Brevet FR3031597A1 — publié le 20160715

Collimateur à fibre optique intégrée encastrée dans une lentille et procédé de fabrication correspondant 1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui de l'optique, et notamment des lasers et de l'optoélectronique. Plus précisément, l'invention concerne un collimateur à fibre optique intégrée et son procédé de fabrication. L'invention trouve notamment une application dans la production de composants fibrés, de lasers et d'amplificateurs à fibre. 2. Etat de la technique On connait des collimateurs à fibre intégrée fabriqués par assemblage mécanique d'une lentille de collimation et d'une fibre optique. L'assemblage mécanique de la lentille de collimation avec la fibre optique peut être réalisé par collage ou à l'aide d'un boîtier complexe, destiné à maintenir la fibre optique séparée de la lentille, à une distance fixe de celle-ci. Un inconvénient de l'assemblage par collage est que les performances de la colle se détériorent au cours du temps. Un autre inconvénient de cette technique connue d'assemblage par collage est que la colle se dilate lorsqu'elle s'échauffe, ce qui peut provoquer un déplacement de la fibre optique par rapport à la lentille. De manière générale, un assemblage par collage souffre d'une certaine fragilité et n'est pas compatible avec une utilisation à température élevée. Par ailleurs, la puissance d'utilisation des collimateurs obtenus par cette technique est limitée, typiquement à quelques centaines de milliwatts. En effet, une colle située sur le chemin optique entre la fibre et la lentille ne peut pas supporter un échauffement résultant de la propagation d'un faisceau de forte puissance, sans se détériorer irréversiblement. Lorsqu'un boitier est utilisé pour assembler mécaniquement une fibre optique avec une lentille de collimation, les axes optiques de la lentille et de la 30 fibre optique peuvent se désaligner lorsque les éléments mécaniques 3031597 2 d'assemblage sont soumis à des variations de température importantes ou à des vibrations, ce qui dégrade les performances optiques du collimateur. Un autre inconvénient de cette technique connue est qu'il se produit des réflexions au niveau de l'interface entre la fibre optique et la lentille, du 5 fait que la fibre optique et la lentille sont espacées. De plus, la présence d'air entre les surfaces de la lentille et de la fibre est propice aux dépôts de poussières et de particules polluantes qui peuvent s'enflammer durant l'utilisation du collimateur. Par ailleurs, ces boitiers qui mettent en oeuvre des éléments 10 mécaniques de précision, sont couteux. Afin de remédier à certains de ces inconvénients, on a proposé d'assembler la fibre optique et la lentille d'un collimateur à fibre intégrée en soudant ou en brasant la fibre optique sur la lentille. Cette technique connue présente l'avantage de rendre le collimateur 15 insensible aux conditions d'utilisation et permet de transmettre un flux lumineux de plusieurs watts, sans dégrader le collimateur. Souder une fibre optique sur une lentille nécessite toutefois d'utiliser un matériel de précision couteux, tel que, par exemple, un équipement de soudure laser CO2 ou un équipement de soudure au plasma, ce qui augmente 20 le cout de revient du collimateur. Par ailleurs, cette technique de soudure ne peut pas être mise en oeuvre avec une lentille de collimation quelconque. Ainsi, par exemple, les lentilles de collimation à gradient d'indice les plus courantes ont une température de fusion voisine de 400 à 800°C, du fait 25 de la présence de dopants, qui est très inférieure à la température de ramollissement d'une fibre optique (environ 1600 à 1700°C). Toute tentative de soudure d'une fibre optique sur une lentille GRIN ordinaire dégrade donc inévitablement la lentille à gradient d'indice ou provoque sa destruction. On utilise donc généralement une lentille en silice pure, pour procéder à une soudure d'une fibre optique sur une lentille. 3031597 3 On connait, par exemple, des lentilles à gradient d'indice en silice pure qui ont été mises au point spécifiquement à cet effet. Un inconvénient des lentilles en silice pures est qu'elles sont beaucoup plus couteuses que des lentilles ordinaires. 