Brevet FR2606890A1 — publié le 19880520

Dispositif de déplacement de l'extrémité d'une fibre optique suivant deux axes orthogonaux La présente invention concerne un dispositif de déplacement de l'extrémité d'une fibre optique suivant deux axes orthogonaux, permet- tant l'alignement de cette fibre optique avec un autre élément optique, comportant un bâti sur lequel est maintenu l'élément optique, et un solide déformable non articulé à lames minces sur lequel est fixée la fibre optique à aligner. On sait que la non-coincidence des axes de deux fibres optiques raccordées l'une à l'autre, par exemple par soudage, est une des princi- pales causes de pertes de transmission le long d'une liaison optique à grande distance. Cette exigence d'une excellente coincidence des axes, déjà importante pour les fibres optiques multimodes, devient essentielle pour les fibres optiques monomodes dont le coeur est de diamètre notablement plus faible, de l'ordre de la dizaine de microns. On a d'abord utilisé pour le raccordement des fibres optiques des dispositifs de déplacement micrométrique par glissières mues elles même par des vis de commande à pas très fins, ces glissières étant croisées ou superposées de manière à permettre des déplacements dans toutes les directions de l'espace. Mais on s'est rapidement aperçu que les jeux existants entre ces glissières ne permettaient pas d'obtenir les préci- sions de l'ordre du micromètre ou même du dixième de micromètre imposées en particulier pour le raccordement des fibres optiques monomodes. On a alors essayé de remplacer les dispositifs à glissières par des dispositifs de déplacement utilisant des solides déformables. On connaît, notamment par le document FR-A 2 548 390, un dispositif dont le solide déformable est une poutre encastrée travaillant en flexion sous l'action de cales piézoélectriques selon deux plans orthogonaux. Cette poutre comporte, le long de son axe, une succession d'évidements perpendiculaires formant des lames minces. Cette succession d'évidements le long de l'axe d'une poutre encastrée provoque des déplacements angulaires parasites, non coaxiaux à l'axe de la fibre, qui nuisent au bon alignement de la fibre optique avec l'élément optique à raccorder. On connaît également par le document FR-A-2 553 200 un dispositif -2 comportant des modules de déplacement par translation ou par rotation mettant en Jeu la flexion de lames minces sous l'action de forces perpen- diculaires à une extrémité de ces lames. Si de tels dispositifs suppriment l'imprécision due aux Jeux mécaniques, ils n'évitent pas par contre les rotations parasites du plan de polarisation des fibres optiques à raccorder, qui sont extrêmement gênantes dans le cas de fibres monomodes, puisqu'elles se traduisent par des variations considérables de l'énergie lumineuse receuillie à l'extrémité de l'une des fibres, en particulier dans le cas de fibres optiques à maintien de polarisation (fibres fortement biréfringentes). La présente invention a pour but de procurer un dispositif de déplacement de l'extrémité d'une fibre optique qui assure une meilleur précision, et notamment qui évite une rotation intempestive de l'extrémité d'une fibre par rapport à une autre fibre à raccorder. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que les lames minces du solide déformable sont assemblées selon un parallélépi- pède de section droite carrée au repos, dont le plan est perpendiculaire à l'axe de la fibre optique, les deux extrémités d'une diagonale de ce parallélépipède étant l'une fixée surle bâti et l'autre solidaire de la fibre optique à aligner, et les deux extrémités de l'autre diagonale constituant chacune le point d'appui d'un moyen de déplacement déformant le parallélépipède. Il répond, en outre, à au moins l'une des caractéristiques suivantes: Chaque face du parallélépipède est constituée par une lame mince unique. Chaque face du parallélépipède est constituée par deux lames minces parallèles. - Entre chaque extrémité d'une diagonale constituant un point d'appui et chaque moyen de déplacement, est intercalé un élément flexible sensiblement parallèle à une face du parallélépipède. - Les extrémités des lames minces sont encastrées dans des blocs prismatiques de