Brevet FR2548390A1 — publié le 19850104

DISPOSITIF DE DEPLACEMENT FIN DE L'EXTREMITE D'UNE FIBRE OPTIQUE SUIVANT DEUX AXES ORTHOGONAUX. La présente invention concerne un dispositif permettant le déplace ment fin de ltextrémité d'une fibre optique disposée parallèlement à un premier axe, suivant deux axes orthogonaux à ce premier axe ; et en particulier un dispositif permettant le déplacement de l'extrémité d'une fibre optique monomode en vue de son positionnement précis par rapport à l'extrémité d'une seconde fibre optique monomode ou, plus généralement, par rapport a un élément opto-électronique, par exemple la face émissive d'une diode laser. Une des applications les plus importantes des fibres optiques est la transmission optique de données, de types numériques ou analogiques. Dans ce cadre d'application, les fibres optiques constituent le canal de liaison entre des organes émetteurs ou sources, et des organes récepteurs. Le plus souvent, il est difficile ou voir impossible d'utiliser des fibres fabriquées d'un seul tenant. On doit donc réaliser des connexions fibre à fibre soit permanentes, soit amovibles. Il est particulièrement important, notamment pour les liaisons optiques à grande distance de minimiser au maximum les pertes de transmission dues à ces connexions. Les origines de ces pertes sont diverses: on peut citer le décalage axial, le désalignement angulaire des deux fibres, l'état de surface des extrémités de ces fibres, l'écartement résiduel de ces fibres après connexion et les dispersions des différentes caractéristiques géométriques ou autres qui existent entre les deux fibres à connecter. Des mesures peuvent être prises au stade de la fabrication pour améliorer l'état de surface et resserrer les tolérances des paramètres principaux caractérisant les fibres optiques. Dans les causes de pertes restantes, la plus importante est le décalage axial entre deux fibres à connecter. En outre, comme il est connu, les liaisons peuvent être du type multimode ou monomode, ce dernier type autorisant des liaisons à plus fort débit et à plus faible atténuation sur de longues distances. Pour cette raison, dans le cadre de ces applications, des fibres de ce dernier type sont généralement retenues. Cependant, pour tirer un profit maximum des possibilités affectes par les fibres monomodes, il est nécessaire de réaliser les c=ms avec un soin accru En effet, comme il est connu, les ondes se propagent dans k coeur d'une fibre optique qui est entourée de diverses régi# pressentant des indices de réfraction différents de celui du coeur. Le diamètre du coeur d'une fibre optique multimode est typiquement de l'ordre de 50 micromètres, celui dune fibre optique monomode de l'ordre de S à 10 micromètres. Il peut être réalisé aisément que la précision du couplage doit e-r de façoe~ corrélative. Pour obtenir des liaisons à faibles pertes, il reste donc à aligner axialement, de façon très précise, les fibres à connecter, ce qui revient à les positionner rune par rapport à l'autre, c'est a dire à déplacer l'extrémité d'au moins une fibre optique avec la même précision. Pour fixer les idées, des fibres à hautes performances peuvent # présenter, aux longueurs d'ondes habituellement utilisées, des pertes qui peuvent descendre jusqu'à des valeurs de 0,2 dB/km. Si on fixe un seuil maximum de pertes supplémentaires apportées par la connexion égal à 2 dB, ce qui correspond à une longueur de fibre de 5 km, il est n en général nécessaire, compte tenu de différentes contraintes qui seront détaillées ultérieurement d'obtenir une précision d'alignement axial inférieure à quel- ques dixièmes de micromètres. S'il est relativement aisé d'obtenir des précisions de positionnement de l'extrémité d'une fibre optique dans un plan inférieure X égale a quelques micromètres, l'ordre de grandeur de 0,1 micromètre qui vient d'être évoqué nécessite la mise en oeuvre d'appareillages et de procédures complexes et couteux# En outre, la mise en oeuvre de