Brevet FR2548391A1 — publié le 19850104

Procédé de formation d'une lentille de couplage à l'extremité d'une fibre optique sur le coeur de celle-ci L'invention concerne un procédé de formation d'une lentille de couplage à l'extrémité d'une fibre optique sur le coeur de celle-ci. Lorsqu'on veut coupler une extrémité de fibre optique à une surface émettrice de diamètre inférieur à celui du coeur de la fibre, il est bien connu de coller une lentille sur la face d'extrémité de la fibre, Le rendement d'un tel couplage est, dans les conditions rencontrees le plus souvent en pratique d'autant plus grand qu'est plus petite la distance focale de la lentille de couplage. Une petite distance focale est donc souhaitée. Elle peut être obtenue en augmentant autant que possible l'indice optique de la lentille, gracie à un verre de composition appropriée différente de celle des matériaux de la fibre, un dispositif de couplage de ce type étant décrit dans le document de brevet FR-A-2.465.238 (Thomson CSF). Dans un tel dispositif, l'obtention d'une liaison fiable de la lentille la fibre pose des problèmes délicats en raison des différences de composition. On a donc aussi cherché à diminuer la distance focale de la lentille en donnant à celle-ci non plus un indice élevé, mais un diamètre égal non pas à celui de la fibre complète nais à celui de son seul coeur. C'est pourquoi on a proposé2 antérieurement à la présente invention, un procédé de formation d'une lentille de couplage à l'extrémité d'une fibre optique sur le coeur de celle-ci. On sait qu'une telle fibre comporte : - un coeur constitué d'un verre de coeur, - et une gaine optique entourant ce coeur et constituée d'un verre de gaine dont la composition est différente de celle du verre de coeur pour donner à cette gaine un indice optique plus faible que celui du coeur et permettre le guidage de lumière dans ce coeur. Ce procédé antérieur canporte les étapes générales connues suivantes - formation d'une face d'extrémité de la fibre, cette face étant sensiblement perpendiculaire à la longueur de la fibre, et comportant une zone de coeur constituée par ledit coeur et entourée par une zone de gaine constituée par ladite gaine, - mise d'une extrémité d'une tige d'apport en contact avec cette zone de coeur, avec application d'une force d'appui durable, cette tige étant constituée d'un verre d'apport et présentant un diamètre comparable à celui du coeur de la fibre, - collage de ladite extrémité de la tige d'apport sur cette face d'extrémité par chauffage de la fibre au voisinage de cette face d'extrémité jusqu a une température de collage, - après réalisation de ce collage et arrêt du chauffage de la fibre et de l'application de ladite force d'appui, coupure de la tige d'apport à une distance prédéterminée de sa dite extrémité, pour laisser en place un fragment de verre d'apport collé sur ladite face d'extrémité, - et fusion de ce fragment de verre d'apport par chauffage de celui-ci jusqu une température de fusion supérieure à la température de collage et assurant sous l'action des forces de tension superficielle la transformation de ce fragment en une lentille présentant une face sensiblement plane soudée sur ladite zone de coeur et une face convexe opposée à cette face sensiblement plane, de manière que cette lentille permette après refroidissement d'assurer le couplage optique de la fibre à un autre élement optique. Ce procédé antérieur est décrit dans un article de Jun-Ichi Yamada et autres nCharactéristics of a hemispherical microlens for coupling between a semiconductor laser and single-mode fiber". (IBEE Journal of Quantum Electronios, Vol QE-16, NO 10, October 1980). Plus particulièrement, dans ce procédé antérieur, la tige d'apport est constituée de silice pure, c'est-à-dire d'un matériau sensiblement différent de celui du coeur de la fibre à coupler, ce coeur étant constitué de silice suffisamment dopée pour élever son indice optique des0,2%. Le centrage correct de la lentille finalement obtenue nécessite un centrage très précis de la tige d'apport. Ce dernier centrage se fait au moyen d'un manipulateur micrométrique. Pour commander ce dernier on utilise une transmission de lumière entre deux guides de lumière alignés qui sont constitués par la fibre à coupler et la tige d'apport, le rapport de transnission étant le critère utilisé pour évaluer i'écart de centrage de la tige d'apport et le diminuer. Ce mode de centrage rend ce procédé antérieur long et complexe. La présente invention a pour but