Brevet FR2741455A1 — publié le 19970523

Procédé de formation d'une nappe de fibres optiques inclinées à dioptres de couplage. La présente invention concerne un procédé de formation d'une nappe de fibres optiques dans laquelle chaque fibre doit être munie à son extrémité d'un dioptre de couplage. Un tel dioptre joue le rôle d'une lentille pour limiter les pertes de lumière lorsqu'un couplage optique doit être réalisé entre cette fibre et un autre composant optique. Cette invention s'applique plus particulièrement dans le cas où ces fibres doivent être disposées en une nappe et être inclinées d'un angle différent de 90 degrés sur la direction selon laquelle elles se succèdent dans cette nappe. Ce cas se présente notamment lorsque des amplificateurs optiques sont réalisés sous la forme d'une nappe plane de guides amplificateurs rectilignes mutuellement parallèles et équidistants au sein d'une même plaquette semiconductrice.Cette plaquette présente deux faces de couplage pour l'entrée de la lumière à amplifier et pour la sortie de la lumière amplifiée et ces deux faces sont typiquement planes et mutuellement parallèles. I1 est alors usuel de donner aux guides amplificateurs une direction qui s'écarte de la direction perpendiculaire aux faces de couplage, ceci pour éviter que des réflexions sur ces faces ne provoquent des oscillations optiques transformant ces amplificateurs en oscillateurs laser. De tels oscillateurs auraient une longueur d'onde propre sur laquelle ils émettraient une lumière parasite. Des fibres optiques à coupler à ces amplificateurs en regard d'une face de couplage doivent être disposées en une nappe dans le même plan que les amplificateurs. Pour faciliter les opérations de réalisation et de couplage elles doivent être identiques les unes aux autres. Les intervalles entre les extrémités de couplage des fibres et la face de couplage en regard de la plaquette doivent alors être égaux les uns aux autres, c'est-à-dire que la direction de succession selon laquelle les fibres se succèdent au sein de la nappe doit être parallèle à la face de couplage. Par ailleurs, compte tenu de l'orientation oblique des amplificateurs par rapport à la face de couplage et de la réfraction de la lumière à son passage à travers cette face, les fibres doivent être obliques par rapport à cette face, donc par rapport à leur direction de succession. Ce cas est différent de celui d'une nappe de fibres droites prévue pour permettre un couplage de ces fibres à une barrette d'émetteurs laser semi-conducteurs. La présente invention s'applique typiquement au cas où les fibres optiques sont constituées de silice. Un premier procédé est connu pour réaliser un dioptre de couplage à l'extrémité d'une fibre optique. I1 est notamment partiellement décrit dans un article Microlens fabrication technique for an efficient laser single mode fibre coupling, SPIE vol.836, Optronic Materials Devices, Packaging and interconnects (1987). Il comporte les opérations de base suivantes - Fixation de fibre. I1 s'agit de fixer un tronçon rectiligne d'une fibre optique à un porte-fibre mobile de manière que ce tronçon s'étende jusqu'à une extrémité de cette fibre située à distance de ce porte-fibre. - Puis conformation chimique préalable. I1 s'agit de donner à l'extrémité de la fibre une forme intermédiaire en pointe par trempage de cette extrémité dans un bain d'attaque chimique tel que 4 (voir figure 1). - Enfin chauffage. I1 s'agit de déplacer le porte-fibre pour faire entrer l'extrémité de la fibre dans la zone d'action du moyen de chauffage et pour l'en faire sortir. La durée du séjour de cette extrémité dans cette zone est telle que cette extrémité fonde partiellement. Elle est plus précisément telle que des forces de tension superficielle et/ou de gravité modifient la forme de cette extrémité pour la faire passer de la forme intermédiaire précédemment réalisée à une forme souhaitée finale permettant un bon couplage optique. Ce déplacement de chauffage est illustré partiellement à la figure 2 sur laquelle F' représente un tronçon de fibre optique vertical et P' l'extrémité inférieure a conformer de ce tronçon. La zone de chauffage ZC est occupée par un plasma créé par un arc électrique formé entre deux électrodes 32 et 34. Le déplacement de chauffage