Brevet FR2754353A1 — publié le 19980410

DISPOSITIF DE COUPLAGE D'UNE SERIE DE FIBRES ET PROCEDE DE REALISATIO N L'invention concerne un dispositif de couplage d'une série de fibres à une barrette de diodes et notamment de diodes lasers et un procédé de réalisation de ce dispositif. Les barrettes de diodes laser sont des assemblages monolithiques de diodes permettant de délivrer des puissances optiques élevées. Généralement de 1 cm de large dans la direction parallèle au plan de jonction (D1), leur surface émissive est d'environ 1 pm de haut dans la direction perpendiculaire (D2). Une barrette est ainsi une source fortement dissymétrique, étant environ 10 000 fois plus large que haute. De même, la divergence du rayonnement est non symétrique : supérieure à 25 (30 à 50 ) selon D2, elle est d'environ 10 suivant D1. La combinaison de ces deux caractéristiques conduit à une étendue géométrique (surface X angle solide) environ 2 000 fois plus grande selon D1 que selon 02. Cette forte dissymétrie est tout à fait préjudiciable à l'emploi efficace de ces composants pour de nombreuses applications. En effet, outre la difficulté de manipulation, il est en général intéressant de disposer d'un faisceau d'étendue géométrique de symétrie de révolution. En plaçant une fibre optique devant chaque diode laser, on obtient un faisceau de fibres optiques pouvant être réarrangé en rond. Comme le diagramme de rayonnement en sortie de chaque fibre optique est symétrisé, on obtient une source d'étendue géométrique de symétrie de révolution. On bénéficie en plus du transport de la puissant optique par fibres optiques1 présentant les nombreux avantages connus dans la technique. Néanmoins, cette symétrisation de l'étendue géométrique s'accompagne d'une forte augmentation de sa valeur. Cette augmentation peut être minimisée par l'insertion entre les diodes laser et les fibres optiques d'une lentille cylindrique pour amener la grande divergence (selon D2) à une valeur inférieure à celle selon D1. Ainsi, la divergence en sortie du faisceau de fibres optiques diminue, et tend vers la valeur imposée par D1. L'étendue géométrique en sortie du faisceau de fibres est donc plus faible avec la lentille cylindrique que sans. L'invention fournit des dispositions pour positionner et fixer cette lentille cylindrique par rapport au faisceau de fibres optiques. L'invention concerne donc un dispositif de couplage d'une série de fibres caractérisé en ce qu'il comporte: - une première pièce support, les fibres étant arrangées et fixées parallèlement entre elles sur une face de la pièce support, une extrémité de chaque fibre étant située dans un même plan dépassant ou affleurant un flanc de la pièce support; - une lentille cylindrique située en bout des fibres devant chaque extrémité des fibres, cette lentille étant fixée à certaines fibres support seulement, ou à la pièce support de part et d'autre de l'ensemble de fibres. L'invention concerne également un procédé de couplage d'une série de fibres à une barrette de diodes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - assemblage des fibres sur une face plane d'une plaque support; - arrangement des extrémités de toutes les fibres dans le même plan lorsqu'elles dépassent du flanc de la plaque support ou dans le même plan que le plan du flanc de la plaque support; - collage d'une optique de couplage aux extrémités d'au moins certaines fibres support faisant partie de la série de fibres ou à la plaque support de part et d'autre de la série de fibres - positionnement de l'ensemble optique de couplage-fibre devant la face émissive de la barrette de diodes lasers. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - La figure 1, un exemple de procédé de réalisation selon l'invention, - la figure 2, un exemple de pièce support applicable dans l'invention, - la figure 3, une autre pièce support selon l'invention. Nous allons tout d'abord décrire de façon générale le procédé de l'invention: - on assemble les fibres sur une face d'une plaque support. Ces fibres sont placées parallèlement les unes aux autres. Les extrémités de ces fibres sont placées dans un même plan de référence P ou bien, après assemblage sur le support 3, leur extrémité est découpée selon un même plan P perpendiculaire aux fibres; - ensuite on procède au collage d'une lentille 4 (cylindrique par exemple) à l'extrémité de certaines de ces fibres qu'on appellera dans ce qui suit fibres support. De préférence, les fibres support ne seront pas des fibres utiles destinées à être couplées à des diodes lasers, mais selon ce procédé les fibres support et les fibres utiles sont assemblées et leurs extrémités sont alignées dans le plan P toutes en même temps. - Enfin on positionne l'ensemble lentillelfibre devant la face émissive de la barrette de diodes lasers. Le substrat sera par exemple une plaque de silicium où des rainure en "V" ont été gravées chimiquement. Le point 2 peut être réalisé par une découpe laser (cl2), par sciage puis éventuellement polissage, par clivage des fibres collectif ou individuel (et donc préalable à l'assemblage) ou toute autre technique adaptée pour obtenir des faisceaux de fibres optiques de bonne qualité. La lentille cylindrique 4 est