Brevet FR2661005A1 — publié le 19911018

DISPOSITIF D'ALIGNEMENT ET DE FIXATION D'UNE FIBRE OPTIQUE DEVANT UN LASER SENCONDUCTEUR. La présente invention concerne un dispositif d'alignement et de fixation d'une fibre optique face à un laser semiconducteur par un procédé de soudure au laser. Les modules émetteurs optoélectroniques posent le problème de la fixation d'une fibre optique munie d'une micro-optique de couplage devant une puce constituant la diode laser. Dans le cas des fibres optiques monomodes, les tolérances de positionnement sont extrêmement faibles. Pour une micro-optique optimisée autorisant des rendements de couplage de l'ordre de 70% les tolérances sont telles que - dans le plan de la source et suivant deux directions perpendiculaires, 1 dB de perte de couplage correspond à un déplacement de + 0,5 iun par rapport à l'optimum. - longitudinalement un déplacement de 4 à 5 pin correspond à 1 dB de perte. De nombreux procédés d'alignement, et les dispositifs correspondants, sont connus. Tous utilisent le déplacement de la fibre selon trois axes orthogonaux, la fibre étant fixée définitivement, lorsque l'alignement optique est obtenu en dynamique, par collage, brasure ou soudure du support de fibre sur le support du laser. Cependant, si une goutte de colle ou de brasure est utilisée, l'alignement obtenu, pendant que la goutte est fluide, est détérioré au cours de la solidification de la goutte, par suite de dissymétrie entre les forces capillaires internes à la goutte. De plus, la fixation par brasure exige la métallisation partielle de la fibre, et les forces de contraintes au cours du refroidissement cassent parfois la fibre. La soudure au laser présente par rapport au collage une bien meilleure stabilité dans le temps. Par rapport à la brasure, elle présente l'avantage d'une fixation à température ambiante et de plus évite les problèmes de présence du flux contenu dans l'alliage constituant la brasure. Le dispositif selon l'invention est prévu pour utiliser la soudure par laser, et il comprend une pièce dont la forme spéciale est étudiée pour que des points de soudure soient effectués pendant un réglage dynamique par un faisceau laser, sur une fibre préalablement rigidifiée par un tube métallique. L'alignement obtenu n'est pas modifié par la soudure, puisque fibre et laser restent froids, et la conception de la pièce support permet en outre un passage étanche à travers une paroi d'un boîtier de tête optique. Ces objectifs sont obtenus parce que la pièce mobile est munie d'au moins deux ailettes métalliques minces, latérales et au contact du support du laser c'est par un tir laser à travers ces ailettes que sont effectués les points de soudure. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif d'alignement et de fixation d'une fibre optique devant un laser semiconducteur, le laser étant supporté par un substrat solidaire d'une pièce métallique en équerre présentant au moins une face latérale servant de plan de référence, et la fibre optique étant fixée dans un manchon métallique, ce dispositif étant caractérisé en ce que le support métallique qui maintient le manchon de la fibre optique est un bloc muni, sur sa face en appui contre la face latérale de référence, d'au moins deux ailettes métalliques, d'epaisseur comprise entre 150 et 500 micromètres, soudées sur la face de référence par soudures au laser. L'invention sera mieux comprise par la description suivante d'un exemple de réalisation, qui s'appuie sur les figures jointes en annexe, qui représentent - figure 1: vue de 3/4 dans l'espace d'un sous-ensemble module émetteur optoelectronique, muni du dispositif d'alignement selon l'invention, - figure 2 : support d'alignement selon l'invention, - figure 3 : vue de 3/4 dans l'espace d'un module émetteur optoélectronique, muni d'un passage étanche de fibre selon l'invention. La figure 1 représente une vue dans l'espace d'un sous-ensemble constitué essentiellement par un laser semiconducteur 1 et une fibre optique 2. Ce sous-ensemble est de façon courante monté dans un boîtier, pour constituer une tête optique, et le dispositif d'alignement