Brevet FR2584827A1 — publié le 19870116

Dispositif de couplage d'une fibre optique à un composant optoélectronique La présente invention concerne l'injection d'une lumière dans une fibre optique, notamment dans une fibre monomode, ou la détection d'une lumière amenée par une telle fibre. Elle concerne plus précisément la réalisation d'un dispositif assurant cette injection ou cette détection Une telle lumière est généralement modulée pour porter des infor- mations dont la fibre assure ainsi la transmission. Elle est habituellement produite par un émetteur laser constitué d'une pastille de maté- riau semi-conducteur, et elle est détectée par une diode photosensible également constituée d'une telle pastille. De tels composants optoélectroniques sont fixés sur une embase rigide qui est elle même fixée sur le fond d'un boîtier contenant le composant et un tronçon de la fibre. Le couplage optique durable de la fibre au composant est réalisé par l'intermédiaire d'une lentille formée sur l'extrémité de la fibre. Mais il nécessite en outre, d'abord un positionnement précis de cette extrémité par rapport au composant, puis un maintien de la position par fixation de la fibre sur Embase. Sa réalisation est particulièrement délicate quand il s'agit dtinjecter de la lumière dans une fibre monomode car la position réelle de la fibre doit alors s'écarteur de moins de quelques centaines de nanomètre de la position optimale, au moins dans certaines directions. Si elle sten écarte davantage le rendement de couplage ntest plus acceptable. Un écart de 100 nm peut par exemple provoquer une perte de couplage de 1 dB. On sait réaliser un positionnement correct de l'extrémité de la fibre grâce à des micromanipulateurs, par exemple du type piézoélectrique, en se guidant sur les variations du rendement de couplage optique. On peut par exemple réaliser d'abord un positionnement approximatif de la fibre, puis faire émettre de la lumière par émetteur laser fixé sur Embase, et mesurer la quantité de lumière injectée dans la fibre. On commande alors les micromanipulateurs jusqutà ce que cette quantité soit maximale. Il peut être préférable d'injecteur de la lumière dans la fibre à distance de son extrémité à positionner, et d'utiliser émetteur laser comme une diode réceptrice.Le positionnement correct est obtenu quand la quantité de lumière reçue par cet émetteur est maximale. Lorsque la position optimale a été obtenue, on fixe la fibre à l'embase en s'écartant aussi peu que possible de cette position. Des procédés sont connus pour réaliser cette fixation en limitant à une valeur acceptable ltécart entre la position de fixation réalisée et la position optimale précédemment déterminée. Ils font notamment appel à un métal de soudure à bas point de fusion. Ils ne permettent malheureusement pas de maintenir la fibre dans sa position de fixation lorsque des efforts un peu importants sont exercés sur elle, par exemple lorsque, le bottier étant fixé, des efforts de traction sont exercés sur la fibre en dehors du bottier. C'est pourquoi il est connu de réaliser de plus une fixation plus solide de la fibre à une paroi du bottier contenant le composant, cette paroi étant celle à travers laquelle la fibre pénètre dans le bottier et étant elle même solidement fixée au fond du bottier. Cette paroi sera appelée ci-après "paroi avant", le point de fixation de la fibre à cette paroi étant appelé "point de maintien avant", le point de fixation de la fibre à proximité du composant étant réalisé sur ladite embase et constituant un "point de maintien arrière". Le dispositif ainsi réalisé permet d'obtenir et de maintenir un bon couplage, même en présence d'efforts exercés sur la fibre. Mais seulement si la température est constante. Si elle augmente le fond du bottier se dilate plus que la fibre, qui est constituée de silice à faible coefficient de dilatation. Il en résulte une mise en tension de la fibre entre ses deux points de maintien, et des efforts génants sur le point de maintien arrière. Ces efforts peuvent être rendus suffisamment faibles si la distance entre ces deux points est petite par rapport à leur hauteur au-dessus du fond du bottier. Mais une telle distance petite ne permettrait pas de loger et d'utiliser commodément les micromanipulateurs lors de l'étape de positionnement de la fibre avant sa fixation à son point de maintien arrière. C'est pourquoi il est connu de munir le dispositif de couplage d'une