Brevet FR2530828A1 — publié le 19840127

DISPOSITIF DE COUPLAGE A FAIBLES PERTES POUR COMPOSANTS OPTIQUES AVEC UNE SEULE MICROLENTILLE L'invention concerne un dispositif de couplage du genre système à lentille astigmate, comprenant une seule microlentille pour réduire les pertes de couplage entre, d'une part, une source de rayonnement lumineux ayant un champ d'émission elliptique, et d'autre part, des composants optiques tels qu'une fibre optique par exemple La transmission de grandes quantités d'informations sur de grandes distances n'est pratiquement possible, selon l'état de la technique antérieure, qu'avec des fibres de verre monomodes.Dans un tel système, des lasers semi-conducteurs monomodes sont prévus comme sources de rayonnementç Cependant, lors du couplage direct de la fibre optique à de tels lasers ne peuvent etre obtenus que des rendements de couplage de quelques pour cent. I1 existe également le danger que le mode de fonctionnement du laser ne soit lui-mEme modifié par les réflexions sur l'entrée de la fibre optique. Le rende- ment de couplage peut être augmenté et le facteur de réflexion peut être diminué par l'introduction de réseaux optiques de couplage entre le laser et la fibre optique. En outre, pour un couplage entre des fibres optiques et des composants optiques, des pertes apparaissent lorsque le rayonnement émis par la source n'a pas le même angle d'ouver- ture et le même rayon que le composant recevant la lumière. Un rayonnement élliptique a, suivant deux directions perpendiculaires à celle de la lumière, des rayons et des angles d'ouvertures différents. L'insertion de lentilles astigmates permet de réduire de telles pertes de couplage. Un dispositif à lentilles décrit dans l'article intitulé "poser Coupling from Gaks Injection Lasers intc Optical Fibers" de L.G COHEN, Bell Syst. Techn. Journal 51, pages 573 à 594 (1972), met en oeuvre au moins deux lentilles. Plus récemment, le brevet US-A-3,894,789 divulgue des matériaux pour lentille qui possèdent des profils d'in- dice de réfraction dépendant du site considéré et différents suivant les deux directions. Des systèmes à deux lentilles ou plus, tels que par exemple à deux lentilles semi-cylindriques croisées ou à une lentille cylindrique et une lentille sphérique présentent l'inconvénient que les deux lentilles sont à ajuster indépendamment l'une de l'autre, et que des pertes supplémentaires apparaissent aux surfaces séparant l'air et le matériau de lentille. Un procédé pour la fabrication d'une microlentille elliptique est connu par la publication de H. SAKAGUCHI et al, intitulé "Power coupling from laserdiodes into single-mode fibres with quadrangular pyramidsbaped bemiellipsiodal ends", Electronics Letters, Vol 17, No 12, Juin 1981, pages 425 à 426. Selon ce procédé, une pyramide est obtenue par polissage à l'extrémité d'une fibre optique, qui prend par fusion une forme semi-elliptique. Une autre possibilité de fabrication consiste à faire appel aux viscosités différentes du coeur et de la gaine lors de 1'échauffement. Si l'on exerce sur la fibre optique une pression latérale après échauffement, une lentille semi-elliptique se forme par pression vers l'extérieur sur la surface frontale de la lentille (G.-D. KHOE,"New coupling techniques for single-mode optical fibre transmission systems",Optical Communications Conference Amsterdam, communication 6.1 (1979)). L'invention vise à fournir un dispositif de couplage du genre système à lentille astigmate n'ayant qu'une seule microlentille pour le couplage à-faibles pertes entre une fibre optique et une source de rayonnement. A cette fin, un dispositif de couplage tel que défini dans l'entrée en matière est caractérisé en ce qu'une goutte en un matériau tel que résine époxy ou verre à basse température de fusion entoure une fibre optique auxiliaire en verre ou analogue pour former un ellipsoïde à symétrie de révolution et en ce que la microlentille ainsi fabriquée et durcie est fixée à l'aide d'une colle sur la surface à l'extrémité de la fibre optique située en face de la source de rayonnement lumineux au niveau du coeur de la fibre optique, l'axe de symétrie de révolution de la fibre auxiliaire étant perpendiculaire à l'axe de symétrie de révolution de la fibre optique et étant parallèle à l'axe médian suivant le sens de la longueur de la surface émissive de la source de rayonnement. Les avantages obtenus par l'invention consistent notamment en ce que des rendements de couplage élevés sont également atteints avec des sources de rayonnement dont la lumière émise est fortement astigmate. Les dimensions des champs peuvent alors être différentes et leurs origines peuvent hêtre décalées. De plus, une microlentille fabriquée selon l'invention a, contrairement à une microlentille fabriquée directement sur la fibre optique et donc fixe, des degrés de libertés suffisamment nombreux pendant le montage. De ce fait, une bonne adaptation des champs est atteinte. Il est également~avantageux que les exigences en tolérances de fabrication sont atteintes avec'des moyens raisonnables, du fait que la microlentille nlest qu'en un ma tériau homogène et peut être fabriquée avec un outillage simple (manipulateur, flamme, microscope). La surface de la lentille est lisse et ne diffuse donc pas de lumière. Comme la microlentille fabriquée selon l'invention est indépendante des matériaux de la fibre optique avec laquelle on couple la lumière, ceci n'entrain aucune limitation quant à la température de fusion et au comportement chimique des matériaux du coeur et de la gaine. