Brevet FR2582413A1 — publié le 19861128

Procédé de couplage d'une fibre optique à un composant optoélectronique sur une embase. La présente invention concerne l'injection d'une lumière dans une fibre optique, notamment dans une fibre monomode, ou la détection d'une lumière amenée par une telle fibre. Elle concerne plus précisement la réalisation d'un dispositif assurant cette injection ou cette détection Une telle lumière est généralement modulée et elle porte des din- formations dont la fixée assure la transmission. Elle est habituellement produite par ull émetteur laser constitué d'une pastille de matériau semi-conducteur , et elle est détectée par une diode photosensible éga- lement constituée d'une telle pastille. De tels composants optoélectro- niques sont fixés sur une embase rigide.Le couplage optique durable d'une fibre à un tel composant est réalisé par l'intermédaire d'une lentille formée sur l'extrémité de la fibre. Il necessite d'abord un positionnement precis de cette extrémité par rapport audit composant, puis une fixation de la fibre par rapport à l'embase qui porte le composant. Sa réalisation est particulièrement délicate quand il s'agit d'injecter de la lumière dans une fibre monomode car la position réelle de la fibre doit alors s1 écarter de moins de quelques centaines de nanomètre de la position optimale, au moins dans certaines directions. Si elle s'en écarte davantage le rendement de couplage n'est plus accep- table. Un écart de 100 nm peut par exemple faire passer les pertes de couplage de O à 1 dB. On sait réaliser un positionnement cverWct de l'extrémité de la fibre gracie à des micromani?LJ at'rs par exemple du type piezoéleo- trique, en se guidant sur les variations du rendement de couplage optique. Cn peut par exemple réaliser d'abord un positionnement approximatif de la fibre, puis faire émettre de la la rye par l'émetteur laser fixé sur l'embase, et mesurer la quan. te de lumière injectée dans la fibre.On commande alors les micromanipulateurs jusqu'à ce que cette quantité scit maximale. Il peut êtr préférable d'injecter de la lumière dans la fibre à distance de son extrémité à positionner, et díutiliser l'émetteur laser comme une Diode réceptrice Le positionnement correct est obtenu quand la quantité de lumière revue par cer émetteur est maximale. Mais, lorsque la position optimale a été obtenue, il est difficile de fixer la fibre à l'embase en s'écartant suffisamment peu de cette position. Pour réaliser cette fixation il a été proposé de munir l'extrémité de la fibre d'une ferrule, c'est-à-dire d'une petite pièce métallique enserrant la fibre, et d'opérer comme suit : On positionne cette ferrule sur un cadre métallique électriquement résistif posée sur deux blocs d'alumine fixés sur l'embase du composant optoélectronique. On appuie deux électrodes sur ce cadre au-dessus de ces deux blocs d'alumine en s'efforçant de ne pas déplacer ce cadre. On envoie un courant électrique de chauffage dans ce cadre par l'intermédiaire de ces électrodes. Lorsque ce cadre est suffisamment chaud on amène un alliage fusible sur ce cadre pour que cet alliage réalise à la fois une soudure de ce cadre sur ces blocs d'alumine et de la ferrule sur le cadre. Les électrodes sont enlevées après le refroidissement du cadre. Le .rendement de couplage ainsi obtenu apparaît médiocre surtout dans le cas où il faut injecter de la lumière dans une fibre monomode. La présente invention a pour but la réalisation d'un couplage entre l'extrémité d'une fibre optique et un composant optoélectronique de manière que les pertes dues à ce couplage soient diminuées, notamment dans le cas de l'inJection de lumière dans une fibre monomode à partir d'un émetteur laser à semi-eanducteur. Elle a pour objet un procédé de couplage d'une fibre optique à un composant optoélectronique sur une embase, ce procédé comportant les étapes suivantes - fixation d'un support de fibre (16) constitué par un bloc isolant de céramique sur ladite embase (8) devant ledit composant (12), - mise en place d'une résistance électrique de chauffage sur ce support de fibre, - mise en place dtun élément métallique d'accrochage (42) sur un tronçon de fixation (18a) de ladite fibre (18), près de son extrémité avant, - positionnement de ce tronçon de fibre par déplacement de celui-ci sur cette résistance de chauffage devant ledit composant avec examen des variations concommitantes du coefficient de couplage optique entre ce composant et cette fibre, jusqu'à trouver une position optimale