Brevet FR2798740A1 — publié le 20010323

NOUVELLES FIBRES OPTIQUES LENTILLEES A FORTE OUVERTURE NUMERIQUE D'EXTREMITE. APPLICATION A LA REALISATION DE NOUVEAUX COMPOSANTS OPTOELECTRONIQUES HAUTES PERFORMANCES La présenta invention concerne des Fibres Optiques dont une extrémité au moins a été modifiée suivant un nouveau procédé de Photopolymérisation. Ces Fibres Optiques présentent aux extrémités utiles, préparées suivant l'invention, une Ouverture Numérique très supérieure à celle des Fibres Optiques dont les extrémités, avant utilisation. ont été traitées suivant des procédés classiques- Ces derniers sont basés essentiel tarent sur une excellente précision mécanique difficile à obtenir en opération sur le site et sur un polissage long et complexe. La grande ouverture numérique des Fibres Optiques suivant l'invention permet d'améliorer considérablement les caractéristiques optiques dans de nombreuses applications, tandis que les difficultés habituelles de mise en oeuvre sont fortement réduites. * Laboratoire da Nanatachnologie et d'instrumentation Optique, Université de Technologies de Troyes, ** Département de Photochimie Générale. Ecole Supérieure de Chimie de Mulhouse. C.N.R.S. Notamment. la réalisation des divers couplages, nécessairement rencontrés dans le cadre de l'utilisation des Fibres Optiques et en premier lieu le couplage antre la Source de lumière, la Fibre Optique, ou toute autre structure de guide de lumière guidée relevant de l'optoélectronique intégrée par exemple, est beaucoup plus aisée en utilisant des Fibres Optiques préparées suivant l'invention. Dans les applications les plus importantes des Fibres Optiques, spécialement en Télécommunications, mais aussi dans les nombreux domaines de la Recherche. l'Instrumentation etc. où la Fibre Optique est devenue indispensable, la Fibre Optique utilisée, par exemple monomodg. présente un diamètre de coeur de quelques microns (par exemple 4 m) et une très faible ouverture numérique d'une valeur voisine de ü,x5, soit un demi-angle d'ouverture en émission et réception de la lumière de l'ordre de 9 degrés. A ce jour. au moins sur un plan industriel. les procédés traditionnels d'alignement et de polissage sont les principaux utilisés et bien que déjà sophistiqués, ils présentent de sérieuses lacunes du point de vue des caractéristiques optiques obtenues et des coûts de réalisation. Le coefficient de couplage dans les diverses configurations de connectique utilisées est ainsi extràmement faible. A titre d'exemple, dans le cas très défavorable d'une source de lumière à rayonnement quasi-lambertzien, la perte de couplage de la lumière émise par la source et reçue dans les Fibres Optiques Monomodes est supérieure à 16 db. Des solutions existent cependant pour améliorer les rendements et des nicrolenti 1 les, par exemple, fixées à l'extrémité des Fibres Optiques peuvent être employées. Différentes méthodes sont utilisées pour la réalisation de ces microlentilles peu commercialisées. Leur coût est élevé, les pertes restent souvent trop importantes et leur mine en place aux extrémités des Fibres optiques est complexe et de plus, difficilement reproductible. Les olaieatifs généraux de l'invention concerne de nouveaux Procèdes de traitement des extrémités des Fibres Optiques et leur application dans la réalisation de couplages à haute performance fixes ou démontables par adjonction de nouveaux composants réalisas suivant les objets de l'invention. La description de l'invention est particulièrement axée. et à titre non limitatif. sur les Fibres Optiques Hononodes. Ainsi. toutes les technologies et objets de l'invention se rapportent également aux Fibres Optiques faiblement aultimades. L'invention sera mieux comprise à partir des Figuras qui suivent. Le Figure 1 représente conformément à l'invention l'extrémité d'une Fibre Optique Monomode CF.O.M.) après préparation de cette extrémité suivant les nouvelles technologies proposées dans l'invention. La nouvelle F.Q.M se compose d'un coeur central 1 de très faible diamètre (quelques m) dans lequel la quasi total ité de la lumière se propage et d'une gaine optique 2 entourant le coeur. dont le diamètre est notablement plus élevé que celui du coeur et généralement supérieur à 100 m. Un matériau polymère, optiquement transparent, en forme de pic 3. a été réalisé suivant les procédés objets de l'invention