Brevet FR2822249A1 — publié le 20020920

STRUCTURE APTE A CONNECTER OPTIQUEMENT UN COMPOSANT OPTIQUE FIBRE ET UN COMPOSANT OPTIQUE NON FIBRE ET PROCEDE DE MISE EN UVRE DE LA STRUCTURE POUR REALISER LA CONNEXION Domaine technique La présente invention concerne une structure apte à connecter optiquement un composant optique fibré et un composant optique non fibré ainsi que le procédé de mise en oeuvre de la structure pour réaliser la connexion. On entend par composant optique, aussi bien un composant tout optique qu'un composant optoélectronique ou de façon générale tout composant comportant au moins une entrée et/ou une sortie optique. La structure de l'invention peut être utilisée pour assurer la connexion de nombreux composants optiques et en particulier entre un composant d'optique intégrée et une source lumineuse fibrée ou encore un tel composant avec un isolateur optique fibré ou un multiplexeur fibré. Etat de la technique L'évolution dans le domaine de l'optique vise à intégrer un nombre croissant de composants optiques dans un même module avec des contraintes sévères de densité d'intégration et de fiabilité. Un problème fréquent dans l'assemblage de composants dans un module est le couplage optique entre composants, dont certains sont fibrés, et d'autres ne sont pas fibrés. On entend par fibré , le fait que le composant soit lié mécaniquement à une fibre optique de telle manière qu'une onde lumineuse provenant du composant entre et se propage dans la fibre optique, ou inversement, qu'une onde lumineuse provenant de la fibre entre dans le composant. La liaison mécanique entre le composant et la ou les fibres est réalisée généralement par insertion de la ou des fibres dans un support de fibres (typiquement une férule , c'est-à-dire un cylindre avec un trou central pour le passage de la fibre, ou un bloc de V (anglais : V-groove), c'est-à-dire un support avec des rainures pour l'insertion d'une ou plusieurs fibres), suivi d'un polissage du support avec la ou les fibre (s) et fixation de celles-ci au composant, par exemple par collage. Le composant est par exemple un élément d'optique intégrée sur lequel est reporté directement le support de fibres ; le composant peut être aussi un ensemble d'éléments optiques combinés entre eux dans un boîtier sur lequel est reporté le support de fibres ou comportant le support de fibres. Dans la technique actuelle, il existe 2 types d'approches pour assurer la connexion optique entre un composant fibré, A, et un composant non-fibré, B. La figure 1 représente schématiquement le premier type connu d'approche. Sur cette figure, le composant A est fibre ; autrement dit le composant A est relié par un support de fibres 11 à une fibre 9. Le composant B est non fibré. Pour permettre la connexion optique du composant A et du composant B, on fibre le composant B, en collant sur ce dernier un support de fibres 3 dans ou sur lequel est maintenue une fibre 5. Pour établir ensuite le couplage optique entre les composants A et B, une soudure de fibres est réalisée par fusion entre les fibres 5 et 9. Le point de soudure est référencé 7. La figure 2 représente schématiquement le deuxième type connu d'approche. Comme précédemment, la fibre 9 est reliée optiquement au composant A par le support de fibres 11. Selon cette approche, on insère l'autre extrémité de la fibre 9 dans un support de fibres 15, puis on polit et on colle l'ensemble au composant B. Les approches représentées aux figures 1 et 2 présentent cependant un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord, dans ces deux cas, la longueur de fibre entre les deux composants A et B, nécessaire pour la mise en oeuvre de ces approches est importante (typiquement, une longueur de l'ordre de 50 à 100 cm est nécessaire). Cela crée un encombrement, puisque la fibre optique ne doit pas être pliée avec un rayon de courbure trop petit afin d'éviter une éventuelle rupture et afin de garder une bonne transmission optique. En outre, une fibre optique est fragile et peut donc casser pendant la mise en oeuvre de ces approches notamment lors des phases de polissage et de collage (diminuant ainsi le rendement de fabrication) ou après (mettant ainsi en péril la fiabilité du produit). En outre, dans la première approche, la soudure de fibre ajoute une fragilité supplémentaire par rapport au reste de la fibre, pouvant entraîner des pertes de transmission optique. Exposé de l'invention et brève description des figures La présente invention a pour objet une structure apte à connecter optiquement un composant optique fibré et un composant optique non fibré ainsi qu'un procédé de mise en oeuvre de la structure pour réaliser la connexion optique, ne présentant pas les limitations et les difficultés des approches