Brevet FR2879307A1 — publié le 20060616

DISPOSITIF DE COUPLAGE OPTIQUE La présente invention concerne un dispositif de couplage optique entre un premier guide d'ondes optique et un composant opto-électronique ou un second guide d'ondes optique. Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif de couplage optique entre un guide d'onde optique et un composant optique ou optoélectronique, comportant un support et un élément de couplage, l'élément de couplage étant un barreau optique transparent comportant une face d'entrée et une face de sortie de la lumière, formant des faces de couplage entre le guide d'onde optique et le composant. Un type de réalisation du barreau optique de l'art antérieur est décrit dans le document US 6 491 443. Selon ce document, un barreau de forme tronconique centre un faisceau par réflexions contre la surface définie par une génératrice du tronc de cône. La présente invention a pour but d'améliorer les performances de couplage d'un dispositif du type mentionné ci-dessus. Pour ce faire, la présente invention concerne principalement un dispositif de couplage comportant un barreau optique, caractérisé par le fait que la face d'entrée du barreau est conformée pour que le faisceau optique entrant par cette face se propage selon un axe optique et parvienne au niveau de la face de sortie sans avoir subi de réflexion sur une quelconque surface située entre ces faces d'entrée et de sortie. Le dispositif selon l'invention permet d'éviter les pertes au niveau des faces et/ou interfaces entre les faces d'entrée et de sortie. Selon un mode de réalisation particulier la face d'entrée est une surface asphérique centrée sur un axe optique, cette surface ayant un rayon de courbure qui augmente lorsqu'on s'éloigne de l'axe optique. Selon un autre mode de réalisation alternatif ou complémentaire, la face de sortie est une surface asphérique centrée sur un axe optique, cette surface ayant un rayon de courbure qui augmente lorsqu'on s'éloigne de l'axe optique. En mode de réalisation alternatif ou complémentaire au moins l'une des faces est une face pourvue de motifs de diffraction en réseau. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, au moins l'une des 10 faces d'entrée-sortie est entourée par une couronne annulaire. Plus particulièrement la couronne annulaire est disposée du côté de la face d'entrée-sortie en regard du composant et comporte un rebord de butée, s'insérant dans une cavité du composant et formant des moyens de centrage et d'adaptation de distance focale entre ladite face en regard et l'élément actif du composant. Toujours selon l'invention l'élément de couplage comporte des moyens, de rétention de l'élément de couplage dans un corps support, s'étendant radialement dans une direction perpendiculaire audit axe optique. Les moyens de rétention comprennent notamment une bague annulaire. En mode de réalisation particulier, le corps support est moulé sur l'élément de couplage optique selon une opération de moulage en double injection. L'élément de couplage est plus particulièrement constitué d'un corps transparent comportant une section interne cylindrique se terminant par les faces d'entrée-sortie et une section externe tubulaire, entourant la section interne et dont les extrémités constituent des surfaces de références par rapport à une distance de focalisation des faces d'entréesortie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif de l'invention en référence aux figures qui représentent: En figure 1: une vue schématique d'un premier exemple de réalisation 30 d'un élément de couplage optique selon l'invention; en figure 2: une vue schématique de l'interception d'un faisceau optique par une face d'un élément de couplage de Ila figure 1; en figure 3: une vue d'une variante de l'élément de couplage de la figure 1; en figure 4A: une vue de côté en coupe d'un exemple de réalisation d'un dispositif de couplage optique selon l'invention comprenant l'élément de couplage de la figure 3; en figure 4B: une vue de côté en coupe d'un exemple de réalisation d'un 5 dispositif de couplage optique selon l'invention comprenant l'élément de couplage de la figure 3 associé à un premier guide d'ondes optique. En figures 5A et 5B: un exemple de réalisation alternatif d'un élément de couplage optique selon l'invention et une vue agrandie d'une face de couplage de cet élément. Le dispositif de couplage optique selon l'invention vise à améliorer la transmission de signaux optiques dans une liaison entre un émetteur et un récepteur et notamment à limiter les pertes au niveau d'une connexion optique entre un