ITTO990159A1

ITTO990159A1 - Procedimento e dispositivo per accoppiare fibre ottiche e componenti optoelettronici.

Info

Publication number: ITTO990159A1
Application number: IT1999TO000159A
Authority: IT
Inventors: Franco Delpiano; Luca Pesando
Original assignee: Cselt Ct Studi E Lab T
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2000-09-03
Also published as: CA2299820C; IT1308402B1; CA2299820A1; JP2000258664A; EP1033596A2; EP1033596A3; US6389202B1

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Procedimento e dispositivo per accoppiare fibre ottiche e componenti optoelettronici"

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione affronta in generale il problema di realizzare l’accoppiamento fra fibre ottiche e componenti optoelettronici, in particolare trasmettitori e/o ricevitori del segnale ottico inviato sulla fibra.

In modo più specifico, la presente invenzione si riferisce ad un procedimento per l'accoppiamento fra fibre ottiche e componenti optoelettronici secondo il preambolo della rivendicazione 1. Un procedimento di questo tipo è noto, ad esempio, dal lavoro di Holger Karstensen et al. "Parallel Optical Link (PAROLI) for Multichannel Gigabit Rate Interconnections" presentato alla 1998 Electronics Componente and Technology Conference e riprodotto nei relativi atti alle pagg. 747-754.

Il principale inconveniente riscontrabile in tale soluzione secondo la tecnica nota risiede nelle intrinseche difficoltà di ottenere in modo semplice, rapido ed affidabile un accoppiamento preciso fra le fibre ottiche (di solito ordinate in un cavo multifibra a nastro) ed il componente optoelettronico (tipicamente costituito, nel caso in cui si tratti di un trasmettitore, da una schiera di laser o cavità verticale ad emissione superficiale o VCSEL, acronimo per Vertical Cavity Surface Emitting Laser o, nel caso di un ricevitore, da un dispositivo strutturalmente equivalente). In particolare il procedimento noto richiede che l’accoppiamento venga effettuato massimizzando la potenza ottica accoppiata tra dispositivo optoelettronico e fibra durante l'operazione di assemblaggio (allineamento attivo).

Al riguardo va anche tenuto conto del fatto che al componente optoelettronico (sia esso un trasmettitore o un ricevitore) è di solito associato un circuito di pilotaggio/elaborazione che si vorrebbe vedere vantaggiosamente integrato con il resto del dispositivo.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire una soluzione che, da un lato, elimini gli inconvenienti della tecnica nota e, dall'altro lato, consenta di perseguire agevolmente le finalità di integrazione a cui si è fatto cenno in precedenza.

Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un procedimento avente le ulteriori caratteristiche richiamate nella rivendicazione l. L'invenzione riguarda anche il relativo dispositivo .

L'invenzione verrà ora descritta, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni annessi, nei quali:

- la figura 1 è una generale vista in sezione longitudinale di un dispositivo secondo l'invenzione, e

- la figura 2 corrisponde essenzialmente a una vista in sezione secondo la linea II-II della figura 1.

Nei disegni il riferimento numerico 1 indica nel complesso cosiddetto banco o microbanco ottico (SiOB, acronimo di Silicon Optical Bench). Si tratta in generale di un dispositivo destinato a consentire l'accoppiamento ottico fra una o più fibre ottiche F ed un corrispondente insieme di componenti optoelettronici O.

Come già detto nella parte introduttiva della presente descrizione, il dispositivo 1 è suscettibile di essere utilizzato sia nel modulo trasmettitore, sia nel modulo ricevitore di un collegamento su fibra ottica.

Nel primo caso (quello a cui - a puro titolo di esempio - si farà più esteso riferimento nel seguito) il componente 0 è costituito da una sorgente ottica quale, ad esempio, una schiera di laser a cavità verticale ad emissione superficiale (VCSEL) pilotati con rispettivi segnali elettrici di ingresso destinati a dare origine a rispettivi segnali ottici in uscita iniettati nelle fibre F.

Nel secondo caso invece il componente O è un dispositivo convertitore ottico-elettrico e può allora comprendere, ad esempio, una schiera di fotodiodi o fototransistori destinati a convertire i segnali ottici in arrivo sulle fibre F in segnali elettrici di uscita.

