FR2747799A1 - Coupling procedure for optical fibre cores - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne le domaine des dispositifs de couplage entre fibres optiques et composants optoélectroniques à onde guidée. The present invention relates to the field of coupling devices between optical fibers and optoelectronic components guided wave.
De nombreux dispositifs de couplage pour fibres optiques ont déjà été proposés. Et ce domaine a donné lieu à une littérature abondante. Many coupling devices for optical fibers have already been proposed. And this area has given rise to abundant literature.
A titre d'exemples non limitatifs, on peut citer les documents suivants (1) FR-A-2681437 (2) FR-A-2699292 (3) FR-A-2699293 (4) FR-A-2718854 (5) Journal of lightwave technology, vol. 13, n 8, "A Fiber Lens with a
Long Working Distance for Integrated Coupling Bet,veen Laser Diodes and
Single-Mode Fibers", K. Shiraishi et al.By way of non-limiting examples, mention may be made of the following documents (1) FR-A-2681437 (2) FR-A-2699292 (3) FR-A-2699293 (4) FR-A-2718854 (5) Journal of lightwave technology, vol. 13, No. 8, "A Fiber Lens with a
Long Working Distance for Integrated Coupling Bet, Veen Laser Diodes
Single-Mode Fibers ", K. Shiraishi et al.
(6) Journal of lightwave technology, vol. LT-5, n 9, "Analysis and
Evaluation of Graded-Index Fiber-Lenses", W.L Emkey et al.(6) Journal of lightwave technology, vol. LT-5, No. 9, "Analysis and
Evaluation of Graded Fiber-Lenses Index, WL Emkey et al.
(7) Journal of lightwave technology, vol. LT-3, n 2, "Low-Loss Laser-to
Fiber Coupling with Negligible Optical Feddback", W. Bludan et al.(7) Journal of lightwave technology, vol. LT-3, No. 2, "Low-Loss Laser-to
Fiber Coupling with Negligible Optical Feddback ", W. Bludan et al.
(8) Applied Optics, vol. 29, n 18, "Laser micromachining of efficient fiber microlenses", H. M. Presby et al.(8) Applied Optics, Vol. 29, No. 18, "Micromachining of efficient fiber microlenses", H. M. Presby et al.
(9) Applieds Optics, vol. 25, n 15, "Coupling characteristics of lens systems for laser diode modules using single-mode fiber", K. Kawano, (10) JP-A-60111208, (11) FR-A-2548391 (12) DEA-3632743 (13) IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-16, n 10, "Characteristics of a Hemispherical Microlens for Coupling Between a
Semiconductors Laser and Single-Mode Fiber", J.I. Yamada et al.(9) Applieds Optics, Vol. 25, No. 15, "Coupling characteristics of lens systems for laser diode modules using single-mode fiber", K. Kawano, (10) JP-A-60111208, (11) FR-A-2548391 (12) DEA-3632743 13) IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-16, No. 10, "Characteristics of a Hemispherical Microlens for Coupling Between a
Laser and Single-Mode Fiber Semiconductors, JI Yamada et al.
(14) EP-A-155379 (15) US-A4867776 (16) EP-A-260742 (17) DEA-3407413 (18) JP-A-58158620 (19) Journal of lightwave technology, vol. LT-2, n 3, "Progress in
Monomode Optical-Fiber Interconnection Devices", G.D. Khoe et al. (14) EP-A-155379 (15) US-A-4867776 (16) EP-A-260742 (17) DEA-3407413 (18) JP-A-58158620 (19) Journal of lightwave technology, vol. LT-2, n 3, "Progress in
Single-mode Optical-fiber Interconnection Devices ", GD Khoe et al.
(20) US-A-4701011 (21 )JP-A-3489607 (22) JP-A-1239508.(20) US-A-4701011 (21) JP-A-3489607 (22) JP-A-1239508.
D'autres documents de technique antérieure sont également cités dans les documents précités eux-mêmes. Other prior art documents are also cited in the aforementioned documents themselves.
On se réfèrera utilement à l'ensemble de ces documents pour bien comprendre l'état de la technique. Useful reference to all these documents to understand the state of the art.
L'évolution récente de l'état de l'art en matière de composants optoélectroniques, notamment les composants intégrés sur phosphure d'indium, a été caractérisée par - un effort important mené en vue de l'introduction de l'optique dans les réseaux de distribution, nécessitant la mise en oeuvre massive et à faible coût de composants optoélectroniques montés en boîtier et munis de fibres amorces. Pour ces composants, des taux de couplage relativement faibles (de l'ordre de 1096) sont tolérés, ce qui évite le surcoût lié à l'utilisation d'une microoptique de couplage sophistiquée; - l'augmentation des débits de transmission par l'introduction du multiplexage en longueur d'onde. Au niveau des composants, un effort important est consacré aux barrettes de composants (barrettes de lasers, de détecteurs), ainsi qu'aux dispositifs de commutation fréquentielle ou spatiale (matrices de commutation). Recent developments in the state of the art in the field of optoelectronic components, including integrated indium phosphide components, have been characterized by: - a major effort to introduce optics into networks; distribution, requiring the massive implementation and low cost of optoelectronic components mounted in a housing and provided with primer fibers. For these components, relatively low coupling rates (of the order of 1096) are tolerated, which avoids the additional cost associated with the use of a sophisticated coupling microoptic; the increase of transmission rates by the introduction of wavelength division multiplexing. At the component level, a major effort is devoted to component arrays (laser arrays, detectors), as well as to frequency or space switching devices (switching matrices).