décrites ci-dessus. Un but de l'invention est en particulier de réaliser une connexion optique par un lien mécanique rigide entre un composant fibré, A, et un composant non fibré, B ; ce lien protégeant avantageusement l'ensemble de la fibre ou des fibres situées entre ces 2 composants. Un autre but de l'invention est de réaliser un lien mécanique permettant d'assurer l'alignement optique des axes optiques de la fibre du composant A et du composant B. De façon plus précise, la structure de l'invention permet de connecter optiquement au moins une fibre d'un composant optique fibré, à une extrémité optique d'un composant optique non fibré, cette structure comprenant : - un premier support apte à maintenir au moins une fibre issue du composant fibré, le premier support étant relié mécaniquement au composant fibré, - un deuxième support apte à maintenir une extrémité de ladite fibre et à être relié mécaniquement au composant non fibré, et - un élément de maintien présentant une première et une deuxième extrémité, la première extrémité étant apte à recevoir et à maintenir tout ou partie du premier support et la deuxième extrémité étant apte à recevoir et à maintenir tout ou partie du deuxième support. On entend par composant, un élément d'optique ou un ensemble d'éléments optiques combinés entre eux dans un boîtier. Lorsque le composant est fibré, le premier support est soit reporté sur le composant par exemple par collage soit intégré au composant, en particulier lorsque le composant est un ensemble d'éléments combinés dans un boîtier, le premier support peut faire partie du boîtier. Selon un mode préféré, le premier support et/ou le deuxième support est choisi parmi une férule, un bloc de V. La férule comporte un ou plusieurs évidements pour maintenir une ou plusieurs fibres. Il peut y avoir une fibre ou plusieurs fibres par évidement. Le bloc de V comporte de la même manière une ou plusieurs rainures en V pour maintenir une ou plusieurs fibres. De même, il peut y avoir une fibre ou plusieurs fibres par rainure. D'autres types de supports peuvent bien entendu être utilisés. De préférence, la fibre du composant fibré est gainée. Le premier support est donc apte à maintenir la fibre gainée. Dans le deuxième support la fibre est avantageusement dénudée, ledit deuxième support est donc apte à maintenir la fibre non gainée. L'élément de maintien comprend un support dans lequel est formé un évidement de longueur suffisante pour maintenir tout ou partie du premier support et tout ou partie du second support et pour assurer une longueur d'évidement entre les premier et deuxième supports dans laquelle la fibre est libre. Cette longueur de l'évidement, dans laquelle la fibre est libre, est appelée longueur d'adaptation ; elle correspond à la longueur nécessaire pour que la fibre issue du composant fibré puisse s'aligner avec l'axe optique de l'extrémité optique du composant non fibré, sans imposer de contraintes mécaniques sur la fibre qui pourraient entraîner des pertes de transmission optique voire même des ruptures de fibres. Cette longueur d'adaptation varie selon les composants à connecter ; elle varie par exemple entre quelques mm à plusieurs cm. Selon un premier exemple de réalisation, les premier et second supports présentant respectivement une section de même forme et de même dimensions, l'évidement présente de préférence une section de dimension constante sur toute sa longueur. Selon un deuxième exemple de réalisation, les premier et second supports présentant des sections de dimensions différentes, l'évidement présente une section de dimensions variables sur sa longueur. Selon un mode de réalisation de l'élément de maintien, celui-ci est réalisé par une bague, et son évidement est avantageusement cylindrique. Toute autre forme d'élément de maintien adapté à la réception et au maintien du premier et du deuxième support peut être utilisée. A titre d'exemple, l'élément de maintien peut être aussi formé par un substrat comportant des cavités (pouvant avoir des géométries différentes et formant l'évidement) pour la réception et le maintien des premier et second supports (par exemple des blocs de V) et généralement pour le passage de la fibre ou des fibres entre lesdits supports. Les cavités sont de préférence fermées par un autre substrat pour assurer un meilleur maintien. Cet élément de maintien peut également être réalisé par deux substrats formant entre eux un évidement. De façon avantageuse, lorsqu'au moins l'un des supports de fibre est dans un matériau de coefficient de dilatation thermique différent de celui de l'élément de maintien, au moins l'extrémité de l'élément apte à recevoir ledit support est partiellement ouverte. L'extrémité partiellement ouverte de la bague