WO2007026083A1 - Dispositif emetteur et recepteur optoelectronique - Google Patents

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WO2007026083A1
WO2007026083A1 PCT/FR2006/050415 FR2006050415W WO2007026083A1 WO 2007026083 A1 WO2007026083 A1 WO 2007026083A1 FR 2006050415 W FR2006050415 W FR 2006050415W WO 2007026083 A1 WO2007026083 A1 WO 2007026083A1
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optoelectronic
optoelectronic element
platform
receiver device
emitter
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PCT/FR2006/050415
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Christophe Kopp
Bruno Mourey
Philippe Grosse
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Commissariat A L'energie Atomique
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Publication date
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4246—Bidirectionally operating package structures
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219—Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/4228—Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements
    • G02B6/4232—Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements using the surface tension of fluid solder to align the elements, e.g. solder bump techniques

Definitions

  • the present invention relates to the field of telecommunications, and more particularly to the field of components located at the optical / electrical interfaces of telecommunication networks, such as an optoelectronic transmitter and receiver device, commonly called a "transceiver", and a method for its manufacture.
  • This device is particularly suitable for transmitting and receiving data in a telecommunication optical network.
  • duplexers In PON networks, two types of transceivers are currently deployed: duplexers, which are typically composed of an optoelectronic circuit connected to an optical fiber through which downstream optical signals, i.e., signals from a network to the transceiver, and optical signals ascending, that is to say signals transmitted by the transceiver to the network.
  • the downlink optical signals generally have a different wavelength from that of the upward optical signals.
  • these downward and upward optical signals carry information and / or voice communication data.
  • Fig. 1A shows an example of duplexer 1.
  • An optical fiber 2 has a first end connected to duplexer 1 and a second end connected to a PON network 3.
  • a downlink optical signal ⁇ d ⁇ and an upward optical signal ⁇ a both carrying information and / or voice communication data are carried by the optical fiber 2.
  • FIG. 1B shows an example of triplexer 4.
  • An optical fiber 2 has a first end connected to triplexer 4 and a second end connected to a PON network 3.
  • optical fiber 2 transmits a downlink optical signal ⁇ d ⁇ of information and / or voice communication data, a downlink optical signal ⁇ d2 of video information and an upward optical signal ⁇ a of information data and / or voice communication.
  • the transmitter component used in a transceiver is usually one of two types: Edge Emitting Laser (EEL) or Vertical Cavity Surface Emitting Laser (or VCSEL). Vertical Cavity Surface Emitting Laser).
  • FIG. 2A shows an EEL 5 emitting a laser beam 6 by a side 7.
  • FIG. 2B represents a VCSEL 8 which emits a laser beam 6 by a surface 9.
  • FIG. 2C is a detailed representation of VCSEL 8.
  • VCSEL 8 has a vertical laser cavity 23.
  • An active medium 20, based on multiple quantum well semiconductor materials is in this laser cavity 23.
  • the active medium 20 is a periodic arrangement of layers of semiconductor material with large bandgap (for example aluminum GaAlAs gallium arsenide or AlAs aluminum arsenide) and layers of semiconductor material of small bandgap width (for example GaAs gallium arsenide).
  • the thickness of the active medium 20 is very small since it contains only a few quantum wells.
  • the emission wavelength of multiple quantum well structures can therefore be adjusted by the choice of the nature and thickness of the semiconductor material layers.
  • the laser cavity 23 can be electrically pumped using electrodes attached on either side of the structure.
  • the VCSEL 8 also comprises a first Bragg mirror 21 and a second Bragg mirror 22, between which is disposed the active medium 20. These two Bragg mirrors 21, 22 consist of successive thin layers of semiconductor materials.
  • the Bragg mirrors 21, 22 may for example be made based on aluminum arsenide [AlAs] and gallium arsenide [GaAs].
  • Each mirror 21, 22, which is monolithic, can be produced at a wavelength ⁇ by using a stack of layers i and j, respectively of material with high and low optical indices n g , of thickness corresponding to a phase shift approximately equal to ⁇ / 4.
  • mirrors can also be made from materials dielectric such as silicon dioxide (SiO 2 ), titanium dioxide (TiO 2 ) or hafnium dioxide (HfO 2 ).
  • the axis of propagation of a laser beam 6, which is also the axis of the laser cavity 23, is substantially perpendicular to the plane defined by the semiconductor layers of the Bragg mirrors 21, 22 and the active medium 20.
  • the laser beam 6 is emitted from a front face 24 of the VSCEL 8.
  • a laser beam emitted by a conventional VCSEL is circular, of diameter equal to about 20 micrometers, has a divergence of about 7 °, and a spectral width of a few tenths of nanometers (for example 0.3 nanometers).
  • the VCSEL 8 emits light towards the front face 24 but also towards a rear face 25, opposite to the front face 24, since the substrate used is generally transparent to these wavelengths, and the Bragg mirrors 21, 22 which form the vertical laser cavity 23 do not have a reflectivity ratio of 100%.
  • the Bragg mirror on the front side of the VCSEL has a lower reflectivity than the mirror on the back side of the VCSEL to determine the direction of the VCSEL. 'program.
  • the reflectivity ratio for the first Bragg mirror 21 on the back side 25 is about 99.8% and about 99% for the second Bragg mirror 22 located on the side of the front panel 24.
  • a VCSEL based on AlGaAs can emit a few milliwatts at a wavelength included substantially between 800 and 850 nanometers, in a circular section beam of diameter approximately equal to 8 microns.
  • An InGaAs-based VCSEL emits a power of about 50 milliwatts at about 980 nanometers, for a circular beam of about 30 micrometers in diameter.
  • the powers of these two examples correspond to continuous transmission powers.
  • the beam diameters emitted by VCSELs range from a few micrometers to about 150 micrometers.
  • the structure of a VCSEL is easily amenable to the manufacture of VCSEL networks in one or two dimensions.
  • the receiver component used in a transceiver is generally a photodiode type photodiode based on a material such as gallium arsenide [GaAs], gallium arsenide and indium [InGaAs] or indium phosphide [ InP).
  • Duplexers and triplexers are multiplexers currently using one of the following two multiplexing techniques: free-beam multiplexing with splitter, or planar guided optics multiplexing.
  • a transceiver 10 using this multiplexing technique is shown in FIG. 3A. It comprises a laser emitter 11 of the EEL or VCSEL type, a photodetector 12 such as a photodiode and a splitter plate 13.
  • the splitter plate 13 is used to transmit an upward optical signal ⁇ a from the transmitter 11 to the optical fiber 2 and to transmitting a downlink optical signal ⁇ d ⁇ from the optical fiber 2 to the photodetector 12.
  • Passive optical components, not shown in FIG. 3A, such as lenses, are generally inserted at different levels in order to improve the shaping of the optical signals ⁇ a and ⁇ d.
  • FIG. 3B A transceiver 14 using planar guided optical multiplexing is shown in FIG. 3B.
  • This transceiver 14 comprises a platform 15 derived from a planar guided optical technology.
  • This platform comprises optical guides 16 used for the multiplexing and the wavelength demultiplexing of optical signals. It also comprises a laser source 17 for the transmission of upward optical signals, a photodetector 18 for receiving the downstream optical signals, and an integrated optical separator 19.
  • This platform 15 could also accommodate other components such as a thermistor, a photodetector monitoring or a current amplifier.
  • This platform 15 in guided optical technology can be manufactured according to one of the three main current technologies for producing optical guides:
  • a glass substrate comprising sodium ions, for example silicate or borosilicate is first immersed in a bath of molten silver salts in order to penetrate the silver ions into the substrate, thereby generating a guide core. surface.
  • the substrate undergoes annealing assisted by an electric field in order to migrate the heart of the guide in depth with respect to the surface of the substrate and form the geometry of the section of the heart of the guide, generally circular.
  • Silicon doped silica optical guide on the surface This technique allows the generation of optical guides by a series of deposits and micro-structures.
  • the heart of the square section guide is made on the surface of a silicon substrate covered with a silica layer acting as an optical cladding.
  • the heart of the guide thus produced is covered with a layer of silica in order to obtain a sheath of refractive index fitted around the guide.
  • the heart of the guide is made by photolithography and etching techniques derived from microelectronics in a phosphorus-doped silica, boron or germanium-type material.
  • Optical guide on silica on silicon generated by local ion implantation. This technique allows the generation of optical guides buried in a silica layer on the surface of a silicon substrate.
  • the hearts of the guides are obtained by implantation of titanium ions.
  • the control of the energy of implantation makes it possible to control the depth of implantation and thus the geometry of the guide.
  • the planar guided optics multiplexing makes it possible to integrate more electronic functions in the transceiver 14, for example a current amplifier or a thermistor, and to minimize the steps of alignment, since the separation function is integrated with the platform 15 in planar guided optics.
  • the laser emitters used on this type of platform are generally EELs which have a geometry well adapted to this planar technology thanks to their laser emission by the wafer.
  • the elliptical shape of the beam emitted by this type of source is generally particularly unsuitable for high coupling in the optical guides.
  • the solutions envisaged, such as mode adaptation at the guide or through the use of an optical coupling system make the architecture more complex and make the alignment step difficult by increasing the sensitivity of the system with positioning errors.
  • the small size of the mode in the optical guides (diameter of a few microns approximately) compared to that of the optical fiber (diameter between about 10 microns and a few tens of microns) requires the use of a fiber coupling optical system / guide which further complicates the architecture and makes the alignment step difficult by increasing the sensitivity of the system to positioning errors.
  • patent application US 2003/0098511 proposes a hybrid optical circuit on a pierced platform, producing a passive optical circuit / optical fiber coupling system, and thus replacing the use of a system.
  • optical coupling such as a free beam multiplexing device with separating blade or planar optical guided.
  • Hybrid means, here and throughout the rest of this document, a connection both mechanical and electrical.
  • this optical circuit is a transmitter, this transmitter may be a VCSEL because the geometry of the beam emitted by a VCSEL is naturally easier to couple in an optical fiber.
  • FIG. 3C represents an architecture of a passive optical circuit / optical fiber coupling system 26 as described in the previously cited patent application.
  • This system 26 comprises an optical circuit, in this case a VCSEL 8, emitting a laser beam 6, an optical fiber 2, and a pierced platform 27.
  • This architecture notably uses the precision of the machining methods of microelectronics for the platform 27, which can be made of silicon and made for example by photolithography or deep dry etching, and the positioning accuracy of the hybrid VCSEL 8 by the so-called flip-chip on-chip connection technology with microbeads 28 of a fusible material.
  • the platform 27 can be made of silicon and made for example by photolithography or deep dry etching
  • the positioning accuracy of the hybrid VCSEL 8 by the so-called flip-chip on-chip connection technology with microbeads 28 of a fusible material.
  • a lateral centering accuracy of the VCSEL 8 with respect to the core of the optical fiber 2 less than about one or two micrometers. It is therefore interesting to use a VCSEL in this configuration for a transceiver in order to to benefit from the additional electronic functionalities allowed by the platform, as well as to achieve a passive coupling of the VCSEL with the optical fiber.
  • the patent application FR 2 807 168 also describes a device and a method for passive alignment of optical fibers and optoelectronic components using the microbead positioning technique. But this solution has the same drawbacks as the device proposed in the patent application US 2003/0098511.
  • the object of the present invention is to propose an optoelectronic emitter and receiver device which does not have the drawbacks mentioned above, that is to say a transmitter and receiver device benefiting at the same time from a platform making it possible to host functions additional electronics, whose emitter / fiber and fiber / photodetector coupling systems are efficient and adapted to a passive assembly, and which are compact.