MC' est un déplacement vertical comportant une descente et une remontée pour tremper temporairement l'extrémité à conformer P' dans la zone de chauffage ZC. Certaines dispositions sont prises pour rendre les résultats reproductibles.De telles dispositions sont les suivantes - l'arc électrique est soigneusement stabilisé, - les vitesses de descente et de montée et la position du point le plus bas atteint par l'extrémité à conformer sont soigneusement conservées de l'une à l'autre de deux opérations de chauffage d'extrémité effectuées successivement sur deux fibres optiques, - ces fibres sont choisies identiques au départ, et elles ont subi les mêmes traitements préalables de conformation chimique. Malgré ces dispositions les formes conférées aux extrémités de ces deux fibres ne sont alors en général pas aussi voisines qu'on le souhaite. Ce défaut de reproductibilité empêche de réaliser collectivement un bon couplage pour toutes les fibres d'une nappe de fibres. C'est pourquoi un deuxième procédé est connu pour former des dioptres de couplage. I1 est décrit dans le compte rendu OFC'95, page 102. Selon ce deuxième procédé des fibres sont d'abord fixées mutuellement pour former une nappe plane, ceci par fixation de chacune de ces fibres à un porte-fibre collectif. Puis ces fibres subissent collectivement une opération de conformation chimique réalisée par un déplacement d'attaque MA(figure 4) qui trempe temporairement les tronçons d'extrémité de ces fibres dans un bain d'attaque 4 pour former des pointes (P1...P6). Enfin ces fibres subissent collectivement l'opération de chauffage gracie au fait qu'un déplacement de chauffage MC (voir figure 3) est imposé à la nappe, ce déplacement étant une translation régulière de cette nappe selon la direction de succession de ces fibres de manière à faire passer les pointes, P1...P6 de ces fibres dans une zone de chauffage ZC. Dans le cas d'une nappe de fibres inclinées ce deuxième procédé connu n'a pas été utilisé parce qu'il est apparu que les dioptres qui auraient été alors formés auraient été impropres à assurer un couplage optique convenable des fibres optiques usuelles, ceci en raison du fait que, dans une telle fibre, il est connu que la lumière est concentrée au voisinage immédiat de l'axe, alors que le sommet de la pointe susceptible d'être formée par l'opération de conformation chimique est écarté de l'axe par l'inclinaison des fibres, comme il apparaltra de la description ci-après. La présente invention a notamment pour but de permettre de réaliser de manière simple et économique un couplage efficace de toutes les fibres d'une nappe de fibres optiques inclinées. Dans ce but elle a pour objet un procédé comportant pour chaque dite fibre d'abord une conformation chimique formant une pointe puis un chauffage de cette pointe pour l'arrondir, ce procédé étant caractérisé par le fait que ladite conformation chimique est réalisée après que lesdites fibres aient été mutuellement fixées sous la forme de ladite nappe. A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire comment cette invention peut être mise en oeuvre. Les éléments qui se correspondent sur les diverses figures y portent les mêmes chiffres ou lettres de référence. La figure 1 représente une opération de conformation chimique préalable faisant partie aussi bien du premier que du deuxième des procédés connus précédemment mentionnés. La figure 2 a déjà été décrite et représente une opération de déplacement de chauffage faisant partie de ce premier procédé connu. La figure 3 représente une opération de déplacement de chauffage aussi bien selon ce deuxième procédé connu que selon le procédé de la présente invention. Les figures 4 et 5 représentent une opération de conformation chimique préalable respectivement dans le cadre de ce deuxième procédé connu et dans celui de la présente invention. Une partie a de la figure 5 est un diagramme montrant la variation d'une concentration en éléments agressifs selon une profondeur atteinte dans le bain 4 des figures 1, 4 et 5, cette concentration étant portée en abscisses et une altitude complémentaire de cette profondeur étant portée en ordonnées. Les figures 6, 7 et 9 représentent des formes de pointes susceptibles d'être obtenues par une opération de conformation chimique, ceci