Brevet FR2737310A1 — publié le 19970131

PROCEDE ET DISPOSITIF DE COUPLAGE ENTRE UNE FIBRE OPTIQUE ET UN LASER OU UN PHOTODETECTEUR L'invention concerne le couplage entre un élément optoélectronique, par exemple une diode laser ou une photodiode, et une fibre optique, notamment pour l'application à des transmissions optiques d'information, mais aussi pour d'autres applications telles que l'interférométrie par exemple. Dans le cas d'une diode Jaser, on réalise ainsi ce qu'on appelle une tête d'émission optique, destinée à être placée en amont d'un réseau de transmission par fibre optique. Dans le cas d'une photodiode, on réalise une tête de réception des informations à une extrémité aval de réseau. Têtes d'émission et têtes de réception sont concernées par l'invention, mais le cas des têtes d'émission est plus important parce que les tolérances de positionnement sont plus faibles; c'est donc à propos de ce cas que l'invention sera plus précisément décrite. Le couplage du composant optoélectronique et de la fibre doit être fait avec une très grande précision mécanique. Et le positionnement précis doit être maintenu pendant toute la durée de vie du composant, qui peut atteindre plusieurs années. Dans le cas des fibres de transmission monomode, utilisées lorsqu'on veut une plus grande bande passante dans la transmission des informations, la précision est encore plus importante. C'est en effet le coeur de la fibre optique qui doit être placé exactement en face du faisceau laser émis. Pour donner un exemple, dans le cas d'une transmission monomode à 0,8 ou 1,3 micromètres de longueur d'onde, la fibre a un diamètre d'environ 125 micromètres, mais le coeur a un diamètre de 5 ou 8 micromètres; le faisceau laser a un diamètre d'environ 2 micromètres.L'ordre de grandeur de la tolérance pour le positionnement transversal est de 0,1 à 0,3 micromètre environ; sinon, on perd de 5 à 10% de la puissance du laser; pour un décalage de 0,8 micromètre entre le centre du coeur et le centre du faisceau, la perte de puissance peut atteindre 50%. La fixation de la fibre peut être réalisée par trois sortes de technologies: collage de la fibre, brasure, soudure au laser YAG. Les technologies de collage et de brasure, apparues les premières, sont encore largement utilisées avec d'assez bonnes performances. Mais la technique de soudure au laser YAG tend à les remplacer parce qu'elle permet un assemblage quasi-instantané qui se prête mieux à une industrialisation. D'autre part les assemblages réalisés par soudure YAG acceptent des gammes de températures de fonctionnement plus larges. Dans les assemblages par soudure laser, le couplage est réalisé à l'aide de micromanipulateurs permettant de placer la fibre exactement à la bonne position par rapport au composant optoélectronique, en trouvant cette position optimale grâce à des mesures d'énergie lumineuse; par exemple, dans le cas du couplage avec une diode laser, on mesure l'énergie transmise en bout de fibre lorsque la diode laser fonctionne; lorsqu'elle est maximale, c'est que le couplage est optimal. On solidarise alors définitivement la fibre et le composant dans cette position. En général on utilise diverses pièces intermédiaires le composant optoélectronique est fixé sur une plaque de support; I'extrémité de la fibre optique est immobilisée dans un embout de maintien, appelé aussi ferrule, qui est le plus souvent un cylindre enserrant l'extrémité de la fibre et scellé à celle-ci par colle, ou brasure ou soudure au verre; et on utilise d'autres pièces intermédiaires telles que, selon les cas - un cavalier qui enserre la ferrule et repose sur la plaque de support; des tirs laser YAG permettent de fixer le cavalier sur la plaque support et la ferrule dans le cavalier; le positionnement correct reste malgré tout difficile, à cause des tolérances de fabrication très précises du cavalier, et à cause de la nécessité de pointer le laser extrêmement précisément sur les points de jonction entre la ferrule et le cavalier; - un guide, allongé dans la direction de la fibre, dans lequel coulisse la ferrule, pour assurer le positionnement selon la longueur de la fibre, ce guide possédant une face transversale plane qui glisse contre une face transversale plane (verticale) de la plaque support (supposée horizontale) pour assurer le positionnement transversal; la fixation définitive se fait par des tirs lasers aux angles de jonction des différentes pièces; le défaut de ce système est que la plaque transversale plane est massive et de forme complexe; la planéité doit être parfaite, un outillage spécial est nécessaire pour manipuler cette plaque transversale, et une bonne précision de tir doit être assurée vers les jonctions entre les différentes pièces. Le besoin se fait sentir d'un procédé de fixation plus simple à mettre en oeuvre. La présente invention a donc pour objet