Brevet FR3046697A1 — publié le 20170714

Structure photonique intégrée tridimensionnelle à propriétés optiques améliorées Des modes de réalisation de l'invention concernent les circuits photoniques, et plus particulièrement l'interconnexion de modules photoniques avec d'autres modules, notamment dans les structures intégrées tridimensionnelles. Comme illustré sur la figure 1, une structure photonique tridimensionnelle intégrée STR peut classiquement comprendre un module électronique 1 comportant une pluralité de circuits électroniques intégrés 10 et des premières billes de soudures 11 situées sur l'une de ses faces, un module photonique intégré 2, comportant une pluralité de circuits photoniques intégrés réalisés par exemple dans un substrat semi-conducteur 21, une partie d'interconnexion 22, des premiers plots de contact 23 (« bonding pad » selon l'appellation anglo-saxonne) sur sa face supérieure et des deuxièmes billes de soudures 24 sur sa face inférieure, et un composant d' entrée d'entrée/sortie d'un signal optique, non représenté, par exemple une première fibre optique connectée à la face supérieure du module photonique 2 et optiquement couplée aux circuits photoniques intégrés réalisés dans le substrat semi- conducteur 21, et un substrat « BGA » 3 (« Ball Grid Array selon l'acronyme anglo-saxon bien connu de l'homme du métier) comportant des troisièmes billes de soudures 30 sur une première face et des deuxièmes plots de contact 33 sur une deuxième face opposée à la première face. Le substrat comporte également des lignes métalliques et des vias formant un réseau d'interconnexion 31 permettant d'assurer une 3046697 2 connexion électrique entre les deuxièmes plots de contact 33 et les billes de soudures 30. Le module électronique 1 peut être électriquement connecté au module photonique 2 par l'intermédiaire des premières billes de 5 soudures 11 et des premiers plots de contact 23. Le module photonique 2 peut être électriquement connecté au substrat BGA 3 par l'intermédiaire des deuxièmes billes de soudures 24 et des deuxièmes plots de contact 33 situés sur la face supérieure du substrat. 10 Les composants photoniques du module photonique sont électriquement connectés au substrat BGA par des vias traversants 20 («TSV », Trough Silicon Via selon l'acronyme anglo-saxon bien connu de l'homme du métier) s'étendant dans le substrat semi-conducteur 21 du module photonique, et par les deuxièmes billes de soudures 24. 15 Les troisièmes billes de soudure 30 peuvent par exemple être destinées à être connectées sur une carte de circuit imprimé. Dans ce type de structure photonique tridimensionnelle intégrée, le composant d'entrée/sortie d'un signal optique étant connecté à la face supérieure du module photonique 2, le module 20 électronique 1 et le module photonique intégré 2 doivent être électriquement connectés au substrat BGA 3 par des vias traversants 20 s'étendant dans le substrat semi-conducteur 21 du module photonique 2. Ces vias traversants 20 engendrent des contraintes mécaniques dans le substrat semi-conducteur 21, qui modifient l'indice 25 de réfraction du milieu sur une certaine distance autour des vias. Pour des composants optiques critiques tels que par exemple les résonateurs en anneau, l'utilisation de TSV implique soit de spécifier des distances de garde entre un TSV et un composant optique critique, ce qui complexifie la conception des circuits, soit d'utiliser 30 des TSV de faible diamètre, ce qui complexifie la fabrication des circuits. Ainsi, il est proposé une structure tridimensionnelle comportant un module photonique ne comprenant pas de TSV. 3046697 3 Selon un aspect, il est proposé un dispositif, ou structure, intégré comprenant un substrat troué comportant un réseau d'interconnexion et des moyens de connexion destinés à être fixés sur une carte de circuit imprimé, un module photonique intégré 5 électriquement connecté au substrat, comportant une partie en regard d'une partie dudit trou du substrat, un module électronique intégré électriquement connecté au module photonique et s'étendant au moins en partie dans ledit trou, le module électronique et le substrat étant électriquement connectés sur une même face du module photonique. 