Brevet FR2696842A1 — publié le 19940415

Composant de couplage optique L'invention concerne un composant de couplage optique. Par " composant de couplage optique ", ou plus simplement " coupleur ", on entendra de la façon la plus générale un composant comportant une face d'entrée recevant un faisceau lumineux et/ou une face de sortie émettant un faisceau lumineux, et au moins une lentille focalisant le faisceau lumineux en un plan image. Ce composant peut être de diverses natures, notamment: coupleur actif électrooptique, à savoir coupleur actif compor- tant par exemple un composant électronique actif photoémis- sif ou photorécepteur dont la surface sensible est située au niveau du plan de focalisation de la lentille; le composant pos- sède alors une entrée optique et une sortie électrique, ou vice versa, photocoupleur, c'est-à-dire association d'un coupleur à compo- sant photoémetteur à un coupleur à composant photorécep- teur, le composant résultant ayant une entrée électrique et une sortie électrique, entrée et sortie étant isolées galvanique- ment du fait de la double transformation électrique/optique puis optique/électrique. coupleur passif, par exemple une jonction de fibre optique, sous ses diverses formes: connecteur (avec une terminaison de fibre équipée), raccord (avec deux terminaisons de fibre équipées), embase, traversée (constituée de deux embases mi- ses dos à dos), etc. coupleur actif non électrooptique: par exemple un coupleur de chaîne pyrotechnique assurant la focalisation d'une énergie lumineuse produite par une impulsion laser transmise le long d'une fibre optique sur un explosif primaire disposé au niveau du plan de focalisation. Les applications particulières qui vont être décrites ou évoquées par la suite ne sont donc nullement limitatives, le concept de l'inven- tion pouvant s'appliquer, de façon générale, à une très grande variété de composants de couplage optique. L'un des buts de l'invention est de réaliser un tel coupleur par des moyens faciles à mettre en oeuvre sur le plan industriel, avec une très grande précision de réalisation et une fiabilité élevée en dépit d'un coût de fabrication très réduit. Plus précisément, le but de l'invention est de réaliser un tel cou- pleur qui présente une excellente résistance à des pressions élevées, et même très élevées Dans le cas particulier d'un coupleur de chaîne pyrotechnique, il peut être ainsi souhaitable que le coupleur puisse résister à une pression de type déflagration supérieure à 1 M Pa; mais il existe bien entendu des cas o, sans qu'il soit néces- saire que le composant résiste à des pressions aussi extrêmes, il doive présenter une bonne herméticité, typiquement à des pressions de quelques bars, avec une parfaite fiabilité et l'assurance d'une bonne tenue dans le temps. Un coupleur optique est par exemple décrit dans le DE-A- 39 32 579, qui concerne plus précisément un composant électroopti- que permettant de coupler une diode laser à une fibre optique, avec un système de focalisation comportant une bille de verre Toutefois, dans ce composant, l'étanchéité du coupleur est obtenue par soudure périphérique des pièces du boîtier contenant la bille et la diode laser: cette technique est classique, mais elle est lourde à mettre en oeuvre du point de vue industriel. Par ailleurs, dans les coupleurs optiques la lentille (le plus sou- vent une bille, comme dans l'antériorité précitée) est généralement collée au corps du composant pour assurer son maintien L'ensemble (bille collée, boîtier en plusieurs pièces, fermeture par soudage, etc) donne une structure assez hétérogène, difficile et coûteuse à réali- ser. La présente invention se propose de pallier ces divers inconvé- nients en atteignant les buts précités. À cet effet, le coupleur de l'invention est caractérisé en ce que le composant comporte un corps tubulaire et en ce que la lentille est en un matériau élastiquement déformable d'élasticité supérieure à celle du matériau du corps, la lentille étant emmanchée à force dans le corps tubulaire, le serrage de la lentille dans le corps assurant à lui seul le maintien mécanique de la lentille et l'étanchéité du volume intérieur du corps à l'arrière de la lentille. Très avantageusement, le matériau de la lentille et celui du corps tubulaire sont choisis de manière à présenter des coefficients de dilatation essentiellement proches l'un de l'autre sur toute la plage de température d'utilisation du composant. De préférence, l'écart dimensionnel, procurant l'emmanchement à force, entre diamètre extérieur de lentille et diamètre intérieur d'alésage est d'environ 4 à 16 gm, pour des diamètres nominaux de lentille et de tube d'environ 2 à 5 mm et une température comprise entre 20 et 1000 C. La lentille peut être une lentille sphérique; le coupleur peut alors, dans un mode de réalisation particulier, comporter en outre, à l'arrière de la lentille sphérique, une autre lentille sphérique, égale- ment emmanchée à force dans le corps tubulaire La lentille peut également être, en variante, un barreau cylindrique à indice varia- ble. Par ailleurs, le corps tubulaire peut comporter, en partie arrière de la lentille, un épaulement de sécurité contre lequel porte une sur- face non optiquement active de cette lentille. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaî- tront à la lecture de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réalisation, faite en référence aux dessins annexés. La figure 1 représente, en coupe, un exemple de coupleur électro- optique actif mettant en oeuvre les enseignements de l'invention. La figure 2 illustre la manière dont est effectué le montage du coupleur de la figure 1. La figure 3 illustre une variante de réalisation comportant un système optique à double bille. Sur la figure 1, on a illustré à titre d'exemple un composant pho- torécepteur selon l'invention, comprenant un corps tubulaire cylin- drique 1 dont le volume intérieur 2 débouche vers l'extérieur par une région 3 formant face d'entrée, par exemple une ouverture cylin- drique dont le diamètre intérieur 01 correspond au diamètre exté- rieur d'une virole portant une extrémité de fibre optique, la virole (non représentée) étant alors introduite dans cette ouverture. En partie arrière, le tube est fermé par un élément 4 comportant un composant électro-optique dont la surface sensible 5 est située dans l'axe A du corps tubulaire 1 et perpendiculairement à cette même direction A. Le coupleur comporte enfin un élément optique ou lentille 6 per- mettant de focaliser le flux lumineux pénétrant par la face d'entrée 3 sur une surface de dimension 02 plus réduite et dont le plan objet est situé, axialement, au niveau de la surface sensible 5 du compo- sant électro-optique 4, permettant ainsi de focaliser ou collimater le faisceau sur le composant afin de maximiser l'efficacité de conver- sion. Bien entendu, on pourrait, en gardant la même structure, prévoir à l'inverse un composant 4 photoémissif, tel qu'une diode laser; dans ce cas la lentille 6 aurait pour fonction d'adapter le faisceau laser émis par la diode 4 au diamètre d'ouverture, plus élevé, de la fibre. Dans l'exemple illustré, la lentille 6 est une bille sphérique, ce qui correspond à la configuration la plus couramment rencontrée. Cette forme n'est cependant pas limitative, et l'on pourrait égale- ment utiliser d'autres types de lentilles, notamment un barreau cylindrique à indice variable (barreau dit " SELFOC "). Dans une telle structure telle qu'elle était réalisée jusqu'à pré- sent, la bille était généralement collée ou maintenue par des moyens mécaniques tels que bague ou manchon Toutefois, dans ce cas, la bille ne pouvait en aucune façon participer à l'étanchéité du compo- sant (c'est-à-dire à la protection du volume intérieur 2 du coupleur et donc de la face sensible 5 du composant électrooptique 4), de sorte qu'il était nécessaire de prévoir des moyens supplémentaires d'étan- chéité, généralement par construction soudée, comme cela est décrit dans le DE-A-3 932 579 précité. Au contraire, dans la présente invention, on fait en sorte que la bille (ou autre forme de lentille) assure d'elle même l'étanchéité, et ceci par le seul fait du contact périphérique avec la paroi intérieure du corps 1. À cet effet, la bille est enfoncée à force dans le corps tubulaire, le matériau du corps et, surtout, celui de la bille étant choisis de manière que l'élasticité du verre assure de son seul fait le maintien mécanique et l'étanchéité de la bille dans le corps. De préférence, on choisit pour le tube un acier inoxydable et pour la bille un matériau présentant les propriétés optiques et mécani- ques voulues tel que verre, saphir ou PMMA Dans ce cas, la défor- mation du fait de l'enfoncement résulte essentiellement de l'élasti- cité du matériau de la bille, qui se déforme notablement plus que l'acier, ce qui permet de conserver au composant des dimensions extérieures inchangées en dépit de l'enfoncement à force de la bille. A titre purement illustratif, on peut ainsi utiliser, pour le maté- riau de la bille 6, un verre tel que le verre FBS E 37-30 836-302 commercialisé par la société SOVIREL (filiale française de Corning Glass), qui peut être obtenu sous forme de billes offrant une très grande qualité dimensionnelle et géométrique et des paramètres optiques (tout particulièrement l'indice de réfraction) très bien maî- trisés; l'utilisation d'autres matériaux optiques tels que saphir ou PMMA reste dans le cadre de l'invention, les ajustements étant maintenus dans les domaines élastiques des matériaux choisis Pour le corps tubulaire 1, on peut utiliser la nuance d'acier inoxydable Z 2 CN 18-10, qui peut être aisément usinée avec une excellente qualité d'alésage (précision, état de surface, coaxialité), typiquement avec une précision de l'ordre du micromètre. On notera que la qualité dimensionnelle de la bille est un facteur essentiel car, outre sa bonne sphéricité, la bonne précision sur son diamètre nominal conditionne la rep::oductibilité de la force d'em- manchement, les contraintes mécaniques exercées sur la bille (et donc les phénomènes de photoélasticité, qu'il convient de parfaite- ment maîtriser), la tenue mécanique, l'étanchéité et le taux de rebut à la fabrication. Le choix des matériaux respectifs de la bille et du corps tubulaire doit en outre tenir compte du fait que, le système étant composé de deux matériaux hétérogènes, son comportement en température va dépendre des coefficients de dilatation de chaque élément Il est dont important de choisir des matériaux compatibles, c'est-à-dire