Brevet FR2828940A1 — publié le 20030228

DISPOSITIF ATHERMIQUE A FIBRE OPTIQUE La présente invention concerne le domaine des fibres optiques Elle concerne plus particulièrement le domaine des fibres optiques comportant un composant intégré. La présente invention s'applique en particulier aux dispositifs à fibres optiques comportant un réseau de Bragg intégré. Dans ce contexte, elle vise à proposer un dispositif de stabilisation en température et/ou d'ajustement de la longueur d'ondes de Bragg des réseaux photoinscrits dans les fibres optiques. Les réseaux de Bragg sont des structures périodiques de l'indice optique, qui ont la particularité de réfléchir un signal de longueur d'onde bien déterminée, dite longueur d'ondes de Bragg du réseau . Les systèmes à base de réseau de Bragg ont déjà rendu de grands services et ont donné lieu à une littérature abondante. Les composants optiques intégrant de tels réseaux de Bragg sont utilisés par exemple pour fabriquer des filtres compensateurs de dispersion chromatique (CDC), des filtres égaliseurs de gain (FEG), ou des composants multiplexers à insertion/extraction (MIE). Cependant, il s'avère que les filtres optiques munis d'un composant intégré, en particulier un réseau de Bragg sont sensibles à la température Notamment, les propriétés des réseaux de Bragg, et en particulier la longueur d'ondes de Bragg des réseaux varie : - en fonction de la température par des effets thermo-optiques dus à la dilatation ou à la compression de la fibre, ou au changement d'indice du réseau de Bragg, - en fonction de la traction ou de la tension à laquelle est soumis le réseau de Bragg dans la fibre. Il en résulte que la longueur d'onde de Bragg est : - une fonction croissante de la température, et - une fonction croissante de la traction appliquée à la fibre. On connaît des moyens pour limiter la dérive en température des dispositifs utilisant des réseaux de Bragg. Les moyens les plus usités de nos jours sont connus sous le vocable de montages table-top ou demi table-top . On trouvera un descriptif d'exemple de réalisation de ces moyens dans les documents [1] et [2]. Les figures 1 et 2 annexées représentent respectivement des structures demi table-top et table-top conformes à l'état de la technique. Les montages demi table-top ou table-top sont constitués d'une poutre 20 en matériaux à faible coefficient de dilatation tels que l'invar, la céramique,... et de plots 30 et 32 en matériau à fort coefficient de dilatation comme l'aluminium par exemple. Une fibre 10 comportant un réseau de Bragg est montée tendue entre les deux plots 30 et 32 pour le cas d'un table-top ou entre le plot 30 et l'extrémité opposée de la poutre 20 pour le cas d'un demi-table-top selon le type de montage. Les points de fixation de la fibre 10 sont référencés 12 et 14. La distance entre ces deux points 12 et 14 se réduit avec l'accroissement de la température, ainsi la tension appliquée à la fibre 10 diminue et tend à faire baisser la longueur d'ondes de Bragg, tandis que la température induisant l'effet inverse, il se produit un équilibre entre les deux phénomènes. Ces montages permettent de compenser les effets de la température en supposant à première approximation que la longueur d'ondes de Bragg est une fonction linéaire croissante avec la température et décroissante avec la contrainte mécanique exercée sur le réseau. Cette approximation linéaire de la compensation reste valable dans une certaine plage de température. Un inconvénient de ces montages est qu'ils présentent de par leur conception des dimensions assez importantes Ces montages présentent par exemple une longueur de l'ordre de 45 mm s'ils sont composés d'Invar pour la poutre 20 et d'aluminium pour les plots 30 ou 32 Cette longueur dépend directement du choix des matériaux et du rapport entre les coefficients de dilatation des matériaux employés. Parallèlement, l'évolution de l'intégration des composants dans les réseaux optiques nécessite de plus en plus leur miniaturisation Par conséquent, les montages table-top et demi-table-top apparaissent de plus en plus encombrants. Par ailleurs, les recommandations actuelles dans le domaine des télécommunications imposent des tests sévères de mise en température et de mise en humidité des composants. Par conséquent, les systèmes de fixation par collage ne sont pas suffisant pour répondre à ces exigences et, ils ont été remplacés par un maintien de la fibre par brasure sur le montage La plupart du temps, pour des raisons d'incompatibilité thermo-mécanique entre les matériaux présentant des coefficients de dilatation très différents, ces brasures ne sont pas des moyens de fixation suffisamment fiables. En effet, cette incompatibilité induit un glissement très faible mais néanmoins préjudiciable de la fibre brasée au cours du temps sur son support Un