l'amélioration des techniques d'assemblage par soudure au laser YAG de fibres optiques et de composants optoélectroniques. On propose selon l'invention un dispositif de couplage entre un élément optoélectronique et une fibre optique, comportant une embase sur une partie de laquelle est fixé l'élément optoélectronique, et un embout de maintien de l'extrémité de la fibre optique, entourant la fibre et maintenant celle-ci parallèle à la surface de l'embase en face de l'élément optoélectronique, caractérisé en ce que d'une part l'embout de maintien comporte deux surfaces planes perpendiculaires à la surface de l'embase et d'autre part le dispositif comporte deux équerres latérales placées chacune d'un côté de l'embout et ayant chacune deux surfaces planes perpendiculaires entre elles, I'une soudée sur la surface de l'embase et l'autre soudée sur une surface plane respective de l'embout de maintien. L'embout de maintien peut comporter soit une simple ferrule cylindrique enserrant l'extrémité de la fibre optique et comportant deux méplats parallèles, constituant les deux surfaces planes perpendiculaires à la surface de l'embase. Mais l'embout de maintien peut aussi comporter plusieurs pièces fixées ensemble, et notamment d'une part un cylindre (ou ferrule) enserrant l'extrémité de la fibre optique, et d'autre part un cavalier soudé sur ce cylindre, ce cavalier comportant les deux surfaces places perpendiculaires à la surface de l'embase. Ce dernier cas est préférable dans le cas de fibres à maintien de polarisation, dans lesquels il faut assurer un positionnement angulaire correct de la fibre autour de son propre axe longitudinal. On prévoit ensuite de préférence que l'embase est percée de trous d'aspiration sous les faces planes des équerres, de manière à maintenir celle-ci en position le temps de la soudure au laser des équerres sur les surfaces planes de l'embout de maintien et des équerres sur la surface de l'embase. L'invention propose également un procédé de fabrication correspondant, qui est un procédé de couplage entre un élément optoélectronique et une fibre optique, comportant les étapes suivantes: - fixation définitive de l'élément optoélectronique sur une partie d'une embase de support, - fixation provisoire de l'embase sur une première partie d'un banc de montage; - fixation définitive d'une extrémité de la fibre optique dans un embout de maintien comportant deux faces planes parallèles, L'embout de maintien étant porté par une deuxième partie du banc de montage; - mise en place de deux équerres comportant chacune deux faces planes perpendiculaires, les équerres étant placées chacune d'un côté de l'embout, et les équerres comportant chacune une face plane appliquée contre la surface de l'embase et une autre face plane appliquée contre une face plane de l'embout; ; - recherche d'une position de couplage optimal entre la fibre et l'élément optoélectronique, par déplacement relatif des deux parties du banc de montage, en maintenant les équerres appliquées contre l'embout et contre l'embase, et, lorsque la position optimale est trouvée, soudure au laser de chaque équerre d'une part sur l'embase et d'autre part sur l'embout. Pendant la recherche de la position optimale de couplage, les équerres sont de préférence maintenues face contre l'embase par une aspiration d'air à travers des trous percés dans l'embase sous ces équerres. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente une vue en perspective d'une tête d'émission optique selon l'invention; - la figure 2 représente une vue de face de détail de l'extrémité du système de fixation de la fibre optique; - la figure 3 représente une variante de réalisation. Sur la figure 1, on voit le dispositif de couplage selon l'invention, dans le cas d'une tête d'émission optique dont l'élément actif est une diode laser. La fibre optique qui doit recueillir la lumière émise par la diode laser possède une extrémité enserrée dans un embout de maintien 10 qui permet sa fixation à la bonne position par rapport à la diode laser. La fibre optique n'est pas visible sur la figure 1, seul l'embout de maintien 10 est visible. Ce qu'on appellera embout de maintien dans les exemples de réalisation qui suivent est soit une simple ferrule cylindrique à méplats, soit une pièce pouvant être composée de plusieurs parties différentes fixées ensemble, par exemple une ferrule cylindrique et un cavalier. Dans l'exemple représenté à la figure 1, L'embout de maintien est composé d'une ferrule cylindrique de révolution 12 et d'un cavalier 14. L'embout de maintien est destiné à être fixé définitivement et rigidement, par soudure au laser, à une embase 20 qui sert de support à la diode laser. L'embase est de préférence métallique; un alliage fernickel-chrome tel que le kovar convient bien car il est compatible thermiquement avec des substrats d'alumine; on pourra donc