Brevet FR3020144A1 — publié le 20151023

Procédé de fixation d'une fibre optique avec un support d'une diode laser 1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui de l'optoélectronique. Un domaine connexe de l'invention est celui des lasers. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de fixation d'une fibre optique avec un support d'une diode laser. L'invention trouve notamment une application dans la mise en oeuvre de diodes lasers packagées et de diodes lasers de pompe. 2. Etat de la technique La consommation et la durée de vie d'un appareil optoélectronique fibré émetteur dépend directement de la qualité du couplage optique entre la fibre optique et le laser, ou la diode laser, qu'il renferme. Lorsque le couplage optique est optimal, le laser ou la diode laser s'échauffe peu, ce qui permet de réduire les pertes de performance résultant de l'échauffement de l'appareil et évite une détérioration trop rapide de l'appareil. En outre, aucun refroidisseur thermo-électrique n'est nécessaire, ce qui permet de réduire le coût et l'encombrement de l'appareil. Afin de garantir la qualité du couplage optique il est nécessaire de pouvoir maintenir la fibre optique et le laser, ou la diode laser, alignés avec précision. On admet généralement que pour garantir un couplage optimal, l'alignement de la fibre et du laser doit être précis à moins d'un micromètre suivant toutes les directions. Il est connu d'utiliser un dispositif d'alignement monté sur calle pour maintenir une fibre optique et une diode laser alignées dans un boitier laser fibré. Un inconvénient de cette technique mettant en oeuvre un dispositif d'alignement est qu'il faut prévoir un espace dans le boitier pour insérer le dispositif d'alignement et la calle, ce qui ne permet pas de réaliser des boitiers 30 compacts. Par ailleurs, cette technique est complexe à mettre en oeuvre. Afin de remédier à cet inconvénient, on a proposé de fixer la fibre optique directement au boitier. On connait une technique consistant à souder avec du métal d'apport une férule, sertie autour de la fibre optique, au boitier contenant le laser ou la diode laser. Un inconvénient de cette technique de soudage est qu'il se produit au coeur de la soudure des microfissures lors de son refroidissement, ce qui ne permet pas de garantir le positionnement de la fibre optique. Un autre inconvénient de cette technique de soudage connue est qu'une soudure épaisse peut se déformer avec le temps ou se dilater ou se contracter lorsque la température varie. On a ainsi pensé à coller la fibre optique dans une ouverture du boitier à l'aide d'une résine époxy. Un inconvénient de cette technique de collage résulte du fait que la résine se déforme avec le temps ou suite à des variations de température, ce qui a pour conséquence de détériorer le couplage optique entre la fibre optique et la diode laser. On connait également une technique destinée à sécuriser la position de la fibre optique qui consiste à maintenir la fibre optique à l'aide de deux manchons de diamètres différents, qui vont être soudés sur la paroi extérieure du boitier. Cette technique connue présente l'inconvénient d'augmenter l'encombrement extérieur du boitier. Un autre inconvénient de cette technique connue est qu'il n'est pas possible de réaliser une reprise de l'alignement. 3. Objectifs de l'invention L'invention a donc notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l'état de la technique cités ci-dessus. Plus précisément l'invention a pour objectif de fournir une technique de fixation d'une fibre optique avec un support d'une diode laser qui permette de maintenir un alignement précis de la fibre optique avec la diode laser. Un objectif de l'invention est également de fournir une telle technique de fixation d'une fibre optique qui soit simple à mettre en oeuvre et peu coûteuse. Un autre objectif de l'invention est de fournir une technique de fixation d'une fibre optique qui soit fiable. Encore un objectif de l'invention est de fournir une technique qui permette une mise en oeuvre d'un support compact. 