Brevet FR2815421A1 — publié le 20020419

COLLIMATEUR OPTIQUE POUR FIBRES MONOMODES, FIBRE MONOMODE A COLLIMATEUR INTEGRE ET PROCEDE DE FABRICATION. L'invention concerne un collimateur optique pour fibres monomodes. Elle concerne également une fibre optique monomode à collimateur intégré et un procédé de fabrication. Les collimateurs optiques pour fibres monomodes sont utilisés pour élargir la taille du faisceau et ainsi relâcher les contraintes de positionnement et l'influence des poussières sur le couplage d'une fibre optique avec un module optique placé en extrémité de fibre (le module optique peut être une autre fibre, un composant actif, un connecteur). On rappelle que, dans le domaine des télécommunications, la fibre monomode est le support privilégié pour la transmission à haut débit pour les grandes distances. Cependant l'utilisation de cette fibre pour ses propriétés de propagation entraîne d'importantes difficultés d'assemblage chaque fois qu'une interconnexion de deux fibres est nécessaire. En effet la surface d'émission des fibres monomodes est de petite taille de l'ordre de lOum de diamètre. On comprend donc que la taille de cette surface d'émission rend le couplage optique très sensible aux positionnements axiaux et transversaux, à la moindre poussière ou défaut d'extrémité. Il est par conséquent usuel de placer ou de réaliser un collimateur optique en extrémité de fibres monomodes pour s'affranchir de ces contraintes. Plusieurs solutions technologiques sont proposées à ce jour pour réaliser de tels collimateurs. Une première solution représentée sur la figure 1 consiste à positionner (coller, souder...) en extrémité de la fibre monomode un barreau à gradient d'indice de diamètre supérieur à celui de la fibre monomode. A titre d'exemple le diamètre du barreau est d'environ 2mm alors que celui de la fibre est de 125um. Ce collimateur permet d'obtenir un faisceau en sortie d'environ 500um avec une divergence de 0. 25 . Ce type de collimateur permet un assemblage sur des montages de type connecteur et convient parfaitement dans le cas d'interfaces fibres/espace libre. Les qualités de ce type de collimateur sont des pertes minimes, une divergence faible et une faible réfraction du signal grâce à des montages en biais et des traitements antireflets. Malheureusement, l'inconvénient de cette solution est son faible niveau d'intégration de la fonction optique par rapport à la taille de la fibre et son prix. En effet, le diamètre de 2 mm du barreau à gradient d'indice est 16 fois supérieur au diamètre de la fibre de 125 um. La compacité des modules optoélectroniques en est donc limitée. De plus, ce type de technologie nécessite un bon alignement mécanique de la fibre avec le barreau à gradient d'indice, ce qui conduit à un produit connectorisé cher. Une autre technologie consiste en un collimateur à base de fibres à mode élargi comme représenté sur les figures 2a, 2b, 2c. L'élargissement du faisceau lumineux par la modification du coeur de la fibre, permet d'intégrer une fonction de collimation dans la fibre. L'intégration de la fonction optique est alors complète au niveau de la fibre. Les méthodes pouvant être utilisées pour réaliser des fibres à modes élargis sont : la fusion et l'étirage pour déconfiner le mode de la fibre en diminuant la section du guide (proposé en 1978 par K. Furuya et al.). l'augmentation graduelle de la section guidante avec le diamètre extérieur (proposé en 1987 par N. Amitay et al.). la diffusion d'atomes de dopage du coeur de la fibre monomode par un traitement thermique (proposé en 1986 par K. Shigihara et al. ). Cette fibre correspond à la fibre TEC (Thermaly diffused Expansed Core). Cependant cette solution présente des inconvénients : Pour l'obtention d'un guide fin, le procédé de fusion et étirage est très sensible aux perturbations mécaniques et aux modifications d'indice de la fibre monomode. De plus, le diamètre extérieur n'est pas conservé à 125 um ce qui nécessite un connecteur spécifique pour son maintien. L'élargissement simultané du diamètre extérieur et du coeur nécessite des préformes spéciales. Ce qui est peu compatible avec une production de masse à faible coût. En outre, des connecteurs spécifiques sont nécessaires. Le niveau d'intégration est faible. L'expansion du mode par diffusion d'atomes de dopage a pour inconvénient d'être sensible à la zone de clivage. Une autre technologie consiste en un collimateur à base de fibres lentillées telles que l'illustre la figure 3. La particularité de la micro-lentille réside dans un apport de matière (par soudure) à l'extrémité de la fibre monomode pour contrôler l'expansion du faisceau. La première solution consiste à souder en extrémité de la fibre monomode un tronçon de fibre multimode à gradient d'indice. Une longueur appropriée de cette