5 Le choix en lentilles en silice pure est par ailleurs réduit, ce qui limite la possibilité de composer un collimateur avec des propriétés optiques données. On a également proposé d'appliquer sur la surface d'une lentille ordinaire ou d'une fibre optique un dépôt d'une couche mince de verre, par une technique connue telle que le dépôt chimique en phase vapeur assisté par 10 plasma, par dépôt en phase vapeur par évaporation, ou par la technique de "spin-on-glass", pour permettre une soudure entre la fibre optique et la lentille. Un inconvénient de cette technique est que la soudure réalisée est fragile, du fait de la faible épaisseur de la couche de verre déposée. 15 Cette technique présente également l'inconvénient d'être complexe à mettre en oeuvre. Enfin, de façon générale, la soudure d'une fibre optique sur une lentille entraîne une déformation de la surface de la lentille et/ou de la fibre optique. 3. Objectifs de l'invention 20 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 collimateur à fibre optique intégrée qui soit peu couteuse. L'invention a également pour objectif, dans un mode de réalisation 25 particulier de l'invention, de proposer une technique de collimateur à fibre optique intégrée apte à transmettre un faisceau lumineux de forte puissance. Un autre objectif de l'invention est de fournir une technique de fabrication de collimateur à fibre optique qui soit simple à mettre en oeuvre. Encore un objectif de l'invention est de fournir une technique de 30 collimateur à fibre optique intégrée qui soit performante. 4. Exposé de l'invention 3031597 4 Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaitront par la suite, sont atteints à l'aide d'un collimateur à fibre optique intégrée comprenant une lentille de collimation à gradient d'indice et une fibre optique, ladite lentille présentant une température de fusion inférieure à celle de ladite fibre optique. 5 Dans le cadre de l'invention, la lentille à gradient d'indice peut être une lentille à gradient d'indice ordinaire obtenue, par exemple, par superposition de couches de verre, par dopage ionique, par dépôt chimique en phase vapeur ou par tout autre procédé connu. Selon l'invention, une extrémité de ladite fibre optique pénètre dans 10 ladite lentille sensiblement suivant l'axe optique de ladite lentille sur une profondeur prédéfinie, ajustée de sorte qu'un faisceau lumineux en sortie dudit collimateur est sensiblement collimaté. Ainsi, l'invention propose, de façon inédite, d'encastrer une fibre optique dans une lentille à gradient sur une profondeur prédéfinie pour 15 réaliser un collimateur performant. Les inventeurs ont en effet constaté qu'il était possible de mettre à profit la faible température de ramollissement d'une lentille à gradient d'indice ordinaire pour introduire une fibre optique dans la lentille sur une profondeur parfaitement maitrisée et ainsi réaliser un assemblage très résistant, sans 20 altérer les propriétés optiques de la fibre optique et de la lentille. L'invention est particulièrement avantageuse, car elle offre un collimateur résistant, apte à transmettre des faisceaux optiques de forte puissance, et d'un cout de revient faible du fait de l'utilisation d'une lentille à gradient d'indice ordinaire et de sa simplicité de mise en oeuvre. 25 Selon un aspect particulier de l'invention, ladite extrémité de ladite fibre optique s'étend à l'intérieur de ladite lentille sur une profondeur d'au moins 20 micromètres. On réalise ainsi un encastrement solide entre la lentille et la fibre optique. 3031597 5 Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, ladite extrémité de ladite fibre optique s'étend à l'intérieur de ladite lentille sur une profondeur d'au moins 100 micromètres. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, ladite extrémité 5 de la fibre optique est clivée en angle. On augmente ainsi significativement les pertes retour du collimateur. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le pas de ladite lentille est supérieur à 0,25. On obtient ainsi un collimateur avec une distance de travail infinie, en 10 sortie duquel un faisceau lumineux est quasi-parfaitement collimaté. Il convient par ailleurs de noter que le pas de la lentille fixe la profondeur de pénétration de la fibre optique dans la lentille. De façon avantageuse, ladite lentille est une lentille à laquelle on a appliqué un traitement anti-reflet. 15 On augmente ainsi sensiblement les pertes retour du collimateur. Avantageusement, ladite lentille est une lentille à gradient d'indice comprenant une pluralité de dopants agencés suivant des couches concentriques. Selon un aspect particulier de l'invention, ladite lentille présente au 20 moins une face bombée. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, ladite fibre optique appartient au groupe comprenant au moins : - fibre optique unimodale ; - fibre optique multimodale ; 25 - fibre optique microstructurée ; - fibre optique à maintien de polarisation. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un collimateur à fibre optique intégré à partir d'une lentille à gradient d'indice et d'une fibre optique, ladite lentille présentant une température de fusion 30 inférieure à celle de ladite fibre optique, comprenant les étapes suivantes : 3031597 6 - alignement de ladite fibre et de ladite lentille sensiblement dans le même axe optique ; - ramollissement par chauffage d'une portion centrale superficielle de la face de ladite lentille tournée vers ladite fibre ; 5 - insertion d'une extrémité de ladite fibre optique dans ladite portion ramollie sur une profondeur prédéfinie, ajustée de sorte qu'un faisceau lumineux pénétrant dans ladite fibre soit sensiblement collimaté en sortie de ladite lentille ; - refroidissement de ladite lentille, de façon à ce que ladite extrémité de ladite 10 fibre optique soit encastrée dans ladite lentille. Dans le cadre de l'invention, on entend par l'expression "sensiblement dans le même axe optique" que l'axe de la fibre optique est incliné de moins de 10° par rapport à l'axe de la lentille. Il peut être envisagé d'utiliser un appareillage de soudure par arc 15 plasma pour ramollir la lentille, ou toute autre technique connue appropriée permettant de chauffer suffisamment la portion centrale superficielle d'une face de la lentille pour la ramollir. De façon avantageuse, ladite étape d'insertion comprend une étape de poussée de ladite lentille contre ladite extrémité de ladite fibre optique. 20 Dans le cadre de l'invention, la fibre optique peut être fixe ou être poussée elle-même en direction de la lentille. 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation de 25 l'invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : La figure 1 est une vue schématique d'un exemple de mode de réalisation d'un collimateur à fibre optique intégrée selon l'invention ; 3031597 7 la figure 2 est une représentation schématique sous forme de blocs, des étapes d'un procédé de fabrication du collimateur à fibre optique intégré présenté en référence à la figure 1 ; les figures 3a et 3b sont des vues schématiques du banc de 5 fabrication du collimateur à fibre optique intégré présenté en référence à la figure 1 respectivement avant et après l'insertion de l'extrémité de la fibre optique dans la lentille ; la figure 4 est une vue schématique d'un autre exemple de mode de réalisation d'un collimateur selon l'invention ; 10 la figure 5 illustre sous forme schématique un autre exemple de mode de réalisation d'un collimateur à fibre optique intégrée selon l'invention. 6. Description détaillée de l'invention 6.1. Exemple de mode de réalisation 15 On a représenté en référence à la figure 1 un exemple de collimateur 10 à fibre optique intégrée selon l'invention. Ce collimateur 10 comprend une lentille à gradient d'indice 12 et une fibre optique 11 dont une extrémité 110 pénètre sur une profondeur d'environ 488 pm à l'intérieur de la lentille 12 suivant l'axe optique 13 de la lentille 12. 20 Dans ce mode de réalisation particulier de l'invention, la fibre 11 est une fibre monomode transverse à maintien de polarisation standard de type Panda. Le diamètre du coeur et de la gaine de la fibre optique 11 sont respectivement de 7 pm et de 125 pm et l'ouverture numérique de cette fibre optique 11 est de 0,14. 25 Afin de permettre l'encastrement de la fibre optique 11 dans la lentille 12, la gaine de la fibre optique 11 a été retirée sur la partie d'extrémité 110. Par ailleurs, le bord 111 de l'extrémité 110 de la fibre optique 11 est clivée droite dans ce mode de réalisation particulier de l'invention. La lentille 12, d'ouverture numérique égale à 0,2, présente un 30 diamètre de 1 mm et une longueur de 6,59 mm. 3031597 8 L'indice de réfraction central de la lentille 12 est de 1,524 à 1550 nm. Il est choisi proche de l'indice de réfraction du coeur de la fibre optique 11 de façon à maximiser les pertes retour du collimateur 10 (-43 dB). On note que ces pertes retour s'approchent des pertes retour des collimateurs de l'état de 5 la technique, qui sont typiquement égales à -55 dB. Dans une variante de ce mode de réalisation particulier de l'invention, il peut être prévu de mettre en oeuvre une lentille dont l'indice de réfraction est encore plus proche de celui du coeur de la fibre optique 11, pour augmenter les pertes retour. 