plaquette semiconductrice à effet Peltier pour maintenir une température constante. Cette plaquette est constituée de tellurure de bismuth Te Bi et doit être soudée à basse température. Ceci interdit la réalisation de soudures à température moyenne ou haute à proximité, et complique le montage. Il faut de plus réaliser le circuit d'alimentation et de commande- de cette plaquette et prévoir les emplacements nécessaires. La présente invention a pour but de réaliser un dispositif de couplage d'une fibre optique à un composant optoélectronique de manière telle que l'on dispose d'espace dans le dispositif pour effectuer aisément les manipulations assurant un bon couplage et que ce bon couplage soit maintenu même en présence d'efforts sur la fibre et de variations de température, et ceci notamment dans le cas où le dispositif assure une injection de lumière dans une fibre monomode à partir d'un émetteur laser à semiconducteur. Et elle a pour objet un dispositif de couplage d'une fibre optique à un composant optoélectronique, ce dispositif comportant - un fond (2a) d'un boîtier (2), ce fond étant constitué d'un métal thermiquement dilatable et s'étendant longitudinalement entre une extrémité avant et une extrémité arrière, - une paroi avant (2c) de ce même boîtier (2), cette paroi s'élevant au-dessus de ce fond à l'extrémité avant de ce dernier, - ledit composant optoélectronique (12) fixé sur ledit fond de manière à émettre ou recevoir un faisceau lumineux allant vers l'avant ou l'arrière, respectivement, - et ladite fibre optique (18) constituée de silice, cette fibre pénétrant dans ledit boîtier à travers ladite paroi avant (2c) puis s'étendant longitudinalement au dessus dudit fond jusqu'à une extrémité en regard de ce composant pour recevoir ledit faisceau lumineux émis par ce composant ou pour diriger vers ce composant ledit faisceau lumineux reçu par ce composant, et pour réaliser ainsi ledit couplage, cette fibre étant maintenue d'une part en un point de maintien avant porté par la paroi avant pour résister à des efforts appliqués à la fibre à l'exté- rieur du boîtier, cette fibre étant maintenue d'autre part en un point de maintien arrière (20)- porté par ledit fond et proche de ladite extrémité de fibre pour maintenir avec précision la position de cette extrémité par rapport à ce composant, - ce dispositif étant caractérisé par le fait que ladite fibre (18) est maintenue par ladite paroi avant (2c) par l'intermédiaire d'un bras de compensation thermique (52) présentant une extrémité avant fixée à cette paroi, ce bras s'étendant vers l'arrière jusqu'à une extrémité arrière (50) qui constitue ledit point de maintien avant de cette fibre, ce bras étant constitué d'un métal présentant un coefficient de dilata tion thermique K au moins deux fois plus grand que celui Km dudit fond c de bottier (2a), lui même plus grand que celui Kf de la fibre, la longueur L de ce bras valant sensiblement L = D (Em - Kf)/(Ke - Kf) > D étant la distance longitudinale entre ledit point de maintien arrière (20) de la fibre et la paroi avant (2e), de manière à permettre de donner une grande longueur libre à la fibre entre ses deux dits points de maintien tout en évitant qu'elle n'applique à son point de maintien arrière des efforts longitudinaux nuisibles audit couplage lorsque la température varie. (Les références entre parenthèses renvoient à simple titre d'exemple aux dessins annexés). Il est de plus apparu avantageux que ledit bras de compensation thermique présente la forme d'un tube entourant ladite fibre. A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire plus particulièrement ci-apres, à titre d'exemple non limitatif, comment l'invention peut etre mise en oeuvre. Il doit etre compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'in- vention, etre remplacés par d'autres éléments assurant les memes fonctions techniques. Lorsqu'un meme élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le meme signe de référence. La figure 1 représente une vue de dessus d'un boitier contenant un émetteur laser à semi-conducteur et recevant une fibre optique monomode couplée à cet émetteur par le procédé selon l'invention. La figure 2 représente une vue de ce meme bottier en coupe verticale selon une ligne II-II de la figure 1. Les figures 3A à 3G représentent des vues d'un bloc de support de fibre de ce bottier lors d'étapes successives de la formation d'une résistance sur ce support, les figures 