FR2860653A1 - Emetteur de rayonnement associe a une microlentille - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de réalisation de composants optiques comprenant chacun un émetteur de rayonnement et une microlentille, comportant :- l'assemblage d'une matrice (42) de microlentilles et d'une plaque (50) comportant une couche de matériau émetteur de rayonnement comprise entre deux moyens réflecteurs,- puis la découpe d'assemblages individuels (45) comportant chacun une lentille et un émetteur de rayonnement.

Description

2860653 1

EMETTEUR DE RAYONNEMENT ASSOCIÉ À UNE MICROLENTILLE

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'invention se rapporte au domaine des microcavités résonnantes, notamment à base de cadmium, ou de mercure, ou de tellure et à leurs procédés de fabrication.

De telles cavités sont excitées optiquement 10 afin de réaliser des émetteurs dans le spectre infrarouge Ces émetteurs peuvent notamment être utilisés pour des applications de détection de gaz par spectrométrie et absorption différentielle.

Une microcavité résonnante est usuellement formée d'une couche absorbante à base de cadmium, ou de mercure, ou de tellure, et est comprise entre deux couches réflectives.

La couche absorbante est par exemple 20 réalisée par une technique d'épitaxie.

Les couches réflectives sont réalisées par une technique de dépôt d'empilement en couches minces de matériaux diélectriques.

La longueur de la microcavité résonnante ainsi formée pour obtenir un pic d'émission situé dans le spectre infrarouge est de quelques dizaines de micromètres.

Afin de garantir sa tenue mécanique, la microcavité résonnante est reportée par collage sur un substrat plus épais, transparent aux longueurs d'ondes mises en jeu.

Les étapes usuelles de fabrication sont les suivantes (figures lA - 1F).

On procède tout d'abord à la génération de la couche absorbante 2 à base de cadmium, ou mercure, ou tellure, par épitaxie sur un substrat 4 sacrificiel adapté en terme d'accord de maille (figure 1A).

Puis (figure 1E), il y a dépôt par PECVD du premier miroir 6 de la cavité : on constitue en fait un empilement de matériaux de type ZnS, ou YF3.

L'ensemble est reporté (côté miroir) sur un support transparent 8 (figure 1C).

Le substrat sacrificiel 4 est retiré par 15 amincissement mécano-chimique (figure 1D).

Enfin (figure 1E), on forme par dépôt, par exemple de type PECVD, un deuxième miroir 10 de la cavité : on constitue ainsi un empilement de matériaux de type ZnS, ou YF3.

La plaque ainsi réalisée est ensuite découpée (figure 1F) pour obtenir des émetteurs individuels.

En fonctionnement, une telle microcavité résonnante produit un rayonnement, cohérent ou non, par pompage optique par une source qui peut être de type diode laser.

En effet, une diode laser présente l'avantage d'émettre toute sa puissance sur un étroit pic spectral qui peut être ajusté sur une raie d'absorption de la microcavité de façon à optimiser au mieux le rendement entre la puissance de pompe et la puissance émise par la microcavité résonnante.

La microcavité résonnante est placée très près de la source optique de pompe afin de minimiser la taille ou le rayon de la zone de pompage et de maximiser la densité de la puissance dans la zone de pompage, et donc le rendement.

En effet, le faisceau issu de la source de pompage est généralement divergent.

Pour augmenter le rendement de pompage, une solution, connue à ce jour, et appliquée par exemple au domaine des microlasers à milieu actif solide, est d'insérer un composant 20 de type lentille entre la source optique de pompe 22 et la microcavité résonnante 24, afin de focaliser le faisceau 23 généralement divergent issu de la source de pompage dans la microcavité résonnante (figure 2). La référence 25 désigne le faisceau émis par cette dernière.

Cette solution nécessite d'aligner les 3 composants transversalement sur l'axe optique et longitudinalement, de façon à obtenir la focalisation du faisceau de pompe dans la microcavité résonnante.

Un tel alignement devient délicat à réaliser du fait de la réduction de la taille des composants, par exemple en dessous du millimètre.