  • the present invention provides an optoelectronic transmitter and receiver device, intended to cooperate with an optical fiber, comprising:
  • a pierced platform provided with at least one through hole in which the optical fiber must be introduced, and a first optoelectronic element integral with the platform, disposed substantially in front of the hole and intended to transmit or receive a first laser beam at a first wavelength to be conveyed by the optical fiber, and having at least a second hybrid optoelectronic element on the platform and disposed substantially opposite the hole, the first optoelectronic element being disposed between the platform and the second optoelectronic element, which is intended to receive or emit a second laser beam at a second wavelength, different from the first wavelength, passing through the first optoelectronic element and to be conveyed by the optical fiber.
  • the second optoelectronic element being hybridized directly on the platform, a direct electrical contact is made between the second optoelectronic element and the platform, without passing through the first optoelectronic element.
  • the first optoelectronic element therefore does not have to be realized in double-sided technology, thus simplifying the technological realization of this element with respect to devices of the prior art comprising a second hybrid optoelectronic element on a first optoelectronic element.
  • the present invention also provides an optoelectronic transmitter and receiver device, comprising:
  • a pierced platform provided with at least one through-hole for the introduction of an optical fiber
  • a first optoelectronic element integral with the platform, disposed substantially in face of the hole and intended to emit or receive a first laser beam at a first wavelength
  • at least a second hybrid optoelectronic element on the platform and disposed substantially opposite the hole the first optoelectronic element being disposed between the plate and the second optoelectronic element, which is intended to receive or emit a second laser beam at a second wavelength, different from the first wavelength, passing through the first optoelectronic element.
  • the first optoelectronic element is transparent or quasi-transparent at the second wavelength of the second laser beam received or emitted by the second optoelectronic element, so that this second laser beam arrives with the least power loss in the second optoelectronic element or an optical fiber.
  • the first optoelectronic element may be a laser transmitter, such as a VCSEL.
  • the second optoelectronic element may be a photodetector, such as a photodiode.
  • the first optoelectronic element may be a photodetector, such as a photodiode.
  • the second optoelectronic element may be a laser emitter, such as a VCSEL.
  • the VCSEL may have a laser beam emitting surface facing the hole and a microlens integrated on this emission surface.
  • the first optoelectronic element can be hybrid on the platform.
  • hybridization of the first optoelectronic element on the platform is performed with a microbead connection. These microbeads ensure the passive coupling of the first optoelectronic element with the optical fiber and also the mechanical fixing and electrical and thermal contact between this first element and the platform.
  • microbeads associated with the first optoelectronic element are based on a fusible material.
  • the fusible material is an alloy based on gold and tin, tin and lead, or a pure or almost pure metal based on tin or indium. • It is preferred that hybridization of the second optoelectronic element is formed with a connection by microbeads.
  • the microbeads associated with the second optoelectronic element are based on a fusible material.
  • the fusible material is an alloy based on gold and tin, tin and lead, or a pure or almost pure metal based on tin or indium. All the microbeads associated with the second optoelectronic element may have substantially the same diameter.
  • the microbeads associated with the second optoelectronic element may not all have substantially the same diameter.
  • a filter may be inserted between the first and second optoelectronic elements.
  • This filter may be disposed on one side of the second optoelectronic element which is on the side of the first optoelectronic element.
  • the platform can be silicon-based.
  • the present invention also relates to a method for producing a transmitter and receiver device, intended to cooperate with an optical fiber, comprising the following steps: a) securing a first optoelectronic element with a pierced platform, provided with least one through hole in which the optical fiber must be introduced, the first optoelectronic element being disposed substantially opposite the hole, b) securing a second optoelectronic element with the platform, the second optoelectronic element having a face disposed substantially in face of the hole, made according to the following steps:
  • the present invention also relates to a method for producing a transmitter and receiver device, comprising the following steps: a) securing a first optoelectronic element with a pierced platform, provided with at least one through hole for the introduction an optical fiber, the first optoelectronic element being disposed substantially opposite the hole, b) securing a second optoelectronic element to the platform, the second optoelectronic element comprising a face disposed substantially opposite the hole, produced according to the following steps: production of microbeads based on a fusible material on the face of the second optoelectronic element, said face being intended to be on the side of the hole, hybridization of the second optoelectronic element on the platform by the microbeads, the first optoelectronic element being disposed between the platform and the second optoelectronic element.
  • the method which is the subject of the present invention, may comprise, before step a), a step of drilling the platform, thus making the hole
  • the joining of the first optoelectronic element with the platform can be carried out according to the following steps:
  • microbeads based on a fusible material on one side of the first optoelectronic element, said face being intended to be in front of the hole or the optical fiber, hybridization of the first optoelectronic element on the platform by the microbeads.
  • the method, object of the present invention comprises an additional step of inserting, between the first optoelectronic element and the second optoelectronic element, a filter.
  • the method, object of the present invention comprises an additional step of arranging a filter on said face of the second optoelectronic element.
  • FIG. 1A already described, is an example of a duplexer of the prior art
  • FIG. 1B already described, is an example of a prior art triplexer
  • FIG. 2A already described, is an example of a prior art EEL
  • FIG. 2B already described, is an example of a VCSEL of FIG. 2C, already described, is an example of prior art VCSEL
  • FIG. 3A already described, is an example of a free beam multiplexing transceiver with a separating plate of the prior art
  • FIG. 3B, already described is an example of a planar guided optical multiplexing transceiver of the prior art
  • - Figure 3C already described, is an example of passive optical circuit / optical fiber coupling device of the prior art
  • FIG. 4 is a diagram of a transmitting device and receiving device, object of the • present invention, according to a first embodiment
  • Figure 5 is a sectional view of a VCSEL used in a transmitting device and receiving device, object of the present invention
  • FIG. 6A represents a reflectivity curve of a standard Bragg mirror
  • FIG. 6B represents a reflectivity curve of a modified Bragg mirror
  • FIG. 7A is a diagram of a transmitting device
  • FIG. 7B is a diagram of an optoelectronic emitter and receiver device, object of the present invention, according to another variant of the first embodiment
  • FIG. 8 is a diagram of an optoelectronic emitter and receiver device, object of the present invention, according to a second embodiment
  • FIG. 9 is a diagram of an optoelectronic emitter and receiver device, object of the present invention, according to a third embodiment
  • FIG. 10 is a diagram of an optoelectronic emitter and receiver device
  • FIGS. 11a to 11k represent the steps of making microbeads on an optoelectronic element, produced during a process for producing an optoelectronic emitter and receiver device, object of the present invention
  • FIG. 12 represents the steps of hybridization of an optoelectronic element on a platform, carried out during a process for producing an optoelectronic emitter and receiver device, object of the present invention.
  • FIG. 4 shows a section of an optoelectronic transmitter and receiver device 100, object of the present invention, according to a first embodiment.
  • This device 100 comprises a platform 101.
  • the platform 101 is made of silicon.
  • the platform 101 is pierced and is provided with at least one through hole 102.
  • this hole 102 has a substantially constant section along a thickness of the platform. Indeed, in this first embodiment, the hole 102 has a substantially cylindrical shape, but it could have a different shape.
  • the device 100 also comprises a first optoelectronic element 103, integral with the platform 101 and disposed substantially opposite the hole 102. In FIG. 4, this first optoelectronic element 103 is centered above the hole 102.
  • the first optoelectronic element 103 is hybridized on the platform 101, that is to say that it is fixed both mechanically and electrically on the platform 101.
  • the hybridization of the first optoelectronic element 103 is performed with a connection by microbeads 104. These microbeads 104 are in a fusible material.
  • microbeads 104 are used to perform the hybridization. These microbeads 104 are disposed substantially peripherally on a face 114 of the first optoelectronic element 103. In FIG. 4, only two microbeads 104 are visible.
  • the fusible material may for example be an alloy based on gold and tin, an alloy based on tin and lead, or a pure or almost pure metal based on tin or indium. In this first embodiment, they all have substantially the same diameter.
  • microbeads 104 are in contact with the first optoelectronic element 103 and with the platform 101 through metal contacts 130, 134, not shown in Figure 4 but visible in Figure 12.
  • This first optoelectronic element 103 transmits or receives a first laser beam 105 at a first wavelength according to its nature (transmitter or receiver).
  • the first optoelectronic element 103 is a laser emitter, for example a VCSEL 131, which emits the first laser beam 105, as illustrated in FIG. 5.
  • This VCSEL 131 may comprise the same types of elements as those comprising the VCSEL 8 illustrated in FIG.
  • the device 100 is intended to cooperate with an optical fiber 2.
  • the optical fiber 2 is introduced into the hole 102 of the platform 101, as can be seen in FIG. 4.
  • the optical fiber 2 makes it possible to convey the first laser beam 105 emitted by the VCSEL 131.
  • the device 100 also comprises at least a second optoelectronic element 106.
  • This second optoelectronic element 106 is also hybridized on the platform 101 and is also centered substantially above the hole 102.
  • the second optoelectronic element 106 is arranged above the first optoelectronic element 103 so that this first optoelectronic element 103 is placed between the platform 101 and the second optoelectronic element 106. Since the first optoelectronic element 103 is the transmitting element of the transmitting and receiving device 100, the second optoelectronic element 106 is therefore a receiving element of the device 100, so that the device 100 is both transmitter and receiver. For example, in FIG.
  • the second optoelectronic element 106 is a photodetector, such as a photodiode 132.
  • the photodiode 132 receives a second laser beam 107 at a second wavelength, different from the first one. wavelength of the first laser beam 105, conveyed by the optical fiber 2, which passes through the VCSEL 131 before reaching the photodiode 132.
  • the second optoelectronic element 106 is hybridized on the platform 101 with a connection by microbeads 108.
  • the microbeads 108 associated with the second optoelectronic element 106 are made based on a fusible material.
  • the fusible material of these microbeads 108 may be one of those listed above in the description for the fusible material of the microbeads 104.
  • the microspheres 108 associated with the second optoelectronic element 106 also all have substantially the same diameter. allowing the two optoelectronic elements 103, 106 to be substantially parallel to one another, and in contact with the second optoelectronic element and with the platform 101 through electrical contacts, not shown in FIG. 4.
  • These microbeads 108 associated with the second optoelectronic element 106 are disposed substantially peripherally on a face 113 of the second optoelectronic element 106.
  • the first optoelectronic element 103 and the second optoelectronic element 106 are passively coupled with the optical fiber 2, the alignment being achieved by the positioning accuracy of the optoelectronic elements 103, 106 that the microbeads 104, 108 offer.
  • the second laser beam 107 coming from the optical fiber 2 passes firstly through the VCSEL 131 before reaching the photodiode 132.
  • VCSEL 131 which is transparent or quasi-transparent at the second wavelength so that the second laser beam 107 arrives with enough power in the photodiode 132.
  • two parameters of the VCSEL 131 can be taken into consideration:
  • the minimization of the areas of the VCSEL 131 areas that are absorbent or reflective to the second laser beam 107 received is relatively difficult to implement because the geometry of the laser cavity 23 of the VCSEL 131 has a direct influence on the first laser beam For example, laterally, too small a laser cavity 23 would make the first laser beam 105 emitted unsuitable for effective passive coupling with the optical fiber 2.
  • the mirrors 21, 22 of the laser cavity 23 are highly reflective at the first wavelength and highly transmissive to the second length of wave.
  • the two mirrors 21, 22 are generally Bragg mirrors.
  • Each of the mirrors 21, 22 is typically formed of a stack 29, 30, visible in FIG.
  • alternating with two different refractive index materials for example aluminum arsenide (AlAs) and arsenide gallium [GaAs], and of thickness corresponding to a phase shift of approximately ⁇ / 4 with ⁇ a transmission wavelength of the VCSEL 131, here the first wavelength. Therefore, in order to increase the reflectivity at the first wavelength, it is sought to slightly modify the structure of one or more Bragg mirrors 21, 22 of the VCSEL 131 by increasing the number of layers of different materials of one or more stacks. 29, 30. This modification makes it possible to obtain a VCSEL 131 having a "transmission window" at a given wavelength, that is to say a VCSEL 131 transparent or quasi-transparent at the second wavelength but highly reflective at the first wavelength.