représente sur cette figure n assure pas de passage étanche à travers une paroi. La puce de laser semiconducteur 1 est de façon connue fixée sur un substrat isolant 3, en céramique, qui porte en outre le réseau 4 associé au laser : pistes conductrices, résistances, diode de contre-réaction etc... Ce substrat 3 est lui-même fixé sur un support métallique 5, qui sert de radiateur pour le laser, et transmet les calories dégagées en fonctionnement vers un module de régulation à effet Peltier, non représenté. Dans le cas de l'invention, le support métallique 5 est en forme d'équerre, et comprend une face latérale 6, rectifiée et polie, qui servira de plan de référence pour l'alignement fibre-optique/laser. La face latérale 6 laisse dégagé l'accès au laser 1. La fibre optique 2 a été préalablement munie de son optique de couplage, à l'extrémité en regard du laser 1, puis rigidifiée sur une longueur de l'ordre de 5 à 10 mm environ par un tube métallique 7 dans lequel elle est fixée par brasure, collage ou "enverrage", c'est à dire par une perle de verre. La fibre optique 2 ainsi préparée repose sur un bloc support métallique 8, représenté isolément en figure 2. Ce bloc 8 s' appuie sur la face latérale 6 de l'équerre 5 et, au début des opérations d'alignement, il n'est pas fixé et jouit de deux degrés de liberté dans le plan de la face 6. Le bloc support 8 est constitué par un parallélépipède 9 et par un cylindre 10, perpendiculaire à une face principale et tangent à une face latérale supérieure 11 du parallélépipède 9. La face 11 et le cylindre 10 sont creusés par une rainure 12, sur toute la longueur, et de dimensions adaptées pour en faire un berceau pour le manchon 7 de la fibre optique 2 ce qui donne un troisième degré de liberté, perpendiculaire à la face 6. En outre, sur au moins deux faces latérales du support 8, il y a deux ailettes métalliques 13 et 14, qui prolongent la face d'appui du support 8, et sont dans le même plan qu'elle. Ces ailettes ont entre 150 et 500 micromètres d'épaisseur, et une largeur "L" comprise entre 0,5 et 1 millimètre. Les autres dimensions du support 8 dépendent de la technologie de la tête optique réalisée. Les trois composants laser 1, fibre 2 et support 8, tels que décrits, sont maintenus par des moyens appropriés dans une configuration telle que l'alignement optique est sensiblement réalisé. Le laser 1 est mis en fonctionnement ainsi que le matériel de mesure dynamique -non représenté- qui recueille la lumière émise, à l'autre extrémité de la fibre optique 2. Par déplacement du manchon 7 dans la rainure 12, l'optimum de distance fibre/laser est recherché et, lorsqu'il est obtenu, le manchon 7 est soudé sur le support 8 par au moins deux points de soudure par laser YAG, de preférence, en 15 et 16, le long des génératrices communes au manchon 7 et à la rainure 12. Puis, par déplacements du support 8 dans le plan de la face 6 de l'équerre 5, le couplage maximum est recherché par rapport à l'axe émissif du laser 1. Lorsqu'il est obtenu, le support 8 est soudé sur la face 6 de l'équerre 5 par au moins deux points de soudure laser YAG, en 17 et 18, sur les ailettes latérales 13 et 14. Par suite des états de surface imparfaits des pièces en contact et du rétreint du métal fondu au moment de la soudure des pertes de couplage sont inévitables. La fibre étant seulement fixée en deux points, un réglage angulaire de celle-ci permet de rattraper ces pertes. Plusieurs points de soudure 19 répartis de part et d'autre du manchon 7 permettent alors de conserver le réglage obtenu. Pour la même raison, d'autres points de soudure 20 sur les ailettes 13 et 14 consolident la fixation du support 8 sur l'équerre 5. Le dispositif selon l'invention évite les inconvénients qui ont été cités à propos de l'art connu, parce qu'il n'utilise ni colle ni brasure. La soudure d'un bloc métallique sur un autre bloc métallique est facilitée grâce aux fines ailettes 13 et 14, et la soudure par laser YAG apporte de l'énergie sans contact physique - qui pourrait détériorer le réglage optique et ne perturbe pas le fonctionnement de la tête optique. Un laser YAG