fibre est utilisée pour obtenir une section qui tient le rôle de lentille de collimation du faisceau lumineux. Par l'utilisation de fibres de différentes natures, une gamme plus importante de diamètres de mode et de distances de travail peuvent être obtenus. Les qualités de ces micro-lentilles (figure 3) sont nombreuses : Une bonne intégration avec des longueurs assez courtes de l'ordre de 500 ! lm, et des diamètres extérieurs de 125 um équivalents à celui de la fibre monomode, Des coûts réduits car la quantité et le prix de la matière première utilisée sont faibles, Des faisceaux suffisamment élargis pour obtenir un bon compromis entre les tolérances de positionnement angulaire et de translation, et les distances de travail, de l'ordre de millimètre, suffisantes pour des applications d'interconnexions, Une reproductibilité et une qualité de fabrication connues puisque les étapes consistent en des étapes élémentaires de soudures et de clivages. Un atout supplémentaire est la possibilité de fabrication collective (en ruban de fibres) avec des cliveuses et soudeuses appropriées. Cependant, cette solution présente également des inconvénients : En effet, les propriétés optiques sont obtenues par des longueurs définies de fibre à gradient d'indice ou autre. L'extrémité de la fibre n'est pas facilement utilisable pour du polissage ou du clivage en biais qui sont des étapes élémentaires de la mise en connecteur d'une fibre. Le risque est alors de modifier ou même de supprimer le lentillage d'extrémité. Cette fibre ne peut donc par profiter de toute la technologie de manipulation et de connectorisation de la fibre standard. Et enfin, une quatrième technologie consiste en un collimateur à base de lentille diffractive telle que représentée sur la figure 4. Cette technologie mise au point par Digital Optics Corporation consiste à réaliser par photo-inscription une lentille diffractive en extrémité d'un barreau de silice lui-même soudé à une fibre optique. Le motif de la lentille permet de réaliser une collimation du faisceau lumineux. Malheureusement cette solution présente les inconvénients suivants : L'alignement du masque de photo-inscription et des extrémités de fibres est compliqué pour une réalisation collective. La fabrication de matrice de fibres est possible mais nécessite des alignements coûteux. Bien entendu cette fibre avec une lentille diffractive ne peut être polie, clivée sans destruction de la lentille. La mise en connecteur est pratiquement impossible. L'invention a pour but de résoudre ces problèmes. L'invention a pour objet un collimateur qui s'intègre parfaitement dans la fabrication de fibres optiques monomode. Le résultat est une fibre optique avec un diamètre de mode large qui est complètement intégré à la dimension de la fibre et qui est facilement manipulable au sens de l'assemblage. L'invention a pour objet, un collimateur optique pour fibres monomodes, principalement caractérisé en ce qu'il comporte un tronçon de fibre à expansion de mode et un tronçon de fibre à maintien d'expansion. Selon une autre caractéristique, les tronçons de fibres ont le même diamètre. Selon un mode de réalisation, le tronçon de fibre à maintien d'expansion est constitué par une fibre multimode à saut d'indice. Selon un autre mode de réalisation, le tronçon de fibre à maintien d'expansion est constitué par une fibre monomode de diamètre de coeur supérieur à celui de la fibre monomode pour lequel il est prévu. Selon une variante de réalisation, le tronçon de fibre à maintien d'expansion de mode est constitué par une fibre à coeur dopé. Selon une autre variante de réalisation, le tronçon de fibre à expansion de mode est constitué par une pluralité de fibres de nature différente. Un autre objet de l'invention concerne une fibre optique monomode à champ élargi, principalement caractérisée en ce qu'elle comporte en extrémité une section apte à maintenir constant le diamètre du faisceau de lumière, transmis par la fibre. La section apte à maintenir constant le diamètre du faisceau de lumière, peut être constituée par un tronçon de fibre à saut d'indice. La section apte à maintenir constant le diamètre du faisceau de lumière, peut être constituée par un tronçon de fibre à large coeur. La fibre comprend une section à élargissement de mode. Selon une autre caractéristique, la fibre et les tronçons de fibres en son extrémité ont le même diamètre. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un ensemble de fibres optiques à expansion de mode principalement caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : souder collectivement un ensemble de n fibres à maintien d'expansion de mode à un ensemble de n fibres monomodes à expansion de mode, fracturer collectivement l'ensemble de n fibres à maintien d'expansion de manière à obtenir n tronçons de longueur prédéterminée. Les ensembles de n fibres se présentent sous la forme de rubans de fibres. Les fibres à maintien d'expansion utilisées dans le procédé de fabrication sont des fibres multimodes à saut d'indice. Selon un autre mode de réalisation, les fibres à maintien d'expansion sont des fibres monomodes à large coeur. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui est faite ci-après et qui est donnée à titre illustratif et non limitatif en regard des dessins annexés sur lesquels : Les figures 1,2a, 2b, 2c, 3 et 4 représentent des schémas de collimateurs selon l'état de la technique, La figure 5, représente un schéma d'une fibre optique avec collimateur intégré selon l'invention, La figure 6 représente un tableau d'évolution du diamètre de mode en fonction de la longueur de fibre multimode à saut d'indice. La figure 7 représente la fabrication collective de fibres monomodes selon l'invention. Selon l'invention le collimateur C illustré par le schéma de la figure 5, comprend une optique SI à élargissement de mode. Cette optique d'expansion de mode SI peut être réalisée par des tronçons de fibres de différentes natures, juxtaposés par soudure, ou par un tronçon de fibre dopée, le dopage se faisant de manière connue en soi par diffusion d'atomes dopants dans le coeur de la fibre. Le collimateur C selon l'invention comprend en outre une optique S2 à maintien d'expansion (maintien du mode élargi), c'est à dire une optique apte à propager un faisceau de lumière de diamètre constant. Cette optique d'expansion S2 est réalisée par un tronçon de fibre ayant les propriétés requises. Il pourra s'agir d'un tronçon de fibre à saut d'indice ou d'un tronçon de fibre monomode à large coeur c'est à dire ayant un diamètre de coeur supérieur au diamètre du tronçon de fibre à expansion. On constate qu'un tel collimateur s'intègre parfaitement bien dans la réalisation d'une fibre monomode comme l'illustre la figure 5. En effet, la fibre monomode F comporte en son extrémité un collimateur C qui ne change en rien l'aspect extérieur de la fibre F puisque son diamètre extérieur est le même que celui de la fibre, et qui ne change en rien sa résistance mécanique. En outre ce collimateur C permet l'assemblage sur des montages de type connecteurs et convient parfaitement dans le cas d'interfaces fibres/espace libre. Le collimateur ainsi réalisé n'impose aucune contrainte sur la longueur du tronçon de fibre à maintien d'expansion S2 si bien que l'on dispose de toute liberté sur le choix de cette longueur. Il est en outre possible si nécessaire, que la facette extrême de ce tronçon soit : polie ou clivée droite ou en biais, arrondie, attaquée chimiquement, ou qu'elle reçoive un dépôt anti-reflet ou un dépôt d'un motif quelconque (photo inscription par exemple) pour réaliser une lentille de diffraction. L'extrémité de cette section S2 peut également être étirée, amincie, si besoin et cela sans destruction ou modification de la fonction assurée par cette section. En outre le collimateur C permet un raccordement avec toute optique y compris avec une autre fibre soudée à son extrémité. Un faisceau lumineux injecté dans la fibre F est collimaté dans la section SI puis guidé par la section S2. Le mode de propagation dans cette section correspond au mode LP01. En pratique, la propagation du mode LP01 large est possible sur une certaine distance. La propagation de ce mode ne s'accompagne d'aucune variation de la géométrie du faisceau optique (diamètre de mode). L'excitation de ce mode, et uniquement de ce mode, est conditionnée par la qualité de l'injection du faisceau provenant de la section SI vers la section S2. La fabrication d'une fibre monomode comprenant un collimateur à maintien de l'expansion de mode selon l'invention est compatible avec une fabrication collective c'est à dire avec une fabrication simultanée de plusieurs fibres. Une fabrication collective s'applique tout particulièrement à des ensembles de fibres tels que des rubans de fibres. La figure 7 illustre la fabrication collective de fibres optiques à expansion de mode selon l'invention. Le procédé de fabrication consiste d'une part à réaliser un ensemble de fibres monomodes à expansion de mode. Le procédé consiste d'autre part à réaliser collectivement un ensemble de fibres à maintien d'expansion (fibres à saut d'indice ou à large coeur). Le procédé consiste enfin à souder collectivement bout à bout les extrémités des fibres à expansion de mode et à maintien de mode, puis à cliver collectivement à la longueur désirée les fibres à maintien de mode. Une fibre à collimateur intégré selon l'invention a été réalisée par le déposant pour différentes longueurs de fibre à saut d'indice en extrémité. Les résultats des différents essais ont montré une indépendance à la longueur de cette fibre d'extrémité pour des longueurs variant de 0 à 10 mm. Dans l'exemple choisi, le diamètre de mode est de 20 um. Ce diamètre de mode est obtenu par l'utilisation de sections de fibres de différentes natures. L'onde injectée est supposée plane en entrée de la fibre à saut d'indice. Les caractéristiques de la fibre sont les suivantes : - fibre monomode : G652, r-125 um, .,.,, L- . 