Brevet FR2674033A1 — publié le 19920918

La présente invention est relative à un composant optique intégré comprenant au moins un guide d'onde intégré dans un substrat en verre et raccordé à l'extrémité d'une fibre optique monomode ou multimode Plus particulièrement, l'invention est relative à un tel composant dans lequel la fibre est collée au substrat d'une part à une extrémité faisant face à une extrémité du guide d'onde et d'autre part en une région distante de cette extrémité. On connaît de tels composants optiques intégrés notamment du brevet français No 2 612 301 déposé le 12 mars 1987 au nom de la société CORNING GLASS WORKS. Conformément aux spécifications du projet de spécification T.A NWT 000 442 publié en novembre 1990 par le laboratoire BELLCOR (USA), de tels composants optiques doivent passer des tests prédéterminés permettant de s'assurer notamment de la résistance mécanique de la liaison fibre/substrat et de la bonne qualité de la transmission d'un signal optique La résistance mécanique est testée par un effort de traction exercé sur la liaison fibre/substrat, celle-ci devant résister à un effort de 5 N dans un domaine de température allant de -400 C à + 850 C, ou à une atmosphère de 93 % d'humidité relative à 600 C, ou encore à un vieillissement de 2000 h à 850 C Par ailleurs, les pertes de niveau observées sur un signal optique transmis ne doivent pas dépasser un seuil prédéterminé, tel que 0,8 d B pour un composant à une entrée et deux sorties, par exemple. Avec les composants optiques intégrés évoqués ci- dessus, on rencontre un problème lié à la présence de dilatations thermiques différentes dans les matériaux employés pour constituer le substrat, les fibres optiques et les produits adhésifs d'assemblage Le substrat est couramment réalisé dans un verre présentant un coefficient de dilatation thermique de l'ordre de 80 10-7 K-1 C'est dans ce verre que l'on réalise un guide d'onde intégré, par masquage et échange d'ions par exemple La fibre optique, monomode ou multimode, est elle-même constituée essentiellement d'une silice très pure présentant un coefficient de dilatation thermique beaucoup plus faible, de 6 10-7 K-1 par exemple Ainsi, pour une même excursion de température croissante, le substrat se dilate plus que la fibre fixée sur ce substrat en deux points distants l'un de l'autre Le substrat exerce alors une traction sur la partie de fibre située entre ces deux points, cette traction pouvant provoquer une cassure, un changement de propriétés optiques de la silice de la fibre ou une détérioration des points de fixation de la fibre Les coefficients de dilatation thermique des produits adhésifs utilisés sont eux-mêmes susceptibles de jouer un rôle important dans les dilatations différentielles observées. On comprend que de tels phénomènes peuvent provoquer une altération et même une disparition de la continuité optique de la liaison fibre/guide d'onde, et donc une altération ou une disparition concomitante d'un signal optique transmis par cette liaison D'autres causes d'altération de la qualité de la liaison sont les effets de l'environnement, notamment en atmosphère humide, le vieillissement des matériaux la constituant, voire des excursions de température décroissantes, de la température ambiante vers de basses températures (-40 'C par exemple). La présente invention a donc pour but de réaliser un composant optique intégré du type décrit ci-dessus et conçu pour conserver des caractéristiques mécaniques et optiques satisfaisantes dans un large domaine de température prédéterminé. La présente invention a aussi pour but de réaliser un tel composant présentant une résistance satisfaisante aux effets d'une atmosphère fortement chargée en humidité et aux effets du vieillissement. On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la présente description, avec un composant optique intégré conçu pour être utilisé dans un domaine de température prédéterminé et comprenant au moins un guide d'onde intégré dans un substrat et raccordé à l'extrémité d'une fibre optique fixée au substrat à cette extrémité et en une région distante de celle-ci, par au moins des première et deuxième gouttes de produit adhésif respectivement, les produits adhésifs constituant ces gouttes présentent chacun une température de transition vitreuse Suivant