Brevet FR2883105A1 — publié le 20060915

DISPOSITIF OPTOELECTRONIQUE ET PROCE:DE DE FABRICATION DUDIT DISPOSITIF 5 La présente invention concerne un dispositif optoélectronique et un procédé de fabrication dudit dispositif. Elle s'applique, en particulier, au contrôle et à la régulation de puissance d'émission d'un laser à émission par la surface dit VCSELs (acronyme de Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Le développement des composants optoélectroniques laser à émission par la surface VCSELs a ouvert un vaste champ d'application allant de la détection de gaz à la réalisation de modules optoélectroniques pour réseaux à fibres optiques en réseaux courtes distances. Les lasers VCSELs présentent également un certain nombre d'atouts par rapport aux lasers à émission par la tranche, en particulier leur testabilité collective sur tranche, la plus grande facilité de couplage dans les fibres optiques standards, etc... L'utilisation de ces composants se fait après mise en boîtier, traditionnellement dans des boîtiers dits TO (Transistor Outline) ou TOSA (Transmitter Optical Sub Assembly), munis respectivement d'une fenêtre laissant passer le faisceau lumineux ou d'un dispositif permettant la connexion d'un connecteur à fibre optique. La plupart des applications mettant en ceuvre ces composants nécessitent de pouvoir mesurer en permanence la puissance émise par le laser VCSEL grâce à un capteur placé à l'intérieur du boîtier, typiquement une photodiode de type PIN appelée photodiode de contrôle . Le problème est donc de pouvoir illuminer cette photodiode avec une fraction de la lumière émise par le laser VCSEL avant qu'elle ne s'échappe du boîtier. Ce problème est classiquement résolu en tirant parti des réflexions parasites 30 rencontrées par le faisceau au niveau de la fenêtre de sortie du boîtier: cette fraction du faisceau, réfléchie, peut être détectée par une photodiode: - placée au voisinage du laser VCSEL, comme le propose le document US 5,905,750 (Lebby et al. ), - sur laquelle le laser VCSEL est placé, comme le propose le document GB 2.351.180 35 (Oskarsson et al.), ou - positionnée derrière le laser VCSEL, cornme le propose le document US 5,737,348 (Smith et al.). La fenêtre sur laquelle se fait la réflexion d'une partie de la lumière émise par le laser VCSEL peut également être inclinée par rapport à l'axe d'émission du faisceau laser afin d'en rediriger une partie vers la photodiode de contrôle, placée à côté du VCSEL comme le propose le document WO 99/34487 (Smith et al.). Du fait que le chemin optique des rayons lumineux depuis la laser jusqu'à la photodiode comporte une surface de réflexion, le vieillissement ou l'encrassement de cette surface peut nuire à la fiabilité de la mesure effectuée par la photodiode. D'autres méthodes ont également été proposées: - l'intégration monolithique du détecteur et de la puce du laser VCSEL, comme le propose le document US 5,943,357 (Lebby et al. ), - la détection latérale au laser VCSEL de son émission spontanée par un détecteur réalisé au voisinage, comme le propose le document US 5,757,836 (Jiang et al.), - l'intégration d'un détecteur directement sur le chemin optique de la lumière émise, de façon à convertir une partie de la puissance en courant, tout en en laissant passer une grande partie, comme le décrivent les documents EP 0.869.590 (Kiely et al.), WO 03/000019 (Gable et al.) et US 2003/0109142 (Cable et al.). La présente invention vise un dispositif permettant de contrôler la puissance du laser VCSEL en détectant, directement, sans réflexion, la puissance lumineuse émise du côté de la surface utile du laser VCSEL, sur un substrat principal qui porte une fibre optique. Ainsi, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif optoélectronique, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat principal portant: - une fibre optique, - un substrat d'accueil portant un laser à émission verticale dont l'émission se fait sur une face dite "utile" en regard de ladite fibre optique et - un capteur optoélectronique placé en regard de la face utile du laser, à proximité de la face d'entrée de la fibre optique et adapté à capter une partie de la lumière émise par le laser en direction du substrat principal. Grâce à ces dispositions, c'est la lumière émise par le laser du côté de la fibre