dans trois hypothèses respectives. La figure 8 représente une fibre optique sur laquelle un dioptre de couplage doit être formé. La figure 10 représente un appareil utilisé pour effectuer l'opération de chauffage de la figure 3. Le procédé selon la présente invention comporte les opérations suivantes connues en elles-mêmes - Une de ces opérations consiste d'abord en un rassemblement d'une pluralité de fibres F1... F6 à usage optique. Chaque dite fibre présente un axe (A, voir figure 8) et comporte un coeur 40 s'étendant selon cet axe et une gaine 42 entourant ce coeur. Une surface initiale 44 de cette fibre est formée par cette gaine et est typiquement un cylindre de révolution autour de cet axe. Chaque point T1 de cette surface constitue un point de surface initiale et est situé sur un même rayon de ce cylindre qu'un point correspondant H1 appartenant audit axe. Une matière de cette fibre est constituée par un verre de coeur dans ledit coeur et par un verre de gaine dans ladite gaine.Cette fibre présente une extrémité 46 par laquelle un couplage optique est à réaliser, un tronçon 48 de cette fibre incluant cette extrémité et constituant un tronçon d'extrémité de couplage de cette fibre. - Une autre dite opération est une conformation chimique dudit tronçon d'extrémité de couplage 48 de chaque dite fibre F1. Cette conformation est réalisée par un déplacement d'attaque MA comportant typiquement une descente et une remontée pour tremper temporairement ledit tronçon d'extrémité de couplage dans un bain d'attaque 4.Ce dernier présente une surface libre horizontale 4D de sorte que lesdits points de surface initiale tels que T1 et T2 atteignent au cours de ce déplacement des profondeurs respectives telles que R1 et R2 au-dessous de cette surface libre. I1 contient des éléments chimiquement agressifs propres à attaquer la silice à une vitesse dépendant de divers paramètres de sorte que, pour un tel bain, on peut définir une ou plusieurs vitesses d'attaque avec lesquelles il peut éliminer progressivement la matière de la fibre à partir de sa dite surface initiale. I1 en résulte que cette matière est éliminée à partir de chaque dit point de surface tel que T1 ou T2 appartenant audit tronçon d'extrémité sur une épaisseur d'attaque telle que El ou E2 propre à ce point et limitée par ces vitesses d'attaque. Des dispositions convenables, qui seront décrites plus loin, sont prises pour que cette épaisseur d'attaque croisse avec ladite profondeur atteinte par ce point au-dessous de la surface libre du bain. Il en résulte que cette conformation chimique transforme le tronçon d'extrémité de couplage en une pointe P1 de cette fibre.Cette pointe présente la forme approximative d'un cône représentant cette pointe et ayant un sommet S1, S2. Une surface de ce cône s'étend de ce sommet jusqu'à une ligne de base 50 commune à cette surface et à ladite surface initiale. Le fait que l'épaisseur d'attaque croisse avec la profondeur atteinte par le point de surface initiale attaqué peut être obtenu de diverses manières. Selon une manière bien connue, et conformément aux figures 4 et 5, les tronçons d'extrémité sont plongés à une profondeur constante pendant un temps prédéterminé, dans la couche supérieure 4B d'un bain 4 dont la couche inférieure 4A contient un élément agressif tel que l'acide fluorhydrique HF. La surface supérieure horizontale de cette couche inférieure constitue une interface 4C. La couche supérieure est constituée d'un liquide inerte plus léger tel qu'une huile....dans lequel l'élément agressif diffuse à partir de l'interface 4C de sorte que la concentration de cet élément décroisse vers le haut.Cette concentration C est portée en abscisses dans la partie a de la figure 5, l'altitude à partir de l'interface 4C étant portée en ordonnées. Elle devient très faible au voisinage de la surface supérieure de la couche supérieure c'est-à-dire au voisinage de la surface libre 4D du bain 4. Les vitesses d'attaque peuvent par ailleurs être approximativement proportionnelles à la concentration en élément agressif. Elles croissent alors avec la profondeur à partir de la surface libre 4D et il en est de même de l'épaisseur d'attaque. Une autre manière pour faire croître l'épaisseur d'attaque avec la profondeur atteinte peut cependant