Brevet FR2765693A1 — publié le 19990108

APPAREIL ET PROCEDE D'ALIGNEMENT PASSIF DE FIBRE OPTIQUE DESCRIPTION La présente invention concerne un appareil et un procédé d'alignement d'un guide d'ondes optique et d'une fibre optique, et plus particulièrement, un appareil et un procédé d'alignement passif de fibre optique pour aligner, de manière passive, une fibre optique qui doit être couplée à un guide d'ondes optique d'entrée/de sortie d'un dispositif optique intégré dans lequel des dispositifs à guide d'ondes optique ayant différentes fonctions sont intégrés dans un substrat. :i i En général, une fibre optique peut être fixée à un dispositif à guide d'ondes optique grâce aux deux procédés suivants. Tout d'abord après avoir guidé la lumière incidente dans une fibre ou un dispositif optique, la position de la fibre optique est réglée de manière précise, et la puissance optique au niveau de la voie de sortie du guide d'ondes optique ou du filtre optique est mesurée, pour fixer la fibre optique et le guide d'ondes optique dans l'état de puissance optique maximale. On appelle cela un procédé d'alignement actif. D'autre part, sans diriger la lumière, la fibre optique et le guide d'ondes optique sont automatiquement alignés pour être couplés l'un avec l'autre, selon la forme ou la structure de ces parties de couplage, dans ce qu'on appelle un procédé d'alignement passif. Le procédé d'alignement actif est couramment utilisé comme procédé de couplage du guide d'ondes optique et de la fibre optique. Le procédé d'alignement actif nécessite une source lumineuse et un photodétecteur afin d'aligner la fibre optique et le guide d'ondes optique. De même, la fibre optique et le guide d'ondes optique peuvent être alignés avec une précision inférieure au micromètre par rapport à un axe d'alignement ayant six degrés de liberté. Ainsi, l'alignement est difficile et demande beaucoup de temps. Les figures 1A et lB sont une vue en trois dimensions et une vue latérale illustrant un procédé d'alignement passif classique. Selon ce procédé, une couche de guide d'ondes 101 est formée dans une partie sur laquelle une fibre optique doit être montée sur un substrat plan 100 de sorte qu'un centre de coeur du guide d'ondes et un centre de coeur de la fibre optique correspondent, pour former ainsi une partie de montage de la fibre optique 103 ayant une rainure en V. Ensuite, une rainure 105 est formée perpendiculairement à la partie de montage de la fibre optique 103 ayant la rainure en V, de sorte que la fibre optique 110 peut être poussée tout contre la partie de montage de la fibre optique 103 tout en étant parallèle au guide d'ondes optique. La section transversale de la fibre optique 110 est meulée avec précision, et la fibre optique 110 est montée sur la partie de montage de la fibre optique 103 ayant la rainure en V et est poussée tout contre la section transversale du guide d'ondes optique. Ensuite, la fibre optique 110 et le guide d'ondes optique sont collés l'un à l'autre. Toutefois, dans le procédé d'alignement passif, du fait que les diamètres des coeurs de la fibre optique et du guide d'ondes optique sont de l'ordre de quelques micromètres, une forme et une structure très précises de la partie de couplage, un positionnement précis de l'extrémité de la fibre optique et un meulage précis de la section transversale de l'extrémité de la fibre optique sont nécessaires pour réduire la perte de couplage. L'alignement est ainsi onéreux et prend beaucoup de temps. Pour résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus, un objectif de la présente invention est de fournir un appareil et un procédé d'alignement passif de fibre optique pour aligner, de manière passive, une fibre optique avec un guide d'ondes optique d'entrée/de sortie d'un dispositif optique intégré. Selon un aspect de l'objectif mentionné ci-dessus, on fournit un appareil d'alignement passif de fibre optique pour aligner, de manière passive, une fibre optique avec un guide d'ondes optique d'entrée/de sortie d'un dispositif optique intégré, caractérisé en ce qu'il comprend: un guide d'ondes optique formé sur un substrat plan dans le sens longitudinal du substrat plan, ayant un coeur plus court que le substrat plan; une partie de montage de la fibre optique formée pour avoir une longueur prédéterminée sur le substrat plan