optique, sans réflexion sur une surface, qui est utilisée pour détecter un dysfonctionnement du laser ou pour contrôler et réguler la puissance lumineuse émise par le laser, ce qui évite de prévoir un dispositif optique complexe et de subir des effets d'encrassement d'une surface de réflexion. De plus, la réalisation et l'implantation d'un capteur sur le substrat principal sont aisées. Le dispositif optoélectronique peut être utilisé pour transmettre des signaux optiques à distance, par exemple pour véhiculer des signaux de télécommunication. D'autres avantages de la présente invention sont une puissance surveillée plus importante, augmentant le rapport signal/bruit et une répétabilité du niveau de puissance accrue par rapport à l'état de l'art. Le capteur peut ainsi être utilisé pour détecter un éventuel dysfonctionnement du 5 VCSEL ou pour réguler sa puissance moyenne. Selon des caractéristiques particulières, le dispositif optoélectronique tel que succinctement exposé ci-dessus comporte, sur ledit substrat d'accueil, pour au moins un laser, un circuit de commande du pilote et des pistes électriques reliées d'une part au circuit de commande de pilote et, d'autre part, au laser et permettant la propagation d'un signal hyperfréquence entre ledit circuit de commande du pilote et ledit laser. Grâce à ces dispositions, le laser peut émettre de signaux optiques hyperfréquence. Selon des caractéristiques particulières, le substrat d'accueil du laser est attaché, par des billes fusibles, au substrat principal. Grâce à ces dispositions, la technique d'assemblage dite "flip-chip" ou "IBM C4" peut être mise en oeuvre, ce qui assure une très bonne précision et une très haute répétitivité de la fabrication du dispositif, évitant ainsi d'avoir à allumer le laser pour effectuer le positionnement ou l'étalonnage du capteur. Selon des caractéristiques particulières, le capteur optoélectronique comporte une photodiode. Selon des caractéristiques particulières, ladite photodiode est de type métal-20 semiconducteur-métal. Grâce à ces dispositions, le coût fabrication dudit capteur est très faible. Selon des caractéristiques particulières, le substrat d'accueil du laser porte un miroir sur la face de ce substrat opposée à la face utile dudit laser. Grâce à ces dispositions, la puissance du (laser est augmentée. Selon des caractéristiques particulières, le capteur optoélectronique comporte une couche anti-reflet en regard dudit laser. On évite ainsi une perte de lumière par réflexion ou diffusion. Selon des caractéristiques particulières, le dispositif optoélectronique tel que succinctement exposé ci-dessus comporte un substrat principal portant: - une pluralité de fibres optiques, - au moins un substrat d'accueil portant une pluralité de lasers à émission verticale dont l'émission se fait sur une face dite "utile" en regard d'une fibre optique de ladite pluralité de fibres optiques et - pour chaque laser, un capteur optoélectronique placé à proximité de la face d'entrée 35 de la fibre optique correspondante et adapté à capter une partie de la lumière émise par ledit laser en direction du substrat principal. La présente invention est ainsi particulièrement bien adaptée au cas où l'on doit contrôler simultanément plusieurs lasers VCSELs placés dans un même boîtier: chaque laser VCSEL est alors muni d'une photodiode de contrôle mesurant individuellement sa puissance. En effet, dans ce cas, l'utilisation de réflexion sur une partie du boîtier ne permettrait pas de discriminer les puissances respectives des lasers VCSELs. Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de fabrication de dispositif optoélectronique, caractérisé en ce qu'il comporte: - une étape de report, sur un substrat principal, d'un substrat d'accueil portant un laser à émission verticale dont l'émission se fait sur une face dite "utile" et d'un capteur optoélectronique placé en regard de la face utile du laser, à proximité de la face d'entrée de la fibre optique et adapté à capter une partie de la, lumière émise par le laser en direction du substrat principal et - une étape de positionnement d'une fibre optique à proximité dudit capteur optoélectronique et en regard de ladite surface utile dudit laser. Les avantages, buts et caractéristiques du procédé étant similaires à ceux du dispositif tel que