but de la présente invention est de fournir un montage athermique ne présentant pas les inconvénients précités, c'est à dire un montage pouvant atteindre des dimensions réduites et présentant une bonne fiabilité au cours du temps. A cet effet, l'invention propose un dispositif à fibre optique comprenant au moins un composant intégré dans la fibre et un support sur lequel la fibre est fixée en deux points situés de part et d'autre du composant intégré, caractérisé en ce que le support comprend deux poutres longitudinales parallèles aptes à glisser l'une par rapport à l'autre dans leur direction longitudinale et deux plots supportant les points de fixation des extrémités de la fibre, le dispositif comprenant en outre un élément compensateur de longueur prédéterminée présentant un coefficient de dilatation supérieur à celui du support, positionné sensiblement parallèlement aux poutres et dont chaque extrémité est fixée à l'une des poutres, ledit élément étant apte lors d'une variation de température à entraîner le glissement des poutres l'une par rapport à l'autre et le déplacement des points de fixation de la fibre l'un par rapport à l'autre. Un tel dispositif présente l'avantage que la fibre est fixée sur les éléments du dispositif présentant le coefficient de dilatation le plus faible. Cette caractéristique permet d'assurer une bonne adhésion des points de fixation lorsque ceux-ci sont réalisés par brasure. Par rapport au montage de type table-top et demi table-top des figures 1 et 2, la longueur du montage de l'invention peut être réduite En effet, la longueur d'un montage table-top ou demi table-top est au moins égale à la longueur de la fibre à compenser, plus la longueur du plot de compensation. Dans le cas de l'invention, le facteur limitant de la taille du dispositif n'est plus la longueur des différents éléments dilatants mais la longueur du composant intégré. De tels dispositifs peuvent donc atteindre une longueur de 25 mm. Dans une mise en oeuvre de l'invention, le support est un support dont les poutres longitudinales sont liées à des poutres transversales par des moyens charnières. Les charnières permettent avantageusement les pivotement des poutres constituant le support les unes par rapport aux autres et de ce fait facilitent le glissement des deux poutres longitudinales l'une par rapport à l'autre. Avantageusement, le support peut être monobloc. Les moyens charnières peuvent être constitués par des amincissements des jonctions entre les poutres longitudinales et transversales. Chacun des plots peut être constitué par une excroissance de l'une des poutres longitudinales, les excroissances étant positionnées à proximité des extrémités opposées des poutres longitudinales et en regard l'une de l'autre. Dans une mise en oeuvre de l'invention, l'élément compensateur présente une forme générale de S (il comprend une partie utile sous forme d'une poutre et deux excroissances aux extrémités de la poutre, les excroissances étant dirigées selon des directions opposées, de part et d'autre de la poutre), chaque extrémité étant fixée sur l'une des poutres parallèles Les plots étant positionnés à proximité des extrémités opposées des poutres longitudinales, l'élément compensateur peut être fixé sur chaque poutre au niveau de son extrémité opposée à l'extrémité supportant un plot D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative doit être lue en regard des figures annexées parmi lesquelles : - les figures 1 et 2 déjà commentées représentent schématiquement des dispositifs conformes à l'état de la technique, - la figure 3 est un exemple de dispositif conforme à l'invention, - la figure 4 est une représentation schématique du dispositif lorsque celui-ci est dans sa position d'équilibre , - la figure 5 est une représentation schématique du dispositif lors d'une élévation de température, - la figures 6 est une représentation schématique du dispositif lors d'une diminution de température, - la figure 7 représente la déformée de la structure de la figure 3 lors d'une élévation de température de +50 C, - la figure 8 représente la déformée de la structure de la figure 3 lors d'une baisse de température de-50 C. Sur la figure 3, le dispositif 100 à fibre optique représenté est en position d'équilibre . Ce dispositif 100 à fibre optique comprend un support 1 monobloc sous forme d'un cadre de forme générale rectangulaire constitué de deux poutres longitudinales 20 et 22 parallèles et de deux poutres transversales 30 et 32 reliant les extrémités des poutres 20 et 22 Le support a été usiné au niveau des jonctions entres les poutres 20,22, 30 et 32 de manière à diminuer son épaisseur au niveau de ces jonctions. Ces diminutions d'épaisseur constituent des zones 42,44, 46,48 de moindre résistance ou charnière qui permettent aux poutres 20,22, 30 et 32 de