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FR2748123A1 - Ensemble optique pour coupler un guide de lumiere et procede pour sa fabrication - Google Patents

Ensemble optique pour coupler un guide de lumiere et procede pour sa fabrication Download PDF

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Publication number
FR2748123A1
FR2748123A1 FR9705142A FR9705142A FR2748123A1 FR 2748123 A1 FR2748123 A1 FR 2748123A1 FR 9705142 A FR9705142 A FR 9705142A FR 9705142 A FR9705142 A FR 9705142A FR 2748123 A1 FR2748123 A1 FR 2748123A1
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FR
France
Prior art keywords
support
layer
optical assembly
assembly according
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
FR9705142A
Other languages
English (en)
Inventor
Klaus Michael Mayer
Wolf Henning Rech
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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Abstract

Ensemble optique pour coupler un guide de lumière comprenant un support transparent (3) et un élément émetteur ou récepteur (13) prévu sur un premier côté (5) du support (3). Une couche (31) optique transparente entoure au moins l'élément émetteur ou récepteur (13). Procédé pour la fabrication d'un tel ensemble optique.

Description

Etat de la technique: L'invention concerne un procédé de fabrication
d'un ensemble optique pour coupler un guide de lumière, com-
prenant au moins un élément d'émission ou de réception rap-
porté sur un côté d'un support transparent, un chemin de faisceau entre l'élément émetteur et l'élément récepteur se
faisant vers le côté opposé du support.
L'invention concerne également un procédé pour la
fabrication d'un tel ensemble optique.
On connaît par exemple un tel ensemble optique selon le document DE-43 01 456 Cl. Le support en forme de plaque en silicium, décrit dans ce document est structuré de
manière précise par un procédé de fabrication en micromécani-
que pour permettre de positionner des tolérances strictes, une puce laser constituant l'élément émetteur, un guide de lumière et une lentille. L'ajustage final du guide de lumière de la puce laser est simplifié de manière importante grâce à la structure précise. Pour protéger une telle puce laser, très sensible, contre les influences extérieures, on l'entoure par un dispositif étanche, hermétique, en forme de
boîtier; le support lui-même fait partie du boîtier.
De manière générale, dans tous les cas, il est nécessaire de monter de tels composants semi-conducteurs dans
un boîtier approprié pour leur utilisation, boîtier sur le-
quel on couple de manière optique le guide de lumière. La protection des composants contre les influences environnantes est particulièrement importante et un bon couplage optique
joue un rôle décisif dans la conception du boîtier. Le cou-
plage se fait de manière générale à l'aide d'une ou deux len-
tilles et la position des guides de lumière par rapport aux
lentilles et à la puce laser sont réalisées de manière opti-
male par un ajustage. La puce laser est logée dans un boîtier fermé de manière hermétique vis-à-vis de l'environnement; les lentilles et les guides de lumière se trouvent, soit à
l'extérieur du boîtier, soit dans tous les cas dans le boî-
tier. Dans ce dernier cas, le guide de lumière sort du boî-
tier à travers un passage hermétique.
Le domaine des lecteurs de disques CD a fait con-
naître des éléments de lecture (ou de détection) dont unique-
ment la puce laser et une photodiode sont montées dans un boîtier rond, étanche de manière hermétique pour contrôler la puissance. Entre temps, on a également utiliser de tels en- sembles pour la transmission d'informations. Le boîtier coaxial ainsi utilisé est fabriqué en mécanique de précision,
en métal et en verre; mesurées selon les conditions de tolé-
rance pour le couplage optique entre le laser et le guide de lumière, les exigences sont inférieures à un micron (il s'agit de tolérances de fabrication extrêmement strictes) et c'est pourquoi il faut un ajustage tridimensionnel, compliqué
pour optimiser le couplage des guides de lumière.
L'utilisation de boîtiers hermétiques évoquée ci-
dessus présente l'inconvénient de coût qui prend de plus en plus d'importance vis-à-vis des prix des semi-conducteurs qui
eux diminuent de plus en plus.
