavité ; en outre, cette photodiode 14 entoure le VCSEL 2 et l'exemple formé par ce VCSEL et la photodiode présente une symétrie de révolution autour d'un axe X. Cet axe X constitue également l'axe de la 30 fibre optique 4 dont on voit le coeur (en anglais, core) 16 et la gaine optique (en anglais, optical cladding)5 . Le VCSEL et la photodiode annulaire à cavité sont formés sur un substrat 20 qui est par exemple en GaAs. Sur ce substrat 20, le VCSEL 2 et la photodiode 14 sont formés par épitaxie, à partir d'un même empilement de couches appropriées. On voit le miroir inférieur 22 du VCSEL, qui repose sur le substrat 20, le miroir supérieur 24 du VCSEL, qui est disposé en regard de la face d'entrée de lumière 8, et la cavité 26 du VCSEL, qui est délimitée par les miroirs 22 et 24. On voit de même la cavité 28 de la photodiode, délimitée par un miroir inférieur 30, en contact avec le substrat 20, et par un miroir supérieur 32 qui est du côté de la face d'entrée de lumière 8. Le VCSEL comporte une couche active 34 qui est située dans la cavité 26 et sert à engendrer la lumière 6. Dans la cavité 28 de la photodiode, on trouve également une couche active 36 qui correspond à la couche 34 mais sert de couche de détection, pour détecter la partie de la lumière 12 que reçoit la photodiode. Les miroirs 22 et 30 sont dopés N tandis que les miroirs 24 et 32 sont dopés P. On voit des électrodes 38 qui sont en contact avec les miroirs 24 et 32 dopés P et une électrode 40 qui est en contact avec les miroirs 22 et 30 dopés N. Les couches 42, que l'on voit sur la figure 1, sont des couches de passivation.

Grâce aux électrodes 38 et 40, on peut commander le VCSEL par un courant d'injection et 10 recueillir le courant engendré par la photodiode lorsque celle-ci reçoit une partie de la lumière 12. Le courant d'injection du VCSEL peut être asservi au courant qui est engendré par la photodiode.

On peut donc réguler le courant d'excitation du VCSEL et donc la puissance du faisceau lumineux 6 engendré par ce VCSEL. Les moyens électroniques permettant la régulation de cette puissance comprennent la photodiode 14. Le reste de ces moyens n'est pas représenté.

Comme on le voit sur la figure 1, l'extrémité de la fibre optique 4, qui reçoit la lumière émise par le VCSEL, est fixée à un support 44 qui est lui-même fixé au substrat 20 de telle manière que l'axe de la fibre optique, auquel la face d'entrée de lumière 8 est perpendiculaire, coïncide avec l'axe X. Dans l'exemple, le support 44 est une plaque, par exemple en silicium, qui comporte un perçage. L'extrémité de la fibre optique est insérée et fixée dans ce perçage, par exemple au moyen de colle. De plus, la plaque 44 est fixée au substrat 20 par une hybridation de type puce retournée (en anglais, flip-chip) au moyen de billes de brasure (en anglais, solder balls) 46 qui sont par exemple en indium. A titre purement indicatif et nullement limitatif, ces billes ont un diamètre de 30 m. Le faisceau lumineux 12 à détecter, qui est issu de la réflexion du faisceau lumineux 6 sur la face 8 de la fibre optique, traverse d'abord le miroir supérieur 32 de la photodiode. Or, la fabrication du VCSEL nécessite des miroirs de très forte réflectivité, supérieure à 99%, avec un pic de cavité très fin. Les miroirs 30 et 32, de même nature que les miroirs 22 et 24 du VCSEL, ont donc également cette forte réflectivité.

Sans précaution particulière, la quantité de lumière qui arriverait au niveau de la couche de détection 36 serait limitée par cette forte réflectivité. Pour augmenter cette quantité, il est donc préférable d'augmenter la largeur spectrale du pic de la cavité de la photodiode (cavité de Fabry-Perrot). Pour ce faire, on diminue la réflectivité du miroir d'entrée de la lumière à détecter (miroir 32). Cette diminution est possible, dans le cas présent, par une opération de gravure sèche ou humide réalisée lors d'une étape de fabrication du système. Il convient de noter que cette opération est possible car la lumière 12 arrive par la face supérieure de la photodiode, face qui est accessible. Or, les miroirs 22, 24, 30 et 32 sont, de façon connue, des miroirs de Bragg dans lesquels alternent des couches d'indices optiques différents. Une gravure du miroir de Bragg supérieur de la photodiode (miroir 32), permettant de supprimer la moitié des alternances, permet une forte augmentation de la quantité de lumière transmise par le miroir 32 ainsi modifié. A titre purement indicatif et nullement limitatif - le diamètre Iv de la zone de la face 10 30 du VCSEL, par où sort le faisceau lumineux 10, vaut 30 m, - la distance Df entre cette face 10 et la face de réception de lumière 8 vaut 100 m, - le demi-angle au sommet a du faisceau lumineux 10 (faisceau sensiblement conique) vaut 10 , - le diamètre extérieur de la gaine optique 18 de la fibre vaut 125 m, la différence d entre les rayons extérieur et intérieur de la photodiode, vaut 15 m, et - le diamètre moyen (Dm de la photodiode 10 (demi-somme des diamètres intérieur et extérieur de celle-ci) vaut 70 m. On décrit ci-après un procédé de fabrication du système de la figure 1 en faisant référence aux figures 2 à 5. Sur Le substrat 20 (figure 2), on forme successivement : un premier empilement 48 de couches (alternances de couches semiconductrices dopées N et d'indices optiques différents), à partir duquel on 20 formera les miroirs 22 et 30, une couche 50 à partir de laquelle on formera la partie inférieure des cavités 26 et 28, une couche 52 à partir de laquelle on formera les couches actives 34 et 36, 25 - une couche 54 à à partir de laquelle on formera le reste des cavités 26 et 28, et un deuxième empilement 56 de couches (alternances de couches semiconductrices dopées P et d'indices optiques différents), à partir duquel on 30 formera les miroirs 24 et 32.

