Brevet FR2871244A1 — publié le 20051209

DISPOSITIF DE COUPLAGE OPTIQUE La présente invention concerne un dispositif de couplage optique notamment entre un circuit plan tel qu'un circuit imprimé pourvu de couches guides d'ondes enterrées et d'au moins un guide d'ondes externe. La réalisation de systèmes opto-électroniques haute vitesse utilise des coupleurs optiques pour faire passer les signaux optiques entre des cartes dites fond de panier optique et des fibres optiques inter-cartes ou des cartes filles. Les cartes fond de panier comme les cartes filles peuvent combiner des voies optiques et des voies électriques. Le raccordement des voies électriques utilisent des connecteurs électriques et le raccordement des voies optiques utilisent des coupleurs optiques. Une difficulté du couplage optique est qu'il est nécessaire de faire sortir le signal optique du guide d'onde dans le fond de panier et, pour ce faire il y a lieu d'interrompre le guide d'onde et de changer la direction du faisceau optique. Une solution permettant de réaliser un fond de panier pourvu de voies optiques est décrite dans le document WO 02/061481. Ce document concerne une réalisation pour laquelle des couches de circuit imprimé et des fibres optiques terminées par un élément de couplage à 90 rapporté sur les fibres optiques sont assemblées pour réaliser un sous ensemble constituant un fond de panier. Ce principe de réalisation est complexe et nécessite plusieurs étapes dont: grouper les fibres, encapsuler les terminaisons de ces fibres dans l'élément de couplage, positionner les fibres sur un premier circuit imprimé et percer des trous pour maintenir l'élément de couplage sur ce premier circuit imprimé, puis, assembler des éléments complémentaires de circuit imprimé au dessus et autour des fibres optiques, ces circuits complémentaires devant être découpés pour entourer l'élément de couplage. 2871244 2 Ensuite, une nouvelle opération de découpe et de perçage doit être effectuée pour permettre l'accès aux terminaisons de couplage des éléments de couplage, l'opération se terminant par le positionnement de supports de réception de fiches optiques de raccordement complémentaires sur les éléments de couplage. Une telle réalisation est longue, difficile à réaliser et notamment rend délicat l'alignement correct des fiches optiques avec les éléments de couplage enterrés. Ce principe en outre ne permet, ni de considérer les fibres enterrées comme des pistes du circuit imprimé lors de sa conception, ni de réaliser des prises de dérivation des signaux optiques vers l'extérieur à partir d'un guide d'onde se prolongeant de part et d'autre de l'élément de couplage. La présente invention vise à proposer un dispositif de couplage optique permettant, lors de la conception du circuit formant le fond de panier, de traiter les voies optiques de la même manière que les voies électriques et de traiter les points de couplage optique vers l'extérieur de la même façon que les points de connexion électriques. Elle permet d'autre part de simplifier les étapes de fabrication du circuit tout en garantissant un alignement précis entre les câbles optiques et/ou guides d'ondes externes à raccorder et la zone de sortie optique de voies optiques réalisées par des guides d'ondes enterrés dans le circuit. Elle permet notamment de réaliser simplement une liaison entre une carte fond de panier et une ou plusieurs cartes filles externes. Pour ce faire la présente invention concerne principalement un dispositif de couplage optique entre au moins une voie optique enterrée dans un circuit imprimé, pour véhiculer un faisceau optique (F), et un câble optique et/ou un guide d'ondes externe, le circuit comportant, à partir d'une surface extérieure du circuit, au moins une première couche isolante et au moins une couche interne incorporant au moins un guide d'ondes enterré formant ladite voie optique, le dispositif comportant un élément de couplage se positionnant dans une découpe, creusée dans le circuit et coupant le guide d'ondes enterré, l'élément de couplage étant muni de moyens de refocalisation du faisceau optique entre le guide d'ondes enterré et le guide d'ondes externe et d'au moins une surface de positionnement inférieure sur une surface de référence de la découpe par rapport à l'axe du guide d'ondes enterré. 