Brevet FR2654840A1 — publié le 19910524

La présente invention concerne une tête optique en technologie hybride, c'est à dire un module optoélectronique permettant l'émission et la réception de signaux lumineux, transportés par une unique fibre optique, ce module étant réalisé en technologie hybride, de sorte qu'il est directement intégrable sur un circuit hybride. Dans une liaison optique bidirectionnelle monofibre, l'unique fibre optique transmet, dans un sens qu'on appellera l'aller, la lumière émise par une diode laser, placée à une première extrémité de la fibre, et reçue par une photodiode placée à une seconde extrémité de la fibre Dans l'autre sens, qu'on appellera le retour, la lumière émise par un second laser placé à la seconde extrémité de la fibre, est reçue par une seconde photodiode, placée à la première extrémité de la fibre. Il y a donc, à chaque extrémité de la fibre optique, un laser et une photodiode, qui doivent tous deux être en liaison optique avec l'extrémité qui leur est voisine de la fibre optique. La figure 1 donne le schéma de principe d'une terminaison de fibre optique bidirectionnelle: l'unique fibre optique 1 transmet dans un sens la lumière reçue par la photodiode 3 Les dimensions respectives de la fibre optique 1 et des deux semiconducteurs 2 et 3 imposent de multiplexer le faisceau lumineux par un duplexeur 4, relié au laser par un tronçon de fibre 5 et à la photodiode par un tronçon de fibre 6. Les blocs 7 et 8 représentent, respectivement, les circuits électroniques d'émission et de réception des signaux. Les solutions connues pour assurer ce duplexage ou couplage optique sont en général assez volumineuses: les coupleurs sont constitués par un boitier dont les faces supportent des connecteurs optiques Il y a au moins un connecteur pour la fibre optique, un connecteur pour le laser dans son microboitier et un connecteur pour la photodiode dans son microboitier A l'intérieur du boîtier du coupleur, des moyens simples couplent le laser à la fibre optique et la photodiode à la fibre optique Le principal inconvénient de ces coupleurs, par ailleurs simples, est leur encombrement; en outre en raison des très petites dimensions des fibres optiques utilisées dans les sytèmes bidirectionnels ( 50-100 pin), ces coupleurs requièrent une grande précision d'usinage à chaque liaison par connecteurs. La figure 2 représente la coupe, simplifiée, d'un tel duplexeur selon l'art connu Un boîtier 4 supporte trois connecteurs optiques 9,10 et 11 La fibre optique 1 est fixée dans le connecteur 9, et les signaux qu'elle transporte sont relayés vers les connecteurs 10 et 11 au moyen de deux tronçons de fibre 13 et 14, couplés dans la région 15 Les tronçons de fibres 5 et 6 de la figure 1 sont branchés sur les connecteurs et 11 Ce duplexeur, par ailleurs très efficace, n'est en soi pas intégrable sur un circuit hybride, et nécessite trois connecteurs optiques dont on sait que la mise en oeuvre est délicate. Afin de se passer de connecteurs optiques, la Demanderesse a mis au point une tête optique représentée en figure 3 Elle utilise un boîtier de transistor de type T 039, disponible dans le commerce, dont le couvercle 16 est muni, d'origine, d'une lentille 17 Sur l'embase 18 du boîtier de transistor sont fixées les puces d'un laser 2 et d'une photodiode 3 La lumière émise par le laser 2 est focalisée par une lentille sphérique 19 et par la lentille 17 du couvercle de boîtier en direction de la fibre optique 1 Dans le mode émission, le miroir semitransparent 20 n'intervient pas En réception, la lumière tranmsise par la fibre optique 1 est réfléchie par les miroirs 20 et 21 en direction de la photodiode 3 L'ensemble est décrit en détail dans la demande de brevet français N O 85 07147 déposée le 10 mai 1985. Ce duplexeur est facile et économique à réaliser, mais il est à trois dimensions: si l'embase 18 est fixée sur un substrat, de façon conventionnelle, la fibre optique 1 est perpendiculaire au substrat, et donc dans une position peu commode, o elle est soumise à un risque de casse Pour que la fibre optique soit dans un plan parallèle à celui du substrat, il faudrait que le boîtier TO 39 soit fixé dans un berceau, son axe de symétrie étant parallèle au substrat Ces techniques ne sont