Brevet FR2546311A1 — publié le 19841123

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de connexion entre au moins une f ibre optique et un composant d'optique intégrée comportant au moins un guide d'onde Elle s'applique notamment à la réalisation de systèmes de communication optiques. On connaît de nombreux composants d'optique intégrée Ces composants comportent, pour la plupart, des guides d'onde à deux dimensions, de façon à obte- nir le confinement optimum de la lumière sur une lon- gueur convenable Lorsque l'on souhaite insérer ces composants dans des circuits optiques par exemple des circuits de transmission, de traitement de signaux ou d'acquisition de paramètres physiques, il est impor- tant de connecter avec le minimum de pertes les guides d'onde, qui peuvent être monomodes ou multimodes, aux fibres optiques que comportent lesdits circuits. On connait par ailleurs une technique pour connecter une fibre optique à un guide d'onde d'un composant d'optique intégrée Cette technique consis- te d'abord à maintenir la fibre dans un support, de façon à manipuler plus aisément cette fibre Le sup- port peut être un tube métallique, une plaquette de silicium préalablement gravée de façon à comporter des sillons en forme de V, ou un support moulé par exemple en matière plastique La fibre est ensuite approchée du guide au moyen de micromanipulateurs Pour ce fai- re, deux méthodes sont utilisées: La première méthode est connue sous le nom de "flip- chip"l Elle n'est utilisable que pour des composants plans, sans électrodes ou sans plaquettes d'adapta- tion d'impédance En outre, l'alignement de la fibre optique avec le guide d'onde nécessite de réaliser la plaquette portant ce guide d'onde à l'aide d'un matériau transparent et de polir cette plaquette sur ses deux faces. La deuxième méthode consiste à fixer le support de la fibre sur un support solidaire du support du gui- de d'onde, au moyen d'une colle Cette deuxième mé- thode se heurte au problème du retrait de la colle. En outre, une tenue mécanique correcte de la fibre au voisinage du guide d'onde nécessite en pratique le polissage de l'ensemble constitué par la fibre et par son support, de façon que l'extrémité de la fi- bre affleure le bord de ce support Dans le cas o il s'agit de connecter respectivement plusieurs f i- bres optiques montées sur un même support, à des guides d'onde disposés également sur un même sup- port, la deuxième méthode présente, certes, l'avan- tage de permettre une connexion collective, mais présente également l'inconvénient de ne pas permet- tre la correction des défauts de positionnement ini- tial des fibres dans leur support, ou des défauts d'excentrement des coeurs des fibres optiques. La présente invention a justement pour objet un procédé et un dispositif de connexion entre au moins une fibre optique et un composant d'optique in- tégrée comportant au moins un guide d'onde, qui ne présentent pas les inconvénients des méthodes precé- dentes, notamment en ce qu'ils ne nécessitent pas de composants d'optique intégrée plans ou transparents, qu'ils permettent d'éviter, à l'aide d'un montage sim- ple et statique, tout problème de retrait de colle, qu'ils évitent le polissage de l'ensemble constitué par la fibre et par le support de celleci et enfin, qu'ils permettent, dans le cas ou il s'agit de connec- ter plusieurs fibres disposées sur un même support à des guides d'onde également disposés sur un même sup- port, de pallier les défauts de positionnement initial des fibres dans leur support ou les défauts d'excen- trement des coeurs de ces fibres. De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de connexion entre au moins une fibre optique et un composant d'optique intégrée com- portant au moins un guide d'onde, la fibre optique et le guide d'onde étant pourvus chacun d'une extrémité destinée à la connexion, caractérisé en ce qu'il con- siste: à fixer le composant sur un support principal, à fixer la fibre sur un support de fibre de façon que l'extrémité de la fibre dépasse dudit support de fibre, à fixer l'extrémité de la fibre à l'extrémité du guide d'onde de