tels appareillages ne peut se concevoir qu'à poste fixe, sous la responsabilité d'un personnel de haute technicité. La nécessité de pouvoir disposer d'un dispositif de déplacement fin de l'extrémité dune fibre optique par rapport à des coordonnees de références, par exemple pour positionner cette extrémité de fibre optique par rapport à une région déterminée d'un élément optoélectrique de structure et de mise en oeuvre simples, se fait donc sentir. L'invention vise à répondre à ce besoin. L'invention a donc pour objet un dispositif de déplacement fin de l'extrémité d'une fibre optique suivant deux directions parallèles à des premier et second axes d'un trièdre othonormé formant une référence fixe dans l'espace, la fibre optique étant disposée dans une région d'extrémité parallèlement au troisième axe de ce trièdre orthonormé ; caractérisé en ce qu'il comprend: - une poutre ayant la forme d'un parallélépipède rectangle, disposée suivant sa plus grande dimension parallèlement au troisième axe du triède orthonormé, comportant trois régions distinctes: une région antérieure supportant des moyens de guidage de l'extrémité de la fibre optique destinée à recevoir celle-ci de manière à ce qu'elle soit disposée parallèlement audit troisième axe et affleure à la surface la face terminale de la poutre ; une région médiane comportant au moins un jeu de deux cavités de sections rectangulaires traversant la poutre de part en part, suivant des directions alternativement parallèles audit premier et audit second axes, de maniere à ce que la poutre se réduise dans la région médiane à un jeu de parois minces à faces principales alternativement parallèles auxdits premier et second axes; et une région postérieure rigidement couplée à des moyens de fixation dans une position fixe par rapport au trièdre orthonormé de référence; - et des premier et second moyens de déplacement de la région antérieure de la poutre exerçant des forces sur celle-ci suivant deux directions parallèles, respectivement auxdits premier et second axes, de manière à entrainer une déformation élastique de la poutre, dans la région médiane munie de cavités, suivant deux parallèlogrammes et à déplacer l'extrémité de la fibre optique suivant lesdites deux directions, la fibre restant parallèle dans sa région d'extrémité audit troisième axe. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaitront à l'aide de la description qui suit, en référence aux figures annexées: - les figures 1 et 2 illustrent schématiquement les principales caractéristiques du dispositif selon l'invention - les figures 3 à 5 illustrent un exemple de réalisation concrète d'un dispositif selon l'invention. La figure 1 illustre schématiquement les principales dispositions retenues dans le cadre de l'invention. La pièce principale du dispositif selon l'invention est constituée par une poutre pleine 1 à section rectangulaire ou de préférence carrée. Cette poutre 1 est parallèle sur ses plus grandes dimensions à un des axes d'un trièdre orthonormé XYZ que lton choisit par convention comme étant l'axe X. L'une des extrémités, Il, de la poutre 1 comporte parallèlement à l'axe X une rainure en forme de Vé 10 destinée à recevoir une fibre optique f, de maniere à ce que l'axe optique A de cette fibre soit parallèle à l'axe X. Par convention, on appellera dans ce qui suit face supérieure, la face de la poutre 1 comportant cette rainure en Vé 10 et la face inférieure, la face opposée. Cette rainure 10 affleure en une extrémité sur la face terminale 100 de la poutre qui définit un plan de référence parallèle au plan YZ, c'est à dire orthogonal aux axes X et A Selon une des caractéristiques les plus importantes de lainvention, la poutre 1 est creusée de cavités la transperçant de part en part dans une région médiane 12. Ces cavités ont une section rectangulaire et sont disposées suivant des directions parallèles aux axes Y et Z. La poutre 1 doit comporter au moins deux cavités disposées suivant deux