Brevet FR2542457A1 — publié le 19840914

Pièce de réception à fibre optique pour dispositif de couplage et procédé de réalisation d'un tel dispositif L'invention concerne les dispositifs de couplage de fibres optiques utilisables notamment pour constituer des systèmes de transmission sur fibres optiques. Il existe à l'heure actuelle des perspectives d'utili- sation de systèmes de transmission sur fibres optiques qui impliquent de disposer de coupleurs permettant de remplir diverses fonctions, en particulier de raccorder des systèmes à N branches vers des systèmes à N branches ou P branches (N et P étant des entiers) Il faut, de plus, que les dispositifs de couplage, qui seront nécessaires à des millions d'exemplaires, soient simples, reproductibles, ro- bustes, peu coûteux et faciles à mettre en oeuvre Il faut encore qu'ils présentent une grande souplesse d'adaptation et une possibilité d'intégration de composants optoélectro- niques Enfin, il est souhaitable que l'encombrement soit faible pour faciliter leur intégration dans un ensemble. Les dispositifs de couplage existant actuellement ne répondent que très imparfaitement à ces exigences Les dis- positifs les plus fréquents permettent simplement de coupler deux branches vers deux branches ou une seule On connaît notamment (FR-A-2 492 115) un coupleur entre deux fibres, notamment monomode, impliquant de polir les deux fibres avant mise en contact de ces dernières La nécessité d'un tel polissage enlève tout caractère industriel au processus. De plus, la reproductibilité est difficile à assurer. L'invention vise à fournir un dispositif de couplage répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il utilise un composant de base constitué par une pièce réceptrice de coût faible, réalisable par des procédés industriels, de grande souplesse d'utilisation et assurant une précision de mise en place satisfaisante. Dans ce but, l'invention propose notamment une pièce de réception de fibre optique pour dispositif de couplage, 254-2457 2 - caractérisé en ce que ladite pièce, monobloc, comporte une rainure convexe de réception de fibre, ménagée dans une face de la pièce, dans un premier plan de symétrie et com- porte une surface de référence dressée parallèle au premier plan de symétrie ainsi qu'une surface de référence perpen- diculaire au premier plan de symétrie et à un second plan de symétrie orthogonal au premier, située à proximité de la rainure. La seconde surface de référence peut notamment être constituée par la surface d'une encoche prévue dans la pre- mière surface de la pièce, à-proximité de la zone centrale de la rainure, zone dans laquelle sera retenue la fibre optique La rainure aura avantageusement un profil en V, permettant une localisation précise de la fibre. Deux faces de référence supplémentaires sont symé- triques l'une de l'autre par rapport au second plan de symétrie, transversal à la rainure Une face de la pièce opposée à celle dans laquelle est pratiquée la rainure ser- vira également de référence d'orientation de la pièce Par contre, dans la plupart des cas, sa distance à la rainure n'aura pas à être définie avec un degré de précision élevé. La pièce qui vient d'être définie est d'utilisation très souple et, en particulier, elle permet de réaliser indifféremment un coupleur à deux branches et un coupleur de deux vers un. Dans un premier procédé de réalisation d'un dispositif de couplage, la pièce de réception, préalablement munie d'une fibre, est coupée en deux moitiés qui sont ensuite mises en vis-à-vis, réalisant ainsi une restitution par apairage L'ensemble ainsi réalisé présente une face fron- tale avec deux tronçons de fibre parfaitement référencés: à cette face peut être adjoint un dispositif de centrage qui recevra directement l'embout de connecteur de liaison avec une ligne optique On réalise ainsi un coupleur à deux branches. On peut également réaliser un coupleur à quatre bran- ches en accolant deux pièces de