succinctement exposé ci-dessus, ils ne sont pas rappelés ici. D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite, dans un but explicatif et nullement limitatif en regard des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente, schématiquement, en coupe, un premier mode de réalisation particulier d'un dispositif objet de la présente invention, après assemblage, - les figures 2A et 2B représentent un logigramme d'étapes mises en oeuvre dans un mode de réalisation particulier d'un procédé de fabrication du dispositif illustré en figure 1 et - la figure 3 représente, schématiquement, en coupe, un deuxième mode de réalisation particulier d'un dispositif objet de la présente invention, après assemblage. On observe, en figure 1, un dispositif optoélectronique 100 comportant un substrat principal 105 sur lequel est reporté un substrat d'accueil 107 portant un laser VCSEL 110 dont la face d'émission 115 utile est placée face au substrat principal 105. Un trou 120 est réalisé en vis-à-vis de la zone active du laser VCSEL 110 pour effectuer un couplage optique du laser et d'une fibre optique 125 insérée dans le trou 120. Le substrat principal 105 peut être réalisé en divers matériaux (Silicium, Alumine, Quartz, ...) compatibles avec la réalisation sur une au moins de ses faces de pistes conductrices (non représentées) adaptées à la propagation d'un signal électrique hyperfréquence. Sur ce substrat principal 105, on réalise des plots métallisés sur lesquelles on dépose un matériau fusible susceptible lors d'une refusion de se reformer en billes 117 de diamètre contrôlé, typiquement entre 20 pm et 500 m. C'est le procédé de microbillage connu sous le nom de flip-chip . Le substrat d'accueil 107 est ainsi lié au substrat principal 105 par une métallisation permettant un positionnement de type flip-chip par le biais de billes 117 en métal fusible (Indium, AuSn ou autre alliage eutectique) elle mêmes placées sur des plots métalliques eux même réalisés sur le substrat principal 105. Le substrat d'accueil 107 du laser 110 est équipé de plots métalliques coïncident avec la position des billes 117 du substrat principal 105. Le diamètre des billes fusibles 117 est choisi en fonction de la hauteur finale du VCSEL. Les billes 117 assurent à la fois le positionnement mécanique et la connexion électrique de la photodiode à d'autres composants portés par le substrat principal 105. L'utilisation d'un report de type flip-chip est motivée par les bonnes performances hyperfréquence de cette technologie et par ses propriétés d'auto-alignement du substrat d'accueil 107 du laser 110 permettant ainsi de maîtriser sa position par rapport au substrat principal 105. Le trou 120, réalisé dans le substrat principal 105, peut être obtenu par différents procédés tels que la gravure sèche ou le perçage par laser. La forme du trou 120 n'est pas nécessairement circulaire: il peut s'agir de toute forme géométrique dans laquelle peut s'inscrire un cercle du diamètre d'une fibre optique 125 à insérer, typiquement de 125 à 130 m. Une photodiode 130 est fabriquée directement sur le substrat principal 105. Par exemple, dans le cas où le substrat principal 105 est en silicium Si, la photodiode 130 est préférentiellement de type métalsemiconducteur-métal. Dans le cas où le substrat principal 105 est en arseniure de galium AsGa, la photodiode 130 est préférentiellement de type PIN. Dans le cas où le substrat principal 105 est en quartz, la photodiode 130 est reportée. Dans tous les cas, la photodiode 130 est positionnée en regard de la face utile du laser 110, à proximité du chemin optique direct reliant le laser 110 à la fibre optique 125, c'est-à-dire, dans le mode de réalisation représente aux figures, à proximité du trou 120. Dans le cas d'un substrat principal en quartz, on observe qu'il n'est pas nécessaire de prévoir un trou puisque le quartz est transparent aux longueurs d'onde émises par le laser 110. Optionnellement, la photodiode 130 est reliée à un micro-amplificateur à faible bruit et à au moins un filtre passe-bas (non représentés). Dans le cas où la puissance fournie par la photodiode 130 est faible, on peut prévoir un amplificateur soit sur le substrat principal 105, soit sur un circuit imprimé déporté. Préférentiellement, la photodiode 130 est rnunie d'une couche anti-reflet