Brevet FR2681437A1 — publié le 19930319

La présente invention concerne le domaine des fibres optiques destinées à être couplées avec un phototransducteur. Dans le cadre de la présente invention, l'expression "phototransducteur" regroupe les systèmes optiques récepteurs aptes à transformer un signal optique reçu en provenance d'une fibre optique, en un signal électrique et les systèmes optiques émetteurs aptes à générer un signal optique en direction d'une fibre optique. Ces systèmes optiques peuvent être formés de circuits intégrés optiques. La technique généralement utilisée, tant par les chercheurs que par les industriels, pour coupler un phototransducteur avec une fibre optique est schématisée sur les figures la, lb et lc annexées. Cette technique connue consiste essentiellement à étirer l'extrémité d'une fibre dénudée (figures la et lb) puis à lentiller par fusion la pointe de la fibre (figure lc). Plus précisément, l'étape initiale détirage de la fibre peut être réalisée soit par attaque chimique, comme représenté sur la figure la, soit par fusion sous arc électrique ou laser de puissance comme représenté sur la figure lb. Sur la figure la, on a schématisé en 10 un récipient contenant une solution 12 d'attaque de la fibre, par exemple une solution à base d'acide fluorhydrique. Une fibre clivée 14 (représentée en traits interrompus sur la figure la) est plongée dans la solution 12 puis tirée verticalement vers le haut. Après retrait, comme représenté en traits continus, sous la référence 16, l'extrémité de la fibre optique attaquée est effilée. Le coeur 18 de la fibre conserve toutefois ses dimensions d'origine. Sur la figure lb, on a schématisé l'étirage coaxial d'une fibre de verre 20, jusqu'à la rupture 22, sous l'action d'un arc électrique. L'étirage par fusion sous arc électrique conduit à une réduction progressive de la section du coeur 24 de la fibre, en direction du point de rupture 22. L'étape d'étirage a pour but d'amener le diamètre de l'extrémité de la fibre à quelques dizaines de microns, dimension compatible avec la taille des phototransducteurs à coupler. On rappelle par exemple que le diamètre extérieur d'une fibre monomode, dénudée, sans gaine plastique est de 125 microns, alors que l'injection de lumière dans la fibre doit se faire dès que possible dans le coeur de celle-ci, limité généralement à un diamètre de l'ordre de 9 microns pour une telle fibre. Sur la figure lc, on a représenté sous la référence 32 la lentille formée par fusion sous arc, à l'extrémité d'une fibre 30 étirée, dont le coeur est référencé 34. Cette lentille 32 permet par exemple de focaliser au mieux le faisceau divergent émis par un laser, dans le coeur 34. La lentille ou bille de verre 32 obtenue à l'extrémité de la fibre, possède généralement une taille calibrée en fonction des caractéristiques géométriques du phototransducteur associé. La lentille 32 a typiquement un diamètre compris entre 10 et 50 microns. La technique connue qui vient d'être décrite, bien que fonctionnant convenablement, n'est pas dépourvue d'inconvénients. On peut en particulier mentionner les points suivants - nécessité de rendre conique l'extrémité de la fibre pour obtenir un couplage optique satisfaisant, alors que la reproductibilité de la forme est délicate à obtenir tant lors d'un étirage par attaque chimique que lors d'un étirage par fusion sous arc, - fragilisation de l'extrémité de la fibre de par sa forme pointue, - mélange des indices des verres constituant l'extérieur de la fibre et son coeur, suite à la fusion locale très rapide de l'extrémité de faible section sur une distance appréciable.La zone de guidage optique ne pouvant être obtenue qu'avec des indices différents, ce mélange des indices conduit au rejet hors de la fibre d'une partie du faisceau collecté, par absence de guidage. Cette fusion locale de l'extrémité de faible section de la fibre est opérée lors de l'étirage par fusion sous arc, ou lors de la création de la lentille, - danger potentiel pour la face miroir du composant phototransducteur (laser à semiconducteur par exemple) qui peut être irrémédiablement détruite par le contact de la pointe de la fibre, - difficulté d'alignement (pour un couplage optimal) en raison de la proximité du phototransducteur et de la précision de centrage (inférieure au micron) rendue nécessaire par les dimensions réduites du coeur étiré, dans le cas d'un