Brevet FR2687596A1 — publié le 19930827

PROCEDE DE PERÇAGE D'UNE VIROLE POUR FIBRE OPTIQUE. La présente invention a pour objet un procédé de perçage dans une virole, d'une ouverture destinée à recevoir l'extrémité d'une fibre optique. Dans le but d'obtenir un couplage optimal entre fibres optiques, les ouvertures ménagées aux extrémités des viroles (ou "férules") des connecteurs pour fibres optiques doivent présenter un diamètre extrêmement précis (à 1 micron près), une faible conicité, et une très bonne concentricité avec le diamètre extérieur de la virole (précision de l'ordre du micron). Les procédés actuellement connus pour réaliser de telles ouvertures mettent en oeuvre, soit un moulage d'une matière plastique, soit un usinage mécanique, ne permettent pas d'atteindre une précision élevée. La présente invention a pour objet un procédé de perçage permettant de réaliser une ouverture dans une virole avec une précision élevée, de préférence de l'ordre du micron. Le procédé selon l'invention est dans ce but caractérisé par la focalisation d'un faisceau laser photoablatif sensiblement dans l'axe de l'ouverture à pratiquer, et par la mise en rotation relative de la virole et du faisceau laser autour dudit axe, le processus de photoablation étant poursuivi jusqu'à l'obtention de l'ouverture désirée. I1 est particulièrement avantageux que la virole soit en matériau plastique qui ne soit chargé ni de fibres de verre, ni de billes. Le déplacement du faisceau laser peut être réalise perpendiculairement audit axe jusqu'à obtention d'un diamètre désiré de l'ouverture, le faisceau laser focalisé ayant une section inférieure à celle de l'ouverture. Le procédé peut ainsi comporter une première étape de perçage d'un avant-trou au cours de laquelle le faisceau laser a son axe sensiblement confondu avec ledit axe, et une deuxième étape au cours de laquelle est effectué ledit déplacement du faisceau. Dans le but d'obtenir une profondeur de champ optimale pour le faisceau focalisé, la focalisation est obtenue par des moyens de focalisation dont la distance focale est au moins égale à 250 mm, et de préférence comprise entre 300 et 350 mm. Le diamètre du faisceau focalisé peut être sensiblement égal à 70 microns. La profondeur de l'ouverture à percer peut être avantageusement comprise entre 0,5 et 0,6 mm. Selon un mode de réalisation préféré, la profondeur de champ du faisceau focalisé est sensiblement supérieure à la profondeur de l'ouverture à percer. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins qui représentent - la figure 1, un schéma général d'un dispositif de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, mettant en oeuvre un calculateur, - la figure 2, un mode de réalisation préféré de l'ensemble opto-mécanique commandé par ledit calculateur, - la figure 3, une représentation de paramètres du faisceau laser au voisinage de son point de focalisation, - la figure 4, une vue en coupe d'une virole dont la partie avant présente une ouverture destinée à recevoir une fibre optique. Selon la figure 1, un laser L, par exemple un laser à excimères, génère horizontalement un faisceau de rayonnement 20 qui est renvoyé verticalement par un miroir 14 incliné à 45" pour être focalisé par une lentille 10 sur un ensemble de platines motorisées 7 et 8 selon deux directions horizontales perpendiculaires respectivement X et Y. La lentille 10 est solidaire d'une platine motorisée 12 permettant de la translater selon une direction verticale Z. Le faisceau laser est diaphragmé par un dispositif de filtrage spatial SF. Le laser L est alimenté par un circuit d'alimentation LPS. Les platines motorisées 7, 8 et 12 sont commandées par un dispositif de commande de moteurs MC. Un processeur PU commandé par un clavier C présente un dispositif de visualisation S, et commande un circuit d'interface INT qui fournit des signaux de commande d'une part à une imprimante PR et d'autre part, à un bus fournissant des signaux de commande à un circuit d'entrée/sortie I/O qui, à son tour commande d'une part un oscillateur programmable POSC et d'autre part, le circuit de commande de moteurs MC. L'oscillateur programmable POSC commande le circuit d'alimentation du laser LPS. A la figure 2, les platines motorisées 7 et 8 sont commandées par des dispositifs respectivement, 17 et 18, et sont superposées. La platine 8 porte un support 9 sur lequel est disposé un moteur 6 rotatif pas à pas commandé par un dispositif 16. La face supérieure du moteur 6 reçoit deux platines à commande manuelle orthogonales 4 et 5 qui sont superposées et qui sont commandées respectivement par des dispositifs de commande manuelle 14 et 15. La lentille 10 est fixée en 11 à la platine motorisée 12. La partie supérieure de la platine 4 reçoit un support 3 sur lequel est disposée une virole à usiner 1 maintenue en place avec son axe vertical