de ce tronçon, - chauffage par établissement d'un courant électrique de chauffage dans ladite résistance de chauffage, - apport d'un matériau métallique de soudure sur cette résistance de manière que ce matériau fonde sur cette résistance, puis enrobe ledit élément métallique d'accrochage, - refroidissement de ce matériau de soudure pour que ce matériau se solidifie et fixe cet élément d'accrochage sur cette résistance, - ce procédé étant caractérisé par le fait que ladite résistance (26) est fixée sur ledit support de fibre (16) et constituée par une couche mince de matériau métallique résistif (24) déposée sur ce support de manière à ne nécessiter qu'unie petite quantité de chaleur pour être portée à la température de fusion dudit matériau de soudure (40), - ce support de fibre (16) étant constitué par une céramique de conductibilité thermique petite, de manière à transmettre seulement une petite quantité de chaleur à ladite embase (8) pendant lesdites étapes de chauffage et de refroidissement, - ladite étape d'apport du matériaude soudure étant réalisée avant lesdites étapes de positionnement du tronçon de fibre et de chauffage, de manière que cet apport ne risque pas de modifier la position dudit tronçon de fibre. Les références entre parenthèses renvoient à simple titre d'exemple aux dessins annexés. Selon la présente invention il est de plus apparu avantageux d'adopter, au moins dans certains cas, les dispositions plus particu- lières suivantes - Ladite étape de positionnement du tronçon de fixation (18a) de la fibre (18) est réalisée par l'intermédiaire d'un dispositif de manipulation qui agit sur une zone de manipulation de la fibre à distance et en arrière du tronçon de fixation de sorte que la fibre peut fléchir élastiquement entre cette zone et ce tronçon. La fibre reste maintenue par ce dispositif de manipulation pendant lesdites étapes de chauffage et de refroidissement.Ladite étape de positionnement comporte d'abord une étape de recherche d'une position de couplage optimal donnant une valeur optimale au coefficient de couplage, puis une étape de compensation de retrait de soudure au cours de laquelle ledit dispositif de manipulation élève ledit tronçon de fixation à partir de ladite position de couplage optimal jusqu'à une position de soudure. La hauteur de cette position de soudure au-dessus de cette position de couplage optimal est choisie égale à la hauteur de cette dernière au-dessus de ladite résistance multipliée par un coefficient de retrait de soudure prédéterminé dépendant du matériau de soudure, de manière que, pendant ladite étape de refroidissement, le retrait du matériau de soudure qui résulte de sa solidification, ramène le tronçon de fixation de la fibre à ladite position de couplage optimal.Ce retrait s'accompagne -d'une flexion de la fibre entre sa zone de manipulation et son tronçon de fixation. - Ledit matériau de soudure est apporté sous la forme d'une bande préformée (40) présentant une longueur transversale à la fibre et une largeur parallèle à la fibre. Une partie intermédiaire (40a) de cette longueur est pliée pour former un arc convexe vers le haut au-dessus de la fibre et assurer un enrobage rapide de celle-ci lors de la fusion de ce matériau tout en permettant des déplacements verticaux et latéraux de celle-ci pendant l'étape de positionnement. Les deux parties extrêmes (40b) de cette longueur sont posées à plat sur ladite résistance de chauffage (26) de part et d'autre de la fibre pour assurer un bon contact thermique avec cette résistance et une fusion rapide de ce matériau lors de ladite opération de chauffage. - Ladite résistance de chauffage (26) présente la forme d'une bande en couche mince d'un métal résistif s'étendant transversalement à ladite fibre (18), la longueur de cette bande comportant trois zones qui sont - une zone de chauffage (26a) située en position intermédiaire et dans laquelle cette couche de métal résistif est surmontée d'une couche de protection mince électriquement isolante (30) pour éviter des court-circuits électriques et des oxydations de surface, cette couche de protection étant elle-même surmontée, dans une partie centrale de cette zone de chauffage, par un plot de soudure (34) constitué par une couche d'un métal mouillable par ledit matériau de soudure (40), - et deux zones de connection (26b, 26c) situées aux extrémités et revêtues de plots de connection (36, 38) constitués d'un métal bon conduc teur de l'électricité pour permettre l'injection d'un courant électrique