de diamètre inférieur ou égal au diamètre du coeur des fibres optiques, typiquement 100 pm (environ 50 à 500 Hum). Elle doit être positionnée le plus près possible de l'extrémité des fibres optiques pour ne pas perdre de la lumière dans la direction D1 à cause de la divergence dans cette direction. Une seule lentille sert pour toutes les diodes. Du fait de la faible distance entre diodes, il est très délicat de tenir ou coller la lentille entre deux diodes. II est préférable d'utiliser une lentille plus longue que la barrette de diodes et de la fixer à ses deux extrémités. Selon l'invention, on fixe donc de préférence la lentille sur le faisceau de fibres et non pas sur la barrette de diodes, limitant ainsi à (au plus) une seule opération de réglage en dynamique pour le fibrage d'une barrette. Selon une variante, on prévoit un support 3 et 3' de part et d'autre du faisceau (figure 3) sur lesquels on colle la lentille. Pour faciliter les réglages, nous préconisons que l'une des faces de chaque support 3 soit dans le plan de référence (P). II n'y a plus que le réglage de la lentille dans ce plan à faire, réglage pouvant être grandement facilité si le faisceau de fibres optiques est placé de telle sorte que (P) soit horizontal. Pour un bon maintien de la lentille, nous préconisons qu'elle soit collée sur une longueur comprise par exemple entre 0,2 à 1 fois la largeur de la barrette de diodes lasers (la barrette ayant typiquement 1 cm de large). Cette longueur de collage est répartie symétriquement de chaque côté de la barrette. Pour avoir un positionnement parfait des supports et du plan de référence, nous proposons de réaliser ces supports en même temps que le façonnage des extrémités 20.0 à 20.n des fibres. Pour ce faire, il suffit que le support 3 soit plus large que la barrette et donc de mettre plus de fibres que d'émetteurs. Les fibres surnuméraires seront réparties également aux deux extrémités du faisceau et seront les fibres support. Les fibres dédiées à transporter le faisceau lumineux, placées au centre du faisceau, seront appelées fibres utiles. L'idéal est que les fibres support soient identiques aux fibres utiles. Au minimum, elles doivent avoir le même diamètre extérieur (au niveau du support) que les fibres utiles. Les fibres support peuvent être coupées à ras du flanc arrière du substrat 3. Dans le cas d'un façonnage par découpe laser, il est nécessaire que les fibres soient toutes de même nature pour que la découpe soit identique. La figure 1, illustre une procédure de réalisation selon l'invention. Les fibres 2.0 à 2.n et le support sont disposés selon un plan vertical. Le plan P contenant les extrémités des fibres est horizontal. La lentille 4 est placé sur une pièce support 5. Une goutte de colle UV (durcissante sous rayonnement UV) est posée sur l'extrémité de chaque fibre support. La goutte doit être suffisamment petite pour ne pas couler le long de la fibre support. La lentille est ensuite posée sur l'extrémité des fibres à l'aide du support en 5 sur lequel elle avait été préalablement posée. Par capillarité, les gouttes de colle assurent un léger maintien tout en parachevant le centrage de la lentille sur les fibres. L'insolation de la colle UV permet la fixation définitive. II est possible, si les caractéristiques de la colle UV ne sont pas suffisantes (en température par exemple) de n'utiliser que quelques fibres support avec la colle UV. Après insolation, on peut utiliser une autre colle (par exemple thermodurcissable) sur les fibres support restantes ; la lentille étant désormais fixée, le faisceau peut être manipulé (pour être mis dans une étuve par exemple). L'espacement des fibres support n'est pas forcément le même que celui des fibres utiles. Si la distance (d) dont les fibres dépassent du support 3 est suffisante par rapport à la largeur totale du faisceau (quelques millimètres) de compenser les effets de dilatation thermique différentiels entre la lentille et le support 3. Si le pas entre fibres utiles est suffisamment grand (pas > 2,5 X diamètre extérieur de fibre), on peut envisager de placer les fibres support entre chaque paire de fibres utiles et aux deux extrémités du faisceau utile (ce qui fait un pas pour le substrat (S) deux fois plus petit que celui des diodes). L'intérêt est d'avoir un substrat de même largeur que la barrette de diodes laser. Lors du collage, si les fibres optiques ne dépassent pas la face d'extrémité du support 3, il est souhaitable de faire une réserve de colle de chaque côte entre les fibres utiles et les fibres supports pour qu'il n'y ait pas de colle qui migre entre la lentille et les fibres utiles. Ces réserves de colle peuvent par exemple être réalisées lors de la réalisation du substrat 3 ou être un trait de scie 6 (lors de la découpe du faisceau par exemple) (cf. figure 2). Si deux colles sont utilisées, il peut être souhaitable de réaliser deux zones de collage de chaque côté des fibres utiles. L'emploi de fibres supports n'est pas forcément nécessaire. Le substrat 3 peut remplir ce rôle (cf. un exemple dans la figure 3). La lentille est alors collée à une pièce de substrat (telle que 3) de part et d'autre des fibres utiles. Le point délicat est alors