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préféré en référence aux dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 est une vue en perspective d'une microlentille fabriquée selon l'invention, avec la fibre auxiliaire, fixée sur une fibre de verre; - la Fig. 2 est une vue en coupe transversale de la microlentille; et - la Fig. 3 est une vue en coupe longitudinale de la microlentille. La Fig. 1 montre l'utilisation d'une microlentille 1 selon l'invention. La microlentille 1 est appliquée sur l'extrémité plane d'une fibre optique 2, afin que l'axe de symétrie de révolution yy' d'une fibre optique auxiliaire 4 soit perpendiculaire à l'axe de symétrie de révolution zz' de la fibre optique 2 et soit parallèle à l'axe médian suivant le sens de la longueur ww' de la surface émissive d'une source de rayonnement 3. Les Figs 2 et 3 montrent chacune une coupe à travers la microlentille 1 selon l'invention, qui est fixée au moyen d'une colle 6 au niveau du coeur 7 de la fibre optique 2, dont l'indice de réfraction est inférieur ou égal à celui de la microlentille 1. Pour fabriquer la microlentille 1, on dépose une goutte5 en une matière telle que résine époxy ou verre à basse température de fusion, sur la fibre auxiliaire 4 qui est en verre ou en matériau équivalentetqyia un diamètre d. La dimension de la goutte 5 dépend de la dimension que doit avoir la microlentille 1. Pour un volume prédéterminé de la goutte 5 et un diamètre prédéterminé d de la fibre auxiliaire 4, la forme de la microlentille 1 résulte des lois de tension superficielle impliquant que l'énergie, donc la surface1 soit mini- male (problème isopérimétrique du calcul des variations, voir par exemple BRONSTEIN-SEMENDJAJEW, "TascheSbuch der Mathematik", éditions Harri Deutsch, Franefort et Zurich 1956, page 501). Le volume et le diamètre d sont sensiblement modifiés jusqu'à ce que la lentille ait les rayons de courbure dés i- rés. Le matériau de la goutte 5 présente de préférence les propriétés-suivantes : - transparence à la longueur d'onde utilisée; - l'indice de réfraction à la longueur d'onde utilisée correspond à celui de la fibre auxiliaire 4; - la viscosité reste constante pendant le dépit sur la fibre auxiliaire 4; - la capillarité du matériau de la goutte sur le matériau de fibre tel que verre est connue (elle est mesurable par l'angle e (Fig. 3) entre les surfaces o matériau de fibre-goutte et goutte-air); - la forme du matériau de la goutte ne change pas pendant le durcissement. En vertu des lois de l'obtention de la tension superficielle, la goutte 5 déposée prend spontanément la forme d'un ellipsoïde symétrique par rapport au plan transversal xz (Fig. 2) et à symétrie de révolution autour de l'axe yy' (Fig 3) La surface de la goutte a une courbure moyenne égale à la moyenne arithmétique des courbures dans deux plans perpendiculaires en un point donné qui uaut tl/(2rx) +1/(2rLy))au niveau des petits axes - qui doit Ly être constante sur toute la surface pour que celle-ci soit minimale. Le couple des valeurs des rayons de courbure moyens rLx, rLy correspond selon les lois de la tension superficielle au couple de valeurs du diamètre d de la fibre auxiliaire 4 et de la longueur L de la goutte 5 (Fig. 3).Il s'en suit qu'une microlentille 1 avec un couple de valeurs de rayons de courbure rLX, rL librement choisies peut être fabriquée gracie à la mesure correspondante du diamètre d de la fibre auxiliaire 4 et de la longueur L de la goutte 5. Les valeurs de rLx et rLy peuvent être calculées numériquement en vue d'optimiser le rendement de couplage. L'exemple suivant illustre les avantages de la microlentille selon l'invention. Soit un laser à semiconducteur avec une longueur d'onde d'émission de 1,3 m. Sa lumière est émise sous forme d'un rayonnement gaussien avec des demi-largeurs à l'origine Wox = 0,78 p m et woy = 2,35 p m, ces demi-largeurs étant situées toutes deux au plan du miroir. La lumière de ce laser doit être injectée dans une fibre monomode à symétrie de révolution. Pour un couplage maximum, cette fibre doit guider un rayonnement gaussien avec un rayon de woF = 4,20 m, dont l'origine doit être à l'extrémité de la fibre. Pour la microlentille 1 selon l'invention, un matériau d'indic de rOfraction nL = 1,5 est mis à disposition. Un calcul mené, en approximation paraxiale par souci de simplification, donne