composant 2 et un guide d'ondes optique 1. Un premier exemple de réalisation d'un élément de couplage 5 est représenté en figure 1. Cet élément de couplage comporte des faces d'entrée-sortie à deux extrémités d'un corps transparent 100 destiné à être inséré dans un logement d'un boîtier coupleur. Les faces d'entrée-sortie de cet élément 100 sont alignées avec l'élément actif d'un composant opto-électronique 2 et avec le guide d'onde 1 que l'on 20 souhaite raccorder au composant. Le composant opto-électronique 2 1peut être un émetteur tel qu'une diode électro-luminescente ou une diode laser ou peut être un récepteur tel qu'un phototransistor ou une photodiode alors que le guide d'ondes est une fibre optique et notamment une fibre plastique monomode ou multimode. Selon ce mode de réalisation, l'élément de couplage 5 comporte un barreau pourvu à ses extrémités de faces d'entrée-sortie 6, 7 courbes, les deux faces étant dans ce cas conformées pour concentrer le faisceau optique au coeur du barreau selon un axe optique A longitudinal du barreau et conformées pour focaliser le faisceau optique à une distance (D1, D2) déterminée du barreau. Selon la configuration, la face 6 peut être une face d'entrée et la face 7 une surface de sortie ou le contraire. De manière générale, les faces 6 et 7 seront appelées faces d'entrée-sortie. Les courbures des faces d'entrée-sortie peuvent être ainsi adaptées chacune à sa contre partie guide d'ondes 1 et composant 2. L'élément de couplage 5 de la figure 1 est constitué d'un corps transparent comportant une section interne 13 cylindrique se terminant par les faces d'entrée-sortie 6, 7 et une section externe 14 entourant la section interne et dont les extrémités 15, 16 prolongent le barreau pour constituer des surfaces de références par rapport à la distance de focalisation des faces courbes. Selon cet exemple, les faces d'entrée-sortie 6, 7 ne sont pas nécessairement en contact avec d'une part le composant 2 et, d'autre part avec le guide d'ondes 1 mais se trouvent éloignées de ces derniers respectivement d'une distance Dl et d'une distance D2, distances optimales par rapport aux faces d'entrée-sortie pour la focalisation du faisceau par rapport au guide d'ondes et au composant. L'utilisation de ces faces d'entrée-sortie 6, 7 permet de dévier les rayons lumineux constituant le faisceau optique afin qu'ils n'interceptent pas la périphérie du barreau dans sa direction longitudinale. Selon cet exemple, pour lequel Ves faces courbes sont des calottes asphériques de rayon de courbure de l'ordre de 1.5 mm, la distance Dl est égale à la distance D2 et de l'ordre de 0,1 mm, la longueur de la section interne 13 étant de l'ordre de 4,8 mm en fonction des dimensions du corps support. Plus précisément, le rayon de courbure augmente lorsque l'on s'éloigne radialement de l'axe optique A vers l'extérieur. Cette disposition permet de ramener le faisceau vers le centre de l'élément de couplage 5 et d'intercepter une plus grande partie du faisceau incident, comme le montre la figure 2. En effet, sur cette figure 2, sont représentées par des surfaces hachurées, des portions du faisceau intercepté. Ces portions ne seraient pas interceptées par des surfaces sphériques ayant un rayon de courbure correspondant au centre de la lentille. Des distances focales différentes entre Dl et D2 par exemple sont possibles pour le cas de composants opto-électroniques pourvus d'une lentille ou dont la puce opto-électronique se trouve plus ou moins enfoncée dans son boîtier. Plus particulièrement, comme représenté sur la figure 1, les faces courbes sont réalisées en sorte de guider la lumière dans le barreau sous la forme d'un faisceau F cylindrique, le faisceau sortant de manière convergente des faces courbes 6, 7. En outre, dans le mode de réalisation de la figure 1, les extrémités 15, 16 de la section externe 14 tubulaire dépassent par rapport aux faces courbes 6, 7 et constituent des butées d'appui d'un côté pour le composant et de l'autre pour le guide d'ondes 1 ce qui évite tout contact des faces optiques entre elles et sépare la fonction optique de la fonction de positionnement et de centrage mécanique. L'élément de couplage est réalisé dans un matériau optique et moulé par exemple par une opération de micro-moulage. La figure 3 concerne une variante de réalisation d'un élément de couplage 5' selon laquelle l'élément de couplage comporte deux faces d'entrée-sortie 6, 7 courbes dont une seule est entourée par une couronne annulaire 8. De même que dans l'exemple de la figure 1, cette couronne annulaire 8 comporte un rebord de