légèrement pivoter les unes par rapport aux autres. Chaque poutre longitudinale 20 et 22 comprend à proximité de l'une de ses extrémités une excroissance notée respectivement 60 et 62 Les excroissances 60 et 62 des poutres 20 et 22 sont positionnées chacune à une extrémité opposée du support 1. Une fibre optique 10 comprenant un composant intégré est fixée en deux points 50 et 52 des excroissances 60 et 62 de sorte que le composant intégré se trouve localisé entre les deux points de fixation. Le dispositif à fibre optique comprend en outre une poutre 70 en forme générale de S (la poutre 70 comprend une partie utile et deux excroissances en ses extrémités, les excroissances étant dirigées selon des directions opposées, de part et d'autre de la poutre) dont chaque extrémité est fixée sur l'une des poutres 20 et 22 au niveau de l'extrémité opposée à celle présentant une excroissance 50 ou 52. La poutre 70 est constituée d'un matériau présentant un coefficient de dilatation supérieur à celui du matériau constituant le support 1 Par exemple, la poutre 70 peut être en aluminium ou en acier inoxydable, tandis que le support 1 est en Invar ou en Covar. Les figures 4 à 6 illustrent de façon schématique le fonctionnement du dispositif 100 de la figure 3. On retrouve sur ces figures les différents éléments constitutifs du dispositif de la figure 3 : le support 1 constitué des deux poutres longitudinales 20 et 22 et transversales 30,32, les charnières 42,44, 46,48 positionnées à la jonction entre les poutres 20,22, 30 et 32, les excroissances 60 et 62 des poutres 20 et 22, les points de fixation 50 et 52 de la fibre 10, ainsi que la poutre 70 en S dont les extrémités sont fixées aux poutres 20 et 22. Sur la figure 4, le dispositif 100 est dans sa position d'équilibre Le support forme un rectangle parfait. Lors d'une élévation de température, le support 1 et la poutre 70 se dilatent, la dilatation du support 1 étant moins importante que celle de la poutre 70. Les poutres 20,22 et 70 ont tendance à s'allonger, l'allongement de la poutre 70 étant supérieur à celui des poutres 20 et 22. Comme illustré sur la figure 5, l'allongement de la poutre 70 entraîne le glissement de la poutre 20 par rapport à la poutre 22 dans leur direction longitudinale dans le sens indiqué par les flèches. Le support 1 se déforme, cette déformation étant autorisée par les charnières 42,44, 46 et 48 Le support 1 forme un parallélogramme. Il en résulte que les points de fixation 60 et 62 de la fibre 10 ont tendance à se rapprocher, relâchant la contrainte de tension de la fibre 10. A l'inverse, lors d'une diminution de température, le support 1 ainsi que la poutre 70 se contractent, la poutre 70 se contractant de manière plus importante que les poutres 20 et 22 du support 1. Comme illustré sur la figures 6, la poutre 70 entraîne le glissement des poutres 20 et 22 l'une par rapport à l'autre dans leur direction longitudinale, dans le sens indiqué par les flèches. Le support 1 se déforme, cette déformation étant autorisée par les charnières 42,44, 46 et 48 De la même manière que sur la figure 5, le support 1 forme un parallélogramme (inversé par rapport à celui de la figure 5). Il en résulte que les points de fixation 50 et 52 de la fibre 10 ont tendance à s'éloigner, augmentant la contrainte de traction dans la fibre 10. On réalise ainsi un montage qui réduit la contrainte dans la fibre 10 lorsque la température augmente et augmente cette contrainte lorsque la température baisse de manière à compenser mécaniquement les effets thermo-optiques de la fibre 10. Les figures 7 et 8 représentent la déformée du support 1 et de la poutre 70 respectivement lors d'une élévation de température de +500C et lors d'une diminution de température de-50 C par rapport à la température de position d'équilibre du montage. Sur ces figures, les déformations ont été amplifiées 30 fois. Dans un tel dispositif, la fibre 10 est fixée sur le matériau peu dilatant formant le support 1. Il est ainsi possible lors de son montage de positionner la fibre sur le support 1 seul et de venir ensuite fixer la poutre 70 De cette manière, le calage de la longueur d'onde du composant intégré sur une valeur particulière peut être réalisé a posteriori par cisaillement du support 1 pUIS fixation de la poutre 70. En outre, une brasure de la fibre sur le matériau le moins dilatant assure la bonne adhésion de celle-ci. La brasure sur un matériau peu dilatant assure une meilleure accroche dans une large gamme de températures Ceci est dû à des contraintes de compression sur la fibre présentes à haute et à basse température. La fibre peut également être fixée sur les plots par collage. Dans la description qui précède, le support comprend un cadre monobloc. Il est bien entendu possible de réaliser un support comportant des poutres reliées les