Nei disegni allegati, il dispositivo 1 è rappresentato come porzione di un insieme suscettibile di consentire - secondo un generale schema di modularità - l'accoppiamento di un numero qualsiasi di fibre F.

Anche se l'esempio illustrato nei disegni prevede la presenza di due fibre F, questa scelta non è in alcun modo da considerarsi vincolante. Il numero delle fibre F, dunque il numero dei canali del dispositivo 1, può infatti essere qualsiasi. A titolo di riferimento, le esperienze sinora condotte dalla Richiedente hanno coinvolto dispositivi 1 suscettibili di essere utilizzati per la realizzazione dei seguenti gruppi ricevitori/trasmettitori:

- ricevitore a singolo canale con rivelatore in InGaAs con fibre sia multimodali sia monomodali;

- ricevitore a dieci canali con schiera di rivelatori in InGaAs con cavi multifibre, sia multimodali sia monomodali,

- ricevitore a dieci canali con schiera di rivelatori in InGaAs con responsività ottimizzate in prima finestra con cavi multifibre multimodali, e - trasmettitore a dieci canali con schiera di laser a cavità verticale ed emissione superficiale (VCSEL) con cavi multifibre multimodali.

Tanto le fibre, quanto i componenti optoelettronici citati sono di tipo noto, in particolare corrispondenti a prodotti normalmente reperibili in commercio. La natura e le caratteristiche di tali componenti non sono peraltro di per sé significative ai fini della comprensione dell'invenzione, il che rende superflua in questa sede un'ulteriore descrizione particolareggiata.

Parimenti noto (in particolare dal documento citato nella parte introduttiva della presente descrizione) è il criterio generale adottato per conseguire l'accoppiamento (sia in trasmissione, sia in ricezione del segnale ottico) fra le fibre F e i componenti 0.

In particolare si prevede che la o ciascuna fibra F venga sottoposta, in corrispondenza dell'estremità destinata ad essere accoppiata al dispositivo 1, ad un'operazione di taglio a 45° rispetto all'asse longitudinale principale, seguita da un'operazione di lappatura e di deposizione di alluminio (o processi analoghi) destinati a dare origine ad una faccia di estremità F1 inclinata tale da riflettere (e deflettere) la radiazione ottica.

Ad esempio, la radiazione che viaggia lungo la fibra (da sinistra verso destra, con riferimento al punto di osservazione della figura 1) lungo la traiettoria T1 identificata dall'asse longitudinale principale della fibra F si riflette sulla faccia FI ed emerge dalla fibra lungo una traiettoria di propagazione T2, ortogonale rispetto alla traiettoria T1. Tutto ciò con la conseguente possibilità di disporre il componente 0 (qui fungente da ricevitore) in allineamento con la traiettoria T2.

In modo duale (nel funzionamento come trasmettitore) , la radiazione ottica fuoriuscente (verticalmente e dall'alto verso il basso con riferimento al punto di osservazione della figura 1) dal componente 0 lungo la traiettoria T2 si riflette sulla faccia Fi, così da risultare deflessa di 90° e potersi propagare nella fibra F lungo la traiettoria T1.

Nell'esempio di attuazione qui illustrato, il dispositivo 1 secondo l'invenzione è essenzialmente costituito da una piastrina 2 di silicio dello spessore, ad esempio, di 400 μιη destinata a fungere da sopporto di montaggio comune per le fibre F e per i componenti 0.

Nella piastrina 2 sono stati ricavati, in adiacenza di una delle due facce (con riferimento alle figure dei disegni annessi, la faccia esterna superiore indicata con 2a), uno o più solchi 3, ciascuno dei quali è destinato a ricevere al suo interno con precisione (dunque in rapporto di accoglimento stretto) una rispettiva fibra F.

Ciascuno dei solchi 3 presènta di preferenza una sezione trasversale quadrata con una profondità ad esempio di 126 micron circa realizzata con elevata precisione (tolleranze ± 1 μm, anche orizzontalmente) .