10 En d'autres termes, en connectant le module électronique et le substrat sur une même face du module photonique, on s'affranchit de la réalisation de vias traversants tout en conservant une structure de taille réduite. Cela est possible notamment par la présence d'un trou dans le 15 substrat dans lequel le module photonique peut être placé. Selon un mode de réalisation, les moyens de connexion sont disposés sur une première face du substrat et le module photonique est connecté à ladite première face du substrat. Le module photonique peut comprendre en outre un film semi- 20 conducteur incorporant des composants photoniques qui comportent au moins un premier coupleur optique, par exemple un coupleur à réseau, le film semi-conducteur étant en partie en regard de ladite première face et ledit au moins un coupleur optique étant en regard d'une partie du trou. 25 Selon un autre mode de réalisation, les moyens de connexion sont disposés sur une première face du substrat troué et le module photonique est connecté sur la face opposée à ladite première face du sub strat. Le module photonique peut comprendre en outre un film semi- 30 conducteur incorporant des composants photoniques qui comprennent au moins un premier coupleur optique, par exemple un coupleur à réseau, le film semi-conducteur étant en partie en regard de ladite face opposée à la première face et ledit au moins un premier coupleur optique est situé en regard d'une face latérale du module photonique. 3046697 4 Le dispositif peut en outre comprendre un deuxième coupleur optique situé en regard d'une face latérale du module photonique ou en regard dudit trou, et éventuellement un dissipateur thermique en contact avec le module électronique, avantageusement placé en regard 5 du trou du substrat de telle manière que lorsque les moyens de connexions sont fixés sur une carte de circuit imprimé, le dissipateur soit en contact avec le circuit imprimé. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de 10 réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1, décrite précédemment, illustre l'art antérieur, - les figures 2 à 4 représentent des modes de réalisation de l' invention. Les figures 2 et 3 représentent une structure intégrée 15 tridimensionnelle STR, comprenant un module électronique 4 comportant une pluralité de circuits électroniques intégrés, un module photonique 5 comportant une pluralité de composants photoniques intégrés, et un substrat troué 6, par exemple un substrat troué de type BGA (« Ball Grid Array » selon l'acronyme anglo-saxon bien connu de 20 l'homme du métier). La pluralité de circuits électroniques intégrés peut comprendre par exemple des modulateurs, des convertisseurs analogiques numériques, des composants mémoire, et des circuits de commande (« drivers ») de certains composants photoniques du module 25 photonique, etc. Le module électronique comporte en outre des premiers moyens de connexion 40 réalisés sur une première face F41, par exemple des premiers piliers de cuivre. Le module photonique 5 comprend ici un substrat de type 30 silicium sur isolant, (« SOI », Silicon On Insulator), comportant un substrat porteur 50 et un film de silicium 51 disposé au dessus d'une couche isolante enterrée 52 communément désignée par l'homme du métier sous l'acronyme anglo-saxon « BOX » (« Burried OXyde »). 3046697 5 Le module photonique 5 comporte en outre une partie d'interconnexion 53 (connue par l'homme du métier sous l'acronyme anglo-saxon « BEOL », Back End Of Line). Cette partie d'interconnexion comporte sur sa face avant FS5 des deuxièmes 5 moyens de connexion 54, par exemple des deuxièmes piliers de cuivre situés sur la région périphérique de ladite face supérieure FS5, et des troisièmes moyens de connexions 55, par exemple des troisièmes piliers de cuivres 55 situés à l'intérieur de ladite région périphérique. Le film de silicium comporte plusieurs composants 10 photoniques, comme par exemple des guides d'ondes 58, des modulateurs 57 et des photodétecteurs 56, et également des coupleurs optiques 580 et 581, par exemples des coupleurs à réseaux adaptés pour recevoir/émettre un signal optique de/vers un composant d'entrée/sortie tel qu'une fibre optique. 15 Des connecteurs optiques 590 et 591 permettent de connecter des composants optiques d'entrée/sortie sur le module photonique 5. Ces connecteurs optiques 590 et 591 sont par exemple solidarisés au module photonique 5 par collage. Le substrat troué 6 est par exemple ici un substrat en 20 céramique, comportant un réseau d'interconnexion comprenant des lignes de métal 60 et des vias 64, et dont une face comporte une matrice de billes de soudures 61, par exemple la face inférieure F16. Les billes de soudures sont destinées par exemple à se connecter sur une carte de circuit imprimé 8. 