qui seront décrits ci-après . Le pic 3 est situé exactement dans le prolongement du coeur de la F.Q.H. et présente un diamètre voisin de celui du coeur de la F.O.M. La longueur du pic 3 peut varier en fonction des applications. On utilisera préférentiellement. selon un objet non limitatif de l'invention, des pics d'une longueur de quelques dizaines de microns. La Figure 2 décrit très schaatlque.ent le processus expérimental suivant l'invention pour la réalisation du pic polymère 3. Un produit photopolymérisable 4 est déposé sous la forme d'une goutte sur l'extrémité 6 d'une F.O.M. préalablement préparée suivant des procédés classiques par exemple une coupe perpendiculaire précise et éventuellement divers polissages complémentaires. La formulation du produit photopolymerisable préférentiel lèsent retenue.suivant un exemple non limitatif de l'invention, est essentiellement constitué par un liquide monomère du type pantakrythritoltri- acrylate (PETIA). Ce monomère est ensuite transformé en un polymère sous l'action de La lumière. Des photoinitiateurs assurant l'amorçage de la réaction de polymérisation sont introduits, à l'origine, dans le liquide monomère. Dans le cas du monomère PETIA préconisé, an utilise à titre d'exemple non limitatif, un système photoamorceur constitué d'un colorant capable d'absorber efficacement la lumière émise par le générateur 5 montré sur la Figure 2 et d'une substance connue comme donneur dlêlectron, à titre d'exemple et de façon non limitative. l'Eosine Y et la méthyldiethanolamine NDÊA. La lumière utilisée pour effectuer les opérations de photopo 1 valorisation est envoyée, à une extrémité, dans le coeur i de la F.D.M. et sort à l'autre extrémité de la F.O.M. recouverte du matériau A poly#ériser dana un volume réduit. Compte tenu du maximum d'absorption de la lumière par l'éosine à la longueur d'onde de 530 nm. un générateur de lumière 5 émettant une lumière de longueur d'onde voisine est préférablement utilisé. Dans la goutte de monomère dont le rayon de courbure du ménisque peut varier, à titre d'exemple de 50 à 200 m, la lumière se propage dans un volume sensiblement cylindrique dont le diamètre de la section du cylindre est proche de celui du coeur de la F.O.H. Ainsi, selon le but recherché, seule une faible partie axiale de la "goutte" est polymérisée. Suivant un des objets de l'invention, l'éosine utilisée essentiellement comme photoinitiateur présente également des propriétés de Fluorescence. Ainsi, durant l'exposition de la goutte a la lumière verte, l'absorption de la lumière verte par les dopants fluorescents de l'eosine peut être observée visuellement par suite de la réémission d'une lumière iaune. Le processus technologique de polymérisation proprement dit peut ainsi, selon l'invention, être contrôlé en corrélation avec les effets progressifs des propriétés de fluorescence de l'éosine durant l'opération de polymérisation. Après l'exposition de la lumière, le volume de monomère non exposé est éliminé à l'aide de quelques gouttes de produits dissolvants. Il subsiste ainsi un pic 3, en polymère transparent de forme légèrement tronconique dont l'extrémité présente une forme hémisphérique. D'un point de vue général, les principaux effets conduisant, suivant l'invention. à une forte ouverture numérique d'extrémité des F.O.M. sont relatifs à une polymérisation controlée, à l'effet de eicralentiiiage dû à la forme sensiblement hémisphérique de l'extrémité du pic 3 et à la forme du corps du pic 3 assimilable à une volume engendré par un paraboloïde de révolution dont l'axe est confondu avec celui de la F.O.M. Le pic 3 peut par ailleurs comporter un gradient d'indice radial alustable qui concourt à l'obtention de l'ouverture numérique souhaitée. Selon un autre obiet de l'invention, le diamètre du pic 3 est considérablement affina lusqu'à des diamètres de quelques dizaines de nanomètres. Les processus technologiques mis en oeuvre résultent de compromis entre les techniques de chimie, de filage et d'étirage. L'application de ces F.O.M. à pic 3 de très faible diamètre concerne notamment la microscopie optique en champ proche à balayage à sonde locale. Selon l'invention, la géométrie du pic 3 obtenu peut être ajustée en fonction de l'intensité lumineuse de la Source nécessaire a la polymérisation, le temps d'exposition de la lumière et la concentration des composants