Brevet FR2558268A1 — publié le 19850719

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TETE OPTIQUE MISSIVE A LASER SEMICONDUCTEUR ET TETE OPTIQUE AINSI FABRIQUEE L'invention concerne une tête optique émissive à laser semiconducteur, c'est-à-dire un dispositif du type source de lumière comprenant essentiellement une diode laser semiconductrice et une fibre optique amorce couplée par une première extrémité à cette diode laser ainsi qu'un ou des supports pour ces éléments optiques. L'ensemble est habituellement disposé dans un boîtier et communique avec le milieu extérieur par l'intermédiaire, par exemple, d'un connecteur optique détachable disposé à la seconde extrémité de la fibre optique amorce. Le ou les supports doit ou doivent présenter une forte conductivité thermique et assurer un positionnement précis de la diode laser semiconductrice, c'est-à-dire généralement un élément semiconducteur ou puce se présentant sous la forme d'un parallélépipède rectangle. Les têtes optiques à diode laser actuellement développées peuvent se ranger selon deux approches principales. Selon une première approche, la tête optique comprend deux supports indépendants sur lesquels sont disposés, respectivement, une diode laser et l'une des extrémités d'une fibre optique amorce. Ce type de tête optique est réalisé par assemblage des deux supports ce qui nécessite un micropositionnement de ceux-ci. Selon une seconde approche, la tête optique comprend un support unique pour les deux éléments optiques à coupler. Le couplage optique est réalisé par micro-positionnement et scellement de la fibre optique et de la diode laser. Cette opération est habituellement plus simple à réaliser. L'ensemble présente également une structure plus simple. Il a été proposé de prévoir des logements de la fibre optique et du laser en créant deux empreintes dans le support par une opération unique de matriçage. Il suffit alors de disposer, une fois pour toute, d'un outil ou matrice usiné avec précision. Une telle technique est décrite dans le brevet français FR-B2 426 347. Du fait que les empreintes sont réalisées en une seule opération, les tolérances dans la précision du positionnement relatif des deux empreintes ne devraient dépendre que de la précision d'usinage de l'outil unique, réalisé une fois pour toute. Il apparaît donc possible d'obtenir une bonne précision dans le positionnement "laser-fibre optique" tout en ne mettant en oeuvre que des moyens simples, à un prix de revient avantageux. Cependant, si les avantages attendus se sont vérifiés lorsqu'il s'agit de coupler optiquement un laser semiconducteur à une fibre optique multimode, la pratique a montré que le procédé s'avère difficile à mettre en oeuvre lorsqu'on utilise une fibre optique monomode. En effet, les imprécisions résiduelles et surtout les défauts dus à la technique de matriçage : bavures, affaissements des bords, etc..., le rendent inapplicable dans ce cas du fait des précisions de positionnement accrues exigées pour ce type d'applications. I1 doit être rappelé qu'une fibre monomode a un diamètre de coeur typiquement de l'ordure de 5 à 10 micromètres, ce qui est à comparer à celui d'une fibre optique multimode de l'ordre de 50 micromètres. I1 peut être réalisé aisément que la précision de couplage à atteindre doit évoluer de façon corrélative. Pour fixer les idées, un désalignement axial de l'ordre du micromètre correspond à une perte énergétique d'environ 1 dB. L'invention, tout en conservant les principaux avantages de la seconde approche, avantages dus essentiellement à la mise en oeuvre d'un support unique, se propose de pallier les inconvénients de l'art connu qui viennent d'être rappelés. Elle autorise, notamment, le couplage optique avec une précision suffisante, d'une diode laser à une fibre optique monomode. De ce fait, la tête optique peut être utilisée comme source de lumière dans un système de transmission utilisant des fibres optiques monomodes. L'invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'une tête optique émissive comportant un substrat, support unique pour une source laser à semiconducteur, et une fibre optique couplée optiquement à la source laser en canalisant l'émission, comprenant une étape de réalisation sur une face supérieure d'une rainure rectiligne dans le matériau du substrat destinée à recevoir la fibre optique et disposée parallèlement à la direction de propagation moyenne des radiations émises par la source laser, caractérisé en ce qu'il comprend une étape ultérieure supplémentaire consistant en la réalisation sur la surface supérieure du substrat d'au moins une fente rectiligne à flancs raides disposée entre la source laser à semiconducteur et l'extrémité de ladite rainure, coupant à angle droit cette rainure et en ce que la fente est réalisée par usinage mécanique du matériau du substrat d'un bord à l'autre de celui-ci. L'invention a encore pour objet une tête optique émissive réalisée selon ce procédé. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à l'aide de la description qui suit, en référence aux figures annexées - la figure 1 représente une tête optique émissive selon une première approche de l'art connu, - la figure 2 représente une tête optique émissive selon une seconde approche de l'art connu, - la figure 3 est une figure de détail illustrant certains défauts présentés par des têtes optiques réalisées selon une des approches de l'art connu, - la figure 4 représente schématiquement une tête optique émissive selon l'invention, - la figure 5 représente schématiquement une variante préférée de cette tête optique émissive, - les figures 6 à 8 sont des diagrammes relatifs au couplage optique entre des éléments optiques de cette tête, - la figure 9 illustre un exemple de réalisation concrète d'une tête optique émissive réalisée selon le procédé de réalisation de l'invention. La figure 1 illustre une tête optique réalisée selon la première approche de l'art connu, à savoir l'assemblage, après micro-positionnement, de deux supports indépendants. Le premier, SP1, supporte une diode laser La et le second, SP2, par l'intermédiaire d'un scellement 1, une fibre optique amorce F. En général, le premier support SP1 est rendu mécaniquement solidaire d'une semelle S commune aux deux supports. Le second support SP2 est micro-positionné par rapport au premier support SP1, de manière à obtenir un couplage optique optimum entre la diode laser La et la fibre optique amorce F. Le positionnement obtenu est figé par un second scellement 2. Selon une seconde approche représentée schématiquement sur la figure 2, plus simple à mettre en oeuvre, on dispose la diode laser La sur un substrat unique Sb. Ce substrat est, en général, muni d'empreintes de formes appropriées réalisé en son sein, pour faciliter un positionnement de la fibre optique amorce F permettant un couplage optimum. La position de celle-ci sur le substrat Sb est figée par un scellement 1. De façon concrète, il a été proposé de réaliser avantageusement les empreintes sur le substrat, empreintes destinées à loger la fibre optique F et la diode laser La, par une opération unique de matriçage. Cette opération met en oeuvre un outil portant les empreintes à réaliser en négatif. Une telle méthode est décrite dans le brevet français FR-B-2 426 347 précité. Elle permet d'obtenir un auto-alignement automatique, de façon simple, du fait que les deux empreintes sont réalisées en une seule opération, la précision étant déterminée une fois pour toute lors de la fabrication de Itoutil de matriçage. La - méthode enseignée a effectivement permis d'obtenir de bons résultats pour le couplage d'une diode laser avec une fibre optique de type multimode. Cependant, lorsqu'on désire coupler optiquement une fibre optique monomode à une diode laser, cette méthode s'est avérée inappropriée. En effet, dans ce cas, les transitions de profil des empreintes ne sont plus suffisamment brutales pour obtenir une précision de couplage optique suffisante. La figure 3 illustre ce phénomène qui est dû principalement à la méthode utilisée, c > est-à-dire le matriçage. Sur cette figure 3, on a représenté, en coupe partielle, une empreinte 3 réalisée dans un substrat Sb par matriçage. Le substrat comprend au moins une surface supérieure plane 4, la planéité de cette surface étant compatible avec les exigences de précision des applications envisagées. Pour illustrer les phénomènes rencontrés, on a réalisé une empreinte 3 de forme parallélépipédique. On a constaté expérimentalement que les parois 30 de l'empreinte tétaient pas parfaitement planes et que, surtout, les régions de raccordement entre la face plane supérieure 4 du substrat Sb et ces parois verticales se présentaient sous la forme de reliefs arrondis s'étendant sur des distances