  • AlAs aluminum arsenide
  • GaAs arsenide gallium
  • This technique is already used for optically pumped VCSELs.
  • VCSELs having a highly reflective Bragg mirror at a wavelength of about 1300 nanometers, the emission wavelength of the VCSEL, and having a transmission range around 980 nanometers, length of wave of a pump beam that passes through the mirror and excites the quantum wells of the VCSEL laser cavity.
  • Figure 6A shows a reflectivity curve of a Bragg mirror generally used in a standard VCSEL. It can be seen in this FIG. 6A that the spectral reflectivity curve of the Bragg mirror is of the bandpass type centered around the wavelength of 1300 nanometers, the emission wavelength of this standard VCSEL.
  • Figure 6B shows a reflectivity curve of a modified Bragg mirror as explained above. It can be seen on this curve that the reflection at about 1300 nanometers is respected and that, moreover, it makes it possible to obtain an appreciable gain in transmission at about 1500 nanometers, this gain being greater than about 80%.
  • This mirror was made with a stack of 25 layers of AlAs and GaAs 1 'AlAs layers having a thickness of 55.84 nanometers and GaAs layers having a thickness of 95.22 nanometers except for the GaAs layer which is at one end of the mirror which has a thickness of 47.61 nanometers.
  • a second solution to obtain the maximization of VCSEL 131 transmission at the second wavelength is to replace one or both Bragg mirrors 21, 22 by so-called "dichroic" mirrors. These mirrors are made with the same techniques as the Bragg mirrors, but the thickness of each layer is optimized so as to obtain generally a high-pass or low-pass reflectivity. It is thus possible to maximize the reflectivity of the mirror at the first wavelength and to minimize its reflectivity at another wavelength.
  • this type of stack is difficult to achieve because each layer has a different thickness and it is important to perfectly control the deposition rate. This kind of stacking is much less tolerant to small thickness errors than a conventional Bragg mirror.
  • the VCSEL 131 shown in detail in Figure 5 comprises the mirror 21, manufactured with 30 GaAs and AlAs bilayers.
  • the VCSEL 131 comprises the mirror 22, manufactured with 25 GaAs and AlAs bilayers identical to those of the mirror 21.
  • FIG. 1 An example of such a structure includes a p-doped InP substrate, on which is formed a layer of InAlAs doped p of thickness 0.4 micrometers. On this layer is realized the multiple quantum well structure, involving 10 alternations of layers of InGaAs of 9 nanometers thick and InAlAs of 20 nanometers thick. Finally the assembly is covered with a layer of n-doped InAlAs of thickness 0.3 micrometers.
  • a filter 109 is inserted between the first 103 and the second optoelectronic element 106, that is to say in this variant of the first embodiment, between the VCSEL 131 and the photodiode 132, as can be seen in Figure 7A.
  • This filter 109 may for example be made in the same manner as a Bragg mirror, as explained above.
  • the filter 109 may also be disposed on the face 113 of the second optoelectronic element 106, this face 113 being on the side of the first optoelectronic element 103, as can be seen in FIG. 7B.
  • FIG. 8 an optoelectronic emitter and receiver device 100, object of the present invention, according to a second embodiment, is shown in FIG. 8.
  • This device 100 comprises, like the device 100 according to the first embodiment, a platform 101 similar to that of FIG. 4, a first and a second optoelectronic element 103, 106 which are, as in the first embodiment, respectively a VCSEL 131 and a photodiode 132.
  • the VCSEL 131 is hybrid on platform 101 by microbeads 104 based on a fusible material.
  • the photodiode 132 is hybridized on the platform 101 by microbeads 108 which do not all have substantially the same diameter.
  • the diameter of each of the microspheres 108 is made so that the two optoelectronic elements 103, 106 are no longer substantially parallel to each other.
  • the second laser beam 107 issuing from the optical fiber 2 no longer perpendicularly reaches the photodiode 132. This inclination reduces the specular reflection towards the VCSEL 131 because, if there is reflection, the second laser beam 107 is reflected side by side. of the laser cavity 23 of the VCSEL 131.
  • FIG. 9 A third embodiment of an optoelectronic transmitter and receiver device 100 according to the present invention is shown in FIG. 9.
  • the device 100 comprises a pierced platform 101, a first element 103, which is a VCSEL 131 in this embodiment, hybridized on the platform 101 by microbeads 104, and a second element 106, which is here a photodiode 132, hybridized on the platform 101 by microbeads 108.
  • the difference compared to the first embodiment is that the VCSEL 131 is equipped with a microlens 110 integrated on its emission surface 24. This microlens 110 increases the distance between the VCSEL 131 and an optical fiber 2.
  • the diameter of the microbeads 104 in this FIG. 9 is greater than that of the microbeads 104 of FIG. 4 for example.
  • FIG 10 shows an optoelectronic transmitter and receiver device.
  • This device comprises a pierced platform 101 similar to that of the first embodiment, a first optoelectronic element 103 which is in this figure 10 a photodiode 132, and a second optoelectronic element 106 which is in this figure 10 a VCSEL 131
  • the photodiode 132 is hybridized on the platform 101 by microbeads 104.
  • the second optoelectronic element 106 that is to say the VCSEL 131, is secured to the platform 101 via the first optoelectronic element 103.
  • the VCSEL 131 is hybridized by microbeads 108 on the photodiode 132.
  • the photodiode 132 Since it is the photodiode 132 which is arranged between the VCSEL 131 and the optical fiber 2, the photodiode 132 is transparent to the first length of wave of the first laser beam 105 emitted by the VCSEL 131. Suitable materials will be chosen for this purpose and the spectral transmission curves of mirrors, not shown in this figure, will be adapted if necessary. made on the photodiode.
  • the present invention also relates to a method of producing a transmitter and receiver device 100, also object of the present invention, which is intended to cooperate with an optical fiber 2.
  • a first optoelectronic element 103 here a VCSEL 131
  • a platform 101 pierced provided with at least one through hole 102.
  • This hole 102 may for example be made during an earlier step in which the platform 101 is pierced to form the hole 102.
  • the optical fiber 2 is introduced into this hole 102.
  • the VCSEL 131 used is similar to that described in the previous FIG. 5.
  • the stacks 29, 30 of layers of different materials forming the Bragg mirrors 21, 22, as well as the active medium 20, are generally produced by vapor phase epitaxy. for example from organometallic compounds (MOCVD organometallic chemical vapor deposition) or molecular beam epitaxy of semiconductor alloys such as aluminum arsenide (AlAs) or gallium arsenide, for example (GaAs). These techniques make it possible to adjust the deposition and the thickness of layers of semiconductor material with a precision of the order of the interatomic distance 0.
  • the Bragg mirrors 20 and 21 can also be made by techniques less expensive deposition in thin layers, such as for example by evaporation or sputtering, of dielectric materials, for example silicon dioxide
  • the spacing between the mirrors of a VCSEL is of the order of 1 to 2 micrometers: it follows that the modes of such a laser are well separated (very large free spectral range).
  • the joining of the VCSEL 131 with the platform 101 may for example be achieved by hybridization of the first optoelectronic element 103 on the platform 101. For this, a connection by microbeads 104 will be used.
  • the microbeads 104 are thus made based on a fusible material on a face 114 of the first optoelectronic element 103, said face 114 being intended to face the optical fiber 2 when the first optoelectronic element 103 is hybridized on the platform 101.
  • FIGS. 11a to 11k The different steps of manufacturing microbeads 104 on the first optoelectronic element 103 are illustrated in FIGS. 11a to 11k.
  • FIG. 11a In these figures 11a to 11k, only a substrate 115 of the first element 103 is shown, and only the manufacture of two microbeads 104 is shown.
  • the step of Figure 11a is to deposit on the face 114 a bonding metallization of a wettable material 119 for a fusible material which will compose the microbeads.
  • the wettable material 119 can be composed for example of three thin layers 116, 117 and 118 respectively of titanium, nickel and gold.
  • FIG. 11b a resin layer 120 is deposited and spread on the wettable material 119.
  • the step of FIG. Lie is an exposure of the resin layer 120 to leave only resin locations 121, 122 corresponding to future microbeads reception areas.
  • the wettable material 119 which is not under the locations 121, 122 is etched away, forming metal contacts 134.
  • the resin locations 121, 122 are removed by dissolution with a solvent.
  • a metal base 123 is deposited on the metal contacts 134 and on the parts of the substrate 115 which are discovered next to the metal contacts 134. This metal base 123 may for example be made by sputtering. The nature of the material constituting the metal base 123 depends on the fuse material that will be used for the microbeads.
  • the metal base 123 is also an alloy composed of 60% tin and 40% lead.
  • the resin 124 is deposited between the metal contacts 134 in order to define areas 125, 126 in which the fusible material of the microbeads will be introduced.
  • a fusible alloy 127 is deposited in the zones 125, 126 in the step of Figure Hh. This fusible alloy 127 can for example be made by electrolytic growth or electrodeposition.
  • the Resin 124 is removed for example by dissolution with a solvent, thereby creating areas 128 in which the metal bottom 123 is exposed.
  • the substrate 115 is heated to reach a temperature greater than or equal to the melting temperature of the fusible material 127.
  • the substrate 115 is heated to reach a temperature greater than or equal to the melting temperature of the fusible material 127.
  • the substrate 115 is heated to reach a temperature greater than or equal to the melting temperature of the fusible material 127.
  • surface tensions will cause the The shape and size of the microbeads 104 depend on the amount of fusible material 127 relative to the size of the metal contacts 134.
  • each metal contact 134 is made to have dimensions proportional to the diameter of the microbead 104 which will be in contact with it.
  • the amount of fusible material 127 introduced into each of the zones 125, 126 is proportional to the desired microbead size 104.
  • the process of manufacturing the microbeads 108 on the second optoelectronic element 106 is similar to what has been presented previously for the microbeads 104.
  • the first optoelectronic element 103 is secured to the platform 101 by hybridization of the first optoelectronic element 103 on the platform 101.
  • the hybridization of an element with self-alignment on microbeads of fusible material has been developed and is generally used for brazing components with self-alignment. This type of hybridization uses the surface tension forces exerted by a drop of meltable fusible material on the part to be fixed.
  • Figure 12 shows different steps for hybridization of the first element 103 on the platform 101. Hybridization of the second element 106 on the platform 101 would be similar.
  • Step a) consists in pre-aligning the first optoelectronic element 103 on metal contacts 130 of the platform 101. These metal contacts 130 define the desired location of the first element 103 on the platform 101.
  • step b) the microbeads 104 are heated, so that they wet the metal contacts 130.
  • step c) surface tension forces are exerted by the microbeads 104 on the first element 103.
  • the molten fusible material of the microspheres 104 tends to minimize its contact surface with the external environment, this results in a self-alignment of the first element 103 on the platform 101.
  • the precisions thus obtained can be submicron depending on the number and the size of the microbeads 104.
  • the first optoelectronic element 103 is hybridized accurately in front of the hole 102.
  • the second optoelectronic element 106 is then hybridized on the platform 101 in the same manner as has just been explained. the first optoelectronic element 103. In FIG. the second optoelectronic element 106 is intended to be hybridized directly on the platform 101
  • the method may comprise a further step of inserting a filter 109, as shown in FIG. 7A, between the first optoelectronic element 103 and the second optoelectronic element 106, or arranging the filter 109 on a face 113. of the second optoelectronic element 106, as shown in FIG. 7B, when the first optoelectronic element 103 is a laser emitter and the second optoelectronic element 106 is a photodetector, to protect the photodetector from the parasitic laser beams emitted by the emitter laser towards the photodetector.