10 On a par ailleurs appliqué un traitement antireflet sur la surface de la lentille 12 pour supprimer les réflexions lumineuses pour une longueur d'onde de 1550 nm. Le pas de la lentille 12 est de 0,27, ce qui positionne le plan focal objet 14 de la lentille 12 à une distance de 488 pm de la facette 15 de la lentille 12 15 tournée vers la fibre optique 11, sensiblement au même niveau que le bord 111 de la fibre optique 11. Ainsi un faisceau lumineux 16 injecté dans le collimateur 10 par l'intermédiaire de la fibre optique 11 sort sensiblement parfaitement collimaté de la lentille 12, au niveau de la facette de sortie 17 de cette dernière. 20 Il convient de noter que le collimateur 10 permet de transmettre une puissance optique de 4 W pour un taux de polarisation supérieur à 28 dB sans qu'aucune dégradation des performances du collimateur ne soit constatée. On a représenté sur la figure 2 les étapes du procédé de fabrication du collimateur 10, sous forme d'un diagramme. 25 Dans une première étape 21, illustrée schématiquement sur la figure 3a, on aligne la fibre 11 et de la lentille à gradient d'indice 12 sensiblement dans le même axe optique 13 sur le banc de fabrication du collimateur, équipé d'un jeu d'électrodes 31. La portion centrale superficielle de la facette 15 de la lentille tournée 30 vers la fibre optique 11 est ramollie en quelques secondes, dans une 3031597 9 deuxième étape 22, grâce au chauffage exercé par un plasma 32, d'une température inférieure à 3000°C, généré entre les électrodes 31. Lors de cette étape 22, la lentille 12 est progressivement déplacée le long de son axe 13, dans le sens de la flèche 33, en direction de la fibre 5 optique 11, maintenue fixe. À mesure que la lentille 12 se rapproche du plasma 32, la chaleur diffusée par celui-ci permet de ramollir la portion centrale superficielle de la facette 15 de la lentille 2. Il convient de noter que suivant le procédé ici décrit, la lentille 12 ne subit aucune dégradation de ses propriétés optiques résultant d'un 10 échauffement trop important, étant donné que le plasma n'entre pas en contact avec la lentille. Par ailleurs, la durée du chauffage exercé par le plasma 32 est de façon avantageuse, suffisamment courte pour ne pas dégrader la fibre optique 11. Lorsque le bord 111 de la fibre optique 11 entre en contact avec la 15 facette 15, le matériau de la lentille 12 est suffisamment ramolli pour que le coeur de la fibre optique 11 y pénètre sans difficulté. L'extrémité 110 de la fibre est alors insérée, dans une troisième étape 23, dans la portion centrale superficielle de la facette 15, en poussant la lentille 12 contre la fibre optique 11 (étape 231). Dans cette étape 23, on 20 pousse ainsi la lentille 12 contre la fibre optique 11 jusqu'à ce que le bord 111 de la fibre optique 11 pénètre de 488 pm dans la lentille 12 atteigne ainsi le plan focal 14 de la lentille 2 (voir la figure 3b). Les électrodes 31 sont ensuite désactivées ce qui interrompt le plasma 32. On laisse alors refroidir la lentille 12, dans une étape 24, la lentille 12 25 pendant une durée suffisante pour que l'extrémité 110 de la fibre optique 11 soit définitivement encastrée dans la lentille 12. Le collimateur 10 ainsi obtenu présente des pertes d'insertion inférieure à 0,3 dB, comparables à celles des collimateurs de l'état de la technique. 30 6.2. Autres exemples de mode de réalisation de l'invention 3031597 10 On a représenté en référence à la figure 4 un autre exemple de mode de réalisation d'un collimateur à fibre optique intégrée selon l'invention. Ce collimateur 40 comprend une fibre optique 41 dont l'extrémité 42 pénètre de 80 pm à l'intérieur de la lentille 43 suivant l'axe optique 44 de la 5 lentille 43. L'extrémité 42 de la fibre optique 41 est clivée selon un angle de 8°, ce qui permet avantageusement d'obtenir un collimateur dont les pertes de retour sont égales à -53 dB. Il convient de noter que le fait que l'extrémité 42 de la fibre optique 41 soit clivée entraîne une déviation du faisceau optique 45 10 en sortie du collimateur 40 d'environ 1° par rapport à l'axe optique 44 de la lentille 43. Dans ce mode de réalisation particulier de l'invention, la lentille de collimation 43 est une lentille à gradient d'indice de pas égal à 0,25, ce qui positionne le plan focal objet 46 de la lentille 43 au niveau de la facette 47 15 tournée vers la fibre optique 41. Le faisceau 45 en sortie du collimateur 40 présente alors une distance de travail, aussi appelée communément "waist", finie à partir de laquelle il devient divergent. On a illustré sur la figure 5 un autre exemple de mode de réalisation d'un collimateur à fibre optique intégré selon l'invention. 