4. Exposé de l'invention Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaitront par la suite sont atteints à l'aide d'un procédé de fixation d'une fibre optique avec un support d'une diode laser dans une position où la fibre optique est en relation de couplage optique avec ladite diode laser, ledit support comprenant une lumière formée dans une paroi dudit support destinée au passage de ladite fibre. L'invention concerne donc la fabrication d'une diode laser fibrée obtenue par le seul alignement de la fibre optique par l'extérieur, sans utilisation d'un dispositif d'alignement intermédiaire monté sur calle entre la fibre optique et la diode laser. Selon l'invention, un tel procédé de fixation d'une fibre optique comprend les étapes suivantes : - fixation hermétique d'une férule sur ladite fibre optique sensiblement à une extrémité de ladite fibre, ladite férule présentant une longueur supérieure à l'épaisseur de ladite lumière ; - montage d'une rondelle au contact de la paroi et en vis-à-vis de ladite lumière, de part et d'autre de ladite paroi ; - insertion de ladite fibre optique dans lesdites rondelles et dans ladite lumière de sorte que ladite férule dépasse desdites rondelles de chaque côté de ladite paroi ; - alignement de ladite fibre optique avec ladite diode laser dans une position optimisant le couplage optique entre ladite fibre et ladite diode et soudage par laser desdites rondelles avec ladite férule comprenant une étape d'émission d'un faisceau laser sensiblement tangent au plan de la paroi et perpendiculaire à l'axe de ladite fibre ; - alignement de ladite fibre optique avec ladite diode laser dans une position optimisant le couplage optique entre ladite fibre et ladite diode et soudage par laser desdites rondelles avec ladite paroi comprenant une étape d'émission d'un faisceau laser sensiblement tangent au plan de la paroi et sensiblement perpendiculaire à l'axe de ladite fibre. Ainsi, de façon inédite, l'invention propose de fixer la fibre optique au support de la diode à la fois par l'intérieur et l'extérieur du support à l'aide de rondelles en figeant successivement la position longitudinale puis la position transversale de la fibre optique par rapport au support. Les tirs de soudure étant sensiblement tangents au plan de la paroi, ceci permet avantageusement de produire des diodes laser fibrées compactes. Par ailleurs, les tirs de soudure étant avantageusement sensiblement perpendiculaires à l'axe de la fibre, il ne se produit pas de déplacement de la fibre optique suivant son axe lors de la première étape de soudure des rondelles avec la férule. Le procédé selon l'invention s'avère en outre particulièrement simple à mettre en oeuvre et permet des cadences de production élevées. Selon un aspect préférentiel de l'invention, lors de ladite étape d'insertion de ladite fibre, moins de 1,5 millimètre de l'extrémité de ladite fibre tournée vers ladite diode laser fait saillie hors de la rondelle plaquée contre la face de ladite paroi tournée vers ladite diode laser. Il est ainsi possible de placer la diode laser très proche de la paroi interne du support, ce qui permet de concevoir un support très compact. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, lesdites étapes de soudage laser comprennent une étape de réalisation d'au moins un point de soudure entre ladite férule et une desdites rondelles et d'au moins un point de soudure entre ladite férule et ladite paroi. Le fait de réaliser des points de soudure permet en effet d'éviter une dilatation de la férule et/ou des rondelles par échauffement et par conséquent un décalage de la position prévue de la soudure et donc de la position de la fibre optique. Préférentiellement, deux points de soudure sont réalisés entre ladite férule et au moins une desdites rondelles et/ou entre ladite férule et ladite paroi, sensiblement à angle droit l'un par rapport à l'autre par rapport à l'axe central de ladite fibre. Ainsi, on fixe rigidement la férule avec les rondelles et la paroi. De façon avantageuse, ladite fibre optique est une fibre optique lentillée dont ladite extrémité présente un pic en forme de double biseau dont la pointe forme une arête. L'utilisation d'une fibre lentillée ne rend ainsi pas nécessaire la mise en oeuvre d'une lentille intermédiaire entre la fibre et la diode laser, ce qui réduit les pertes de puissance optique entre la diode laser émettrice et la fibre optique réceptrice. Selon un aspect particulier de l'invention, la fibre optique peut être mono- ou multi-modale. Selon un aspect particulier de l'invention, ladite arête est courbe. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, deux points de soudure sont réalisées entre ladite férule et au moins une desdites rondelles ou entre ladite férule et ladite paroi suivant une direction sensiblement parallèle à ladite arête. On fige ainsi solidement la position de l'arête. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, ladite lumière est formée dans une partie saillante de ladite paroi tournée vers l'extérieur dudit support. Dans une variante de ce mode de réalisation, la face tournée vers l'extérieure de ladite paroi peut être plane. Avantageusement, lesdites rondelles sont magnétisées. Il peut notamment s'agir de rondelles en matériau ferromagnétique. Selon un aspect avantageux de l'invention, l'orifice central desdites rondelles est biseauté par rapport à l'axe de la rondelle, afin de faciliter le passage de la férule. De préférence, ladite lumière présente un diamètre supérieur à celui de ladite férule. La fibre optique peut ainsi être insérée facilement au travers de la lumière. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit support est un boitier apte à être scellé hermétiquement. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, un procédé de fixation d'une fibre optique tel que décrit ci-dessus comprend une étape de dépose au travers d'au moins un orifice formé dans ladite paroi, d'un alliage de soudure autour de ladite férule destiné à assurer l'étanchéité de ladite paroi au niveau de ladite lumière. On réalise ainsi une étanchéité convenable et durable dans le temps de la paroi. 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante de deux modes de réalisation de l'invention, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 est une vue schématique d'une installation pour la mise en oeuvre d'un procédé de fixation d'une fibre optique sur un boitier support d'une diode laser selon l'invention, avant que la fibre optique soit mise en place dans le boitier ; la figure 2 est une vue de détail en coupe du boitier présenté en référence à la figure 1 ; les figures 3a et 3b sont des vues de détail en coupe, respectivement dans un plan transversal et dans un plan longitudinal à la fibre optique, de la zone d'extrémité de la fibre optique présentée en référence aux figures 1 et 2 ; - les figures 4a et 4b illustrent un autre exemple de réalisation d'une fixation d'une fibre optique à un support de diode laser. 6. Description détaillée de l'invention 6.1 Exemple de mode de réalisation de l'invention On a illustré en référence à la figure 1 une installation 10 de montage d'une diode laser fibrée équipée pour fixer une fibre optique 14 avec un boitier optoélectronique 16 contenant une diode laser semi-conductrice 11, en mettant en oeuvre un procédé de fixation selon l'invention. Sur la figure 1, la fibre optique 14 est représentée dans une position précédent sa mise en place et sa fixation dans le boitier 16. Dans ce mode de réalisation particulier de l'invention, la fibre optique 14 est une fibre optique lentillée et la diode laser 11 est une diode semiconductrice alimentée électriquement par des électrodes 15. Une férule 113 est soudée hermétiquement autour de la fibre optique 14 par une soudure de type verre-métal, à une distance de quelques centaines de micromètre de la pointe de la fibre optique 14. Comme on peut le voir sur la figure 2 qui est une vue de détail d'une coupe du boitier 16 après fixation de la fibre optique 14 sur le boitier en position de couplage optique avec la diode laser 11, la fibre optique 14 présente à son extrémité une pointe lentillée 27 en forme de double biseau de façon à réduire les pertes de puissance dans le couplage. On notera que sur la figure 2, la pointe de la fibre optique a été représentée grossie, afin de pouvoir la distinguer de la férule. Pour éviter par ailleurs tout risque de déplacement de la diode laser 11, celle-ci est brasée sur une embase 21 formée sur la base du boitier 16. Le boitier en acier 16 contenant la diode laser 11 est ouvert sur le dessus et peut être scellé à l'aide d'un couvercle (non représenté sur cette figure). Ce boitier 16 présente un passage de fibre formant lumière 113 formé dans la paroi 114 du boitier 16 et qui se prolonge dans une portion tubulaire 115 qui fait saillie hors du boiter 16 à partir de la paroi 114. La base 17 du boitier est vissée sur le socle 15. Le socle 15 est fixé sur une table anti-vibratile 12 et est régulé en température pour travailler à un point de fonctionnement en température donné. Un ensemble de micro-positionnement trois axes 13 destiné à déplacer la fibre optique 14 est posé sur la table 12 à proximité du socle 15. L'ensemble 13 est équipé de platines de translation commandées par des actionneurs (non représentées sur cette figure) et se prolonge par un préhenseur de fibre optique 111 qui enserre la fibre optique 14 à l'aide mâchoires 112 fermées par air comprimé. Le socle 15 est placé au dessous d'une tête de soudage laser mobile 18 reliée à un laser Nd:YAG pulsé 19 par deux fibres optiques protégées par d'épaisses gaines. Le laser YAG 19 présente une puissance crête de 6kW et est configuré pour émettre à 1064 nm. Dans une variante de ce mode de réalisation, deux têtes de soudage laser, pouvant être déplacées indépendamment, peuvent