section droite suffisamment supérieure à celle des lames minces pour que chacune de ces extrémités reste toujours perpendiculaire à la face du bloc dans lequel elle est encastrée lors de leurs déforma- tions sous l'effet des efforts appliqués. - Les épaisseurs des lames minces sont réduites dans la zone située à égale distance de leurs extrémités encastrées. - Les lames minces présentent en section droite un profil de poutre d'égale résistance. Il est décrit ci-après à titre d'exemple et en référence au dessin annexé, un dispositif de déplacement selon l'invention dans lequel l'élément optique est une autre fibre optique, ce dispositif étant principalement utilisé pour le soudage bout à bout de deux fibres optiques. La figure 1 montre le dispositif en coupe longitudinale. La figure 2 montre, en vue de face, un premier mode de réalisation du solide déformable. La figure 3 montre, en vue de face, un deuxième mode de réalisation du solide déformable. La figure 4 montre de manière plus détaillée, une demi-vue de la figure 3. La figure 5 montre un parallélépipède déformé sous l'action d'une force F appliquée sur un bloc prismatique et décomposée en trois forces F1, F2, F3, l'autre bloc prismatique étant bloqué. Dans la figure 1, le dispositif comporte un châssis fixe 1, un support 2 coulissant sur le châssis 1, et un solide déformable 10 comportant quatre blocs prismatiques et quatre côtés constitués de lames minces 14. Les quatre blocs prismatiques sont, un socle 11 fixé sur le bâti 1, un blocsupport 12, et deux pièces d'ancrage 13. Les pièces d'ancrage 13 et les lames minces 14 sont bien visibles en figures 2 et 3. Le support 2 comporte un vé 3 dans lequel est posée la fibre optique 4. Le blocsupport 12 du solide déformable 10 comporte un vé 5 dans lequel est posée la fibre optique 6 à aligner. Les deux fibres optiques sont bien entendu maintenues dans leur vé par des moyens connus non représentés. Le solide déformable 10 permet donc d'aligner la fibre optique 6 avec la fibre optique 4 par déplacement de l'extrémité de la fibre optique 6 selon deux plans orthogonaux, et le déplacement longitudinal - 4 - du support 2 selon un troisième plan orthogonal aux deux autres, permet d'approcher la fibre 4 de la fibre 6. La figure 2 montre le premier mode de réalisation du solide déformable 10A dont la section droite comporte quatre côtés constitués chacun d'une seule lame mince 14A. Les quatre lames minces 14A forment un carré dont une extrémité de la diagonale verticale est constituée par le socle 11A, l'autre extré- mité étant constituée par le bloc-support 12A, et dont chaque extrémité de la diagonale horizontale est constituée par une pièce d'ancrage 13A. Chaque pièce d'ancrage 13A subit une poussée de la part d'un moyen de déplacement quelconque, vis micromètrique ou cale piézoélectrique par exemple, selon le sens de la force F. Les figures 3 et 4 montrent le deuxième mode de réalisation du solide déformable 10B. La figure 3 montre le solide 10B comportant quatre côtés constitués chacun de deux lames minces parallèles 14B. Les quatre groupes de deux lames minces parallèles 14B forment un carré dont une extrémité de la diagonale verticale est constituée par le socle 11B, l'autre extrémité étant constituée par la pièce support 12B, et dont chaque extrémité de la diagonale horizontale est constituée par une pièce d'ancrage 13B. Chaque pièce d'ancrage subit une poussée de la part d'un moyen de déplacement quelconque selon le sens de la force F. La figure 4 montre un moyen de déplacement particulier constitué par une cale piézoélectrique 20 et un élément flexible intermédiaire 15, la forme particulière de cet élément flexible 15 permettant de placer la cale 20 verticalement pour limiter l'encombrement du dispositif. La liaison mécanique entre la pièce d'ancrage 13B et l'élément 15 est réalisée par deux plots 16 enserrant un cylindre 17, et la liaison mécanique entre l'élément flexible 15 et la cale piézoélectrique 20 est réalisée par deux plots 18 enserrant un cylindre 19. L'utilisation d'un cylindre enserré entre deux plots permet d'obtenir une poussée purement linéaire. Le fontionnement du dispositif selon l'invention peut être explicité au regard de la figure 5 de la façon