Brevet FR2317786A1 — publié le 19770204

la présente invention concerne un photocoupleur entre un guide de lumière filiforme et un laser a semiconducteurs montés a demeure sur un support commun, de façon que leurs faces réceptrice ou émettrice en regard soient alignées sur un axe optique commun, sur lequel un autre composant optique est disposé, sur la marche du faisceau, entre le laser a semiconducteurs et le guide de lumière filiforme. De tels Dhotocoupleurs sont nécessaires dans des systèmes de transmission optique de l'information. Ils sont destinés a coupler la lumière produite par les lasers a semiconducteurs, servant d'émetteurs optiques, aux guides de lumière servant de milieu de transmission, avec des pertes aussi faibles que possible. Un couplage entre un laser a semiconducteurs et un guide de lumière filiforme présente généralement des difficultés particulières, car les répartitions d'intensité caractéristiques de ces deux composants optiques different fortement.C'est ainsi que les guides de lumière filiformes ont une répartition d'intensité présentant pratiquement une symétrie de rotation, tandis que les lasers a semiconducteurs ont habituellement en champ proche une répartition d'intensité a section elliptique. Une liaison directe entre le guide de lumière et le laser à semiconducteurs produit donc un rendement de couplage d'environ 20 a 25 8 seulement. Optics Communications, tome 12, n 1, sept. 1974, pp. 93-97, décrit un coupleur entre un laser a semiconducteurs et un guide de lumière filiforme, avec utilisation d'un composant optique supplémentaire disposé sur la marche du faisceau. Le composant optique supplémentaire est constitué dans ce cas par un faible bossage suivant le diamètre de la face réceptrice du guide de lumière, qui se comporte comme une lentille cylindrique. Un tel dispositif permet certes d'accroître notablement le rendement du couplage par rapport a celui d'une liaison directe entre le guide de lumiere et le laser a semiconducteurs, mais la production d'une telle "lentille cylindrique" est si coûteuse qu'une application pratique n'est guère concevable, pour de simples raisons économiques. Des essais sont par ailleurs décrits (Bell System Technical Journal 51, 1972, p. 573), qui visent a accroître le rendement du couplage entre un laser a semiconducteurs et un guide de lumière, par interposition d'un composant optique se comportant essentiellement comme une lentille cylindrique. Le composant optique est constitué dans ce cas par un tron çon de guide de lumière circulaire, divisé suivant le grand axe. L'expé rience montre qu'une telle division de guides de lumière, dont le diamètre total est de l'ordre de 10 micromètres, est très difficile a réaliser et ne donne des résultats reproductibles que dans des cas extrêmement rares. L'invention a pour objet un nouveau photocoupleur entre un guide de lumière filiforme et un laser a semiconducteurs, améliorant le rendement du couplage entre ces composants optiques et d'une production relativement facile et économique, grâce- sa constitution simple. Selon une caracteristique essentielle de l'invention, le composant optique disposé sur la marche du faisceau, entre le guide de lumière et le laser semiconducteurs, est un tronçon d'un autre guide de lumière cylindrique, dont le grand axe est perpendiculaire au grand axe du premier guide de lumière et dont l'axe focal se situe dans la face émettrice du laser à semiconducteurs. Un tel coupleur permet d' améliorer notablement le couplage du rayonnement émis par le laser a semiconducteurs dans un guide destiné a la transmission de la lumière. Dans un exemple de réalisation soumis des essais, plus de 80 % du rayonnement emis par un laser a semiconducteurs sont couplés dans un guide de lumière. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris A l'aide de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réalisation et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une élévation latérale du coupleur selon l'invention; la figure 2 est une coupe du coupleur selon l'invention; la figure 3 est une vue en perspective du coupleur selon l'invention, illustrant en particulier le support; la figure 4 est une élévation latérale du coupleur selon figure 3; et la figure 5 est un plan partiel du coupleur selon figures 3 et 4. La figure 1 est une élévation latérale du coupleur selon l'invention, comportant un guide de lumière filiforme 4 et un laser å semiconducteurs 2, qui sont montés A demeure sur un support commun, de façon que leurs faces émettrice ou receptrice en regard soient alignées sur un axe optique commun. Plus précisément, la face émettrice de la zone active 3 du laser a semiconducteurs 