25 Le substrat troué 6 comporte un trou 7, par exemple un trou traversant rectangulaire s'étendant depuis la face inférieure F16 du substrat jusqu'à une face supérieure FS6 opposée à la face inférieure F16. La face supérieure FS6 comporte en outre des quatrièmes moyens de connexion 62, par exemple des quatrièmes piliers de cuivre situés 30 en périphérie du trou 7. Le module photonique 5 est solidarisé à la face inférieure F16 du substrat 6 par l'intermédiaire des deuxièmes et quatrièmes piliers de cuivre 54 et 62, de manière à ce qu'une partie du module photonique 5 soit en regard du trou 7. 3046697 6 Ainsi, le film de silicium 51 du module photonique 5 est situé en partie en regard de la face inférieure FI6 du substrat troué 6. Le module électronique est solidarisé à la face supérieure FS5 du module photonique 5 par l'intermédiaire des premiers et troisièmes 5 piliers de cuivre 40 et 55, de manière à ce qu'il soit situé en partie dans le trou 7. Certains des circuits électroniques du module électronique sont donc électriquement connectés aux billes de soudures 61 et donc au circuit imprimé 8 par des liaisons électriques comportant chacune des 10 premiers et troisièmes piliers de cuivre 40 et 55, des vias et des pistes métalliques de la partie d'interconnexion 53 du module photonique, des deuxièmes et quatrièmes piliers de cuivre 54 et 62 situés en périphérie du module photonique 5, et des pistes métalliques 60 et des vias 64 du réseau d'interconnexion du substrat troué 6. 15 De même, des premiers et troisièmes piliers de cuivre 40 et 55 ainsi que des vias et des pistes métalliques de la partie d'interconnexion 53 du module photonique assurent la liaison électrique entre certains circuits électroniques du module électronique, par exemple des circuits de commande, et certains composants 20 photoniques du module photonique, comme par exemple des modulateurs 55. Enfin, des composants photoniques peuvent être reliés aux billes de soudures 61 par notamment les piliers 54 et 62 et le réseau d'interconnexion du substrat 6. 25 Dans tous ces cas on s'affranchit donc de la réalisation de vias traversants (« TSV »). La structure intégrée STR comprend en outre ici des composants d'entrée/sortie optiques. Ici, un composant d'entrée 90, par exemple une première fibre 30 optique, est connectée à la face supérieure FS5 du module photonique via un premier connecteur optique 590. Par exemple, la fibre optique 90 est ainsi optiquement couplée à un coupleur optique 580 réalisé dans le film semi-conducteur 51 et situé en regard dudit trou 7. Ce couplage optique est possible par l'absence de niveaux de métal dans 3046697 7 la région de la partie d'interconnexion 53 située entre le premier connecteur optique 590 et le premier coupleur optique 580. Il convient de noter ici que la connexion de la fibre optique 90 sur la face supérieure FS5 du module photonique via le premier 5 connecteur optique 590 est grandement facilitée par la configuration du module photonique 5 et du substrat troué 6, laissant la partie de la face supérieure FS5 du module photonique qui est en regard du dit trou accessible depuis l'extérieur de la structure. Un composant de sortie 91, par exemple une deuxième fibre 10 optique, est connecté sur la tranche du module photonique par l'intermédiaire d'un deuxième connecteur optique 591. Par exemple, la fibre optique 91 est ainsi optiquement couplée à un deuxième coupleur optique 581 du substrat 51 situé en regard de ladite tranche ou face latérale. 15 Selon un autre mode de réalisation illustré sur la figure 4, la deuxième face FS6 du substrat troué 6 comprend des cinquièmes moyens de connexion 63, par exemple des cinquièmes piliers de cuivre situé en périphérie du trou 7. Le module photonique 5 est ici connecté à la deuxième face 20 FS6 du substrat troué 6, par l'intermédiaire des deuxièmes piliers de cuivre 54 et desdits cinquièmes piliers de cuivre 63, de manière à ce qu'une partie du module photonique 5 soit en regard du trou 7. Ainsi, le film de silicium 51 du module photonique 5 est situé en partie en regard de la deuxième face FS6 du substrat troué 6. 25 Le module électronique 4 est connecté au module photonique 5 par l'intermédiaire des premiers piliers de cuivre 40 et des troisièmes piliers de cuivres 55. Ainsi, les liaisons électriques reliant certains des circuits électroniques du module électronique aux billes de soudures 60 30 comportent ici chacune des premiers et troisièmes piliers de cuivre 40 et 55, des vias et des pistes métalliques de la partie d'interconnexion 53 du module photonique, des deuxièmes et cinquièmes piliers de cuivre 54 et 63, des pistes métalliques 60 et des vias 64 du réseau d'interconnexion du substrat troué 6. 