évoluant sensiblement de la même manière, afin de préserver en toutes circonstances (c'est-à-dire sur toute la plage de température admissible et pour toutes les tolérances dimensionnelles possibles des pièces) un taux de serrage convenable, nécessaire pour assurer la tenue à la pression La variation dimensionnelle du diamètre de l'alésage dépend également de l'épaisseur de la paroi du corps tubu- laire L'ensemble de ces paramètres est choisi de manière que le taux de serrage soit le moins possible affecté par la température. Ainsi, par exemple pour un diamètre d'alésage du corps tubulaire compris entre 2 et 5 mm (avec une tolérance d'usinage de l'ordre de 1 jnm), un diamètre de bille supérieur de 5 à 16 grm au diamètre de l'alésage permet d'obtenir en toute circonstance un ajustement avec serrage présentant une étanchéité suffisante mais n'engendrant pas de contrainte trop importante sur la bille, susceptible de générer des phénomènes de photoélasticité avec des effets sensibles La tenue mécanique est également garantie. Ces deux valeurs extrêmes de 5 et 16 p m correspondent à l'écart dimensionnel minimal et à l'écart dimensionnel maximal admissi- bles quelle que soit la température, typiquement sur la plage de température 20 'C-100 'C. En pratique, la mise en oeuvre s'effectue, comme illustré schéma- tiquement figure 2, par mise en place de la bille 6 dans le tube 1 au moyen d'une presse à main, le tube étant posé sur le bâti fixe 7 de la presse et la bille étant sollicitée par un poussoir 8 qui vient prendre appui sur les parties non actives de la bille afin de ne pas détériorer le comportement optique de celle-ci Cette mise en oeuvre, simple et rapide, fait appel à un matériel traditionnel et ne nécessite pas de qualification particulière. La figure 3 illustre une variante dans laquelle le système optique comporte deux lentilles sphériques constituées de deux billes 6 et 9 emmanchées chacune à force dans un alésage de diamètre approprié du corps 1 La cavité 2 peut notamment être remplie d'un explosif primaire de déclenchement d'une chaîne pyrotechnique Un tel sys- tème optique permet de focaliser la lumière issue d'une fibre optique de 400/430 p m d'ouverture, appliquée contre la bille d'entrée 9, sur la face de la bille de sortie 6 avec un grandissement de l'ordre de 0,6, soit un diamètre de tache de l'ordre de 240 gim On peut par exemple choisir pour la bille 6 un diamètre de 2,5 mm et pour la bille 9 un diamètre de 1,55 mm, les deux billes étant en contact l'une avec l'autre (ce qui est plus simple d'un point de vue purement mécani- que), avec un indice de verre de l'ordre de 1,8 assurant un bon com- promis entre aberrations et pertes, tout en travaillant avec un maté- riau couramment disponible. La bille 6, bien qu'elle ne soit pas directement soumise à des con- traintes extérieures importantes, peut être retenue en place, outre le maintien par emmanchement sur - a région périphérique 10, par un écrou de maintien supplémentaire tel que 13, venant en appui sur une zone non active de la bille La bille 9, pour sa part, étant directement soumise aux contraintes extérieures, on peut améliorer encore sa tenue mécanique (résultant de l'emmanchement à force par la région périphérique 11) par le biais d'un épaulement 12 Le système résultant présente alors une double barrière d'étanchéité, formée par les deux billes, ainsi qu'une excellente tenue mécanique. REVENDICATIONS 1 Un composant de couplage optique, comportant une face d'entrée ( 3) recevant un faisceau lumineux et/ou une face de sortie émettant un faisceau lumineux, et au moins une lentille ( 6) focali- sant le faisceau lumineux en un plan image, caractérisé en ce que le composant comporte un corps tubulaire ( 1) et en ce que la lentille est en un matériau élastiquement défor- mable d'élasticité supérieure à celle du matériau du corps, la lentille étant emmanchée à force dans le corps tubulaire, le serrage de la lentille dans le corps assurant à lui seul le maintien mécanique de la lentille et l'étanchéité du volume intérieur du corps à l'arrière de la lentille. 2 Le composant de la revendication 1, dans lequel le matériau de la lentille et celui du corps tubulaire sont choisis de manière à pré- senter des coefficients de dilatation essentiellement proches l'un de l'autre sur toute la plage de température d'utilisation du composant. 3 Le composant de la revendication 1, dans lequel l'écart dimen- sionnel, procurant l'emmanchement à force, entre diamètre exté- rieur de lentille et diamètre intérieur d'alésage est d'environ 4 à 16 lim, pour des diamètres nominaux de lentille et de tube d'environ 2 à 5 mm et une température comprise entre 20 et 1000 C. 4 Le composant de la revendication 1, dans lequel la lentille est une lentille sphérique. Le composant de la revendication 2, comportant en outre, à l'arrière de la lentille sphérique ( 6), une autre lentille sphérique ( 9), également emmanchée à force dans le corps tubulaire. 6 Le composant de la revendication 1, dans lequel la lentille est un barreau cylindrique à indice variable. 7 Le composant de la revendication 1, dans lequel le corps tubu- laire comporte, en partie arrière de la lentille, un épaulement de sécurité ( 12) contre lequel porte une surface non optiquement active de cette lentille.