Brevet FR2672697A1 — publié le 19920814

Dispositif optoélectronique monté sur substrat et connecté par fibre optique, et son procédé de fabrication La présente invention concerne notamment un dispositif optoélectronique qui est monté sur un substrat et dont une connection est réalisée par une fibre optique Elle trouve notamment application dans la réalisation d'un récepteur optique destiné à un système de transmission à fibres optiques Dans un tel système une onde lumineuse porte un signal numérique qui peut être porté soit en modulation d'intensité avec détection directe, soit en modulation de fréquence ou de phase avec détection cohérente Dans le cas o ce signal est à haut débit la détection est réalisée à l'aide de composants fonctionnant dans le domaine des hyperfréquences, par exemple 1,8 G Hz, et ces composants sont avantageusement intégrés dans un circuit hybride formé sur un substrat céramique. Dans un tel récepteur un signal lumineux d'entrée est guidé par une fibre optique et reçu par une photodiode suivie par un premier amplificateur du récepteur La connexion de ces deux composants pose un problème technique délicat lorsque la fréquence du signal électrique est élevée: La capacité parasite de la ligne de connexion limite en effet la bande passante du récepteur et introduit un bruit supplémentaire De plus, dès que l'on éloigne la photodiode, la désadaptation d'impédance entre la photodiode et l'amplificateur fait apparaître dans cette ligne des ondes stationnaires qui perturbent le fonctionnement du circuit Différentes dispositions ont été proposées25 pour résoudre ce problème; elles comportent toutes la suppression du boîtier dans lequel la photodiode est classiquement contenue et une connection directe à l'amplificateur pour éliminer la capacité parasite de ce boîtier Le maintien de la fibre optique pose alors un autre problème qui devient complexe si le dispositif doit être prévu30 pour résister à des contraintes mécaniques La présente invention vise à résoudre ces problèmes. Cette invention s'applique cependant aussi à la réalisation de dispositifs autres qu'un tel récepteur optique et à la connexion de composants optoélectroniques autres qu'une telle photodiode, par35 exemple un photo-transistor, un composant hyperfréquence commandé 2 - optiquement, ou un laser semi-conducteur lorsque ces composants sont disposés sur des substrats. Elle a dans ces divers cas le but général suivant: réalisation simple d'une connexion optique durablement précise sur un substrat rigide tel que celui d'un circuit hybride. Dans ce but elle a notamment pour objet un dispositif optoélectronique dans lequel une connexion optique d'un composant optoélectronique fixé sur un substrat est assurée par une fibre optique, ce dispositif étant caractérisé par le fait que l'alignement10 et le maintien de cette fibre optique sont réalisés par les parois d'un trou traversant ce substrat en regard de ce composant. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après comment la présente invention peut être mise en oeuvre, étant entendu que les éléments et dispositions mentionnés et représentés ne15 le sont qu'à titre non limitatif 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 circuit hybride simplifié constituant un premier dispositif selon la présente invention - La figure 2 représente une vue en coupe de ce circuit. La figure 3 représente une vue de dessous de ce circuit. Les figures 4 A, 4 B, 4 C, 4 D, 4 E, 4 F, 4 G, représentent des vues de dessus à échelle réduite de ce circuit à des étapes successives de sa fabrication. La figure 5 représente une vue en coupe à échelle agrandie d'une photodiode constituant un composant optoélectronique de ce circuit, La figure 6 représente une vue de dessus d'un circuit hybride plus complexe constituant un deuxième dispositif selon la présente invention. En se référant aux figures 1 à 3 on va d'abord décrire de manière générale certaines dispositions qui, quant à leurs finalités indiquées ci-après, sont communes à un dispositif selon la présente invention et à des dispositifs bien connus On donnera en