pouvant atteindre une amplitude d typiquement comprise dans la gamme 10 à 20 micromètres par rapport au profil extérieur d'une empreinte parfaite, profil théorique représenté en pointillé sur la figure 3. En outre, des bavures et des boursouflures sont rencontrées dans les zones de transitions. Si l'empreinte est destinée à recevoir la fibre optique amorce F et la surface plane 4 de la diode laser La, on réalise aisément que le positionnement relatif de ces deux éléments, au moins en ce qui concerne la distance les séparant, ne pourra être réalisé avec une précision supérieure à l'ordre de grandeur précité. Dans le cas d'un couplage optique d'une diode laser avec une fibre monomode et notamment une fibre monomode munie en son extrémité d'une microoptique, I'ordre de grandeur de précision pouvant être atteint pratiquement est insuffisant. Les effets des déplacements relatifs, selon trois axes d'un trièdre orthonormé, seront détaillés dans ce qui suit par références aux figures 6 à 8. La figure 4 illustre schématiquement les dispositions principales adoptées par l'invention pour obvier aux inconvénients de l'art connu. La tête optique émissive illustrée par la figure 4 conserve les avantages de simplicité de la seconde approche, c'est-à-dire l'utilisation d'un support unique Sb. Dans celui-ci on a réalisé une empreinte 3 que l'on appellera dans ce qui suit empreinte longitudinale et qui peut être obtenue par matriçage sur la face supérieure 4 du substrat Sb, comme précédemment, ou par toute autre méthode appropriée. Cette empreinte est destinée à recevoir la fibre optique amorce F et à servir de berceau pour celle-ci. Cette dernière peut être munie, en son extrémité destinée à être couplée à la diode laser La, d'une microoptique L. Selon la caractéristique principale du procédé selon l'invention, il est réalisé dans le substrat Sb, pendant une étape ultérieure à la formation de I'empreinte 3, une fente transversale 5 à flancs raides 50, suivant une direction orthogonale à l'empreinte 4, c'est-à-dire à l'axe optique A de la fibre optique F et à la direction moyenne d'émission de la diode laser La. Pour obtenir des flancs raides, la fente est réalisée par usinage mécanique. De façon préférentielle, on réalise un sciage à l'aide d'une fraise. Si l'on utilise un alliage de cuivre, par exemple, pour le substrat, on choisit une fraise en carbure spécialement adaptée au travail du cuivre. Dans tous les cas, on choisit une fraise à faible voile typiquement inférieure à 10 micromètres. La fente 5 s'étend sur toute la largeur du substrat. La découpe empiète sur l'une des extrémités de la rainure 4, réalisée dans une étape antérieure de manière à éliminer tous les défauts et bavures dus au matriçage dans cette région d'extrémité. La puce laser La va être positionnée dans la région postérieure du plan supérieur 4 du substrat Sb de manière à ce que la fente 5 soit disposée entre celle-ci et la fibre optique amorce F, l'extrémité de celle-ci pouvant être engagée dans la fente 3 lors de l'opération de micro-positionnement final. Du fait de la définition précise de d'arête formant transition entre le plan 40 de positionnement de la diode lasser La et les parois 50 de la fente 5, la face émissive fe de la diode laser La peut être positionnée avec précision dans le prolongement exact de la paroi 50 de la fente transversale. De ce fait, I'écart entre l'extrémité de la fibre optique F, munie éventuellement d'une microoptique L, et la face émissive fe peut être ajusté précisément à une valeur permettant un couplage optique optimum comme il le sera décrit ultérieurement en relation avec les diagrammes des figures 6 à 8. La planéité de l'assise de la puce formant la diode laser, c'est-à-dire la surface 40, peut être ajustée au mieux lors d'une étape ultérieure à l'obtention de la fente 5 par polissage mécanique fin du support. Il est préférable d'éviter à ce stade toute opération de doucissage, c'est-à-dire d'opération de polissage "grossier". Cependant du fait des caractéristiques géométriques typiques associées à une tête d'émission et qui seront détaillées dans ce qui suit en relation avec la description de la figure 7, des dispositions complémentaires doivent être adopées pour éviter un écrasement des bords de l'assise de la diode laser La lors du polissage. Selon un aspect également important du procédé de l'invention, on va remplir