sur toute sa surface en regard du laser 110. Sur la face arrière du laser VCSEL 110 est effectué un report d'un miroir 135. Ce miroir est reporté par des techniques connues dans l'art antérieur. Il sert à augmenter la puissance émise par le laser 110 en direction de la fibre optique 125 et, par conséquent, de la photodiode 130. Ainsi, la photodiode 130 détecte la puissance lumineuse émise par la face utile du laser VCSEL 110 sans qu'aucun composant optique ne s'interpose sur le chemin optique allant du laser 110 à la photodiode 130, à l'exception éventuelle d'une lentille convergente concentrant le rayon lumineux issu du laser 110 sur la face d'entrée de la fibre optique 125. Un circuit de contrôle et de régulation (non représenté) reçoit le signal émis par la photodiode 130 et, en fonction de son intensité, modifie la puissance électrique fournie au laser 110, de telle manière que la puissance lumineuse maximale émise par ce laser 110 reste sensiblement constante au cours du temps, pour compenser le vieillissement du laser 110. Dans un porte fibre ou férule 140, la fibre optique 125, par exemple en silice, est montée maintenue par collage ou tout autre moyen de fixation (brasage, soudage,...). L'une des faces du porte-fibre 140 est en contact avec la face du substrat principal 105 opposée à sa face accueillant le substrat d'accueil 107 du laser 110. Ce porte-fibre ou férule 140 est constitué d'un capillaire, par exemple en céramique, contenant la fibre optique 125, le capillaire étant inséré dans un corps extérieur qui peut être en métal ou tout autre matériau. La fibre optique 125 peut être monomode ou multimode suivant l'application visée et la longueur d'onde d'émission utilisée. Une partie de la fibre optique 125 dépasse du porte-fibre ou férule 140 d'une longueur L déterminée à l'avance en connaissant l'évolution de la puissance couplée du laser 110 dans la fibre 125, en fonction de l'écart entre ces deux composants et de l'épaisseur du substrat principal 105. La longueur de dépassement L peut être maîtrisée avec une très faible dispersion, par exemple en utilisant un procédé de clivage ou découpe de la fibre optique 125 par laser, ou un procédé de polissage de l'extrémité de la fibre optique 125. Ainsi, la longueur de dépassement L est déterminée afin qu'une fois la fibre optique 125 placée dans le trou 120 et le porte fibre 140 étant en butée sur la surface du substrat principal 105 opposée à la surface de montage du substrat d'accueil 107 du laser 110, l'écart résiduel e entre la surface active du laser 110 et l'extrémité clivée de la fibre optique 125 correspondant au taux de couplage de la lumière recherché. Le taux de couplage recherché peut être volontairement limité afin de ne pas dépasser des niveaux de puissance couplés dans la fibre incompatible avec les niveaux de sécurité oculaires requis par les normes en vigueur. De ce fait, la présente invention réalise un alignement passif de la fibre optique 125 et du laser 110 dans la direction perpendiculaire au plan du substrat principal 105. L'espace d'épaisseur e séparant la fibre optique 125 et le laser 110 peut en outre être rempli avec une colle ou un autre matériau transparent dont l'indice optique est proche de celui de la fibre optique 125, par exemple 1,5 environ pour certains verres ou silices. La fibre optique 125 peut également être équipée d'une microlentille en extrémité (non représentée) afin d'optimiser le taux de couplage du laser 110 et de la fibre optique 125. Préférentiellement, les opérations de préparation du substrat principal 105 et de report du substrat d'accueil 107 du laser 110 et des composants électroniques sont réalisées collectivement sur une plaque (wafer) d'un même matériau, cette plaque étant par la suite découpée aux dimensions d'un substrat principal individuel 105 (voir figure 3). On diminue ainsi le coût de fabrication par une approche collective. On observe, en figures 2A et 2B, sous forme d'un logigramme, des étapes mises en oeuvre dans un mode de réalisation particulier du procédé objet de la présente invention. Au cours d'une étape 200, on détermine une puissance lumineuse que l'on souhaite recueillir sur la photodiode, au cours de la vie du laser VCSEL. Au cours d'une étape 201, on prépare un laser VCSEL par épitaxie sur un substrat d'accueil. Au cours