étirage par fusion, sous arc, - coefficient de couplage limité par l'appariement difficile entre les caractéristiques géométriques du phototransducteur et celles de l'extrémité de la fibre. La présente invention a pour but de permettre une amélioration du coefficient de couplage entre un phototransducteur et une fibre optique, tout en rendant l'alignement moins critique. Ce but est atteint selon la présente invention, grâce à un fibre optique comprenant une extrémité clivée et une lentille rapportée par soudure sur cette extrémité clivée, en regard du coeur de la fibre optique. Selon une caractéristique avantageuse de la présente invention, la lentille rapportée provient de la pointe d'un morceau de fibre étiré. La présente invention concerne également un procédé de préparation de la fibre optique précitée, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à - cliver une fibre optique, - étirer coaxialement un morceau d'une autre fibre jusqu'à rupture, sous l'action d'un chauffage, par exemple sous l'action d'un arc, - aligner le morceau étiré de fibre sur l'extrémité clivée de la fibre optique et mettre en contact mécanique la pointe du morceau étiré de fibre et le coeur de l'extrémité clivée de la fibre optique, et - souder sur le coeur de l'extrémité clivée de la fibre optique une partie de la pointe du morceau étiré de fibre pour former une lentille de courbure désirée. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, l'étape de soudage précitée consiste en - une fusion rapide et de faible intensité de la pointe du morceau étiré de fibre, avec retrait de celle-ci dès l'apparition du soudage sur le coeur, afin de libérer une aiguille de taille adéquate liée au coeur, puis - une fusion de l'aiguille de verre à l'aide d'au moins une passe sous chauffage de faible intensité, jusqu'à l'obtention de la courbure désirée de la lentille. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels - les figures la, lb et lc précédemment décrites, représentent schématiquement les étapes d'un procédé connu de préparation de fibre optique, et - les figures 2 à 8 représentent les étapes successives d'un procédé de préparation de fibre optique, conforme à la présente invention. On va maintenant décrire en détail le procédé conforme à la présente invention, en regard des figures 2 à 8 annexées. La première étape de ce procédé consiste à cliver une fibre optique 100, c'est-à-dire à sectionner la fibre optique 100 de sorte que la face d'extrémité résultante 102 de la fibre soit au moins sensiblement plane et orthogonale à son axe 104 comme représenté sur la figure 2. La surface de cette face d'extrémité clivée 102 est égale à la section du coeur 106 et de la gaine 108 qui l'entoure. Cette étape de clivage peut être réalisée selon tout processus de sectionnement connu de l'homme de l'art, le cas échéant, par simple courbure de la fibre jusqu'à rupture brusque de celle-ci après amorce de rupture à l'aide d'un tranchant très dur, comme schématisé sur la figure 2. En parallèle de cette première étape, comme représenté sur la figure 3, un petit morceau d'une autre fibre 200 est étiré (traction T) coaxialement et symétriquement jusqu'à la rupture, en un point 202, sous l'action d'un arc électrique. Le morceau de fibre 200 peut avoir par exemple une longueur de l'ordre d'une dizaine de centimètres. La fibre 200 étirée est de préférence de même nature que la fibre 100 clivée. A la fin de l'étape d'étirage, on obtient ainsi deux bouts de fibre optique 200 possédant chacun une extrémité effilée en cône. Un bout étiré de fibre optique 200 est alors placé en regard de L'extrémité clivée 102 de la fibre 100 et aligné sur celle-ci, comme représenté sur la figure 4. Cet alignement peut être opéré par tout moyen approprié, par exemple en plaçant la fibre 100 clivée et le bout de fibre étirée 200, sur des supports en V appropriés. Les techniques connues d'épissurage de fibres optiques utilisent couramment de tels supports en V en saphir, présentant une précision de l'ordre du micron. Pour cette raison, ces supports en V ne sont pas représentés sur les figures annexées et ne seront pas décrits plus en détail par la suite. La pointe de la fibre étirée 200 est ensuite mise en contact mécanique avec le coeur 106 de la fibre clivée 100, et ce sous une légère pression axiale P, comme représenté sur la figure 5, tout en conservant l'alignement antérieur entre la