Ces composants complexes, pouvant présenter des pertes internes élevées, sont caractérisés par des accès optiques multiples, et leur raccordement à des fibres optiques pose des problèmes difficiles, qui ne peuvent trouver de solution industrielle que si les guides semiconducteurs présentent des tolérances de couplage relaxées. Ceci est obtenu par l'utilisation d'adaptateurs modaux ("tapers") intégrés monolithiquement aux extrémités des guides optiques, qui augmentent la taille du mode guidé pour la rapprocher de celle de la fibre amorce monomode. These complex components, which may have high internal losses, are characterized by multiple optical accesses, and their connection to optical fibers poses difficult problems, which can find an industrial solution only if the semiconductor guides have relaxed coupling tolerances. This is achieved by the use of monolithically integrated modal adapters ("tapers") at the ends of the optical guides, which increase the size of the guided mode to bring it closer to that of the single-mode starter fiber.
Malheureusement, ces adaptateurs compliquent le processus technologique de réalisation du composant, et ne permettent pas en général d'augmenter suffisamment la taille du mode guidé pour qu'un couplage efficace soit rendu possible avec une simple fibre clivée.Unfortunately, these adapters complicate the technological process of producing the component, and generally do not make it possible to sufficiently increase the size of the guided mode so that an efficient coupling is made possible with a simple cleaved fiber.
Il est donc nécessaire d'utiliser des optiques de couplage adaptées. It is therefore necessary to use suitable coupling optics.
Comme indiqué précédemment, de nombreuses solutions ont été proposées à cet effet. As indicated above, many solutions have been proposed for this purpose.
Les principales solutions envisagées peuvent être classées comme suit: - les lentilles discrètes, dioptriques ou à gradient d'indice : ces composants individuels ne sont directement solidaires ni de la puce semiconductrice ni de la fibre. Ils doivent être positionnés, soit par des techniques d'alignement passives, soit par des méthodes de couplage dynamiques. The main solutions envisaged can be classified as follows: discrete, dioptric or index gradient lenses: these individual components are not directly connected to either the semiconductor chip or the fiber. They must be positioned either by passive alignment techniques or by dynamic coupling methods.
- les optiques diffractives (microlentilles de Fresnel) dont l'avantage essentiel est de se prêter à une fabrication collective sous forme de barrettes ou de matrices. Par contre, la complexité de leur technologie de réalisation devient rapidement prohibitive si l'on vise des efficacités de couplage élevées. De plus, étant constituées par un réseau de diffraction, elles présentent des aberrations chromatiques très importantes.- Diffractive optics (microlenses Fresnel) whose main advantage is to lend itself to a collective manufacturing in the form of bars or dies. On the other hand, the complexity of their production technology quickly becomes prohibitive if high coupling efficiencies are sought. Moreover, being constituted by a diffraction grating, they present very important chromatic aberrations.
- les microlentilles réalisées directement sur la fibre amorce, par exemple par étirage, attaque chimique et/ou fusion localisée. Ces dispositifs présentent l'avantage d'une technique de fabrication simple, mais de reproductibilité limitée. De plus, l'obtention de taux de couplage élevés conduit souvent à des distances de travail très faibles, de l'ordre de quelques microns.the microlenses produced directly on the primer fiber, for example by stretching, etching and / or localized fusion. These devices have the advantage of a simple manufacturing technique, but limited reproducibility. In addition, obtaining high coupling rates often leads to very low working distances, of the order of a few microns.
- les microoptiques soudées, telles que le convertisseur d'ouverture numérique décrit dans le document FR-A-2699293.welded microoptics, such as the digital aperture converter described in document FR-A-2699293.
Ce document FR-A-2699293 en particulier décrit un système optique de couplage sur une fibre optique mono mode comprenant un morceau de fibre multimode à gradient d'indice, un morceau de fibre multimode à saut d'indice et une micro-lentille constituée d'une lentille multiple à rayon décroissant en éloignement du morceau de fibre multimode à saut d'indice, réalisée par soudure d'une aiguille calibrée étirée et lentillage par fusion contrôlée de l'aiguille. Ces dispositifs sont particulièrement bien adaptés au couplage de fibres monomodes avec des composants présentant une très faible taille de mode (modulateurs électroabsorbants, amplificateurs optiques), ne comportant pas d'adaptateurs modaux. Leur processus de fabrication requiert toutefois la réalisation d'une microlentille dioptrique par apport de matière et fusion à l'arc. Le contrôle du procédé de fabrication, et l'obtention de caractéristiques reproductibles exige un apprentissage spécifique, et requiert de la part de l'opérateur expérience et dextérité. This document FR-A-2699293 in particular describes an optical coupling system on a single-mode optical fiber comprising a piece of graded index multimode fiber, a piece of multimode fiber index jump and a micro-lens consisting of a multiple lens with decreasing radius away from the piece of multimode index jump fiber, made by welding a calibrated needle stretched and lentil by controlled fusion of the needle. These devices are particularly well suited to coupling monomode fibers with components having a very small mode size (electroabsorbent modulators, optical amplifiers), not including modal adapters. Their manufacturing process, however, requires the realization of a dioptric microlens by adding material and arc fusion. Controlling the manufacturing process, and obtaining reproducible characteristics requires specific learning, and requires the operator experience and dexterity.
La présente invention a maintenant pour but de perfectionner les dispositifs de couplage optique connus, notamment les dispositifs conçus pour coupler une fibre optique et un composant optoélectronique. The present invention now aims to improve the known optical coupling devices, including devices designed to couple an optical fiber and an optoelectronic component.
Le but de la présente invention est en particulier de permettre l'élaboration de structures simplifiées de reproductibilité améliorée, présentant une meilleure stabilité et de fabrication aisée, particulièrement adaptée à la mise en boîtier de composants faible coût, pouvant être destinés, par exemple à la distribution optique. The object of the present invention is in particular to allow the development of simplified structures of improved reproducibility, having a better stability and easy manufacturing, particularly suitable for the packaging of low cost components, which can be intended, for example in the optical distribution.