constituant le matériau photopoty)ttériaabte photopo Ivmér i sable peut par ailleurs contenir des additifs varias destinés à lui conférer telle ou telle qualité ou propriété et par exemple et de façon non limitative des additifs tels que : - des antioxygênes destinés à modifier la cinétique de polymérisation et donc ta forme du pic 3. - des agents colorants, fluorescents ou non, destines à améliorer le suivi cinétique de la polymérisation ou à faciliter le repérage du pic et ainsi les opérations de positionnement des fibres en phase d'utilisation. - des molécules non réactives, solubles dans le photopolymère à indice variable destinés A adapter l'indice du photopolymère et donc, grâce à une réduction des pertes de Fresnel A permettre une transmission de lumière optimale à l'interface fibre/pbotopotytre. A titre d'exemple de réalisation pratique d'un pic polymère 3 à forte ouverture numérique comme montré sur la Figure 2 et non limitatif de '-invention, on utilise une F.O.M. dont le diamètre du coeur i est de 4 m et celui du cladding 2 de 125 m. Le monomère utilisé est le PETIA et le système amorceur de la polymérisation, l'Eosine Y associée à la MDEA. Les pourcentages pondéraux respectifs dans la composition du matériau, sont les suivants PETIA80 à 99,5% MDEA 0,5 à 20% EOSINE Y :0,01 A 0.5% Le rayon de courbure de @a goutte de monomère est d'environ 150 pm- A titre d'exemple non limitatif on utilise un émetteur de lumière 5 du type Laser Argon qui délivre une lumière à une longueur d'onde de 514 nm et une puissance de 10 w mesurée en sortie de fibre préalablement préparée par clivage. La durée d'exposition est voisine de 60 secondée* Cette durée peut être modifiée en employant un générateur de lumière 5 de puissance différente, ou un dispositif atténuateur adapté. La modification de la durée d'illumination permet également de changer la forme du pic 3. Le monomère non exposé est éliminé à l'aide de l'éthanol. La Figure 3 réalisée par micrographie électronique montre le résultat obtenu dans la cadre de l'invention à la suite des opérations décrites ci-dessus. La Figure 3a montre qu'un matériau polymère en forme de pic 3 est lié au centre de la F.O.M. Le pic 3 a une hauteur de 30 um qui correspond à la hauteur de la goutte de Matériau monomère déposée au début du processus expérimentai. Le diamètre à la base du pic 3 est très testament supérieur au diamètre du coeur de la F. t7. If . L'extrémité du pic 3 montrée sur la Figure 3b présente par contre un diamètre légèrement inférieur à celui du coeur de la F.O.H. et est de l'ordre de 3 m. Cette forme légèrement tronçonique contribue à t'augmentation de l'ouverture numérique en extrémité du pic. Si ON1 et Di sont respectivement couverture numérique et le diamètre à la base du pic 3 et ON2 et D2 à son extrémité l'augmentation d'ouverture numérique est donnée par la formul e connue ON2 = ON1.D1 D2 Des tests mécaniques sévères ont montré que le pic 3 est solidement lié au centre de la 3.".0. ti. Le processus technologique conforme à l'exemple décrit ci-dessus été fréquemment répété avec une excellente reproductibilité. La Figure 4a représente la distribution de l'intensité lumineuse issue de l'extrémité du pic 3, réalisé suivant l'invention, dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation et placé à une distance de 7 mm de l'extrémité du pio 3. On observe une large surface de rayonnement de la lumière qui conduit à un grand angle de diffusion 0 de 70 minimum, soit une ouverture numérique sin supérieure a 0,57. 2 Le Figure 4b représente la distribution de !'intensité lumineuse pour une F.O.M. sans pic 3, mesurée dans tes mènes conditions expérimenta las que précédemment. L'ouverture numérique n'est plus que de 0,12. L'ouverture numérique des F.O.M. avec pic 3 suivant l'invention, est donc environ 5 fois supérieure à celles des F.O.M. traditionnelles. Le gain d'intensité tumineuse en sortie de 2 F.O.M. respectivement sans pic 3 et avec pic 3 suivant l'invention est déduit de la Figure 5. Les 2 F.O.M. des figures Sa et 5b sont excitées par le même système générateur focalisateur. Le générateur est une source laser émettant à X = 670 nm. Le facalinatour est constitué par un objectif de microscope 7 de grande ouverture numérique : 0,55. Les intensités relatives mesurées respectivement 4 la sortie des F.O.M. avec et sans pic 3 sont de 0,225 