2 se trouve a la même hauteur que l'âme 5 du guide de lumière 4, constitué par une âme et une gaine. Les dimensions typiques de la face émettrice d'un laser a hétérostructure et ruban de contact sont d'environ 10 x 0,5 micromètres.La répartition d'intensité 1umie.use d'un tel laser en champ proche a une section pratiquement ellip tiqueZ qui peut etre représentée approximativement par une courbe de Gauss dont l'enveloppe de la valeur maximale suivant le petit axe de l'ellipse tombe a la valeur 1/e au bout d'environ 0,25 micromètre et suivant le grand axe de l'ellipse au bout d'environ 5 micromètres. Un guide de lumière monomode présente par contre en champ proche une répartition d'intensité pratiquement à symétrie de rotation, avec un diamètre (valeur lie) d'environ 3-6 micromètres. Le laser semiconducteurs 2 et le guide de lumière 4 sont disposés avec un faible écartement, qui ne dépasse pas 30 micromètres de préférence.Selon une caractéristique essentielle de l'invention, un tronçon d'un second guide de lumière 7 cylindrique est disposé sur la marche du faisceau, entre la face émettrice du laser a semiconducteurs 2 et la face réceptrice du guide de lumière 4; son grand axe est perpendiculaire au grand axe du guide de lumière 4, coïncidant avec l'axe optique du dispositif. Une telle disposition assure une adaptation optimale des caractéristiques d'intensité très différentes du laser 2 et du guide de lumière 4.L'invention part de l'observation suivante : jusqu'a une faible distance d'environ 30 micromètres, les pertes de couplage dans le guide de lumière 4 sont faibles, par suite de l'angle de diffraction du faisceau lumineux émis par le laser a semiconducteurs 2, dans le plan de sa zone active 3 Par suite de l'angle de diffractiqn suivait la direction perpendiculaire à la zone active 3 du laser a semiconducteurs, les pertes de couplage sont par suite très élevées en l'absence du guide de lumière 7.Le faisceau lumineux, très divergent dans la direction perpendiculaire a la zone active 3 du laser A semiccnducteurs, est avantageusement dévie dars le guide de lumière 4, par le guide de lumière 7 selon l'invention, de façon que seules des pertes de couplage relativement faibles apparaissent aussi dans cette direction. Le looe de rayonnement émis par la zone active 3 du laser a semiconducteurs 2 est d'abord élargi par des effets de diffraction, mais le guide de lumière 7, se comportant en lentille, permet de le convertir apres double réfraction en un faisceau pratiquement parallèle, de. section augmentée. Dans un exemple de réalisation préférentielle de l'invention, le tronçon de guide de lumière 7 cylindrique a un diamètre de 10 micromètres. Avec ur.-serre ayant un indice de réfraction n = 1,62, on obtient ainsi une distance focale f = 6,5 micromètres. Les points principaux H1 et H2 du guide de lumière 7 se comportant en lentille cylindrique se confondent au centre de la coupe du guide 7.Le laser a semiconducteurs 2, le guide de lumière 4 et le guide de lumière 7 sont avantageusement ajustés de façon que l'axe focal du guide 7 coincide avec la face émettrice de la zone active 3 du laser 2. La distance entre la face réceptrice du guide de lumière 4 et l'enveloppe du guide de lumière 7 doit être aussi faible que possible et ne pas dépasser 1 micromètre environ. Un coupleur présentant les valeurs précitées permet de coupler plus de 80 % du rayonnement sortant de la face émettrice du laser à semiconducteurs 2 dans le guide de lumière 4. La figure 2 est une coupe du coupleur, sur laquelle la face réceP- trice du guide de lumière 4 et le tronçon du second guide de lumière 7 disposé en avant étant vus depuis la face émettrice du laser à semiconducteurs 2. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le guide de lumière 7 prévu pour le couplage a un indice de réfraction variant suivant une courbe qui décroit du centre vers le bord. Il est ainsi possible de réduire une éventuelle aberration sphérique. Une réalisation appropriée du support, permettant un ajustage simple et précis des composants optiques, est décrite ci-dessous à l'aide des figures 3 à 5. La figure 3 est une vue en perspective et la figure 4 une élévation laterale du coupleur, illustrant des détails de la conception du support 12.