d'une étape 202, on prépare le substrat principal. Au cours d'une étape 203, on effectue un perçage d'un trou nécessaire au passage d'une fibre optique, dans le substrat principal d'épaisseur. Le trou est calibré, traverse le substrat principal, est en regard d'un laser VCSEL et est destiné au guidage d'une fibre optique en direction de la face utile du laser VCSEL. Puis, on reporte, étape 204, des composants optoélectroniques et électroniques sur une plaque (wafer) d'un même matériau, en mettant en oeuvre un procédé "flip-chip" avec des billes de matériau fusible. On reporte, en particulier, le substrat d'accueil portant le laser VCSEL, un circuit de commande et des pistes électriques reliées d'une part au circuit de commande et, d'autre part, au laser, qui permettent la propagation d'un signal hyperfréquences entre ledit circuit de commande du pilote et ledit laser. L'étape de report par une méthode "flip-chip" comporte une étape de report de plots métallisés sur le substrat principal 205, une étape de dépôt d'un matériau fusible sur lesdits plots métallisés. L'étape de report par une méthode "flip-chiip" comporte aussi une étape 206 de report, sur le substrat d'accueil portant le laser, de plots métalliques correspondant avec la position des billes du substrat principal. L'étape de report comporte une étape de mise en regard 207 des plots métalliques du substrat d'accueil et dés plots métallisés sur le substrat principal. Enfin, l'étape de report comporte une étape de re-fusion 208 du matériau fusible au cours de laquelle le matériau fusible prend la forme de bille de diamètre contrôlé. Des pistes électriques relient d'une part le circuit de commande et, d'autre part, la photodiode, pour permettent la propagation d'un signal entre ledit circuit de commande et ladite photodiode. A la fin de l'étape 208, la photodiode se trouve ainsi en regard de la face utile du laser 110 et à proximité de l'axe de la fibre optique. La photodiode de contrôle et de régulation 130 est ainsi positionnée de telle sorte qu'elle reçoive des rayons lumineux émis par le laser VCSEL 110. De ce fait, les rayons lumineux émis par le laser 110 en direction de la photodiode 130 sont convertis en courant par la photodiode pour détecter un éventuel dysfonctionnement du laser VCSEL 110 et/ou pour réguler sa puissance moyenne. Au cours d'une étape 211, on insère une fibre optique dans un porte-fibre et on solidarise ces deux éléments. Au cours d'une étape 212 (figure 2B), on effectue un clivage de la fibre optique pour que la partie de la fibre qui dépasse du porte-fibre possède une longueur L. Eventuellement, on effectue le clivage avec un angle par rapport à l'axe de la fibre optique, pour limiter les réflexions parasites. Au cours d'une étape 213, on insert, dans au moins un trou, une fibre fixée dans un porte fibre. Au cours d'une étape 214, on fixe le porte-fibre optique au substrat principal, par exemple par collage ou brasure, en regard d'un laser, ledit porte-fibre étant à la fin de l'étape d'assemblage en butée sur la surface du substrat: principal opposée à la surface de montage du substrat d'accueil sur le substrat principal. Pour fixer la fibre optique, on utilise, par exemple une colle dont l'indice optique est proche de celui de la fibre qui, par capillarité remplit l'espace entre la fibre optique et le trou. Au cours d'une étape optionnelle 215, on remplit l'écart entre la surface active du composant optoélectronique et l'extrémité de la fibre optique avec un matériau transparent dont l'indice optique est proche de celui de la fibre optique. Au cours du fonctionnement du laser VCSEL, étape 216, on mesure la puissance lumineuse émise par ce laser avec la photodiode placée sur le substrat principal 105, et on asservit, étape 217, cette puissance par régulation, selon des techniques connues en soi. La figure 3 montre une variante de l'invention adaptée au cas où l'on doit contrôler et réguler les puissances respectives de plusieurs lasers VCSELs 110 intégrés, chacun, sur un substrat d'accueil 107. On reporte alors de la même façon que précédemment des photodiodes 130 comportant autant de zones photosensibles distinctes que le nombre de lasers VCSELs 110. On observe, en figure 3, que la présente invention, dont les caractéristiques sont décrites ci-dessus pour un seul