et 0,065, soit un gain d'environ 5.5 db en utilisant une F.O.M. équipée d'un pic 3 réalisé suivant l'invention. Les applications, suivant l'invention. des F.O.M. à pio polymère, et caractérisées par une grande ouverture numérique sont potentiellement très nombreuses. Les applications décrites ci-après suivant plusieurs objets de l'invention ne sont donc pas limitatives. Suivant un autre objet de l'invention relatif aux applications des F.O.M. avec pic, la Figure 6 montre un raccordement de 2 F.O.M. avec pic. Les 2 F.O.M. avec pic sont placées en vis à vis sans qu'un contact mécanique soit nécessaire. Compte tenu de la grande ouverture numérique des 2 F.O.M. avec pic, la lumière est transmise d'une F.O.M. à l'autre sans perte de lumière significative et principalement sans qu'une très grande précision dans les alignements soit nécessaire. Suivant un autre objet de l'invention et conformément également à la Figure 6, l'une des F.O.M. n'est pas munie d'un pic polymère et présente donc une ouverture numérique faible. de l'ordre de 0,15. Dans le cadre du raccordement des 2 F.O.M., la F.O.M. avec pic polymère d'ouverture numérique 0.57 sera planée de telle sorte qu'elle agisse en tant que Fibre réceptrice, tandis que la F.O.M. sans pic se comportera comme la Fibre émettrice. Suivant les 2 objets de l'invention schématisas Fig. 6. les raccordements peuvent s'effectuer sans connectique et mécanique complexe toujours longue à mettre en oeuvre. 11 en résulte un gain de coût significatif. Selon les objets de l'invention, il peut être nécessaire pour des raisons d'étancheité et de fiabilité mécanique de protéger les pics polymère par une colle transparente à faible indice optique et un bôitier métallique approprié. La Figure 7 montre. suivant un autre objet de l'invention, une liaison de diode laser 8 à une F.O.M. équipée d'un pic 3 suivant l'invention. La fonction en polymère représentant le pic peut s'opérer éventuellement sans contact et sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des composants optiques de focalisation au niveau de la diode laser 8. Suivant un autre obiet de l'invention et conformément également à la Figure 7, la F.O.M. avec pic est solidaire mécaniquement de la diode laser 8 et est non démontable. Dans cette application, la F.O.M. avec pic est de courte longueur (quelques dizaines de centimètres) et se comporte comme une queue de cochon (pigtail) raccordable à la F.O.M. principale comme il est montré sur la Figure 6. Dans ce type d'application. la quasi totalité de la puissance émise intrinsèquement par la diode laser B se retrouve à l'extrémité de la F.O.M. à queue de cochon. Selon un autre objet de l'invention, et conformément à la Figure 8, les F.O.M. à pic polymère transparent 3 sont réalisées pour des applications concernant le raccordement à des circuits intégrés optiques et électro-optiques 9. Les technologies de réalisation mises en oeuvre selon l'invention restent voisines des précédentes. mats nécessitent pour chaque circuit un ajustage spécifique de {'ensemble des paramètres technologiques mis en jeu. Suivant un autre objet de l'invention, les pics polymères transparents sont réalisés directement à la sortie des diodes lasers ou des guides optiques intégrés. La polymérisation des pics polymères transparents s'effectue sous l'influence de l'intensité lumineuse émise par les lasers ou de la lumière en sortie des guides optiques intégrés. REVENDICATIONS 1) Fibres Optiques Monomodes (F.O.M.) ou faiblement multimodes présentant à leurs extrémités une très grande ouverture numérique et caractérisées en ce qu'elles sont associées à leurs extrémités (une ou deux) à un pic polymère transparent Indissociable des F.O.M. ou faiblement multimodes et application à la réalisation de couplages spécifiques. 2) Fibres Optiques Monuandes ou faiblement multimodes selon la revendication 1 caractérisées en ce que les Pics polymères sont réalisés au centra de la section des F.O.M. ou faiblement multimodes dans le prolongement exact du coeur de celles-ci et que leur forme quasi cylindrique présenta une section de dimension voisina de aelle du coeur. 3) Fibres Optiques Monomodes ou faiblement multimodes selon les revendications 1 et 2 caractérisées en ce que les pics polymères présentent des extrémités hémisphériques. 4) Fibres Optiques Monomodes ou faiblement multimodes selon tes revendications 1. 