être envisagée même si, dans la pratique actuelle elle ne semble pas préférable. Elle consisterait à utiliser un bain d'attaque présentant une concentration uniforme en élément agressif et à imposer à la nappe de fibres un déplacement vertical aller et retour à vitesse limitée et constante. Pour un verre donné la vitesse d'attaque serait alors indépendante de la profondeur. Mais les épaisseurs d'attaque des divers points de la surface de chaque fibre seraient alors proportionnelles aux temps passés par ces points dans le bain, donc aux profondeurs atteintes par ces points. - Une autre dite opération consiste en un chauffage de chaque dite pointe pour lui donner une forme arrondie constituant un dioptre de couplage jouant le rôle d'une lentille optique et permettant de réaliser ledit couplage optique. Ce chauffage est réalisé par passage de cette pointe dans une zone de chauffage ZC soumise à un moyen de chauffage 32, 34 tel que précédemment décrit. I1 permet de ramollir la matière de la fibre suffisamment pour permettre à des forces de tension superficielle de réaliser cet arrondissement. - Une autre encore des dites opérations connues en elles-mêmes consiste en une fixation mutuelle desdites fibres F1....F6 sous la forme d'une nappe N dans laquelle lesdits dioptres de couplage se succèdent selon une direction de succession DP et dans laquelle les axes desdites fibres F1...F6 sont parallèles à une direction longitudinale DL, cette dernière formant un angle d'inclinaison B non nul avec un plan KP perpendiculaire à cette direction de succession. Un plan de nappe KN inclue lesdits axes. I1 est donc parallèle à la fois à la direction de succession et à la direction longitudinale. La fixation mutuelle des fibres se fait par fixation de chacune des fibres à un même porte-fibre. Ce porte-fibre 2 est constitué de silicium monocristallin et comporte une pluralité de rainures en Vé, mutuellement identiques R1...R6 s'étendant selon la direction longitudinale DL. Ces rainures se succèdent à intervalles réguliers selon la direction de succession DP sur une face 8 de ce porte-fibre. Le plan de nappe KN est parallèle à cette face et éventuellement confondu avec cette face. Cette face et des flancs de ces rainures sont formés selon des plans cristallographiques privilégiés du portefibre. C'est dans cette pluralité de rainures qu'est fixée ladite pluralité de tronçons de fibre F1...F6, respectivement, ceci par exemple par collage. Selon la présente invention ladite conformation chimique est postérieure à ladite fixation mutuelle des fibres de sorte que cette conformation est une conformation collective de ces fibres. Une orientation horizontale est alors donnée pendant le déplacement d'attaque à ladite direction de succession DP pour que les divers tronçons d'extrémité soient attaqués autant que possible de la même manière. Ledit plan de nappe KN est avantageusement vertical. Ladite direction longitudinale est alors nécessairement oblique par rapport à la surface libre du bain et cette obliquité fait apparaître des différences parasites de profondeurs.Ces différences parasites de profondeurs apparaissent chacune entre deux dites profondeurs R1, R2 atteintes au cours du déplacement d'attaque respectivement par deux dits points de surface initiale T1, T2 correspondant à un même point H1 dudit axe A d'une fibre F1. Elles entraînent nécessairement une dissymétrie parasite de la forme de la dite pointe P1 de cette fibre par rapport à son axe. Une telle dissymétrie parasite apparaît par comparaison des figures 6 et 7 qui représentent des coupes de la pointe d'une fibre F1 par le plan de nappe respectivement dans le cas d'une nappe de fibres droites (l'angle d'inclinaison vaut B=O) et d'une nappe de fibres inclinées (BwO). Ces deux figures ont été dessinées pour faciliter la compréhension en faisant une hypothèse simplificatrice selon laquelle la vitesse d'attaque du bain 4 serait proportionnelle à la profondeur à partir de la surface libre 4D et, à profondeur donnée, serait la même pour le verre de coeur que pour le verre de gaine.La différence des profondeurs des points tels que T1 et T2 correspondant à un même point H1 de l'axe A entraîne une différence entre les épaisseurs d'attaque tels que El et E2. I1 en résulte que le sommet S1 du