Bien que le domaine naturel d'application de cette invention soit celui des télécommunications par fibre optique, elle présente également un intérêt dans tous les domaines où un transducteur optoélectronique doit être raccordé à une fibre optique monomode (capteurs à fibres optiques par exemple). Although the natural field of application of this invention is that of optical fiber telecommunications, it is also of interest in all fields where an optoelectronic transducer must be connected to a single-mode optical fiber (optical fiber sensors for example).
Ces buts sont atteints selon la présente invention grâce à un procédé de réalisation d'un dispositif de couplage pour fibre optique, caractérisé par le fait qu'il comprend l'étape consistant à réaliser une microlentille sur l'extrémité clivée d'un tronçon de fibre à gradient d'indice, par chauffage de cette extrémité dans une plage de température inférieure à la température de fusion de la gaine dudit tronçon de fibre à gradient d'indice, pour former ladite lentille par extrusion du seul coeur du tronçon, suite à la libération de contraintes dans celui-ci résultant du chauffage. These objects are achieved according to the present invention by means of a method for producing a coupling device for optical fiber, characterized in that it comprises the step of making a microlens on the cleaved end of a section of index gradient fiber, by heating this end in a temperature range below the melt temperature of the sheath of said graded index fiber segment, to form said lens by extrusion of the single core of the section, following the release of stresses therein resulting from the heating.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, l'extrémité du tronçon de fibre à gradient d'indice est chauffée dans une plage de température comprise entre la température de fusion de la gaine et la température de ramollissement du coeur autorisant une libération de contraintes. According to another advantageous feature of the present invention, the end of the index gradient fiber section is heated in a temperature range between the sheath melting temperature and the softening temperature of the core allowing stress release. .
L'invention concerne également un système de couplage pour fibre optique monomode caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un tronçon de fibre multimode à saut d'indice soudé sur l'extrémité clivée de la fibre monomode, et un tronçon de fibre multimode à gradient d'indice soudé sur ledit tronçon de fibre multimode à saut d'indice. The invention also relates to a coupling system for single-mode optical fiber characterized in that it comprises at least one multimode fiber segment with index jump soldered on the cleaved end of the single-mode fiber, and a multimode fiber section. index gradient welded on said multimode index jump fiber section.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels - la figure 1 annexée représente schématiquement, en coupe longitudinale, un dispositif de couplage conforme à la présente invention. Other features, objects and advantages of the present invention will become apparent on reading the detailed description which follows and with reference to the appended drawings given by way of non-limiting example and in which - the appended FIG. 1 is a diagrammatic sectional view. longitudinal, a coupling device according to the present invention.
Avant de procéder au descriptif de la structure conforme à la présente invention, on rappellera tout d'abord les définitions suivantes. Before proceeding to the description of the structure according to the present invention, the following definitions will first be recalled.
La lumière issue d'un guide optique émetteur (par exemple d'un ruban laser) est diffractée dans le milieu extérieur selon un cône de demiangle au sommet 0, appelé quelquefois angle d'acceptance, ou demidivergence. Le sinus de cet angle est l'ouverture numérique du guide. The light issuing from an emitting optical guide (for example from a laser ribbon) is diffracted in the external medium according to a cone of half-angle at the apex 0, sometimes called an acceptance angle, or a half-angle. The sine of this angle is the numerical aperture of the guide.
Dans le cas où l'on injecte de la lumière dans ce guide, l'angle d'acceptance définit l'ouverture maximale du faisceau convergent qui puisse être couplé dans le guide. In the case where light is injected into this guide, the acceptance angle defines the maximum aperture of the converging beam that can be coupled in the guide.
L'angle d'acceptance e d'un guide est inversement proportionnel à sa taille de mode 2w c'est-à-dire au diamètre (mesuré en général à 13,5% du maximum) de la distribution spatiale de l'énergie dans une section droite du guide. Un guide à forte divergence est donc caractérisé par une taille de mode faible (par exemple de l'ordre de 1,5 à 2 microns pour un modulateur électroabsorbant réalisé sur InP). Une fibre monomode classique (type G652) présente par contre une taille de mode relativement importante, voisine de 1 1 microns. The acceptance angle e of a guide is inversely proportional to its mode size 2w, that is to say to the diameter (generally measured at 13.5% of the maximum) of the spatial distribution of the energy in a straight section of the guide. A high divergence guide is therefore characterized by a low mode size (for example of the order of 1.5 to 2 microns for an electroabsorbent modulator made on InP). A conventional monomode fiber (type G652) has a relatively large mode size, close to 1 1 microns.
Lorsqu'on cherche à coupler directement deux guides optiques en les aboutant, le taux de couplage en puissance d'un guide à l'autre est d'autant plus élevé que les tailles de modes sont voisines. Ceci explique les taux de couplage médiocres (10%) obtenu par cette technique entre lasers et fibres clivées. When one seeks to directly couple two optical guides by abutting them, the power coupling rate from one guide to the other is even higher than the mode sizes are similar. This explains the poor coupling rates (10%) obtained by this technique between lasers and cleaved fibers.
Lorsqu'une optique intermédiaire est utilisée, elle forme à l'entrée du guide récepteur une tache de focalisation (appelée aussi "waist"). Le diamètre de cette tache est fonction de la taille de mode du guide émetteur, et des caractéristiques de l'optique intermédiaire. Le couplage optimum est obtenu si la tache image est égale à la taille de mode du guide récepteur. L'optique joue donc le rôle d'un convertisseur, ou d'un adaptateur de mode. When an intermediate optics is used, it forms at the entrance of the receiving guide a focusing spot (also called "waist"). The diameter of this spot is a function of the mode size of the transmitter guide, and the characteristics of the intermediate optics. The optimum coupling is obtained if the image spot is equal to the mode size of the receiving guide. Optics therefore play the role of a converter, or a mode adapter.