l'invention, les températures de transition vitreuse de la première goutte et d'au moins une deuxième goutte de produits adhésifs sont situées dans le domaine de température prédéterminé et dans un deuxième domaine de température situé généralement au-dessus du domaine prédéterminé, respectivement, la limite inférieure du deuxième domaine étant située à + 100 C de la limite supérieure du domaine prédéterminé. On améliore ainsi la résistance mécanique de la liaison fibre/substrat sans qu'une dilatation différentielle ne puisse détériorer la fibre ou altérer la continuité optique de la liaison fibre/guide d'onde. Suivant une caractéristique d'un mode de réalisation du composant optique intégré suivant l'invention, une troisième goutte de produit adhésif est disposée en arrière de la deuxième goutte, par rapport à l'extrémité de la fibre, pour fixer celle-ci sur le substrat, la température de transition vitreuse de ladite troisième goutte étant située au-dessus du domaine de température prédéterminé Comme on le verra dans la suite, on peut ainsi diminuer les volumes de produit adhésif utilisé et l'influence du gonflement de ces produits en ambiance humide, sur la qualité optique de la liaison fibre/guide d'onde. Suivant une caractéristique d'encore un autre mode de réalisation du composant optique intégré selon l'invention, une quatrième goutte de produit adhésif fixe35 au substrat la partie de la fibre située entre les deuxième et troisième gouttes, la température de transition vitreuse de ce produit étant située dans le domaine de température prédéterminé Comme expliqué dans la suite de la présente description, on accroît ainsi la résistance de la partie de la fibre optique qui est située entre les deuxième et troisième gouttes de produit adhésif. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel: la figure 1 est une vue partielle en coupe longitudinale d'un composant optique intégré suivant l'invention, faisant apparaître notamment les liaisons établies d'une part entre la fibre et un guide d'onde intégré au substrat et, d'autre part, entre la fibre et le substrat du composant, la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 d'un deuxième mode de réalisation du composant suivant l'invention, la figure 3 est une vue analogue aux précédentes d'un troisième mode de réalisation du composant selon l'invention, et la figure 4 est une vue analogue aux précédentes d'un quatrième mode de réalisation du composant suivant l'invention. On se réfère à la figure 1 du dessin annexé o il apparaît que le composant optique intégré suivant l'invention comprend essentiellement un substrat 1 en verre moulé par exemple et une fibre optique 2 protégée par une gaine 3 La fibre 2 est partiellement dénudée et repose sur une marche 4 formée sur le substrat de manière que son extrémité vienne s'abouter à celle d'un guide d'onde 5 formé dans le substrat par une technique d'échange d'ions, par exemple Conformément aux enseignements du brevet précité, une rainure de dégagement35 6 (d'une largeur de 1 à 2 mm par exemple) peut être prévue entre la marche 4 et la jonction de la fibre 2 avec le guide d'onde 5 Cette jonction mécanique et optique est assurée par une première goutte 7 d'un produit adhésif présentant une qualité optique adéquate Cette première goutte est de préférence de faible volume Une deuxième goutte 8 de produit adhésif, de plus gros volume, est déposée sur la fibre et le substrat pour fixer la fibre sur ce substrat La deuxième goutte est distante de la première, la rainure de dégagement 6 séparant ces deux gouttes Toutes ces dispositions du composant suivant l'invention sont connues du brevet précité auquel on pourra se référer pour plus de détail les concernant. Il apparaît maintenant que la liaison entre la fibre et le substrat est assurée en deux points distants l'un de l'autre Comme on l'a vu plus haut, des dilatations thermiques différentielles sont susceptibles d'engendrer des contraintes mécaniques propres à désorganiser la liaison. Lorsque ces contraintes atteignent certains seuils, on peut observer soit une rupture de la continuité optique de la liaison fibre/guide d'onde au niveau de la goutte 7, soit une rupture de la fibre, soit une modification de ses propriétés optiques, tous phénomènes susceptibles d'affecter gravement, outre la résistance