l'espace laissé libre par la fente par un fil ou par un ruban, selon les dimensions de celle-ci, de même dureté mécanique que le matériau constituant le substrat. De préférence, on utilise d'ailleurs le même matériau. De ce fait lors du polissage, les parois de la fente 5 sont maintenues et la bonne définition de l'arête, transition entre la surface plance 40 et la paroi 50 de la fente 5, adjacente à cette surface, est préservée. Lorsque le polissage est terminé, il suffit de retirer le ruban ou le fil. Comme il est connu par ailleurs, il est en général nécessaire de réguler la puissance d'émission d'une diode laser semiconducteur, celle-ci présentant des fluctuations, notamment en rapport avec les variations de température. I1 est également connu qu'une diode laser émet également un rayonnement par la face opposée à la face principale d'émission, que l'on appellera face arrière. I1 a été proposé antérieurement de détecter l'intensité de ce rayonnement et, de générer un signal proportionnel à l'intensité détectée agissant, par rétroaction, sur l'alimentation en énergie électrique de la diode laser et de ce fait sur l'intensité optique émise. Pour ce faire, on dispose en regard de la face arrière de la diode laser La une photodiode. Selon une variante de tête optique réalisée selon le procédé de l'invention et illustrée schématiquement par la figure 5, on réalise une seconde fente transversale 6 à l'arrière de la diode laser La. L'assise de celle-ci, c'est-à-dire la région 40 de la surface plane supérieure 4 du substrat se réduit alors à un ilôt délimité par les parois des deux fentes. La profondeur de la seconde fente est choisie de manière à être adaptée aux caractéristiques géométriques de la photodiode PD et, plus précisément, à un support SPD dont elle est généralement munie. Celui-ci est fixé sur la paroi 60 opposée à la face arrière Fa de la diode laser La. Comme dans le cas precédent, on procède à un remplissage des deux fentes 5 et 6 par des rubans cu des fils et on opère alors un polissage final. L'opération de remplissage est d'ailleurs particulièrement importante dans ce cas car l'assise de la diode 40 est alors très étroite, typiquement inférieure à 1 mm. Outre les avantages qui ont été évoqués: bonne définition des arêtes, planéité de l'assise de la diode laser et possibilité de positionner une photodiode auxiliaire PD, le procédé de l'invention permet les avantagessupplémentaires suivants: La fente 5 sert de réserve pour un surplus de produit de scellement. En effet, la fibre optique est micro-positionnée et scellée (par résine époxy durcissable aux rayons ultra-violet par exemple), après recherche du maximum de couplage, dans l'empreinte longitudinale 3. La fente transversale 5 procure une grande réserve potentielle de produit du scellement 1 (figure 2), évitant ainsi la remontée de celui-ci en bout de fibre optique ce qui affecterait le couplage et le fonctionnement de la diode laser. L'écoulement de ce produit est représenté sur les figures 4 et 5 sous la référence 10. Le procédé permet une grande adaptabilité du support à des sources de longueurs différentes: La largeur de l'assise 40 de la diode laser La peut très facilement être adaptée, par détermination- de l'emplacement de la fente, à des sources de longueurs différentes sans mise en oeuvre d'outils spéciaux, ce qui est le cas du matriçage intégral du support selon l'art connu.Il permet également la fabrication collective, ce qui conduit à un prix de revient faible du fait de la possibilité d'un usinage collectif de la fente sur plusieurs supports. Enfin, en ce qui concerne l'empreinte longitudinale 3, celle-ci est destinée à recevoir l'extrémité de la fibre optique amorce F munie éventuellement de sa microoptique de couplage L, ainsi que le produit de scellement 1 (figure 2) fixant la fibre optique F sur le support Sb. Le matriçage de cette empreinte, grâce à la présence de la fente transversale, ne peut affecter l'assise du laser comme illustré par la figure 3 ce qui présente un avantage considérable sur les supports de l'art connu utilisant la technique de matriçage. Il peut enfin être noté que la profondeur de cette empreinte peut être facilement adaptée au type de fibres utilisées en particulier en ce qui concerne leur diamètre ou même les tolérances mécaniques de positionnement; dans le cas de fibres monomodes, on peut prévoir une distance "fibre F-fond de l'empreinte 3" minimale de façon à ne pas affecter le rendement de couplage par le rétreint du produit de scellement. Les courbes des figures 6 à 8 illustrent, pour fixer les idées de façon plus précise, les variations du rendement de couplage en fonction de déplacements mécaniques dans le cas de fibres optiques monomodes suivant trois axes orthogonaux. Ces courbes correspondent au cas où la fibre optique F est munie en son- extrémité en regard avec la face émissive fe de la diode laser La d'une microoptique conique. La longueur d'onde émise par la diode laser La est centrée sur 840 nm. La diode laser est du type ruban à fenêtre émissive rectangulaire. La figure 6 illustre l'intensité optique IR relative captée par la fibre optique F, en unités arbitraires, sur l'axe vertical en fonction d'un déplacement D1 orthogonal à la plus grande dimension de la fenêtre émissive. Les divisions portées sur l'axe horizontal correspondent chacune à un micromètre. On constate qu'une perte d'efficacité de couplage de 1 dB, par rapport au maximum obtenu, est atteinte pour un déplacement de très faible amplitude : 0,7 micromètre de part et d'autre du maximum de couplage. Dans des conditions semblables, les courbes des figures 7 et 8 illustrent, respectivement, les effets d'un déplacement D2 parallèle à la plus grande des dimensions de la fenêtre émissive: un affaiblissement de 1 dB est atteint pour 0,9 micromètre ; et de la distance D3 séparant l'extrémité de la fibre optique F munie de la microoptique L et la face émissive fe de la diode laser La: un affaiblissement de 1 db est atteint pour un déplacement de 4,2 micromètres. Il est aisé de constater que les défauts dus au matriçage, comme illustré par la figure 3, conduiraient à des ordres de grandeurs des précisions de couplages optiques tout à fait insuffisantes pour les applications envisagées dans le cadre de l'invention, car elles entraîneraient des rendements optiques très faibles. En outre, les résultats obtenus, pour une fabrication en grande série, doivent être aussi constants que possible, ce qui ne peut être garanti dans l'art connu, les défauts présentant des amplitudes très variables. L'invention, du fait de la disposition principale enseignée consistant en la création d'une tranchée à flancs abrupts, permet d'obvier, simplement et à un coût avantageux, aux difficultés rencontrées dans l'art connu. La figure 9 illustre un exemple de réalisation concrète d'une tête optique émissive réalisée selon l'invention. Cette tête est du type illustré schématiquement par la figure 5 et les éléments identiques portent les mêmes références et ne seront pas redécrits. Le substrat unique Sb peut être réalisé en tout matériau maléable présentant une bonne conductivité thermique car il - sert de dissipateur de chaleur et, de préférence, en un matériau également bon conducteur électrique. Un exemple d'un tel matériau est un alliage de cuivre et d'argent à 10 % du type connu sous la référence normalisée "OFHC" (normes ISO). De façon plus générale, on utilisera les alliages de matériau d'or, d'argent, cuivre ou d'aluminium. Outre les éléments déjà décrits en relation avec la figure 5, il est prévue une barrette de raccordement à deux électrodes de prises de contacts électriques pour le laser La, respectivement E1 et E2, cette dernière étant en contact électrique avec le substrat conducteur Sb électrique. L'électrode E1, isolée du substrat Sb, est, par l'intermédiaire d'une connexion C1, reliée électriquement à l'une des électrodes de'la diode laser La. Il en est de même pour la photodiode PD dont le support SPD forme contact électrique entre une des électrodes de la photodiode PD et le substrat conducteur Sb. L'autre électrode est reliée, par une connexion C3, à une électrode E3 de prise de contact électrique, isolée du substrat Sb. Le substrat Sb est disposé avantageusement sur un module thermoélectrique 7 à effet Peltier contribuant au refroidissement de la tête optique émissive. Enfin, une thermistance 8 est introduite dans une cavité creusée dans le substrat Sb pour en mesurer sa température. Les signaux de sortie sont utilisés à des fins de régulation thermique de manière classique. Une tête optique émissive réalisée suivant cette structure avait les dimensions principales suivantes: longueur : 6 mm largeur : 5 mm (c'est-à-dire parallèlement à l'axe des fentes