Or cette réduction de taille est souhaitable afin d'améliorer la compacité du système optique, indispensable en cas de système embarqué, et surtout afin de réaliser plus d'émetteurs à partir d'une même surface fabriquée (voir le procédé décrit en liaison avec les figures 1A - 1F).

De plus, la réduction de la taille des émetteurs réduit également proportionnellement la surface exploitable sur l'émetteur.

En effet, les techniques de micro-découpe à la scie circulaire, issues de la micro-électronique et appliquées à ce type de composant, laissent un écaillage en bordure de composant qui n'est alors plus exploitable. Etant donnée la fragilité des matériaux utilisés, cet écaillage peut être de l'ordre de quelques dizaines de microns.

Ainsi à largeur d'écaillage donnée, la proportion exploitable de la surface de l'émetteur est d'autant plus faible que le composant est petit.

Compte tenu de ces inconvénients d'alignement et des contraintes liées à la miniaturisation des composants, une solution est de réaliser un élément monolithique comprenant la lentille de focalisation et l'émetteur.

Ainsi, les ajustements transversaux et 20 longitudinaux sont pré-réglés.

La réalisation de tels éléments monolithiques, comprenant la lentille et l'émetteur, pose néanmoins des problèmes.

Afin de limiter les difficultés d'alignements optiques de la lentille avec l'émetteur, une solution est d'assembler directement la lentille 20 sur l'émetteur 24, comme illustré sur la figure 3.

Longitudinalement, l'épaisseur e de la lentille peut ainsi être préalablement ajustée de façon à pré-régler la distance de focalisation.

Transversalement (dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation des faisceaux 23, 25 de la figure 3), l'émetteur 24 est centré sur la lentille lors du report.

Appliqué à des composants miniatures, ce réglage transversal peut être réalisé avec l'aide de micromanipulateurs adaptés, qui fournissent généralement un système de vision permettant d'aligner avec précision l'un sur l'autre les composants à assembler. Cette technique présente cependant 2 inconvénients majeurs: - Chaque émetteur est manipulé avec le risque de le dégrader, car il s'agit d'un composant très fragile, - Les assemblages sont réalisés unitairement émetteur par émetteur.

Il existe des machines de positionnement, mais leur coût est très élevé.

A titre d'exemple numérique, soit une diode laser pompe typique de surface émissive lx3pm2 et un système optique de focalisation adapté de grossissement G = 100. L'image de la surface émissive au niveau de la micro-cavité résonnante est ainsi de dimensions 0.1x0.3mm2.

Par ailleurs, soit une micro-cavité résonnante de surface 4x4mm2. Si on considère un écaillage de largeur 50pm sur le bord de l'émetteur, la surface exploitable est alors réduite à 3.9x3.9mm2.

Comme on cherche à avoir une surface utile, sur la zone de pompage, d'au moins 3 fois la taille de l'image de la surface émissive au niveau de la micro- cavité résonnante (3 x 0,1 x 0,3 = 0,3 x 0,9 mm2), on a alors une tolérance de centrage de l'émetteur sur l'image de la surface émissive d'environ 3.6mm et 3.Omm (pour une surface exploitable de 3,9 mm x 3,9 mm et un faisceau de 0,3 mm x 0,9 mm, la tolérance est de 3,6 mm x 3 mm).

En revanche, sur une micro-cavité résonnante de surface lxlmm2, toujours en considérant un écaillage de largeur 50pm sur le bord de l'émetteur, la surface exploitable est réduite à 0.8 x 0.8 mm2. Avec une même taille de faisceau que ci - dessus la tolérance de centrage de l'émetteur sur l'image de la surface émissive est alors d'environ 0.5 mm et - 0.1 mm (pour une surface exploitable de 0,8 mm x 0,8 mm et un faisceau de 0,3 mm x 0,9 mm, la tolérance est de 0,5 mm x (-0,1) mm, ce qui n'est pas tolérable).

On observe ainsi le besoin de supprimer les erreurs de centrage dans l'alignement de composants miniatures, notamment ceux dont la surface émissive, mesurée dans un plan perpendiculaire à une direction de propagation de faisceau de pompage et/ou de faisceau émis, est inférieure à 1 ou 2 mm2.