Pour éviter de déteriorer la puce semiconductrice d'un composant associé, et donc augmenter la sécurité de l'opération de couplage guide-fibre, il est important de conserver une distance de travail importante. Cette distance n'est autre que la distance frontale de l'optique de couplage, c'est-à-dire la distance entre le dernier dioptre de l'optique et le plan image, ou se forme la tache de focalisation. L'optimisation du couplage consiste à faire coïncider ce plan image avec le plan de la face clivée du guide récepteur, puis à positionner la tache image à l'entrée du guide. To avoid damaging the semiconductor chip of an associated component, and thus increase the safety of the guide-fiber coupling operation, it is important to maintain a large working distance. This distance is none other than the frontal distance of the coupling optics, that is to say the distance between the last diopter of the optics and the image plane, where the focusing spot is formed. The optimization of the coupling consists in making this image plane coincide with the plane of the cleaved face of the receiving guide, and then in positioning the image spot at the entrance of the guide.
Si la taille de mode du guide récepteur et le diamètre de la tache image fournie par l'optique de couplage sont de très faibles dimensions, il est intuitif qu'un très faible désalignement aura des conséquences catastrophiques. Par contre, lorsque ces dimensions augmentent, du fait par exemple de l'utilisation d'adaptateurs modaux intégrés à l'entrée du guide récepteur, le couplage devient plus tolérant aux erreurs de positionnement, ce qui facilite grandement les opérations de montage de la fibre amorce. If the mode size of the receiver guide and the diameter of the image spot provided by the coupling optics are very small, it is intuitive that a very small misalignment will have catastrophic consequences. On the other hand, when these dimensions increase, for example because of the use of integrated modal adapters at the input of the receiving guide, the coupling becomes more tolerant to positioning errors, which greatly facilitates the assembly operations of the fiber. primer.
Pour focaliser un faisceau gaussien à l'aide d'un système optique convergent (par exemple une lentille mince), il est nécessaire de disposer d'une grande distance entre le waist objet et le système optique. To focus a Gaussian beam using a convergent optical system (eg a thin lens), it is necessary to have a large distance between the object waist and the optical system.
Or, dans les convertisseurs d'ouverture numérique proposés jusqu'ici, le waist objet, situé dans le plan de clivage de la fibre monomode, se trouve au contact de l'élément convergent.However, in the numerical aperture converters proposed so far, the object waist, located in the cleavage plane of the single-mode fiber, is in contact with the convergent element.
Pour améliorer les performances des dispositifs de couplage connus, la présente invention propose la structure de base comme illustré sur la figure annexée comprenant une section de fibre multimode à saut d'indice 20 de longueur Lsi, soudée à une fibre-amorce monomode 10, et une section de fibre multimode 30 à gradient d'indice de longueur Lgi, soudée à la fibre multimode à saut d'indice 20. In order to improve the performance of known coupling devices, the present invention provides the basic structure as illustrated in the appended figure comprising a multimode index jump fiber section of length Lsi, soldered to a monomode starter fiber 10, and a multimode fiber section 30 with a length index gradient Lgi, soldered to the multimode index jump fiber 20.
Le tronçon de fibre multimode à saut d'indice 20 permet de simuler une lame homogène et d'améliorer la focalisation, donc de réduire la taille de la tache image. The multimode jump-index fiber section 20 makes it possible to simulate a homogeneous blade and to improve the focusing, and therefore to reduce the size of the image spot.
Le tronçon de fibre multimode à gradient d'indice 30 permet d'obtenir une grande frontale. The multimode fiber segment index gradient 30 provides a large frontal.
Pour une fibre amorce monomode standard 10, de type G652, et pour une fibre 30 à gradient d'indice à profil parabolique commercialement disponible, la modélisation et l'expérience montrent que, tant que Lsi ne dépasse pas une valeur limite (correspondant à la diaphragmation du faisceau à l'entrée de la section à gradient d'indice), il est possible d'atteindre des tailles de mode image 2w variant typiquement de 1 1 à 4 microns, avec des distances de travail pouvant aller jusqu'à quelques centaines de microns. Cependant, la reproductibilité des caractéristiques est meilleure pour des distances de travail n'excédant pas 150 microns. For standard G652 type single mode primer fiber 10, and commercially available parabolic profile index gradient fiber 30, modeling and experimentation show that as long as Lsi does not exceed a limit value (corresponding to beam diaphragmation at the input of the index gradient section), it is possible to achieve 2w image mode sizes typically ranging from 1 to 4 microns, with working distances of up to a few hundred microns. However, the reproducibility of the characteristics is better for working distances not exceeding 150 microns.
Ce type de structure présente les avantages notables suivants - la frontale et la taille de la tache image peuvent être, dans une large mesure, ajustées indépendamment, - possibilité d'obtenir de très grandes distances de travail, - simplicité du procédé de fabrication, basé uniquement sur le clivage et la soudure à l'arc de fibres optiques, - excellente reproductibilité, uniquement limitée par la qualité des fibres utilisées, et par la précision de découpe des sections 20 et 30. On n'a pas en effet à utiliser de microlentilles dioptriques rapportées. This type of structure has the following notable advantages - the front and the size of the image spot can be, to a large extent, adjusted independently, - possibility of obtaining very large working distances, - simplicity of the manufacturing process, based on only on the cleavage and arc welding of optical fibers, - excellent reproducibility, limited only by the quality of the fibers used, and by the cutting precision of sections 20 and 30. It is not necessary to use dioptric microlenses reported.