Selon le document " Pig-tail Type Laser Modules
Entirely Molded in Plastic " Electronics Letters, 28 septem-
bre 1995, Vol 31, No 31, No 20, pages 1745 à 1747, on connaît un dispositif avec une diode laser protégée contre
l'influence de l'environnement par une masse de matière plas-
tique. L'inconvénient est qu'il faut coupler la diode laser sans optique par un couplage bout à bout sur les fibres de
verre.
Avantages de l'invention: Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on applique une couche optique transparente qui entoure au moins l'élément d'émission ou l'élément de réception et
offre l'avantage d'éviter un boîtier étanche de manière her-
métique, coûteux pour l'élément émetteur ou récepteur, tout en assurant la protection contre les influences environnantes
comme par exemple l'humidité. Comme on a une couche transpa-
rente à la lumière par exemple une masse coulée à transpa-
rence optique sur le support et sur l'élément émetteur ou récepteur; l'étanchéité de cet élément émetteur ou récepteur vis-à-vis de l'extérieur est réalisée, d'une part, avec le
support lui-même et, d'autre part, grâce à la couche appli-
quée. On réalise de préférence une cavité en forme de cuvette dans une face du support, cette cavité reçoit l'élément émetteur ou récepteur de préférence par une sou- dure, ce qui assure une protection supplémentaire.
De manière préférentielle, une autre couche réa-
lisée sur la première couche sert de barrière à l'humidité.
Cette structure à deux couches permet d'optimiser la première couche pour ses propriétés optiques et la seconde couche pour
l'effet d'écran.
De manière préférentielle, sur l'autre côté du support on applique une lentille réalisant un meilleur degré
de couplage lors du couplage du guide de lumière, contraire-
ment à un couplage bout à bout.
L'ensemble optique selon l'invention pour le cou- plage d'un guide de lumière est caractérisé par une couche optique transparente qui entoure au moins l'élément émetteur ou l'élément récepteur et offre l'avantage de ne pas nécessi-20 ter de boîtier assurant hermétiquement l'étanchéité de l'élément émetteur ou récepteur. La protection de l'élément émetteur ou récepteur, sensible, notamment une diode laser contre les influences extérieures, est assurée par une couche
transparente optique entourant pratiquement l'élément émet-
teur ou récepteur et le protégeant vis-à-vis de l'extérieur.
De manière préférentielle, l'élément émetteur ou récepteur est logé dans une cavité en forme de cuvette et le chemin des faisceaux est dirigé vers une paroi inclinée de la cavité pour être conduite vers la face inférieure du support
par une surface de réflexion réalisée dans le support.
De manière préférentielle, pour augmenter le de-
gré de couplage, on prévoit une lentille sur la face infé-
rieure dans le faisceau lumineux.
Selon un développement de l'invention, on associe
de préférence une diode laser et/ou une photodiode de con-
trôle à l'élément d'émission ou de réception, en l'entourant également de la première couche pour permettre de surveiller
la diode laser.
Selon d'autres développements intéressants de l'invention: - l'élément d'émission ou de réception est relié au support par une couche de soudure, - une lentille en vernis est transférée dans la seconde face du support, cette lentille en vernis étant réalisée par un procédé de photolithogravure suivi d'une fusion du vernis,
- la cavité est réalisée par gravure chimique par voie hu-
mide. - au voisinage de la paroi latérale inclinée de la cavité, il est prévu une rainure de préférence en forme de V dont une paroi constitue une surface réfléchissante dans le chemin des rayons, - une lentille est prévue sur le côté du support opposé au premier côté, - une autre couche constituant une barrière contre l'humidité est prévue sur la surface extérieure de la première couche, - la matière du support est du silicium, - la matière de la première couche est une matière organique,
- l'élément émetteur ou récepteur est une diode laser semi-
conductrice émettant de la lumière dans une plage de lon-
gueur d'ondes supérieure à 1100 nm, - la diode laser émet de la lumière suivant un angle d'ouverture compris entre 10 et 50 , - une photodiode de contrôle réalisée sur la première face du support est associée à la diode laser pour la surveiller, cette photodiode étant également entourée par la première couche, - des repères d'ajustage sont prévus sur le premier et/ou le second côté, - le premier et/ou le second côté du support est muni d'une
couche de découplage optique.