suivante: Dans ce dispositif, le Vé supportant la fibre optique est placé sur une génératrice d'un parallélépipède de section carrée, formé de quatre lames minces perpendiculaires entre elles. Le sommet A est fixé sur une base solidaire du socle de l'appareil et on le supposera fixe. Le sommet C supporte la fibre optique et subit les déplacements transver- saux infligés par les forces appliquées aux sommets B et D suivant deux directions perpendiculaires respectivement aux côtés AB et AD. Les lames minces sont encastrées à leurs extrémités dans les blocs prismatiques situés en A, B, C et D, de sorte qu'elles sont obligatoirement perpendi- culaires aux faces d'entrée de ces blocs au point d'encastrement, mais leur section droite présente un amincissement au milieu, leur profil représentant celui de deux poutres "d'égale résistance" placées tête- bêche et réunies par leurs extrémités amincies. On considérera séparément les déplacements provoqués par chacune des forces appliquées. Par exemple la force F appliquée au sommet B provoquera le déplacement de celui-ci, ainsi que du sommet C, tandis que le sommet D demeurera bloqué sur la direction AD initiale par une butée solidaire de la cale piézoélectrique non activée. On décomposera cette force F en trois forces F1, F2 et F3 de même support, F1 provoquant la flexion du côté AB, F2 le flambage du côté BC et F3 la flexion du côté CD. Les déplacements latéraux par rapport aux directions initiales au repos seront respectivement Y1, Y2 et Y3. Le déplacement Y1 est celui de l'extrémité d'une poutre encastrée à ses deux extrémités, l'une fixe, l'autre pouvant se déplacer suivant une direction perpendiculaire à la direction initiale de la poutre. Un calcul de résistance des matériaux donne la flèche pour une poutre de longueur 0 F1 i 12 E I 3o B0 Dans le cas présent o la section des lames est formée de deux profils d'égale résistance montés tête-bêche, le calcul de résistance des matériaux montre que la flexion de la poutre obtenue est double de celle d'une poutre de section droite uniforme et de moment d'inertie I 0, calculé pour la section au niveau des encastrements, d'o la flexion réelle observée: 3 F1 3 y=. Yi 6 E I O Le déplacement Y2 est celui qui est dû au flambage de la lame de section BC sous l'action de la force F2 agissant sur le sommet B, les deux extrémités B et C étant encastrées et astreintes à garder une orientation sensiblement fixe. Y2 est calculable à partir de l'ouvrage: "Statique et résistance des matériaux" de P. MONTEL, par la formule: y 2 2\2 - Y2 = 2V2 _ \ 2 =O FO ft F F0 (dans le cas d'une lame à faces parallèles), F étant la force critique o donnée par la formule 2 E I Fo = Si la force F2 appliquée est inférieure à Fo, il n'y a pas de flambage et le côté BC n'est pas déformé. La déflexion réelle Y2 dans le cas d'une lame d"'égale résistance", amincie en son milieu, est double de la valeur précédente, d'o: Y2 = 4 \2 t 2 - F0 VF2 - Le déplacement Y3, sous l'action de F3, est de même nature que -7- celui du sommet B sous l'action de la force F1 et se calcule par la formule: F3 Y = 6 E I o pour une lame amincie en son milieu. Les déplacements Y1, Y2 et Y3 seront donc calculables à partir des trois forges appliquées F1, F2 et F3 assujetties à la relation F1 + F2 + F3 = F, de la longueur des lames, du moment d'inertie Io0 calculé au niveau des encastrements et du module d'élasticité E du maté- riau constituant (ici le duralumin A U 4G). Le seul problème à résoudre est celui du calcul des forces F1, F2 et F3. Dans le cas o il n'y a pas de flambage du c8té BC, ce qui est vrai pour de très petits déplacements, surtout dans le cas o les lames sont doublées, on peut admettre F2 = 0 et F1 = F3 = F F Y1 = Y3 =- 12 E I o le moment d'inertie I étant calculable à partir de la largeur b des lames et de leur épaisseur h au voisinage des encastrements, dans la partie non encastrée, par la formule: I = bh3 o, d'ou la formule résultante liant le déplacement Y1 à la force F: F t3 Y1 3 E bh3 Le module d'Young E a en particulier la valeur E = 7400 pour le "Duralumin" A U 4G. On remarquera que dans le dispositif revendiqué dans la présente -8- invention, les lames minces qui subissent l'action des cales piézoélec- triques sont