2871244 3 L'invention réalise ainsi un dispositif de couplage optique compact positionné directement au niveau du guide d'ondes enterré et permettant de refocaliser de manière précise le faisceau optique entre le guide d'ondes enterré et le guide d'ondes externe moyennant une opération simple de découpe du circuit imprimé et l'insertion dans cette découpe de l'élément de couplage. Plus particulièrement, la découpe comporte une première section d'une première largeur au niveau de la couche isolante jusqu'à ladite surface de référence et une seconde section au niveau de la couche interne incorporant le guide d'ondes enterré, la seconde section étant de largeur réduite par rapport à la première section de manière à réaliser la surface de référence en soubassement du plan externe, l'élément de couplage comportant un corps supérieur pourvu de surfaces de positionnement inférieures venant en appui sur la surface de référence et un corps inférieur disposé dans la seconde section en regard de tronçons du guide d'ondes situés de part et d'autre de la découpe. De manière particulièrement avantageuse, ladite surface de référence est la surface externe du coeur du guide d'ondes. Les moyens de refocalisation peuvent notamment comprendre une surface inclinée de réflexion et de renvoi du faisceau optique à 90 réalisée sur l'élément de couplage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples non limitatifs de réalisation de l'invention en référence aux figures qui représentent: En figure 1: Une vue schématique en coupe d'un dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention; En figure 2: une vue schématique en coupe d'un dispositif selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; En figure 3: une vue schématique en coupe d'un dispositif selon un troisième mode de réalisation de l'invention; En figure 4: une vue schématique en coupe d'un dispositif selon un 30 quatrième mode de réalisation de l'invention; En figure 5: un détail de réalisation d'un mode de réalisation de l'invention pour lequel le dispositif de couplage est centré par des billes de soudures; En figure 6: une vue agrandie d'un détail de réalisation du dispositif de la figure 1; 2871244 4 En figure 7: un exemple d'utilisation du dispositif selon l'invention pour la réalisation de liaisons optiques entre une carte fond de panier et des cartes filles. L'invention concerne un dispositif de couplage permettant notamment de relier des voies optiques sous la forme de guides d'ondes externes fixés sur une carte de type circuit imprimé à des voies optiques enterrées dans une autre carte de type circuit imprimé. Le dispositif représenté en figure 1 est un exemple de réalisation de l'invention selon lequel le dispositif de couplage comporte un élément de couplage 9, ici une embase de coupleur optique recevant une fiche optique 40 pourvue de deux fibres optiques 2 formant des guides d'ondes externes. Selon cet exemple deux voies optiques sont connectées pour réaliser une dérivation optique. Le circuit imprimé 3 représenté dans l'exemple est un circuit multicouche comportant une première couche isolante 5 (ici la couche supérieure), des pistes de connexion électriques 41, 42, 43, 44, au moins une couche interne 6 et une couche inférieure isolante 45. La couche interne 6 est ici une couche comportant au moins un guide d'onde enterré 7 réalisant la voie optique 1. Le circuit peut bien entendu, dans le cadre de l'invention, comporter des couches supplémentaires au dessus ou au dessus de la couche comportant le ou les guides d'ondes. Pour réaliser le dispositif de couplage optique, une découpe est creusée dans le circuit pour atteindre le guide d'onde et le couper en deux tronçons 19. La découpe selon l'invention est réalisée de telle sorte qu'une surface de référence 11 soit créée, cette surface de référence, positionnée en soubassement de la surface supérieure définissant le plan externe du circuit imprimé étant positionnée précisément par rapport à la profondeur P du guide d'ondes enterré 7 dans le circuit imprimé et plus particulièrement précisément par rapport à l'axe du guide d'onde lui même. La découpe et notamment la surface de référence peuvent être réalisée par une opération d'attaque chimique ou de découpe par laser du circuit et/ou de la gaine optique du guide d'ondes de sorte que la surface de référence 11 soit directement la surface externe du coeur du guide d'ondes, la gaine polymère du guide d'ondes étant alors dissoute par l'attaque chimique. Dans une version simplifiée, la surface de référence est la surface externe de la gaine de la fibre. 