20 Le collimateur à fibre optique intégrée 50 comprend une fibre optique 51 dont l'extrémité 52 pénètre de 110pm dans la lentille 53. Le bord de l'extrémité 52 de la fibre optique 51 est clivée selon un angle de 8°, ce qui permet d'obtenir un collimateur dont les pertes de retour sont égales à -53 dB 25 Dans ce mode de réalisation particulier de l'invention, l'axe 510 de la fibre optique 51 est incliné de 1° par rapport à l'axe optique 54 de la lentille 53, de sorte à ce que tout faisceau lumineux 55 en sortie du collimateur 50 soit parallèle à l'axe optique 54 de la lentille 53. Par ailleurs dans ce mode de réalisation particulier de l'invention, le 30 pas de la lentille 53 est égal à 0,4, ce qui positionne avantageusement le plan focal objet 56 de la lentille 53 au niveau de l'extrémité 52 de la fibre optique 3031597 11 51 et permet d'obtenir un faisceau 55 sensiblement parfaitement collimaté en sortie du collimateur 50. REVENDICATIONS1. Collimateur à fibre optique intégrée comprenant une lentille de collimation à gradient d'indice et une fibre optique, ladite lentille présentant une température de fusion inférieure à celle de ladite fibre optique, caractérisé en ce qu'une extrémité de ladite fibre optique pénètre dans ladite lentille sensiblement suivant l'axe optique de ladite lentille sur une profondeur prédéfinie, ajustée de sorte qu'un faisceau lumineux en sortie dudit collimateur est sensiblement collimaté. 2. Collimateur à fibre optique intégrée selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite extrémité de ladite fibre optique s'étend à l'intérieur de ladite lentille sur une profondeur d'au moins 20 micromètres, de préférence d'au moins 100 micromètres. 3. Collimateur à fibre optique intégrée selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite extrémité de ladite fibre optique est clivée en angle. 4. Collimateur à fibre optique intégrée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le pas de ladite lentille est supérieur à 0,25. 5. Collimateur à fibre optique intégrée selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite lentille est une lentille à laquelle on a appliqué un traitement anti-reflet. 6. Collimateur à fibre optique intégrée selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite lentille est une lentille à gradient d'indice comprenant une pluralité de dopants agencés suivant des couches concentriques. 7. Collimateur à fibre optique intégrée selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite lentille présente au moins une face bombée. 8. Collimateur à fibre optique intégrée selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite fibre optique appartient au groupe comprenant au moins : 3031597 13 - fibre optique unimodale ; - fibre optique multimodale ; - fibre optique microstructurée ; - fibre optique à maintien de polarisation. 5 9. Procédé de fabrication d'un collimateur à fibre optique intégré à partir d'une lentille à gradient d'indice et d'une fibre optique, ladite lentille présentant une température de fusion inférieure à celle de ladite fibre optique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - alignement de ladite fibre et de ladite lentille sensiblement dans le même 10 axe optique ; - ramollissement par chauffage d'une portion centrale superficielle de la face de ladite lentille tournée vers ladite fibre ; - insertion d'une extrémité de ladite fibre optique dans ladite portion ramollie sur une profondeur prédéfinie, ajustée de sorte qu'un faisceau lumineux 15 pénétrant dans ladite fibre soit sensiblement collimaté en sortie de ladite lentille ; - refroidissement de ladite lentille, de façon à ce que ladite extrémité de ladite fibre optique soit encastrée dans ladite lentille. 10. Procédé de fabrication d'un collimateur à fibre optique intégré selon la 20 revendication 9, caractérisé en ce que ladite étape d'insertion comprend une étape de poussée de ladite lentille contre ladite extrémité de ladite fibre optiq ue.