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Abstract

L'invention se rapporte à un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) , comportant une plate-forme (101) percée munie d'au moins un trou (102) traversant pour l'introduction d'une fibre optique (2) , un premier élément optoélectronique (103) solidaire de la plate-forme (101) , disposé sensiblement en face du trou (102) et destiné à émettre ou recevoir un premier faisceau laser (105) à une première longueur d'onde, et au moins un second élément optoélectronique (106) hybride sur la plate-forme (101) et disposé sensiblement en face du trou (102) . Le premier élément (103) est disposé entre la plate-forme (101) et le second élément (106) qui est destiné à recevoir ou émettre un second faisceau laser (107) à une seconde longueur d'onde, différente de la première, traversant le premier élément (103) .

Description

DISPOSITIF EMETTEUR ET RECEPTEUR OPTOELECTRONIQUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne le domaine des télécommunications, et plus particulièrement le domaine des composants situés aux interfaces optique/électrique des réseaux de télécommunication, tel qu'un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique, couramment appelé « transceiver », et un procédé pour sa fabrication. Ce dispositif convient particulièrement à la transmission et à la réception de données dans un réseau optique de télécommunication.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La progression rapide des performances des modems et des systèmes de ligne d' abonné numérique (xDSL, pour x Digital Subscriber Line) montre bien qu'avant 2010, les technologies sur cuivre parviendront au maximum de leurs limites . Seule la technologie de réseau optique passif (PON pour Passive Optical Network) est en mesure de répondre à une vaste demande au prix le plus faible du marché. Dans ce type de réseau, des composants se situant aux interfaces optique/électrique jouent le rôle d'émetteur et de récepteur, et effectuent la conversion des signaux optiques en signaux électriques, et inversement. Ces dispositifs émetteur et récepteur sont appelés couramment « transceivers » . Dans les réseaux PON, deux types de transceivers sont actuellement déployés : les duplexeurs, qui sont typiquement composés d'un circuit optoélectronique connecté à une fibre optique par laquelle transitent des signaux optiques descendants, c'est-à-dire des signaux provenant d'un réseau vers le transceiver, et des signaux optiques ascendants, c'est-à-dire des signaux émis par le transceiver vers le réseau. Les signaux optiques descendants ont généralement une longueur d'onde différente de celle des signaux optiques ascendants. Pour un duplexeur, ces signaux optiques descendants et ascendants transportent des données d'information et/ou de communication vocale. La figure IA représente un exemple de duplexeur 1. Une fibre optique 2 a une première extrémité connectée au duplexeur 1 et une seconde extrémité connectée à un réseau PON 3. Sur la figure IA, un signal optique descendant λd\ et un signal optique ascendant λa , tous deux transportant des données d'information et/ou de communication vocale, sont acheminés par la fibre optique 2.
- les triplexeurs, qui sont des dispositifs très analogues aux duplexeurs . Par rapport aux duplexeurs, ils gèrent en général une voie descendante supplémentaire affectée au transport d' information vidéo. La figure IB représente un exemple de triplexeur 4. Une fibre optique 2 a une première extrémité connectée au triplexeur 4 et une seconde extrémité connectée à un réseau PON 3. Sur la figure IB, la fibre optique 2 transmet un signal optique descendant λd\ de données d'information et/ou de communication vocale, un signal optique descendant λd2 d'information vidéo et un signal optique ascendant λa de données d'information et/ou de communication vocale. En transmission optique, le composant émetteur utilisé dans un transceiver est généralement de l'un des deux types suivants : Laser à émission par la tranche (ou EEL pour Edge Emitting Laser) ou Laser à émission par la surface à cavité verticale (ou VCSEL pour Vertical Cavity Surface Emitting Laser) . La figure 2A représente un EEL 5 émettant un faisceau laser 6 par un côté 7. La figure 2B représente un VCSEL 8 qui émet un faisceau laser 6 par une surface 9.
La figure 2C est une représentation détaillée du VCSEL 8. Le VCSEL 8 comporte une cavité laser 23 verticale. Un milieu actif 20, à base de matériaux semi-conducteurs à puits quantiques multiples se trouve dans cette cavité laser 23. Le milieu actif 20 est un arrangement périodique de couches de matériau semi-conducteur à grande largeur de bande interdite (par exemple de l'arséniure d'aluminium et de gallium GaAlAs ou de l'arséniure d'aluminium AlAs) et de couches de matériau semi-conducteur à petite largeur de bande interdite (par exemple de l'arséniure de gallium GaAs). Sur la figure 2C, l'épaisseur du milieu actif 20 est très faible car il ne contient que quelques puits quantiques. Lorsqu'une couche mince de matériau semiconducteur à petite largeur de bande interdite (typiquement de l'ordre de 10 nanomètres) est disposée entre deux couches de matériau à largeur de bande interdite plus grande, les électrons et les trous du matériau à faible largeur de bande interdite sont confinés dans des puits de potentiel à une direction. Le mouvement d'un électron dans un puits quantique, créé dans la bande de conduction (de hauteur AEc), est quantifié dans des états permis discrets d'énergie Eλ , E2, E3,... De même, le mouvement d'un trou dans un puits quantique, créé dans la bande de valence (de hauteur AEv) est quantifiée en états permis discrets, d'énergie E\ , E2 , E^1... Lorsque l'épaisseur du matériau à petite largeur de bande interdite varie, les états d'énergie pris par les porteurs varient également. La longueur d'onde d'émission des structures à puits quantiques multiples peut donc être ajustée par le choix de la nature et de l'épaisseur des couches de matériau semi- conducteur. La cavité laser 23 peut être pompée électriquement à l'aide d'électrodes rapportées de part et d'autre de la structure. Le VCSEL 8 comporte également un premier miroir de Bragg 21 et un second miroir de Bragg 22, entre lesquels est disposé le milieu actif 20. Ces deux miroirs de Bragg 21, 22 se composent de couches minces successives de matériaux semi-conducteurs. Les miroirs de Bragg 21, 22 peuvent être par exemple réalisés à base d'arséniure d'aluminium [AlAs) et d'arséniure de gallium [GaAs). Chaque miroir 21, 22, monolithique, peut être réalisé, à une longueur d'onde λ , en employant un empilement de couches i et j , respectivement de matériau à haut et bas indices optiques ng , d'épaisseur correspondant à un déphasage environ égal à λ/4. Mais les miroirs peuvent également être réalisés à base de matériaux diélectriques tels que du dioxyde de silicium (SiO2), du dioxyde de titane ( TiO2 ) ou encore du dioxyde d'hafnium (HfO2). L'axe de propagation d'un faisceau laser 6, qui est également l'axe de la cavité laser 23, est sensiblement perpendiculaire au plan défini par les couches de semi-conducteur des miroirs de Bragg 21, 22 et du milieu actif 20. Le faisceau laser 6 est émis depuis une face avant 24 du VSCEL 8. Typiquement, un faisceau laser émis par un VCSEL classique est circulaire, de diamètre égal à environ 20 micromètres, présente une divergence d'environ 7°, et une largeur spectrale de quelques dixièmes de nanomètres (par exemple 0,3 nanomètres) . Pour des gammes de longueurs d'onde autour de 1310 nanomètres ou de 1550 nanomètres, le VCSEL 8 émet de la lumière vers la face avant 24 mais également vers une face arrière 25, opposée à la face avant 24, car le substrat utilisé est généralement transparent à ces longueurs d'onde, et les miroirs de Bragg 21, 22 qui forment la cavité laser verticale 23 n'ont pas un taux de réflectivité de 100%. Typiquement, dans un VCSEL classique, le miroir de Bragg se trouvant du côté d'une face avant du VCSEL a un taux de réflectivité plus faible que le miroir se trouvant du côté d'une face arrière du VCSEL, afin de déterminer la direction d'émission. Pour le VCSEL 8 de la figure 2C, le taux de réflectivité pour le premier miroir de Bragg 21 se trouvant du côté de la face arrière 25 est d'environ 99,8% et d'environ 99% pour le second miroir de Bragg 22 se trouvant du côté de la face avant 24. Un VCSEL à base de AlGaAs peut émettre quelques milliwatts à une longueur d'onde comprise sensiblement entre 800 et 850 nanomètres, dans un faisceau à section circulaire de diamètre environ égal à 8 micromètres . Un VCSEL à base de InGaAs émet une puissance d'environ 50 milliwatts à environ 980 nanomètres, pour un faisceau circulaire de diamètre environ égal à 30 micromètres. Les puissances de ces deux exemples correspondent à des puissances d' émission en continu. Les diamètres des faisceaux émis par des VCSEL varient de quelques micromètres jusqu'à environ 150 micromètres. Enfin, la structure d'un VCSEL se prête aisément à la fabrication de réseaux de VCSEL à une ou deux dimensions.
Le composant récepteur utilisé dans un transceiver est généralement un photodétecteur de type photodiode à base d'un matériau tel que l'arséniure de gallium [GaAs), l'arséniure de gallium et d' indium [InGaAs) ou le phosphure d' Indium [InP) .
Les duplexeurs et les triplexeurs sont des multiplexeurs utilisant actuellement l'une des deux techniques de multiplexage suivantes : le multiplexage en faisceau libre avec lame séparatrice, ou le multiplexage en optique guidée planaire.
Le multiplexage en faisceau libre avec lame séparatrice est la technique la plus basique. Un transceiver 10 utilisant cette technique de multiplexage est représenté sur la figure 3A. Il comporte un émetteur 11 laser de type EEL ou VCSEL, un photodétecteur 12 tel une photodiode et une lame séparatrice 13. La lame séparatrice 13 est utilisée pour transmettre un signal optique ascendant λa de l'émetteur 11 vers la fibre optique 2 et pour transmettre un signal optique descendant λd\ provenant de la fibre optique 2 vers le photodétecteur 12. Des composants optiques passifs, non représentés sur la figure 3A, tels que des lentilles, sont généralement insérés à différents niveaux afin d'améliorer la mise en forme des signaux optiques λa et λd\ . Un des avantages de ce type de multiplexage est le faible coût nécessaire à la réalisation d'un tel transceiver 10 car chaque élément unitaire de ce transceiver 10 est très simple. Un autre avantage du multiplexage en faisceau libre avec lame séparatrice 13 est le taux de couplage élevé entre l'émetteur 11 et la fibre optique 2, et entre le récepteur 12 et la fibre optique 2. Ces taux de couplage élevés sont obtenus grâce aux composants optiques passifs insérés dans le transceiver 10.
Toutefois, cette solution a ses inconvénients. L'insertion des composants optiques passifs dans un transceiver à multiplexage en faisceau libre avec lame séparatrice est complexe. Il nécessite une étape délicate d'alignement de ces composants optiques passifs entre eux et avec les autres éléments du transceiver. Cet alignement est généralement effectué activement, c'est-à-dire en connectant électriquement le transceiver et en lui faisant émettre un faisceau laser, ce qui implique un traitement unitaire et séquentiel de chacun des transceivers lors de leur assemblage. De plus, l'augmentation du nombre de composants optiques dans le transceiver augmente la sensibilité aux désalignements subis lors du vieillissement du transceiver. Un autre inconvénient majeur de ce système est le fort encombrement. De part son principe, cette architecture de transceiver est particulièrement volumineuse étant données les grandes dimensions des composants unitaires utilisés, ces dimensions étant nécessaires pour leur manipulation. Un transceiver 14 utilisant le multiplexage en optique guidée planaire est représenté sur la figure 3B. Ce transceiver 14 comporte une plate-forme 15 issue d'une technologie optique guidée planaire. Cette plateforme comporte des guides optiques 16 utilisés pour le multiplexage et le démultiplexage en longueur d'onde de signaux optiques. Elle comporte également une source laser 17 pour l'émission de signaux optiques ascendants, un photodétecteur 18 pour la réception des signaux optiques descendants, ainsi qu'un séparateur optique intégré 19. Cette plate-forme 15 pourrait également accueillir d'autres composants tels qu'une thermistance, un photodétecteur de surveillance ou encore un amplificateur de courant. Cette plate-forme 15 en technologie optique guidée peut être fabriquée suivant une des trois principales technologies actuelles de réalisation de guides optiques :
- guide optique sur verre par la technique d'échange d'ions. Cette technique permet la génération de guides optiques enterrés par échange d' ions . Un substrat de verre comprenant des ions sodium, par exemple du silicate ou du borosilicate, est plongé dans un premier temps dans un bain de sels d'argent en fusion afin de faire pénétrer les ions argent dans le substrat, générant ainsi un cœur de guide en surface. Dans un second temps, le substrat subit un recuit assisté d'un champ électrique afin de faire migrer le cœur du guide en profondeur par rapport à la surface du substrat et former la géométrie de la section du cœur du guide, généralement circulaire.