Il se pose donc le problème de trouver un nouveau procédé de réalisation de composants optiques, en particulier lorsque ces composants sont des microcomposants, de taille ou de surface émissive, telle que définie cidessus, inférieure à 1 ou à 2 mm2.

Il se pose également le problème de trouver un nouveau procédé d'assemblage de composants optiques, notamment de microlentilles et de micro-cavités résonnantes, permettant un alignement des composants minimisant les erreurs de centrage et/ou de positionnement, notamment lorsque les composants sont de taille ou de surface émissive, telle que définie ci-dessus, inférieure à 1 ou à 2 mm2.

Il se pose également le problème de focaliser un faisceau de pompage dans une microcavité résonnante afin d'augmenter le rendement de conversion dans la microcavité, tout en conservant la compacité de la microcavité résonnante, et en maintenant une structure compatible avec une fabrication collective, notamment lorsque la microcavité est de taille ou de surface émissive, telle que définie ci-dessus, inférieure à 1 ou à 2 mm2.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne donc un procédé de réalisation de composants optiques comprenant chacun un émetteur de rayonnement et une microlentille, comportant: - la réalisation d'un assemblage d'une 20 plaque ou matrice de microlentilles et d'une plaque ou matrice d'émetteurs de rayonnement, - puis la découpe d'assemblages individuels comportant chacun une lentille et un émetteur de rayonnement.

L'invention concerne également un procédé de réalisation de composants optiques comprenant chacun un émetteur de rayonnement et une microlentille, comportant: - la réalisation d'une plaque ou matrice de 30 microlentilles, - la réalisation d'une plaque ou matrice d'émetteurs de rayonnement, l'assemblage des deux plaques ou matrices, et la découpe d'assemblages individuels comportant chacun une lentille et un émetteur de rayonnement.

Les matrices ou plaques de microlentilles et d'émetteurs peuvent être réalisées dans un ordre indifférent.

Par conséquent, selon l'invention, la plaque comprenant les émetteurs peut être assemblée avec une plaque comprenant une matrice de microlentilles.

Cet assemblage permet d'obtenir le réglage longitudinal de la lentille avec l'émetteur, ainsi qu'un auto-centrage des émetteurs sur les microlentilles.

Une découpe de l'ensemble en émetteurs unitaires peut être réalisée après assemblage des 20 plaques, par exemple par une lame de découpe.

A cette fin, des repères de positionnement peuvent être réalisés sur la matrice de microlentilles.

Les microlentilles peuvent être de type microlentille réfractive ou diffractive ou à gradient d'indice.

L'assemblage des deux matrices peut être réalisé par collage.

Selon une variante, la plaque d'émetteur est réalisée directement sur la matrice de microlentilles, par dépôt et/ou par croissance.

On peut réaliser préalablement ladite plaque de matériau émetteur de rayonnement et de moyens réfléchissants.

Par exemple, les moyens réfléchissants sont 5 réalisés par dépôt de couches réfléchissantes sur le matériau émetteur de rayonnement.

Les émetteurs de rayonnement sont de préférence des émetteurs dans le domaine infra-rouge ou visible ou ultra-violet.

Chaque émetteur est par exemple à base de cadmium ou de mercure ou de tellure ou de un de leurs alliages.

La réalisation de la matrice de microlentilles peut quant à elle comporter: - un fluage ou un recuit d'un motif binaire sur une plaque de matériau optique, un transfert du motif binaire, par exemple par faisceau d'ions, dans le matériau optique.

Chaque assemblage obtenu peut avoir, après découpe, une surface émissive inférieure à 2 mm2.

L'invention offre en outre les avantages particuliers suivants.

Le système optique de focalisation est directement intégré à la microcavité résonnante, ce qui rend plus simple son exploitation en intégrant la focalisation du faisceau de pompage.

De plus, l'axe optique du système optique de focalisation est ainsi autoaligné avec la microcavité résonnante.