-Un laser à semiconducteurs 10, émettant une lumière cohérente, et un guide de lumière 11 filiforme, transmettant cette lumière sont montés à demeure sur un support commun 12, de façon que leurs faces réceptrice ou émettrice en regard soient alignées sur un axe optIque commune. Une attention particulière est accordée à l'ajustage optimal des composants optiques afin d'obtenir des-pertes lumineuses aussi faibles que possible.Cette opération présente toutefois des difficultés particulières, par suite des très faibles dimensions de la face émettrice d'un laser à semiconducteurs et de la face réceptrice d'un guide de lumière. C'est ainsi que la face émettrice pratiquement rectangulaire de la zone active d'un laser à hétérostructure double et ruban de contact a une largeur d'environ 0,5 micrometre et une longueur d'environ 10 micromètres. Un guide de lumière monomode, constitué par une âme et une enveloppe concentriques, a une âme dont le diamètre est d'environ 3 micromètres. Afin de faciliter l'ajustage des composants optiques, le support 12 est réalisé sous forme d'un collier de fixation, dont les branches 14, 15 sont mobiles l'une par rapport à l'autre et peuvent être fixées dans des positions déterminées. Le laser A semiconducteurs 10 est disposé sur la branche 14 du support 12. Un guide de lumière 1i filiforme, transmettant la lumière émise par le laser 10, est disposé sur l'autre branche 15 du support, avec sa face réceptrice alignée sur le laser 10. Afin d'améliorer le rendement du couplage, un autre composant optique 13 est également disposé, comme précédemment décrit, sur la branche 15 du support, sur la marche du faisceau entre le laser 10 et le guide de lumière filiforme 11. Cet autre composant 13 est avantageusement cons titubé par un tronçon d'un guide de lumière filiforme, dont le grande axe est toutefois perpendiculaire à celui du guide de lumière 11. Le fonctionnement du laser à semiconducteurs 10 dissipant beaucoup de chaleur, qui doit être evacuee, le support 12 est utilement réalisé dans un matériau bon conducteur de la chaleur, tel que du cuivre ou un alliage de cuivre. Le laser 10, essentiellement constitué par un matériau semiconducteur tel que l'arséniure de gallium, est fixé sur le support métallique 12 à l'aide d'une brasure appropriée. Les guides de lumière 11 et 13, avantageusement réalisés en verre, sont utilement fixés sur la branche 15 du support 12 à l'aide d'un adhésif durcissable. La réalisation du support 12 en forme de collier permet, apres la fixation des composants optiques 10, 11, 13, un mouvement relatif des branches 14, 15 et par suite un ajustage précis des composants optiques. Un alignement relatif grossier du laser 10 et du guide de lumière 11 est effectué dès la fixation de ces composants. Des rainures en V perpendiculaires sont prévues sur la surface de la branche 15, pour la fixation des guides de lumière 11 et 13. La distance optimale entre la face émettrice du laser A semiconducteurs 10 et le dispositif constitué par les guides de lumière 11 et 13 est ajustée par une compression plus ou moins importante des deux branches 14, 15, dusupport 12. Un ajustage en hauteur s'obtient par exemple en exerçant simplement une pression sur la branche 15 portant les guides de lumière 11, 13, dans la direction de la flèche P. Ce mouvement d'ajustage est particulièrement critique, car la largeur de la face émettrice du laser à semiconducteurs 10 n'est que d'environ 0,5 micromètre. Les tolérances de couplage sur la distance entre le laser 10, la fibre cylindrique 13 et la fibre de transmission 11 sont du même ordre de grandeur (3-3 micromètres). Le support 12 selon l'invention permet toutefois d'obtenir simplement un ajustage optimal.Une possi bilité d'ajustage dans un plan contenant la surface des branches est généralement inutile, par suite de la longueur beaucoup plus grande de la face émettrice du laser à semiconducteurs 10. Afin d'exercer sur une ou sur les deux branches du support la pression nécessaire pour obtenir les mouvements d'ajustage, à l'aide de vis de préférence, on utilise un calibre dans lequel le support 12 est fixé provisoirement. Ce calibre n'est pas représenté sur les figures. La tension de service est appliquee au laser à semiconducteurs 10 pour le contrôle de l'ajustage. Le rayonnement ainsi émis est couplé par le guide de lumière 13 au guide de lumière 11, puis mesuré à la sortie de ce dernier. Un maximum du rayonnement disponible à la sortie indique l'obtention d'un ajustage optimal. Cet état d'ajustage est ensuite con servé par la fixation des branches 14, 15 dans leur position relative. Ce résultat s'obtient de préférence à l'aide d'un barreau 17, qui est inséré dans des alésages 16, 16' surdimensionnés dans les branches 14, 15, puis collé à ces dernières. Les alésages 16, 16' sont de préférence alignés entre eux et parallèles au grand axe du guide de lumière 11, dans les branches 1-4, 15. Le coupleur est sorti du calibre après le durcissement de la colle. Un autre blocage de l'ajustage optique réalisé peut s'obtenir comme suit : l'alésage 18, perpendiculaire au grand