2871244 5 Pour simplifier la réalisation de l'élément de couplage, la découpe 8 comporte une première section 10 d'une première largeur et une seconde section 12 de largeur inférieure à la première section ce qui crée deux épaulements constituant des surface de référence 11 sur les côtés de la découpe. L'élément de couplage 9 est lui pourvu d'un corps supérieur 9a, comportant des ailes sous lesquelles sont réalisées des surfaces de positionnement inférieures venant s'appuyer sur les surfaces de référence 11, de part et d'autre du logement réalisé par la découpe 8 creusée dans le circuit 3 et coupant le guide d'ondes enterré 7. Pour la fonction de couplage optique, l'élément de couplage est pourvu d'un corps inférieur 9b disposé dans la seconde section en regard des tronçons 19 du guide d'ondes enterré 7. Selon cette configuration, l'invention permet donc un alignement précis en hauteur de la sortie des extrémités des tronçons de guide d'ondes enterré 7 avec 15 l'élément de couplage. Pour accroître la précision de la position de l'élément de couplage par rapport aux tronçons du guide d'ondes enterré, des profils de centrage complémentaires entre l'élément de couplage et la découpe sont prévus. Selon l'exemple de la figure 2 le centrage de l'élément de couplage dans son logement est réalisé par un plot de centrage, constitué par un profil de centrage 16 dépassant du fond 15 de la découpe 8 et reçu dans un profil de centrage complémentaire 17 en creux à l'extrémité inférieure du corps inférieur 9b de l'élément de couplage. Selon cet exemple, le profil de centrage 16 porté par le fond 15 est un profil mâle pourvu d'une forme générale conique et plus particulièrement en forme de pyramide à quatre faces qui oriente l'élément de couplage pour l'aligner avec les tronçons 19 du guide d'ondes enterré 7, l'élément de couplage étant pourvu d'un profil de centrage en creux 17 selon une pyramide en creux correspondante. Une forme en cône tronqué ou toute forme de recentrage sont aussi envisageables. Pour réaliser le couplage, le faisceau F doit sortir du plan du guide d'ondes enterré 7 et se diriger vers l'extérieur du circuit et vers la fibre optique 2 ou guide d'ondes externe correspondante. 2871244 6 Pour ce faire, un renvoi du faisceau par une surface réfléchissante doit être réalisé pour le diriger vers la fibre optique, dans le cas d'un faisceau sortant, ou bien, de la fibre optique vers le guide d'ondes dans le cas d'un faisceau entrant. Selon l'exemple représenté, les axes optiques des fibres optiques 2 sont à 90 des guides d'ondes enterrés et il est nécessaire de positionner un miroir à 45 sur le trajet du faisceau pour réaliser un renvoi à 90 dans le cas le plus fréquent où les fibres sont perpendiculaires au circuit. Plusieurs réalisations sont proposées dans les exemples et notamment dans l'exemple de la figure 1 grossi en figure 6, l'élément de couplage est réalisé dans un matériau transparent à la lumière aux longueurs d'ondes à transmettre et pourvu de surfaces réfléchissantes. Afin de diriger le faisceau, la face du profil de centrage 17 en creux est métallisée et constitue un miroir par une surface inclinée 26 de réflexion permettant le renvoi du faisceau à 90 . La surface inclinée 26 de réflexion est ainsi selon cet exemple disposée sur une surface de l'élément de couplage contiguë au profil de centrage. Pour effectuer le renvoi, selon l'exemple de la figure 4, l'élément de couplage 9 comporte des faces réfléchissantes 18 inclinées en regard du profil de centrage 16 sur une face de l'élément de couplage 9 opposée à la face en regard de la sortie 19 du guide d'ondes, ladite face 18 formant face de réflexion du faisceau optique (F). Pour ces deux