façon à permettre le passage de lu- mière de la fibre au guide d'onde et réciproquement, et ensuite à rendre rigidement solidaires l'un de l'autre le support de fibre et le support principal. Par "guide d'onde", on entend non seulement un guide d'onde du genre de ceux qui sont utilisés dans le domaine de l'optique Intégrée, comme par exem- ple les guides d'onde formés par un canal de propaga- tion diffusé dans un substrat, mais encore une autre fibre optique. Selon une caractéristique préférée du pro- cédé objet de l'invention l'extrémité de la fibre op- tique est fixée à l'extrémité du guide d'onde au moyen d'une colle transparente à ladite lumière. De préférence, la fibre optique et le guide d'onde ayant des indices de réfraction différents, on utilise une colle dont l'indice de réfraction est com- pris entre l'indice de réfraction de la fibre et l'in- dice de réfraction du guide d'onde, et en tout cas meilleur que l'indice de réfraction de l'air. Selon une caractéristique particulière du procédé objet de l'invzention, ladite colle est en ou- tre une colle polymérisable. Selon une autre caractéristique particuliè- re, la colle destinée à fixer l'extrémité de la fibre à l'extrémité du guide d'onde est en outre une colle polymérisable au moyen d'un rayonnement et polymérisée en envoyant le rayonnement sur ladite colle par l'in- termédiaire d'une lunette de visée mise au point sur lesdites extrémités, celles-ci étant rapprochées et reliées par ladite colle, la lunette permettant de contrôler préalablement le positionnement relatif desdites extrémités. Selon une autre caractéristique particuliè- re, le support de fibre est rendu rigidement solidaire du support principal au moyen d'une colle polymérisa- ble et la colle destinée à fixer l'extrémité de la fibre à l'extrémité du guide d'onde est polymérisée avant la colle destinée à rendre le support de fibre rigidement solidaire du support principal et en évi- tant toute polymérisation de cette dernière. Selon une autre caractéristique particuliè- re, la colle destinée à rendre le support de fibre et le support principal solidaires l'un de l'autre est une colle polymérisable au moyen d'un rayonnement, le support de fibre comporte une pièce apte à transmettre au moins partiellement le rayonnement prévu pour poly- mériser la colle destinée à rendre le support de fibre et le support principal solidaires l'un de l'autre, et cette dernière colle est disposée entre ladite pièce et le support principal de manière a rendre ces der- niers solidaires l'un de l'autre, et polymérisée en envoyant sur elle et à travers la pièce, le rayonne- ment qui lui correspond. On peut procéder par masquage de la colle destinée à rendre solidaires l'un de l'autre le sup- port de fibre et le support principal, pour éviter de la polymériser pendant que l'on polymérise la colle destinée à fixer l'extrémité de la fibre et l'extrémi- té du guide d'onde Pour effectuer une polymérisation avant l'autre, on peut également utiliser la lunette de visée dont il était question précédemment et qui permet une polymérisation sélective. Selon une autre caractéristique préférée du procédé objet de l'invention, avant d'être fixées l'une à l'autre, l'extrémité de la fibre et l'extrémi- té du guide d'onde sont positionnées relativement l'une par rapport à l'autre de façon qu'il passe un maximum de lumière de la fibre au guide d'onde ou ré- ciproquement. La présente invention a également pour objet un dispositif de connexion entre au moins une fibre optique et un composant d'optique intégrée comportant au moins un guide d'onde, la fibre optique et le guide d'onde étant pourvus chacun d'une extrémité destinée à la connexion, caractérisé en ce qu'il comprend un sup- port principal sur lequel est fixé le composant et un support de fibre sur lequel est fixée la fibre de façon que l'extrémité de celle-ci dépasse dudit sup- port de fibre et en ce que ce support de fibre est rendu rigidement solidaire du support principale l'ex- trémité de la fibre étant préalablement fixée à l'eu- trémité du guide d'onde de façon à permettre le passa- ge de lumière de la fibre au guide d'onde et récipro- quement. Bien entendu, dans l'invention, on peut avoir à connecter une fibre optique à un guide d'onde ou un certain nombre de fibres optiques au même nombre de guides d'onde, chaque fibre étant respectivement reliée à un guide d'onde Les fibres peuvent être alors disposées sur un même support et les guides d'onde peuvent l'être également. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif, en référen- ce aux dessins annexés sur lesquels: la f igure 1 est une vue schématique en perspective d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, la figure 2 est une vue de face schémati- que de ce dispositif, la figure 3 est une vue schématique d'une installation permettant de contrôler le positionne- ment relatif de la fibre et du guide d'onde que l'on souhaite connecter l'un à l'autre, la figure 4 est une vue schématique d 'un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, et la figure 5 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, comportant un certain nombre de fibres optiques et le même nombre de guides d'onde, les fibres étant respectivement connectées aux guides d ' onde. Sur la figure 1, on a représenté schémiati- quement en perspective, un mode de réalisation parti- culier du dispositif objet de l'invention Il permet de connecter une fibre optique 2 comportant de façon connue, un coeur 3 et une gaine 4, à un guide d'onde 5 d'un composant d'optique intégrée 6 Le guide d'onde consiste par exemple en un canal de propagation de lumière, réalisé par diffusion d'un ruban de titane dans un substrat en Li Nb O 3, en forme de plaquette, faisant partie dudit composant. Le dispositif comprend essentiellement un support principal 7 par exemple en laiton, et un sup- port 8 de fibre constitué par une pièce transparente 9, telle qu'une plaquette de verre, sur laquelle est collé un élément porteur 10 par exemple en silicium et de forme parallélépipèdique, dans lequel est usiné par attaque chimique un sillon 11 en forme de V, cette forme résultant de l'anisotropie de l'attaque chimi- que. Le support principal 7 comporte une première partie 12 et une seconde partie 13 surélevée par rap- port à la première Une première rainure 14 et une seconde rainure 15 sont respectivement pratiquées en regard l'une de l'autre dans la première partie 12 et dans la seconde partie 13, à partir de la surface de cellesci et selon une même orientation Le composant 6 est fixé dans la seconde rainure 15 prévue à cet effet, de façon que le guide d'onde 5 ait ladite orientation et que l'extrémité 16 du guide d'onde 5, destinée à être connectée à une extrémité 17 de la fibre 2, soit tournée vers la première partie 12 La hauteur relative des deux parties 12 et 13 est prévue pour que, la fibre étant fixée dans le sillon 11 et la plaquette étant fixée par de la colle à la surface, supposée plane, de la première partie 12, la fibre se trouve au niveau du guide d'onde une fois la colle sèche, en utilisant une couche de colle d'épaisseur minimum afin de limiter le retrait de celle-ci La plaquette 9 est fixée sur la surface de la première partie 12, au-dessus de la première rainure 14 permet- tant des manipulations de ladite plaquette préalable- ment à la fixation de celle-ci, et de façon que le sillon 11 soit dans le prolongement du guide d'onde 5. La fibre 2 est fixée dans ce sillon Il de façon que son extrémité 17, destinée à la connexion avec le guide d'onde, dépasse de l'élément 10 et de la plaquette 9 et se trouve au voisinage de l'extrémité 16 du guide d'onde, extrémité 16 à laquelle elle est fixée de façon que son coeur 3 soit effectivement en regard de ladite extrémité 16. Le procédé selon l'invention, permettant de réaliser le dispositif représenté sur la figure 1, est alors le suivant: la fibre 2 est préalablement fixée dans le sillon 11, au moyen d'une couche de colle 18 par exemple, l'extrémité 17 de la fibre 2 dépassant de plusieurs millimètres, de 5 mm par exemple, du bord de la plaquette en verre 9 Le composant 6 est collé dans sa rainure 15 de la façon indiquée plus haut L'extré- mité 17 de la fibre est enduite d'une couche 