transversales 5 et 6) .hauteur:3 mm largeur de la fente transversale avant 5 : 0,4 mm .hauteur de la fente tranversale avant 58: 0,4 mm largeur de la zone 40 d'assise de la diode laser La : 0,4 mm largeur de la fente transversale arrière 6: 1,7 mm hauteur de la fente transversale arrière 6 : 2 mm L'empreinte 3, berceau de la fibre optique F avait une forme trapé zoldale et avait été réalisée par matriçage. La microoptique L de bout de fibre était de forme conique. Tous autres types de structures de microoptique peuvent être mises en oeuvre à la place d'une telle structure. Elle peut être réalisée avantageusement, notamment, selon l'enseignement de la demande de brevet français FR-A-2 502 796. L'ensemble peut être disposé dans un boîtier (non illustré sur la figure 9) comprenant également des circuits électroniques d'alimentation et- de commande reliés électriquement aux barrettes de connexions E1 à E3, d'une part, et à des circuits extérieurs, d'autre part, par l'intermédiaire de bornes de connexions électriques ou d'un connecteur multibroche, ce de façon classique. De la même manière la fibre optique amorce F pourra être couplée optiquement à des éléments optiques extérieurs, -tels qu'une fibre optique de transmission par l'interméd.aire d'un connecteur optique détachable (non illustré) de tout type approprié dont l'embase est fixée au boîtier. REVENDICATIONS 1/ Procédé de fabrication d'une tête optique émissive comportant un substrat (Sb), support unique pour une source laser à semiconducteur (La) et une fibre optique (F) couplée optiquement à la source laser (La) en canalisant l'émission comprenant une étape de réalisation sur une face supérieure (4) d'une rainure rectiligne (3) dans le matériau du substrat (Sb) destinée à recevoir la fibre optique (F) et disposée parallèlement à la direction de propagation moyenne ( A ) des radiations émises par la source laser (La), caractérisé en ce qu'il comprend une étape ulterieure supplémentaire consistant en la réalisation sur la surface supérieure (4) du substrat d'au moins une fente (5) rectiligne à flancs raides (50) disposée entre la source laser à semiconducteur (La) et l'extrémité de ladite rainure (3), coupant à angle droit cette rainure (3) et, en ce que, la fente (5) est réalisée par usinage mécanique du matériau du substrat d'un bord à l'autre de celui-ci. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, la source laser étant une diode laser du type ruban comportant une face avant d'émission principale (fe) couplée à ladite fibre optique (F) et une face arrière (fa) également émissive, l'étape ultérieure supplémentaire comprend la réalisation d'une seconde fente (6) rectiligne à flancs raides (60), par usinage du matériau du substrat (Sb), parallèle à la première, à une distance de cette première fente égale à la longueur du ruban formant la diode laser de manière à délimiter dans le matériau du substrat (Sb) une région (40) formant assise pour cette diode laser; seconde fente destinée à recevoir un élément opto-électronique (PD) de détection de l'énergie émise par la face arrière (fa). 3/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'usinage consiste en un sciage à l'aide d'une fraise sur des largeurs et profondeurs déterminées. 4/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes ultérieures supplémentaires suivantes: .remplissage de chaque fente par un matériau présentant les caractéristiques mécaniques du matériau du substrat (Sb), polissage mécanique de la surface supérieure (4) du substrat (Sb), retrait dudit matériau. 5/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau de remplissage est un ruban du même matériau que le substrat(Sb). 6/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le substrat (Sb) est en matériau malléable bon conducteur thermique. 7/ Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau du substrat (Sb) est un métal choisi parmi les suivants: or, argent, cuivre, aluminium ou l'un de leurs alliages. 8/ Tête optique émissive comprenant une diode laser (La) couplée à une fibre optique (F), la diode laser et la fibre optique étant disposées sur un substrat unique (Sb), caractérisée en ce qu'elle est fabriquée selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9/ Tête optique selon la revendication 8, caractérisée en ce que le substrat unique (Sb) est disposé sur un module thermoélectrique à effet Peltier (7).