Guide optique en silice dopée sur silicium réalisé en surface. Cette technique permet la génération de guides optiques par une suite de dépôts et de micro-structurations . Dans un premier temps, le cœur du guide de section carrée est réalisé à la surface d'un substrat en silicium recouvert d'une couche de silice jouant le rôle de gaine optique. Dans un second temps, le cœur du guide ainsi réalisé est recouvert d'une couche de silice afin d'obtenir une gaine d'indice de réfraction adapté autour du guide. Le cœur du guide est réalisé par les techniques de photolithographie et de gravure issues de la microélectronique dans un matériau de type silice dopée phosphore, bore ou germanium.
Guide optique sur silice sur silicium généré par implantation ionique locale. Cette technique permet la génération de guides optiques enterrés dans une couche de silice en surface d'un substrat en silicium. Les cœurs des guides sont obtenus par implantation d'ions de titane. Le contrôle de l'énergie d' implantation permet de contrôler la profondeur d'implantation et ainsi la géométrie du guide.
Par rapport au multiplexage en faisceau libre avec lame séparatrice, le multiplexage en optique guidée planaire permet d'intégrer d'avantage de fonctions électroniques dans le transceiver 14, comme par exemple un amplificateur de courant ou une thermistance, et de minimiser les étapes d'alignement, étant donné que la fonction de séparation est intégrée à la plate-forme 15 en optique guidée planaire. En revanche, cette solution présente plusieurs inconvénients techniques : - les émetteurs laser utilisés sur ce type de plate-forme sont généralement des EEL qui présentent une géométrie bien adaptée à cette technologie planaire grâce à leur émission laser par la tranche. En revanche, la forme elliptique du faisceau émis par ce type de source est en général particulièrement inadaptée à un couplage élevé dans les guides optiques. Les solutions envisagées, telle que l'adaptation de mode au niveau du guide ou par l ' intermédiaire de l'utilisation d'un système optique de couplage, complexifient l'architecture et rendent délicate l'étape d'alignement en augmentant la sensibilité du système aux erreurs de positionnement.
- La petite taille du mode dans les guides optiques (diamètre de quelques microns environ) par rapport à celui de la fibre optique (diamètre compris entre environ 10 microns et quelques dizaines de microns) nécessite l'utilisation d'un système optique de couplage fibre/guide qui complexifie là encore l'architecture et rend délicate l'étape d'alignement en augmentant la sensibilité du système aux erreurs de positionnement .
Afin de résoudre ces problèmes de couplage, la demande de brevet US 2003/0098511 propose un circuit optique hybride sur une plate-forme percée, réalisant un système de couplage passif circuit optique/fibre optique, et remplaçant ainsi l'utilisation d'un système optique de couplage tel qu'un dispositif de multiplexage en faisceau libre avec lame séparatrice ou en optique guidée planaire . On entend par « hybride » , ici et dans tout le reste de ce document, une connexion à la fois mécanique et électrique. Typiquement, si ce circuit optique est un émetteur, cet émetteur pourra être un VCSEL car la géométrie du faisceau émis par un VCSEL est naturellement plus facile à coupler dans une fibre optique. En effet, la géométrie du faisceau émis par un VCSEL est circulaire et symétrique, et non pas rectangulaire, et ne présente pas d'astigmatisme et d' ellipticité comme les diodes lasers. La figure 3C représente une architecture d'un système 26 de couplage passif circuit optique/fibre optique tel que décrit dans la demande de brevet citée auparavant. Ce système 26 comporte un circuit optique, ici un VCSEL 8, émettant un faisceau laser 6, une fibre optique 2, ainsi qu'une plate-forme percée 27. Cette architecture utilise notamment la précision des méthodes d'usinage de la microélectronique pour la plate-forme 27, qui peut être en silicium et réalisée par exemple par photolithographie ou par gravure sèche profonde, et la précision de positionnement du VCSEL 8 hybride par la technologie de connexion sur puce retournée, dite de « flip-chip », avec des microbilles 28 d'un matériau fusible. Typiquement, un tel système permet une précision latérale de centrage du VCSEL 8 par rapport au cœur de la fibre optique 2 inférieure à environ un ou deux micromètres . II est donc intéressant d'utiliser un VCSEL dans cette configuration pour un transceiver afin de bénéficier des fonctionnalités électroniques supplémentaires permises par la plate-forme, ainsi que de réaliser un couplage passif du VCSEL avec la fibre optique. Toutefois, ce type d'architecture qui est efficace pour le couplage VCSEL/fibre, peut compliquer la réalisation de la fonction couplage fibre/photodétecteur qui doit être réalisée sur un dispositif séparé. En effet, des solutions traditionnelles mettant en œuvre un système optique de prélèvement du faisceau laser émis par le VCSEL 8, entre le VCSEL 8 et la fibre optique 2 avec par exemple une lame de prélèvement, n'est pas envisageable compte tenu du faible volume disponible. Cette solution oblige donc à avoir un dispositif émetteur et un dispositif récepteur indépendants l'un de l'autre, utilisant chacun une fibre optique différente.
La demande de brevet FR 2 807 168 décrit également un dispositif et un procédé d'alignement passif de fibres optiques et de composants optoélectroniques utilisant la technique de positionnement par microbilles. Mais cette solution présente les mêmes inconvénients que le dispositif proposé dans la demande de brevet US 2003/0098511.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de proposer un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique qui ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus, c'est-à-dire un dispositif émetteur et récepteur bénéficiant à la fois d'une plate-forme permettant d'accueillir des fonctions électroniques supplémentaires, dont les systèmes de couplage émetteur/fibre et fibre/photodétecteur sont performants et adaptés à un assemblage passif, et qui soit compact . Pour atteindre ces buts, la présente invention propose un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique, destiné à coopérer avec une fibre optique, comportant :
- une plate-forme percée, munie d'au moins un trou traversant dans lequel la fibre optique doit être introduite, et un premier élément optoélectronique solidaire de la plate-forme, disposé sensiblement en face du trou et destiné à émettre ou recevoir un premier faisceau laser à une première longueur d'onde devant être véhiculé par la fibre optique, et comportant au moins un second élément optoélectronique hybride sur la plate-forme et disposé sensiblement en face du trou, le premier élément optoélectronique étant disposé entre la plate-forme et le second élément optoélectronique, qui est destiné à recevoir ou émettre un second faisceau laser à une seconde longueur d'onde, différente de la première longueur d'onde, traversant le premier élément optoélectronique et devant être véhiculé par la fibre optique .
Ainsi, au lieu de réaliser un dispositif de multiplexage en faisceau libre avec lame séparatrice encombrant et nécessitant un alignement complexe, ou un dispositif de multiplexage en optique guidée planaire dont le mise en œuvre du couplage est complexe, ou enfin un circuit optique hybride sur une plate-forme percée, réalisant un système de couplage passif d'un circuit optique avec une fibre optique mais nécessitant deux fibres optiques pour réaliser l'émission et la réception, on réalise un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique comportant deux éléments optoélectroniques superposés, réalisant ainsi le couplage émetteur/fibre et fibre/photodétecteur passivement sur une plate-forme qui permet d'intégrer des fonctions électroniques supplémentaires, le tout nécessitant un minimum d'espace.
De plus, le second élément optoélectronique étant hybride directement sur la plate-forme, un contact électrique direct est réalisé entre le second élément optoélectronique et la plate-forme, sans passer par le premier élément optoélectronique. Le premier élément optoélectronique n'a donc pas à être réalisé en technologie double face, simplifiant ainsi la réalisation technologique de cet élément par rapport à des dispositifs de l'art antérieur comportant un second élément optoélectronique hybride sur un premier élément optoélectronique .
La présente invention propose également un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique, comportant :
- une plate-forme percée, munie d'au moins un trou traversant pour l'introduction d'une fibre optique, un premier élément optoélectronique solidaire de la plate-forme, disposé sensiblement en face du trou et destiné à émettre ou recevoir un premier faisceau laser à une première longueur d'onde, au moins un second élément optoélectronique hybride sur la plate-forme et disposé sensiblement en face du trou, le premier élément optoélectronique étant disposé entre la plate-forme et le second élément optoélectronique, qui est destiné à recevoir ou émettre un second faisceau laser à une seconde longueur d'onde, différente de la première longueur d'onde, traversant le premier élément optoélectronique .
Il est préférable que le premier élément optoélectronique soit transparent ou quasi-transparent à la seconde longueur d'onde du second faisceau laser reçu ou émis par le second élément optoélectronique, afin que ce second faisceau laser arrive avec le moins de pertes de puissance dans le second élément optoélectronique ou une fibre optique.
Le premier élément optoélectronique peut être un émetteur laser, tel un VCSEL.
Le second élément optoélectronique peut être un photodétecteur, tel une photodiode.
Dans une autre variante, le premier élément optoélectronique peut être un photodétecteur, tel une photodiode.
Dans ce cas, le second élément optoélectronique peut être un émetteur laser, tel un VCSEL .
Le VCSEL peut comporter une surface d'émission de faisceau laser orientée face au trou et une microlentille intégrée sur cette surface d' émission.
Le premier élément optoélectronique peut être hybride sur la plate-forme. Dans ce cas, il est préférable que l'hybridation du premier élément optoélectronique sur la plate-forme soit réalisée avec une connexion par microbilles. Ces microbilles assurent le couplage passif du premier élément optoélectronique avec la fibre optique et aussi la fixation mécanique et un contact électrique et thermique entre ce premier élément et la plate-forme.
Il est alors préférable que les microbilles associées au premier élément optoélectronique soient à base d'un matériau fusible.
On peut alors envisager que le matériau fusible soit un alliage à base d'or et d'étain, d'étain et de plomb, ou un métal pur ou quasiment pur à base d'étain ou d'indium. • II est préférable que l'hybridation du second élément optoélectronique soit réalisée avec une connexion par microbilles.
Dans ce cas, il est préférable que les microbilles associées au second élément optoélectronique soient à base d'un matériau fusible.
On peut alors envisager que le matériau fusible soit un alliage à base d'or et d'étain, d'étain et de plomb, ou un métal pur ou quasiment pur à base d'étain ou d'indium. Toutes les microbilles associées au second élément optoélectronique peuvent avoir sensiblement un même diamètre .
Dans un autre cas, les microbilles associées au second élément optoélectronique, peuvent ne pas toutes avoir sensiblement un même diamètre.
Un filtre peut être inséré entre le premier et le second élément optoélectronique.
Ce filtre peut être disposé sur une face du second élément optoélectronique qui se trouve du côté du premier élément optoélectronique .
La plate-forme peut être à base de silicium.