réception portant des tron- çons de fibre optique, après découpe de la partie haute -3- des pièces suivant un plan perpendiculaire aux deux plans de symétrie de la pièce, de façon à assurer un bon contact entre les fibres Enfin, les pièces ou deux demi-pièces accolées peuvent être mises en place dans un bottier de constitution simple. Quel que soit le mode d'exécution adopté, on constitue ainsi un composant disposant d'au moins une sortie optique et pouvant avoir une ou plusieurs sorties électriques, lors- que des éléments optoélectroniques sont placés sur la pièce (qui peut être munie de dispositif de centrage assurant leur mise en place précise) Un tel composant est aisément intégrable à une ligne complète de transmission par fibre optique et trouve de nombreuses applications, notamment dans les systèmes de télécommunication, qui peuvent véhiculer des services très divers, tels que télématique, télévision et visiophone L'invention trouve même un intérêt tout particu- lier dans ce dernier cas, car elle permet de séparer aisément la fonction télématique de la fonction télévision et visio- phone afin d'obtenir un réseau modulaire et évolutif. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers d'exécution de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels la Figure 1 est une vue en perspective d'une pièce moulée de réception de fibre optique suivant un mode particu- lier de réalisation de l'invention; la Figure 2 est une vue de principe montrant l'arasement de la fibre en place dans la pièce par sciage longitudinal perpendiculairement aux deux plans de symétrie; la Figure 3 est une vue de principe montrant un dispositif utilisable pour mettre en place et coller la fibre dans la pièce; les Figures 4 A et 4 B sont desschémas, respectivement en élévation et en vue de dessus, montrant les surfaces de référence et les emplacements de sciage au cours de la réa- lisation d'un dispositif de couplage utilisant une pièce du genre montré en Figure i, les Figures 5 A et 5 b sont des schémas de principe 2542457. 4- respectivement en élévation et en bout, montrant un disposi- tif de couplage obtenu après tronçonnage de la pièce en deux moitiés et mise en vis-à-vis des deux moitiés la Figure 6 est une vue schématique en élévation, montrant un dispositif de couplage de deux fibres obtenu par mise en vis-à-vis de deux pièces qui ont subi uniquement un sciage longitudinal du genre montré en Figure 2, - les Figures 7 A et 7 B montrent, respectivement en coupe suivant les lignes A-A et B-B, un dispositif de cou- plage comportant un bottier et deux demi-pièces en regard, les Figures 8 et 9 sont des schémas de montage en boîtier. La pièce de base 20 montrée en Figure 1 est prévue pour être fabriquée par moulage d'une résine à faible retrait, éventuellement chargée On connaît de telles résines (par exemple celle vendue sous la référence "ADAPTIC" par JOHNSON & JOHNSON) dont le retrait ne dépasse pas 0,2 x 10 2 et dont la polymérisation est rapide. Cette pièce 20 présente un plan de symétrie longitu- nal et un plan de symétrie tranversal orthogonaux Une pre- mière face de la pièce, symétrique par rapport aux deux plans et qu'on appellera par la suite "face de travail" 22, est destinée à recevoir une fibre 21 à coupler (Figures 2 et 3) Dans cette face de travail 22 est ménagée une rainure en vé 2 La rainure 2,-dont l'axe est dans le plan médian (plan de symétrie longitudinal), a, dans la zone proche du plan de symétrie transversal, un rayon de courbure choisi en fonction des caractéristiques de la fibre 21 à coupler (saut ou gradient d'indice, diamètre de coeur, etc) et des conditions d'injection en cas d'intégration d'un composant optoélectronique (diode laser ou diode électroluminescente) afin d'assurer le couplage et de minimiser l'incidence d'une réflexion dans la seconde branche du coupleur Les critères de choix de ce rayon sont connus et n'ont donc pas à être donnés ici Enfin, la qualité du vé (dimension, état