Sa limitation principale vient de ce qu'il n'est pas possible d'atteindre des tailles de modes très faibles : la structure comprenant seulement les fibres 20 et 30 n'est donc pas optimisée pour des composants à très forte ouverture numérique (ou à très faible taille de mode), tels que les modulateurs électroabsorbants à onde guidée ou les amplificateurs optiques à semiconducteurs non munis d'adaptateurs modaux. Pour ces composants, l'utilisation de systèmes micro-optiques utilisant une lentille dioptrique asphérique terminale, reste indispensable si des efficacités de couplage très élevées (50% et plus) sont visées. Il faut noter que ces composants rentrent dans le champ d'application de l'invention particulièrement s'ils sont munis d'adaptateurs modaux. Its main limitation is that it is not possible to achieve very low mode sizes: the structure comprising only fibers 20 and 30 is therefore not optimized for components with very high numerical aperture (or very low mode size), such as guided wave electroabsorbent modulators or semiconductor optical amplifiers without modal adapters. For these components, the use of micro-optical systems using a terminal aspherical dioptric lens remains essential if very high coupling efficiencies (50% and more) are targeted. It should be noted that these components fall within the scope of the invention especially if they are equipped with modal adapters.
Comme indiqué précédemment, pour améliorer la structure à base du tronçon de fibre à saut d'indice 20 et du tronçon de fibre à gradient d'indice 30, il est proposé selon l'invention, d'adjoindre une microlentille dioptrique 40 sur l'extrémité clivée de la section de fibre 30 à gradient d'indice. As indicated above, in order to improve the structure based on the jump index fiber segment 20 and the index gradient fiber section 30, it is proposed according to the invention to add a dioptric microlens 40 on the cleaved end of the index gradient fiber section.
Plus précisément selon l'invention, la lentille 40 est réalisée par extrusion ou déformation à chaud du coeur 32 (et du seul coeur 32) de la fibre 30, par chauffage de la fibre 30 dans une plage de température inférieure à la température de fusion de la gaine (et supérieure à une température de ramollissement du coeur). La lentille 40 est ainsi réalisée par libération des contraintes dans le coeur 32. More precisely according to the invention, the lens 40 is produced by extrusion or hot deformation of the core 32 (and the sole core 32) of the fiber 30, by heating the fiber 30 in a temperature range below the melting point. sheath (and greater than a softening temperature of the heart). The lens 40 is thus made by releasing the stresses in the core 32.
Le chauffage de la fibre 30 peut être obtenu par exemple à l'aide d'un équipement classique générateur d'arc électrique entre deux électrodes telles que celles qui équipent la plupart des machines de soudure de fibres optiques. The heating of the fiber 30 can be obtained for example by means of a conventional equipment generating an electric arc between two electrodes such as those which equip most optical fiber welding machines.
La lentille 40 est limitée à une extrusion à partir du coeur 32, la température de ramollisement de celui-ci étant inférieure à la température de ramollissement de la gaine 34. The lens 40 is limited to extrusion from the core 32, the softening temperature thereof being lower than the softening temperature of the sheath 34.
Le diamètre de la lentille 40 est typiquement de l'ordre de 8zm (soit égal au diamètre du coeur 32). The diameter of the lens 40 is typically of the order of 8 μm (equal to the diameter of the core 32).
La lentille 40 réalisée par extrusion du coeur 32 de la fibre 30, et non par fusion de la fibre 30 ou par apport de matière, comme cela était classique jusqu'ici, offre au moins les avantages suivants - elle présente une meilleure reproductibilité, réalisée par dilatation du coeur 32 de la fibre 30, elle est "autocentrée" sur l'axe optique, de plus ses caractéristiques peuvent être facilement stabilisées si l'on contrôle les paramètres de l'arc électrique et le positionnement de la fibre par rapport à l'arc. The lens 40 made by extruding the core 32 of the fiber 30, and not by melting the fiber 30 or by adding material, as was conventional so far, offers at least the following advantages - it has a better reproducibility, achieved by dilation of the core 32 of the fiber 30, it is "self-centered" on the optical axis, moreover its characteristics can be easily stabilized if one controls the parameters of the electric arc and the positioning of the fiber with respect to the arc.
- l'opération d'extrusion en elle-même est simple à mettre en oeuvre, et sa durée n'est que de quelques secondes. La réalisation d'une microlentille par extrusion ne nécessite pas de matériel spécifique. Elle emploiera typiquement la machine à souder déjà utilisée pour fixer les tronçons de fibre à saut et à gradient d'indice à l'extrémité de la fibre amorce monomode. Cet avantage est notable - tant du point de vue coût que du point de vue sécurité - lorsqu'on fait la comparaison avec des structures concurrentes où la microlentille est réalisée par fusion ou usinage laser, après un traitement chimique faisant appel à des produits toxiques, donc à réaliser en environnement contrôlé (hotte aspirante).the extrusion operation itself is simple to implement, and its duration is only a few seconds. The production of a microlens by extrusion does not require specific equipment. It will typically use the welding machine already used to attach the jump and index gradient fiber sections to the end of the single mode pigtail fiber. This advantage is significant - both from the point of view of cost and safety - when compared with competing structures where the microlens are made by fusion or laser machining, after a chemical treatment using toxic products, therefore to achieve in a controlled environment (extractor hood).