fixer des tels substrats sur l'embase 20; d'autre part cet alliage est facilement soudable par laser. La fixation de l'embout de maintien 10 sur l'embase 20 se fait par l'intermédiaire de deux équerres latérales 32 et 34. La ferrule 12, le cavalier 14, les équerres 32 et 34 sont de préférence réalisés dans le même métal que l'embase 20 pour permettre plus facilement les soudures au laser entre ces pièces et pour éviter les dilatations différentielles. La fixation de la diode laser 40 sur l'embase 20 peut se faire par l'intermédiaire d'un substrat intermédiaire 42, par exemple un substrat hybride d'alumine portant non seulement une puce de diode laser mais aussi diverses connexions et éventuellement d'autres composants électroniques. Le substrat intermédiaire 42 sert aussi à relier électriquement la diode laser et les autres composants à des bornes de connexion non représentées servant à alimenter la diode laser en signaux électriques en fonction de la lumière à émettre. Les fils de liaison vers l'extérieur ne sont pas représentés. L'embase 20 peut porter également d'autres pièces; dans l'exemple représenté, un substrat hybride 50, fixé verticalement, peut être placé à l'arrière du substrat 42 (à l'opposé de la direction principale d'émission de la diode laser qui est tournée vers la fibre optique). Ce substrat 50 peut porter une photodiode 52 placée de manière à recevoir la fraction d'énergie lumineuse émise vers l'arrière par la diode laser. La photodiode sert alors d'élément de contre-réaction pour contrôler le courant de commande de la diode laser. Dans l'exemple représenté, visible également en vue latérale sur la figure 2, le cavalier 14, qui constitue une partie de l'embout de maintien 10, est en forme de U renversé, avec un fond 142 reposant horizontalement (en prenant comme référence horizontale la surface principale de l'embase 20) sur la ferrule cylindrique 12. Les deux branches latérales 144 et 146 du U sont des plaques planes verticales qui enserrent la ferrule cylindrique 12. Les branches latérales du cavalier 14 sont donc espacées d'une distance égale au diamètre de la ferrule. La ferrule cylindrique de révolution peut avoir un diamètre d'environ 1 millimètre et comporte sur toute sa longueur une ouverture centrale dans laquelle est insérée et collée (ou brasée ou soudée par soudure au verre) la fibre optique 11; celle-ci a par exemple un diamètre d'environ 100 à 150 micromètres, typiquement 125 ou 140 micromètres. Les équerres 32 et 34 comportent chacune une plaque verticale plane et une plaque horizontale plane. La face horizontale repose sur l'embase 20; la face verticale est appliquée contre la face extérieure plane d'une branche latérale respective 144 ou 146 du cavalier 14. Le cavalier est de préférence soudé par laser YAG à la ferrule cylindrique. Pour une fibre monomode à maintien de polarisation, qui n'est pas à symétrie de révolution, il est nécessaire que le couplage entre la fibre et la diode laser respecte une certaine position angulaire de la fibre autour de son axe. Les étapes de positionnement de la fibre commencent donc par une recherche de cette position et une soudure au laser du cavalier 14 sur la ferrule cylindrique (la fibre optique ayant été préalablement collée dans la ferrule). Pendant cette opération, la ferrule 12 peut être maintenue par une pince qu'on fait tourner progressivement jusqu'à trouver la bonne orientation; lorsqu'elle est obtenue, on effectue la soudure laser entre la ferrule 12 et le cavalier 14. On effectue ensuite l'étape de positionnement précis de la fibre en vue de sa fixation définitive sur l'embase 20. La fibre est maintenant en place dans l'embout de maintien comprenant la ferrule et son cavalier. Les équerres 32 et 34 sont ensuite posées sur l'embase 20, et elles sont appliquées latéralement contre les faces verticales du cavalier 14. Elles sont de préférence maintenues en place, par aspiration, contre la surface supérieure de l'embase 20. Celle-ci est percée de trous 62 et 64 dans la région où doivent se trouver les équerres. Ces trous débouchent sous l'embase en regard de trous correspondants 72 et 74 formés dans le banc de montage 70 sur lequel est posée l'embase pendant l'opération de montage de la tête optique. Ces trous 72 et 74 sont reliés à un système d'aspiration d'air non représenté; le vide créé par cette aspiration maintient les équerres en place pendant la soudure au laser. La soudure des équerres sur l'embase 20 puis sur le cavalier 14 est très facile; en effet, il suffit d'effectuer un ou plusieurs tirs lasers sur les surfaces planes verticales et horizontales des équerres. La soudure se fait à travers l'épaisseur de ces plaques (épaisseur de quelques dixièmes de millimètres au plus). II n'est pas nécessaire de viser une position très précise de soudure, contrairement à ce qui était nécessaire dans les systèmes