Brevet FR2472199A1 — publié le 19810626

La présente invention concerne les télécommunications optiques et elle porte plus particulièrement sur une source lumineuse montée en boîtier dans laquelle une fibre optique est en couplage avec un dispo- sitif semiconducteur émetteur de lumière tel qu'un laser à jonction. Dans les boîtiers de laser contenant une fibre optique couplée, il est important de fixer la fibre optique en alignement avec la puce de laser de façon à réduire au minimum la variation de couplage qui peut se produire au cours de l'utilisation, et de façon à assurer un niveau optimal de lumière de sortie vers le système d'émission. Une pratique utilisée jusqu'à présent pour coupler une fibre optique à la sortie d'un laser consiste à monter la partie d'extré- mité de la fibre optique dans une gorge usinée avec précision qui est alignée avec le laser. Le brevet US 3 774 987 décrit une configura- tion de ce type. Une autre technique, représentée dans le brevet US 4 065 203, consiste à utiliser une structure de couplage de fibre optique en deux pièces et à fixer en position la partie la plus inté- rieure de la fibre optique, par rapport à la puce de laser, au moyen d'un adhésif époxyde. Les configurations précédentes de l'art antérieur ont certains inconvénients du point de vue de la facilité et de l'économie de fabri- cation, de l'uniformité, de la stabilité et de la fiabilité. La tech- nique selon laquelle la fibre optique est montée dans une gorge con- vient pour le laboratoire mais ne correspond pas à une structure pou- vant être fabriquée facilement et conservant sa stabilité en exploita- tion dans un système de télécommunications optiques. La configuration à deux coupleurs n'offre pas non plus l'assurance nécessaire d'un alignement précis et, en outre, elle ne procure pas la stabilité à long terme et la fiabilité, dans la mesure o les matières organiques qu'on utilise pour fixer la fibre optique ont une forte tendance au fluage, c'est-à-dire à un changement de dimension au cours du temps, même aux températures ambiantes. En outre, la pression de vapeur élevée de ces adhésifs organiques entraîne la formation de dépôts inacceptables sur des surfaces critiques du laser, lorsqu'ils sont utilisés dans un boîtier hermétique. Conformément à un mode de réalisation de l'invention, une puce de laser à semiconducteur à jonction est montée en position centrale dans un boîtier hermétique. Une fibre optique est scellée hermétique- ment dans le boîtier, avec une extrémité à proximité immédiate de la face de sortie de lumière de la puce de laser. La partie de la fibre optique voisine de la puce de laser est fixée en position par rapport à cette dernière en étant noyée dans un bloc de soudure ou d'un autre métal approprié à bas point de fusion. La masse de soudure présente un fluage faible ou nul dans la plage des températures normales de fonctionnement, et sa pression de vapeur est suffisamment faible pour qu'aucune vapeur nuisible ne soit produite à l'intérieur du boîtier. On assemble facilement la source lumineuse montré en boîtier qui correspond à l'invention en manipulant la partie de fibre optique qui se trouve à l'intérieur du boîtier non scellé, avec lè laser en fonctionnement, de façon à pouvoir observer la lumière de sortie à l'extrémité extérieure de la fibre optique. On manipule la partie de fibre optique se trouvant à l'intérieur du boîtier dans une ouverture surdimensionnée dans le bloc de soudure. Lorsqu'on a déterminé la position optimale, on fait fondre la soudure de façon qu'elle coule autour de la fibre optique et, en se refroidissant, elle se solidifie et bloque la fibre optique en position. On scelle ensuite complètement le boîtier et on y fait le vide ou on y introduit une atmosphère appro- priée, comme par exemple de l'azote. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, et en se référant aux dessins annexés, sur lesquels La figure 1 est une représentation de côté, en coupe, d'une source lumineuse en boîtier, partiellement assemblée, qui correspond à un mode de réalisation de l'invention; et La figure 2 est une vue en perspective d'une partie de la structure de la figure 1 montrant de façon plus détaillée la puce de laser et la fibre optique bloquée. La figure 1 représente une source lumineuse montée en boîtier et partiellement assemblée qui comprend une embase de montage 14 asso- ciée à une partie 12 consistant en un écrou hexagonal et à une partie d'embase filetée 13 destinée au montage du boîtier. L'embase 14 est enfermée dans une enceinte il et elle comporte un socle 15 sur lequel est monté un laser à jonction semiconductrice 16. Comme on le sait, le laser 16 émet de la lumière de façon pratiquement égale à partir des faces avant et arrière opposées. Une fibre optique de sortie 24 est représentée en.alignement avec l'une des faces de sortie de la puce 16 et une photodiode de contrôle 19 est placée face à l'autre face de sortie du laser 16. La photodiode 19 est montée sur une embase métallique standard 17 qui comporte des conducteurs 18. Des fils d'in- terconnexion 20, à l'intérieur du boîtier, établissent les inter- connexions nécessaires pour alimenter le laser ainsi que pour per- mettre à la photodiode 19 de fonctionner en détecteur et de contrôler la lumière émise par le laser 16. Un bloc de montage supplémentaire 28 est placé au sommet du socle 15 pour faciliter la réalisation des interconnexions avec la puce de laser 16. La fibre optique 24 est fixée dans une pièce en forme de manchon à l'intérieur de laquelle elle est scellée hermétiquement au moyen d'une masse de soudure 26. La pièce 25 est soudée dans la paroi de l'enceinte 11. Un socle 21 est monté sur l'embase 14 et porte à son sommet un bloc de soudure 22. Le bloc de soudure 22 comporte une ouver- ture 23 dans laquelle la fibre optique 24 est introduite en alignement avec le laser 16. L'ouverture 23 est suffisamment grande pour permet- tre à la fibre optique plus petite de s'y déplacer. La fibre optique est représentée dans son état bloqué sur la figure 2 sur laquelle les éléments sont désignés par les mêmes numéros de référence que sur la figure 1. On voit que la fibre optique 24 est noyée dans le bloc de soudure 22, en alignement avec le laser 16. Il apparaît clairement que les parties respectives de l'ensemble sont solidement fixées les unes par rapport aux autres. On achève la réa- lisation du boîtier de la figure 1 en faisant le vide, en introdui- sant de l'azote et en scellant un capuchon au sommet de l'enceinte 11. L'assemblage de la source lumineuse montée en boîtier corres- pondant à l'invention comprend le montage de l'embase 17 pour la photodiode 19 dans une paroi de l'enceinte 11, et de la pièce en forme de manchon 25 dans l'autre paroi. L'élément de scellement en soudure 26 comme le bloc de soudure 22 sont traversés par des ouvertures surdimensionnées pour permettre d'introduire la fibre optique 24 dans la pièce 25 et dans le bloc de soudure 22. Dans un mode de réalisation particulier, la fibre optique a un diamètre de 0,1016 mm et l'ouverture 23 qui traverse le bloc de soudure 22 a un diamètre de 0,4064 mm. L'é- lément de scellement en soudure 26 qui se trouve dans la pièce en forme de manchon 25 comporte une ouverture d'un diamètre de 0,508 mi. Lorsqu'on a introduit la fibre optique et que son extrémité se trouve à proximité du laser 16, on chauffe l'élément de scellement en soudure 26 jusqu'à un état suffisament fondu, de façon qu'après solidifica- tion la fibre optique soit scellée hermétiquement et fixée par rapport au boîtier dans la direction horizontale ou direction Z. Pour faciliter l'adhérence de la soudure sur les régions parti- culières de la fibre optique, on a trouvé qu'il était avantageux de revêtir ces parties de la fibre optique d'une couche de métal, et en particulier, on a trouvé qu'il était utile d'utiliser des couches minces de titane, de platine et d'or, appliquées successivement. Pour les fibres optiques de certains diamètres, il est également utile d'arrondir l'extrémité de la fibre 24, de façon caractéristique par chauffage, pour obtenir un effet de lentille et améliorer ainsi les caractéristiques de couplage lumineux de la fibre. La partie critique du montage, relative à l'alignement de la fibre optique par rapport à la lumière de sortie du laser 16, est accomplie en manipulant la partie de la fibre optique 24 qui-se trouve à l'intérieur du boîtier, à l'aide de moyens appropriés, comme un outil 27 représenté schématiquement en trait mixte, qui est avanta- geusement commandé au moyen d'un micromanipulateur capable d'effec- tuer