Comparée à la structure comprenant seulement les fibres 20, 30, dépourvue de la lentille 40, la microoptique à lentille 40 illustrée sur la figure 1, permet d'atteindre des tailles de mode 2w sensiblement plus faibles, de l'ordre de 3 microns, avec des distances de travail typiquement comprises entre 40 et 100 microns. L'étape d'extrusion de la lentille 40 n'augmente significativement, ni la durée, ni le degré de complexité du processus de fabrication. Compared with the structure comprising only the fibers 20, 30, devoid of the lens 40, the microoptic lens 40 illustrated in Figure 1, can achieve substantially smaller mode sizes 2w, of the order of 3 microns, with working distances typically between 40 and 100 microns. The extrusion step of the lens 40 does not significantly increase the duration or the degree of complexity of the manufacturing process.
On va maintenant donner ci-après quelques exemples numériques de distances frontales et tailles de modes pour deux structures comprenant l'une seulement des fibres 20, 30, l'autre des fibres 20, 30 et la lentille 40. Dans les deux cas, la fibre amorce 10 sur laquelle est rapportée la microoptique est de type G652. Son diamètre de mode à 1/e2 est de 11 ru à la longueur d'onde de 1.55 m. Sont données en outre les dérivées partielles de la taille de mode et de la frontale par rapport aux longueurs des deux sections, ce qui permet d'évaluer les tolérances de découpe des sections à gradient d'indice 30 et à saut d'indice 20. We will now give some numerical examples of frontal distances and mode sizes for two structures comprising only one of the fibers 20, 30, the other of the fibers 20, 30 and the lens 40. In both cases, the fiber primer 10 on which is reported the microoptic is G652 type. Its mode diameter at 1 / e2 is 11 ru at the wavelength of 1.55 m. In addition, the partial derivatives of the mode size and the face size are given in relation to the lengths of the two sections, which makes it possible to evaluate the cutting tolerances of the index gradient and index jump sections 20.
STRUCTURE DE COUPLAGE A BASE DE FIBRES 20, 30:
<tb> <SEP> ~~~~ <SEP> ao <SEP> aDt <SEP> aDt
<tb> <SEP> Lsi <SEP> Lgi <SEP> <SEP> Dt <SEP> Dt <SEP> aLoi <SEP> aLsi <SEP> aLsi <SEP> aLoi
<tb> (pm) <SEP> (pm) <SEP> (pm) <SEP> (pm)
<tb> 820 <SEP> 340 <SEP> 2.3 <SEP> 75 <SEP> -0.005 <SEP> -0.003 <SEP> -0.83 <SEP> -0.075
<tb> 700 <SEP> 260 <SEP> 3.6 <SEP> 175 <SEP> -0.018 <SEP> -0.006 <SEP> | <SEP> -1.54 <SEP> -0.173
<tb> 520 <SEP> 260 <SEP> 5.2 <SEP> 210 <SEP> -0.032 <SEP> -0.012 <SEP> | <SEP> -1.59 <SEP> -0.31
<tb>
On notera que les faibles tailles de mode sont obtenues pour de grandes valeurs de Lsi. La gamme utile de ces valeurs est limitée par les effets de diaphragmation du faisceau par la fibre 30. Elles sont associées à des frontales relativement courtes, mais toujours de plusieurs dizaines de microns. Les très grandes frontales sont obtenues pour de faibles valeurs de Lsi, avec des tailles de modes elles aussi plus importantes.<tb><SEP> ~~~~ <SEP> ao <SEP> aDt <SEP> aDt
<tb><SEP> Lsi <SEP> Lgi <SEP><SEP> Dt <SEP> Dt <SEP> aLi <SEP> aLsi <SEP> aLsi <SEP> aLsi
<tb> (pm) <SEP> (pm) <SEP> (pm) <SEP> (pm)
<tb> 820 <SEP> 340 <SEP> 2.3 <SEP> 75 <SEP> -0.005 <SEP> -0.003 <SEP> -0.83 <SEP> -0.075
<tb> 700 <SEP> 260 <SEP> 3.6 <SEQ> 175 <SEP> -0.018 <SEP> -0.006 <SEP> | <SEP> -1.54 <SEP> -0.173
<tb> 520 <SEP> 260 <SEP> 5.2 <SEP> 210 <SEP> -0.032 <SEP> -0.012 <SEP> | <SEP> -1.59 <SEP> -0.31
<Tb>
It should be noted that the small mode sizes are obtained for large Lsi values. The useful range of these values is limited by the effects of beam diaphragmation by the fiber 30. They are associated with relatively short frontal, but still several tens of microns. The very large frontal ones are obtained for low values of Lsi, with modes sizes also more important.
Si l'on suppose que, lors de la découpe des tronçons de fibre, les longueurs Lsi et Lgi sont déterminées à + 10Fm près, on constate que - l'incertitude sur Lgi affecte peu la taille de mode, mais bien davantage la distance de travail Dt. Dans le second exemple considéré, il apparaît qu'une variation d'un micron de Lgi induit une variation de près de deux microns de la distance de travail Dt. Cette sensibilité est réduite dans le cas de frontales faibles (premier exemple numérique). If we assume that, when cutting fiber sections, the lengths Lsi and Lgi are determined to + 10Fm, we see that - the uncertainty on Lgi affects little the size of mode, but much more the distance of In the second example considered, it appears that a variation of one micron of Lgi induces a variation of nearly two microns of the working distance Dt. This sensitivity is reduced in the case of weak frontal (first numerical example ).
- l'incertitude sur Lsi affecte peu la taille de mode. La sensibilité de la frontale à une variation de Lsi est environ dix fois plus faible qu'à une variation de Lgi.- The uncertainty on Lsi does not affect the mode size. The sensitivity of the frontal to a variation of Lsi is about ten times lower than a variation of Lgi.