laser 110, peut être facilement mise en oeuvre dans des applications dites d'optique parallèle dans lesquelles on souhaite aligner simultanément plusieurs lasers à émission verticale 110 à un ruban de fibres optiques 125, dont le nombre est, typiquement de 4, 8 ou 12. A cet effet, on place le ruban de fibres optiques 125 dans un portefibres ou férule multi-fibres 175 ou un bloc de dit "v-grooves" et on réalise un clivage collectif des fibres optiques 125 tel que chaque fibre optique 125 dépasse du porte-fibre d'une longueur déterminée L. Le substrat principal 155 est, quant à lui, percé du nombre de trous 150 correspondant au nombre de lasers 110 à coupler' aux fibres optiques 125. Pour contrôler simultanément plusieurs laser VCSEL 110 conditionnés dans un même boîtier optoélectronique, pour une application dite d'optique parallèle, on réalise les opérations décrites en figures 2A et 2B pour chaque laser VCSEL 110, ces lasers VCSELs 110 étant ensuite montés sur le substrat principal commun 155, et on positionne, pour chaque laser 110, une photodiode de contrôle et de régulation 130, comme indiqué ci-dessus. On peut également traiter collectivement ce problème en utilisant non pas des substrats de VCSELs discrets ou séparés mais en utilisant un substrat d'accueil comportant plusieurs VCSELs 110, en ligne ou en matrice. Les procédés mentionnés plus haut sont collectifs et peuvent donc être appliqués simultanément sur tous les lasers 110. REVENDICATIONS 1 - Dispositif optoélectronique (100), caractérisé en ce qu'il comporte un substrat principal (105) portant: - une fibre optique (125), -un substrat d'accueil (107) portant un laser à émission verticale (110) dont l'émission se fait sur une face dite "utile" (115) en regard de ladite fibre optique et - un capteur optoélectronique (130) placé en regard de la face utile du laser, à proximité de la face d'entrée de la fibre optique et adapté à capter une partie de la lumière émise par le laser en direction du substrat principal. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractériisé en ce qu'il comporte, sur ledit substrat d'accueil (107), pour au moins un laser (110) , un circuit de commande du pilote et des pistes électriques reliées d'une part au circuit de commande de pilote et, d'autre part, au laser et permettant la propagation d'un signal hyperfréquence entre ledit circuit de commande du pilote et ledit laser. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le substrat d'accueil (107) du laser (110) est attaché;, par des billes fusibles (117), au substrat principal (105). 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le capteur optoélectronique (130) comporte une photodiode. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la photodiode est de type à jonction métal-semiconducteur-métal. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le substrat d'accueil (107) du laser (110) porte un miroir (135) sur la face de ce substrat opposée à la face utile (115) dudit laser. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le capteur optoélectronique (130) comporte une couche anti-reflet en regard dudit laser. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat principal (155) portant: une pluralité de fibres optiques (125), - au moins un substrat d'accueil (107) portant une pluralité de lasers à émission verticale (110) dont l'émission se fait sur une face dite "utile" en regard d'une fibre optique de ladite pluralité de fibres optiques et - pour chaque laser, un capteur optoélectronique (130) placé à proximité de la face d'entrée de la fibre optique correspondante et adapté à capter une partie de la lumière émise par ledit laser en direction du substrat principal. 9 - Procédé de fabrication de dispositif optoélectronique, caractérisé en ce qu'il comporte: - une étape de report, sur un substrat principal, d'un substrat d'accueil portant un laser à émission verticale dont l'émission se fait sur une face dite "utile" et d'un capteur optoélectronique placé en regard de la face utile du laser, à proximité de la face d'entrée de la fibre optique et adapté à capter une partie de la. lumière émise par le laser en direction du substrat principal et -une étape de positionnement d'une fibre optique à proximité dudit capteur optoélectronique et en regard de ladite surface utile dudit laser.