de couplage de la technique antérieure; ici, un point quelconque de la surface peut être utilisé puisqu'on a deux surfaces planes en regard l'une de l'autre, aussi bien sur la partie verticale que sur la partie horizontale de l'équerre. Quatre points de soudure 76 sont représentés à titre d'exemple sur la figure 1 pour l'équerre 32. La soudure par transparence (à travers la plaque horizontale de l'équerre) est possible, mais on peut envisager aussi une soudure par effondrement des bords des équerres, le laser de soudure étant dirigé sur le bord des équerres. Sur la figure 3 on a représenté une variante de réalisation du couplage, utilisable lorsque la fibre optique n'est pas une fibre à maintien de polarisation et ne nécessite pas d'être calée à une position angulaire déterminée autour de son axe. L'embout de maintien comporte toujours deux faces verticales parallèles et planes1 mais au lieu d'être composé de deux pièces, ferrule cylindrique et cavalier, il est composé d'une seule pièce qui est une ferrule cylindrique comportant deux méplats parallèles verticaux 13 et 15, contre lesquels viennent s'appuyer les surfaces planes verticales des équerres 32 et 34. La soudure au laser s'effectue sur les faces horizontales des équerres pour la fixation à l'embase, et sur les faces verticales des équerres pour la fixation à la ferrule. REVENDICATIONS 1. Dispositif de couplage entre un élément optoélectronique (40) et une fibre optique, comportant une embase (20) sur une partie de laquelle est fixé l'élément optoélectronique, et un embout de maintien (10) de l'extrémité de la fibre optique, entourant la fibre et maintenant celle-ci parallèle à la surface de l'embase en face de l'élément optoélectronique, caractérisé en ce que d'une part l'embout de maintien comporte deux surfaces planes perpendiculaires à la surface de l'embase et d'autre part le dispositif comporte deux équerres latérales (32, 34) placées chacune d'un côté de l'embout et ayant chacune deux surfaces planes perpendiculaires entre elles, I'une soudée sur la surface de l'embase et l'autre soudée sur une surface plane respective de l'embout de maintien. 2. Dispositif de couplage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'embout de maintien est une ferrule cylindrique (12) enserrant l'extrémité de la fibre optique et comportant deux méplats parallèles (13, 15), constituant les deux surfaces planes perpendiculaires à la surface de l'embase. 3. Dispositif de couplage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'embout de maintien comporte d'une part une ferrule cylindrique de révolution (12) enserrant l'extrémité de la fibre optique, et d'autre part un cavalier (14) soudé sur cette ferrule, ce cavalier comportant les deux surfaces places perpendiculaires à la surface de l'embase. 4. Dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'embase est percée de trous d'aspiration (62, 64) sous les faces planes des équerres. 5. Dispositif de couplage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément optoélectronique est une diode laser. 6. Tête d'émission optique comportant une diode laser, une fibre optique, et un dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à4. 7. Dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément optoélectronique est une photodiode. 8. Tête de réception optique comportant une photodiode, une fibre optique, et un dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à4. 9. Procédé de couplage entre un élément optoélectronique (40) et une fibre optique, comportant les opérations suivantes: - fixation définitive de l'élément optoélectronique sur une partie d'une embase de support (20), - fixation provisoire de l'embase sur une première partie d'un banc de montage; - fixation définitive d'une extrémité de la fibre optique dans un embout de maintien (10) comportant deux faces planes parallèles, L'embout de maintien étant porté par une deuxième partie du banc de montage; - mise en place de deux équerres comportant chacune deux faces planes perpendiculaires, les équerres étant placées chacune d'un côté de l'embout, et les équerres comportant chacune une face plane appliquée contre la surface de l'embase et une autre face plane appliquée contre une face plane de l'embout; ; - recherche d'une position de couplage optimal entre la fibre et l'élément optoélectronique, par déplacement relatif des deux parties du banc de montage, en maintenant les équerres appliquées contre l'embout et contre l'embase, et, lorsque la position optimale est trouvée, soudure au laser de chaque équerre d'une part sur l'embase et d'autre part sur l'embout. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que pendant la recherche de la position optimale de couplage, les équerres sont maintenues face contre l'embase par une aspiration d'air à travers des trous (62, 64) percés dans l'embase sous ces équerres.