Brevet FR2681438A1 — publié le 19930319

Procédé pour limiter les pertes de couplage entre une fibre optique monomode et un système optique présentant respectivement des diamètres de mode différents La présente invention concerne un procédé pour limiter les pertes de couplage entre une fibre optique monomode de diamètre de mode W O et un système optique de diamètre de mode W'0 différent de W O On rappelle ci-dessous les définitions du rayon de mode W d'une fibre optique W O 1,619 2,879 0,65 + -V + - a v 6 avec: V = 2 a \ 2 N A N (fréquence normalisée) a = rayon de coeur ncoeur + N gaine n - a N = N N coeur gaine Typiquement une fibre optique monomode présente un diamètre de coeur de 8 gm à 10 gm environ, et un diamètre extérieur de gaine de 125 gm environ L'écart d'indice à N peut être compris entre -3 -3 -3 x 10 et 50 x 10;la valeur courante est de 5 x 10 à -3 16 x 10 Il est extrêmement difficile de coupler une telle fibre, notamment avec une diode laser Pour atteindre un taux de couplage optimal il faudrait réunir deux conditions: réaliser au bout de la fibre un dioptre de rayon de courbure extrêmement faible et donc très difficile à obtenir, disposer ce dioptre pratiquement au contact de la diode, ce qui est mécaniquement impossible. A l'heure actuelle le taux de couplage ne dépasse pas 45 % à 50 %. Le problème est de créer des moyens assurant un meilleur taux de -2- couplage malgré le maintien d'une distance entre la diode et la fibre qui soit mécaniquement acceptable et des tolérances d'orientation de la fibre vis-à-vis de la diode qui soient réalisables. La présente invention a pour objet un procédé pour limiter les pertes de couplage entre une fibre optique monomode de diamètre de mode W 0, et un système optique de diamètre de mode W'O différent de W 0, caractérisé par le fait que l'on soude sur l'extrémité de ladite fibre monomode un tronçon de fibre multimode, de longueur comprise entre 0,1 et 5 mm, ayant le même diamètre extérieur de gaine que ladite fibre monomode, un diamètre de mode sensiblement égal à W'0, et -3 -3 un écart d'indice à N compris entre 5 x 10 et 50 x 103 Il est extrêmement avantageux pour le montage que ledit tronçon de fibre multimode ait le même diamètre extérieur de gaine que la fibre monomode. L'épissure soudée réalisée entre le tronçon de fibre et la fibre n'entraîne pratiquement qu'une perte inférieure à 0,5 d B Ceci peut s'expliquer par le fait que, sous l'action de la chaleur, il se crée au niveau de l'épissure un phénomène d'interdiffusion radiale et longitudinale des éléments dopants contenus dans les coeurs des deux20 fibres concernées Il en résulte de manière tout à fait surprenante une modification locale et une adaptation mutuelle des deux diamètres de mode correspondants. Grâce à la mise en oeuvre dudit tronçon de fibre multimode on conjugue plus facilement le faisceau de la diode laser avec la fibre monomode La distance de couplage laser-fibre est notablement plus élevée que dans la disposition antérieure; elle peut être multipliée par deux ou trois; le taux de couplage qui en résulte peut être ainsi augmenté de 45 % à 70 % La tolérance angulaire ne constitue pas un paramètre difficilement mattrisable.30 Pour optimiser encore le couplage et tenir compte du fait que la section transversale du faisceau laser issu de la diode est légèrement elliptique, il peut être avantageux de choisir ledit tronçon de fibre avec un coeur elliptique au niveau de son extrémité située du c 8 té de la diode laser Une telle caractéristique peut être obtenue par35 traitement thermique localisé suivant des génératrices prédéterminées -3- dudit tronçon de fibre. Selon une application particulièrement avantageuse, le procédé selon l'invention permet un couplage amélioré de deux fibres optiques monomodes analogues reliées dans un connecteur Pour cela on soude à 5 chaque extrémité des fibres monomodes un tronçon de fibre, comme précédemment défini, de manière à multipler par deux ou par trois leur diamètre de mode tout en gardant le même diamètre extérieur de gaine. La longueur des tronçons de fibre multimode est suffisamment faible pour que soit conservée pratiquement la propagation monomode à10 l'intérieur des deux fibres. La mise en oeuvre d'un tel procédé permet de faciliter de manière importante l'alignement des deux fibres monomodes dans le connecteur; les tolérances d'alignement sont beaucoup moins sévères que dans un connecteur classique et les pertes de la connexion sont15 globalement réduites. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante de modes de réalisation donnés à titre illustratif mais nullement limitatif Dans le dessin annexé:20 La figure 1 est un schéma très simplifié d'un couplage selon l'invention entre une diode laser et une fibre monomode. La figure 2 A montre en coupe schématique partielle la fibre monomode et le tronçon de fibre multimode de la figure 1 avant réalisation de l'épissure soudée.25 La figure 2 B est analogue à la figure 2 A avec l'épissure soudée réalisée. La figure 3 montre schématiquement un faisceau laser de section transversale elliptique. La figure 4 est un schéma simplifié de l'application du procédé selon l'invention à la connexion de deux fibres optiques monomodes par l'intermédiaire d'un connecteur. On a représenté dans la figure 1 une diode laser 1 dont le faisceau doit être couplé avec le meilleur rendement possible avec une fibre monomode 1 A titre d'exemple la