n'est pas le seul type de laser utilisable, mais il est recommandé à cause du fin diamètre de son point de focalisation, lié à la longueur d'onde, plutôt que d'autres lasers de puissance, CO2 par exemple, dont la longueur d'onde est dix fois supérieure à celle du YAG. La figure 3 représente une variante du dispositif selon l'invention, lorsqu'une sortie étanche est nécessaire, par exemple pour faire sortir une fibre optique 2 d'un boîtier étanche 21, muni de connexions verre-métal 22 à travers les parois. Pour assurer l'étanchéité, le support métallique 8, qui s'appuie contre une paroi latérale 23 du boîtier métallique 21, comporte quatre ailettes qui forment une fine collerette 24 d'épaisseur 150 à 500 micromètres entourant sa face d'appui contre la paroi 23. Le cylindre rainuré 10 + 12 est remplacé par un canon 25, sensiblement centré sur la face 9 du support 8. Le canon 25 a un diamètre intérieur égal - au jeu près - au diamètre extérieur du manchon 7 de la fibre optique 2, et il a une épaisseur comprise entre 150 et 500 micromètres qui permet la soudure par points 15-19 au moyen d'un laser YAG. Mais le support 8 a en outre les coins du parallélépipède entaillés par au moins deux arrondis tels que 26,27,28, dont la concavité est orientée vers l'extérieur du support. Les axes de ces arrondis sont perpendiculaires à la face d'appui du support 8 contre la paroi 23. Ils permettent d'utiliser un cadre -non représenté - ajouré aux cotes du support 8 pour le manipuler en déplacement dans le plan de la paroi 23. Lorsque le réglage optique est obtenu, les tirs laser YAG se font à travers les arrondis 26,27,28, à l'intérieur du cadre, pour créer les points de soudure 17, 18,20 entre la collerette 24 et la face 23. D'autres points de soudure, le long des axes du support 8, confortent l'étanchéité. Le couplage optique optimum et les soudures se font de la même façon que pour un dispositif non étanche. D'autres formes de pièces, ou d'autres exemples d'applications que ceux qui ont été exposés ne modifient pas l'invention, qui est caractérisée par la présence autour du support de la fibre optique d'au moins deux fines ailettes métalliques, soudables par un tir laser. Le dispositif selon l'invention permet en outre de conserver le rendement de couplage en environnement sévère et particulièrement dans une large plage de température (-65 C, + 1500 C) répondant ainsi aux impératifs des équipements militaires. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'alignement et de fixation d'une fibre optique (2) devant un laser semiconducteur (1), le laser étant supporté par un substrat (3) solidaire d'une pièce métallique (5,21) en équerre présentant au moins une face latérale (6,23) servant de plan de référence, et la fibre optique (2) étant fixée dans un manchon métallique (7), ce dispositif étant caractérisé en ce que le support métallique (8) qui maintient le manchon (7) de la fibre optique (2) est un bloc muni, sur sa face en appui contre la face latérale (6,23) de reférence, d'au moins deux ailettes métalliques (13,14), d'épaisseur comprise entre 150 et 500 micromètres, soudées sur la face de référence (6,23) par soudures au laser. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le support métallique (8) comporte, sur sa face supérieure (11), une rainure (12) qui sert de berceau au manchon (7) de la fibre optique (2), le manchon (7) étant soudé sur les bords de la rainure (12) par points de soudure laser (15,19). 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans une version de passage étanche, le support métallique (8) est traversé par un canon métallique (25) dont le diamètre intérieur est égal au diamètre extérieur du manchon (7), qui y est fixé par points de soudure laser (15,19). 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support métallique (8) est entaillé dans ses coins par au moins deux arrondis (26,27,28), d'axes perpendiculaires à la face d'appui, et dont la concavité est tournée vers l'extérieur du support (8), ces arrondis permettant d'effectuer les soudures par laser (17,18,20) à travers un cadre de positionnement du support (8).