axes orthogonaux. Sur la figure 1, quatre cavités sont représentées: 120 et 121 parallèlement à l'axe Y ; 122 et 123 parallèlement à l'axe Z. La section de ces cavités est telle qu'il ne subsiste qu'une mince paroi dans les zones où elles sont creusées. Ces dispositions sont illustrées de façon plus détaillée sur la figure 2. Au niveau des cavités 120 et 121, la poutre I se réduit à des plaques de faible épaisseur, 1201 et 1211 sur sa face supérieure et 1200 et 1210 sur sa face inférieure. Il en est de même au niveau des cavités 122 et 123. La poutre se réduit à des plaques de faible épaisseur, respectivement 1220-1221 et 1230-1231 sur les faces latérales. Ces dispositions permettent, si la poutre 1 est soumise à des forces d'entrainement suivant des directions parallèles aux axes Z et Y dans la zone 11, de se déformer suivant des figures parallélipédiques dans la zone médiane 12, uniquement suivant ces deux directions. Il doit être entendu que ces déformations, compte-tenu de ce qui a été rappelé, sont de faibles amplitudes. Elles doivent permettre dés déplacements de l'extrémité de la fibre optique f, suivant les deux directions Y et Z d'amplitudes maximales de l'ordre de la dizaine de micromètres, précisément pour réaliser un déplacement fin de cette extrémité. En outre, du fait des dispositions retenues, et selon un aspect particulièrement avantageux de l'invention, la face terminale 100 de la poutre reste parallèle à elle-même lors de ces déplacements.Il en est de même de l'extrémité de la fibre optique (zone Il de la poutre 1) f qui se déplace parallèlement à elle-même. Pour réaliser effectivement la déformation de la poutre suivant des parallélogrammes, il est prévu deux jeux de moyens d'entrainement comportant chacun un moteur à éléments piézoélectriques et un ressort de rappel. Le premier moteur, à éléments piézoélectriques My agit suivant une direction parallèle à l'axe Y sur rune des parois latérales de la poutre, action contrecarrée par un ressort Ry exerçant une force de poussée sur la paroi opposée et également suivant une direction parallèle à l'axe Y. Le second moteur, à éléments piézoélectriques MZ et son ressort associé Rz agissent de manière analogue sur les parois supérieures et inférieures de la poutre 1 mais suivant la direction Z. L'action conjuguée de ces jeux de moteurFressorts et des cavités creusées dans la poutre 1 a donc pour effet, comme il a été rappelé, d'occasionner la déformation de la poutre 1 suivant des parallélogrammes et occasionne un déplacement correllatif de l'extrémité de la fibre optique f parallèlement à elle-même. Comme il est bien connu, les moteurs à éléments piézoélectriques sont constitués d'un empilement de disques en matériau piézoélectrique. Pour fixer les idées, ces disques peuvent avoir les dimensions typiques suivantes: diamètre 12 mm et épaisseur 2 mm. Lorsqu'on créé un champ électrique orthogonal aux faces principales de ces disques, et suivant l'orientation de ce champ électrique, les disques se dilatent ou se contractent en épaisseur. Pour ce faire, on dispose les disques entre deux électrodes reliées à un générateur de tension continue. Typiquement, une variation d'épaisseur de un micromètre est obtenu lorsqu'on applique une tension de quelques dizaines de volts. Si tous les disques d'un empilement sont soumis à un champ électrique de même orientation, les variations d'épaisseurs s'ajoutent. Pour obtenir des variations d'amplitude de 10 micromètres, chaque moteur piézoélectrique comprend typiquement vingt disques empilés. Pour assurer un bon fonctionnement de l'ensemble, il est nécessaire d'exercer en position de repos de l'extrémité 11 de la poutre I, c'est à dire sans déformation de la zone médiane de celle-ci, un effort de poussée relativement important sur l'empilement de disques en matériau électrique, typiquement de l'ordre de 100 N. Cette force est exercée par les ressorts Ry et RZ qui doivent donc être compressés à l'état de repos. Pour