Brevet FR2816067A1 — publié le 20020503

La présente invention concerne le domaine des commu- nications optiques et, en particulier, un procédé de cou- plage optique d'un guide d'onde à un récepteur, et un coupleur optique destiné à la mise en oeuvre du procédé. Dans le domaine des télécommunications, les fibres optiques (monomode, multimode ou de matière plastique) rem- placent de plus en plus les fils de cuivre comme supports sélectionnés pour les communications. Les récepteurs optiques à hautes fréquences reçoivent des impulsions de lumière des fibres optiques et les transforment en signaux électriques. Aux fréquences élevées, l'alignement des récep- teurs, qui sont habituellement des photodiodes ou des diodes PIN, sur le détecteur peut présenter de grandes difficultés et avoir un coût élevé. Ceci est dû au fait que, aux fré- quences élevées, les diodes PIN, travaillant dans la plage des gigahertz, doivent avoir des surfaces actives petites, de diamètre compris entre 0,1 et 0,001 mm, suivant la fré- quence de fonctionnement, afin que la capacité du détecteur soit réduite. La tolérance dans l'opération d'alignement de fibres en cours de fabrication doit être inférieure d'un facteur de l'ordre de 10 à la surface du détecteur. En conséquence, il faut respecter des tolérances inférieures au micron pour éviter les pertes d'énergie optique dues à un défaut d'alignement. En conséquence, le conditionnement assurant l'alignement des fibres est coûteux. Habituelle- ment, il existe deux solutions à ce problème. Dans le cas de l'alignement actif, la fibre optique d'entrée ou la diode PIN sont déplacées physiquement à l'emplacement convenable par mesure active de la puissance couplée entre la fibre et le détecteur. Lorsque la puissance est maximale, les élé- ments sont fixes, par exemple par collage ou soudage sur place. Il s'agit d'une technique coûteuse qui est en général utilisée dans les applications des fibres monomodes et des télécommunications à hautes fréquences. Dans la technique d'alignement passif, la fibre ou la diode PIN est fixée dans un sous-ensemble d'usinage de précision. La fibre ou la diode PIN subit alors un aligne- ment passif par utilisation d'un type quelconque de mécanisme de refusion de soudure ou d'effet mécanique. Aucune forme de mesure active n'est nécessaire. On utilise les lois de la physique pour le guidage de la diode PIN ou de la fibre en position convenable. Cette technique néces- site néanmoins le respect de tolérances très serrées. L'invention concerne un procédé de couplage optique d'un guide d'onde optique à un récepteur optique, comprenant la disposition d'un organe optique évasé ayant une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie sur une région active du récepteur, l'alignement de la fibre optique sur l'extrémité d'entrée de l'organe optique évasé, et la canalisation de la lumière provenant du guide d'onde optique et passant par l'extrémité de sortie de l'organe optique évasé vers la surface active du récepteur optique. Le guide d'onde optique est avantageusement une fibre optique. Selon les principes de l'invention, l'organe optique évasé canalise la lumière émise par la fibre vers la région active du détecteur et, de cette manière, élargit les tolé- rances d'alignement entre la fibre et le détecteur si bien que la fabrication est plus facile et moins coûteuse. L'organe optique évasé peut avoir toute forme convenable. Par exemple, il peut former un cône véritable, mais il n'est pas obligatoirement sous forme d'un cône à génératrice formée d'une droite. Il peut avoir une forme de tronc de pyramide ou peut avoir une génératrice courbe, à la manière de l'embout d'une trompette. L'organe optique évasé peut être sous forme d'un trou réalisé dans une feuille, par exemple une feuille métal- lique, ou un élément diélectrique transparent de forme convenable. Dans un autre aspect, l'invention concerne un coupleur optique qui comporte une fibre optique ayant une extrémité de sortie, un récepteur ayant une région active, et un organe optique évasé ayant une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie, l'extrémité d'entrée étant alignée sur l'extrémité de sortie de la fibre optique, si bien que le coupleur optique canalise la lumière de la fibre optique sur la région active du récepteur optique. Le trou peut être formé par attaque chimique dans une feuille métallique ou au contraire, il peut être attaqué dans un matériau cristallin, tel que du silicium, puis métallisé pour la formation de l'organe optique évasé. Si la région active de la diode PIN est plus grande que la région de l'extrémité de sortie de l'organe optique évasé, la diode PIN ne nécessite pas un alignement précis sur l'organe optique évasé. Le point important est qu'il n'est plus nécessaire d'aligner la fibre avec un degré de précision aussi important. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure i est une vue schématique d'un coupleur optique dans un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est un schéma d'un coupleur optique dans un second mode de réalisation de l'invention; et la figure 3 est un graphique représentant les pertes théoriques d'un organe optique évasé en fonction de sa rugosité de surface. On se réfère maintenant à la figure 1; une fibre optique 1 a une âme 2 qui émet des impulsions de lumière qui doivent être dirigées sur la région activée 3 du récepteur optique 4, par exemple un guide de lumière ou une diode PIN. Etant donné l'utilisation de fréquences de l'ordre du giga- hertz qui nécessitent une petite région active, les tolé- rances sont inférieures au micron. Une feuille métallique 5 ayant un trou tronconique 6, formant un organe optique évasé, est placée entre la fibre optique 1 et le récepteur optique à diode PIN 4. La feuille métallique est alignée sur la diode PIN 4 par une technique de refusion de soudure ou analogue. L'organe optique évasé a une extrémité large 7 formant une entrée et une extrémité étroite 8 de sortie. L'extrémité de sortie 8 se trouve au- dessus de la région active 3 du récepteur optique 4. On note sur la figure 1 qu'il n'est plus nécessaire d'aligner avec précision l'âme 2 de la fibre optique 1, car, tant que l'extrémité d'entrée relativement large de l'organe optique évasé recouvre l'âme 2, la lumière provenant de l'âme 2 est canalisée par l'organe optique évasé sur la région active 3 du récepteur optique 4. L'organe optique évasé a ainsi pour effet d'élargir la plage de tolérances qui doit être respectée pour l'alignement de la fibre optique 1 dans les applications à hautes fréquences. Cette technique est cependant aussi efficace dans les applications à basse fréquence. Elle permet l'utilisation de diodes PIN plus petites dont la fabrication est moins coûteuse. La figure 2 représente un autre mode de réalisation analogue à celui de la figure 1, mais dans lequel l'organe optique évasé est formé par une pièce diélectrique 10 de forme conique. Cette pièce diélectrique 10 est formée d'un matériau transparent, par exemple de verre, ou d'un matériau ayant un indice de réfraction relativement élevé. L'organe optique évasé 10 est utilisé dans le même but que le trou 6. Il canalise la lumière de l'âme 2 de la fibre optique sur la région active 3 du récepteur optique 4. Un organe diélec- trique évasé est avantageux car il réduit les pertes, bien que sa fabrication soit plus délicate. Comme l'indique la figure 1, le matériau diélectrique 10 doit encore être ali- gné sur la région active 3. Le procédé le plus simple pour la fabrication de l'organe optique évasé selon l'invention est l'attaque chi- mique d'un petit trou dans une feuille métallique. Un trou attaqué dans le métal forme naturellement une ouverture relativement large du côté distant de la feuille. La feuille est habituellement masquée du côté proche. Un problème potentiel posé par ce procédé est dû à la rugosité de surface des parois de l'organe évasé qui peut créer des pertes optiques trop importantes. La figure 3 indique quelles sont les pertes théoriques d'un cône en décibels pour différentes rugosités de la surface du cône. Une solution à ce problème comprend l'attaque du type humide d'un matériau cristallin, tel que le silicium, pour la formation d'un trou dans le cristal avec des parois latérales presque parfaites. Le trou est alors revêtu de métal pour la formation de l'organe optique évasé. Le pou- voir réflecteur du métal peut ne pas être suffisamment élevé pour rendre possible cette solution et, dans ce cas, on doit utiliser la solution diélectrique. Dans le cas des applications des fibres multimodes ou des fibres optiques de matière plastique, les fréquences de bits augmentent rapidement. Ceci implique que la région active des diodes PIN placées dans le récepteur optique diminue encore pour que les critères fixés par la largeur de bande soient respectées. Des régions actives de diodes PIN plus petites permettent une réduction de la capacité de la diode et donc une augmentation des performances à hautes fréquences. Vu les vitesses actuelles d'augmentation de fré- quence, les récepteurs optiques de l'avenir nécessiteront probablement des régions actives de diode PIN inférieures à la dimension de la tache optique émise par une fibre optique. La dimension de la tâche de la fibre est fixe et ne peut pas être réduite. Ceci pose un problème avec une fibre optique de matière plastique dont la dimension de tache est très grande, de l'ordre de 0,1 mm ou plus. L'invention peut être aussi mise en oeuvre pour la réduction de la dimension de la tache émise par ces fibres afin qu'elle corresponde à la dimension de la région active de la diode