dans le sens longitudinal du substrat plan, de sorte que le guide d'ondes optique et la fibre optique entrent en contact l'un avec l'autre, pour recevoir la fibre optique; et une cavité située entre la partie de montage de la fibre optique et un coeur du guide d'ondes optique, remplie d'un matériau dont l'indice de réfraction augmente légèrement à la suite d'une irradiation avec des rayons ultraviolets de sorte que l'indice de réfraction du matériau n'est pas sensiblement différent de l'indice de réfraction d'un coeur de la fibre optique. De préférence, la cavité a une section transversale en forme de triangle, de carré, de demi- cercle ou de polygone et la cavité est formée grâce à un procédé choisi dans le groupe consistant en la gravure de substrat de silicium, le traitement mécanique de précision et le moulage de précision. Selon un autre aspect de l'objectif, on fournit un procédé d'alignement passif de fibre optique pour aligner, de manière passive, une fibre optique avec un guide d'ondes optique d'entrée/de sortie d'un dispositif optique intégré, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) formation d'un guide d'ondes optique en tant que couche dans le sens longitudinal d'un substrat plan; (b) formation d'une partie de montage de la fibre optique sur le substrat plan, sur laquelle la fibre optique doit être montée pour coupler la fibre optique et le guide d'ondes optique; (c) formation d'une cavité de taille prédéterminée entre la partie de montage de la fibre optique et le guide d'ondes optique; (d) montage de la fibre optique sur la partie de montage de la fibre optique; (e) injection d'un matériau dont l'indice de réfraction augmente à la suite d'une irradiation avec des rayons ultraviolets, dans la cavité; et (f) couplage de la fibre optique et du guide d'ondes optique par irradiation, avec des rayons ultraviolets, du matériau remplissant la cavité. De préférence, dans l'étape (b) de formation de la partie de montage de la fibre optique, une partie de la couche de guide d'ondes optique formée sur le substrat plan est partiellement enlevée pour former la partie de montage de la fibre optique pour coupler la fibre optique et le guide d'ondes optique. De même, on fournit un procédé d'alignement passif de fibre optique pour aligner, de manière passive, une fibre optique avec un guide d'ondes optique d'entrée/de sortie d'un dispositif optique intégré, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) formation d'un guide d'ondes optique dans le sens longitudinal d'un substrat plan; (b) formation d'une partie de montage de la fibre optique sur le substrat plan, sur laquelle la fibre optique doit être montée pour coupler la fibre optique et le guide d'ondes optique; (c) montage de la fibre optique dans la partie de montage de la fibre optique près du guide d'ondes optique et fixation de la fibre optique; (d) coupe de la fibre optique, montée sur la partie de montage de la fibre optique près du guide d'ondes optique, et coupe du guide d'ondes optique, de sorte que les sections transversales de la fibre optique et du guide d'onde optique sont simultanément meulées, ce qui forme ainsi une cavité de taille prédéterminée entre la partie de montage de la fibre optique et le guide d'ondes optique; (e) injection d'un matériau dont l'indice de réfraction augmente à la suite d'une irradiation avec des rayons ultraviolets, dans la cavité; et (f) couplage de la fibre optique et du guide d'ondes optique par irradiation avec des rayons ultraviolets du matériau remplissant la cavité. L'objectif et les avantages de la présente invention mentionnés ci- dessus deviendront plus évidents grâce à la description détaillée de modes de réalisation préférés de celle-ci en référence aux dessins joints, sur lesquels: les figures 1A et lB sont une vue en trois dimensions et une vue latérale illustrant un procédé d'alignement passif classique; les figures 2A et 2B sont une vue en trois dimensions et une vue latérale illustrant un appareil et un procédé d'alignement passif de fibre optique sur lequel une fibre optique est montée et un procédé pour cet appareil, selon un mode de réalisation de la présente invention; les figures 3A et 3B sont une vue en trois dimensions et une vue latérale illustrant un appareil et un procédé d'alignement passif de fibre optique, selon un autre