permet en outre une insertion plus aisée du support dans l'élément de maintien. Enfin pour assurer la rigidité mécanique de l'ensemble, le premier support et le deuxième support sont de préférence collés dans l'élément de maintien. L'invention a également pour objet, un procédé de mise en oeuvre de la structure pour réaliser la connexion optique entre au moins une fibre d'un composant optique fibré, et une extrémité optique d'un composant optique non fibré, ce procédé comportant les étapes suivantes : - mise en place d'au moins une fibre issue du composant fibré, dans un premier support relié mécaniquement au composant fibré, une extrémité de la fibre restant libre à l'issue de cette mise en place, - insertion de tout ou partie du premier support dans un élément de maintien présentant une première et une deuxième extrémité, la première extrémité étant apte à recevoir et à maintenir tout ou partie du premier support, - mise en place de l'extrémité libre de la fibre, dans un deuxième support apte à maintenir ladite fibre, - insertion de tout ou partie du deuxième support dans l'élément de maintien, la deuxième extrémité de l'élément étant apte à recevoir et à maintenir tout ou partie du deuxième support, une extrémité du deuxième support restant libre, - report de l'extrémité libre du deuxième support sur le composant non fibré de façon à mettre en correspondance un axe optique de la fibre avec un axe optique de l'extrémité optique du composant non fibré. De façon avantageuse, une étape de collage du premier et du deuxième support avec l'élément de maintien est réalisée pour assurer la rigidité mécanique de la structure de maintien. Le report du deuxième support sur le composant non fibré comprend avantageusement une étape de polissage de l'extrémité libre du deuxième support et une étape de fixation par exemple par collage de cette extrémité sur le composant non fibré. De façon avantageuse, le polissage du deuxième support est réalisé avec l'élément de maintien de sorte que l'axe dudit élément est utilisé comme référence pour le polissage et pour l'alignement optique des axes optiques de la fibre et du composant non fibré. Le polissage du deuxième support est réalisé de préférence avec un angle de quelques degrés et par exemple 80 avec un plan parallèle à la section dudit support. Le composant non fibré est également préparé pour que la partie du composant devant être reportée au deuxième support présente également une inclinaison complémentaire par rapport audit plan. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur des exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif. Elle se réfère par ailleurs à des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 déjà décrite représente un exemple de réalisation connu d'une connexion optique entre un composant fibré et un composant non fibré, - la figure 2 déjà décrite représente, un autre exemple de réalisation connu d'une connexion optique entre un composant fibré et un composant non f ibré, - la figure 3 représente schématiquement en perspective et en transparence, un exemple de réalisation d'une structure selon l'invention assurant une connexion optique entre un composant fibré et un composant non fibré, et - la figure 4 représente schématiquement une coupe de la figure 3 dans un plan contenant les axes optiques des différents éléments. Exposé détaillé de modes de réalisation Pour simplifier le reste de la description, on a choisi à titre d'exemple comme composant fibré A, un boîtier comportant un certain nombre d'éléments optiques non représentés, le support de fibre du composant faisant partie du boîtier lui-même. Aussi, dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures 3 et 4, le composant A est représenté par une boîte noire avec son support de fibre 30. On a également choisi de représenter à titre d'exemple le composant B non fibré par un élément d'optique intégrée comportant un microguide 40 et dont une extrémité optique est référencée 41. Bien entendu, il existe de nombreux autres exemples de composants fibrés et non fibrés. A titre d'exemple de composants fibrés, on peut citer les lasers, les photodiodes, les isolateurs, les filtres, les multiplexeurs, ou encore un ensemble d'éléments optiques ; on peut citer également comme composants non-fibrés, les amplificateurs, les multiplexers, les diviseurs, les concentrateurs... etc. Par souci de simplification, on a choisi également de représenter une connexion optique entre 2 composants mettant en jeu une seule fibre, à une seule extrémité optique, étant bien entendu que la connexion optique peut être réalisée entre plusieurs fibres et plusieurs extrémités optiques, les supports de fibres étant alors prévus pour maintenir plusieurs fibres. Pour assurer