2 et 3 caractérisées en ce que les Pics polymères sont réalises suivant un procédé de photopolymérisation en lumière visible. 5) Fibres Optiques Monomodes ou faiblement multimodes selon les revendications 1 à 4 caractérisées en ce que te matériau de base photopolynéri sable permettant la réalisation des Pics polymères est un monomere dont la formulation contient au moins un agent initiateur. 6) Fibres Optiques Monomodes ou faiblement multimodes selon les revendications 1 à 5 caractérisées en ce que le matériau de base photopolvmérl sable permettant la réalisation des Pics polymères est un monomère dont la formulation contient des additifs du type antioxygnes. 7) Fibres Optiques Monomodes ou faiblement multtmodes selon les revendications 1 à 6 caractérisées an ce que le matériau de base photopolymràsable permettant la réalisation des Pics polymères contient des additifs initiateurs du type agents colorants ou (et) fluorescents. B) Fibres Optiques Monomodes ou faiblement multimodes selon les revendications 1 à 7 caractérisées en ce que le matériau de base photopolymérisable permettant la réalisation des Pics polymères est un monomère dont la formulation contient des molécules non réactives aolublas dans le photopolymère. et modifiant l'indice du matériau photopolymère. 9) Fibres Optiques Hononodes ou faiblement multimodea selon les revendications 1 à 8 caractérisées en ce que le matériau de base permettant la réalisation des Pics polymères est un monomère photopolvmérisable du type pentalrythritol triacrylate (PETIA) 10) Fibres Optiques Monomodes ou faiblement multiaodes selon les revendications 1 à 9 caractérisées en ce que le matériau de base employé datte la réalisation des Pics polymères est un monomère pho topo Iynéri sable du type PETIA et l'agent initiateur utilisé avec le monomère PETIA est du type Eosine Y et du type méthyIdiakhario3amine tHDEAI~ 11) Fibres Optiques Monomodes ou faiblement multimodes selon les revendications 1 à 10 caractérisées en ce que le suivi du processus de fabrication des Pics polymères intègre les phénomènes de fluorescence. 12) Fibres Optiques Monomodes ou faiblement multimodes salon les revendications 1 à 11 caractérisées en ce que les Pics polymères présentant une forma sensiblement tronçonique destinée a augmenter l'ouverture numérique en sortie des Pics polymères. 13) Fibres Optiques Monomodes ou faiblement multimodes selon les revendications 1 à 12 caractérisées ce que la connection entre 2 de ces Fibres s'effectue de telle manière que chacune des 2 Fibres est équipée d'un Pic polymère. 14) Fibres Optiques Monomodes ou faiblement multimodes selon les revendications 1 à 12 caractérisées en ce que la connection entre 2 de ces Fibres s'effectue de telle manière qu'une seule des 2 fibres est équipée d'un Pic polymère. 15) Fibres Optiques Monomodes ou faiblement multimodes selon les revendications 1 à 12 caractérisées en ce que le raccordement entre une diode laser excitatrice et une Fibre s'effectue de telle manière que la Fibre est équipée d'un Pic polymère. 16) Fibres Optiques Monomodes ou faiblement multimoctes selon les revendications 1 à 15. caractérisées en ce qu'elles sont associées à des diodes laser excitatrices suivant les technologies des circuits intégrés pour former un composant intégré du type queue de cochon (pigtail) et en ce que les Fibres sont équipées du côté raccordement aux Lasers d'un Pic polymère. 17) Fibres Optiques Konomodes ou faiblement nultimndes selon les revendications 1 à 16 caractérisées en ce que le raccordement entre une diode laser excitatrice et une fibre s'effectue de telle manière que la diode laser est seule équipée d'un pic polymère dont la polymérisation est assurée par la lumière émise par la diode laser elle-mère. 18) Fibres Optiques Monomades ou faiblement nuttitttodea selon les revendications 1 à 17 caractérisées en ce que tour raccordement à des circuits électro-optiques intégrée s'effectue à t'aide d'une Fibre équipée d'un Pic polymère. 19) Fibres Optiques Konomodes ou faiblement muttiwodes selon les revendications 1 à 18 caractérisées en ce que leur raccordement à des circuits électro-optiques intégrés s'effectue de telle manière que seuls les circuits électro-optiques intégras sont équipés d'un Pic polymère dont la polymérisation est assurée par l'énergie lumineuse en sortie du guide optique intégré.