compléter l'ensemble, la poutre 1 est rendue solidaire, dans Sa partir poetérieure 13, d'un élément de fixation 2. Par l'intermédiaire de cet élément de fixation 2, le dispositif de l'invention est fixé soit à un socle ou un chassis, soit, le plus souvent, à la platine mobile d'une table de translation autorisant des déplacements suivants deux axes de coordonnées orthogonaux (Z et Y selon la convention retenue} ou d'un manipulateur à trois degrés de liberté, c'est à dire autorisant des déplacements selon les trois axes XY et Z. En effet, l'application principale du ,dispositif suivant l'invention est le déplacement fin de l'extrémité d'une fibre optique à partir d'une position déterminée de départ dans l'espace, position qui peut être fixée par rapport à des coordonnées de référence avec une précision de l'ordre de quelques microwtres. Pour ce faire, on utilise un premier dispositif: table de translation, manipulateur XYZ ou organe analogue pour réaliser un premier déplacement et donc un premier positionnement de l'extrémité de la fibre optique, positionnement que l'on peut appeler "grossier". A partir de la position atteinte, on effectue un déplacement "fin" à l'aide du dispositif de Pinven- tion à l'intérieur d'un domaine de dimensions maximales typiques + 10 micromètres, comme il a été rappelée. Un exemple de réalisation concrète du dispositif selon l'invention va maintenant être décrit en relation avec les figures 3 à 5. La figure 3 est une coupe du dispositif dans un plan parallèle au plan XZ et la figure 4 une coupe dans un plan parallèle au plan ZY, selon les conventions précédement retenues. La fibre optique f est disposée, en son extrémité, dans le Vé 10 à l'extrémité 11 et affleure sur la face terminale 100. La fibre optique f est maintenue dans ce Vé par un patin presseur 110 exerçant une pression sur celle-ci. Ce patin presseur 110 est illustré de façon plus détaillée sur la figure 5. Il comporte deux orifices de façon à être enfilé sur deux colonnettes 111 et 112, solidaires de l'extrémité 11 de la poutre 1. Des ressorts R1 et R2 coaxiaux à ces colonnettes exercent une force de pression sur le patin presseur 110 et de ce fait sur le corps# de la fibre optique f. Pour introduire la fibre optique f dans le Vé, on soulève manuellement la patin presseur 110 à l'aide d'un bouton 113, le patin glissant entre les deux colonnettes 111 et 112 servant de guides. Les empilements de disques constituant les moteurs piézoélectriques MY et Mz agissent sur les parois de la poutre 1 dans la région Il par l'intermédiaire de billes, 50 et 51, placées entre des plots en acier traité, 52 et 53, solidaires de la poutre 1 et de disques en acier traité, 54 et 55, collés sur l'empilement de disques. Des rondelle~s, 56 et fi7, en matériau plastique par exemple, complètent l'ensemble et forment des "cages à billes". En ce qui concerne les ressorts RZ et Ry placés en vis à vis avec les moteurs My et Mz, c'est à dire sur les parois opposées de la poutre 1, des dispositions analogues sont également retenues. Ceux-ci agissent par l'intermédiaire de billes en acier, 60 et 61, disposées entre des plots, 62 et 63, et des pièces formant fourreaux, 64 et 65, pour les ressorts My et MZ La paroi des pièces 64 et 65 en contact avec les billes 60 et 61 a un profil enveloppant de manière à les maintenir dans une zone centrale de la face terminale de ces pièces. En ce qui concerne le ressort RZ, celui-ci ne peut pas exercer sa force de poussée directement sur la face supérieure de la poutre 1 puisqu'un librepassage doit être laissé à la fibre optique f. A cette fin, un pontet 7 est prévu, pontet supportant sur sa face supérieure le plot supérieur 63 et reposant sur la paroi supérieure de la poutre de part et d'autre du Vé 10. L'utilisation de billes a pour but d'éviter tout effort antagoniste au déplacement de la zone 11 de la poutre 1, lorsque les moteurs à éléments piézoélectriques entrainent la poutre suivant l'une ou l'autre direction