une lentille dont la surface au .uint d'intersection avec l'axe optique (direction z) a pour rayons de courbure rLx opt = 4,Spm rLy opt = 13,6 pm et dont la distance laser 3-microlentille 1 (Figs. 2 et 3) est de z opt = 8,3 pu La perte de couplage vaut 1,47 dB. Si l'on admet que le rendement de couplage ne peut qu'être de 99 % du rendement de couplage maximal, les variations géométriques suivantes sont autorisées 3,8 m # rLx # 5,2 m ou 10,5 m #rLY #19,3 m ou 7,8 m # z # 8,8 m Pour un rendement de couplage de 90 % du maximum, il est de même autorisé 2, m # rLx # 7,4 m ou 6,7 m # rLy # # (lentille cylindrique !) ou 6,6 pm- # z # 0,9m Des indications plus détaillées pour le calcul du coefficient de couplage sont données dans l'article intitulé "Berechnung der Transmission von elîiptischen Mikrolinsen zur Optimierung der Kopplung zwischen Haîbleiterlaser und Monomodefaser" de Pierre LECOY et Hartwig RICHTER, Forschungsinstitute der Deutschen Bundespost, Rapport Technique 455 tBr 72, novembre 1981. La quantité de matière de la goutte 5 peut être contro- lée avec une précision suffisante par l'utilisation d'une deuxième fibre auxiliaire mince. D'après un procédé connu (P.D. Bear, "Microlenses for coupling single-mode fibers to single-mode thin film waveguides", Applied Optics 19, 1980, pages 2906 à 2909i, la quantité de matière correspondante est apportée par contacts répétés de la deuxième fibre auxiliaire avec la microlentille 1 à fabriquer. La microlentille 1 fabriquée selon l'invention est amenée sur l'extrémité de la fibre optique 2 (Fig. 1), et fixée conformément à l'invention à l'aide d'une colle 6, dont l'indice de réfraction à la longueur d'onde utilisée est de préférence égal ou inférieur à celui de la microlentille 1. Il est donc sans conséquence sur les relations optiques que la fibre auxiliaire-4 soit laissée sur la microlentille 1, et w cune quelconque longueur. Au contraire, un enlèvement total de la fibre auxiliaire 4 peut entraîner une rupture de la microlentille 1. L'alignement des axes de la microlentille 1, de la source de rayonnement 3 côté émissionetôela fibre optique 2 est contrôlé pendant le montage de la microlentille 1 par la mesure du champ du rayonnement sortant de la fibre 2; de la même façon la distance optimale est réglée entre la source de rayonnement 3 et la microlentille 1. Un problème analogue à celui du couplage d'une fibre optique à un laser se pose lorsque le faisceau sortant d'une fibre optique doit être couplé dans un circuit optique intégré (par exemple un guide d'ondes intégré). La différence, à savoir qu'ici l'intensité lumineuse de la source est à symétrie de révolution autour de l'axe optique, alors que le composant recevant la lumière nécessite en général une répartition élliptique de l'intensité pour avoir le couplage optimum, n'a pas de conséquence, du fait de la réciprocité du dispositif. Très généralement, la disposition, objet de l'invention, est avantageuse lorsque l'intensité lumineuse de la source possède une autre excentricité dans sa répartition que celle du composant recevant la lumière. R e v e n d i c a t i o n s. 1 - Dispositif de couplage du genre système à lentille astigmate, comprenant une seule microlentille (1) pour réduire les pertes de couplage entre d'une part, une source de rayonnement lumineux (3) ayant un champ d'émission elliptique, et d'autre part, des composants optiques tels qu'une fibre optique (2), par exemple, caractérisé en ce qu'une goutte (5) en un matériau tel que résine époxy ou verre à basse température de fusion entoure une fibre optique auxiliaire (4) en verre ou analogue pour former un ellipsoïde à symétrie de révolution, et en ce que la microlentille (1) ainsi fabriquée et durcie est fixée à l'aide d'une colle (6) sur la surface à l'extrémité de la fibre optique (2) située en face de la source de rayonnement lumineux (3), au niveau du coeur (7) de la fibre optique (2), l'axe de symétrie de révolution (yy') de la fibre auxiliaire (4) étant perpendiculaire à l'axe de symétrie de révolution (zz') de la fibre optique (2) et entant parallèle à l'axe médian suivant le sens de la longueur (ww') de la surface émissive de la source de rayonnement (3). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'indice de réfraction de la colle (6) est égal à celui de la microlentille (1) à la longueur d'onde utili sée. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'indice de réfraction de la colle (6) est inférieur à celui de la microlentille (1). 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau de la goutte (5) conserve pratiquement sa viscosité pendant la durée de son dépôt sur la fibre auxiliaire (4). 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la forme de la goutte (5) ne change pas pendant le durcissement de sa matière. 6 - Dispositif conforme à la revendication 1, caract6- risé en ce que la taille de la goutte (5) -est contrôlée à l'aide d'une deuxième fibre auxiliaire mince.