par une cale 2. L'usinage consiste (voir figure 4) à réaliser une ouverture débouchante 25 de diamètre nominal do à la partie avant 24 de la virole 1, avec une co-axialité élevée avec le contour extérieur 26 (cylindrique ou présentant un profil en forme de V). Les platines manuelles de micro-déplacement 4 et 5 permettent d'ajuster la position relative de l'axe de la virole à usiner et du centre de rotation de la platine tournante 6 pour assurer la co-axialité ou la concentricité entre l'ouverture 25 et le contour 26. Elles permettent également de faire coïncider cet axe avec l'axe Z1 du faisceau 20. Les platines motorisées 7 et 8 permettent un déplacement de l'ensemble vis-à-vis de l'axe Z1 du faisceau focalisé 20 de manière à permettre le réglage éventuel du diamètre du trou à usiner. Le fonctionnement du système est assuré de la manière suivante. Une série d'ordres est entrée par le clavier C pour être mémorisée par le processeur PU. La série d'ordres est ensuite exécutée, les ordres étant envoyés séquentiellement par l'intermédiaire du bus précité vers le module d'entrée/sortie I/O qui gère à la fois la commande de moteurs MC et l'oscillateur programmable POSC. Les platines motorisées 7, 8 et 12 et la platine tournante 6 sont commandées pas-à-pas. Le séquencement est donc simple, le circuit d'une commande de moteur MC adressant les impulsions de commande correspondantes aux platines respectives. Les paramètres du laser qui conditionnent la qualité de perçage sont essentiellement l'énergie par impulsion, le nombre de tirs, la distance focale de la lentille 10, le diamètre D du faisceau incidant sur la lentille 10 et sa divergence. Une fois atteint le seuil de photoablation correspondant au matériau usiné, le perçage peut s'effectuer. Une augmentation de l'énergie entraîne une augmentation de la profondeur de perçage par impulsion. Quand la densité d'énergie devient trop forte, le plasma produit par la photoablation risque de détériorer l'état de surface. Le nombre d'impulsions nécessaires (de l'ordre de quelques milliers) dépend de la densité d'énergie à la surface du matériau. Les dimensions, les formes et la qualité du perçage dépendent directement de la qualité du faisceau et en particulier de la distance focale de la lentille utilisée. La figure 3 représente un faisceau laser de diamètre D focalisé par une lentille 10 de distance focale F avec une convergence d'angle e et formant une tache de diamètre minimal d. Soit P, la profondeur de champ de part et d'autre du plan correspondant au diamètre minimum, c'est-à-dire du plan focal. Au-delà de ce plan, le faisceau diverge avec un angle e et de façon symétrique vis-à-vis de celui-ci. Le diamètre d a pour valeur d = 4 F/ F/7r D (1) dans lequel N, est la longueur d'onde du faisceau 20. On définit la profondeur de champ P comme la distance à laquelle la densité d'énergie tombe à 90% de celle dans le plan où le faisceau est le plus petit. Elle a pour valeur P = + pd2/ > (2) P = constante dépendant des caractéristiques de faisceau. L'angle e valant approximativement D/F, la relation (1) peut s'écrire sous la forme ed = 4 ?\ /7 (3) Le produit du diamètre minimum d et de l'angle de divergence est constant et dépend seulement de la longueur d'onde ss . Pour un laser à excimères dont le faisceau est multimode, on définit un coefficient constant M2. La relation (3) devient alors ed : 4M2 X /Sd'où la taille du faisceau focalisé. La profondeur de champ vaut alors d2 P=f 12 4h M2 Les résultats les meilleurs en pratique sont obtenus avec une lentille 10 de distance focale supérieure à 250 mm et de préférence comprise entre 300 et 350 mm. On obtient ainsi un diamètre d de l'ordre de 80 microns et une profondeur de champ P de l'ordre de + 500 microns. Le laser à excimères utilise les propriétés de molécules diatomiques possède des états excités liés et un état fondamental dissociatif ce qui facilite l'obtention d'une inversion de population nécessaire au fonctionnement d'un laser. Plusieurs types de lasers à excimère existent, les plus couramment utilisés sont à base d'halogénure de gaz rares (ArF, KrF, XeCl, XeF). La longueur d'onde de la radiation émise par ces lasers se situe dans le domaine ultraviolet : 193 nanomètres (ArF), 243 nanomètres (KrF), 308 nanomètres (XeCl), 351 nanomètres (XeF). Les lasers à excimères sont essentiellement impulsionnels. La durée typique des impulsions s'étend entre 10 et 40 nanosecondes. L'énergie par impulsions est comprise entre 10 mJ et 2 J (de préférence > 100 mJ). Les densités d'énergie par impulsion sont comprises entre 10 et 400 mJ par cm2. Les cadences de répétition des impulsions peuvent atteindre 500 Hz mais sont de quelques dizaines de Hz pour une application telle que l'usinage. Le profil du faisceau est généralement rectangulaire et la divergence dépend du type de cavité. Le filtre spatial