mécanique de la liaison fibre/substrat, la transmission d'un signal optique entre la fibre 2 et le guide d'onde 5, par perte partielle ou totale de l'énergie de ce signal. Suivant la présente invention, on évite ces inconvénients en utilisant, pour constituer la goutte 7, un produit adhésif présentant à l'état sec une température de transition vitreuse Tg située dans un domaine prédéterminé de température d'utilisation du composant (par exemple de 40 à + 850 C comme indiqué plus haut) Lorsque, à l'intérieur de ce domaine, la température de la goutte en question passe au-dessus de T, le produit adhésif la constituant passe en phase viscoélastique La liaison souple ainsi établie par le produit adhésif dans cette phase, entre la fibre et le substrat, autorise alors un léger glissement de la fibre dans la goutte sous l'effet des dilatations thermiques différentielles observées Ce glissement empêche les contraintes exercées sur la fibre d'atteindre des seuils susceptibles d'affecter son intégrité ou la continuité optique de la liaison fibre/guide d'onde. Dans le choix du produit adhésif constituant la goutte 7, il faut tenir compte aussi des qualités optiques du produit, de manière à ne pas altérer sensiblement un signal optique à son passage entre les extrémités en regard de la fibre et du guide d'onde Dans tous les cas, la position de la température Tg du produit dans le domaine de température considéré devra être choisie de manière qu'aucune dilatation différentielle apparaissant en dessous de cette température Tg ne puisse affecter sensiblement la structure ou le fonctionnement du composant optique intégré suivant l'invention. Dans le même temps, on utilise pour constituer la goutte 8 un produit adhésif dont la température de transition vitreuse se situe dans un deuxième domaine de température situé généralement au-dessus du domaine prédéterminé, la limite inférieure du deuxième domaine étant située à + 100 C de la limite supérieure du domaine prédéterminé. Ainsi, la solidité de la liaison mécanique entre la fibre et le support repose, dans tout le domaine de température considéré, sur l'adhésif de la goutte 8, en particulier à la limite supérieure de ce domaine. Le produit adhésif choisi pour la goutte 7, présentant une température T située dans ce domaine d'utilisation, assure l'absorption de dilatations différentielles qui auraient pu être dangereuses pour le composant, et la continuité optique de la liaison fibre/guide d'onde On comprend qu'il faut alors choisir pour la goutte 7 un produit adhésif transparent présentant35 un indice de réfraction voisin de celui du verre, c'est-à- dire voisin de 1,5. Un composant optique intégré ainsi constitué suivant l'invention, permet de satisfaire aux contraintes posées par le projet de norme précité, notamment en matière de résistance de la liaison fibre/substrat, sous traction opérée à + 850 C On a observé cependant certaines difficultés pour satisfaire aux contraintes posées par ce projet en matière de tenue en atmosphère humide On a représenté à la figure 2 un autre mode de réalisation du composant optique intégré suivant l'invention, modifié pour surmonter cet inconvénient Sur cette figure, comme sur les figures 3 et 4, des références numériques identiques à celles utilisées sur la figure 1 correspondent à des éléments identiques ou similaires Le mode de réalisation de la figure 2 se distingue de celui de la figure 1 en ce qu'il comprend une mince goutte 8 de produit adhésif déposée sur la fibre 2 au niveau de la marche 4, cette goutte étant constituée en un produit adhésif présentant une température de transition vitreuse située au-dessus du domaine de température considéré. Cette goutte 8 est elle-même recouverte par une goutte 9 d'un produit adhésif pour lequel la température de transition vitreuse est intérieure audit domaine La goutte 8 assure la tenue mécanique de la liaison entre la fibre et le substrat, dans tout le domaine de température. La goutte 9 protège la goutte 8 et la fibre 2 d'agressions mécaniques et d'une éventuelle humidité de l'atmosphère ambiante Dans ce mode de réalisation, les fonctions de liaison mécanique et de continuité optique sont séparées. La liaison mécanique est assurée par la goutte 8 et accessoirement par la goutte 9, tandis que la continuité optique est assurée par la goutte 