intense et bref et limiter le temps pendant lequel la chaleur peut diffuser vers ladite embase. - Ledit support de fibre (16) à petite conductibilité thermique est constitué d'une vitrocéramique présentant une conductibilité thermique voisine de 0,02 W/cm.K, la hauteur de ce support étant supérieure à 0,6 mm pour minimiser le transfert de chaleur à ladite embase (8) pendant lesdites étapes de chauffage et de refroidissement. - Ledit métal résistif est un alliage de nickel et de chrome, ladite résistance de chauffage en couche mince (26) présentant une épaisseur comprise entre 50 et 300 nm, la largeur de la bande formée par cette couche dans ladite zone de chauffage décroissant desdites zones de connection (26b, 26c) vers ledit plot de soudure (34) et étant comprise, au moins sous ce plot de soudure, entre 0,7 et 1 mm. - Ladite couche de protection (30) est constituée de silice. - Ledit élément métallique d'accrochage (42) est constitué par une couche métallique mince déposée sur ledit tronçon de fixation de la fibre (18) et mouillable par ledit matériau de soudure (40). A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue de dessus d'un bottier contenant un émetteur laser à semi-conducteur et recevant une fibre optique monomode couplée à cet émetteur par le procédé selon l'invention. La figure 2 représente une vue de ce même bottier en coupe verticale selon une ligne II-II de la figure 1. Les figures 3A à 3G représentent des vues d'un bloc de support de fibre de ce bottier lors d'étapes successives de la formation d'une résistance sur ce support, les figures 3A, 3C, 3E et 3F représentant des vues en coupe transversale verticale, les figures 3B, 3D et 3G représentant des vues de dessus. La figure 4 représente une vue en perspective d'une bande de matériau de soudure posée sur le bloc de support de fibre des figures 3F et 3G, avant positionnement d'une fibre optique et chauffage de ce matériau. La figure 5 représente une vue de ce même bloc de support en coupe par un plan vertical transversal après positionnement de la fibre, et chauffage, fusion et solidification du matériau de soudure de la figure 4. Sur ces figures les épaisseurs des couches minces sont fortement agrandies. Conformément aux figures 1 et 2 un boitier 2 est constitué d'un alliage métallique soudable au verre et comporte un fond horizontal 2a, deux parois verticales latérales 2b traversées par des pattes de connexion électrique telles que 4, avec interposition de verre, une paroi avant 2C et une paroi arrière 2d. Des fils tels que 5 assurent les connexions électriques nécessaires à l'intérieur du bottier. Sur le fond 2a est soudé un support d'embase 6 en cuivre portant une embase 8 en oxyde de beryllium BeO pour conduire la chaleur. Ces support et embase présentent une longueur de 7 n et une largeur de 7 mm. Sur ces support et embase se trouve un bloc de support de laser 10 constitué de la même céramique thermiquement bonne conductrice telle que ltoxyde de beryllium BeO pour évacuer la chaleur produite par le fonctionnement d'un laser à semi-conducteur 12 soudé sur ce bloc. Ce laser émet un faisceau principal vers l'avant du boiter et un faisceau auxiliaire vers l'arrière. Un dispositif de régulation comporte une photodiode 14 qui reçoit ce faisceau auxiliaire pour maintenir les conditions de fonctionnement du laser 12. Sur l'embase 8, à l'avant du laser 12, est soudé un bloc 16 constituant un support de fibre optique et formé d'une céramique thermiquement mauvaise conductrice. Cette céramique peut avantageusement être constituée par une vitrocéramique telle que celle commercialisée sous la marque déposée MACOR par la Société MINNESOTA RUBBER - FRANCE. Sa condctibilité thermique est de 0,02 W/cm.K alors que celle de l'alumine frittée ordinaire est de l'ordre de 0,1 W/cm x K. Sur ce support de fibre on a soudé une fibre optique 18 qui s1 étend horizontalement longitudinalement. La masse de matériau de soudure 20 est visible sur les figures 1, 2 et 5. L'extrémité avant de cette fibre est dirigée vers l'arrière du boitier 2. Sur cette extrémité est formée une lentille 22 (voir figure 4) qui permet d'injecter dans la fibre le faisceau principal émis par le laser 12. Cette fibre traverse la paroi avant 20. Conformément aux figures 3A à 3G la face supérieure du support de fibre 16 reçoit les traitements suivants - Préparation de la surface, qui doit etre bien lisse, et dépôt d'une couche de 120 nm (nanomètre) d'alliage Ni Cr, pour constituer la couche mince 24 de matériau