La présente invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif émetteur et récepteur, destiné à coopérer avec une fibre optique, comportant les étapes suivantes : a) solidarisation d'un premier élément optoélectronique avec une plate-forme percée, munie d'au moins un trou traversant dans lequel la fibre optique doit être introduite, le premier élément optoélectronique étant disposé sensiblement en face du trou, b) solidarisation d'un second élément optoélectronique avec la plate-forme, le second élément optoélectronique comportant une face disposée sensiblement en face du trou, réalisée selon les étapes suivantes :
- réalisation de microbilles à base d'un matériau fusible sur la face du second élément optoélectronique, ladite face étant destinée à être du côté du trou, hybridation du second élément optoélectronique sur la plate- forme par les microbilles, le premier élément optoélectronique étant disposé entre la plate- forme et le second élément optoélectronique .
La présente invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif émetteur et récepteur, comportant les étapes suivantes : a) solidarisation d'un premier élément optoélectronique avec une plate-forme percée, munie d'au moins un trou traversant pour l'introduction d'une fibre optique, le premier élément optoélectronique étant disposé sensiblement en face du trou, b) solidarisation d'un second élément optoélectronique avec la plate- forme, le second élément optoélectronique comportant une face disposée sensiblement en face du trou, réalisée selon les étapes suivantes : réalisation de microbilles à base d'un matériau fusible sur la face du second élément optoélectronique, ladite face étant destinée à être du côté du trou, hybridation du second élément optoélectronique sur la plate-forme par les microbilles, le premier élément optoélectronique étant disposé entre la plate-forme et le second élément optoélectronique . Le procédé, objet de la présente invention, peut comporter avant l'étape a) une étape de perçage de la plate-forme, réalisant ainsi le trou.
La solidarisation du premier élément optoélectronique avec la plate-forme peut être réalisée selon les étapes suivantes :
- réalisation de microbilles à base d'un matériau fusible sur une face du premier élément optoélectronique, ladite face étant destinée à être en face du trou ou de la fibre optique, hybridation du premier élément optoélectronique sur la plate-forme par les microbilles .
On peut envisager que le procédé, objet de la présente invention, comprenne une étape supplémentaire consistant à insérer, entre le premier élément optoélectronique et le second élément optoélectronique, un filtre.
On peut également envisager que le procédé, objet de la présente invention, comprenne une étape supplémentaire consistant à disposer un filtre sur ladite face du second élément optoélectronique.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure IA, déjà décrite, est un exemple de duplexeur de la technique antérieure, la figure IB, déjà décrite, est un exemple de triplexeur de la technique antérieure, la figure 2A, déjà décrite, est un exemple d'EEL de la technique antérieure, - la figure 2B, déjà décrite, est un exemple de VCSEL de la technique antérieure, la figure 2C, déjà décrite, est un exemple de VCSEL de la technique antérieure, la figure 3A, déjà décrite, est un exemple de transceiver à multiplexage en faisceau libre avec lame séparatrice de la technique antérieure, la figure 3B, déjà décrite, est un exemple de transceiver à multiplexage en optique guidée planaire de la technique antérieure, - la figure 3C, déjà décrite, est un exemple de dispositif de couplage passif circuit optique/fibre optique de la technique antérieure,
- la figure 4 est un schéma d'un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique, objet de la • présente invention, selon un premier mode de réalisation, la figure 5 est une coupe d'un VCSEL utilisé dans un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique, objet de la présente invention, - la figure 6A représente une courbe de réflectivité d'un miroir de Bragg standard, la figure 6B représente une courbe de réflectivité d'un miroir de Bragg modifié, la figure 7A est un schéma d'un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique, objet de la présente invention, selon une variante du premier mode de réalisation, la figure 7B est un schéma d'un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique, objet de la présente invention, selon une autre variante du premier mode de réalisation,
- la figure 8 est un schéma d'un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique, objet de la présente invention, selon un second mode de réalisation,
- la figure 9 est un schéma d'un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique, objet de la présente invention, selon un troisième mode de réalisation, - la figure 10 est un schéma d'un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique, les figures lia à 11k représentent les étapes de réalisation de microbilles sur un élément optoélectronique, réalisées durant un procédé de réalisation d'un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique, objet de la présente invention,
- la figure 12 représente les étapes d'une hybridation d'un élément optoélectronique sur une plate-forme, réalisées durant un procédé de réalisation d'un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique, objet de la présente invention.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles .
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On se réfère à la figure 4 qui montre une coupe d'un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique 100, objet de la présente invention, selon un premier mode de réalisation. Ce dispositif 100 comporte une plate-forme 101. Dans cet exemple de réalisation, la plate-forme 101 est réalisée à base de silicium. La plate-forme 101 est percée et est munie d'au moins un trou 102 traversant. Sur la figure 4, ce trou 102 a une section sensiblement constante le long d'une épaisseur de la plate-forme. En effet, dans ce premier exemple de réalisation, le trou 102 a une forme sensiblement cylindrique, mais il pourrait avoir une forme différente.
Le dispositif 100 comporte également un premier élément optoélectronique 103, solidaire de la plate-forme 101 et disposé sensiblement en face du trou 102. Sur la figure 4, ce premier élément optoélectronique 103 est centré au-dessus du trou 102. Dans ce premier mode de réalisation, le premier élément optoélectronique 103 est hybride sur la plate-forme 101, c'est-à-dire qu'il est fixé à la fois mécaniquement et électriquement sur la plate-forme 101. Dans cet exemple de réalisation, l'hybridation du premier élément optoélectronique 103 est réalisée avec une connexion par microbilles 104. Ces microbilles 104 sont en un matériau fusible. Outre leur rôle de connexion mécanique et électrique, elles ont également un rôle thermique car elles permettent de dissiper la chaleur due au fonctionnement du premier élément optoélectronique 103. Plusieurs dizaines de microbilles 104 sont utilisées pour réaliser l'hybridation. Ces microbilles 104 sont disposées sensiblement à la périphérie sur une face 114 du premier élément optoélectronique 103. Sur la figure 4, seules deux microbilles 104 sont visibles. Le matériau fusible peut par exemple être un alliage à base d'or et d'étain, un alliage à base d'étain et de plomb, ou un métal pur ou quasiment pur à base d'étain ou d'indium. Dans ce premier exemple de réalisation, elles ont toutes sensiblement un même diamètre. Ces microbilles 104 sont en contact avec le premier élément optoélectronique 103 et avec la plate-forme 101 à travers des contacts métalliques 130, 134, non représentés sur la figure 4 mais visibles sur la figure 12. Ce premier élément optoélectronique 103 émet ou reçoit un premier faisceau laser 105 à une première longueur d'onde suivant sa nature (émetteur ou récepteur). Sur l'exemple de réalisation de la figure 4, le premier élément optoélectronique 103 est un émetteur laser, par exemple un VCSEL 131, qui émet le premier faisceau laser 105, comme cela est illustré sur la figure 5. Ce VCSEL 131 peut comporter les mêmes types d'éléments que ceux composant le VCSEL 8 illustré sur la figure 2C, c'est- à-dire comportant une cavité laser 23, un milieu actif 20 disposé entre deux miroirs 21, 22, une face avant 24 et une face arrière 25. Le dispositif 100 est destiné à coopérer avec une fibre optique 2. Lors du fonctionnement du dispositif 100, la fibre optique 2 est introduite dans le trou 102 de la plate-forme 101, comme on peut le voir sur la figure 4. Le fibre optique 2 permet de véhiculer le premier faisceau laser 105 émis par le VCSEL 131.
Selon la présente invention, le dispositif 100 comporte également au moins un second élément optoélectronique 106. Ce second élément optoélectronique 106 est également hybride sur la plate-forme 101 et est également centré sensiblement au dessus du trou 102. Le second élément optoélectronique 106 est disposé au dessus du premier élément optoélectronique 103 de manière à ce que ce premier élément optoélectronique 103 soit placé entre la plateforme 101 et le second élément optoélectronique 106. Etant donné que le premier élément optoélectronique 103 est l'élément émetteur du dispositif émetteur et récepteur 100, le second élément optoélectronique 106 est donc un élément récepteur du dispositif 100, pour que le dispositif 100 soit à la fois émetteur et récepteur. Par exemple, sur la figure 4, le second élément optoélectronique 106 est un photodétecteur, tel qu'une photodiode 132. Sur la figure 4, la photodiode 132 reçoit un second faisceau laser 107 à une seconde longueur d'onde, différente de la première longueur d'onde du premier faisceau laser 105, véhiculé par la fibre optique 2, qui traverse le VCSEL 131 avant d'atteindre la photodiode 132. Dans cet exemple de réalisation, comme pour le premier élément optoélectronique 103, le second élément optoélectronique 106 est hybride sur la plate-forme 101 avec une connexion par microbilles 108. Comme les microbilles 104 associées au premier élément optoélectronique 103, les microbilles 108 associées au second élément optoélectronique 106 sont réalisées à base d'un matériau fusible. Le matériau fusible de ces microbilles 108 peut être l'un de ceux énumérés plus haut dans la description pour le matériau fusible des microbilles 104. Dans cet exemple de réalisation, les microbilles 108 associées au second élément optoélectronique 106 ont également toutes sensiblement un même diamètre, ce qui permet aux deux éléments optoélectroniques 103, 106 d'être sensiblement parallèles l'un par rapport à l'autre, et sont en contact avec le second élément optoélectronique et avec la plate-forme 101 à travers des contacts électriques, non représentés sur la figure 4. Ces microbilles 108 associées au second élément optoélectronique 106 sont disposées sensiblement à la périphérie sur une face 113 du second élément optoélectronique 106.
Ainsi hybrides, le premier élément optoélectronique 103 et le second élément optoélectronique 106 sont couplés passivement avec la fibre optique 2, l'alignement étant réalisé par la précision de positionnement des éléments optoélectroniques 103, 106 qu'offre les microbilles 104, 108.
Le second faisceau laser 107 provenant de la fibre optique 2 traverse tout d'abord le VCSEL 131 avant d'arriver sur la photodiode 132. On a donc ici le VCSEL 131 qui est transparent ou quasi-transparent à la seconde longueur d'onde afin que le second faisceau laser 107 arrive avec assez de puissance dans la photodiode 132. Afin d'avoir un VCSEL 131 le plus transparent possible à la seconde longueur d'onde, donc de maximiser la transmission de ce second faisceau laser 107 à travers le VCSEL 131, deux paramètres du VCSEL 131 peuvent être pris en considération :
- la minimisation des surfaces des zones du VCSEL 131 qui sont absorbantes ou réflectives au second faisceau laser 107 reçu, telles que par exemple les contacts métalliques 130, 134 ou les miroirs 21, 22 de la cavité laser 23, la maximisation de la transmission du VCSEL 131 à la seconde longueur d'onde.
Ces deux paramètres peuvent être envisagés de manière individuelle ou combinée.
En effet, la minimisation des surfaces des zones du VCSEL 131 qui sont absorbantes ou réflectives au second faisceau laser 107 reçu est relativement délicate à mettre en œuvre car la géométrie de la cavité laser 23 du VCSEL 131 a une influence directe sur le premier faisceau laser 105 émis par le VCSEL 131. Par exemple, latéralement, une trop petite cavité laser 23 rendrait le premier faisceau laser 105 émis inadapté à un couplage passif efficace avec la fibre optique 2.