mode de réalisation de la présente invention; et la figure 4 est un graphique représentant la variation de perte de couplage en fonction d'une taille de mode ("mode field radius") et d'un déplacement horizontal. En référence aux figures 2A et 2B, un appareil d'alignement passif de fibre optique selon la présente invention comporte un guide d'ondes optique 240, une partie de montage de la fibre optique 210 et une cavité 220. Le guide d'ondes optique 240 fournit un trajet d'orientation de la lumière, et un coeur de guide d'ondes optique 200 est formé sur un substrat plan 230 dans le sens longitudinal du substrat plan 230, pour être plus court que le substrat plan 230. Le guide d'ondes optique 240 est formé comme couche de guide d'ondes optique en déposant de la silice sur le substrat plan de silicium 230. La partie de montage de la fibre optique 210 est une partie sur laquelle une fibre optique 250 est montée. La partie de montage de la fibre optique 210 est formée selon une longueur prédéterminée sur le substrat plan 230 dans le sens longitudinal du substrat plan 230, de sorte que le guide d'ondes optique 240 et la fibre optique 250 sont en contact. Pour former la partie de montage de la fibre optique 210, une partie sur laquelle la fibre optique 250 doit être montée est enlevée du guide d'ondes optique 240 formé, puis le substrat cristallin en Si 230 est gravé, de manière anisotrope en utilisant une solution d'hydroxyde de potassium (KOH), ce qui entraîne que la partie de montage de la fibre optique 210 a une forme de rainure en V, telle que le centre d'un coeur de fibre optique 252 rencontre le centre du coeur de guide d'ondes optique 200. La cavité 220 est située entre la partie de montage de la fibre optique 210 et le coeur du guide d'ondes optique 200, et est remplie d'un matériau, tel qu'une résine polymérisable par les ultraviolets, dont l'indice de réfraction augmente légèrement à la suite d'une irradiation avec des rayons ultraviolets tel que l'indice de réfraction n'est pas sensiblement différent de l'indice de réfraction du coeur de la fibre optique 252. Dans ce cas, la cavité 220 peut prendre n'importe quelle forme capable de recevoir la fibre optique, par exemple, un triangle, un carré ou un demi-cercle, et peut être formée par un procédé de gravure du substrat de silicium, de traitement mécanique de précision ou de moulage de précision. Les figures 3A et 3B sont une vue en trois dimension et une vue latérale illustrant un appareil et un procédé d'alignement passif de fibre optique pour coupler un guide d'ondes optique et une fibre optique 320, selon un autre mode de réalisation de la présente invention. C'est- à-dire que, comme le montre la figure 3A, après avoir formé la rainure en V sur le guide d'ondes optique, la fibre optique est montée dans la rainure en V, et la fibre optique et le guide d'ondes optique sont tranchés verticalement et simultanément. Comme le montre la figure 3A, après que la silice a été déposée sur un substrat de silicium pour former un guide d'ondes optique une couche, correspondant à la partie de la couche du guide d'ondes optique dans laquelle la fibre optique 320 est montée, est enlevée. Ensuite, le substrat cristallin de Si est gravé de manière anisotrope par utilisation d'une solution d'hydroxyde de potassium (KOH), ce qui entraine qu'une partie de montage de la fibre optique 340 a une forme de rainure en V, telle que le centre d'un coeur de fibre optique 322 soit aligné avec le centre d'un coeur de guide d'ondes optique 330. Ensuite, une cavité 350, dans laquelle un matériau dont l'indice de réfraction augmente à la suite d'une irradiation avec des rayons ultraviolet doit être injecté, est préparée en utilisant une machine à trancher 360 ayant une lame dont l'épaisseur est égale à quelques micromètres. Il en résulte un effet grâce auquel la fibre optique et le guide d'ondes optique sont meulés simultanément. En utilisant l'appareil d'alignement passif de fibre optique mentionné ci-dessus, la fibre optique et le guide d'ondes optique sont alignés grâce au procédé suivant. Un matériau dont l'indice de réfraction augmente par irradiation aux rayons ultraviolets, par exemple une résine polymérisable par les ultraviolets, est injecté dans la cavité de l'appareil d'alignement passif de fibre optique, c'est-à- dire entre la fibre