variantes, le chemin optique sort des guides d'ondes enterrés pour rentrer dans le pied de l'élément de couplage puis ressortir de l'élément de couplage par sa face supérieure. Dans les variantes des figures 2 et 3, le chemin optique passe par les ailes 25 du corps supérieur 9a de l'élément de couplage. Selon l'exemple de la figure 2, les faces externes du pied ou corps inférieur 14 sont des faces inclinées de réflexion 25 recouvertes d'un revêtement miroir qui renvoie les faisceaux optiques issus des guides d'ondes enterrés vers les ailes du corps supérieur 9a. Cette configuration simplifie l'opération de métallisation réalisée après moulage de l'élément de couplage. Par contre le trajet du faisceau entre le guide d'ondes enterré et l'élément de couplage est plus important. Selon l'exemple de la figure 3, une surface réfléchissante est réalisée par une découpe en biseau des tronçons 19 de guides d'ondes enterrés 7. Le faisceau 2871244 7 réfléchi par la face en biseau sort par les surfaces de référence 11, par exemple à 90 par rapport à l'axe du guide d'ondes enterré, pour entrer dans les ailes du corps supérieur 19. Dans toutes ces configurations, l'élément de couplage est pourvu d'une première face d'entrée/sortie 20, 21 en regard d'au moins d'une face d'entrée/sortie du tronçon 19 du guide d'onde enterré et, d'une deuxième face d'entrée/sortie 22 du faisceau F sortant du plan supérieur du circuit, le faisceau transitant dans l'élément de couplage entre les première et deuxième faces 20, 21, 22. Pour optimiser le couplage, l'élément de couplage décrit dans les exemples comporte des lentilles de couplage 23 permettant de refocaliser et de remettre en forme le faisceau optique entre les milieux hétérogènes constitués par le guide d'ondes enterré, l'interstice et l'élément de couplage. Ces lentilles et l'élément de couplage les comprenant peuvent être réalisés 15 par micromoulage. Comme l'élément de couplage se positionne dans le logement créé par la découpe, il referme cette découpe et évite que des corps étrangers puissent polluer la zone d'interstice entre les faces d'entrée/sortie des guides d'ondes enterrés et de l'élément de couplage. II est en outre possible de remplir cette zone d'interstice avec une colle ou un gel d'indice de réfraction compatible avec l'indice de réfraction des guides d'ondes enterrés et de l'élément de couplage. En figures 5 et 6 sont décrits des moyens de positionnement de l'élément de couplage alternatifs au système de profils de centrage complémentaires 16, 17 25 ou venant en complément de ce système. Ces moyens sont constitués par des zones métallisées de la surface 11 de référence du circuit et des métallisations réalisées sur l'élément de couplage pour constituer des plots métalliques destinées à souder l'élément de couplage sur la surface de référence 11 à l'aide de billes de soudure. En effet, il est possible par l'utilisation de billes de soudure de positionner un composant électronique avec une grande précision en soumettant les billes à une refusion entre des plots métalliques. Cette technique connue sous la terminologie Anglo-saxonne "bail grid array" (BGA) est par exemple utilisée pour souder des circuits intégrés, 2871244 8 comportant des plots de connexion sur leur surface inférieure, en surface d'un circuit imprimé muni de pistes de connexion de ces composants. Ici la surface 11 de référence et les surfaces de positionnement inférieures 13 de l'élément de couplage sont pourvues l'une de plots d'accueil de billes de centrage métallisées 30, l'autre de plages métallisées 31 entre lesquelles des billes de soudure 32 sont disposées ces dernières permettant par refusion l'alignement et la fixation de l'élément de couplage dans la découpe. Par ce principe, l'élément de couplage est fixé dans la découpe lors de la refusion des billes de soudure et, les lentilles 23 ou les faces d'entrée/sortie de l'élément de couplage 9 sont positionnées en alignement avec les guides d'ondes enterrés. Deux variantes sont d'ailleurs possible en fonction de la présence ou non des profils d'alignement. Dans le cas où les profils d'alignement sont absents, l'élément de couplage portant les billes est posé dans le logement et