La maximisation de la transmission du VCSEL 131 à la seconde longueur d'onde est plus aisée à mettre en œuvre. Mais on cherche également à protéger la photodiode 132 des faisceaux laser parasites pouvant être émis par le VCSEL 131 par sa face arrière 25. Pour cela, on s'arrange pour que les miroirs 21, 22 de la cavité laser 23 soient hautement réflectifs à la première longueur d'onde et hautement transmissifs à la seconde longueur d'onde. Comme on l'a vu précédemment, les deux miroirs 21, 22 sont généralement des miroirs de Bragg. Chacun des miroirs 21, 22 est typiquement formé d'un empilement 29, 30, visible sur la figure 5, alterné de deux matériaux d'indices de réfraction différents, par exemple d'arséniure d'aluminium (AlAs) et d'arséniure de gallium [GaAs), et d'épaisseur correspondant à un déphasage d'environ λ/4 avec λ une longueur d'onde d'émission du VCSEL 131, ici la première longueur d'onde. Donc, pour augmenter la réflectivité à la première longueur d'onde, on cherche à modifier légèrement la structure d'un ou des miroirs 21, 22 de Bragg du VCSEL 131 en augmentant le nombre de couches de matériaux différents d'un ou des empilements 29, 30. Cette modification permet d'obtenir un VCSEL 131 présentant une « fenêtre de transmission » à une longueur d'onde donnée, c'est-à-dire un VCSEL 131 transparent ou quasi-transparent à la seconde longueur d'onde mais hautement réflectif à la première longueur d'onde. Cette technique est déjà utilisée pour des VCSEL pompés optiquement. Par exemple, il existe des VCSEL possédant un miroir de Bragg hautement réflectif à une longueur d'onde d'environ 1300 nanomètres, longueur d'onde d'émission du VCSEL, et ayant une plage de transmission autour de 980 nanomètres, longueur d'onde d'un faisceau de pompe qui passe à travers le miroir et vient exciter les puits quantiques de la cavité laser du VCSEL.
La figure 6A représente une courbe de réflectivité d'un miroir de Bragg généralement utilisé dans un VCSEL standard. On voit sur cette figure 6A que la courbe de réflectivité spectrale du miroir de Bragg est de type passe-bande centrée autour de la longueur d'onde de 1300 nanomètres, longueur d'onde d'émission de ce VCSEL standard. La figure 6B représente une courbe de réflectivité d'un miroir de Bragg modifié comme cela est expliqué ci-dessus. On voit sur cette courbe que la réflexion à environ 1300 nanomètres est respectée et qu'en plus, elle permet d'obtenir un gain appréciable de transmission à environ 1500 nanomètres, ce gain étant supérieur à environ 80 %. Ce miroir a été réalisé avec un empilement de 25 couches d' AlAs et de GaAs1 les couches à' AlAs ayant une épaisseur de 55,84 nanomètres et les couches de GaAs ayant une épaisseur de 95,22 nanomètres sauf pour la couche de GaAs qui se trouve à une extrémité du miroir qui a une épaisseur de 47,61 nanomètres.
Une deuxième solution pour obtenir la maximisation de la transmission du VCSEL 131 à la seconde longueur d'onde est de remplacer un ou les deux miroirs 21, 22 de Bragg par des miroirs dit « dichroiques » . Ces miroirs sont réalisés avec les mêmes techniques que les miroirs de Bragg mais l'épaisseur de chaque couche est optimisée de façon à obtenir globalement une réflectivité de type passe-haut ou passe-bas. Il est ainsi possible de maximiser la réflectivité du miroir à la première longueur d'onde et de minimiser sa réflectivité à une autre longueur d'onde. Cependant, ce type d'empilement est délicat à réaliser car chaque couche a une épaisseur différente et il est important de maîtriser parfaitement les vitesses de dépôt. Ce genre d'empilement est beaucoup moins tolérant aux petites erreurs d'épaisseur qu'un miroir de Bragg classique.
Dans notre exemple de réalisation, le VCSEL
131 représenté en détail sur la figure 5 comporte le miroir 21, fabriqué avec 30 bicouches de GaAs et d' AlAs . Les couches de GaAs d'indice nGaAs= 3,413 ont une épaisseur de EGaAs = 95,22 nanomètres et les couches d' AlAs d'indice nAIAs= 2,9102 ont une épaisseur de EAlAs = 111,68 nanomètres. Le VCSEL 131 comporte la cavité laser 23 de longueur optique λ et dont le milieu actif a une épaisseur Emilieιιaclif = 380,9 nanomètres pour une cavité laser 23 à base de GaAs . Enfin, le VCSEL 131 comporte le miroir 22, fabriqué avec 25 bicouches de GaAs et d' AlAs identiques à celles du miroir 21. D'autres exemples de structures de laser semi-conducteur à cavité verticale sont donnés dans le document « Surface emitting semiconductor laser et Arrays », de K. Iga et al., pages 87 à 117, Académie Press, San Diego, 1993. Un exemple d'une telle structure comporte un substrat d' InP dopé p, sur laquelle est formée une couche d' InAlAs dopé p d'épaisseur 0,4 micromètres. Sur cette couche est réalisée la structure à puits quantiques multiples, faisant intervenir 10 alternances de couches d' InGaAs de 9 nanomètres d'épaisseur et d' InAlAs de 20 nanomètres d'épaisseur. Enfin l'ensemble est recouvert d'une couche d' InAlAs dopée n d'épaisseur 0,3 micromètres.
Dans une variante, pour protéger la photodiode 132 des faisceaux laser parasites pouvant être émis par le VCSEL 131 par sa face arrière 25, un filtre 109 est inséré entre le premier 103 et le second élément 106 optoélectronique, c'est-à-dire dans cette variante du premier mode de réalisation, entre le VCSEL 131 et la photodiode 132, comme on peut le voir sur la figure 7A. Ce filtre 109 peut par exemple être réalisé de la même manière qu'un miroir de Bragg, comme expliqué précédemment. Le filtre 109 peut également être disposé sur la face 113 du second élément optoélectronique 106, cette face 113 se trouvant du côté du premier élément optoélectronique 103, comme on peut le voir sur la figure 7B.
On cherche également à ce que la puissance réfléchie du second faisceau laser 107 vers le premier élément optoélectronique 103 soit la plus faible possible, afin de ne pas perturber celui-ci. Pour cela, un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique 100, objet de la présente invention, selon un second mode de réalisation, est représenté sur la figure 8. Ce dispositif 100 comporte, comme le dispositif 100 selon le premier mode de réalisation, une plate-forme 101 percée similaire à celle de la figure 4, un premier et un second éléments optoélectroniques 103, 106 qui sont, comme dans le premier mode de réalisation, respectivement un VCSEL 131 et une photodiode 132. Comme dans le premier mode de réalisation, le VCSEL 131 est hybride sur la plate-forme 101 par des microbilles 104 à base d'un matériau fusible. La différence par rapport à la figure 4 est que la photodiode 132 est hybridée sur la plate-forme 101 par des microbilles 108 qui n'ont pas toutes sensiblement un même diamètre. Dans ce mode de réalisation, le diamètre de chacune des microbilles 108 est réalisé de manière à ce que les deux éléments optoélectroniques 103, 106 ne soient donc plus sensiblement parallèles l'un par rapport à l'autre. Ainsi, le second faisceau laser 107 issu de la fibre optique 2 n'arrive plus perpendiculairement sur la photodiode 132. Cette inclinaison réduit la réflexion spéculaire vers le VCSEL 131 car s'il y a réflexion, le second faisceau laser 107 se réfléchi à côté de la cavité laser 23 du VCSEL 131. Dans ce mode de réalisation, il est également possible d'insérer le filtre 109 entre le premier élément 103 et le second élément 106 ou sur la photodiode 132, comme sur les figures 7A et 7B. La technique de fixation d'un élément à un autre avec des microbilles de diamètre différent est présentée dans le brevet US 5 119 240.
Un troisième mode de réalisation d'un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique 100 selon la présente invention est représenté sur la figure 9. Comme dans le premier mode de réalisation, le dispositif 100 comporte une plate-forme 101 percée, un premier élément 103, qui est un VCSEL 131 dans ce mode de réalisation, hybride sur la plate-forme 101 par des microbilles 104, et un second élément 106, qui est donc ici une photodiode 132, hybridée sur la plate-forme 101 par des microbilles 108. La différence par rapport au premier mode de réalisation est que le VCSEL 131 est équipé d'une microlentille 110 intégrée sur sa surface d'émission 24. Cette microlentille 110 permet d'augmenter la distance entre le VCSEL 131 et une fibre optique 2. Cette plus grande distance entre le VCSEL 131 et la fibre optique 2 assure un meilleur couplage entre ces deux éléments. Par conséquent, le diamètre des microbilles 104 sur cette figure 9 est supérieur à celui des microbilles 104 de la figure 4 par exemple.
La figure 10 représente un dispositif émetteur et récepteur optoélectronique. Ce dispositif comporte une plate-forme percée 101 similaire à celle du premier mode de réalisation, un premier élément optoélectronique 103 qui est sur cette figure 10 une photodiode 132, ainsi qu'un second élément optoélectronique 106 qui est sur cette figure 10 un VCSEL 131. La photodiode 132 est hybridée sur la plateforme 101 par des microbilles 104. Le second élément optoélectronique 106, c'est-à-dire le VCSEL 131, est solidaire de la plate-forme 101 par l'intermédiaire du premier élément optoélectronique 103. Pour cela, le VCSEL 131 est hybride par des microbilles 108 sur la photodiode 132. Etant donné que c'est la photodiode 132 qui est disposée entre le VCSEL 131 et la fibre optique 2, la photodiode 132 est transparente à la première longueur d'onde du premier faisceau laser 105 émis par le VCSEL 131. On choisira pour cela des matériaux adaptés et on adaptera au besoin les courbes de transmission spectrale de miroirs, non représentés sur cette figure, réalisés sur la photodiode. Le fait d'avoir un émetteur, ici un VCSEL 131, en tant que second élément optoélectronique 106, et un photodétecteur, ici une photodiode 132, en tant que premier élément optoélectronique 103, n'est pas propre à ce dispositif et peut s'appliquer pour tous les modes de réalisation de la présente invention.
5. La présente invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif émetteur et récepteur 100, également objet de la présente invention, qui est destiné à coopérer avec une fibre optique 2. 0 On cherche tout d'abord solidariser un premier élément optoélectronique 103, ici un VCSEL 131, avec une plate-forme 101 percée, munie d'au moins un trou 102 traversant. Ce trou 102 peut par exemple être réalisé durant une étape antérieure dans laquelle on 5 perce la plate-forme 101 pour former le trou 102. La fibre optique 2 est introduite dans ce trou 102.
Le VCSEL 131 utilisé est similaire à celui décrit sur la précédente figure 5. Les empilements 29,30 de couches de matériaux différents formant les 0 miroirs de Bragg 21, 22, ainsi que le milieu actif 20, sont généralement réalisés par épitaxie en phase vapeur, par exemple à partir de composés organométalliques (dépôt chimique organométallique en phase vapeur MOCVD) ou épitaxie par jet moléculaire 5 d'alliages semi-conducteurs, comme par exemple de l'arséniure d'aluminium (AlAs) ou de l'arséniure de gallium (GaAs). Ces techniques permettent d'ajuster le dépôt et l'épaisseur de couches de matériau semiconducteur avec une précision de l'ordre de la distance 0 inter atomique. Les miroirs de Bragg 20 et 21 peuvent également être réalisés par des techniques moins coûteuses de dépôt en couches minces , comme par exemple par évaporation ou par pulvérisation, de matériaux diélectriques, par exemple de dioxyde de silicium
[SiO2), de dioxyde de titane (TiO2) ou encore de dioxyde d'hafnium [HfO2). D'une manière générale, l'espacement entre les miroirs d'un VCSEL est de l'ordre de 1 à 2 micromètres : il en résulte que les modes d'un tel laser sont bien séparés (intervalle spectral libre très grand) . La solidarisation du VCSEL 131 avec la plate-forme 101 peut par exemple être réalisée par une hybridation du premier élément optoélectronique 103 sur la plate-forme 101. Pour cela, une connexion par microbilles 104 va être utilisée. Les microbilles 104 sont donc réalisées à base d'un matériau fusible sur une face 114 du premier élément optoélectronique 103, ladite face 114 étant destinée à être en face de la fibre optique 2 lorsque le premier élément optoélectronique 103 sera hybride sur la plate-forme 101.