3A, 3C, 3E et 3F représentant des vues en coupe transversale verticale, les figures 3B, 3D et 3G représentant des vues de dessus. La figure 4 représente une vue en perspective d'une bande de matériau de soudure posée sur le bloc de support de fibre des figures 3F et 3G, avant positionnement d'une fibre optique et chauffage de ce matériau. La figure 5 représente une vue de ce même bloc de support en coupe par un plan vertical transversal après positionnement de la fibre, et chauffage, fusion et solidification du matériau de soudure de la figure 4. Sur ces figures les épaisseurs des couches minces sont fortement agrandies. Conformément aux figures 1 et 2 un boîtier 2 est constitué d'un alliage métallique soudable au verre et comporte un fond horizontal 2a, deux parois verticales latérales 2b traversées par des pattes de connexion électrique telles que 4, avec interposition de verre, une paroi avant 2c et une paroi arrière 2d. Des fils tels que 5 assurent les connexions électriques nécessaires à l'intérieur du -boîtier. Sur le fond 2a est soudé un support d'embase 6 en cuivre portant une embase 8 en oxyde de beryllium BeO pour conduire la chaleur. Ces support et embase présentent une longueur de 7 mm et une largeur de 7 mm. Sur ces support et embase se trouve un bloc de support de laser 10 constitué de la même céramique thermiquement bonne conductrice telle que l'oxyde de beryllium BeO pour évacuer la chaleur produite par le fonctionnement d'un laser à semi-conducteur 12 soudé sur ce bloc. Ce laser émet un faisceau principal vers l'avant du boîtier et un faisceau auxiliaire vers l'arrière. Un dispositif de régulation comporte une photodiode 14 qui reçoit ce faisceau auxiliaire pour maintenir les conditions de fonctionnement du laser 12. Sur l'embase 8, à l'avant du laser 12, est soudé un bloc 16 constituant un support de fibre optique et formé d'une céramique thermiquement mauvaise conductrice. Cette céramique peut avantageusement être constituée par une vitrocéramique telle que celle commercialisée sous la marque déposée MACOR par la Société MINNESOTA RUBBER - FRANCE. Sa condctibilité thermique est de 0,02 W/cm.K alors que celle de l'alumine frittée ordinaire est de l'ordre de 0,1 W/cm x K. Sur ce support de fibre on a soudé une fibre optique 18 qui s'étend horizontalement longitudinalement. La masse de matériau de soudure 20 est visible sur les figures 1, 2 et 5. L'extrémité de cette fibre est dirigée vers l'arrière du boîtier 2. Sur cette extrémité est formée une lentille 22 (voir figure 4) qui permet d'injecter dans la fibre le faisceau principal émis par le laser 12. Cette fibre traverse la paroi avant 2c d'une manière qui sera précisée plus loin. Conformément aux figures 3A à 3G la face supérieure du support de fibre 16 reçoit les traitements suivants - Préparation de la surface, qui doit être bien lisse, et dépôt d'une couche de 120 nm (nanomètres) d'alliage Ni Cr, pour constituer une couche mince 24 de matériau métallique résistif (Figures 3A). - Gravure de cette couche pour que sa partie subsistante constitue une résistance de chauffage 26 (Figure 3B) - Dépôt d'une couche de 1000 nm de silice 28 (Figure 3C) - Gravure de cette couche pour que sa partie subsistante 30 (Figure 3D) constitue une couche de protection électriquement isolante - Dépôt d'une couche d'accrochage de 25 nm d'alliage Ni Cr surmontée d'une couche de 300 nm d'or 32 (Figure 3E) - Gravure de cette couche 32 pour que ses parties subsistantes constituent un plot de soudure 34 et deux plots de connection 36, 38. Le plot de soudure 34 forme deux pointes 34a qui constituent des repères visuels pour l'alignement de la fibre 18 (Figures 3F et 3G). Il présente par exemple une longueur de 1 mm selon la direction de la fibre et une largeur de 1,5 mm. Conformément à la figure 4 une bande préformée de matériau de soudure 40 est pqsée sur le plot 34. La partie intermédiaire en arc 40a de cette bande passe au dessus d'un tronçon de fixation de la fibre 18. Un élément métallique d'accrochage de fibre est constitué par une couche métallique mince 42 déposée sur ce tronçon. Cette couche peut être analogue à la couche 32 précédemment décrite. Le tronçon de fixation peut être déplacé dans tous les sens entre la partie en arc 40a et le plot 34. Ces déplacements sont réalisés,lors de l'étape de positionnement, par un micromanipulateur non représenté. Leur amplitude maximale est par exemple de 10.000 nm. La bande préformée 