être placées au-dessus du boitier 16. On détaille ci-après les étapes du procédé selon l'invention de fixation de la fibre optique 14 au boitier 16 à l'aide de l'installation 10. Dans une première étape, une première rondelle magnétisée 116, en alliage ferromagnétique, est plaquée à l'extrémité de la portion tubulaire 115 et une seconde rondelle 117 est plaquée contre la face intérieure de la paroi 114 en vis-à-vis de la lumière 113. Dans une deuxième étape, la fibre optique 14 est insérée successivement dans la première rondelle 116, dans la lumière 113 puis dans la deuxième rondelle jusqu'à ce que la férule 110 dépasse légèrement de la rondelle 117 à l'intérieur du boitier 16 de sorte que la pointe de la fibre optique soit écartée de moins de 2 millimètres de la rondelle 117. Dans ce mode de réalisation particulier de l'invention, les rondelles 116 et 117, sensiblement identiques, présentent une épaisseur de 0,3 millimètres. Le diamètre de la lumière 113 est supérieur à celui de la férule 110 afin de faciliter le passage de la férule au travers de la lumière 110 et l'écart entre les rondelles 116 et 117 est d'une valeur convenable pour prémunir la diode laser fibré d'un effet de levier de la férule. Comme on peut le voir sur la figure 3b, dans une vue en coupe de la rondelle 117, l'orifice central de la rondelle 117 est ajusté au diamètre de la férule 110. Cet orifice est par ailleurs biseauté par rapport à l'axe de la rondelle de façon à faciliter l'insertion de la férule dans la rondelle 117. Dans une variante, les rondelles 116 et 117 peuvent être placées autour de la férule 110 au fur et à mesure de l'avancée de la fibre optique dans la direction de l'intérieur du boîtier. Dans une troisième étape, la diode laser 11 est alimentée à puissance nominale de fonctionnement, par exemple à 10W dans le proche infrarouge, et l'ensemble de micro-positionnement 13 déplace progressivement la fibre optique 14 jusqu'à atteindre une position d'alignement avec la diode laser 11 dans laquelle le signal à la sortie de la fibre optique est d'amplitude maximale. Selon le même principe, un alignement préalable de la fibre optique 14 avec la diode laser peut être effectué en alimentant la diode laser 11 à 1 Ampère, près du seuil de l'émission laser. Dans une étape suivante, le laser YAG 19 émet une impulsion dans une direction 119 sensiblement tangente au plan de la paroi 114 afin de réaliser un premier point de soudure 22 entre la deuxième rondelle 117 et la paroi 115. Dans le cadre de l'invention, on entend par une direction sensiblement tangente au plan de la paroi, une direction inclinée d'au plus 20° par rapport à la surface de la paroi 114. Comme on peut le voir sur la figure 3a, dans une vue de face de la rondelle 117 après fixation de la fibre optique 14, un deuxième point de soudure 32 est réalisé simultanément entre la férule 110 et la rondelle 117 par le laser YAG 19 dans une direction d'incidence normale par rapport à la direction de la première impulsion. Deux points de soudure à incidences normales 23 sont ensuite réalisés par le laser YAG 19 entre la première rondelle 116 et la férule 110, ce qui fixe l'espacement entre la pointe de la fibre optique 14 et la diode laser 11. Il convient de noter que le fait de réaliser des points de soudure à incidences normales confère une très grande solidité à l'assemblage de la férule 110 et des rondelles 116 et 117. Par la suite, la fibre optique 14 est alignée à nouveau avec la diode laser 11 à l'aide de l'ensemble de micro-positionnement 13 dans une position où le signal émis à la sortie de la fibre est maximal. Le laser YAG 19 procède alors à deux séries de deux tirs laser simultanés afin de réaliser deux points de soudure supplémentaires 24 et 34 suivant des directions sensiblement perpendiculaires 35a et 35b (voir la figure 3a) entre chacune des rondelles 116 et 117 et respectivement la portion tubulaire 115 et la paroi 114, ce qui fige l'alignement de la fibre optique dans les directions perpendiculaires à son axe. Dans une dernière étape, on dépose un alliage de soudure autour de la férule 110 au travers des perçages radiaux 26 prévus dans la portion tubulaire 115 et on chauffe la portion tubulaire 115 jusqu'à ce que l'alliage de soudure fonde et se répartisse tout autour de la férule. La soudure ainsi obtenue permet d'assurer l'étanchéité et l'herméticité de la paroi 115 au niveau de la lumière 113. Le couvercle équipé d'un joint du boitier 16 peut ensuite être vissé sur le corps du boitier 16, ce qui scelle le boitier 16 hermétiquement. 