Les différentes étapes de fabrication des microbilles 104 sur le premier élément optoélectronique 103 sont illustrées sur les figures lia à 11k.
Sur ces figures lia à 11k, seul un substrat 115 du premier élément 103 est représenté, et seule la fabrication de deux microbilles 104 est représentée. L'étape de la figure lia consiste à déposer sur la face 114 une métallisation d'accrochage en un matériau mouillable 119 pour un matériau fusible qui composera les microbilles. Le matériau mouillable 119 peut être composé par exemple de trois couches minces 116, 117 et 118 respectivement de titane, de nickel et d'or. Sur la figure 11b, une couche de résine 120 est déposée et étalée sur le matériau mouillable 119. L'étape de la figure lie est une insolation de la couche de résine 120 afin de ne laisser que des emplacements 121, 122 de résine correspondant à des futures plages d'accueil des microbilles . A l'étape de la figure Hd, le matériau mouillable 119 qui ne se trouve pas sous les emplacements 121, 122 est éliminé par gravure, formant des contacts métalliques 134. A l'étape de la figure He, les emplacements de résine 121, 122 sont éliminés par dissolution avec un solvant. A l'étape de la figure Hf, un fond métallique 123 est déposé sur les contacts métalliques 134 et sur les parties du substrat 115 qui sont découvertes à côté des contacts métalliques 134. Ce fond métallique 123 peut par exemple être réalisé par pulvérisation cathodique. La nature du matériau constituant le fond métallique 123 dépend du matériau fusible que l'on va utiliser pour les microbilles. Par exemple, si le matériau fusible utilisé pour les microbilles est un alliage composé à 60% d'étain et à 40% de plomb, le fond métallique 123 est également un alliage composé à 60% d'étain et à 40% de plomb. A l'étape de la figure Hg, de la résine 124 est déposée entre les contacts métalliques 134 afin de délimiter des zones 125, 126 dans lesquelles sera introduit le matériau fusible des microbilles. Un alliage fusible 127 est déposé dans les zones 125, 126 à l'étape de la figure Hh. Cet alliage fusible 127 peut par exemple être réalisé par croissance électrolytique ou par électrodéposition. A l'étape de la figure Hi, la résine 124 est éliminée par exemple par dissolution avec un solvant, créant ainsi des zones 128 dans lesquelles le fond métallique 123 est à nu. Le fond métallique 123 ainsi à nu dans les zones 128 est éliminé à l'étape de la figure Hj par exemple par gravure. Enfin, à l'étape de la figure Hk, le substrat 115 est chauffé pour atteindre une température supérieure ou égale à la température de fusion du matériau fusible 127. Lors de la phase liquide du matériau fusible 127, des tensions de surface vont provoquer la formation des microbilles 104. La forme et la taille des microbilles 104 dépendent de la quantité de matériau fusible 127 par rapport à la taille des contacts métalliques 134. Pour la réalisation de microbilles 104 de tailles différentes, non représentée sur les figures Ha à Hk, chaque contact métallique 134 est réalisé de manière à avoir des dimensions proportionnelles au diamètre de la microbille 104 qui sera en contact avec lui. De même, la quantité de matériau fusible 127 introduit dans chacune des zones 125, 126 est proportionnelle à la taille de microbilles 104 désirée.
Le processus de fabrication des microbilles 108 sur le second élément optoélectronique 106 est similaire à ce qui a été présenté précédemment pour les microbilles 104.
Une fois les microbilles 104 fabriquées, la solidarisation du premier élément optoélectronique 103 avec la plate-forme 101 peut être réalisée par hybridation du premier élément optoélectronique 103 sur la plate-forme 101. L'hybridation d'un élément avec auto-alignement sur des microbilles de matériau fusible a été développée et est généralement utilisée pour le brasage de composants avec auto-alignement . Ce type d'hybridation utilise les forces de tension superficielle exercées par une goutte de matériau fusible en fusion sur la pièce à fixer.
La figure 12 représente différentes étapes pour l'hybridation du premier élément 103 sur la plateforme 101. L'hybridation du second élément 106 sur la plate-forme 101 serait similaire. L'étape a) consiste à pré-aligner le premier élément optoélectronique 103 sur des contacts métalliques 130 de la plate-forme 101. Ces contacts métalliques 130 définissent l'emplacement désiré du premier élément 103 sur la plate-forme 101. A l'étape b) , les microbilles 104 sont chauffées, de manière à ce qu'elles mouillent les contacts métalliques 130. Enfin, à l'étape c) , des forces de tension superficielle sont exercées par les microbilles 104 sur le premier élément 103. Etant donné que le matériau fusible en fusion des microbilles 104 tend à minimiser sa surface de contact avec l'environnement extérieur, cela entraîne un auto-alignement du premier élément 103 sur la plate-forme 101. Les précisions ainsi obtenues peuvent être submicroniques selon le nombre et la taille des microbilles 104.
Ainsi, le premier élément optoélectronique 103 se retrouve hybride avec précision en face du trou 102. On réalise alors ensuite l'hybridation du second élément optoélectronique 106 sur la plate-forme 101 de la même manière que l'on vient de l'expliquer pour le premier élément optoélectronique 103. Sur la figure 12, le second élément optoélectronique 106 est destiné à être hybride directement sur la plate-forme 101
Le procédé, objet de la présente invention, peut comprendre une étape supplémentaire consistant à insérer entre le premier élément optoélectronique 103 et le second élément optoélectronique 106 un filtre 109, comme représenté sur la figure 7A, ou encore disposer le filtre 109 sur une face 113 du second élément optoélectronique 106, comme représenté sur la figure 7B, lorsque le premier élément optoélectronique 103 est un émetteur laser et que le second élément optoélectronique 106 est un photodétecteur, pour protéger le photodétecteur des faisceaux laser parasites pouvant être émis par le l'émetteur laser en direction du photodétecteur.
Des généralités connues sur le flip chip, les techniques de rainure en V (plus connue sous le nom de V-Groove) , trou en V (plus connu sous le nom de V- HoIe) et l'alignement passif sont décrites dans le document « Optoelectronic packaging » de Micelson A.R., Willey séries 1997, ainsi que dans le document « Microsystèmes optoélectroniques » de Viktorovitch P . , Lavoisier-Hermes 2003.
Bien que plusieurs modes de réalisation de la présente invention aient été décrits de façon détaillée, on comprendra que différents changements et modifications puissent être apportés sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) , comportant : - une plate-forme percée (101), munie d'au moins un trou (102) traversant pour l'introduction d'une fibre optique (2) ,
- un premier élément optoélectronique (103) solidaire de la plate-forme (101) , disposé sensiblement en face du trou (102) et destiné à émettre ou recevoir un premier faisceau laser (105) à une première longueur d' onde, au moins un second élément optoélectronique (106) hybride sur la plate-forme (101) et disposé sensiblement en face du trou (102) , le premier élément optoélectronique (103) étant disposé entre la plate-forme (101) et le second élément optoélectronique (106) , qui est destiné à recevoir ou émettre un second faisceau laser (107) à une seconde longueur d'onde, différente de la première longueur d'onde, traversant le premier élément optoélectronique (103) .
2. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon la revendication 1, le premier élément optoélectronique (103) étant transparent ou quasi-transparent à la seconde longueur d'onde du second faisceau laser (107) reçu ou émis par le second élément optoélectronique (106) .
3. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, le premier élément optoélectronique (103) étant un émetteur laser, tel un VCSEL (131) .
4. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, le second élément optoélectronique (106) étant un photodétecteur, tel une photodiode (132) .
5. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, le premier élément optoélectronique (103) étant un photodétecteur, tel une photodiode (132) .
S. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 5, le second élément optoélectronique (106) étant un émetteur laser, tel un VCSEL (131) .
7. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon l'une quelconque des revendications 3 ou 6, le VCSEL (131) comportant une surface d'émission (24) de faisceau laser orientée face au trou (102) et une microlentille (110) intégrée sur cette surface d'émission.
8. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, le premier élément optoélectronique (103) étant hybride sur la plate-forme (101) .
9. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon la revendication 8, l'hybridation du premier élément optoélectronique (103) sur la plate-forme (101) étant réalisée avec une connexion par microbilles (104) .
10. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon la revendication 9, les microbilles (104) associées au premier élément optoélectronique (103) étant à base d'un matériau fusible .
11. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon la revendication 10, le matériau fusible étant un alliage à base d'or et d'étain, d'étain et de plomb, ou un métal pur ou quasiment pur à base d'étain ou d'indium.
12. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'hybridation du second élément optoélectronique (106) étant réalisée avec une connexion par microbilles (108) .
13. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon la revendication 12, les microbilles (108) associées au second élément optoélectronique (106) étant à base d'un matériau fusible.
14. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon la revendication 13, le matériau fusible étant un alliage à base d'or et d'étain, d'étain et de plomb, ou un métal pur ou quasiment pur à base d'étain ou d'indium.
15. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, toutes les microbilles (108) associées au second élément optoélectronique (106) ayant sensiblement un même diamètre.
16. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, les microbilles (108) associées au second élément optoélectronique (106) n'ayant pas toutes sensiblement un même diamètre.
17. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, un filtre (109) étant inséré entre le premier (103) et le second élément optoélectronique (106) .
18. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon la revendication 17, le filtre (109) étant disposé sur une face (113) du second élément optoélectronique (106) qui se trouve du côté du premier élément optoélectronique (103) .
19. Dispositif émetteur et récepteur optoélectronique (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, la plate-forme (101) étant à base de silicium.
20. Procédé de réalisation d'un dispositif émetteur et récepteur (100) , comportant les étapes suivantes : a) solidarisation d'un premier élément optoélectronique (103) avec une plate-forme (101) percée, munie d'au moins un trou (102) traversant pour l'introduction d'une fibre optique (2), le premier élément optoélectronique (103) étant disposé sensiblement en face du trou (102) , b) solidarisation d'un second élément optoélectronique (106) avec la plate-forme (101) , le second élément optoélectronique (106) comportant une face (113) disposée sensiblement en face du trou (102) , réalisée selon les étapes suivantes :
- réalisation de microbilles (108) à base d'un matériau fusible sur la face (113) du second élément optoélectronique (106) , ladite face (113) étant destinée à être du côté du trou (102), hybridation du second élément optoélectronique (106) sur la plate-forme (101) par les microbilles (108) , le premier élément optoélectronique (103) étant disposé entre la plate-forme (101) et le second élément optoélectronique (106) .
21. Procédé selon la revendication 20, comportant avant l ' étape a) une étape de perçage de la plate-forme (101) , réalisant ainsi le trou (102) .
22. Procédé selon l'une quelconque des revendications 20 ou 21, la solidarisation du premier élément optoélectronique (103) avec la plate-forme (101) étant réalisée selon les étapes suivantes :
- réalisation de microbilles (104) à base d'un matériau fusible sur une face (114) du premier élément optoélectronique (103), ladite face (114) étant destinée à être en face du trou (102) , - hybridation du premier élément optoélectronique (103) sur la plate-forme (101) par les microbilles (104) .
23. Procédé selon l'une quelconque des revendications 20 à 22, comprenant une étape supplémentaire consistant à insérer entre le premier élément optoélectronique (103) et le second élément optoélectronique (106) un filtre (109) .
24. Procédé selon l'une quelconque des revendications 20 à 22, comprenant une étape supplémentaire consistant à disposer un filtre (109) sur la face (113) du second élément optoélectronique (106) .
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