de surface, angle) est importante pour garantir un sciage avec un taux de réussite maximum. Une optimisation conduit à adopter, pour une fibre de 125 pm de diamètre extérieur, un vé ayant une hauteur de 200 Pm et un angle d'environ 900. L'emplacement de la rainure 2 doit être défini avec 2542457, -5- précision par rapport à plusieurs surfaces (ou jeux de surfaces) de référence prévues sur la pièce 20, afin de permettre l'utilisation ultérieure de la pièce dans un dispositif de couplage. Une première surface de référence 3, dont le rôle est essentiel, est prévue perpendiculairement aux deux plans de symétrie et à proximité de la zone centrale de la rai- nure Cette proximité et l'utilisation d'une résine à faible retrait permettent de fractionner la pièce et la fibre en deux moitiés par sciage avec une grande précision. Pratiquement, l'emplacement de la fibre 21 par rapport à la surface de la pièc e sera reproductible au micron près. Une seconde surface plane de référence 4, à l'opposé de la face de travail 22, constitue le fond de la pièce. Elle permet de donner à la pièce 20 une orientation correcte dans un montage-de sciage comprenant un socle 24, comme on le verra plus loin (Figures 2 à 4) Elle doit être parallèle à la surface 3 mais leur écartement b n'a pas besoin d'être maintenu avec une précision élevée. Une surface plane latérale 5, qui peut se réduire à trois plots d'appui 6, 7 et 8 sur chaque demi-pièce, doit être parallèle au plan longitudinal de symétrie et située à une distance c de ce dernier Une bonne précision sur c est obtenue sans difficulté par moulage, du fait de la faible valeur de c, comparée à b On verra que cette précision est nécessaire pour réaliser un dispositif de couplage à deux branches vers deux,-qui implique d'accoupler deux pièces 20 placées en regard Dans le cas d'un dispositif à deux bran- ches, utilisant les deux moitiés d'une pièce tronçonnée dans le plan transversal de symétrie, la planéité de la surface suffit au contraire à assurer une mise en place satisfai- sante. Enfin, deux surfaces planes 9 et 10 de la pièce, symétriques et perpendiculaires aux surfaces 4 et 5, per- mettent de définir le plan de symétrie transversal dans lequel doit être sciée la pièce 20 pour constituer un dis- positif de couplage à deux branches Elles peuvent être complétées par des pans obliques munis de cavités 11 et 6 - 12 obtenues lors du-moulage et destinées à servir de référence de mise en place de composants optoélectroniques. Du fait de la faible distance entre la rainure en vé 2 et les cavités, leur position relative est reproductible avec précision Les deux surfaces 9 et 10, perpendiculaires aux surfaces 5 et 4, sont utilisées dans le montage de sciage pour effectuer un sciage centré au milieu de la pièce Ce sciagereprésenté-par les axes yy' et zz',est effectué par enlèvement d'une quantité minimum de matière correspondant à l'épaisseur d'un disque abrasif, dont l'épaisseur e pourra être de 0,2 mm Une précision de quelques centièmes de milli- mètre sur l'emplacement de la coupe est suffisante: elle correspond donc à des techniques de moulage et d'usinage traditionnelles. On verra que les cavités Il et 12, dont la production par moulage assure une position déterminée par rapport à la rainure en vé 2 et -donc par rapport à la fibre, servent de référence pour insérer, avec une précision suffisante pour obtenir un couplage correct, des composants optoélectroniques tels que, par exemple, une diode électroluminescente et une photodiode Les surfaces mises en jeu dans de tels composants ne nécessitent pas, pour obtenir un couplage suffisant pour des applications de transmission à bas débit numérique, des précisions draconiennes Des précisions de l'ordre de quelques gm, voire de quelques 1/100 de mm, sont suffisantes. AMI stade industriel de fabrication de tels composants, il est relativement aisé de centrer la partie active du compo- sant par rapport à un dispositif de