des mouvements dans les directions X et Y. Pendant cette mani- pulation, le laser est mis en fonctionnement et un photodétecteur est placé à l'extrémité de la fibre optique qui se trouve à l'extérieur du boîtier, au-delà de l'élément de scellement 26. Lorsque la fibre optique est dans une position qui donne le niveau lumineux de sortie optimal, on chauffe suffisamment le bloc de soudure 22 pour que la soudure coule et vienne en contact avec la fibre optique 24. Ensuite, lorsqu'on arrête le chauffage, le bloc 22 se solidifie et bloque en position par rapport au laser la fibre optique qui est maintenant noyée dans le bloc. On peut chauffer le bloc de soudure au moyen d'un outil approprié ou, avantageusement, au moyen d'un laser à gaz. L'uti- lisation d'un laser pour chauffer le bloc de soudure a l'avantage de réduire l'échauffement général de la structure environnante, et donc d'éviter d'avoir à tenir compte de la dilatation et de la contraction avant et après le processus d'assemblage. Dans un mode de réalisation particulier, l'élément de scelle- ment en soudure 26 comme le bloc de soudure 22.utilisent un alliage étainplomb dans la proportion de 60% d'étain et de 40% de plomb.Cet alliage a une température de fusion de 185'C et il est avantageux dans la mesure o il ne présente pratiquement pas de fluage à long terme 2472199 ' aux températures habituelles de fonctionnement. Les autres matières de l'enceinte ne sont pas critiques mais sont constituées par les métaux habituels de haute qualité. En particulier, l'embase 14 est en cuivre à conductivité élevée, exempt d'oxygène. L'enceinte 11 et la pièce en forme de manchon 25 sont en un acier soudable et le socle 21 est en un acier inoxydable. On vient de décrire l'invention en considérant une source lumi- neuse constituée par un laser à semiconducteur à jonction, mais on comprend que l'invention est également applicable à des configurations utilisant d'autres dispositifs à semiconducteur constituant des sour- ces de lumière focalisées dans lesquels il est souhaitable d'obtenir un degré de couplage élevé par rapport à une fibre optique. Le terme "lumière" est utilisé ici dans un sens qui désigne un rayonnement électromagnétique dans les régions invisibles aussi bien que dans la région visible. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. 2472199! REVENDICATIONS l. Procédé pour établir un couplage rigide entre une fibre optique et un dispositif émetteur de lumière (par exemple 16), caractérisé en ce que: (a) on monte à proximité immédiate du dispositif émetteur de lumière un bloc de métal à bas point de fusion (par exemple 22), ce bloc étant traversé par une ouverture (par exemple 23), (b) on intro- duit une fibre optique dans l'ouverture, (c) on fait fonctionner le dispositif émetteur de lumière pour qu'il fournisse de la lumière de sortie, (d) on manipule la fibre optique dans l'ouverture tout en observant la lumière de sortie de la fibre optique, (e) on fait fondre le bloc de façon qu'il coule et vienne en contact avec la fibre optique, et (f) on fait solidifier le bloc pour fixer la fibre optique dans une position désirée par rapport à la source de lumière. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un laser pour chauffer le bloc de métal à bas point de fusion. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc de métal consiste en soudure comprenant 60% d'étain et 40% de plomb. 4. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la source de lumière est un laser à semiconducteur à jonction. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la source de lumière et la partie de la fibre optique qui est montée dans le bloc de métal sont scellées hermétique- ment. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, avant de faire fondre le bloc de métal, on monte rigidement une partie de la fibre optique dans une enceinte (par exemple 11) contenant la source de lumière, de façon qu'un extrémité libre de la fibre optique tra- verse l'ouverture du bloc de métal, et qu'un micromanipulateur (par exemple 27) vienne en contact avec la fibre optique entre l'ouverture et le montage rigide (par exemple 26) sur l'enceinte, pour manipuler la fibre optique. 7. Dispositif caractérisé en ce qu'il est réalisé par le procédé de l'une- quelconque des revendications 1 à 6.