19 de colle polymérisable au moyen d'un rayonnement ultra- violet, par exemple d'une couche de colle commerciali- sée sous la marque NORDLAND 61 e (Ce type de colle est transparent au rayonnement infrarouge destiné à être propagé par la fibre et par le guide d'onde) La colle polymérisable se maintient sur ladite extrémité par capillarité Deux points 20 et 21 de ladite colle po- lymérisable sont respectivement appliqués sur la sur- face de la première partie 12 du support principal 7, de part et d'autre de la première rainure 14 Une fois alignée par rapport au guide d'onde 5, la fibre 2 est mise en contact, par son extrémité 17, avec l'extrémi- té 16 du guide d'onde 5 de façon que le coeur 3 de la fibre se trouve précisément en contact avec ladite ex- trémité 16 du guide d'onde 5 (figure 2) La plaquette 9 est posée sur ladite première partie 12 e la partie inférieure de la plaquette venant alors effleurer les points de colle 20 et 21 sur ladite première partie 12 La hauteur relative des deux parties 12 et 13 est prévue pour que les deux points de colle 20 et 21 forment alors des couches assez minces, de l'ordre de 250 gm par exemple. Le positionnement relatif des extrémités 16 et 17 de la fibre et du guide d'onde est réalisé par l'intermédiaire de la plaquette 9 qui est prise dans des moyens de serrage 24 (figure 2) rendus solidaires de moyens de microdéplacement suivant les trois direc- tions de l'espace et éventuellement angulaire, symbo- lisés par des flèches 25 sur la figure 20 On agit sur lesdits moyens de microdéplacement de façon qu'il passe un maximum de lumière de la fibre au guide d'on- de ou réciproquement, cette lumière étant par exemple injectée dans la fibre 2 à partir d'une source lumi- neuse 22 (figure 3) et envoyée du guide d'onde 5 sur un photodétecteur 23 de façon connue dans l'état de la technique. Lorsque le positionnement relatif desdites extrémités 16 et 17 est optimisé, la polymérisation de la couche de colle 19 reliant lesdites extrémités 16 et 17 est effectuée en envoyant un rayonnement ultra- violet 26 sur ladite couche de colle 19, à partir d'une source de rauonnement ultraviolet non représen- tée et à travers une ouverture 27 pratiquée dans un masque 28 opaque au rayonnement ultraviolet, prévu pour empêcher la polymérisation des points de colle 20 et 21 L'extrémité 17 de la fibre étant ainsi figée, le masque 28 est enlevé et les points de colle 20 et 21 sont polymérisés, en envoyant sur ceux-ci le rayonne- ment ultraviolet, à travers la plaquette de verre 9 et perpendiculairement à celle-ci (figure 2) Les moyens de serrage 24 peuvent alors être Ètés. La distance entre les points de colle 20 et 21 et la distance entre chacun de ceux-ci et la couche de colle 19 reliant les extrémités 16 et 17 de la fibre et du guide d'onde sont suffisantes pour que le retrait de la colle en les points 20 et 21, retrait qui est d'ailleurs peu important étant donné la faible épaisseur de colle, n'ait pratiquement aucune influen- ce sur la connexion entre la fibre et le guide d'onde, une certaine flexion de la fibre étant possible dans la partie de celle-ci qui dépasse de son support 9. En outre, la couche de colle 19 qui est mince, la fibre et le guide d'onde étant très proches l'un de l'autre, permet de minimiser les pertes de lumière par réflexion (et par diffusion dans le cas d'un mauvais polissage ou clivage de la fibre et/ou du guide d'onde) à l'interface des deux extrémités 16 et 17 La couche de colle 19 permet également d'éviter toute pollution ultérieure desdites extrémités 16 et 17. Au lieu d'être fixée sur l'élément porteur , la fibre optique 2 pourrait être fixée directement sur la plaquette de verre 9. Dans un autre mode de réalisation particu- lier de l'invention, la fibre 2 est fixée par une cou- che de colle 29 (f igure 4) dans un sillon 30 usiné dans une plaquette de silicium 31 constituant alors un support 8 de fibre Cette plaquette 31 est fixée comme la plaquette de verre 9, sur ladite première partie 12 du support principal 7, au moyen des deux points de colle 20 et 21 que l'on polymérise dans ce cas, par des rayonnements