40 présente par exemple une épaisseur de 0,05 mm. Elle est constituée d'un alliage étain-plomb à 60% de plomb èn poids. Son coefficient de retrait de soudure est de 20k. Compte en est tenu lors du positionnement de la fibre. Après positionnement de la fibre sous la partie LlOa de la bande 40, on fait passer dans la résistance de chauffage 26 un courant de 0,4 ampères pendant trois secondes. Le matériau de soudure constituant cette bande fond alors et enrobe la fibre 18. La quantité de chaleur totale transmise à l'embase jusqu'à la solidification de ce matériau reste très faible, ce qui évite des dilatations susceptibles d'écarter la fibre de sa position convenable. Le bloc de soudure apparait en 20 dans sa configuration définitive sur la figure 5. Il constitue pour la fibre 18 un point de maintien "arrière" à proximité du composant constitué par le laser 12. Conformément à la présente invention et aux figures 1 et 2, et après la réalisation de la soudure 20, la fibre 18 est en outre fixée en un point de maintien avant constitué par une soudure 50 à l'extrémité arrière d'un tube de nickel 52 qui s'étend longitudinalement dans le bottier à partir de la paroi avant 2c dans laquelle il est encastré et soudé. Ce tube présente par exemple un diamètre de 1 mm, une épaisseur de 0,2 mm et, à l'intérieur du bottier, une longueur L = 1 mm. Avant la réalisation de la soudure 50 la fibre a été revêtue d'une couche métallique d'accrochage semblable à la couche 42. Les coefficients de dilatation sont - pour la fibre : Kf : 0,4.10 - pour le fond 2a : K = 5.10'6 m 6 et pour le tube 52 : K = 14.10 u Par ailleurs les épaisseurs et coefficients de dilatation des supports 16 et 10, de l'alliage de soudure du plot 20 sous la fibre 18 et de la partie du laser 12 sous sa partie active sont choisis pour que, selon la direction verticale aussi, il y ait compensation des dilatations thermiques. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de couplage d'une fibre optique à un composant optoélectronique, ce dispositif comportant - un fond (2a) d'un bottier (2), ce fond étant constitué d'un métal thermiquement dilatable et s'étendant longitudinalement entre une extrémité avant et une extrémité arrière, - une paroi avant (2c) de ce même bottier (2), cette paroi s'élevant au-dessus de ce fond à l'extrémité avant de ce dernier, - ledit composant optoélectronique (12) fixé sur ce fond de manière à émettre ou recevoir un faisceau lumineux allant vers l'avant ou l'arrière, respectivement, - et ladite fibre optique (18) constituée de silice, cette fibre pénétrant dans ledit boitier à travers ladite paroi avant (2c) puis s'étendant longitudinalement au dessus dudit fond jusqu'à une extrémité en regard de ce composant pour recevoir ledit faisceau lumineux émis par ce composant ou pour diriger vers ce composant ledit faisceau lumineux reçu par ce composant, et pour réaliser ainsi ledit couplage, cette fibre étant maintenue d'une part en un point de maintien avant porté par la paroi avant pour résister à des efforts appliqués à la fibre à l'exté- rieur du bottier, cette fibre étant maintenue d'autre part en un point de maintien arrière (20) porté par ledit fond et proche de ladite extrémité de fibre pour maintenir avec précision la position de cette extrémité par rapport à ce composant, - ce dispositif étant caractérisé par le fait que ladite fibre (18) est maintenue par ladite paroi avant (2c) par l'intermédiaire d'un bras de compensation thermique (52) présentant une extrémité avant fixée à cette paroi, ce bras s'étendant vers l'arrière jusqu'à une extrémité arrière (50) qui constitue ledit point de maintien avant de cette fibre, ce bras étant constitué d'un métal présentant un coefficient de dilata tion thermique K c au moins deux fois plus grand que celui K dudit fond m de bottier (2a), lui même plus grand que celui K f de la fibre, la longueur L de ce bras valant sensiblement L = D (Km - Kf)/(KC - Kf), D étant la distance longitudinale entre ledit point de maintien arrière (20) de la fibre et la paroi avant (2c), de manière à permettre de donner une grande longueur libre à la fibre entre ses deux dits points de maintien tout en évitant qu'elle n'applique à son point de maintien arrière des efforts longitudinaux nuisibles audit couplage lorsque la température varie. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit bras de compensation thermique présente la forme d'un tube entourant ladite fibre.