Dessin: La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation dans lequel l'unique figure est une vue en coupe schématique
d'un ensemble optique. Description de l'exemple de réalisation:
La figure montre un ensemble optique 1 comprenant
une plaque de support 3 de préférence en silicium.
La face supérieure 5 de la plaque de support 3 comporte une cavité 7 en forme de cuvette et une rainure 9 en V, voisine, ces cavité et rainure étant réalisées par gravure chimique par voie humide Le fond 11 de la cavité 7 reçoit une diode laser
à semi-conducteur 13, la liaison étant réalisée par une cou-
che de soudure 15. La diode laser 13 elle-même est activée
par une ligne électrique 17 en un point de contact 19.
Au voisinage de la diode laser 13 se trouve une
photodiode de contrôle 21 sur la surface supérieure 5 du sup-
port 3. La photodiode de contrôle 21 est dirigée vers une surface latérale en biais 23 de la cavité 7 pour recevoir de
cette manière la lumière réfléchie. La fixation de la photo-
diode de contrôle 21 se fait toutefois sur la face supérieure plane 5 du support 3 avec une couche de soudure 25. Il est clair qu'à la place de la soudure, on peut également utiliser une colle conductrice. Les signaux émis par la photodiode 21 sont transmis par une ligne électrique 27 elle-même reliée en un point de contact 29 à la photodiode pour être transmise à une unité de commande et d'exploitation non représentée de
manière plus détaillée.
La figure montre en outre une couche 31 entourant
complètement à la fois la photodiode 21 et la diode laser 13.
Seules des surfaces de liaison avec la surface supérieure 5 de la plaque de support 3 ne sont pas en contact avec cette couche 31. La rainure 9 est également remplie par la couche 31.
La couche 31 est une matière à transparence opti-
que présentant un indice de réfraction optique déterminé, ce qui est important pour le calcul du chemin du faisceau décrit ultérieurement. La surface en forme de dôme de la couche 31
reçoit une autre couche 33 servant de barrière à l'humidité.
Cette structure à deux couches s'utilise toujours si la cou-
che optique transparente ne présente pas de caractéristiques
suffisantes pour arrêter l'humidité.
Les deux couches 31, 33 protègent d'une manière
simple et très efficace la diode laser 13 très sensible con-
tre les influences externes. La figure montre en outre que la face inférieure 35 de la plaque de support 3 comporte une lentille optique 37 améliorant le couplage du faisceau laser
dans le guide de lumière branché.
La fabrication d'un ensemble optique 1 se fait en
plusieurs étapes à partir d'une plaquette de silicium consti-
tuant l'élément de base. Dans la surface de la plaque de sup-
port 3 en silicium, on réalise tout d'abord les cavités 7, 9
par gravure chimique humide; les parois en biais 23 sont dé-
finies par les directions des cristaux et leur position des
dimensions présente ainsi une précision de l'ordre de gran-
deur de 1 micron.
Puis on place la diode laser 13 dans la cavité 7.
Pour cela, on chauffe la soudure 15 ponctuellement, par exem-
ple avec un laser NdYAG.
L'alignement de la diode laser dans la cavité 7
se fait de préférence dans la direction longitudinale au ni-
veau de l'arête de la transition entre une paroi inclinée 41 et le fond 11 de la cavité 7. En plus, sur la face supérieure de la plaque de support 3, on prévoit des repères d'ajustage. Avant de mettre en place la diode laser, on peut améliorer le contact électrique avec la plaque de support 3 en appliquant une couche d'or sur des parties de la surface supérieure 5. A côté de l'amélioration de la conductivité électrique, cette couche d'or, sert par exemple sur la paroi inclinée 23 comme miroir (cette couche n'est pas représentée
à la figure).