longueur d'onde d'utilisation35 se situe dans les domaines de 1,3 am ou de 1,5 am. -4- Le diamètre de mode de la diode laser 1 est de l'ordre du micromètre. Les caractéristiques de la fibre 2 sont les suivantes diamètre de coeur: 8 am diamètre de mode WO: 9,5 FM diamètre extérieur de gaine: 125 Km -3 h N: 5 x 103 Selon l'invention on soude à l'extrémité de la fibre 2 un tronçon de fibre multimode 4 dont les caractéristiques sont les suivantes: diamètre de coeur: 50 Sm longueur:0,15 mm diamètre extérieur de gaine:125 Mm indice de coeur:1,4638 indice de gaine:1, 4468 a N: 17 x 10-3 L'épissure soudée a été référencée 3 On retrouve dans les figures 2 A et 2 B, avant et après la soudure, la fibre 2 avec sa gaine 6 et son coeur 5 et le tronçon de fibre 4 avec sa gaine 7 et son coeur 8 Lors de la réalisation de l'épissure 3, il se crée au niveau de la zone 10 une interdiffusion adiabatique des dopants des coeurs 5 et 8. Le chauffage entraîne un accroissement de la taille du coeur 5 en forme de c 6 ne adiabatique dont les dimensions sont telles que la fibre 2 conserve son caractère monomode De même la longueur choisie pour le tronçon 4 permet également de conserver ce caractère monomode. La face extrême 11 du tronçon de fibre 4 a la forme d'un dioptre sphérique convexe ayant un rayon de courbure au moins égal à 30 Km Un tel dioptre peut être réalisé par diverses méthodes connues telles30 qu'un usinage au laser, un usinage mécanique ou une attaque chimique. Le diamètre de mode W' du tronçon de fibre 4 est alors analogue à o celui de la diode laser 1. La distance maintenue entre la diode 1 et la face 11 est de l'ordre de 20 Fm; les tolérances en x et y dans un plan perpendiculaire à l'axe optique de l'ensemble sont de l'ordre du micron. Le procédé selon l'invention permet d'accroître le couplage entre la diode 1 et la fibre 2 de 45 % à 70 % avec des conditions de réglage ne posant pas de problème mécanique notable. Dans la figure 3 on optimise encore la disposition de la figure 1 en tenant compte du fait que le faisceau 20 issu de la diode 1 a une section transversale elliptique 21 (de dimensions L et 1), avec un rayon de mode W'O variable de la même manière. Alors que l'extrémité du tronçon de fibre située du c 8 té de la fibre 2 présente, comme dans l'exemple de la figure 1, une symétrie cylindrique autour de l'axe optique de l'ensemble du système, l'extrémité située du côté de la diode 1 présente une section transversale avec une gaine extérieurement circulaire de diamètre 125 Bm et un coeur elliptique de section analogue à la section 21 du faisceau 20. Dans la figure 4 apparaît une application extrêmement intéressante du procédé selon l'invention Il s'agit de connecter deux fibres monomodes 51 et 52, analogues à la fibre 2 des exemples précédents, par l'intermédiaire d'un connecteur schématisé par la boîte 50 L'alignement des deux fibres est très critique compte tenu de la dimension très faible de leur coeur Les causes de pertes sont essentiellement le désalignement axial, l'inclinaison et l'écartement. Selon l'invention on soude en 53 et 54 deux tronçons de fibre 55 et 56 analogues au tronçon 4 de l'exemple 1, mais sans face extrême usinée en dioptre convexe Du fait de la forme en c 8 ne adiabatique des coeurs au niveau des épissures et de la faible longueur des tronçons et 56, il n'y a pas de désadaptation modale au niveau du connecteur Les pertes engendrées par les épissures ne sont que de 0,2 d B environ Par contre, grâce à la valeur W'O des deux tronçons de fibre 55 et 56, l'alignement est beaucoup plus aisé et le taux de couplage très amélioré. Un taux théorique de 98 % peut être ainsi obtenu aisément. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux deux modes de réalisation qui viennent d'être décrits On pourra, sans sortie du cadre de l'invention remplacer tout moyen par un moyen équivalent. -6- REVENDICATIONS l/ Procédé pour limiter les pertes de couplage entre une fibre optique monomode de diamètre de mode W 0, et un système optique de diamètre de mode W'O différent de W 0, caractérisé par le fait que l'on soude sur l'extrémité de ladite fibre monomode un tronçon de fibre multimode, de longueur comprise entre 0,1 et 5 mm, ayant le même diamètre extérieur de gaine que ladite fibre monomode, un diamètre de mode sensiblement.3 -3 égal à W'0, et un écart d'indice à N compris entre 5 x 103 et 50 x 103 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, ledit système optique étant une diode laser susceptible d'émettre un faisceau de section transversale sensiblement elliptique, l'extrémité dudit tronçon de fibre multimode voisine de ladite diode est traitée de manière à présenter un coeur avec une section transversale elliptique analogue à celle dudit faisceau.15 3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, ledit système optique étant une diode laser, la face extrême dudit tronçon de fibre multimode voisine de ladite diode a la forme d'un dioptre sphérique convexe ayant un rayon de courbure au moins égal à 30 am. 4/ Application du procédé selon la revendications l à la connexion de deux fibres monomodes par l'intermédiaire d'un connecteur, caractérisée par le fait que l'on soude sur l'extrémité de chaque fibre monomode ledit tronçon de fibre multimode. 5/ Application selon la revendication 4, caractérisée par le fait que ledit diamètre de mode W'O est sensiblement égal à deux ou trois fois ledit diamètre de mode W. J t O