référence qui viendra s'adapter à la cavité réceptrice du dispositif objet de l'invention. Les cavités 11 et 12 peuvent également être utilisées, lors du sciage, pour préparer les faces d'extrémité des fibres dans un plan perpendiculaire à l'axe de celles-ci (plan-AB et plan CD sur la Figure 1). Les opérations à effectuer sur la pièce 20 pour mettre en oeuvre l'invention seront différentes suivant le type de couplage à réaliser Dans le cas le plus complexe, ces opérations comporteront: un enlèvement de matière dans la pièce 20 et la 7 - fibre préalablement placée sur celle-ci, jusqu'à un plan longitudinal, à une cote prédéterminée par rapport à la surface de référence 3, un sciage des faces d'extrémité des tronçons de fibre, un sciage de la pièce moulée 20 pour en constituer deux demi-pièces. L'opération d'abrasion est schématisée en Figure 2. L'abrasion s'effectue à une cote précise d sans difficulté à l'aide d'un disque tournant à grande vitesse Une touche 26 prenant appui sur la surface de référence 3 et solidaire du bâti supportant le disque permet d'assurer la précision nécessaire L'état de surface obtenu est proche de celui dun polissage Pour obtenir des caractéristiques complète- ment équivalentes à celles d'une face polie mécaniquement, on introduira un liquide,d'indice supérieur à celui du matériau constitutif de la fibre (silice en général), entre les éléments en contact Ce liquide pourra notamment être une graisse ou une colle. Le sciage de la fibre 21 pour réaliser deux tronçons ayant des faces d'extrémité acceptables peut s'effectuer sur un montage du genre montré en Figure 3 La fibre 21 est d'abord plaquée au fond de la rainure en vé 2 à l'aide d'un système appliquant une tension de quelques dizaines de grammes Dans le mode de réalisation illustré, ce système comporte deux poulies 27 de renvoi de fils de traction. Il faut remarquer au passage que la fibre 21 peut être, soit dégainée, soit même revêtue d'un revêtement de quelques microns d'épaisseur, dans la mesure o celui-ci est bien concentrique à la fibre Or, on sait parfaitement réaliser des fibres revêtues dans de telles conditions en longueur limitée à quelques centaines de mètres, ce qui est suffisant pour constituer un grand nombre de coupleurs En clair, il est possible de travailler à partir de fibres gainées, ce qui représente un gros avantage dans la fabrication industrielle automatisée, la fibre n'étant pas fragilisée par dégainage, et pouvant avoir une durée de vie garantie. L'encollage de la fibre 21 dans la rainure en vé 2 sera avantageusement réalisé à l'aide de la même résine 8 - que la résine de fabrication de la pièce 20, ce qui donne une liaison étroite entre les matériaux Cette résine, de grande dureté et de faible retrait, pourra être chargée, par exemple par des microbilles de silice Pour avoir un rendement industriel suffisant, on adoptera une résine poly- mérisant en un temps bref, typiquement l à 4 minutes Natu- rellement, plusieurs montages du genre illustré en Figure 3 peuvent être placés en parallèle, pour augmenter le rende- ment Le remplissage en colle doit être suffisant pour atteindre les extrémités de la résine en vé, comme indiqué en 28 sur la figure 3, et déborder de la rainure dans la partie centrale, comme indiqué en 29. Le sciage de la pièce et de la fibre pourra être effectué sur une machine automatique, comportant des gaba- rits de réception de la pièce Les plans de sciage ou d'abrasion 30 pourront être parfaitement déterminés dans le montage grâce à des touches ou butées schématisées en 31, 32 et 33 sur les Figures 4 A et 4 B, s'ajoutant à la touche 26 déjà montrée en Figure 2. Une fois les sciages effectués, on peut constituer un coupleur à deux branches par mise en vis-à-vis des deux demi-pièces 13 et 14, comme montré en Figures 5 A et 58. Du fait que les deux demi-pièces ont été obtenues par sciage transversal d'une même pièce et que le couplage s'effectue -en retournant les deux demi-pièces