ultraviolets envoyés de façon rasante sur les points de colle 20 et 21, étant donné l'opaci- té du silicium auxdits rayonnements. Sur la figure 5, on a représenté schémati- quement un autre mode de réalisation particulier de l'invention, dans lequel plusieurs fibres 2 a, 2 b, 2 c (trois par exemple), sont respectivement connectées à des guides d'onde 5 a, 5 b, 5 c Ceux-ci forment des ca- naux parallèles par exemple équidistants suivant un pas P, sur un substrat faisant partie d'un composant d'optique intégrée 32 On utilise un support principal 33 constitué de la même façon que le support principal 7 décrit en référence à la figure 1, et pourvu de deux rainures 34 et 35 Le composant 32 est f ixé dans la rainure 35 Les fibres 2 a, 2 b, 2 c sont respectivement il fixées dans des sillons lia, llb, llc parallèles et équidistants suivant ledit pas P Ces sillons sont us-i- nés dans une plaquette de silicium 36 fixée sur une plaquette en verre 37, l'ensemble de ces deux plaquet- tes constituant un support 39 de fibres La plaquette en verre 37 est fixée au-dessus de la rainure 34, sur le support principal 33, à l'aide de deux points de colle 20 et 21 situés de part et d'autre de la rainure 34 La disposition relative des constituants du dispo- sitif représenté sur la figure 5 est identique à la disposition relative des constituants du dispositif représenté sur la figure 1 Les fibres 2 a, 2 b, 2 c dé- passent des plaquettes 36 et 37 et sont respectivement fixées par leurs extrémités de connexion aux extrémi- tés de connexion des guides d'onde 5 a, 5 b, 5 c, à l'aide de couches de colle 19 a, 19 b, 19 c respective- ment interposées entre lesdites extrémités. Le procédé de réalisation du dispositif re- présenté sur la figure 5 est comparable au procédé de réalisation du dispositif représenté sur la figure 1. Les fibres sont fixées dans leurs sillons respectifs et les plaquettes 36 et 37 sont fixées l'une à l'au- tre La colle polymérisable par un rayonnement ultra- violet est ensuite disposée aux extrémités des fibres et en les deux points 20 et 21 du support princi- pal 33. Ensuite, selon un premier mode opératoire, on fixe simultanément les fibres 2 a, 2 b, 2 c aux guides d'onde 5 a, 5 b, 5 c, en polymérisant simultanément les couches de colle 19 a, 19 b, 19 c, puis l'on polymérise les points de colle 20 et 21 de façon à fixer la pla- quette 37 au support principal 33. Selon un deuxième mode opératoire, les fi- bres sont fixées l'une après l'autre aux guides d'on- de, en polymérisant successivement les couches de colle 19 a, 19 b, 19 c, puis l'on polymérise les points de colle 20 et 21 de façon à fixer la plaquette 37 au support principal 33 Ce second mode opératoire est particulièrement intéressant lorsque les tolérances de positionnement des fibres par rapport aux guides d'onde sont faibles, notamment dans le cas de fibres et de guides d'onde monomodes. Pour polymériser simultanément les couches de colle 19 a, 19 b, 19 c, sans polymériser les points de colle 20 et 21, on peut utiliser un masque convenable- ment percé, opaque au rayonnement ultraviolet. De même, pour polymériser une couche de colle donnée 19 a ou 19 b ou 19 c sans polymériser les autres ni les points de colle 20 et 21, on peut utili- ser un masque opaque au rayonnement ultraviolet et convenablement percé, de façon que le rayonnement ul- traviolet n'atteigne que la couche considérée Au lieu de procéder par masquage, on peut employer une lunette de visée 38 Celle-ci permet d'abord de positionner correctement une fibre donnée par rapport au guide d'onde correspondant, en mettant au point sur la cou- che de colle correspondante de façon à observer celle- ci et à pouvoir effectuer un positionnement correct. Ensuite, le rayonnement ultraviolet est envoyé sur ladite couche de colle à travers la lunette de visée 38 focalisée sur cette couche On recommence ces opé- rations de mise au point et d'irradiation par le rayonnement ultraviolet pour chacune des autres cou- ches La lunette de visée 38 constitue ainsi un moyen avantageux de polymérisation sélective de la colle. REVENDICATIONS 1 Procédé de connexion