Les petites dimensions de microcavité résonnante sont conservées, ce qui permet toujours de la placer au plus près de la source de pompage optique et de conserver la compacité du système avec des performances supérieures.

Enfin, la fabrication des émetteurs avec lentille intégrée peut rester collective.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

- les figures 1A - 1F représentent un procédé collectif de fabrication d'émetteurs; - les figures 2 et 3 représentent divers 10 assemblages d'émetteurs et de lentilles; - les figures 4A - 4C représentent des étapes de réalisation de préformes en vue de la réalisation de microlentilles les figures 5A - 5C représentent des 15 étapes de transfert de préformes pour réaliser une matrice de microlentilles.

DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION Une microcavité résonnante comporte une couche 2 de matériau actif laser, par exemple à base de cadmium, ou de mercure, ou de tellure (figure 1A). Chacun de ces matériaux sont absorbants pour un faisceau de pompage, en général situé dans le domaine de l'infra- rouge ou du visible ou de l'ultra - violet.

Cette microcavité est comprise entre deux moyens réflecteurs 6, 10, formés par exemple par des ensembles de couches réflectrices (figure 1E).

La couche 2 est par exemple réalisée par une technique d'épitaxie. Les moyens réflecteurs ou les couches réflectrices peuvent être par exemple réalisés par technique de dépôt d'empilement en couches minces de matériaux diélectriques.

La longueur de la microcavité résonnante permet d'obtenir un pic d'émission situé dans la gamme spectrale souhaitée, infrarouge ou visible ou UV. Elle est, par exemple pour l'infra -rouge, de quelques dizaines de micromètres, par exemple comprise entre 10 et 100 micromètres.

Afin de garantir sa tenue mécanique, la microcavité résonnante est reportée par collage sur un substrat plus épais transparent aux longueurs d'ondes mises en jeu (figure 1C).

Les étapes usuelles de fabrication sont 15 celles décrites ci-dessus en liaison avec les figures 1A - 1E.

La fabrication de matrices de microlentilles va maintenant être décrite, en liaison avec les figures 4A - 4C.

Cette fabrication peut avoir lieu indépendamment de, et avant ou après, la fabrication de la microcavité exposée ci-dessus.

On réalise d'abord une préforme 35 en résine photosensible sur un wafer ou une plaque 32 du matériau optique sélectionné, ce dernier étant par exemple de la silice et/ou du saphir et/ou du fluorure de calcium CaF2.

Une couche de résine 36 est formée sur une plaque 32 du matériau optique sélectionné (figure 4A).

Un motif binaire 34 est transféré par un rayonnement 30 ultra-violet sur la résine 36. Les motifs binaires sont ensuite développés (figure 4B). On peut donc réaliser ces motifs binaires par microlithographie.

Une préforme 35 est ensuite obtenue par fluage (figure 4C), ou encore par recuit, dudit motif binaire.

La préforme 35 est ensuite transférée à l'aide d'un faisceau d'ions 40 par RIE (gravure ionique réactive) sur le matériau optique 32 (figure 5A).

On obtient ainsi une matrice 42 de micro- lentilles (figure 5B).

Cette matrice est ensuite assemblée avec une plaque émettrice 50 (figure 5C). Cette dernière est par exemple celle obtenue à l'issue de l'étape illustrée en figure lE et déjà décrite ci-dessus.

L'assemblage peut être réalisé par collage, par exemple par adhésion moléculaire.

L'ensemble peut être découpé, par exemple à l'aide d'une lame de découpe, pour constituer des ensembles individuels 45 (figure 5C) comportant chacun une microlentille et un microcomposant émetteur avec ses miroirs. Les références 48 et 52 de la figure 5C indiquent des traits de coupe.

Cet ensemble est donc constitué : - sur une face, d'une matrice de microlentilles, - sur l'autre face, d'une seule microcavité couvrant toute la surface.

C'est par la découpe que vont être définis les ensemble individuels: cette découpe s'aligne sur les microlentilles et la cavité résonnante d'un ensemble individuel est alors auto-définie et auto-alignée sur sa microlentille.