sur leur plan de réfé- rence, on met automatiquement les deux tronçons de fibre 21 a et 21 b en vis-à-vis: la cote c est garantie par un simple parallélisme de la rainure en vé et de la surface de référence L'ajustement longitudinal, dont l'influence sur l'efficacité du coupleur est limitée, est simplement réalisé par mise en butée des deux faces sciées 15 et 16 contre un même plan 17 (Figure 5 A). Lorsqu'on souhaite réaliser un coupleur à deux branches vers deux, il n'est pas nécessaire d'effectuer un tronçonnage de la pièce 20 en deux demi-pièces On accouple alors deux pièces complètes 20 a et 20 b, comme indiqué sur la Figure 6 Le coupleur est réalisé par mise en butée des faces de référence 9 des deux pièces 20 a et 20 b -9- sur des butées 34 et 35 dont la distance f est égale à la longueur théorique de chacune des pièces 20 a et 20 b, à une tolérance de fabrication près La réalisation de cou- pleurs satisfaisants implique évidemment une bonne précision et une bonne reproductibilité sur la cote f. Le coupleur optique ainsi constitué devra être placé dans un boîtier Les figures 7 A et 7 B montrent une consti- tution possible de bottier destiné à un coupleur à deux branches Ce boîtier comprend un corps 19 et un couvercle 36 Le boîtier doit appliquer les deux faces sciées des tronçons de fibre l'une contre l'autre Dans le cas illustré en Figure 7 B, cette pression est assurée en plaçant la demipièce 14 en appui sur des pions de référence 37 et en interposant un élément élastique 38, schématisé par un ressort sur la Figure 7 B, entre la demi-pièce 13 et le corps du bottier On pourrait également, dans de nombreux cas, prévoir un élément rigide de pression Un dispositif similaire doit être prévu pour presser les demi-pièces 13 et 14 sur une face du boîtier pour réaliser le posi- tionnement longitudinal: sur la Figure 7 B, le dispositif est similaire au précédent Il comprend'des pions d'appui des demi-pièces 13 et 14 et des éléments élastiques 39, schématisés par des ressorts Enfin, les demipièces sont appliquées sur le fond du corps 19, muni de pions définis- sant une surface de référence, par un dispositif élastique interposé entre ces demi-pièces et le couvercle 36, schématisés sur la Figure 7 A par des ressorts 40. On réalise ainsi le positionnement latéral des deux faces sciées des fibres à coupler Ces dispositifs et le boîtier peuvent être de constitution simple, les élé- ments élastiques étant des ressorts et le boîtier étant en plastique moulé. Au coupleur montré en Figures 7 peut être intégré un dispositif de branchement de ligne optique, ce qui -35 évite d'avoir à effectuer en séquence la réalisation d'une branche de sortie, puis la connexion, donc améliore le gain par suppression d'un point de connexion et réduit le coût. Dans le cas illustré en Figure 8, le-dispositif d'accouple- ment de la ligne optique comprend une demi-sphère 44 - percée d'un trou 41 de réception d'embout de connecteur 42, demi-sphère qui assure le centrage de l'embout de connecteur par appui de sphère sur cône 43 L'accouplement peut être réalisé de façon simple, par exemple par verrouil- lage à baïonnette ou vissage La demi-sphère 44 est intégrée, par exemple en la collant sur la face avant du dispositif, constitué par les faces de sciage 15 et 16 (Figure 8) La fixation peut se faire sur un montage permettant un fonc- tionnement automatique, la sortie du coupleur (Figure 7) étant éclairée pendant que la sphère est ajustée pour que son centre ne s'écarte pas de plus de quelques microns du centre de la surface du coupleur On peut ainsi optimiser le couplage si on le souhaite et faire varier à volonté le rendement du couplage dans l'une ou l'autre branche du cou- pleur par simple décalage de la position de la demi-sphère. Le positionnement peut être effectué simplement par des dispositifs bien connus, tels que microscope ou lunette autocolimatrice. L'intégration d'un dispositif d'accouplement peut s'effectuer à