STRUCTURE DE COUPLAGE A BASE DE FIBRES 20, 30 EQUIPEES D'UNE
MICROLENTILLE 40.FIBER-BASED COUPLING STRUCTURE 20, 30 EQUIPPED WITH
MICROLENTILLE 40.
Dans ce cas, en plus des longueurs des sections 20 à saut et 30 à gradient d'indice, il est nécessaire de prendre en compte l'influence du rayon de courbure R de la lentille extrudée 40.
<tb><Tb>
Lsi <SEP> Lgi <SEP> R <SEP> a) <SEP> dT <SEP> ac,, <SEP> aDt <SEP> d# <SEP> #Dt <SEP> ## <SEP> #Dt
<tb> ( m <SEP> (pm) <SEP> (pm) <SEP> (pm) <SEP> (pm) <SEP> aR <SEP> je <SEP> aLgi <SEP> aLai <SEP> #Lsi <SEP> aLsi
<tb> 520 <SEP> 220 <SEP> 80 <SEP> 1.5 <SEP> 115 <SEP> 0.013 <SEP> 1 <SEP> -0003 <SEP> 0.46 <SEP> -0.003 <SEP> -0.09
<tb> 940 <SEP> 300 <SEP> 120 <SEP> 1.4 <SEP> 88 <SEP> -0.004 <SEP> -0.20 <SEP> -0.001 <SEP> -0.5 <SEP> -0.02. <SEP> -0.075
<tb>
La lentille extrudée 40 s'appuyant sur la périphérie du coeur 32 (de diamètre de l'ordre des 85 microns) dans les cas pratiques envisagés, le rayon de courbure R du dioptre 40 ne pourra en principe pas excéder 42,5 microns. En pratique, il a été observé qu'une extrusion trop forte peut endommager la fibre 30, et que les valeurs minimales accessibles de R sont plutôt aux environs de 70-80 microns. Toutes choses égales par ailleurs, la taille de mode augmente avec R.Lsi <SEP> Lgi <SEP> R <SEP> a) <SEP> dT <SEP> ac ,, <SEP> aDt <SEP> d # <SEP>#Dt<SEP>##<SEP>#Dt
<tb> (m <SEP> (pm) <SEP> (pm) <SEP> (pm) <SEP> (pm) <SEP> aR <SEP> I <SEP> aLgi <SEP> aLai <SEP>#Lsi<SEP> aLsi
<tb> 520 <SEP> 220 <SEP> 80 <SEP> 1.5 <SEP> 115 <SEP> 0.013 <SEP> 1 <SEP> -0003 <SEP> 0.46 <SEP> -0.003 <SEP> -0.09
<tb> 940 <SEP> 300 <SEP> 120 <SEP> 1.4 <SEP> 88 <SEP> -0.004 <SEP> -0.20 <SEP> -0.001 <SEP> -0.5 <SEP> -0.02. <SEP> -0.075
<Tb>
The extruded lens 40 resting on the periphery of the core 32 (of diameter of the order of 85 microns) in the practical cases envisaged, the radius of curvature R of the diopter 40 can not in principle exceed 42.5 microns. In practice, it has been observed that too much extrusion can damage the fiber 30, and that the accessible minimum values of R are rather around 70-80 microns. All things being equal, the mode size increases with R.
Une microoptique à base de fibres 20, 30 voit typiquement sa taille de mode < n réduite d'un facteur voisin de 2 par extrusion d'une lentille 40. Il a été possible jusqu'ici d'atteindre des tailles de modes de 2,8 microns. A fiber-based microptic 20, 30 typically sees its mode size <n reduced by a factor of about 2 by extruding a lens 40. Up to now it has been possible to achieve mode sizes of 2, 8 microns.
Les valeurs de frontales accessibles sont typiquement dans la gamme 40-120 microns. Accessible frontal values are typically in the 40-120 micron range.
On constate que la taille de mode est peu sensible aux paramètres géométriques de la structure : Lsi, Lgi et R. La distance de travail est quant à elle peu sensible aux incertitudes sur Lgi et Lsi, par contre reste assez sensible aux variations du rayon de courbure R. It can be seen that the mode size is not very sensitive to the geometrical parameters of the structure: Lsi, Lgi and R. The working distance is not very sensitive to the uncertainties on Lgi and Lsi, but it is quite sensitive to variations in the radius of curvature R.
Le contrôle de la reproductibilité du rayon de courbure de la lentille 40 est facilité par le fait qu'à des paramètres d'arc électrique donnés, et à un positionnement déterminé par la fibre 30 par rapport à l'arc correspondent un rayon de courbure limite de la lentille extrudée 40, atteint au bout de quelques décharges. The control of the reproducibility of the radius of curvature of the lens 40 is facilitated by the fact that at given electric arc parameters, and at a positioning determined by the fiber 30 with respect to the arc correspond a limit radius of curvature of the extruded lens 40, reached after a few discharges.
Selon un mode de réalisation particulier et non limitatif, le dispositif de couplage est réalisé sur la base des étapes suivantes 1) dénudage et clivage de l'extrémité de la fibre amorce monomode 10, à l'aide respectivement d'une pince à cliver, telle que celle commercialisée par la Société SIEMENS, et d'une cliveuse telle que la cliveuse CT-07, commercialisée par la Société FUJIKURA. According to a particular and nonlimiting embodiment, the coupling device is produced on the basis of the following steps: 1) stripping and cleaving of the end of the monomode primer fiber 10, using respectively a cleaving plier, such as that marketed by SIEMENS Company, and a cleaver such as cleaver CT-07, marketed by FUJIKURA.
2) clivage de l'extrémité de la fibre multimode à saut d'indice 20, par le même moyen.2) cleavage of the end of the index jump multimode fiber 20, by the same means.