7. D'une manière générale, les dilatations thermiques différentielles étant principalement absorbées par la goutte 7, on a observé qu'il était avantageux de ménager, au montage, entre l'extrémité de la fibre et celle du35 guide d'onde en regard du substrat, un espace de 15 à pm environ, de préférence 18 à 20 pm, autorisant un jeu entre la fibre et le guide d'onde. Un composant optique constitué conformément à la figure 2, a permis de satisfaire à toutes les contraintes posées par le projet de norme précité On a observé cependant qu'en atmosphère très fortement chargée en humidité, le gonflement de la goutte 9 sous l'effet de cette humidité pouvait provoquer un cintrage de la fibre optique 2 au-dessus de la rainure 6, cintrage qui a pour effet de décentrer la fibre par rapport au guide d'onde, avec perte corrélative d'énergie du signal optique transmis. Suivant l'invention, on réduit ou on empêche un tel cintrage avec un composant optique intégré constitué comme représenté à la figure 3 La goutte 8 du composant représentée sur la figure 2 est divisée, dans celui de la figure 3, en deux gouttes 8 ', 8 " distantes l'une de l'autre, la goutte 8 ' fixant la fibre sur la marche 4 du substrat tandis que la goutte 8 " est déposée sur l'extrémité de la gaine 3 de la fibre 2 Le produit adhésif utilisé présente une température de transition vitreuse T située au-dessus du domaine de température d'utilisation du composant Le volume cumulé des deux gouttes 8 ', 8 " est très inférieur à celui de la goutte 9 de la figure 2 Le cintrage de la fibre dû au gonflement de la goutte 9 par des molécules d'eau en est réduit de manière très importante La tenue du composant en ambiance humide en est améliorée Les effets de cintrage de la fibre à son extrémité, dûs au gonflement de l'adhésif n'entraînent plus de décentrement inacceptable de la fibre par rapport au guide d'onde. On notera sur la figure 3 qu'une rainure 10 sépare les gouttes 8 ' et 8 " Les arêtes des bords de cette rainure permettent, par un effet de tension superficielle, d'arrêter l'écoulement des gouttes 8 ' et 8 " qui restent ainsi bien séparées par la rainure 10. Une variante du mode de réalisation de la figure 3 est représentée à la figure 4 Suivant cette variante, l'espace séparant les gouttes 8 ' et 8 " d'adhésif à température de transition vitreuse T située au- dessus du domaine de température d'utilisation du composant, est occupé par une goutte 11 d'adhésif à température de transition vitreuse située dans ce domaine Cette goutte améliore la tenue mécanique de la liaison fibre/substrat. Il faut considérer en effet que, dans le mode de réalisation de la figure 3, les deux gouttes 8 ' et 8 " d'adhésif à température de transition vitreuse situées au- dessus du domaine de température d'utilisation du composant, définissent des points d'assemblage fixes dans tout ce domaine Du fait des dilatations thermiques différentielles, quand la température croît dans le domaine de température considéré, une tension croissante s'exerce dans la fibre entre les gouttes 8 ' et 8 ", quand bien même cette tension serait limitée par la présence de la gaine 3 entre la goutte 8 " et la fibre 2 La goutte intermédiaire 11 du mode de réalisation de la figure 4 renforce la résistance de la fibre à cette tension, ce qui améliore la tenue mécanique de l'ensemble. Pratiquement, l'assemblage de la fibre 2 et du substrat du mode de réalisation de la figure 3 s'opère comme suit La fibre et le substrat sont tout d'abord assemblés à l'aide du dépôt de la goutte 11, les gouttes 8 ' et 8 " étant déposées ensuite, la goutte 8 ' présentant une hauteur aussi faible que possible, comme représenté à la figure 4 La fibre 2 et le guide d'onde 5 sont raccordés par une goutte de colle 7, comme dans les modes de réalisation précédents. Des produits adhésifs convenant à la mise en oeuvre de la présente invention et présentant des températures de transition vitreuse caractérisées comme indiquées précédemment, par leur position dans le domaine de température d'utilisation ou au-dessus de ce domaine, pourront être choisies par l'homme de métier parmi de nombreux produits adhésifs existant sur le marché, en fonction de l'application particulière visée et des caractéristiques optiques éventuellement requises de ce produit Il est connu à cet égard qu'en