l'aide de dispositifs très variés, et non pas seulement & l'aide de celui de la Figure 8 En fait, on pourra adapter le coupleur suivant l'invention à tous les connecteurs classiquement adoptés, sous la seule réserve que soit interposé un dispositif de référence capable de rece- voir l'embout du connecteur et que soit prévu un système de centrage autorisant l'ajustement des performances du cou- pleur. Dans la variante de réalisation montrée en Figure 9, le boîtier est prévu pour recevoir deux éléments opto- électroniques 45 et 4,6 dont le positionnement précis est ren- du possible grâce à la présence des éléments de centrage Il et 12 On obtient ainsi un produit ayant une sortie optique et deux sorties électriques, qui peut aisément être intégré à une ligne complète de transmission par fibre optique. On peut ainsi réaliser des coupleurs économiques, d'emploi quasiuniversel, de faible encombrement puisque l'épaisseur variera typiquement entre 2 et 10 mm Les il - rayons de courbure habituels de la rainure, compris entre et 120 mm pour de la fibre 50/125 vm, pourront également être réalisés facilement avec la précision requise. 12- REVENDICATIONS 1 Pièce de réception de fibre optique pour dispo- sitif de couplage, caractérisée en ce que ladite pièce ( 20), monobloc, comporte une rainure convexe ( 2) de réception de fibre, ménagée dans une première face de la pièce, dans un premier plan de symétrie, et comporte une surface de réfé- rence dressée ( 6-8 ou 5) parallèle au premier plan de symétrie ainsi qu'une seconde surface de référence ( 3) per- pendiculaire au premier plan de symétrie et à un second plan de symétrie orthogonal au premier, située à proximité de la rainure ( 2). 2.-Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que la seconde surface de référence ( 3) est constituée par la surface d'une encoche prévue dans la première surface de la pièce, à proximité de la zone centrale de la rainure, zone prévue pour y fixer la fibre-optique. 3 Pièce selon la revendication 1 ou 2, caractérisée. en ce que la rainure a un profil en vé permettant une loca- lisation précise de la fibre. 4 Pièce selon la revendication 1, 2 ou 3, caracté- risée en ce qu'elle comporte deux faces de référence supplé- mentaires ( 9, 10) symétriques l'une de l'autre par rapport au second plan de symétrie, transversal à la rainure. Pièce selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites faces de référence sont munies d'éléments de référence symétriques ( 11, 12) venus de moulage, permettant de fixer des composants optoélectroniques. 6 Procédé de réalisation d'un dispositif de couplage, caractérisé en ce qu'on fixe une fibre optique ( 21) dans la rainure d'une pièce ( 20) suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, en ce qu'on scie la pièce et la fibre dans un plan ( 30) parallèle à la seconde surface de réfé- rence ( 3), on coupe la pièce par sciage en deux moitiés sui- vant le second plan de symétrie, et on accole les deux demi- pièces pour mettre les tronçons de fibre en vis-à-vis. 7 Procédé de réalisation d'un dispositif de couplage, caractérisé en ce qu'on fixe une fibre optique ( 21) dans la rainure d'une pièce ( 20) suivant l'une quelconque des reven- 13 - dications 1 à 5, en ce qu'on arase la pièce et la fibre jusqu'à un plan ( 30) parallèle à la seconde surface de réfé- rence ( 3), et on accouple ladite pièce à une seconde pièce identique. 8 Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'on encolle la fibre optique dans la rainure ( 2) à l'aide d'une résine de liaison et on introduit, entre les tronçons de fibre, un liquide ayant un indice supérieur à celui de l'âme de la fibre lors de l'accouplement. 9 Procédé selon la revendication 6, 7 ou 8, carac térisé en ce qu'on met en place la pièce ou les pièces dans un boîtier muni de moyens d'appui sur au moins la première surface de référence ( 6-8 ou 5) de la pièce ou des pièces contre des moyens de butée assurant un positionnement précis.