butée 9, qui s'insère dans une cavité 10 du composant opto-électronique comme représenté en figure 4B et forme des moyens de centrage et d'adaptation de distance focale entre la face courbe 7 et l'élément actif du composant 2. Le montage de l'élément de couplage 5' dans un corps support 3 formant ici 15 un boîtier de couplage optique est représenté en figure 4A. Selon cette figure le dispositif de couplage optique entre un guide d'ondes optique 1 et un composant 2 optique ou opto-électronique comporte un corps support 3 pourvu d'une embase 4 de réception d'une terminaison du premier guide d'ondes et un canal de réception de l'élément de couplage 5'. L'élément de couplage 5' selon la figure 4A est l'élément de couplage de la figure 3 et du type comportant un barreau optique transparent de forme générale cylindrique, comportant une première face courbe 6 d'entrée-sortie de la lumière et une seconde face courbe 7 d'entrée-sortie de la lumière lesdites faces formant des faces de couplage entre le guide d'ondes optique 1 et le composant 2. Les faces courbes 6, 7 de l'élément de couplage possèdent une courbure focalisant un faisceau optique à des distances déterminées du barreau et en particulier la distance Dl de la face courbe 6 à la face d'entrée-sortie du guide d'ondes 1 et la distance D2 de la face courbe 7 de la face courbe 7 à l'élément actif du composant opto-électronique 2. Selon l'exemple de la figure 4A, seule la face courbe 7 côté composant est entourée par une couronne annulaire 8 pourvue comme il a été expliqué plus haut d'un rebord de butée 9 permettant de centrer le barreau par rapport au composant 2. L'élément de couplage 5' comporte un axe optique A entre les deux faces courbes et des moyens 12 de rétention de l'élément de couplage dans le corps support 3. Ces moyens 12 qui s'étendent radialement dans une direction perpendiculaire audit axe optique comprennent selon l'exemple une bague annulaire. Du fait de la courbure des faces qui contiennent le faisceau F dans le coeur du barreau, il n'y a pas de perte de signal par des réflexions dans la bague annulaire de maintien du barreau dans le corps support. Le barreau peut ainsi être réalisé en matériau plastique transparent sans 10 nécessiter d'utiliser un matériau à gradient d'indice. Selon l'exemple de la figure 4A, le corps support 3 peut être moulé sur l'élément de couplage optique 5' selon une opération de moulage en double injection ou moulé séparément, le barreau 5' étant ensuite inséré par le côté extérieur du corps support jusqu'à mise en butée de la couronne annulaire contre un épaulement interne au canal de réception du barreau dans le corps support. Selon cet exemple, le corps support comporte une face 17 de butée pour le guide d'ondes 1, cette face de butée définissant la distance D2 de la face courbe 7 au guide d'ondes 1, ce qui évite de pourvoir le barreau de deux couronnes annulaires. L'élément de couplage 5' est constitué d'un corps transparent comportant une section interne 13 cylindrique se terminant par les faces courbes et une section externe 14 tubulaire, entourant la section interne et dont les extrémités 15, 16 constituent des surfaces de références par rapport à la distance de focalisation des faces courbes. Comme vu précédemment, l'élément de couplage 5' retenu dans le corps support 3 n'a pas besoin de deux couronnes annulaires comme dans l'exemple de la figure 1, l'un des rebords de butée pour le composant ou la fibre étant directement réalisé dans le corps support 3. La face de butée 17 du corps support protège la face optique lorsque le 30 barreau est inséré dans le corps support 3. Le corps support 3 constitue une embase de coupleur optique pourvue de moyens de maintien 18 du composant opto-électronique. Ces moyens de maintien sont selon l'exemple un capot métallique venant en appui sur le corps support et comportant une patte ressort 19 appliquant le composant 2 contre l'élément de couplage 5'. Le capot métallique sert notamment de blindage pour la partie électronique 5 du composant opto-électronique. Le corps support 3 constitue une embase de réception d'une fiche 20, connue en soi et dont seul le profil général est schématisé. La fiche 20 est pourvue de la fibre optique 1 constituant le guide d'ondes optique et s'insère dans l'embase de réception pour effectuer la connexion 10 optique. Les exemples des figures 1 à 4B sont des réalisations pour lesquelles au moins l'une des faces d'entrée-sortie 6, 7 est une face courbe. Comme il a été vu précédemment, l'utilisation de faces courbes permet de conformer le faisceau par réfraction