pas homogènes avec la technologie des circuits hybrides. Afin de pouvoir intégrer une tête optique sur un circuit hybride, l'invention prévoit de disposer les composants -fibre optique, laser, diode, lentilles sur un substrat plan selon la technologie des circuits hybrides Il s'agit donc d'une tête optique à deux dimensions, si l'on considère comme négligeable l'épaisseur des puces semiconductrices, des lentilles, de la fibre optique, qui, en tous cas, est du même ordre de grandeur que l'épaisseur des puces de semiconducteurs ou de condensateurs pavés fixées sur un circuit hybride. De façon plus précise, l'invention concerne une tête optique comportant une fibre optique et au moins un premier ensemble optoélectronique à semiconducteur, émetteur ou récepteur d'un faisceau lumineux transmis par la fibre optique, cette tête optique étant caractérisée en ce qu'elle est de type circuit hybride, le support de la fibre optique et le support du semiconducteur optoélectronique étant fixés sur un substrat plan rigide, et intégrable sur un circuit hybride. L'invention sera mieux comprise par la description qui en est faite maintenant, en liaison avec les figures jointes en annexes, qui représentent: figure 1 schéma d'une tête optique monofibre, figure 2 schéma d'un premier type de duplexeur utilisé dans la tête optique de la figure 1, figure 3: schéma d'un second type de duplexeur, les objets des figures 1 à 3 étant connus et déjà décrits ci-dessus, figure 4: schéma en plan d'un circuit hybride sur lequel est intégrée une tête optique selon l'invention, figure 5: schéma en plan, agrandi, de la tête optique selon l'invention. L'invention est applicable à une pluralité de types de têtes optiques Selon les composants utilisés, il s'agit d'un multiplexeur (deux composants semiconducteurs émetteurs de lumière), d'un démultiplexeur (deux composants semiconducteurs récepteurs de lumière) ou d'un coupleur (lame semi-réfléchissante à la place d'un miroir dichroique) De façon à rendre la description plus claire, l'invention sera exposée en s'appuyant sur l'exemple d'un coupleur, ou duplexeur, sans pour autant limiter la portée de l'invention. La figure 4 représente un circuit hybride comportant un duplexeur selon l'invention Un circuit hybride est très généralement un objet plat, de faible épaisseur, formé sur un substrat 22 qui est une plaque d'alumine, d'oxyde de béryllium ou de nitrure d'aluminium Sur cette plaque 22 sont rapportées des puces de composants actifs 23 ou passifs 24, et les interconnexions ou certains composants passifs sont déposés par des techniques de couches épaisses En vue de protéger tous ces composants qui sont nus, un circuit hybride est toujours protégé par un boîtier d'encapsulation, dont la paroi latérale est représentée en 25 Les connexions électriques se font au moyen de passages 26 de type verremétal L'ensemble du boîtier est plat de façon à conserver les avantages des composants montés en surface sur le circuit hybride. Dans ces conditions, il est clair que si une tête optoélectronique doit être incluse dans un circuit hybride, des composants connus tels que ceux représentés en figures 2 et 3 ne conviennent pas bien: il y rupture de technologie. L'invention apporte une solution à ce problème en proposant une tête optoélectronique de type CMS, ou composant montable en surface, dont la technologie reste homogène avec celle des circuits hybrides ou "imprimés" C'est ainsi que, sur la figure 4, une tête optoélectronique 27, assemblée sur un substrat plan, est intégrée au circuit hybride 22 La tête 27 selon l'invention peut être réalisée directement sur le substrat plan du circuit hybride 22, mais il est plus efficace, du point de vue industriel, d'assembler la tête, en macrocomposant, sur un petit substrat indépendant, le tester, puis l'insérer dans le circuit hybride par montage en surface, sur le substrat du circuit hybride, ou à côté, comme représenté sur la figure 4. Les deux substrats sont dans ce cas ajustés de telle façon que les liaisons électriques puissent être facilement réalisées par des fils d'or thermosoudés. Une vue en plan, agrandie, de la tête optique selon l'invention est donnée en figure 5. Tous les composants de la tête 27 sont référencés par rapport à un substrat plan 