fibre étirée 200 et la fibre clivée 100. L'ensemble obtenu est soumis à un arc électrique, comme représenté sur la figure 6, pour obtenir une fusion rapide et de faible intensité de la pointe de la fibre étirée 200 Cette fibre 200 est retirée dès l'apparition du soudage de cette pointe sur le coeur 106 de la fibre clivée 100. Ce retrait de la fibre étirée 200 conduit à libérer une aiguille de verre 210, centrée sur l'axe 104 et liée au coeur de la fibre clivée 100, comme représenté sur la figure 7. I1 reste alors, comme représenté sur la figure 8, à faire fondre l'aiguille de verre 210 à l'aide d'une ou plusieurs passes de faible intensité, pour transformer l'aiguille 210 en une lentille 220 de courbure désirée. L'ensemble des étapes précitées peut être mis en oeuvre en quelques minutes. On obtient donc finalement une fibre optique 100 comprenant une extrémité clivée 102 et une lentille 220 rapportée par soudure sur cette extrémité clivée, en regard du coeur de la fibre optique 100. Le procédé conforme à la présente invention est applicable en particulier lorsque la lumière émise par un composant émetteur de lumière de petites dimensions (tel qu'un laser à semiconducteurs) doit être rendue exploitable à une certaine distance par l'intermédiaire d'une fibre optique avec un couplage optique optimal entre le composant et la fibre, de même et de façon réciproque, ce procédé s'applique lorsque la lumière doit être focalisée sur un récepteur à la sortie d'une telle fibre, par exemple sur une photodiode ou un autre laser, comme dans le cas de la transmission bidirectionnelle entre deux lasers. L'invention permet également un couplage optique optimum entre une fibre optique et un guide optique.En effet, lorsque la lumière quitte la fibre 100, la micro-lentille 220 sert à focaliser avec précision la lumière sur un détecteur ou un guide, surtout lorsque ceux-ci sont de dimensions réduites. La fibre optique 100 utilisée en transmission peut ainsi avoir ses deux extrémités clivées et traitées à l'aide du procédé conforme à la présente invention, pour améliorer le couplage fibre/émetteur d'une part et fibre/récepteur d'autre part. Le procédé conforme à la présente invention intéresse donc notamment les domaines des émetteurs laser à semiconducteurs, des photorécepteurs, des guides optiques et plus généralement des OEIC. D'une façon plus générale, le procédé conforme à la présente invention intéresse tous les domaines qui utilisent des fibres optiques, et en particulier celui de télécommunications, puisqu'il permet la transmission à distance de signaux lumineux avec un minimum de pertes à l'entrée et/ou à la sortie de la fibre. Des essais réalisés sur une fibre optique conforme à la présente invention ont révélé un couplage optimum autorisant par exemple des mesures de bruit par la technique d'homodynage sur des lasers, alors que de telles mesures étaient jusqu'ici très difficiles, voire impossible par manque de sensibilité dû à un couplage insuffisant. Le procédé conforme à la présente invention permet en outre de gagner en qualité, en facilitant la mise en oeuvre du positionnement devant le laser et en rendant la stabilité de l'alignement beaucoup plus grande. Ces considérations sont très importantes dans le cas de tests rapides effectués sur des bancs optiques par exemple. Le lentillage de la fibre, non pas après étirage, opération délicate décrite dans l'art antérieur, mais après clivage, permet d'éliminer les divers inconvénients de la technique antérieure. Pour opérer la fusion requise dela fibre 200, l'inventeur a utilisé lors de ses essais une micro-soudeuse du type "Micro Fusion Splicer MS-1.008" commercialisée par la Société FOUNDATION INSTRUMENTS. Une telle micro-soudeuse engendre un arc électrique. L'utilisation d'un chauffage à l'arc n'est cependant pas obligatoire. Il peut être remplacé par un chauffage à l'aide d'une source laser de puissance pourvu que l'on veille à respecter un alignement précis entre la fibre clivée 100 et l'extrémité étirée 200 qui apporte la microlentille 220 sur le coeur 106, et que l'on veille à produire une fusion locale très rapide de la pointe 200 afin de souder sur le coeur 106 de la fibre clivée 100 une aiguille de verre 210 de petite dimension. Par ailleurs, il est à noter que deux paramètres déterminants doivent être contrôlés avec la plus grande attention - la masse de verre de l'aiguille 210 déposée : elle doit être calibrée pour que la lentille 220 ait le rayon de courbure adéquat, - la durée et l'intensité de la fusion : elles doivent modifier le moins possible l'extrémité clivée 102 à lentiller (respect de la dimension du coeur 106 de la fibre 100 et absence de mélange des indices par fusion) ; ceci ne pose en principe pas de problème, compte tenu des masses de matière très différentes (aiguille 210 et fibre 100) en présence sous l'arc électrique. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. Par exemple lors de l'étampe d'alignement de la fibre clivée 100 et de la fibre étirée 200, un signal optique peut être injecté à l'extrémité non utilisée de l'une des deux fibres 100 et 200, la fibre clivée 100 de préférence. Le signal optique est alors véhiculé par le coeur de la fibre considérée et se retrouve au niveau du contact : fibre clivée/fibre étirée. Si par simple contact mécanique, ce signal optique passe de la fibre éclairée à l'autre fibre, l'alignement est assuré et le soudage peut alors être effectué. Une telle étape de contrôle optique d'alignement peut compléter efficacement l'alignement mécanique précité. REVENDICATIONS 1. Fibre optique caractérisée par le fait qu'elle comprend une extrémité clivée (102) et une lentille (220) rapportée par soudure sur cette extrémité clivée (102), en regard du coeur (106) de la fibre optique (100). 2. Fibre optique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la lentille (220) soudée sur le coeur (106) de l'extrémité clivée (102) de la fibre optique (100) provient de la pointe d'un morceau de fibre étirée (200). 3. Fibre optique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que la surface de l'extrémité clivée (102) de la fibre (100) est généralement plane et orthogonale à l'axe (104) de la fibre et est égale à la section de la gaine (108) de la fibre. 4. Procédé de préparation de la fibre optique conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à : - cliver une fibre optique (100), - étirer coaxialement un morceau d'une autre fibre (200) jusqu'à rupture, sous l'action d'un chauffage, - aligner le morceau étiré de fibre (200) sur l'extrémité clivée (102) de la fibre optique (100) et mettre en contact mécanique la pointe du morceau étiré de fibre (200) et le coeur (106) de l'extrémité clivée (102) de la fibre optique (100), et - souder sur le coeur (106) de l'extrémité clivée (102) de la fibre optique (100) une partie (220) de la pointe du morceau étiré de fibre (200) pour former une lentille de courbure désirée (220). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'étape de soudage précité consiste en - une fusion rapide et de faible intensité de la pointe de morceau étiré de fibre (200), avec retrait de celle-ci dès l'apparition du soudage sur le coeur (102), afin de libérer une aiguille (210) de taille adéquate, liée au coeur (102), puis - une fusion de l'aiguille de verre (210) à l'aide d'au moins une passe sous chauffage de faible intensité, jusqu'à l'obtention de la courbure désirée de la lentille (220). 6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé par le fait que l'étape de clivage de la fibre optique (100) est opérée par courbure de celle-ci jusqu'à rupture. 7. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé par le fait que l'étape d'étirage d'un morceau de fibre optique est opérée sous chauffage par arc électrique. 8. Procédé selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé par le fait que l'alignement de la fibre clivée (100) et de la fibre étirée (200) est obtenue en plaçant celles-ci sur des supports respectifs, en V, alignés. 9. Procédé selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé par le fait que l'alignement de la fibre optique clivée (100) et de la fibre optique étirée (200) est contrôlé en injectant un signal optique dans l'extrémité non utilisée de l'une des deux fibres. 10. Procédé selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé par le fait que la mise en contact mécanique de la pointe de morceau étiré de fibre (200) et du coeur (106) de la fibre clivée (100) est accompagné d'une légère pression axiale. 11. Procédé selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé par le fait que l'étape de soudage est réalisée sous arc électrique. 12. Procédé selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé par le fait que l'étape de soudage est réalisée sous chauffage par laser.