même temps35 quelques indications un peu plus particulières à titre d'exemple. -3- Selon ces dispositions communes un dispositif optoélectronique est réalisé sous la forme d'un circuit hybride et comporte les éléments suivants: Un substrat 2 Il présente deux faces principales qui sont une face supérieure 4 et une face inférieure 6 Il est par exemple constitué d'une plaquette rigide de matériau isolant. Un ensemble de composants électroniques Ces composants sont pourvus de bornes de connexion électriques Cet ensemble comporte au moins un composant optoélectronique 8 Ce dernier est pourvu de deux bornes de10 connexion électriques inférieure 12 et supérieure 14 (fig 5) Il est en outre pourvu d'une plage de connexion optique 10 Un autre composant électronique 16 possède deux bornes de connexion électriques 18 et 20 Tous ces composants sont fixés sur la face supérieure 4. Des lignes de connexion reliées à ces bornes pour établir des connexions électriques utiles au fonctionnement du dispositif De telles lignes peuvent également permettre de connecter le dispositif à des organes extérieurs Elles sont constituées par des pistes telles que 22 et 24 fixées sur le substrat et par des fils métalliques tels que 26 soudées à ces bornes sur ces pistes.20 Une fibre optique 28 dont un tronçon extrême présente une première extrémité 30 en regard de la plage 10 de manière à établir une connexion optique utile pour le fonctionnement du dispositif. Enfin des moyens de maintien de fibre 32, 36 pour maintenir ce tronçon extrême par rapport au substrat 2 Ces moyens sont par exemple choisis pour assurer la permanence du couplage optique entre la fibre optique et le composant optoélectronique, même en présence d'efforts mécaniques provenant de chocs ou de vibrations. On va maintenant décrire, toujours de manière générale des dispositions avantageuses qui, selon la présente invention, sont adoptées dans le dispositif donné en exemple. Selon une telle disposition avantageuse le substrat 2 est percé d'un trou de connexion optique 32 reliant ses deux faces principales 4 et 6 Le composant optoélectronique 8 est positionné sur la face supérieure 4 de ce substrat de manière à présenter sa plage de35 connexion optique 10 en regard de ce trou La fibre optique 28 s'étend -4- au dessous de ce substrat et comporte au voisinage de sa première extrémité 30 un tronçon extrême 29 engagé dans ce trou. Selon une autre disposition avantageuse le trou de connexion optique 32 a un diamètre adapté à un diamètre extérieur du tronçon extrême de fibre optique 29 pour qu'une paroi de ce trou constitue au moins partiellement lesdits moyens de maintien de fibre Ce diamètre est alors souvent inférieur à 0,2 mm. On va maintenant décrire, encore de manière générale, en se référant aux figures 4 et 5, le procédé de fabrication d'un tel dispositif Ce procédé comporte diverses opérations qui, quant à leurs finalités indiquées ci-après, sont communes à ce procédé et à des procédés connus Dans un ordre non chronologique, ces opérations communes sont les suivantes: positionnement d'un ensemble de composants électroniques 8, 16 sur une face supérieure 4 d'un substrat 2, cet ensemble comportant au moins un composant optoélectronique 8 présentant une plage de connexion optique 10, -fixation de cet ensemble sur cette face, réalisation de connexions électriques 22, 24, 26 pour cet ensemble, positionnement d'un tronçon extrême 29 d'une fibre optique 28 par rapport au substrat 2 de manière à amener une première extrémité 30 de cette fibre en regard de la plage de connexion optique 10 du composant optoélectronique 8, et fixation de cette fibre à ce substrat pour réaliser une connexion optique de ce composant optoélectronique. Conformément à la présente invention ce procédé comporte en outre une opération de perçage pour percer un trou de connexion optique 32 à travers le substrat 2 L'opération de positionnement amene alors la plage de connexion optique 10 de ce composant optoélectronique 8 en regard de ce trou, et l'opération de positionnement du tronçon extrême 29 comporte l'insertion de ce tronçon