la connexion optique entre le composant A et le composant B, la structure représentée dans cet exemple de réalisation comprend le support de fibre 30 relié mécaniquement au composant fibré A. Ce support 30 est formé par une férule cylindrique comportant un logement apte à maintenir la fibre 36 qui est dans cet exemple gainée. Le logement de la férule 30 présente une section très légèrement supérieure au diamètre de la fibre gainée pour permettre son passage. L'extrémité de la fibre devant être reliée optiquement à l'extrémité optique du composant B, est introduite dans un support de fibre 35, réalisé dans cet exemple également par une férule cylindrique comportant un logement pour l'insertion de la fibre qui est non gainée à cette extrémité. La section du logement de la férule 38 est très légèrement supérieure à la fibre dénudée pour permettre son coulissement. La structure de l'invention comporte par ailleurs un élément de maintien référencé 33 sur les figures 3 et 4. Cet élément de maintien est formé dans cet exemple par une bague cylindrique dans laquelle on insère d'une part le support 30 et d'autre part une partie du support 35. A cette fin, la bague 33 comporte un évidement dont l'extrémité qui reçoit le support 30 présente une section (ou éventuellement plusieurs sections) adaptée à la section extérieure (respectivement aux sections extérieures s'il y en a plusieurs) de la férule 30. Dans cet exemple, la férule présente 2 sections extérieures différentes et la section intérieure de la bague est très légèrement supérieure à la plus grande des sections de la férule 30. Par ailleurs, la section intérieure de la bague, à l'extrémité qui reçoit la férule 35 (ou éventuellement les sections intérieures) est adaptée à la section extérieure (respectivement aux sections extérieures s'il y en a plusieurs) de la férule 35. Elle est en général très légèrement supérieure à la section extérieure de la férule 35. Pour guider la férule 35 dans la bague et mieux permettre son insertion dans celle-ci, la bague est semi-ouverte à son extrémité sur une longueur de préférence inférieure à la longueur insérée de la férule. Cette réalisation particulière aurait pu également être réalisée à l'extrémité de la bague maintenant la férule 30. Enfin, pour obtenir un bon couplage optique entre les composants A et B, il est avantageux de maintenir entre les deux férules 30 et 35, une longueur de fibre généralement gainée, libre dans la bague. Tout au long de cette longueur, appelée longueur d'adaptation, la fibre n'est pas serrée par la bague, contrairement à la fibre dans les férules ; cette longueur doit être suffisante pour que l'axe optique de la fibre s'aligne avec le nouvel axe optique imposé par le logement de la férule 35. A titre d'exemple pour une fibre de diamètre 0, 125 mm et une gaine de diamètre 0, 25 mm, le support 30 est par exemple une férule du même matériau que le boîtier par exemple en Kovar, de diamètre intérieur 2 mm et de diamètre extérieur 3,6 mm, le support 35 est par exemple une férule en verre de diamètre intérieur 0,14 mm et de diamètre extérieur 3,6 mm et la bague est un cylindre métallique par exemple en Kovar de diamètre intérieur 3,7 mm et de diamètre extérieur 6 mm. La longueur d'adaptation entre les 2 férules est d'environ 1 cm et la longueur totale de la bague est de 27 mm pour des longueurs de férules 30 et 35 respectivement de 9 mm et de 8 mm. De façon avantageuse, on choisira comme matériaux pour l'élément de maintien et pour au moins un des supports de fibre (ici le support 30), des matériaux présentant des coefficients de dilatation les plus proches possible. Dans cet exemple, la bague et le support sont donc réalisés dans le même matériau. Par ailleurs, compte tenu de l'extrémité semi-ouverte de la bague et de l'utilisation de colle (formant un joint de dilatation) l'autre support (ici le support 35) peut être dans un matériau différent, tel que du verre ou du même matériau que le substrat du composant auquel il est relié. Pour assurer un meilleur maintien entre les férules et la bague, on insère de préférence entre ces éléments de la colle. La structure ainsi réalisée est ensuite préparée, pour être reportée au composant B. De façon avantageuse, on polit l'extrémité extérieure (c'est-à- dire l'extrémité non contenue dans la bague) de la férule 35 contenant la fibre. Ce polissage est généralement réalisé avec un angle de quelques degrés et par exemple 80 par rapport à un plan parallèle à la section de la bague. Le composant B est adapté à la réception de la face polie de la férule 35, aussi la partie du composant apte à recevoir la férule comporte également une inclinaison complémentaire à celle de la férule par rapport audit plan. Pour permettre l'alignement