l'étape de refusion est réalisée, par exemple dans un four à infra-rouges, ce qui positionne et soude l'élément par la fusion puis le refroidissement des billes. La surface de référence 11 et au moins une des surfaces de positionnement inférieures 13 de l'élément de couplage étant pourvues l'une de plots de centrage métallisés 30, l'autre de plages métallisées 31 entre lesquelles des billes de soudure 32 sont disposées, les billes permettent lors de leur refusion l'alignement et la fixation de l'élément de couplage dans la découpe 8. Selon ce principe, les billes de soudure 32 réalisent alors l'alignement de lentilles 23 de l'élément de couplage 9 avec le guide d'ondes enterré 7. Dans le cas où des profils de centrage complémentaires 16, 17 sont présents, l'élément de couplage portant les billes est positionné dans le logement en appui sur les billes puis, lors de la refusion des billes, l'élément vient se positionner sur le profil 16, le refroidissement des billes soudant l'élément de couplage en position. Selon cette réalisation, les billes ne participent pas à l'alignement des faces d'entrée/sortie de l'élément avec le ou les guides d'ondes mais assurent uniquement la fixation de l'élément optique 9 dans son logement. L'invention ne se limite pas aux exemples représentés et notamment plusieurs configurations d'utilisation de l'élément de couplage sont possibles, 2871244 9 celui-ci pouvant, comme représenté en figure 1, constituer une embase de réception d'une fiche optique 40 pourvue de deux fibres 2, ou pouvant, dans une configuration à plusieurs guides d'ondes, telle que décrite en figures 2, 3 et 4, constituer un élément de connecteur multivoies, les guides d'onde pouvant être, comme représenté, l'un au dessus de l'autre ou même, dans un même plan parallèle au plan supérieur du circuit imprimé. En outre, il est possible à l'aide du dispositif selon l'invention de réaliser des connexions optiques pour plusieurs fiches optiques sur un circuit tel qu'une carte fond de panier ou pour des cartes filles pourvues de fiches optiques en bout et de guides d'ondes eux mêmes enterrés, ces cartes étant reçues sur le fond de panier. L'invention permet, en utilisant un élément de couplage simple à réaliser par moulage ou micromoulage, ayant éventuellement subi une étape de métallisation, de traiter les connexions optiques de la même manière que des connexions électriques, les connexions optiques pouvant affleurer à la surface du circuit. L'exemple d'application représenté en figure 7 notamment prévoit de raccorder des voies optiques de cartes filles Cl, C2, C3, C4 aux guides d'ondes enterrés d'une carte fond de panier. Pour ce faire, le fond de panier comporte une pluralité de coupleurs optiques pourvue d'éléments de couplage 9 selon l'invention recevant des fiches optiques 40, les voies optiques externes 2 étant ensuite raccordées au niveau des cartes filles à des voies internes par des seconds coupleurs 46. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de couplage optique entre au moins une voie optique (1) enterrée dans un circuit imprimé (3), pour véhiculer un faisceau optique (F), et un guide d'ondes externe (2), le circuit (3) comportant, à partir d'une surface extérieure (4) du circuit, au moins une première couche isolante (5) et au moins une couche interne (6) incorporant au moins un guide d'ondes enterré (7) formant ladite voie optique (1), le dispositif comportant un élément de couplage (9) se positionnant dans une découpe (8) , creusée dans le circuit (3) et coupant le guide d'ondes enterré (7), l'élément de couplage (9) étant muni de moyens de refocalisation du faisceau optique entre le guide d'onde enterré (7) et le guide d'ondes externe (2) et d'au moins une surface de positionnement inférieure (13) sur une surface de référence (11) de la découpe (8) par rapport à l'axe du guide d'ondes enterré (7). 