Tali solchi possono essere realizzati, conseguendo profili precisi con pareti verticali, tramite attacco ionico in plasma. La relativa tecnologia, nonché le specifiche modalità di intervento per ottenere i solchi 3 sono ampiamente note nella tecnica e non richiedono di essere illustrate in dettaglio in questa sede: si tratta di solito di una sequenza di operazioni che comprende l'applicazione di una maschera di fotoresist, l'esposizione della stessa con tecnica fotolitografica, la rimozione selettiva delle parti del fotoresist corrispondenti alle zone di incisione, l'incisione con fascio ionico delle zone lasciate scoperte dal fotoresist e la rimozione delle tracce di fotoresist residuate.

Va comunque precisato che i valori dimensionali citati in precedenza hanno carattere puramente orientativo, dal momento che, in altre realizzazioni pratiche fatte dalla Richiedente, è stata prevista la realizzazione di solchi 3 (ad esempio in numero di 10) con lati di 125+1/0 μm disposti paralleli fra loro con un passo di separazione costante e pari a 250 μm come richiesto dagli standard industriali relativi ai nastri di fibre e alle schiere di emettitori o rivelatori.

Il riferimento numerico 4 indica un rivestimento di vetro (tipicamente vetro-silice, ossia SiO2) applicato al disopra della faccia 2d della piastrina 2 a copertura dei solchi 3. Lo strato di vetro 4 viene di preferenza collegato al silicio della piastrina 2 tramite saldatura anodica e ridotto ad uno spessore che, vantaggiosamente, sarà dell'ordine di 100 μm o meno.

Lo strato di vetro 4 funge in pratica da copertura per il solco o i solchi 3. Ciascun solco 3 definisce così un canale suscettibile di ricevere al suo interno una rispettiva fibra F in condizioni di elevata precisione di allineamento. Questo sia in senso longitudinale rispetto al solco 3 (in particolare per quanto riguarda il posizionamento della parte di sommità della faccia FI della fibra in corrispondenza della parete terminale 3a del solco), sia per quanto riguarda l'orientamento della fibra intorno al suo asse longitudinale: orientamento che, nel caso di più fibre collegate fra loro in un cavo a nastro, risulta assicurato con elevata precisione in modo pressoché automatico proprio per effetto dello svolgimento dell’operazione di taglio simultaneo e lappatura destinata a formare la faccia FI descritta in precedenza.

Lo strato di vetro 4 costituisce altresì, con la sua faccia esterna 4a, opposta rispetto alla faccia 2a, una superficie planare e liscia, priva di irregolarità superficiali che consente il montaggio dei componenti 0 nella condizione di allineamento desiderata.

In particolare, la planarità della faccia esterna 4a dello strato di vetro 4 consente di realizzare sullo stesso le piazzole 5 (e le relative connessioni) che consentono di montare i componenti 0, in particolare con la tecnica denominata saldatura a rifusione (tecnica correntemente denominata anche "flip-chip bonding"). Questa tecnica consente, fra l'altro, di ottenere circuiti completi, adatti al montaggio ibrido nei moduli ottici.

In presenza di più fibre F, il componente 0 è di solito costituito da una schiera di singoli dispositivi optoelettronici, ciascuno dei quali risulta allineato con un rispettivo solco 3, così da poter essere accoppiato ad una rispettiva fibra F.

Secondo una soluzione non esplicitamente illustrata nei disegni allegati, ma comunque evidente per il tecnico esperto del settore, la piastrina 2 e lo strato di vetro 4 che la ricopre possono essere estesi anche oltre la zona interessata dallo sviluppo dei solchi 3 così da creare aree superficiali per la realizzazione (in particolare secondo le normali tecniche di realizzazione di circuiti ibridi) delle unità di pilotaggio/elaborazione del segnale elettrico associate ai componenti 0. Il tutto con i conseguenti evidenti vantaggi in termini di integrazione generale con il dispositivo 1.

Il vetro 4 viene naturalmente selezionato (con una scelta che, almeno nella maggior parte delle applicazioni, non risulta critica) in modo da presentare un elevato grado di trasparenza rispetto alla radiazione trasmessa fra le fibre F e i componenti 0.

Fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione. Ciò vale in particolare, ma non esclusivamente, per la possibilità di sfruttare, per l'accoppiamento fra la fibra o le fibre F e il componente o i componenti O, un meccanismo di deflessione della radiazione ottica secondo angoli diversi rispetto agli angoli dì 45/90° cui si è fatto riferimento nella precedente descrizione (per esempio un meccanismo a riflessione totale).

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per accoppiare almeno una fibra ottica (F) ad almeno un componente optoelettronico (0), comprendente le operazioni di: - creare, in detta fibra (F), una superficie riflettente (FI) genericamente inclinata rispetto alla traiettoria principale (TI) di propagazione della radiazione ottica in detta fibra (F) così da dare origine, per effetto della riflessione su detta superficie (FI), ad un'ulteriore traiettoria (T2) di propagazione della radiazione ottica genericamente deflessa rispetto a detta traiettoria principale (Tl) di propagazione, e - disporre detto componente optoelettronico (0) in allineamento con detta traiettoria di propagazione deflessa (T2), caratterizzato dal fatto che comprende inoltre le operazioni di: - provvedere un sopporto (2) di montaggio comune per detta fibra (F) e detto componente optoelettronico (0), detto sopporto comune (2) presentando almeno una faccia esterna (2a), - ricavare in detto sopporto (2), in corrispondenza di detta faccia esterna (2a), un solco (3) suscettibile di ricevere détta fibra (F) in rapporto di accoglimento stretto, - provvedere detto solco (3) di una copertura laminare (4) sostanzialmente trasparente a detta radiazione ed avente una rispettiva faccia piana (4a) opposta a detta faccia esterna (2a) di detto sopporto comune (2); - inserire detta fibra (F) in detto solco (3) così che detta traiettoria di propagazione deflessa (T2) attraversi detta copertura (4), e - montare detto componente optoelettronico {0) su detta rispettiva faccia piana (4a) di detta copertura (4).
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende l'operazione di ricavare in detta almeno una fibra (F) una faccia terminale di estremità (F1) inclinata rispetto a detta traiettoria principale di propagazione (T1) e definente detta superficie riflettente.
3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta superficie riflettente (F1) viene ottenuta tramite taglio di detta fibra ottica (F).
4. Procedimento secondo la rivendicazione 2 o la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta superficie riflettente (F1) viene sottoposta ad un'operazione di lappatura secondo un angolo dato.
5. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detta superficie riflettente (FI) viene resa tale tramite deposito di un materiale metallico quale alluminio.
6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 4, caratterizzato dal fatto che detta superficie viene resa riflettente mediante inclinazione di un angolo tale da determinare riflessione totale della radiazione ottica.
7. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detta superficie riflettente (F1) è orientata a 45° rispetto a detta traiettoria principale di propagazione (T1), per cui detta traiettoria di propagazione deflessa (T2) risulta sostanzialmente ortogonale tanto a detta traiettoria principale di propagazione (T1) quanto a detta superficie esterna (2a) di detto sopporto comune (2).
8. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che comprende l'operazione di realizzare detto solco (3) con un'operazione di incisione di detto sopporto comune (2).
9. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto sopporto comune (2) è a base di silicio.
10. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che comprende l'operazione di realizzare detto sopporto comune (2) sotto forma di un corpo laminare.
11. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che comprende l'operazione di realizzare in detto sopporto comune (2) una pluralità di detti solchi (3) per la ricezione di una corrispondente pluralità di fibre (F).
12. Procedimento secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detti solchi (3) vengono realizzati paralleli fra loro con passo di separazione preferibilmente costante.
13. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detta copertura (4) è realizzata con un materiale vetroso.
14. Procedimento secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detto materiale vetroso è vetro di silice (SiO2).
15. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1, 13 o 14, caratterizzato dal fatto che detta copertura (4) è applicata su detto sopporto comune (2) tramite saldatura anodica.
16. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che comprende l'operazione di realizzare detta copertura (4) con uno spessore dell'ordine di 100 μm o non superiore a 100 μm circa.
17. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto componente optoelettronico (O) è applicato su detta copertura (4) tramite una tecnica di saldatura a rifusione (flip-chip bonding).
18. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 17, caratterizzato dal fatto che comprende l'operazione di realizzare su detta copertura (4) elementi circuitali accessori (5) di detto componente optoelettronico secondo una generale configurazione integrata.
19. Procedimento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto componente optoelettronico (O) è una sorgente di radiazione ottica.
20. Procedimento secondo la rivendicazione 19, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo optoelettronico è un laser a cavità verticale ed emissione superficiale (VCSEL).
21. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 18, caratterizzato dal fatto che detto componente optoelettronico (0) è un convertitore ottico-elettrico.
22. Procedimento secondo la rivendicazione 22, caratterizzato dal fatto che detto componente optoelettronico (0) è un fotodiodo o un fototransistore.
23. Procedimento secondo la rivendicazione 11 o la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che comprende l'operazione di realizzare detto componente optoelettronico (0) sotto forma di una schiera comprendente una pluralità di dispositivi optoelettronici, ciascuno accoppiato ad una rispettiva fibra (F) di detta pluralità.
24. Dispositivo per accoppiare almeno un componente optoelettronico (O) con almeno una fibra ottica (F) presentante una superficie riflettente (F1) genericamente inclinata rispetto alla traiettoria principale (T1) di propagazione della radiazione ottica in detta fibra (F) così da dare origine, per effetto della riflessione su detta superficie (F1), ad un'ulteriore traiettoria (T2) di propagazione della radiazione ottica genericamente deflessa rispetto a detta traiettoria principale (T1) di propagazione, caratterizzato dal fatto che comprende: - un sopporto (2) di montaggio comune per detta almeno una fibra (F) e detto almeno un componente optoelettronico (0), detto sopporto comune (2) presentando almeno una faccia esterna (2a), in detto sopporto (2), in corrispondenza di detta faccia esterna (2a), almeno un solco suscettibile di ricevere detta fibra (F) in condizioni di accoglimento stretto, una copertura laminare (4) sostanzialmente trasparente a detta radiazione applicata su detto almeno un solco (3) ed avente una rispettiva faccia piana (4a) opposta a detta faccia esterna (2a) di detto sopporto comune, per cui detto solco (3) è suscettibile di ricevere al suo interno detta fibra (F) con detta traiettoria di propagazione deflessa (T2) che attraversa detta copertura (4) e detta rispettiva faccia piana (4a) di detta copertura (4) definisce una superficie per il montaggio di detto componente optoelettronico (0) in allineamento con detta traiettoria di propagazione deflessa (T2).
25. Dispositivo secondo la rivendicazione 24, caratterizzato dal fatto che detto sopporto comune (2) è a base di silicio.
26. Dispositivo secondo la rivendicazione 24 o la rivendicazione 25, caratterizzato dal fatto che detto sopporto comune (2) è un corpo laminare.
27. Dispositivo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 24 a 26, caratterizzato dal fatto che detto sopporto comune (2) è provvisto di una pluralità di detti solchi (3) per la ricezione di una corrispondente pluralità di fibre (F).
28. Dispositivo secondo la rivendicazione 27, caratterizzato dal fatto che detti solchi (3) sono paralleli fra loro e presentano di preferenza passo di separazione costante.
29. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 24 a 28, caratterizzato dal fatto che detta copertura (4) è di un materiale vetroso.
30. Dispositivo secondo la rivendicazione 29, caratterizzato dal fatto che detto materiale vetroso è vetro di silice (SiO2) .
31. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 24, 29 o 30, caratterizzato dal fatto che detta copertura (4) è fissata su detto supporto comune (2) per saldatura anodica.
32. Dispositivo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 24 a 31, Caratterizzato dal fatto che detta copertura (4) presenta uno spessore dell'ordine di 100 μm o non superiore a 100 μπι circa.
33 . Dispositivo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 24 a 32, caratterizzato dal fatto che porta associato detto componente optoelettronico (0) applicato su detta copertura (4).
34. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 24 a 33, caratterizzato dal fatto che comprende, su detta copertura (4), elementi circuitali elettronici (5) accessori per detto componente optoelettronico (0) secondo una generale configurazione integrata.
35. Dispositivo secondo la rivendicazione 27 e la rivendicazione 33, caratterizzato dal fatto che detto componente optoelettronico (O) comprende dispositivi optoelettronici, ciascuno allineato ad un rispettivo solco (3) di detta pluralità.