dans ce trou. De préférence, lorsque le substrat 2 est constitué d'une plaquette céramique, l'opération de perçage est réalisée à l'aide d'un faisceau laser focalisé Elle forme le trou de connexion optique 32 - selon un axe de perçage 34 qui est par exemple perpendiculaire à ce substrat Elle donne à ce trou un diamètre adapté à un diamètre extérieur de la fibre optique 28 Pour donner à la paroi de ce trou la forme d'un cyclindre de révolution, ou à peu près, on fait tourner le5 substrat 2 autour de l'axe de perçage 34 pendant cette opération. On va maintenant décrire ce procédé d'une manière plus particulière dans le cas o le composant optoélectronique est une photodiode 8 On choisit une photodiode présentant sa plage de connexion 10 sur une face qui est généralement dite "arrière" et qui10 deviendra ici sa face inférieure Cette plage est entourée (fig 5) par une borne de connexion inférieure 12 L'autre borne de connexion 14 est formée sur la face supérieure en regard d'une fenêtre percée dans une couche diélectrique 15 Les opérations relatives à l'autre composant électronique 16 sont classiques et ne seront ni décrites ni15 représentées. Dans l'ordre chronologique les opérations concernant la photodiode sont les suivantes: Choix de l'emplacement de la photodiode 8 sur le substrat 2. Gravure d'une couche métallique déposée sur ce substrat pour former les pistes de connexion électrique 22, 24 jusqu'à l'emplacement choisi pour la photodiode (fig 4 A). Perçage du trou 32 adapté au diamètre de la fibre optique Ce perçage est fait à l'emplacement choisi pour la photodiode en extrémité de la piste 22 Ce trou est réalisé par micro-usinage laser (fig 4 B). Positionnement de la photodiode 8 au dessus du trou 32 La face arrière est placée du c 8 té du trou La photodiode est mise en place par une machine de report de composants et fixée à l'aide d'une colle conductrice Ceci réalise la fixation et une première connexion de30 cette photodiode par contact électrique entre sa borne inférieure 12 et la piste 22 (fig 4 C). Une deuxième connexion de cette photodiode est réalisée sur sa face avant par un fil d'or 26 qui est soudé d'une part à sa borne supérieure 14 d'autre part à la piste 24 (fig 4 D).35 On prépare la fibre optique 28, dite fibre amorce Son extrémité 30 -6- est taillée avec un angle pour minimiser les réflexions optiques. Insertion du tronçon extrême 29 de la fibre 28 dans le trou 32 à partir de l'extrémité inférieure de ce trou jusqu'à ce que son extrémité affleure la photodiode (fig 4 E).5 Fixation de cette fibre à l'aide d'une goutte de colle dure 36 déposée sous le substrat 2 (fig 4 F). On assure la souplesse de raccordement de la fibre 28 sur le substrat 2 en recouvrant la goutte de colle dure 36 par une goutte de polymère souple 36 Cette opération à pour but d'éviter que la fibre10 casse quand elle est courbée par l'utilisateur. Plus particulièrement le substrat 2 est une plaquette d'alumine de 0, 635 mm d'épaisseur Les pistes de connexion électrique en or sont gravées dessus par les méthodes habitelles. Le trou 32 qui traverse le substrat a un diamètre de 0,14 mm Il est percé par micro- usinage au laser excimère Pendant le perçage le substrat est mis en rotation pour obtenir un trou presque parfaitement cylindrique. La photodiode 8 est placée par une machine de report de composants Un dispositif à dépression permet de la maintenir pendant qu'un chariot mobile suivant les trois axes positionne le substrat. Une visée optique à travers le trou permet d'obtenir la précision de positionnement requise La photodiode est fixée par une colle conductrice type H 20 E de la marque déposée Epotecny Cette colle a été préalablement déposée à l'aide d'une aiguille sur la piste 22 sur le25 bord du trou 32. La deuxième connexion sur la face avant de la photodiode est réalisée par une machine de thermocompression à l'aide du fil d'or 26 dont le diamètre est 0,018 mm. La fibre 28 est une fibre monomode de diamètre 0,125 mm Son coeur aun diamètre de 8 micromètres Son extrémité 30 a été inclinée à 60 d'angle par polissage Elle est positionnée