optique de la férule 35 avec l'extrémité optique du composant B, on utilise par exemple pour la préparation de la férule et pour son report sur le composant B un axe de la bague comme axe de référence. De préférence le report de la férule sur le composant B est réalisé par collage. On voit bien avec cet exemple, que la structure de l'invention permet d'obtenir une connexion plus solide que dans l'art antérieur ; dans cette structure la fibre est généralement complètement protégée. En outre, cette structure permet d'obtenir des modules plus compacts avec une bonne transmission optique entre composants notamment grâce à la récupération d'axes optiques obtenue par la longueur d'adaptation de la bague. REVENDICATIONS 1. Structure apte à connecter optiquement un composant optique fibré (A) à un composant optique non fibré (B), cette structure comprenant : - un premier support (30) apte à maintenir au moins une fibre (36) issue du composant fibré, le premier support étant relié mécaniquement au composant fibré, - un deuxième support (35) apte à maintenir une extrémité de ladite fibre et à être relié mécaniquement au composant non fibré, et - un élément de maintien (33) présentant une première et une deuxième extrémité, la première extrémité étant apte à recevoir et à maintenir tout ou partie du premier support et la deuxième extrémité étant apte à recevoir et à maintenir tout ou partie du deuxième support. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier support et/ou le deuxième support est choisi parmi une férule, un bloc de V. 3. Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce que la férule comporte un ou plusieurs évidements pour maintenir une ou plusieurs fibres. 4 Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce que le bloc de V comporte une ou plusieurs rainures en V pour maintenir une ou plusieurs fibres. 5. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la fibre issue du composant fibré étant gainée, le premier support est apte à maintenir la fibre gainée et le deuxième support est apte à maintenir la fibre dénudée. 6. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément de maintien comprend un support dans lequel est formé un évidement de longueur suffisante pour maintenir tout ou partie du premier support et tout ou partie du second support et pour assurer une longueur d'évidement entre les premier et deuxième supports dans laquelle la fibre est libre. 7. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément de maintien est réalisé par une bague creuse cylindrique. 8. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que lorsqu'au moins l'un des supports de fibre est dans un matériau de coefficient de dilatation thermique différent de celui de l'élément de maintien, au moins l'extrémité de l'élément apte à recevoir ledit support est partiellement ouverte. 9. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier support et le deuxième support sont collés dans l'élément de maintien. 10. Procédé de mise en oeuvre de la structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour réaliser la connexion optique entre au moins une extrémité d'une fibre d'un composant optique fibré, et une extrémité optique d'un composant optique non fibré, ce procédé comportant les étapes suivantes : - insertion de tout ou partie d'un premier support maintenant la fibre et relié mécaniquement au composant fibré, dans un élément de maintien présentant une première et une deuxième extrémité, la première extrémité étant apte à recevoir et à maintenir tout ou partie du premier support, - mise en place de l'extrémité de la fibre, dans un deuxième support apte à maintenir ladite fibre, - insertion de tout ou partie du deuxième support dans l'élément de maintien, la deuxième extrémité de l'élément étant apte à recevoir et à maintenir tout ou partie du deuxième support, une extrémité du deuxième support restant libre, - report de l'extrémité libre du deuxième support sur le composant non fibré de façon à mettre en correspondance un axe optique de l'extrémité de la fibre avec un axe optique de l'extrémité optique du composant non fibré. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de collage du premier et du deuxième support avec l'élément de maintien. 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le report du deuxième support sur le composant non fibré comprend une étape préalable de polissage de l'extrémité libre du deuxième support 13. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le report du deuxième support comprend une étape de collage de son extrémité libre sur le composant non fibré. 14. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le report est réalisé en utilisant un axe de l'élément de maintien comme axe de référence.