cône formé par l'attaque chimique se trouve à une distance ES1 de l'axe A. Compte tenu des dimensions de coeur (10 tun) et de gaine (125 gm) de fibres de silice usuelles, de vitesses usuelles d'attaque de la silice, et de valeurs pratiques de l'angle B (20 degrés), une telle hypothèse correspondrait à une position du sommet S1 qui serait trop éloignée de l'axe A pour permettre au dioptre de couplage ultérieurement formé de focaliser efficacement une lumière guidée concentrée dans le coeur de la fibre et à son voisinage immédiat. Pour que la présente invention puisse être utilement mise en oeuvre il est en outre nécessaire que ledit bain présente deux dites vitesses d'attaque mutuellement différentes à chaque profondeur sous sa surface libre. Ces deux vitesses d'attaque sont une vitesse d'attaque de coeur pour le verre de coeur et une vitesse d'attaque de gaine pour le verre de gaine. Cette vitesse d'attaque de coeur doit être plus petite que cette vitesse d'attaque de gaine et la différence entre ces deux vitesses doit être suffisante à chaque dite profondeur pour que le sommet du cône S2 associé à la pointe P1 de chaque fibre F1 se forme sensiblement dans le coeur 40 de cette fibre malgré lesdites différences parasites de profondeurs. La comparaison des figures 7 et 9 illustre d'une manière simplifiée l'effet d'une différence importante entre les vitesses d'attaque de coeur et de gaine, la seule différence entre ces deux figures étant que la figure 9 a été dessinée en faisant l'hypothèse que la vitesse d'attaque de coeur était beaucoup plus petite que la vitesse d'attaque de gaine. I1 y apparaît que, lorsque le processus d'attaque chimique atteint le coeur 40 de la fibre F1, la vitesse d'attaque diminue fortement du côté inférieur de la fibre alors qu'à une même profondeur elle reste élevée du côté supérieur de celle-ci. Le sommet S2 se forme alors à une distance ES2. Il en résulte de la différence entre les vitesses d'attaque de coeur et de gaine que cette distance ES2 est plus petite que la distance ES1. De préférence lesdits passages des pointes P1...P6 dans ladite zone de chauffage ZC sont réalisés collectivement par un déplacement de chauffage MC de ladite nappe N. Ce déplacement est une translation régulière et plus précisément une translation à vitesse prédéterminée constante de cette nappe selon ladite direction de succession DP. Ledit moyen de chauffage 32, 34 est avantageusement choisi pour contribuer à donner audit dioptre de couplage une forme sensiblement symétrique autour dudit axe A au voisinage de cet axe. Dans le cadre de la présente invention il a été constaté que, compte tenu de la position donnée par l'opération de conformation chimique au sommet tel que S2 du cône représentatif de la pointe telle que P1, des moyens de chauffage connus tels que précédemment décrits pouvaient facilement être réglés pour corriger partiellement la dissymétrie résiduelle de ce cône au voisinage de l'axe A, et cela d'une manière suffisante pour obtenir une forme convenable du dioptre de couplage. REVENDICATIONS 1) Procédé de formation d'une nappe de fibres optiques inclinées à dioptres de couplage, ce procédé comportant pour chaque dite fibre d'abord une conformation chimique formant une pointe puis un chauffage de cette pointe pour l'arrondir, ce procédé étant caractérisé par le fait que ladite conformation chimique est réalisée après que lesdites fibres aient été mutuellement fixées sous la forme de ladite nappe. 2) Procédé selon la revendication 1, ce procédé comportant les opérations de - rassemblement d'une pluralité de fibres (F1...F6) à usage optique, chaque dite fibre présentant un axe (A) et comportant un coeur (40) s'étendant selon cet axe et une gaine (42) entourant ce coeur, une surface initiale (44) de cette fibre étant un cylindre autour de cet axe, chaque point (T1) de cette surface constituant un point de surface initiale et étant situé sur un même rayon de ce cylindre qu'un point correspondant (H1) appartenant audit axe, une matière de cette fibre étant constituée par un verre de coeur dans ledit coeur et par un verre de gaine dans ladite gaine, cette fibre présentant une extrémité (46) par laquelle un couplage optique est à réaliser, un tronçon (48) de cette fibre incluant cette extrémité et constituant