En vue de la découpe, il est possible de réaliser sur la matrice de lentilles des repères de positionnement puis de venir positionner la lame sur ces repères.

Selon une variante il est possible de former directement la microcavité sur la matrice de microlentilles, par dépôt. Dans ce cas, cette matrice de microlentilles est utilisée en tant que support 8 de report dans les étapes des figures 1A - 1E. L'étape de découpe a ensuite lieu, comme indiqué ci-dessus.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, on remplace, au cours de la fabrication de la microcavité résonnante, l'étape de dépôt sur un substrat rigide par un report de la plaque émettrice sur un substrat présentant un système optique de microlentilles (tel que celui de la figure 5B) permettant de compenser la divergence du faisceau de pompe et de réduire sa taille radiale à l'intérieur de la microcavité résonnante.

Il est aussi possible de réaliser le croissance directe des matériaux émetteurs sur la face arrière des micro-lentilles.

On peut donc utiliser la face arrière des lentilles comme surface: - soit pour le dépôt, - soit pour le report, - soit pour la croissance de la micro- cavité.

Quel que soit le mode de réalisation envisagé de l'invention, transversalement, chaque microcavité individuelle peut avoir une surface émissive, mesurée dans un plan perpendiculaire à une direction de propagation de faisceau de pompage 23 et/ou de faisceau émis 25 (figure 3) , ou suivant un plan défini par la plaque 50 de microémetteurs, inférieure à 1 ou 2 mm2 L'invention met donc en oeuvre une fabrication collective de microdispositifs émetteurs et de microlentilles afin de réaliser des composants émetteurs ayant chacun des moyens optiques de focalisation d'un faisceau de pompage, intégrés et autocentrés.

La technique décrite dans l'invention peut être généralisée à la fabrication d'émetteurs en dehors du spectre IR, par exemple dans le domaine spectral visible ou UV.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Procédé de réalisation de composants optiques comprenant chacun un émetteur de rayonnement 5 et une microlentille, comportant: - l'assemblage d'une matrice (42) de microlentilles et d'une plaque (50) comportant une couche (2) de matériau émetteur de rayonnement comprise entre deux moyens réflecteurs (6, 10), - puis la découpe d'assemblages individuels (45) comportant chacun une lentille et un émetteur de rayonnement.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la plaque de matériau émetteur et de moyens réflecteurs est assemblée à la matrice de microlentilles par collage.

3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la plaque de matériau émetteur est réalisée directement sur la matrice de microlentilles par dépôt et/ou par croissance.

4. Procédé selon l'une des revendications 1

ou 2, dans lequel on réalise préalablement ladite plaque (50) de matériau émetteur de rayonnement et de moyens réflecteurs.

5. Procédé selon la revendication 4, dans 30 lequel les moyens réflecteurs (6,10) sont réalisés par dépôt de couches réfléchissantes sur le matériau (2) émetteur de rayonnement.

6. Procédé selon l'une des revendications 1

à 5, dans lequel le matériau de la plaque de matériau émetteur de rayonnement est en un matériau émetteur dans le domaine spectral infrarouge, ou visible, ou ultra-violet.

7. Procédé selon l'une des revendications 1

à 6, dans lequel le matériau émetteur est à base de cadmium ou de mercure ou de tellure ou de un de leurs alliages.

8. Procédé selon l'une des revendications 1

à 7, comportant en outre la réalisation préalable d'une matrice (42) de microlentilles, par: - un fluage ou un recuit d'un motif binaire (34) sur une plaque de matériau optique (32), - un transfert par faisceau d'ions dans le matériau optique.

9. Procédé selon l'une des revendications 1

à 8, dans lequel la découpe d'assemblages individuels 25 est réalisée à l'aide d'une lame de découpe.

10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel des repères de positionnement sont préalablement formés sur la matrice de microlentilles. 15 20

11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel les microlentilles sont de type microlentilles réfractives ou diffractives ou à gradient d'indice.

12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, chaque assemblage obtenu après découpe ayant une surface émissive inférieure à 2 mm2.