28, qui sert de plan de référence pour des alignements optiques Ce substrat peut être en céramique, mais est avantageusement métallique, en cuivre doré ou acier: le métal permet d'obtenir un très bon état de surface Pt la réalisation d'usinages très précis En outre, une plaque métallique sert de radiateur aux composant semiconducteurs Une forme rectangulaire est la mieux adaptée à une tête optique. Sur cette plaque plane 28 est fixé un tube 29; il est préférablement métallique, a une longueur de l'ordre de 1 à 2 cm, et un diamètre intérieur qui lui permet de recevoir d'un côté la fibre optique 1 et, de l'autre côté une optique de focalisation 30, telle qu'une lentille ordinaire ou une lentille à variation d'indice Le tube 29 est brasé ou collé sur la plaque de référence 28. Egalement fixé sur la plaque de référence 28, et dans l'axe optique de la fibre 1, se trouve un premier ensemble optoélectronique: dans le cas d'un duplexeur, le dispositif semiconducteur est un laser 2 Celui-ci, et sa photodiode 31 de contre réaction, sont fixés sur une plaquette isolante 32, munie des métallisations adéquates pour la fixation et l'alimentation électrique, elle même fixée sur une première embase 33, généralement métallique La hauteur totale de l'isolant 32 et de l'embase 33 est telle que l'axe optique du laser 2 soit très sensiblement confondu avec l'axe optique de la fibre 1 Des fils d'or ou d'aluminium 34 et 35 assurent les polarisations électriques du laser 2 et de la diode 31, en interconnexion avec le circuit hybride 22; Afin de focaliser sur la fibre optique 1 la lumière émise par le laser 2, une première lentille 36 est positionnée entre le laser et la lentille 30 La lentille 36 est constituée par une bille sphérique de verre ou de saphir, et son diamètre de 1,5 mm environ correspond à un bon alignement optique laser 2 fibre 1, lorsque la bille 36 est collée directement sur le substrat 28, qui sert de plan de référence. Un second ensemble optoélectronique tel qu'une photodiode 3 de détection est positionné latéralement par rapport au tube 29 et à la fibre optique 1 De façon comparable au laser 2, la photodiode 3 est fixée sur un support isolant 37, muni de métallisations adéquates pour la polarisation, ce support étant lui même fixé sur une deuxième embase métallique 38 Des fils d'or ou d'aluminium 39 amènent la polarisation de la photodiode, en liaison avec le circuit hybride 22 Une deuxième lentille sphérique 40, en verre ou en saphir, d'un diamètre de l'ordre de 2 mm, est collée sur l'embase métallique 38, en face de la photodiode 3. Le faisceau lumineux émis par le laser 2, de longueur d'onde X 1, est directement focalisé par les lentilles 36 et 30 sur la fibre optique 1 Mais le faisceau lumineux transmis par la fibre optique, de longueur d'onde X 2 provenant d'une source optique située à l'autre extrémité de la fibre optique - doit être dévié pour atteindre la photodiode 3 Pour atteindre ce but, une lame 41 formant miroir dichroique est placée sur l'axe optique de la fibre 1, entre les lentilles 30 et 36 Ce miroir dichroique est incliné de 68 a par rapport à l'axe optique, ce qui correspond à un optimum de séparation entre les longueurs d'ondes X 1 et X 2 La position du miroir dichroique 41, plus ou moins près de la lentille 30 ou de la lentille 36, n'est pas primordiale: elle permet de positionner au mieux le second ensemble optoélectronique, de façon à obtenir une tête optique compacte. Dans ces conditions, le faisceau lumineux de longueur d'onde A 1, émis par le laser 2, traverse le miroir dichroïque 41 sans déviation, et est focalisé sur la fibre optique 1 Par contre, le faisceau lumineux de longueur d'onde À 2, émis par la fibre optique 1, est dévié par le miroir dichroique 41, en direction de la lentille 40 et de la photodiode 3. Pour assurer une bonne séparation des signaux optiques, il est préférable d'interposer un filtre 42 sur le trajet du rayon dévié, devant la photodiode 3 Ce filtre 42 est avantageusement constitué par un second miroir dichroïque, identique au précédent. Les deux miroirs dichroiques 41 et 42 ont une forme sensiblement carrée ou rectangulaire: ils sont collés par une tranche sur la plaque métallique 28. L'invention a été exposée en s'appuyant sur l'exemple d'un