un tronçon d'extrémité de couplage de cette fibre, - conformation chimique dudit tronçon d'extrémité de couplage (48) de chaque dite fibre (F1), cette conformation étant réalisée par un déplacement d'attaque (MA) pour tremper temporairement ledit tronçon d'extrémité de couplage dans un bain d'attaque (4) présentant une surface libre horizontale (4D) de sorte que lesdits points de surface initiale (T1, T2) atteignent au cours de ce déplacement des profondeurs respectives (R1, R2) au-dessous de cette surface libre, ledit bain d'attaque présentant des vitesses d'attaque pour éliminer progressivement ladite matière de ladite fibre à partir de ladite surface initiale de la fibre de sorte que cette matière est éliminée à partir de chaque dit point de surface (T1, T2) appartenant audit tronçon d'extrémité sur une épaisseur d'attaque (El, E2) propre à ce point et limitée par ces vitesses d'attaque, cette épaisseur d'attaque croissant avec ladite profondeur atteinte par ce point au-dessous de ladite surface libre du bain, grâce à quoi ladite conformation chimique transforme ledit tronçon d'extrémité de couplage en une pointe (P1) de cette fibre, cette pointe ayant la forme approximative d'un cône représentant cette pointe et ayant un sommet (S1, S2), une surface de ce cône s 'étendant de ce sommet jusqu'à une ligne de base (50) commune à cette surface et à ladite surface initiale, - chauffage de chaque dite pointe pour lui donner une forme arrondie constituant un dioptre de couplage permettant de réaliser ledit couplage optique, ce chauffage étant réalisé par passage de cette pointe dans une zone de chauffage (ZC) soumise à un moyen de chauffage (32, 34) apte à ramollir ladite matière de la fibre suffisamment pour permettre à des forces de tension superficielle de réaliser cet arrondissement, et - fixation mutuelle desdites fibres (F1....F6) sous la forme d'une nappe (N) dans laquelle lesdits dioptres de couplage se succèdent selon une direction de succession (DP) et dans laquelle les axes desdites fibres (F1...F6) sont parallèles à une direction longitudinale (DL) formant un angle d'inclinaison (B) non nul avec un plan (KP) perpendiculaire à cette direction de succession, - ce procédé étant caractérisé par le fait que ladite conformation chimique est postérieure à ladite fixation mutuelle desdites fibres de sorte que cette conformation est une conformation collective de ces fibres, une orientation horizontale étant donnée pendant le déplacement d'attaque à ladite direction de succession (DP) de sorte que ladite direction longitudinale est oblique par rapport à ladite surface libre et fait apparaître des différences parasites de profondeurs, lesdites différences parasites de profondeurs apparaissant chacune entre deux dites profondeurs (R1, R2) atteintes au cours dudit déplacement d'attaque respectivement par deux dits points de surface initiale (T1, T2) correspondant à un même point (H1) dudit axe (A) d'une dite fibre (F1), ces différences parasites de profondeurs entraînant une dissymétrie parasite de la forme de la dite pointe (P1) de cette fibre par rapport audit axe de cette fibre, - ledit bain présentant deux dites vitesses d'attaque mutuellement différentes à chaque profondeur sous sa dite surface libre, ces deux vitesses d'attaque étant une vitesse d'attaque de coeur pour ledit verre de coeur et une vitesse d'attaque de gaine pour ledit verre de gaine, cette vitesse d'attaque de coeur étant plus petite que cette vitesse d'attaque de gaine et la différence entre ces deux vitesses étant suffisante à chaque dite profondeur pour que ledit sommet du cône (S2) associé à ladite pointe (P1) de chaque dite fibre (F1) se forme sensiblement dans ledit coeur (40) de cette fibre malgré lesdites différences parasites de profondeurs. 3) Procédé selon la revendication 2, lesdits passages desdites pointes (P1...P6) dans ladite zone de chauffage (ZC) étant réalisés collectivement par un déplacement de chauffage (MC) de ladite nappe (N), ce déplacement étant une translation régulière de cette nappe selon ladite direction de succession (DP). 4) Procédé selon la revendication 2, ledit moyen de chauffage (32, 34) étant apte à donner audit dioptre de couplage une forme sensiblement symétrique autour dudit axe (A) au voisinage de cet axe.