3) alignement, mise en contact, et soudure à l'arc (épissurage) de ces deux fibres 10, 20, grâce à une soudeuse de fibres, par exemple la machine de référence BF-S50 commercialisée par la Société BEALE INTERNATIONAL
TECHNOLOGY.3) alignment, contacting, and arc welding (splicing) of these two fibers 10, 20, with a fiber welder, for example the reference machine BF-S50 marketed by BEALE INTERNATIONAL
TECHNOLOGY.
4) mesure optique, sous microscope binoculaire, de la longueur Lgi de fibre à saut d'indice 20 nécessaire. Clivage, toujours grâce à la cliveuse décrite au 1), de la fibre à saut d'indice 20, de manière à obtenir une section de longueur Lgi, soudée à la fibre amorce monomode 10.4) optical measurement, under binocular microscope, of the length Lgi of fiber with index jump 20 necessary. Cleavage, again thanks to the cleaver described in 1), of the jump fiber of index 20, so as to obtain a section of length Lgi, welded to the monomode primer fiber 10.
5) dénudage et clivage de la fibre à gradient d'indice 30, come au 1).5) stripping and cleavage of index gradient fiber 30, as in 1).
6) soudure de la fibre à gradient d'indice 30 sur l'extrémité clvée de la section de fibre à saut d'indice 20 de longueur Lsi, elle-même rapportée sur la fibre amorce monomode 10.6) welding of the index gradient fiber 30 to the cleaved end of the index jump fiber section 20 of length Lsi, itself reported on the monomode primer fiber 10.
7) détermination par mesure optique de la longueur Lgi de fibre à gradient d'indice 30 nécessaire, et découpe par clivage du tronçon de longueur Lgi.7) Optical measurement determination of the length Lgi of index gradient fiber necessary, and cut by cleavage length section Lgi.
Cette étape termine la procédure de fabrication d'une microoptique à base des seules fibres 20, 30. Pour la réalisation d'une structure comprenant des fibres 20, 30 équipées d'une lentille 40, les étapes suivantes doivent être ajoutées 8) positionnement de l'extrémité clivée de la structure 10, 20, 30 dans la soudeuse de fibres déjà décrite au 3) à une distance convenable de l'arc électrique, de l'ordre de quelques centaines de microns. La valeur précise de cette distance doit être déterminée en fonction des paramètres de l'arc électrique (courant d'arc et durée de la décharge en particulier) - trop grande, cette distance ne permet pas un échauffement suffisant de l'extrémité de la fibre 30 pour provoquer l'extrusion du coeur 32, - trop faible, l'échauffement produit est trop important, et provoque une déformation importante de la fibre 30. This step completes the procedure for manufacturing a microoptic based solely on the fibers 20, 30. For the production of a structure comprising fibers 20, 30 equipped with a lens 40, the following steps must be added. the cleaved end of the structure 10, 20, 30 in the fiber welder already described in 3) at a suitable distance from the electric arc, of the order of a few hundred microns. The precise value of this distance must be determined according to the parameters of the electric arc (arc current and duration of the discharge in particular) - too large, this distance does not allow sufficient heating of the end of the fiber To cause extrusion of the core 32, too low, the heating produced is too great, and causes a significant deformation of the fiber 30.
9) application répétée (typiquement 3 ou 4 fois) de l'arc électrique, jusqu'à l'obtention d'une microlentille 40 de forme stable. Cette forme doit être obtenue sans variation observable du diamètre extérieur de la fibre 40 à son extrémité.9) repeated application (typically 3 or 4 times) of the electric arc, until a microlens 40 of stable shape. This shape must be obtained without observable variation of the outer diameter of the fiber 40 at its end.
Les structures de couplage conformes à la présente invention permettant d'obtenir, grâce à un procédé de fabrication simple et reproductible, des distances frontales Dt importantes (de 50 à 300 microns), ainsi que des rayons de mode w minimaux de l'ordre de 2 à 3 microns sur la structure 10, 20, 30, et de 1.2 à 1.5pm pour la structure 10, 20, 30. The coupling structures according to the present invention making it possible, by means of a simple and reproducible manufacturing process, to obtain large frontal distances Dt (from 50 to 300 microns), as well as minimal mode radii w of the order of 2 to 3 microns on structure 10, 20, 30, and 1.2 to 1.5pm for structure 10, 20, 30.
Les structures de couplage conformes à la présente invention sont en outre robustes, compacts, et offrent une bonne stabilité dans le temps. The coupling structures according to the present invention are further robust, compact, and offer good stability over time.
On notera que la présente invention permet la fabrication de modules faible coût, grâce notamment à un processus simple de fabrication, qui ne requiert que des appareils standard, disponibles dans tout laboratoire travaillant dans le domaine des fibres optiques (soudeuse de fibres, machine à cliver, machine à dénuder, loupe binoculaire), et n'implique pas l'utilisation de produits chimiques corrosifs et/ou toxiques (acide fluorhydrique utilisé dans certains procédés classiques pour effiler l'extrémité de la fibre). Note that the present invention allows the manufacture of low cost modules, thanks in particular to a simple manufacturing process, which requires only standard devices, available in any laboratory working in the field of optical fibers (fiber welding machine, cleaving machine , stripping machine, binocular loupe), and does not involve the use of corrosive and / or toxic chemicals (hydrofluoric acid used in some conventional methods to taper the end of the fiber).
Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit, mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. Naturally, the present invention is not limited to the particular embodiment which has just been described, but extends to any variant within its spirit.
Claims (16)
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- 1996-04-23 FR FR9605095A patent/FR2747799B1/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2747799B1 (en) | 1998-07-10 |
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