entre au moins une fibre optique ( 2 ou 2 a, 2 b, 2 c) et un composant d'op- tique intégrée ( 6 ou 32) comportant au moins un guide d'onde ( 5 ou 5 a, 5 b, 5 c), la fibre optique et le guide d'onde étant pourvus chacun d'une extrémité destinée à la connexion, caractérisé en ce qu'il consiste: à fixer le composant sur un support principal ( 7 ou 33), a fixer la fibre sur un support de fibre ( 8 ou 39) de façon que l'extrémité de la fibre dépasse dudit sup- port de fibre, à fixer l'extrémité de la fibre ( 2 ou 2 a, 2 b, 2 c) à l'extrémité du guide d'onde ( 5 ou 5 a, 5 b, 5 c) de façon à permettre le passage de lumière de la fibre au guide d'gonde et réciproquement, et ensuite a rendre rigidement solidaires l'un de l'autre le support de fibre ( 8 ou 39) et le support principal ( 7 ou 33). 2 o Procédé selon la revendication 1, carac- têrisé en ce que l'extrémité de la fibre optique ( 2 ou 2 a, 2 b, 2 c) est fixée à l'extrémité du guide d'onde ( 5 ou 5 a, 5 b, 5 c) au moyen d'une colle transparente à ladite lumière. 3 Procédé selon la revendication 2, carac- térisé en ce que ladite colle est en outre une colle polymér i sable. 4 Procédé selon la revendication 2, carac- térisé en ce que la colle destinée à fixer l'extrémité de la fibre ( 2 ou 2 a, 2 b, 2 c) à l'extrémité du guide d'onde ( 5 ou 5 a, 5 b, 5 c) est en outre une colle poly- mérisable au moyen d'un rayonnement et polymérisée en envoyant le rayonnement sur ladite colle par l'inter- médiaire d'une lunette de visée ( 38) mise au point sur lesdites extrémités, celles-ci étant rapprochées et reliées par ladite colle, la lunette permettant de contrôler préalablement le positionnement relatif desdites extrémités. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 3 et 4, caractérisé en ce que le support de fibre ( 8 ou 39) est rendu rigidement solidaire du support principal ( 7 ou 33) au moyen d'une colle poly- mérisable et en ce que la colle destinée à fixer l'ex- trémité de la fibre ( 2 ou 2 ae, 2 b, 2 c) à l'extrémité du guide d'onde ( 5 ou Sa, 5 b, 5 c) est polymérisée avant la colle destinée à rendre le support de fibre rigide- ment solidaire du support principal et en évitant toute polymérisation de cette dernière. 6 Procédé selon la revendication 5, carac- térisé en ce que la colle destinée à rendre le support de fibre ( 8 ou 39) et le support principal ( 7 ou 33) solidaires l'un de l'autre est une colle polymérisable au moyen d'un rayonnement, en ce que le support de fibre comporte une pièce ( 9 ou 37) apte à transmettre au moins partiellement le rayonnement prévu pour poly- mériser la colle destinée à rendre le support de fibre et le support principal solidaires l'un de l'autre, et en ce que cette dernière colle est disposée entre la- dite pièce ( 9 ou 37) et le support principal ( 7 ou 33) de manière à rendre ces derniers solidaires l'un de l'autre, et polymérisée en envoyant sur elle et à tra- vers la pièce ( 9 ou 37), le rayonnement qui lui cor- respond. 7 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que, avant d'être fixées l'une à l'autre, l'extrémité de la fibre ( 2 ou 2 a, 2 b, 2 c) et l'extrémité du guide d'onde ( 5 ou 5 a, 254631 l b, 5 c) sont positionnées relativement l'une par rap- port à l'autre de façon qu'il passe un maximum de lu- mière de la fibre au guide d'onde ou réciproquement. 8 Dispositif de connexion entre au moins une fibre optique ( 2 ou 2 a, 2 b, 2 c) et un composant d'optique intégrée ( 6 ou 32) comportant au moins un guide d'onde ( 5 ou Sa, 5 b, 5 c), la fibre optique et le guide d'onde étant pourvus chacun d'une extrémité des tinée à la connexion, caractérisé en ce qu'il comprend un support principal ( 7 ou 33) sur lequel est fixé le composant et un support de fibre ( 8-ou 39) sur lequel est fixée la fibre de façon que l'extrémité de celle- ci dépasse dudit support de fibre et en ce que ce support de fibre ( 8 ou 39) est rendu rigidement soli- daire du support principal ( 7 ou 33), l'extrémité de la fibre étant préalablement fixée à l'extrémité du guide d'onde de façon à permettre le passage de lumièà- re de la fibre au guide d'onde et réciproquement.