duplexeur, mais, selon la nature des semiconducteurs optoélectroniques 2 et 3, elle s'applique à d'autres types de têtes optiques: un multiplexeur: les deux semiconducteurs 2 et 3 sont des émetteurs, diodes lasers ou diodes électroluminescentes, démultiplexeur: ce sont deux récepteurs, photodiodes, coupleur: dans ce cas, le miroir dichroïque est remplacé par une lame semi-réfléchissante. Les têtes optiques selon l'invention sont utilisées dans les systèmes de transmission de données par fibres optiques. REVENDICATIONS 1 Tête optique comportant une fibre optique et au moins un premier ensemble optoélectronique à semiconducteur ( 2 + 31 + 36), émetteur ou récepteur d'un faisceau lumineux transmis par la fibre optique, cette tête optique ( 27) étant caractérisée en ce qu'elle est de type circuit hybride, le support ( 29) de la fibre optique ( 1) et le support ( 32,33) du semiconducteur optoélectronique ( 2) étant fixés sur un substrat ( 28) plans rigide, et intégrable sur un circuit hybride. 2 Tête optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle comporte en outre un second ensemble optoélectronique à semiconducteur ( 3 + 40), placé hors de l'axe optique de la fibre optique ( 1), ainsi qu'un moyen de déviation ( 41) d'un faisceau lumineux pour placer le second ensemble optoélectronique ( 3 + 40) sur l'axe optique de la fibre optique ( 1), ledit second ensemble ( 3 + 40) et ledit moyen de déviation ( 41) étant fixés sur le même substrat ( 28), pris comme plan de référence pour l'alignement optique. 3 Tête optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat ( 28) est une plaque métallique, polie. 4 Tête optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la fibre optique ( 1) est fixée sur le substrat ( 28) par brasure ou collage, au moyen d'un tube métallique ( 29), dont une extrémité en regard u premier ensemble optoélectronique ( 2 + 31 + 36) porte une lentille de focalisation ( 30). Tête optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que, dans le premier ensemble optoélectronique, le semiconducteur ( 2) est fixé sur une plaquette isolante ( 32) elle-même fixée sur une première plaquette métallique ( 33) brasée sur le substrat métallique ( 28), et en ce qu'une première lentille sphérique ( 36), en verre ou en saphir, est collée sur le substrat métallique ( 28), entre le semiconducteur ( 2) et la fibre optique ( 1). 6 Tête optique selon la revendication 2, caractérisée en ce que, dans le second ensemble optoélectronique, le semiconducteur ( 3) est fixé sur une plaquette isolante ( 37) elle même fixée sur une deuxième plaquette métallique ( 38) brasée sur le substrat métallique ( 28), et en ce qu'une deuxième lentille sphérique ( 40), en verre ou en saphir, est collée sur la deuxième plaquette métallique ( 38), devant le semiconducteur ( 3). 7 Tête optique selon une revendication 2, caractérisée en ce que le moyen de déviation ( 41) d'un faisceau lumineux est constitué par un miroir dichroïque, qui laisse passer un faisceau d'une première longueur d'onde (À 1) vers le premier ensemble optoélectronique ( 2) sans déviation, et qui renvoie un faisceau d Tune deuxième longueur d'onde ( 2) vers le second ensemble optoélectronique ( 3). 8 Tête optique selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'un filtre ( 42), de type miroir dichroique, est interposé sur le trajet du faisceau dévié, devant le second semiconducteur ( 3). 9 Tête optique selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que le moyen de déviation ( 41) et le filtre ( 42) sont des lames, collées par leur tranche sur le substrat métallique ( 28). Tête optique selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle constitue un duplexeur, le premier semiconducteur ( 2) étant un laser et le second semiconducteur ( 3) étant une photodiode. 11 Tête optique selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle constitue un multiplexeur, les deux semiconducteurs ( 2,3) étant deux lasers. 12 Tête optique selon la revendication 2, caractérisée en ce qutelle constitue un démultiplexeur, les deux semiconducteurs ( 2,3) étant des photodiodes. 13 Tête optique selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle constitue un coupleur, le moyen de déviation ( 41) étant une lame semiréfléchissante.