SF (voir figure 1) est placé à la sortie du laser L. Le filtrage est effectué par deux lentilles 30 et 31 formant un système afocal grandisseur de rapport 2, et par une pièce 31 en tungstène ou en téflon formant diaphragme placée au foyer de la première lentille 30. Ce dispositif a pour but d'éliminer toutes les parties du faisceau mal focalisables principalement en raison de phénomènes de diffraction, ainsi que de diminuer la divergence. La pièce 31 présente un trou dont le diamètre est ajusté de manière à filtrer sans la tronquer la partie utile du faisceau. Elle est positionnée par un réglage très fin dans le plan focal de la lentille 30. Le diamètre de perçage peut être ajusté finement par déplacement relatif du faisceau laser et de l'axe de rotation de la platine tournante 6. Cette fonction est ici réalisée par des platines motorisées 7 et 8. Si l'on perce alors que l'axe du faisceau et l'axe de rotation de la platine 6 sont confondus, le trou obtenu a un diamètre qui dépend de la distance focale F. I1 est possible de choisir cette distance focale de telle sorte que le diamètre du trou soit égal au diamètre d'une fibre nue pourvue de sa gaine optique, à savoir 125 microns. Cependant, on obtient de meilleurs résultats quant à la conicité du trou obtenu en utilisant un faisceau dont le diamètre d est inférieur à celui du trou à percer, soit d par exemple égal à environ 80 microns. La méthode préférée consiste alors à percer un avant-trou de diamètre sensiblement égal à 80 microns, l'axe du faisceau 20 et l'axe de rotation de la platine 6 étant confondus, puis à poursuivre le perçage en élargissant l'ouverture ainsi pratiquée en déplaçant l'une ou l'autre des platines motorisées 7 et 8 (ou les deux) jusqu'à obtention d'une ouverture égale au diamètre désiré, à savoir 125 microns. Comme mentionné ci-dessus, il a été fait état d'une profondeur de champ P de + 500 microns. Cette valeur est particulièrement favorable en ce qu'elle permet de réaliser une ouverture dans l'extrémité d'une virole dont l'épaisseur e est de l'ordre de 0,5 à 0,6 mm, soit inférieure à la profondeur de champ totale (1 mm dans l'exemple précité). En effet, il n'est pas nécessaire dans ce cas de déplacer le faisceau parallèlement à l'axe Z pendant le perçage du trou 25, puisque le faisceau 20 focalisé est efficace sur une zone couvrant largement toute la profondeur du trou 25 à réaliser (voir figure 4). On remarquera enfin que le phénomène de photoablation des matériaux tels que les matières plastiques n'est très satisfaisant que si le matériau est suffisamment homogène. Dans le cas de matériaux chargés, on se limitera à des matériaux à charges de très petites dimensions noyées ou à répartition homogène et on évitera des charges non homogènes telles que les fibres de verre ou des billes. REVENDICATIONS 1. Procédé de perçage dans une virole, d'une ouverture destinée à recevoir l'extrémité d'une fibre optique, caractérisé par la focalisation d'un faisceau laser photoablatif (20) sensiblement dans l'axe de l'ouverture à pratiquer, et par la mise en rotation relative de la virole (1) et du faisceau laser (20) autour dudit axe, le processus de photoablation étant poursuivi jusqu'à obtention de l'ouverture (25) désirée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la virole (1) est en matériau plastique ne présentant pas de charges inhomogènes. 3. Procédé selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé par un déplacement du faisceau (20) perpendiculairement (X, Y) audit axe jusqu'à obtention d'un diamètre désiré (dg) de l'ouverture, le faisceau laser focalisé ayant une section (d) inférieure à celle de l'ouverture (25). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une première étape de perçage d'un avant-trou au cours de laquelle le faisceau laser (20) a son axe sensiblement confondu avec ledit axe, et une deuxième étape au cours de laquelle est effectué ledit déplacement du faisceau (20). 5. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte la mise en rotation de la virole (1) sur un tour (6) présentant un axe de rotation qui constitue l'axe de l'ouverture (25) à percer. 6. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la focalisation est obtenue par des moyens de focalisation (10) dont la distance focale (F) est au moins égale à 250 mm. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la distance focale (F) est comprise entre 300 et 350 mm. 8. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre du faisceau focalisé (20) est sensiblement égal à 80 microns. 9. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la profondeur de champ (2P) du faisceau focalisé est sensiblement supérieure à la profondeur (e) de l'ouverture (25) à percer. 10. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la profondeur (e) de l'ouverture à percer est comprise entre 0,5 et 0,6 mm.