de rendre le procédé de forma tion d'une telle lentille de couplage plus simple que précédemoecnt, tout en améliorant la liaison entre la lentille formée et le coeur de la fibre à coupler. Elle a pour objet un procédé comportant les étapes générales connues précédemment mentionnées, ce procédé étant caractérisé par le fait que ledit verre d'apport est choisi d'une composition sensiblement identique à celle du verre de coeur, au moins en moyenne, et éloignée de celle du verre de gaine, de manière que, lors de ladite étape de fusion, les forces de tension superficielle amènent automatiquement la face sensiblement plane de ladite lentille à être coextensive à ladite zone de coeur même si ledit fragment de verre d'apport n'était pas centré sur cette zone. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu" même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le meme signe de référence. La figure 1 représente une vue en coupe d'une fibre optique sur laquelle une lentille de couplage va etre formée par le procédé selon l'invention. Les figures 2 à 10 représentent des vues de côté de cette fibre à des étapes successives de la formation de cette lentille, l'échelle étant plus petite sur la figure 2 que sur les suivantes. La figure 11 représente une vue de côté de cette fibre selon une direction de vision perpendiculaire à celle des figures précédentes, à la même étape que la figure 8. Les figures 12, 13 et 14 représentent des vues de côté d'extrémités de fibres munies de lentilles de couplage de forme et volumes divers, la figure 13 correspondant à la figure 10 avec une échelle agrandie. Dans l'exemple décrit le coeur C de la fibre à coupler F est constituée de silice dopée au Ge et présente un diamètre de 50 microns. La gaine est constituée de silice pure et présente un diamètre de 125 microns. Leur axe commun est représenté en 2. La coppo- sition du verre de coeur varie lorsque la distance à cet axe crott, cette composition se rapprochant progressivement de celle du verre de gaine jusqu'à l'atteindre lorsqu'on atteint la gaine, de manière à constituer une fibre à gradient d'indice. La formation d'une lentille de couplage sur ce coeur comporte comme première étape, la formation d'une face d'extrémité 4 de la fibre F. Cette face comporte une zone de coeur constituée par le coeur C et entourée par une zone de gaine constituée par la gaine G. Cette formation se fait de manière classique par fracture contrôlée avec flexion de la fibre et amorçage de la fracture par appuis'une lame aigu5 dure. Elle laisse une face d' extrémité lisse et à peu près plane dont l'écart angulaire par rapport à la perpendiculaire à l'axe 2 doit être inférieure à 2 environ. L'étape suivante est la mise d'une extrémité d'une tige d'apport T en contact avec cette zone de coeur, avec application d'une force d'appui durable, cette tige étant constituée d'un verre d'apport et présentant un diamètre comparable à celui du coeur de la fibre. Cette mise en contact est accompagnée d'un alignement des axes de la fibre et de la tige d'apport si cet alignement n'était pas encore bien réalisé. La tige d'apport T comporte au moins un coeur de diamètre égal à celui du coeur C de la fibre avec une composition de verre variable et sensiblement égale en tout point de cette tige à celle du coeur C à la même distance de l'axe commun 2. On comprendra plus loin que cette composition de la tige d'apport a pour but d'assurer à la fois un meilleur centrage de la lentille qui sera formée et une meilleure soudure de celle-ci sur la zone de coeur. Pour obtenir cette composition, la tige T est de préférence préparée par élimination chimique de la gaine optique d'un tronçon de fibre optique fabriquée de la même manière que la fibre à coupler F, et, de préférence encore, en même temps. En fait, pour diminuer les risques de déformation lors de sa manipulation, la tige d'apport T peut avantageusement comporter un reste de verre de gaine qui se soudera sur la zone de gaine de la face 4. De plus cette tige est constituée seulement par la partie extrême dudit tronçon de fibres dont le reste TA garde entièrement sa gaine. C'est par l'intermédiaire de ce reste, mécaniquement plus résistant, que cette tige est manipulée, à l'aide d'un manipulateur micrométrique classique non représenté muni d'une pince de blocage 6. La fibre à coupler F est maintenue par une pince de blocage 8 qui peut être déplacée parallèlement à l'axe 2 (voir figure 2). La mise en contact se fait avec examen au microscope selon deux