De plus les surfaces limites de la plaque de sup-
port 3 par laquelle la lumière peut sortir et entrer, sont munies d'une couche de découplage optique; pour cela, il est avantageux d'utiliser une couche dite " quart de longueur d'onde " à indice de réfraction approprié, que l'on dépose
sur toute la surface des deux côtés 5 et 35.
Lorsqu'à la fois la photodiode 21 et la diode laser 13 sont mises en place, on applique tout d'abord la
couche 31, puis la barrière de blocage contre l'humidité 33.
Pour la lentille 37, on transfère dans le sili-
cium une lentille de vernis obtenue par photolithogravure et fusion du vernis. Une autre possibilité consiste à réaliser une lentille par attaque chimique d'une cavité en forme de cuvette et à mettre en place de manière auto-ajustée une bille de verre. Dans les deux cas, il n'est pas nécessaire d'avoir un ajustage individuel, si bien qu'il n'y a qu'une
seule opération d'ajustage pendant la fabrication de la pla-
que de support.
Enfin, on sépare les différents ensembles opti-
ques 1 réalisés sur une plaquette en sciant ou en cassant. Du fait des couches 31, 33 et de l'encastrement de la diode
laser 13, celle-ci ne risque pas d'être endommagée. Pour as-
surer la protection contre les impuretés, on peut protéger la face inférieure 35 avec une couche de vernis avant de séparer
les ensembles.
De plus, pour la fabrication, on peut prévoir des repères d'ajustage supplémentaires sur la face inférieure 35 pour du couplage optique final des ensembles, séparés avec le guide de lumière prévu par exemple sur une plaque de support analogue car un pré-alignement simplifie l'opération
d'ajustage nécessaire et accélère cette opération.
Le fonctionnement de l'ensemble optique décrit
ci-dessus sera donné brièvement ci-après.
La diode laser 13 émet une lumière laser dans une
plage de longueur d'ondes supérieure à 1100 nm dans la direc-
tion de la paroi inclinée 41 de la cavité 7. La transparence optique de la couche 31 pour cette plage de longueur d'ondes fait que les faisceaux traversent la paroi qui les dévie par
rapport à la direction perpendiculaire. La condition est tou-
tefois que la matière de la couche 31 présente un indice de réfraction correspondant. La lumière s'étale alors dans la plaque transparente 3 également pour la plage de longueur d'ondes indiquée et rencontre une paroi inclinée 43 de la rainure 9 en forme de V. La lumière y est réfléchie vers la face inférieure 35. Après avoir traversé la plaque de support 3, la lumière sort de la face inférieure 35. Si la lumière laser doit alors être couplée dans un guide de lumière ou servir de faisceau collimaté, on prévoit la lentille 37 au point de sortie. On surveille le fonctionnement de la diode laser
13 et on règle la puissance de sortie en fonction des varia-
tions de température et du vieillissement, et pour cela la diode laser 13 rayonne de la lumière vers la paroi en biais
23 qui réfléchit la lumière vers la photodiode 21.
La matière de la couche 31 est particulièrement importante pour cet ensemble optique. Cet ensemble doit avoir un indice de réfraction défini de manière précise comme déjà indiqué et qui de plus soit constant et reproductible. En plus, il faut qu'elle ne comporte pas par exemple de centres de dispersion provoqués par les matières de remplissage; elle doit présenter une transparence élevée pour la longueur
d'ondes d'émission de la diode laser 13. Enfin, il est égale-
ment nécessaire que la matière ne possède qu'une faible dila-
tation thermique.
Dans un mode de réalisation non représenté de l'invention, la cavité 7 est réalisée en deux gradins. La plaquette laser 13 est montée sur la surface de base 11 du
gradin le plus haut pour que la zone d'émission lumineuse ar-
rive directement sur la couche de brasure (montage épitaxial
descendant). De même, la surface d'extrémité se trouve au ni-
veau de l'arête du passage entre le gradin le plus haut et celui qui est le plus bas, si bien que la lumière est tout d'abord également émise d'abord dans l'espace rempli avec la couche 31 avant que la lumière ne rencontre la paroi latérale inclinée 41 du support. Ce montage permet de moins régler la distance entre la diode laser 13 et la paroi latérale 41, ce qui peut être avantageux pour des diodes laser ayant un grand
angle d'ouverture pour l'émission.