15 On commence un processus standard permettant de fabriquer le VCSEL 2 et la photodiode 14 (figure 3) : on grave les mésas nécessaires à partir de l'empilement précédement formé, on forme l'électrode 40 et les couches de passivation 42. On achève le processus standard (figure 4) : on diminue la réflectivité du miroir 32 qui a été précédemment formé par gravure des mésas. Pour diminuer cette réflectivité, on retire la moitié de ce miroir 32 de sorte que son épaisseur diminue de moitié. Puis on forme les électrodes 38. Ensuite, on effectue un recuit des électrodes 38 et 40. On met ensuite en place les billes 46 (figure 5) puis on hybride la plaque 42, percée de part en part, par la technique de puce retournée, au moyen de ces billes. Après cette hubridation, on insère l'extrémité de la fibre optique dans la plaque 42 puis on immobilise la fibre dans la position où son axe 20 coïncide avec l'axe X.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Système d'émission de lumière comprenant : un composant électronique émetteur de lumière (2), - un guide de lumière (4) qui est prévu pour recevoir la lumière émise par le composant, ce guide de lumière comportant une face d'entrée de lumière (8) qui est disposée en regard du composant et qui réfléchit une partie de la lumière qu'elle reçoit, et - un photodétecteur (14) qui est intégré au composant et prévu pour détecter une partie de la lumière émise par ce composant, ce photodétecteur étant placé à proximité du composant et apte à recevoir une partie de la lumière qui est réfléchie par la face d'entrée de lumière.

2. Système selon la revendication 1, dans lequel le photodétecteur est une photodiode annulaire 20 (14) qui entoure le composant (2).

3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le composant est un laser à émission par la surface, à cavité verticale, ce laser (2) comprenant des premier et deuxième miroirs 25 (22, 24) qui délimitent la cavité (26), le premier miroir (22) reposant sur un substrat (20) et le deuxième miroir (24) étant placé en regard de la face d'entrée de lumière (8).

4. Système selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 3, comprenant en outre un support (44) auquel est fixé le guide de lumière (4), cesupport étant fixé à l'ensemble formé par le composant (2) et le photodétecteur (14) de façon que la face d'entrée de lumière (8) soit placée en regard du composant.

5. Procédé de fabrication du système d'émission de lumière selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel - on forme le composant (2) et le photodétecteur (14) sur un substrat (20), le composant ayant des première et deuxième faces, reposant sur le substrat (20) par sa première face (11) et émettant la lumière par sa deuxième face (10), et - on dispose le guide de lumière (4) de façon que la face d'entrée de lumière (8) soit en regard de la deuxième face (10) du composant.

6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel - le composant (2) est un laser à émission par la surface, à cavité verticale, et le photodétecteur (14) est une photodiode à cavité, ce laser et la photodiode comprenant chacun des premier et deuxième miroirs (22-24, 30-32), qui délimitent la cavité correspondante, et une couche active (34, 36) placée dans cette cavité, on forme, sur le substrat (20), un empilement de couches, permettant la formation des premier et deuxième miroirs, de la cavité et de la couche active du laser et de la photodiode, le premier miroir de chacun de ceux-ci étant alors en contact avec 30 le substrat, et25- on forme le laser et la photodiode à partir de l'empilement.

7. Procédé selon la revendication (6), dans lequel on diminue en outre la réflectivité du deuxième miroir (32) de la photodiode.

8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les premier et deuxième miroirs (22-24, 30-32) du laser et de la photodiode sont des miroirs de Bragg et l'on grave le deuxième miroir (32) de la photodiode pour en diminuer la réflectivité.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel on fixe le guide de lumière (4) à un support (44) et l'on fixe ce support au substrat de façon que la face d'entrée de lumière (8) soit en regard de la deuxième face (10) du composant.

10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le support (44) est fixé au substrat (20) par l'intermédiaire de billes de brasure (46) par la technique de puce retournée.