directions de visée perpendiculaires (figure 3). Cette mise en contact est une opération relativement simple car l'écart de centrage de la tige T par rapport au coeur C peut atteindre sans inconvénient important la moitié environ du rayon du coeur C. La force d'appui est limitée pour éviter tout flambage de la tige T. Elle est représentée par une flèche 10. L'étape suivante est un collage de ladite extrémité de la tige d'apport T sur la face d'extrémité 4, par chauffage de la fibre F au voisinage de cette face d'extrémité jusqu'à une température "de collage". Ce chauffage se fait par formation d'un plasma P entre deux électrodes fixes E (voir figure 4). Il s'accompagne d'un écrasement de l'extrémité de la tige T, surtout si celle-ci est effilée. La force d'appui et le chauffage sont alors supprimés et l'étape suivante est une coupure de la tige d'apport à une distance prédéterminée de sa dite extrémité, pour laisser en place un fragment R de verre d'apport collé sur ladite face d'extrémité 4. Cette étape de coupure est réalisée par chauffage de la tige d'apport T à une distance prédéterminée de sa dite extrémité puis application d'une force de traction à cette tige jusqu'à séparation dudit fragment de verre d'apport, ce fragment présentant alors un tronçon d'extrémité de forme effilée avec une section décroissant lentement en s'éloignant de la face d'extrémité 4. Ce chauffage se fait entre les mêmes électrodes E. La traction se fait dans les deux sens par l'intermédiaire des pinces 6 et 8 (voir figures 5, 6 et 7) et est représentée par des flèches 12 et 14. L'étape suivante est une fusion du fragment R de verre d'apport par chauffage de celui-ci jusqu'à une température de fusion supérieure à la température de collage. Sous l'action des forces de tension superficielle, cette fusion assure la transformation du fragment R, en une lentille L présentant une face sensiblement plane soudée sur ladite zone de coeur et une face convexe opposée à cette face sensiblement plane, de manière que cette lentille permette après refroidissement d'assurer le couplage optique de la fibre F à un autre élément optique. Lors de cette étape de fusion on chauffe le fragment R à la température de fusion en commençant à son extrémité la plus éloignée de la face d'extrémité 4 et en faisant progresser la zone fondue vers cette face jusqu'à l'atteindre. La puissance de chauffage, plus grande que précédemment, et la vitesse de progression sont suffisantes pour que la goutte liquide constituée par la zone fondue soit consta-ent soutenue par le reste du fragment encore solide et rigide(voir figures 8, 9 et 10). La progression de la zone fondue se fait par avancée de la pince 8 selon la flèche 16. Le plasma est maintenu en bordure de la zone fondue. On veille à ce qu'il soit symétrique par rapport à un plan passant par l'axe du fragment R, ce plan étant celui des figures (voir figures 11). La puissance du plasma est par exemple de 5 W. De préférence, lors de ladite étape de coupure ladite distance prédéterminée et par conséquent le volume dudit fragment R de verre d'apport sont choisis pour que ce volume soit sensiblement égal à celui d'une demie sphère de même diamètre que le coeur C de manière à donner à la lentille L une forme hémisphérique et donc une distance focale aussi petite que possible. La figure 12 correspond au cas où le volume du fragment R a été choisi trop petit et la figure 14 à celui où il a été choisi trop grand, mais dans ces deux cas le centrage de la lentille formée est correct, cette lentille présentant cependant une courbure trop faible et donc une distance focale trop grande pour beaucoup d'applications. Après formation d'une lentille de couplage sur une extrémité de fibre optique, la tige T reste utilisable pour la formation d'une autre lentille sur une autre extrémité de fibre. Il suffit de mettre l'autre fibre à la place de la première dans la pince 8. REVENDICATIONS 1/ Procédé de formation d'une lentille de couplage à l'extrémité d'une fibre optique sur le coeur de celle-ci, cette fibre (F) comportant - un coeur (C) constitué d'un verre de coeur, - et une gaine optique (G) entourant ce coeur et constituée d'un verre de gaine dont la composition est différente de celle du verre de coeur pour donner à cette gaine un indice optique plus faible que celui du coeur et permettre le guidage de lumière dans ce coeur, - ce procédé comportant les étapes suivantes :: - formation d'une face d'extrémité (4) de la fibre (F), cette face étant sensiblement