axe du guide de lumière 11, est egalement rempli par un barreau cylindrique, dont l'enveloppe est enduite d'un adhésif qui le relie ainsi durablement au matériau voisin du support. Afin d'éviter des distorsions thermiques par suite de coefficients de dilatation différents, les barreaux-insérés dans les alésages 16, 16' ou 18 sont réalisés de préférence dans le même materiau que le support 12. I1 est évidemment possible aussi de fixer les barreaux dans les alésages par une brasure tendre ou par un soudage par points. La figure 5 représente une variante du support 12, avec vue sur Ia surface d'une de ses branches 15; ce support permet aussi un mouvement latérale d'ajustage du composant optique fixe sur cette branche, dans un plan contenant la surface de la branche. La partie supérieure de la branche 15 est pour ce faire découpée en peigne, par deux entailles parallèles entre elles et au grand axe du guide de lumière 11, de façon à former trois dents 32, 33, 34. Un composant optique, constitué par un guide de lumière 1 1 dans le cas considéré, est disposé sur la dent centrale 33, que les vis de reglage 35, 36 montées dans les dents voisines 32, 34 permettent de déplacer latéralement. Les propriétés d'un coupleur selon l'invention sont avantageusement mises à profit aussi quand le laser à semiconducteurs est remplacé sur une des deux branches du support 12 par un composant optique dissipant moins ou pas de chaleur. C'est ainsi que le coupleur convient aussi pour la fixation et l'ajustage d'une photodiode, d'une diode électroluminescente ou d'un autre guide de lumière, monté sur la branche 14 et devant être couplé optiquement avec le guide de lumière 11. Il va de soi que le coupleur est également utilisable pour l'ajustage de composants optiques admettant des tolérances plus importantes quant à leur alignement sur un axe optique commun, par exemple pour le couplage entre elles ou avec un laser ou une photodiode de fibres multimodes, ayant une âme de diamètre relativement élevé. Le coupleur peut évidemment servir aussi au couplage de deux composants optiques, sans interposition d'un tronçon de guide de lumière 13. Revendications 1. Photocoupleur entre un guide de lumière filiforme et un laser à semiconducteurs montés à demeure sur un support commun, de façon que leurs faces réceptrice ou émettrice en regard soient alignées sur un axe optique commun, sur lequel un autre composant optique est disposé, sur la marche du faisceau, entre le laser à semiconducteurs et le guide de lumière filiforme, ledit photocoupleur étant caractérisé en ce que le composant optique disposé sur la marche du faisceau, entre le guide de lumière et le laser a semiconducteurs, est un tronçon d'un autre guide de lumière cylindrique, dont le grand axe est perpendiculaire à celui du premier guide de lumière et dont l'axe focal se situe dans la face émettrice du laser à semiconducteurs. 2. Photocoupleur selon revendication 1, caractérisé en ce que l'indice de réfraction du second guide de lumière décroît du centre vers I'exté- rieur, permettant ainsi de réduire l'aberration sphérique de ce guide se comportant en lentille cylindrique. 3. Photocoupleur selon revendication 1, caractérisé en ce que - la section 1/e de la repartition d'intensité du laser à semiconduc teurs est de 0,5 x 6 micromètres; - le diamètre 1/e de la répartition d'intensité du premier guide de lumière est de 6 micrometres; - le diamètre du second guide de lumière est de 12 micromètres; - l'indice de réfraction du second guide de lumière est n = 1,8; et - la distance entre la face émettrice du laser à semiconducteurs et le centre du second guide de lumière est de 6,5 micromètres. 4. Photocoupleur selon une quelconque des revendications 1 à 3, carac térise en ce que le support 12 est réalisé sous forme d'un collier de fixation, avec des branches mobiles l'une par rapport à l'autre et blocables dans des positions déterminées, le laser à semiconducteurs et le premier guide de lumière étant disposés en regard, chacun sur la face frontale d'une branche. 5. Photocoupleur selon revendication 4, caractérisé en ce que le support sensiblement parallélépipédique comporte un premier alésage, reliant les centres de deux faces opposées, et une troisième face, parallele audit alésage et perpendiculaire aux deux faces précédentes, est fendue au centre de façon a former deux branches mobiles 1' une par rapport à l'autre. 6. Photocoupleur selon une quelconque des revendications 1 à 5, carac térisé en ce que le support est réalisé dans un matériau bon conducteur de la chaleur. 7. Photocoupleur selon revendication 6, caractérise en ce que le support est réalisé en cuivre ou en alliage de cuivre.