au dessus du trou puis descendue à l'aide d'une pince mobile suivant les trois axes Il est possible pendant cette opération d'injecter de la lumière dans la fibre afin de contrôler la qualité du couplage optique.35 La goutte de colle 36 est du type E de la marque déposée -7- Epotecny Elle est déposée à l'aide d'une aiguille sous le substrat au contact de la fibre optique. La goutte de protection 38 assurant un raccordement souple de la fibre avec le substrat est déposé à l'aide d'une aiguille Un exemple de produit pouvant assurer cette fonction est le joint 3020 de la marque déposée TECSIL. On peut ainsi obtenir une sensibilité supérieure à 0,85 A/W ainsi qu'une bande passante supérieure à 2 G Hz. Les indications données ci-dessus à propos d'un premier circuit hybride restent valables à propos d'un deuxième circuit hybride moins simplifié qui va maintenant être décrit avec l'aide de la fig 6 Tout d'abord, de manière générale, ce deuxième circuit comporte: deux trous de connexion optiques (non représentés et semblables au trou 32), deux photodiodes semi-conductrices 105 constituant deux dits composants optoélectroniques, deux fibres optiques (non représentés et semblables à la fibre 28) insérées dans ces deux trous pour réaliser les connexions optiques de ces deux photodiodes, respectivement,20 et au moins un amplificateur à semi-conducteur 106 fonctionnant en hyperfréquence et constituant un dit composant électronique, cet amplificateur étant connecté électriquement à ces deux photodiodes pour constituer avec elles un récepteur optoélectronique équilibré utilisable dans un réseau de transmission à fibres optiques à25 détection cohérente. Ces fibres optiques non représentées sont fixées de la même manière que la fibre 28. Sur la figure 6 les numéros de référence suivants désignent à titre d'exemple les éléments suivants. 101: Piste formant masse électrique. 102: Capacité de découplage. 103: Piste d'alimentation raccordée à une borne positive d'une source de potentiel extérieure non représentée. 104: Résistances de polarisation. 105: Deux photodiodes identiques à la photodiode 8 précédemment -8 décrites et fixées de la même manière 106 Amplificateur à circuit intégré du type dit MMIC. 107 Piste d'alimentation raccordée à la borne négative de ladite source de potentiel extérieure. 108 Fils de connexion électriques identiques au fil 26 et soudés de la même manière aux bornes de connexion électrique des divers composants et/ou aux pistes de connexion. 109 Piste de sortie de signal raccordée à un organe d'utilisation extérieur non représenté. Substrat identique au substrat 2 précédemment décrit. -9 - REVENDICATIONS l/ Dispositif optoélectronique monté sur substrat et connecté par fibre optique, dispositif dans lequel la connexion optique d'un composant optoélectronique ( 8) fixé sur un substrat ( 2) est assurée5 par une fibre optique ( 28), ce dispositif étant caractérisé par le fait que l'alignement et le maintien de cette fibre optique ( 28) sont réalisés par les parois d'un trou ( 32) traversant ce substrat ( 2) en regard de ce composant ( 8). 2/ Dispositif selon la revendication 1, ce dispositif comportant un substrat ( 2) présentant deux faces principales qui sont une face supérieure ( 4) et une face inférieure ( 6), un ensemble de composants électroniques, des composants de cet ensemble étant pourvus de bornes de connexion électrique, cet ensemble comportant au moins un composant optoélectronique ( 8) qui est pourvu en outre d'une plage de connexion optique ( 10), cet ensemble étant fixé sur ladite face supérieure, des lignes de connexion ( 22, 24) reliées à ces bornes pour établir des connexions électriques utiles pour le fonctionnement de ce dispositif, une fibre optique ( 28) dont un tronçon extrême ( 29) présente une première extrémité ( 30) en regard de la dite plage ( 10) de manière à établir une connexion optique utile pour le fonctionnement de ce dispositif, et des moyens de maintien de fibre ( 32, 36) pour maintenir ce tronçon extrême par rapport audit substrat ( 2), ce dispositif étant caractérisé par le fait que ledit substrat ( 2) est percé d'un trou de connexion optique ( 32) reliant ses deux dites faces principales ( 4, 6), ledit composant optoélectronique ( 8) étant positionné sur ladite face supérieure ( 4) de ce substrat de manière à30 présenter sa dite plage de connexion optique ( 10) en regard de ce trou, ladite fibre optique ( 28) s'étendant au-dessous de ce substrat et comportant au voisinage de sa dite première extrémité ( 30) un tronçon extrême ( 29) engagé dans ce trou. 