optique montée et le guide d'ondes optique. Ensuite, des rayons ultraviolets sont irradiés dans la fibre optique. Il en résulte que la partie frappée par les rayons ultraviolets est polymérisée, et que l'indice de réfraction de la partie polymérisée augmente plus que celui de la partie non polymérisée, ce qui donne un guide d'ondes optique dont le coeur s'élargit. Le guide d'ondes optique optimum peut être obtenu en commandant l'intensité et la durée d'irradiation des rayons ultraviolets. Grâce à un tel guide d'ondes optique dont le coeur s'élargit progressivement, la perte de couplage entre la fibre optique et le guide d'ondes optique est relativement moins affectée par le déplacement horizontal qui représente le degré de mauvais alignement entre les axes de coeur de la fibre optique et du guide d'ondes optique. La figure 4 est un graphique représentant la variation de la perte de couplage en fonction d'une taille de mode ("mode field radius") et d'un déplacement horizontal. Etant donné que la taille de mode du guide d'ondes optique augmente à la suite d'une irradiation avec des rayons ultraviolets, la dépendance de la perte de couplage vis- à-vis du déplacement horizontal diminue progressivement. L'effet du guide d'ondes optique dont le coeur s'élargit progressivement peut être vérifié comme suit. En supposant que le champ de mode ("mode field") de la fibre optique et du guide d'ondes optique présente une distribution gaussienne, et que l'intervalle et la pente entre la fibre optique et le guide d'ondes optique soient égaux à 0, la perte de couplage entre la fibre optique et le guide d'ondes optique est exprimée par la formule mathématique suivante (1). 2w w _2d2 Perte de couplage =-10Log(( 2)2 exp])[dB] (1) VW2 + 2 2 2])[dB] +w w +w 2 2 o w1 et w2 représentent les tailles de mode (rayons à 1/e de la puissance) de la fibre optique et du guide d'ondes optique, et d représente le déplacement horizontal entre la fibre optique et le guide d'ondes optique. Ainsi, comme le montre la figure 4, le taux de variation de la perte de couplage en fonction du déplacement horizontal diminue au fur et à mesure que la taille de mode augmente. Ici, on suppose que la taille de mode du guide d'ondes optique vaut à 4 um. Dans le mode de réalisation mentionné ci-dessus, la fibre optique qui n'a qu'un seul coeur est utilisée pour faciliter les explications. Toutefois, la fibre optique peut avoir des coeurs multiples sans que cela limite ce qui précède. En général, la taille de mode augmente au fur et à mesure que le diamètre du coeur augmente. Ainsi, dans la présente invention, le fait de former le guide d'ondes optique dont le coeur s'élargit progressivement réduit la dépendance de la perte de couplage vis-à-vis du déplacement horizontal. Ainsi, il n'est pas nécessaire de maîtriser de manière précise la forme ou la structure de la partie de couplage. En particulier, dans le second mode de réalisation de la présente invention mentionné ci-dessus, le guide d'ondes optique et la fibre optique ayant un coeur unique ou des coeurs multiples sont simultanément coupés pour être perpendiculaires au substrat. En outre, en même temps, une cavité dans laquelle un matériau dont l'indice de réfraction est augmenté par irradiation ultraviolette, tel qu'une résine polymérisable par les ultraviolets, est injecté, est formée entre le guide d'ondes optique et la fibre optique ayant un coeur unique ou des coeurs multiples. i1 Pour ce faire, on effectue un procédé mécanique de précision après le montage de la fibre optique, et il n'y a pas de meulage supplémentaire sur la coupe transversale de la fibre optique. En outre, en formant5 le guide d'ondes optique dont le coeur s'élargit progressivement, l'importance d'un positionnement précis de la fibre optique diminue. REVENDICATIONS 1. Appareil d'alignement passif de fibre optique pour aligner, de manière passive, une fibre optique (250, 320) avec un guide d'ondes optique d'entrée/de sortie d'un dispositif optique intégré, caractérisé en ce qu'il comprend: un guide d'ondes optique (240, 310) formé sur un substrat plan (230, 300) dans le sens longitudinal du substrat plan, ayant un coeur plus court que le substrat plan; une partie de montage (210, 340) de la fibre optique formée pour avoir une longueur prédéterminée sur le substrat plan dans le sens longitudinal du substrat plan, de sorte que le guide d'ondes optique et la fibre optique entrent en contact l'un avec l'autre, pour recevoir la fibre optique; et une cavité (220, 350) située entre la partie de montage de la fibre optique et un coeur du guide d'ondes optique, remplie d'un matériau dont l'indice de réfraction augmente légèrement à la suite d'une irradiation avec des rayons ultraviolets de sorte que l'indice de réfraction du matériau n'est pas sensiblement différent de l'indice de réfraction d'un coeur de la fibre optique. 