dessous de leur température de transition vitreuse, les produits adhésifs sont solides alors qu'au-dessus de cette température ils sont souples et ceci d'autant plus que leur température s'écarte de leur température de transition vitreuse T Il en est de même pour leur coefficient de dilatation qui présente une valeur plus importante au-delà de la température T qu'en deçà de cette température. La température de transition vitreuse est une caractéristique de chaque adhésif qui peut être mesurée par analyse thermique différentielle ou par calorimétrie différentielle à balayage avec une montée en température de 5 à 100 C par minute sur un produit sec, avec un début de chauffage à partir d'une température se situant en dessous de la température de transition T On pourra se référer à cet égard à l'ouvrage de R C MC KENZIE intitulé "Differential Thermal analysis" volume 2 page 392, édité par Academic Press et à l'article de L MONNERIE paru dans la revue "Annales des Composites", pages 157 et suivantes du numéro spécial concernant les journées d'études du Club Technique Analytique et Caractérisation des matériaux macromoléculaires, qui se sont tenues à PARIS en 1986. Des produits adhésifs constitués par des résines acryliques ou vinyliques à polymérisation radicalaire conviennent en particulier On utilisera ainsi avantageusement à cet effet des monomères ou des oligomères contenant une ou plusieurs double liaison du type acrylique ou vinylique donnant lieu à des polymérisations radicalaires initiées par un photo- initiateur qui, sous l'action de la lumière (visible ou ultraviolette par exemple) engendre des radicaux libres. On pourra utiliser éventuellement de telles résines avec une charge minérale constituée d'une poudre de silice ou un matériau organique dur par exemple, pour en diminuer la sensibilité à l'humidité, sauf bien entendu pour la goutte assurant la liaison fibre/guide d'onde, qui doit présenter une très bonne transparence. il Le choix de telle ou telle résine s'opère, comme on l'a vu plus haut, en fonction de la position de sa température de transition vitreuse, dans le domaine d'utilisation ou au-dessus de celui-ci A cet égard il faudra tenir compte de la variation de cette température en fonction de l'humidité de la résine ainsi que de la variation de son coefficient de dilatation et de son module d'Young à l'état viscoélastique, en fonction de cette humidité Les choix à faire en fonction de ces considérations sont du domaine des activités normales de l'homme de métier. De nombreuses résines disponibles dans le commerce conviennent pour constituer les produits adhésifs utilisés dans la présente invention. Ainsi, des résines adhésives présentent une température de transition vitreuse Tg comprise dans le domaine de température l-40 , + 850 Cl précisé ci-dessus seulement à titre d'exemple, sont commercialisées par la Société ELOSOR Ltd sous les références VITRALIT 6128 (à Tg = 550 C), ou VITRALIT 7104, 7105 et 7106. Des adhésifs à température de transition vitreuse situées au-dessus de ce domaine de température sont commercialisés par la société française EPOTECHNY sous les références NOA 81 (Tg = 120 'C) ou NOA 61 (Tg = 130 'C) et par la société anglaise Imperial Chemical Industries sous les références LCR 000 et LCR 070 (Tg = 1060 C ou 1170 C, suivant la procédure de durcissement utilisée), LCR 050 (Tg = 106 ), LCR 000 V (Tg = 1000 C), LCR 000/1 52 (Tg C). Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple, tout comme le projet de norme précité Elle s'étend à tout composant optique intégré, coupleur, multiplexeur, amplificateur, etc connecté à une ou plusieurs fibres optiques par des adhésifs susceptibles de passer dans une phase visco- élastique pour autoriser l'absorption sans dommage par le composant de dilatations différentielles se manifestant entre les divers éléments du composant L'invention n'est pas non plus limitée à des composants comprenant un substrat en verre dans lequel un ou des guides d'ondes sont intégrés par échange d'ions Elle s'étend au contraire à des composants dans lesquels ce substrat est par exemple en silice ou en silicium à guides d'ondes intégrés par dépôt en phase vapeur et à des substrats en niobate de lithium ou en phosphure d'indium. REVENDICATIONS 1 Composant optique intégré conçu pour être utilisé dans un