d'utiliser des substrats et des colles dont le polissage est similaire à celui des fibres optiques. Le supports de la lentille peuvent être fixés sur le substrat 3 puis ils sont découpés et polis en même temps que les fibres utiles. D'autres variantes de l'invention peuvent être envisagées en prévoyant que: - d'autres techniques de façonnage des faces des fibres peuvent être utilisées. - Les fibres utilisées ne sont pas forcément de symétrie de révolution elles peuvent être1 par exemple, de forme rectangulaire. - La lentille cylindrique n'est pas forcément de symétrie de révolution : elle peut, par exemple, avoir une face plane ou corrigeant l'aberration sphérique. - Les émetteurs ne sont pas forcément des diodes laser : ils peuvent être, par exemple, des diodes électroluminescentes. - L'invention peut être utilisée pour un nombre quelconque d'émetteurs, émetteurs ne provenant pas forcément d'un substrat monolithique. L'invention permet ainsi de résoudre le problème de positionnement de la lentille par rapport aux bouts des fibres. L'intérêt de l'invention est que cet assemblage des extrémités des fibres utiles et des fibres support (ou du flanc 31 de la plaque 3) est fait en une seule opération. De plus, dans le cadre de l'invention la lentille peut ne pas être collée aux extrémités des fibres utiles. Ainsi dans le cas d'une lentille cylindrique (fibre optique par exemple) la lentille présente deux dioptres au parcours de la lumière (le dioptre d'entrée et le dioptre de sortie) ce qui ne serait pas le cas si elle était collée aux extrémités des fibres utiles. REVENDICATIONS 1. Dispositif de couplage d'une série de fibres (2.0 à 2.n), caractérisé en ce qu'il comporte: - une première pièce support (3), les fibres étant arrangées et fixées parallèlement entre elles sur une face de la pièce support (3), une extrémité de chaque fibre étant située dans un même plan dépassant ou affleurant un flanc (31) de la pièce support; - une lentille cylindrique située en bout des fibres devant chaque extrémité (2.0, ...2.n) des fibres, cette lentille étant fixée à certaines fibres support seulement, ou à la pièce support (3) de part et d'autre de l'ensemble de fibres. 2. Dispositif de couplage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres support sont situées de part et d'autre de l'ensemble de fibres. 3. Dispositif de couplage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres support sont alternées avec les autres fibres de la série. 4. Dispositif de couplage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'optique de couplage est une lentille cylindrique. 5. Dispositif de couplage selon la revendication 4, caractérisé en ce que la lentille a la forme d'une fibre dont le diamètre est inférieur ou égal à celui des fibres de la série de fibres. 6. Dispositif de couplage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième pièce support (3'), les fibres étant enserrées entre la première et la deuxième pièce support (3, 3'). 7. Procédé de réalisation d'un dispositif de couplage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - assemblage des fibres (2.0, ...2.n) sur une face plane (30) d'une plaque support (3); - arrangement des extrémités de toutes les fibres dans le même plan (P) lorsqu'elles dépassent du flanc (31) de la plaque support ou dans le même plan que le plan du flanc (31) de la plaque support; - collage d'une optique de couplage (4) aux extrémités d'au moins certaines fibres support faisant partie de la série de fibres ou à la plaque support de part et d'autre de la série de fibres; - positionnement de l'ensemble optique de couplage-fibre devant la face émissive de la barrette de diodes lasers. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la face plane (30) comporte des rainures permettant de positionner les fibres. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'après assemblage des fibres, celles-ci sont découpées de façon à réaliser les extrémités de couplage (20.0,...20.n) des fibres. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la découpe des fibres se fait collectivement par sciage et polissage, découpe au lasser ou par clivage. 11. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fibres supports font partie de la série de fibres couplées aux diodes lasers de la barrette. 12. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fibres supports sont des fibres supplémentaires placées de part et d'autre de la série de fibres couplées aux diodes lasers, les extrémités des fibres support étant dans le même plan que les fibres de ladite série. 13. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on réalise un premier collage de l'optique de couplage sur certaines fibres à l'aide d'une colle solidifiable à l'aide d'un rayonnement UV, puis de réaliser un deuxième collage sur ces fibres et/ou d'autres fibres à l'aide d'un collage plus efficace tel qu'une colle thermodurcissable. 14. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire de positionnement de l'ensemble optique de couplagelfibres devant la face émissive de la barrette de diodes lasers. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que les fibres sont assemblées selon un pas équivalent à celui des diodes de la barrette.