PIN, c'est-à- dire de l'ordre de 0,1 à 0,01 mm. L'invention concerne aussi le problème posé par l'utilisation de l'organe optique évasé pour transformer une tache optique relativement grande en tache plus petite pour permettre une détection optique à hautes fréquences. Le même résultat fonctionnel peut être obtenu par mise de l'extrémité de la fibre sous forme conique, par exemple par polissage ou attaque chimique. La technique décrite n'est pas limitée aux fibres optiques. Par exemple, elle peut être utilisée avec tout guide d'onde optique. Par exemple, elle peut être utilisée avec des circuits intégrés optiques ou des cartes de circuit imprimé optique. On note que l'invention concerne ainsi un procédé efficace de couplage d'une fibre optique et d'un photodé- tecteur dans des applications à hautes fréquences, par élargissement des plages de tolérances impliquées par les dimensions de la région active du récepteur. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux procédés et coupleurs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de couplage optique d'un guide d'onde optique (1) à un récepteur optique (4), caractérisé en ce qu'il comprend: la disposition d'un organe optique évasé ayant une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie (8) sur une région active du récepteur (4), l'alignement du guide d'onde optique (1) sur l'extrémité d'entrée de l'organe optique évasé, et la canalisation de la lumière émise par le guide d'onde optique (1) par l'extrémité de sortie (8) de l'organe optique évasé vers la région active du récepteur optique (4). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe optique évasé est un trou évasé (6) formé dans une feuille métallisée placée entre le guide d'onde optique et le récepteur optique. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la feuille métallisée est une feuille métallique. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le trou évasé (6) est attaqué chimiquement dans la feuille métallique. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le trou est attaqué dans un matériau cristallin et le trou attaqué résultant est métallisé pour former l'organe optique évasé. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau cristallin est le silicium. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le trou est formé par attaque de type humide. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe optique évasé est délimité par un matériau diélectrique transparent de forme convenable placé entre la fibre optique et le récepteur optique. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe évasé a une génératrice formée d'une droite. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'organe optique évasé est un cône. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'organe optique évasé a une forme de pyramide. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le guide d'onde optique est une fibre optique. 13. Coupleur optique, caractérisé en ce qu'il comprend: un guide d'onde optique (1) ayant une extrémité de sortie (7), un récepteur (4) ayant une région active, et un organe optique évasé ayant une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie (8), l'extrémité d'entrée étant alignée sur l'extrémité de sortie du guide d'onde optique (1), si bien que le coupleur optique canalise la lumière provenant du guide d'onde optique (1) dans la région active du récepteur optique (4). 14. Coupleur optique selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'organe optique évasé est délimité par un trou (6) formé dans une feuille métallisée disposée entre le guide d'onde optique (1) et le récepteur optique (4). 15. Coupleur optique selon la revendication 14, caractérisé en ce que la feuille métallisée est une feuille métallique. 16. Coupleur optique selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'organe optique évasé est délimité par un trou formé dans un matériau cristallin et ayant une surface métallisée. 17. Coupleur optique selon la revendication 16, caractérisé en ce que le matériau cristallin est le silicium. 18. Coupleur optique selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'organe optique évasé est délimité par un matériau diélectrique transparent (10) de forme convenable placé entre la fibre optique et le récepteur optique. 19. Coupleur optique selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'organe évasé a une génératrice formée d'une droite. 20. Coupleur optique selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'organe optique évasé est un cône. 21. Coupleur optique selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'organe optique évasé a une forme de pyramide. 22. Coupleur optique selon l'une quelconque des revendications 13 à 21, caractérisé en ce que le guide d'onde optique (1) est une fibre optique.