lumineuse à l'interface air-plastique et de dévier le faisceau afin que des rayons lumineux n'interceptent pas la périphérie du barreau dans sa direction longitudinale. L'exemple de la figure 5A concerne un élément de couplage pourvu aussi de deux faces d'entrée-sortie de la lumière conformées pour concentrer le faisceau optique au coeur du barreau selon un axe optique A longitudinal du barreau mais ici, le principe utilisé est un principe de diffraction lumineuse, les faces 6' et 7' étant dans ce cas pourvues de motifs de diffraction 21 en réseau dont un exemple est représenté agrandi en figure 5B permettant de re-combiner les ondes ayant parcouru un chemin différent et les diriger dans le guide d'ondes ou dans le composant optoélectronique. La lumière émise par la face sera la combinaison des faisceaux recombinés comme représenté en figure 5B sur le graphique Intensité I et distance D. Une combinaison des exemples de la figure 1 et de la figure 5A est possible, une des faces étant alors une face courbe, l'autre face une face pourvue d'un motif de diffraction en réseau. L'invention n'est pas limitée aux exemples représentés et est notamment applicable au raccordement de deux fibres optiques entre elles, une des fibres étant reçue à la place du composant 2, le support étant dans ce cas un support pourvu de deux embases dos à dos. Le support peut en outre être un élément de connecteur pourvu de contacts électriques pour le raccordement simultané d'un connecteur électrique notamment dans le cadre d'applications telles que les dispositifs audiô-visuels embarqués dans des automobiles ou des véhicules de transport en commun. 9 REVENDICATIONS 1 - Dispositif de couplage optique entre un guide d'onde optique (1) et un composant (2) optique ou optoélectronique, comportant un support (3) et un élément de couplage (5, 5'), l'élément de couplage étant un barreau optique transparent comportant une face d'entrée et une face de sortie de la lumière, formant des faces de couplage (6, 7, 6', 7') entre le guide d'onde optique et le composant, caractérisé en ce que la face d'entrée (6, 6', 7, 7') est conformée pour que le faisceau optique entrant par cette face se propage selon un axe optique (A) et parvienne au niveau de la face de sortie (7, 7', 6, 6') sans avoir subi de réflexion sur une quelconque surface située entre ces faces d'entrée et de sortie. 2 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la face d'entrée (6, 7) est une surface asphérique centrée sur un axe optique, cette surface ayant un rayon de courbure qui augmente lorsqu'on s'éloigne de l'axe optique. 3 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la face de sortie (7, 6) est une surface asphérique centrée sur un axe optique, cette surface ayant un rayon de courbure qui augmente lorsqu'on s'éloigne de l'axe optique. 4 - Dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel au moins l'une des faces (6', 7') est une face pourvue de motifs de diffraction en réseau (21). 5 - Dispositif de couplage optique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins l'une des faces (6, 7, 6', 7') est entourée par une couronne annulaire (8). 6 - Dispositif de couplage optique selon la revendication 5, dans lequel la couronne annulaire (8) est disposée du côté de la face (7) en regard du composant et comporte un rebord de butée (9), s'insérant dans une cavité (10) du composant et formant des moyens de centrage et d'adaptation de distance focale entre ladite face en regard (7) et le composant (2). 7 - Dispositif de couplage optique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les faces (6, 6', 7, 7') sont réalisées en sorte de guider la 30 lumière dans le barreau sous la forme d'un faisceau cylindrique (11). 8 - Dispositif de couplage optique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément de couplage comporte des moyens (12), de rétention de l'élément de couplage dans un corps support, s'étendant radialement dans une direction perpendiculaire audit axe optique (A). 9 - Dispositif de couplage optique selon la revendication 8, dans lequel les moyens de rétention (12) comprennent une bague annulaire. - Dispositif de couplage optique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément de couplage (5, 5') est constitué d'un corps transparent comportant une section interne (13) cylindrique se terminant par les faces d'entrée-sortie et une section externe (14), entourant la section interne et dont les extrémités (15, 16) prolongent le barreau pour constituer des surfaces de références par rapport à une distance de focalisation des faces d'entrée-sortie.