Claims (14)

R E V E N D I C A T I ONS
1 ) Procédé de fabrication d'un ensemble optique pour coupler un guide de lumière, comprenant au moins un élément d'émission ou de réception rapporté sur un côté d'un support transparent, un chemin de faisceau entre l'élément émetteur
et l'élément récepteur se faisant vers le côté opposé du sup-
port, caractérisé en ce qu' on applique une couche optique transparente qui entoure au
moins l'élément émission ou l'élément de réception.
2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on forme une cavité de préférence en cuvette sur le premier côté du support qui est utilisé comme élément d'émission ou
de réception.
3 ) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu' on applique une autre couche (33) servant de barrière à
l'humidité sur la couche optique transparente (31).
4 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
l'élément d'émission ou de réception est relié au support par une couche de soudure.
) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'
une lentille en vernis est transférée dans la seconde face (35) du support (3), cette lentille en vernis étant réalisée par un procédé de photolithogravure suivi d'une fusion du vernis. 6 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que
la cavité est réalisée par gravure chimique par voie humide.
7 ) Ensemble optique pour coupler un guide de lumière à l'aide d'un support (3) transparent et d'un élément émetteur
ou récepteur (13) réalisé sur une première face (5) du sup-
port (3), caractérisé par une couche optique transparente (31) qui entoure au moins
l'élément émetteur ou l'élément récepteur (13).
8 )Ensemble optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que sur son premier côté (5), le support (3) comporte une cavité (7) notamment en forme de cuvette logeant l'élément émetteur ou récepteur (13), le chemin des rayons de l'élément émetteur ou récepteur étant dirigé vers la paroi latérale inclinée
(41) de la cavité (7).
9 ) Ensemble optique selon les revendications 7 et 8,
caractérisé en ce qu' au voisinage de la paroi latérale inclinée (41) de la cavité (7), il est prévu une rainure (9) de préférence en forme de V dont une paroi (43) constitue une surface réfléchissante dans
le chemin des rayons.
) Elément optique selon l'une quelconque des revendica-
tions 7 à 9, caractérisé par
une lentille (37) prévue sur le côté (35) du support (3) op-
posé au premier côté.
11 ) Ensemble optique selon l'une quelconque des revendica-
tions 7 à 10, caractérisé en ce qu' une autre couche (33) constituant une barrière contre
l'humidité est prévue sur la surface extérieure de la pre-
mière couche (31).
12 ) Ensemble optique selon l'une quelconque des revendica-
tions 7 à 11, caractérisé en ce que
la matière du support (3) est du silicium.
13 ) Ensemble optique selon l'une quelconque des revendica-
tions 7 à 12, caractérisé en ce que
la matière de la première couche (31) est une matière organi- que.
14 ) Ensemble optique selon l'une quelconque des revendica- tions 7 à 13,
caractérisé en ce que l'élément émetteur ou récepteur est une diode laser semi- conductrice émettant de la lumière dans une plage de longueur15 d'ondes supérieure à 1100 nm.
) Ensemble optique selon la revendication 14, caractérisé en ce que la diode laser (13) émet de la lumière suivant un angle
d'ouverture comprise entre 10 et 50 .
16 ) Ensemble optique selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce qu' une photodiode de contrôle (21) réalisée sur la première face (5) du support (3) est associée à la diode laser (13) pour la surveiller, cette photodiode étant également entourée par la
première couche (31).
17 ) Ensemble optique selon l'une quelconque des revendica-
tions 7 à 16, caractérisé en ce que des repères d'ajustage sont prévus sur le premier et/ou le
second côté.
18 ) Ensemble optique selon l'une quelconque des revendica-
tions 7 à 17, caractérisé en ce que le premier et/ou le second côté du support (3) est muni d'une
couche de découplage optique.
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