encastrées selon deux côtés opposés dans des blocs prisma- tiques que l'on a représentés en coupe sur la figure 5 aux points A, B, C, D. Cela signifie que lors des flexions infligées à ces lames, elles demeurent néanmoins perpendiculaires aux faces d'entrées des blocs prismatiques en A, B, C et D. Dans le cas o il n'y a pas de flambage de la lame BC sous l'action de la force F appliquée sur le côté AB au voisinage de B, le côté BC demeure sensiblement parallèle au côté AD qui est immobilisé par l'autre cale au repos, de sorte que le déplacement transversal infligé à la fibre optique s'effectue dans une direction fixe, sans rotation parasite autour de la direction initiale, au moins au second ordre près. Il en est de même quand c'est la cale située en D qui est activée, le déplacement étant alors perpendiculaire au premier et dirigé suivant DC, sans rotation par rapport à la direction initiale. Ceci confirme le fait que dans un tel montage la fibre optique positionnée sur le Vé placé au-dessus de C ne subit pas de rotation par rapport à son plan de polarisation initial. Ceci est très important dans le cas de fibres optiques monomodes dont on sait qu'en fait elles sont susceptibles de propager une infinité de modes déduits les uns des autres par rotation autour de l'axe de la fibre. Or celle-ci présente, soit par imperfection naturelle, soit par construction (biréfringence accidentelle, ou voulue dans le cas de fibres à maintien de polarisation), des caractéristiques optiques différentes suivant l'orientation du plan de polarisation, ce qui est extrêmement gênant pour la transmission de signaux à large bande et impose une limitation de la bande de fréquences transmise beaucoup plus drastique que celle que l'on peut déduire des autres caractéristiques de la fibre. D'o l'énorme avantage présenté par un tel dispositif lors du raccordement de deux fibres monomodes entre elles. Bien entendu, quel que soit le mode de réalisation, à lames simples ou doubles, tout moyen de déplacement équivalent peut être utilisé, avec ou sans élément flexible intermédiaire, pour remplacer les cales piézoélectriques. -9- REVENDICATIONS 1/ Dispositif de déplacement de l'extrémité d'une fibre optique (6) suivant deux axes orthogonaux, permettant l'alignement de cette fibre optique (6) avec un autre élément optique (4), comportant un bâti (1) sur lequel est maintenu l'élément optique (4), et un solide déformable (10A, 10B) non articulé à lames minces (14A, 14B) sur lequel est fixée la fibre optique à aligner, caractérisé en ce que les lames minces (14A, 14B) du solide déformable sont assemblées selon un parallélépipède de section droite carrée au repos, le plan de cette section droite étant perpendiculaire à l'axe de la fibre optique (6), les deux extrémités d'une diagonale de ce parallélépipède étant l'une fixée sur le bâti (1) et l'autre solidaire de la fibre optique à aligner, et les deux extrémités de l'autre diagonale constituant chacune le point d'appui d'un moyen de déplacement (20) déformant le parallélépipède. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque face du parallélépipède est constituée par une seule lame mince (14A). 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque face du parallélépipède est constituée de deux lames minces (14B) parallèles. 4/ Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, entre chaque extrémité d'une diagonale constituant un point d'appui et chaque moyen de déplacement (20), est intercalé un élément flexible (15) sensiblement parallèle à une face du parallélépipède. / Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extrémités des lames minces sont encastrées dans des blocs prismatiques de section droite suffisamment supérieure à celle des lames minces pour que chacune de ces extrémités reste toujours perpendiculaire à la face du bloc dans lequel elle est encastrée lors de leurs déformations sous l'effet des efforts appliqués. 6/ Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les épaisseurs des lames minces sont réduites dans la zone située à égale distance de leurs extrémités encastrées. 7/ Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les lames minces présentent en section droite un profil de poutre d'égale résistance.