6.2. Autre exemple de mode de réalisation de l'invention On a représenté sur les figures 4a et 4b, respectivement en vue de face et en coupe transversale, un autre exemple de mode de réalisation du soudage laser des rondelles 116 et 117 avec la férule 110 et la paroi 114. Dans ce mode de réalisation particulier de l'invention, on réalise dans une première étape deux points de soudure 22, 32 entre la férule 110 et la rondelle 117 et deux points de soudure 24,34 entre la rondelle 117 et la paroi 114. Dans une deuxième étape, un premier cordon de soudure circulaire 41 est réalisé entre la férule 110 et la rondelle 117 et un deuxième cordon de soudure 42 est réalisé entre la rondelle 117 et la paroi 114, de façon à assurer une fermeture hermétique de la paroi 114 au niveau de la lumière 113. Dans des variantes des modes de réalisation de l'invention détaillés ci-dessus, il peut également être prévu que la face extérieure de la paroi 114 soit plane et ne présente pas de saillie.10 REVENDICATIONS1. Procédé de fixation d'une fibre optique avec un support d'une diode laser dans une position où la fibre optique est en relation de couplage optique avec ladite diode laser, ledit support comprenant une lumière formée dans une paroi dudit support destinée au passage de ladite fibre, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - fixation hermétique d'une férule sur ladite fibre optique sensiblement à une extrémité de ladite fibre, ladite férule présentant une longueur supérieure à l'épaisseur de ladite lumière ; - montage d'une rondelle au contact de la paroi et en vis-à-vis de ladite lumière, de part et d'autre de ladite paroi ; - insertion de ladite fibre optique dans lesdites rondelles et dans ladite lumière de sorte que ladite férule dépasse desdites rondelles de chaque côté de ladite paroi ; - alignement de ladite fibre optique avec ladite diode laser dans une position optimisant le couplage optique entre ladite fibre et ladite diode et soudage par laser desdites rondelles avec ladite férule comprenant une étape d'émission d'un faisceau laser sensiblement tangent au plan de la paroi et perpendiculaire à l'axe de ladite fibre ; - alignement de ladite fibre optique avec ladite diode laser dans une position optimisant le couplage optique entre ladite fibre et ladite diode et soudage par laser desdites rondelles avec ladite paroi comprenant une étape d'émission d'un faisceau laser sensiblement tangent au plan de la paroi et sensiblement perpendiculaire à l'axe de ladite fibre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de ladite étape d'insertion de ladite fibre, moins de 1,5 millimètre de l'extrémité de ladite fibre tournée vers ladite diode laser fait saillie hors de la rondelle plaquée contre la face de ladite paroi tournée vers ladite diode laser. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdites étapes de soudage laser comprennent une étape de réalisationd'au moins un point de soudure entre ladite férule et une desdites rondelles et d'au moins un point de soudure entre ladite férule et ladite paroi. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que deux points de soudure sont réalisés entre ladite férule et au moins une desdites rondelles et/ou entre ladite férule et ladite paroi, sensiblement à angle droit l'un par rapport à l'autre par rapport à l'axe central de ladite fibre. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ladite fibre optique est une fibre optique lentillée dont ladite extrémité présente un pic en forme de double biseau dont la pointe forme une arête. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite arête est courbe. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que deux points de soudure sont réalisées entre ladite férule et au moins une desdites rondelles ou entre ladite férule et ladite paroi suivant une direction sensiblement parallèle à ladite arête. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite lumière est formée dans une partie saillante de ladite paroi tournée vers l'extérieur dudit support. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdites rondelles sont magnétisées. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'orifice central desdites rondelles est biseauté par rapport à l'axe de la rondelle. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite lumière présente un diamètre supérieur à celui de ladite férule. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit support est un boitier apte à être scellé hermétiquement. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de dépose au travers d'au moins un orifice formé dans ladite paroi, d'un alliage de soudure autour de ladite férule destiné à assurer l'étanchéité de ladite paroi au niveau de ladite lumière.