domaine de température prédéterminé et comprenant au moins un guide d'onde ( 5) intégré dans un substrat ( 1) et raccordé à l'extrémité d'une fibre optique ( 2) fixée au substrat à cette extrémité et en une région distante de celle-ci par au moins des première ( 7) et deuxième ( 8) gouttes de produit adhésif, respectivement, les produits adhésifs constituant ces gouttes ( 7, 8) présentant chacun une température de transition vitreuse, caractérisé en ce que les températures de transition vitreuse de la première goutte ( 7) et d'au moins une deuxième goutte ( 8) de produits adhésifs sont situées dans le domaine de température prédéterminé et dans un deuxième domaine de température situé généralement au-dessus du domaine prédéterminé, respectivement, la limite inférieure du deuxième domaine étant située à + 100 C de la limite supérieure du domaine prédéterminé. 2 Composant optique intégré conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième goutte ( 8) de produit adhésif couvre seulement la fibre optique ( 2) à l'exclusion d'une gaine ( 3) protégeant la fibre au- delà de la goutte. 3 Composant optique intégré conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième goutte ( 8) de produit adhésif couvre des parties adjacentes de la fibre ( 2) et d'une gaine ( 3) protégeant la fibre. 4 Composant optique intégré conforme à la revendication 2, caractérisé en ce qu'une goutte ( 9) d'un produit adhésif à température de transition vitreuse située dans le domaine de température prédéterminé renforce la liaison établie par la deuxième goutte ( 8) entre le substrat ( 1) et la fibre ( 2), cette goutte recouvrant la deuxième goutte ( 8) et des parties adjacentes de la fibre ( 2) et d'une gaine ( 3) protégeant la fibre en arrière de la deuxième goutte. Composant optique intégré conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'une troisième goutte ( 8 ") de produit adhésif est disposée en arrière de la deuxième goutte ( 8 ') par rapport à l'extrémité de la fibre, pour fixer celle-ci sur le substrat, la température de transition vitreuse de ladite troisième goutte étant située au-dessus du domaine de température prédéterminé. 6 Composant optique intégré conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que la troisième goutte ( 8 ") recouvre une partie gainée de la fibre. 7 Composant optique intégré conforme à l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'une rainure ( 10) formée dans le substrat ( 1) sépare les deuxième ( 8 ') et troisième ( 8 ") gouttes. 8 Composant optique intégré conforme à l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'une quatrième goutte ( 11) de produit adhésif fixe au substrat la partie de la fibre située entre les deuxième ( 8 ') et troisième ( 8 ") gouttes, la température de transition vitreuse de ce produit étant située dans le domaine de température prédéterminé. 9 Composant optique intégré conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une rainure ( 6) creusée dans le substrat ( 1) sépare les première ( 7) et deuxième ( 8; 8 ') gouttes de produits adhésifs. Composant optique intégré conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les produits adhésifs utilisés sont des résines acryliques ou vinyliques à polymérisation radicalaire. 11 Composant optique intégré conforme à la revendication 10, caractérisé en ce que ladite polymérisation s'opère par photoréticulation. 12 Composant optique intégré conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les produits adhésifs utilisés pour assurer la liaison entre une fibre optique ( 2) et le substrat ( 1) sont chargés. 13 Composant optique conforme à la revendication 12, caractérisé en ce que ledit produit adhésif est chargé avec une charge minérale ou un matériau organique dur. 14 Composant optique conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extrémités de la fibre ( 2) et du guide d'onde ( 5) qui se font face sont écartées, au montage, d'un intervalle de 15 à 25 pm environ. Composant optique conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat est constitué par un élément du groupe formé par les substrats en verre à guides d'ondes intégrés par échange d'ions, les substrats en silice ou silicium à guides d'ondes intégrés par dépôt en phase vapeur, les substrats en niobate de lithium, les substrats en phosphure d'indium.