de déplacement, Y ou Z. Les empilements de disques piézoélectriques formant les moteurs My et Mz ainsi que les ressorts de rappel Ry et RZ sont maintenus dans un cadre 3 solidaire de la pièce de fixation 2. Les disques piézoélectriques sont disposés en force entre le cadre et la zone 11 de la poutre 1. Des canaux 30 et 31 sont réalisés dans l'épaisseur des parois du cadre 3 de manière à y introduire les ressorts Ry et Rz dans leurs fourreaux 64 et 65. Une fois introduits dans ces canaux 30 et 31, les ressorts sont compressés et maintenus dans cet état par des couvercles 32 et 33 fixés en périphérie du cadre 3 et occultant les orifices des canaux 30 et 31. Le cadre 3 supporte également un connecteur 8 auquel sont reliés des fils électriques go nécessaires à la polarisation électrique des disques piézoélectriques. Ceux-ci sont de préférence enrobés dans un matériau plastique isolant élastique introduit dans l'espace libre intérieur au cadre 3, les tensions électriques mises en jeu étant importantes. La poutre 1 peut être réalisée en tout métal présentant une élasticité suffisante pour pouvoir être déformée ,dans la zone 11, par exemple en bronze, en acier ou en alliage d'aluminium. Le Vé 10 peut être soit une pièce rapportée, soit directement usiné sur la face supérieure de la poutre# 1 dans la zone 11-. Dans tous les cas celui-ci doit être réalisé dans un matériau autorisant un usinage précis et stable dans le temps, par exemple de l'aluminium. A la place d'un Vé, on peut également réaliser une rainure de tout profil convenable pour recevoir la fibre optique f, le Vé étant cependant le profil le plus généralement utilisé. Dans ce cas, l'angle du Vé est le plus souvent égal à (2/3) ar radians (12 ). La profondeur de la rainure, dans ces conditions, est d'environ 0,06 mm. Pour fixer les idées, l'encombrement hors-tout du cadre est de l'ordre de 10 x 10 cm et la longueur de la poutre 1, avec sa pièce postérieure de fixation, de S cm. REVENDICATIONS 1. Dispositif de déplacement fin de l'extrémité d'une fibre optique (f) suivant deux directions parallèles à des premier (Y) et second (Z) axes d'un trièdre orthonormé (XYZ) formant une référence fixe dans l'espace, la fibre optique (f) étant disposée dans une région d'extrémité parallèlement au troisième axe (X) de ce trièdre orthonormé ; caractérisé en ce qu'il comprend: - une poutre (1) ayant la forme d'un parallélépipède rect#angle, disposée suivant sa plus grande dimension parallèlement au troisième axe (X > du trièdre orthonormé, comportant trois régions distinctes: une région antérieure (11) supportant des moyens de guidage de ltextrémité de la fibre optique (f) destinés à recevoir celle-ci de manière à ce qu'elle soit disposée parallèlement audit troisième axe (X) et affleure à la surface de la face terminale (100) de la poutre (1); une région médiane (12) comportant au moins un jeu de deux cavités (120-122, 121-123) de sections rectangulaires traversant la poutre de part en part, suivant des directions alternativement parallèles audit premier et audit second axes, de manière à ce que la poutre (1) se réduise dans sa région médiane (12) à un jeu de parois minces (12001201, 1220-1221, 1210-1211, 1230-1231), à faces principales alternativement parallèles auxdits premier (Y) et second (Z) axes ; et une région postérieure (13) rigidement couplée à des moyens de fixation (2) à une position fixe par rapport au trièdre orthonormé de référence (XYZ); - et des premier (My~Ry) et second (MZ'RZ) moyens de déplacement de la région antérieure (11) de la poutre (1) exerçant des forces sur celleci suivant deux directions parallèles respectivement auxdits premier (Y) et second axe (Z), de manière à entrainer une déformation élastique de la poutre (1) dans la région médiane (12) munie de cavités (120-123) suivant deux parallélogrammes et à déplacer l'extrémité de la fibre optique (f) suivant les dites deux directions, la fibre restant parallèle dans sa région d'extrémité audit troisième axe (X). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second moyens de déplacement comprennent chacun un moteur (My, MZ) à éléments piézoélectriques exerçant une force de pression d'amplitude variable sur une des faces de la région antérieure (11) de la poutre (1), suivant une direction parallèle à l'un desdits premier (Y) et second (Z) axes, et un ressort de rappel (RY, RZ) exerçant une force antagoniste sur la face opposée de la poutre (1). 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments piézoélectriques sont constitués par un empilement de disques en matériau piézoélectrique, excités par des champs électriques continus d'amplitude et de sens variables de directions parrailèles auxdits premier (Y) et second (Z) axes de manière à obtenir une contraction ou une dilatation cummulative de cet empilement entrainant ladite poutre (1) de part et d'autre d'une position d'équilibre, suivant une direction parallèle ces axes; position d'équilibre pour laquelle la poutre (1) ne subit aucune déformation dans sa région médiane (12 > . 4. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de guidage de l'extrémité de la fibre optique (f) sont constitués d'une rainure en Vé réalisée sur l'une des faces de la région antérieure Cil) de la poutre (I > et disposée parallèlement audit troisième axe (Z). 5. Dispositif suivant rune quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que la région médiane (12) comporte deux jeux de cavités (120-122, 121-123) transperçant la poutre (1 > de part en part suivant des directions parallèles auxdits premier (Y) et second (Z) axes. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau dans lequel est réalisée la poutre (1) est un métal choisi parmi les suivants: bronze, acier ou un alliage à base d'aluminium. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les moteurs à éléments piézoélectriques (My, Mz) et les ressorts de rappel (RY, Rz) sont maintenus à l'intérieur d'un cadre (3) et en ce que ce cadre comporte des canaux (30,31) disposés suivant deux directions orthogonales parallèles auxdits premier (Y) et second axes (Z) et formant une gaine de guidage pour les ressorts (RY, Ri) i le cadre (3) étant en outre couplé rigidement aux moyens de fixation (2). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des billes (50,51,60,61) disposées entre les extrémi tés des ressorts de rappel (Ry, Rz) et des éléments piézoélectriques des moteurs (MY, Mz), d'une part, et d'autre part, les faces de la région antérieure (11) de la poutre (1) sur lesquelles sont exercées les forces de pressions, et en ce qu'en outre ces faces sont munies de plots (52, 53, 62) en matériau dur en contact avec lesdites billes et les extrémités des empilements d'éléments piézoélectriques des moteurs (MY, MZ) et des ressorts de rappel (RY, Rz) sont munies d'éléments terminaux (56, 57, 64, 65) à profils creux formant cage à bille. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens d'entrainement (Rz) associées à la face de la poutre (1) comportant les moyens de guidage (10) agissent sur celleci par l'intermédiaire d'un pontet (7) reposant sur cette face de par et d'autre des moyens de guidage (10) et supportant ledit plot (63) en contact avec la bille (61) associée aux moyens d'entrainement (ruz) 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de maintien de l'extrémité de la fibre optique (f) dans les moyens de guidage (10) et en ce que ces moyens de maintien comprennent des colonnettes (ill, 112) fixées dans la poutre (1) et disposées de par et d'autre des moyens de guidage (10), un élément presseur (110) glissant entre ces colonnettes, et exerçant une force d'appui sur la fibre optique (f), des ressorts (R1, R2) coaxiaux aux colonnettes entrainant l'élément presseur (110) vers la fibre optique (f) et des moyens de préhension (113) permettant de soulever manuellement l'élément presseur pour permettre l'introduction de la fibre optique (f) dans les moyens de guidage (10).