métallique résistif précédemment mentionné (Figures 3A). - Gravure de cette couche pour que sa partie subsistante constitue la résistance de chauffage 26 précédemment mentionnée (Figure 3B) - Dépôt d'une couche de 1000 nm de silice 28 (Figure 3C) - Gravure de cette couche pour que sa partie subsistante 30 (Figure 3D) constitue la couche de protection électriquement isolante précédemment mentionnée - Dépôt d'une couche d'accrochage de 25 nm d'alliage Ni Cr surmontée d'une couche de 300 nm d'or 32 (Figure 3E) - Gravure de cette couche 32 pour que ses parties subsistantes constituent le plot de soudure 34 et les deux plots de cqnnection 36, 38 précédemment mentionnés. Le plot de soudure 34 forme deux pointes 34a qui constituent des repères visuels pour l'alignement de la fibre 18 (Figures 3F -et 3G). Il présente par exemple une longueur de 1 mm selon la direction de la fibre et une largeur de 1,5 mm. Conformément à la figure 4 la bande préformée de matériau de soudure 40 est posée sur le plot 34. La partie intermédiaire en arc 40a de cette bande passe au dessus d'un tronçon de fixation de la fibre 18.L'élément métallique d'accrochage précédemment mentionné est constitué par une couche métallique mince 42 déposée sur ce tronçon. Cette couche peut être analogue à la couche 32 précédemment décrite. Le tronçon de fixation peut être déplacé dans tous les sens entre la partie en arc 4Oa et le plot 34. Ces déplacements sont réalisés,lors de l'étape de positionnement, par un micromanipulateur non représenté. Leur amplitude maximale est par exemple de 10.000 nm. La bande préformée '10 présente par exemple une épaisseur de 0,05 mm. Elle est constituée d'un alliage étain-plomb à 60% de plomb en poids. Le coefficient de retrait de soudure précédemment mentionne est de 20%. Après positionnement de la fibre sous la partie 40a de la bande 40, on fait passer dans la résistance de chauffage 26 un courant de 0,4 ampères pendant trois secondes. Le matériau de soudure constituant cette bande fond alors et enrobe la fibre 18. La quantité de chaleur totale transmise à l'embase jusqu'à la solidification de ce matériau reste très faible, ce qui évite des dilatations susceptibles d'écarter la fibre de sa position convenable. La soudure apparat en 20 dans sa configuration définitive sur la figure 5. La présente invention permet d'obtenir des pertes de couplage inférieures à 1 dB entre 10 et 50 C alors, qu'avec les techniques antérieures, ces pertes étaient de l'ordre de 2 dB. REVENDICATIONS 1/ Procédé de couplage d'une fibre optique à un composant optoélectronique sur une embase, ce procédé comportant les étapes suivantes - fixation d'un support de fibre (16) constitué par un bloc isolant de céramique sur ladite embase (8) devant ledit composant (12), - mise en place d'une résistance électrique de chauffage sur ce support de fibre, - mise en place d'un élément métallique d'accrochage (42) sur un tronçon de fixation (18a) de ladite fibre (18), près de son extrémité avant, - positionnement de ce tronçon de fibre par déplacement de celui-ci sur cette résistance de chauffage devant ledit composant avec examen des variations concommitantes du coefficient de couplage optique entre ce composant et cette fibre, jusqu'à trouver une position optimale de ce tronçon, - chauffage par établissement d'un courant électrique de chauffage dans ladite résistance de chauffage, - apport d'un matériau métallique de soudure sur cette résistance de manière que ce matériau fonde sur cette résistance, puis enrobe ledit élément métallique d'accrochage, - refroidissement de ce matériau de soudure pour que ce matériau se solidifie et fixe cet élément d'accrochage sur cette résistance, - ce procédé étant caractérisé par le fait que ladite résistance (26) est fixée sur ledit support de fibre (16) et constituée par une couche mince de matériau métallique résistif (24) déposée sur ce support, de manière à ne nécessiter qu'une petite quantité de chaleur pour être portée à la température de fusion dudit matériau de soudure (40), - ce support de fibre (16) étant constitué par une céramique de conductibilité thermique petite de manière à transmettre seulement une petite quantité de chaleur à ladite embase (8) pendant lesdites étapes de chauffage et de refroidissement, - ladite étape d'apport du matériau de soudure étant réalisée avant lesdites étapes de positionnement du tronçon de fibre et de chauffage, de manière que cet apport ne risque pas de modifier la position dudit tronçon de fibre. 