unes aux autres par des soudures. Dans ce cas, les poutres longitudinales et transversales peuvent être réalisées en des matériaux différents. Les matériaux sont choisis suffisamment souples pour permettre aux poutres de pivoter les unes par rapport aux autres et assurer l'effet charnière . On notera en outre que dans la description qui précède, les plots 60 et 62 sont fixés sur les poutres longitudinales 20 et 22 Il est également possible de fixer ces plots sur les poutres transversales 30 et 32. Dans ce cas, les plots seront de préférence localisés au niveau des extrémités opposées des poutres transversales 30 et 32 de manière à ce que la déformation du support 1 entraîne un rapprochement ou un éloignement des points de fixation 50 et 52 situés sur les plots. La fibre 10 se trouve positionnée en diagonal par rapport aux poutres longitudinales 20 et 22 parallèles. Enfin l'élément de compensation n'est pas nécessairement réalisé sous forme d'une poutre en S telles que celles représentées sur les figures Il peut s'agir par exemple d'une poutre droite positionnée sur des bossages réalisés de manière antisymétrique sur les faces intérieures des poutres 20 et 22. Un tel montage peut présenter une diminution allant jusqu'à 45 % de sa longueur par rapport aux anciens montages (l'encombrement longitudinal peut atteindre 25mm). Cette réduction de longueur n'est en effet limitée que par la taille du composant intégré. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits, mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. BIBLIOGRAPHIE [1] V. FLEURY Stabilisation thermique des réseaux de Bragg photo-inscrits sur fibres optiques , rapport de stage de DESS ingénierie laser à l'Université des Sciences et Technologies de Lille. [2] J. RIOBLANC et al. Optimisation d'un système de stabilisation passive de la dérive en température de la longueur d'ondes d'accord des réseaux de Bragg , INOG 96 Papier No 85 REVENDICATIONS : 1 Dispositif (100) à fibre optique (10) comprenant au moins un composant intégré dans la fibre (10) et un support (1) sur lequel la fibre (10) est fixée en deux points (50,52) situés de part et d'autre du composant intégré, caractérisé en ce que le support (1) comprend deux poutres longitudinales parallèles (20,22) aptes à glisser l'une par rapport à l'autre dans leur direction longitudinale et deux plots (60, 62) supportant les points de fixation (50,52) des extrémités de la fibre (10), le dispositif comprenant en outre un élément compensateur (70) de longueur prédéterminée présentant un coefficient de dilatation supérieur à celui du support (1), positionné sensiblement parallèlement aux poutres (20,22) et dont chaque extrémité est fixée à l'une des poutres (20 ; 22), ledit élément (70) étant apte lors d'une variation de température à entraîner le glissement des poutres (20 ; 22) l'une par rapport à l'autre et le déplacement des points de fixation (50,52) de la fibre (10) l'un par rapport à l'autre. 2. Dispositif (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support (1) est un cadre dont les poutres longitudinales (20,22) sont liées à des poutres transversales (30,32) par des moyens charnières (42,44, 46, 48). 3. Dispositif (100) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le support (1) est monobloc. 4. Dispositif (100) selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens charnières (42,44, 46,48) sont constitués par des amincissements des jonctions entre les poutres longitudinales (20,22) et transversales (30,32). 5. Dispositif (100) selon la revendication 2, caractérisé en ce que les poutres transversales (30,32) sont fixées aux poutres longitudinales (20,22) par soudure et en ce que les poutres sont suffisamment souples pour leur permettre de pivoter les unes par rapport aux autres. 6. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacun des plots (60,62) est constitué par une excroissance de l'une des poutres longitudinales (20,22), les excroissances étant positionnées à proximités des extrémités opposées des poutres longitudinales (20,22) et en regard l'une de l'autre. 7. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément compensateur (70) présente une forme générale de S dont chaque extrémité est fixée sur l'une des poutres longitudinales (20,22). 8. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plots (60,62) étant positionnés à proximité des extrémités opposées des poutres longitudinales (20, 22), l'élément compensateur (70) est fixé sur chaque poutre (20 ; 22) au niveau de son extrémité opposée à l'extrémité supportant un plot (60 ; 62). 9. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support (1) est en Invar ou en Covar et l'élément compensateur (70) est en aluminium ou en acier inoxydable. 10. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur du support est inférieure à 25 mm.