2. Appareil d'alignement passif de fibre optique selon la revendication 1, dans lequel la fibre optique (250, 320) a un coeur unique ou des coeurs multiples. 3. Appareil d'alignement passif de fibre optique selon la revendication 2, dans lequel la cavité (220, 350) a une section transversale en forme de triangle, de carré, de demi-cercle ou de polygone. 4. Appareil d'alignement passif de fibre optique selon la revendication 1, dans lequel la cavité (220, 350) est formée grâce à un procédé choisi dans le groupe consistant en la gravure de substrat de silicium, le traitement mécanique de précision et le moulage de précision. 5. Procédé d'alignement passif de fibre optique pour aligner, de manière passive, une fibre optique (250) avec un guide d'ondes optique d'entrée/de sortie d'un dispositif optique intégré, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) formation d'un guide d'ondes optique (240) en tant que couche dans le sens longitudinal d'un substrat plan (230); (b) formation d'une partie de montage (210) de la fibre optique sur le substrat plan, sur laquelle la fibre optique doit être montée pour coupler la fibre optique et le guide d'ondes optique; (c) formation d'une cavité (220) de taille prédéterminée entre la partie de montage de la fibre optique et le guide d'ondes optique; (d) montage de la fibre optique sur la partie de montage de la fibre optique; (e) injection d'un matériau dont l'indice de réfraction augmente à la suite d'une irradiation avec des rayons ultraviolets, dans la cavité; et (f) couplage de la fibre optique et du guide d'ondes optique par irradiation, avec des rayons ultraviolets du matériau remplissant la cavité. 6. Procédé d'alignement passif de fibre optique selon la revendication 5, dans lequel au cours de l'étape (b) de formation de la partie de montage (210) de la fibre optique, une partie de la couche de guide d'ondes optique formée sur le substrat plan est partiellement enlevée pour former la partie de montage de la fibre optique pour coupler la fibre optique et le guide d'ondes optique. 7. Procédé d'alignement passif de fibre optique pour aligner, de manière passive, une fibre optique (320) avec un guide d'ondes optique d'entrée/de sortie d'un dispositif optique intégré, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) formation d'un guide d'ondes optique (310) dans le sens longitudinal d'un substrat plan (300); (b) formation d'une partie de montage (340) de la fibre optique sur le substrat plan, sur laquelle la fibre optique doit être montée pour coupler la fibre optique et le guide d'ondes optique; (c) montage de la fibre optique (320) dans la partie de montage de la fibre optique près du guide d'ondes optique et fixation de la fibre optique; (d) coupe de la fibre optique, montée sur la partie de montage de la fibre optique près du guide d'ondes optique, et du guide d'ondes optique, de sorte que les sections transversales de la fibre optique et du guide d'ondes optique sont simultanément meulées, ce qui forme ainsi une cavité (350) de taille prédéterminée entre la partie de montage de la fibre optique et le guide d'ondes optique; (e) injection d'un matériau dont l'indice de réfraction augmente à la suite d'une irradiation avec des rayons ultraviolets, dans la cavité; et (f) couplage de la fibre optique et du guide d'ondes optique par irradiation avec des rayons ultraviolets du matériau remplissant la cavité. 8. Procédé d'alignement passif de fibre optique selon la revendication 7, dans lequel au cours de l'étape (b) de formation de la partie de montage (340) de la fibre optique, une partie de la couche de guide d'ondes optique formée sur le substrat plan est partiellement enlevée pour former la partie de montage de la fibre optique pour coupler la fibre optique et le guide d'ondes optique.5