3046697 8 Un unique composant d'entrée/sortie, par exemple une fibre optique 92, est connectée à une face latérale du module photonique 5 par l'intermédiaire d'un connecteur optique 592. Par exemple, la fibre optique 92 est ainsi optiquement couplée à un coupleur optique intégré 5 582 réalisé dans le film semi-conducteur 51 en regard de ladite face latérale. Un dissipateur thermique DT est ici connecté sur une deuxième face F42 du module électronique. Ainsi, le module électronique 4 et le dissipateur DT sont situés en partie dans le trou 7. 10 Le dissipateur DT est ici également en contact avec la carte de circuit imprimé 8. Il est également possible d'envisager que le module photonique comporte en outre au moins un composant photonique tel que le coupleur à réseau 583 disposé en regard du trou 7 du substrat troué 6, 15 adapté à être couplé optiquement à un un composant d'entrée/sortie tel que la fibre optique 93 représentée en traits discontinus, via un connecteur optique 593. Il faut dans ce cas-là prévoir d'utiliser des composants d'entrée/sortie de faible encombrement, adaptés à se loger dans la 20 hauteur définie entre la partie d'interconnexion 53 du module photonique et la carte de circuit imprimée 8. Il est pour cela possible d'utiliser des fibres optiques acceptant des rayons de courbure réduits, de l'ordre du millimètre par exemple. On pourrait bien entendu envisager de n'avoir seulement qu'une seule fibre optique 25 d'entrée/sortie 93 optiquement couplée au coupleur 583. Ce type de montage permet d'éviter de recourir à une connexion optique par la tranche du module photonique. Bien qu'il ait été décrit ici des modules photoniques associés à des connecteurs optiques adaptés à recevoir des composants 30 d'entrée/sortie tels que les fibres optiques 90, 91, 92, et 93, il est tout à fait possible d'envisager un module photonique dépourvu au moins de connecteur optique d'entrée et donc de fibre optique d'entrée, mais dans lequel le module photonique 5 comprendrait une source lumineuse intégrée, comme par exemple une source laser hybride. REVENDICATIONS1. Dispositif intégré comprenant un substrat troué (6) comportant un réseau d'interconnexion et des moyens de connexion (61) destinés à être fixés sur une carte de circuit imprimé (8), un module photonique intégré (5) électriquement connecté au substrat troué (6), comportant une partie en regard d'une partie dudit trou (7) du substrat toué (6), un module électronique intégré (4) électriquement connecté au module photonique (5) et s'étendant au moins en partie dans ledit trou (7), le module électronique (4) et le substrat (6) étant électriquement connectés sur une même face du module photonique (5). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de connexion (61) sont disposés sur une première face (FI6) du substrat (6) et le module photonique (5) est connecté à ladite première face (FI6) du substrat. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le module photonique (5) comprend un film semi-conducteur (51) incorporant des composants photoniques (55, 56, 58) qui comportent au moins un premier coupleur optique (580), le film semi-conducteur étant en partie en regard de ladite première face (FI6) et ledit au moins un premier coupleur optique (580) est en regard d'une partie du trou (7). 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens de connexion (61) sont disposés sur une première face (FI6) du substrat troué (6) et le module photonique (5) est connecté sur la face opposée (FS6) à ladite première face (FI6) du substrat. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le module photonique (5) comprend un film semi-conducteur (51) incorporant des composants photoniques (56, 57, 58) qui comportent au moins un premier coupleur optique (582), le film semi-conducteur (51) étant en partie en regard de ladite face opposée (FS6) à la première face (FI6) et ledit au moins un premier coupleur optique (582) est situé en regard d'une face latérale du module photonique. 3046697 10 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 5 comprenant en outre un deuxième coupleur optique (581, 583) situé en regard d'une face latérale du module photonique ou en regard dudit trou (7). 5 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le module électronique intégré (4) est en contact avec un dissipateur thermique (DT). 8. Dispositif selon la revendication 7 prise en combinaison avec la revendication 5, dans lequel le dissipateur thermique (DT) est 10 configuré de telle sorte que, lorsque les moyens de connexion (61) sont fixés sur une carte de circuit imprimé (8), le dissipateur thermique (DT) soit en contact avec le circuit imprimé (8).