2/ Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite étape de posi tionnement du tronçon de fixation (18a) de la fibre (18) est réalisée par l'intermédiaire d'un dispositif de manipulation qui agit sur une zone de manipulation de la fibre à distance et en arrière du tronçon de fixation de sorte que la fibre peut fléchir élastiquement entre cette zone et ce tronçon, et dans lequel la fibre reste maintenue par ce dispositif de manipulation pendant lesdites étapes de chauffage et de refroidissement, - ce procédé étant caractérisé par le fait que ladite étape de positionnement comporte d'abord une étape de recherche d'une position de couplage optimal donnant une valeur optimale au coefficient de couplage, puis une étape de compensation de retrait de soudure au cours de laquelle ledit dispositif de manipulation élève ledit tronçon de fixation à partir de ladite position de couplage optimal jusqu'à une position de soudure, la hauteur de cette position de soudure au-dessus de cette position de couplage optimal étant choisie égale à la hauteur de cette dernière au-dessus de ladite résistance multipliée par un coefficient de retrait de soudure prédéterminé dépendant du matériau de soudure, de manière que, pendant ladite étape de refroidissement, le retrait du matériau de soudure qui résulte de sa solidification, ramène le tronçon de fixation de la fibre jusqu'à ladite position de couplage optimal avec flexion de la fibre entre sa zone de manipulation et son tronçon de fixation. 3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit matériau de soudure est apporté sous la forme d'une bande préformée (40) présentant une longueur transversale à la fibre et une largeur parallèle à la fibre, une partie intermédiaire (40a) de cette longueur étant pliée pour former un arc convexe vers le haut au-dessus de la fibre et assurer un enrobage rapide de celle-ci lors de la fusion de ce matériau tout en permettant des déplacements verticaux et latéraux de celle-ci pendant l'étape de positionnement, les deux parties extrêmes (40b) de cette longueur étant posées à plat sur ladite résistance de chauffage (26) de part et d'autre de la fibre pour assurer un bon contact thermique avec cette résistance et une fusion rapide de ce matériau lors de ladite opération de chauffage. 4/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite résistance de chauffage (26) présente la forme d'une bande en couche mince d'un métal résistif s'étendant transversalement à ladite fibre (18), la longueur de cette bande comportant trois zones qui sont - une zone de chauffage (26a) située en position intermédiaire et dans laquelle cette couche de métal résistif est surmontée d'une couche de protection mince électriquement isolante (30) pour éviter des court-circuits électriques et des oxydations de surface, cette couche de protection étant elle-même surmontée, dans une partie centrale de cette zone de chauffage, par un plot de soudure (34) constitué par une couche d'un métal mouillable par ledit matériau de soudure (40), - et deux zones de connection (26b, 26c) situées aux extrémités et revêtues de plots de connection (36, 38) constitués d'un métal bon conducteur de l'électricité pour permettre l'injection d'un courant électrique intense et bref et limiter le temps pendant lequel la chaleur peut diffuser vers ladite embase. 5/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit support de fibre (16) à petite conductibilité thermique est constitué d'une vitrocéramique présentant une conductibilité thermique voisine de 0,02 W/cm x K, la hauteur de ce support étant supérieure à 0,6 mm pour minimiser le transfert de chaleur à ladite embase (8) pendant lesdites étapes de chauffage et de refroidissement. 6/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit métal résistif est un alliage de nickel et de chrome, ladite résistance de chauffage en couche mince (26) présentant une épaisseur comprise entre 50 et 300 nm, la largeur de la bande formée par cette couche dans ladite zone de chauffage décroissant desdites zones de connection (26b, 26c) vers ledit plot de soudure (-34) et étant comprise, au moins sous ce plot de soudure, entre 0,7 et 1 mm. 7/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ladite couche de protection (30) est constituée de silice. 8/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit élément métallique d'accrochage (42) est constitué par une couche métallique mince déposée sur ledit tronçon de fixation de la fibre (18) et mouillable par ledit matériau de soudure (4O).