2 um - lentille d'expansion de mode (section SI) : passage de 11 um à 20 um - fibre à saut d'indice (S2) : E = 125 um, coeur = 35 um, (saut d'indice) An = 21 10-' Pour cette fibre le diamètre du mode LP01 est de 20 um. Il s'agit d'un exemple, les caractéristiques des fibres peuvent être différentes. Par exemple avec une fibre standard à saut d'indice 50/125, le diamètre du mode LP01 est d'environ 30 um. La figure 6 montre l'indépendance de la longueur de fibre multimode à saut d'indice pour le diamètre de mode du faisceau de sortie. On remarque que le diamètre de mode du faisceau est inchangé pour une longueur de fibre à saut d'indice de 0 à 10 mm. En outre, des essais ont été effectués sur le rendement d'interconnexion. Le rendement d'interconnexion est le même que pour une fibre sans un tronçon de fibre multimode à saut d'indice. Cette fibre n'apporte donc aucune modification aux propriétés optiques de l'interconnexion. La tolérance de positionnement est celle de deux faisceaux de 20 um de diamètre de mode. Ces pertes incluent les pertes de Fresnel du dioptre silice/air, qui s'élèvent à 0,34 db. Ainsi, le déposant a réalisé et modélisé un collimateur intégré à la dimension de la fibre dont les propriétés optiques sont indépendantes, dans une certaine mesure, de la longueur de son extrémité. REVENDICATIONS 1. Collimateur'optique pour fibres monomodes, caractérisé en ce qu'il comporte un tronçon de fibre à expansion de mode (SI) et un tronçon de fibre à maintien d'expansion (S2). 2. Collimateur optique pour fibres monomodes selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tronçons de fibres (SI, S2) ont le même diamètre. 3. Collimateur optique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le tronçon de fibre à maintien d'expansion (S2), est constitué par une fibre multimode à saut d'indice. 4. Collimateur optique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le tronçon de fibre à maintien d'expansion (S2), est constitué par une fibre monomode de diamètre de coeur supérieur à celui de la fibre monomode pour lequel il est prévu. 5. Collimateur optique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le tronçon de fibre à maintien d'expansion de mode (SI) est constitué par-ente fibre à coeur dopé. 6. Collimateur optique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le tronçon de fibre à expansion de mode est constitué par une pluralité de fibres de nature différente. 7. Fibre optique monomode à champ élargi, caractérisée en ce qu'elle comporte en extrémité une section (S2) apte à maintenir constant le diamètre du faisceau de lumière, transmis par la fibre. 8. Fibre optique selon la revendication 7, caractérisée en ce que la section apte à maintenir constant le diamètre du faisceau de lumière, est constituée par un tronçon de fibre à saut d'indice. 9. Fibre optique selon la revendication 7, caractérisée en ce que la section apte à maintenir constant le diamètre du faisceau de lumière, est constituée par un tronçon de fibre à large coeur. 10. Fibre optique selon les revendications 7 à 9, caractérisée en ce que la fibre comprend une section à élargissement de mode. 11. Fibre optique selon la revendication 10, caractérisée en ce que la section à élargissement de mode est réalisée par une pluralité de tronçons de fibres optiques. 12. Fibre optique selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisée en ce que la fibre (7) et les tronçons de fibres (SI. S2) en son extrémité ont le même diamètre. 13. Procédé de fabrication d'un ensemble de fibres optiques optique monomode à expansion de mode, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : souder collectivement un ensemble de n fibres à maintien d'expansion de mode à un ensemble de n fibres monomodes à expansion de mode, fracturer collectivement l'ensemble de n fibres à maintien d'expansion de manière à obtenir n tronçons de longueur prédéterminée. 14. Procédé de fabrication d'un ensemble de fibres optiques selon la revendication 14, caractérisée en ce que les ensembles de n fibres sont des rubans de fibres. 15 Procédé de fabrication d'un ensemble de fibres optiques selon la revendication 14 ou 15, caractérisée en ce que les fibres à maintien d'expansion sont des fibres multimodes à saut d'indice. 16. Procédé de fabrication d'un ensemble de fibres optiques selon la revendication 14 ou 15, caractérisée en ce que les fibres à maintien d'expansion sont des fibres monomodes à large coeur.