perpendiculaire à la longueur de la fibre, et comportant une zone de coeur constituée par ledit coeur (C) et entourée par une zone de gaine constituée par ladite gaine (G), - mise d'une extrémité d'une tige d'apport (T) en contact avec cette zone de coeur, avec application d'une force d'appui durable, cette tige étant constituée d'un verre d'apport et présentant un diamètre comparable à celui du coeur de la fibre, - collage de ladite extrémité de la tige d'apport (T) sur cette face d'extrémité (4) par chauffage de la fibre (F) au voisinage de cette face d'extrémité jusqu'à une température de collage, - après réalisation de ce collage et arrêt du chauffage de la fibre et de l'application de ladite force d'appui, coupure de la tige d'apport à une distance prédéterminée de sa dite extrémité, pour laisser en place un fragment (R) de verre d'apport collé sur ladite face d'extrémité (4), - et fusion de ce fragment (R) de verre d'apport par chauffage de celui-ci jusqu'à une température de fusion supérieure à la température de collage et assurant, sous l'action des forces de tension superficielle, la transformation de ce fragment en une lentille (L) présentant une face sensiblement plane soudée sur ladite zone de coeur et une face convexe opposée à cette face senstblement plane, de manière que cette lentille permette après refroidissement d'assurer le couplage optique de la fibre (F) à un autre éliment optique, - ce procédé étant caractérisé par le fait que ledit verre d'apport est choisi d'une composition sensiblement identique à celle du verre de coeur, au moins en moyenne, et éloignée de celle du verre de gaine, de manière que, lors de ladite étape de fusion, les forces de tension superficielle amènent automatiquement la face sensiblement plane de ladite lentille (L) à être coextensive à ladite zone de coeur même si ledit fragment (R) de verre d'apport n'était pas centré sur cette zone. 2/ Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite étape de coupure est réalisée par chauffage de la tige d'apport (T) à une distance prédéterminée de sa dite extrémité puis application d'une force de traction à cette tige jusqu'à séparation dudit fragment de verre d'apport, ce fragment présentant alors un tronçon d'extrémité de forme effilée avec une section décroissant lentement en s'éloignant de ladite face d'extrémité (4), - ce procédé étant caractérisé par le fait que lors de ladite étape de fusion on chauffe ledit fragment (R) à ladite température de fusion en commençant à son extrémité la plus éloignée de ladite face d'extrémité (4) et en faisant progresser la zone fondue vers cette face jusqu'à l'atteindre, avec une puissance de chauffage et une vitesse de progression suffisantes pour que la goutte liquide constituée par la zone fondue soit constamment soutenue par le reste du fragment encore solide et rigide. 3/ Procédé selon la revendication 1, dans lequel la fibre (F) présente un axe (2) et la composition du verre de coeur varie lorsque la distance à cet axe croit, cette composition se rapprochant progressivement de celle du verre de gaine jusqu l'atteindre lorsqu'on atteint la gaine, de manière à constituer une fibre à gradient d'indice, - ladite tige d'apport (T) présentant un axe et ladite mise d'une extrémité de cette tige en contact avec la zone de coeur comportant une mise de son axe sensiblement en alignement avec celui de la fibre, - ce procédé étant caractérisé par le fait que ladite tige d'apport (T) comporte au moins un coeur de diamètre égal à celui de la zone de coeur avec une composition de verre variable et sensiblement égale en tout point de cette tige à celle du coeur (C) de la fibre à la même distance de l'axe commun (2) de la fibre et de la tige, de manière à assurer à la fois un meilleur centrage de ladite lentille (L) et une meilleure soudure de celle-ci sur ladite zone de coeur. 4/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite tige d'apport (T) est fabriquée par élimination chimique de la gaine optique d'un tronçon de fibre optique fabriquée de la même manière que la fibre à coupler (F). 5/ Procédé selon la revendication 1, dans lequel, lors de ladite étape de coupure ladite distance prédéterminée et par conséquent le volume dudit fragment (R) de verre d'apport sont choisis pour que ce volume soit sensiblement égal à celui d'une demie sphère de même diamètre que le coeur (C) de la fibre (F), de manière à donner à ladite lentille (L) une forme hémisphérique et une distance focale aussi petite que possible.