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit trou de connexion optique ( 32) a un diamètre adapté à un - diamètre extérieur dudit tronçon extrême de fibre optique ( 29) pour qu'une paroi de ce trou constitue au moins partiellement lesdits moyens de maintien de fibre ( 32, 36). 4/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit trou de connexion optique a un diamètre inférieur à 0,2 mm. / Dispositif selon la revendication 2, ce dispositif étant un circuit hybride, ledit substrat ( 2) étant constitué d'une plaquette rigide d'un matériau isolant, ledit ensemble de composants électroniques comportant au moins un composant électronique ( 16) autre que ledit composant optoélectronique ( 8), et lesdites lignes de connexion comportant des pistes conductrices ( 22, 24) fixées sur ladite face supérieure ( 4) de ce substrat. 6/ Dispositif selon la revendication 5, ledit substrat étant constitué d'une plaquette céramique. 7/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte deux dits trous de connexion optiques (tels que 32), deux photodiqdes semi-conductrices ( 105) constituant deux dits composants optoélectroniques, deux dites fibres optiques (telles que 28) insérées dans ces deux trous pour réaliser les connexions optiques de ces deux photodiodes, respectivement, et au moins un amplificateur à semi-conducteur ( 106) fonctionnant en hyperfréquence et constituant un dit composant électronique, cet amplificateur étant connecté électriquement à ces deux photodiodes pour constituer avec elles un récepteur optoélectronique équilibré utilisable dans un réseau de transmission à fibres optiques à détection cohérente. 8/ Procédé de fabrication d'un dispositif optoélectronique monté sur substrat et connecté par fibre optique, ce procédé comportant les opérations suivantes: positionnement d'un ensemble de composants électroniques ( 8, 16) sur une facé supérieure ( 4) d'un substrat ( 2), cet ensemble comportant au moins un composant optoélectronique présentant une plage de connexion35 optique ( 10), lh - -fixation de cet ensemble sur cette face, réalisation de connexions électriques ( 22, 24, 26) pour cet ensemble, positionnement d'un tronçon extrême ( 29) d'une fibre optique ( 28) par rapport audit substrat de manière à amener une première extrémité ( 30) de cette fibre en regard de ladite plage de connexion optique ( 10) dudit composant optoélectronique ( 8), et fixation de cette fibre audit substrat pour réaliser une connexion optique de ce composant optoélectronique, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une opération de perçage pour percer un trou de connexion optique ( 32) à travers ledit substrat ( 2), ladite opération de positionnement amenant ladite plage de connexion optique ( 10) de ce composant optoélectronique ( 8) en regard de ce trou, ladite opération de positionnement dudit tronçon extrême ( 29) de fibre optique comportant l'insertion de ce tronçon dans ce trou. 9/ Procédé selon la revendication 8, ledit substrat étant constitué d'une plaquette céramique, ce procédé étant caractérisé par le fait que ladite opération de perçage est réalisée à l'aide d'un faisceau laser focalisé pour former ledit trou de connexion optique ( 32) selon un axe de perçage ( 34) et pour donner à ce trou un diamètre adapté à un diamètre extérieur de ladite fibre optique ( 28). / Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'on fait tourner ledit substrat ( 2) autour dudit axe de perçage ( 34) pendant ladite opération de perçage pour donner sensiblement à la paroi dudit trou de connexion optique ( 32) la forme d'un cylindre de révolution autour de cet axe.