2 - Dispositif de couplage optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la découpe (8) comporte une première section (10) d'une première largeur au niveau de la couche isolante (5) jusqu'à ladite surface de référence (11) et une seconde section (12) au niveau de la couche interne (6) incorporant le guide d'ondes enterré (7), la seconde section (12) étant de largeur réduite par rapport à la première section de manière à réaliser la surface de référence (11) en soubassement du plan externe, l'élément de couplage (9) comportant un corps supérieur (9a) pourvu de surfaces de positionnement inférieures (13) venant en appui sur la surface de référence (11) et un corps inférieur (14) disposé dans la seconde section en regard de tronçons (19) du guide d'ondes situés de part et d'autre de la découpe. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ladite surface de référence est la surface externe du coeur du guide d'ondes. 4 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ladite surface de référence est la surface externe de la gaine du guide d'ondes. - Dispositif de couplage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de couplage (9) et le fond (15) de la découpe (8) comportent des profils complémentaires de centrage (16, 17) de l'élément de couplage (9) selon un axe perpendiculaire à la surface du circuit. 2871244 11 6 - Dispositif de couplage selon la revendication 5 caractérisé en ce que le profil de centrage (16) porté par le fond (15) est un profil mâle pourvu d'une forme générale conique. 7 - Dispositif de couplage selon la revendication 5 ou 6 caractérisé en ce que l'élément de couplage comporte au moins une face réfléchissante inclinée (18) en regard du profil de centrage (16) sur une face opposée à la face en regard de la sortie (19) du guide d'ondes, ladite face (18) formant face de réflexion du faisceau optique (F). 8 - Dispositif de couplage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élément de couplage (9) est au moins en partie transparent et pourvu d'une première face d'entrée/sortie (20, 21) en regard d'au moins d'une face d'entrée/sortie d'un tronçon (19) du guide d'onde et d'une deuxième face d'entrée/sortie (22) du faisceau (F) sortant du plan supérieur du circuit, le faisceau transitant dans l'élément de couplage entre les première et deuxième faces (20, 21, 22). 9 - Dispositif de couplage selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'au moins une des faces d'entrée/sortie (20, 21, 22) est pourvue d'une lentille de couplage (23). - Dispositif de couplage selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce 20 que l'élément de couplage (9) comporte une surface inclinée (25, 26) de réflexion et de renvoi du faisceau optique à 90 . 11 - dispositif de couplage selon la revendication 6 et 10 caractérisé en ce que ladite surface inclinée (26) de réflexion et de renvoi est disposée sur une surface de l'élément de couplage contiguë au profil de centrage. 12 - Dispositif de couplage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que les tronçons (19) du guide d'onde (7) sont terminées au niveau de la découpe (8) par des faces inclinées (27), réfléchissant le faisceau optique (F) dans une direction à 90 et permettant la sortie du faisceau optique du guide d'ondes enterré (7) par la surface de référence (11), le corps supérieur de l'élément de couplage (9) étant pourvu d'une première face d'entrée/sortie (21) en regard de la surface de référence (11) et d'une deuxième face d'entrée/sortie (22) externe au circuit, le faisceau optique (F) transitant dans l'élément de couplage entre les première et deuxième faces d'entrée/sortie (21, 22). 2871244 12 13 - Dispositif de couplage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la surface de référence (11) et au moins une des surfaces de positionnement inférieures (13) de l'élément de couplage sont pourvues l'une de plots d'accueil de billes de centrage métallisés (30), l'autre de plages métallisées (31) entre lesquelles des billes de soudure (32) sont disposées, ces dernières permettant par refusion l'alignement et la fixation de l'élément de couplage dans la découpe (8). 14- Dispositif de couplage selon la revendication 13 caractérisé en ce que les billes de soudure (32) réalisent l'alignement de lentilles (23) de l'élément de 10 couplage (9) avec le guide d'ondes enterré (7). - Dispositif de couplage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élément de couplage (9) constitue une embase de réception d'une fiche de terminaison de fibres optiques.