FR2687596A1

FR2687596A1 - Method of drilling a ferrule for an optical fibre

Info

Publication number: FR2687596A1
Application number: FR9202217A
Authority: FR
Inventors: Crosnier Jean-Jacques
Original assignee: Souriau et Cie
Current assignee: FCI France SA
Priority date: 1992-02-26
Filing date: 1992-02-26
Publication date: 1993-08-27

Abstract

The invention relates to a method of drilling a hole (25) in a ferrule (1), the hole being intended to receive the end of an optical fibre. It is characterised by focusing the photoablative laser beam (20) substantially on the axis of the hole to be made and by moving the ferrule (1) and the laser beam in relative rotation (6) about the said axis, the photoablation process continuing until the desired hole has been obtained. This method is also characterised in that it includes a first step of drilling a pilot hole during which the laser beam (20) has its axis (Z1) substantially coincident with the said axis, and a second step during which the laser beam is moved perpendicularly (X, Y) to the said axis (Z1).

Description

PROCEDE DE PERÇAGE D'UNE VIROLE POUR FIBRE OPTIQUE.METHOD FOR PIERCING A FIBER FOR OPTICAL FIBER.

La présente invention a pour objet un procédé de perçage dans une virole, d'une ouverture destinée à recevoir l'extrémité d'une fibre optique. The present invention relates to a method of piercing in a ferrule, an opening intended to receive the end of an optical fiber.

Dans le but d'obtenir un couplage optimal entre fibres optiques, les ouvertures ménagées aux extrémités des viroles (ou "férules") des connecteurs pour fibres optiques doivent présenter un diamètre extrêmement précis (à 1 micron près), une faible conicité, et une très bonne concentricité avec le diamètre extérieur de la virole (précision de l'ordre du micron). In order to obtain an optimal coupling between optical fibers, the openings made at the ends of the ferrules (or "ferrules") of the connectors for optical fibers must have an extremely precise diameter (to within 1 micron), a low conicity, and a very good concentricity with the outside diameter of the shell (precision of the order of a micron).

Les procédés actuellement connus pour réaliser de telles ouvertures mettent en oeuvre, soit un moulage d'une matière plastique, soit un usinage mécanique, ne permettent pas d'atteindre une précision élevée. The methods currently known for producing such openings use either a molding of a plastic material, or mechanical machining, do not make it possible to achieve high precision.

La présente invention a pour objet un procédé de perçage permettant de réaliser une ouverture dans une virole avec une précision élevée, de préférence de l'ordre du micron. The present invention relates to a drilling method for making an opening in a shell with high precision, preferably of the order of a micron.

Le procédé selon l'invention est dans ce but caractérisé par la focalisation d'un faisceau laser photoablatif sensiblement dans l'axe de l'ouverture à pratiquer, et par la mise en rotation relative de la virole et du faisceau laser autour dudit axe, le processus de photoablation étant poursuivi jusqu'à l'obtention de l'ouverture désirée. The method according to the invention is for this purpose characterized by focusing a photoablative laser beam substantially in the axis of the opening to be practiced, and by the relative rotation of the ferrule and the laser beam around said axis, the photoablation process being continued until the desired opening is obtained.

I1 est particulièrement avantageux que la virole soit en matériau plastique qui ne soit chargé ni de fibres de verre, ni de billes. It is particularly advantageous for the shell to be made of a plastic material which is not loaded with either glass fibers or balls.

Le déplacement du faisceau laser peut être réalise perpendiculairement audit axe jusqu'à obtention d'un diamètre désiré de l'ouverture, le faisceau laser focalisé ayant une section inférieure à celle de l'ouverture. Le procédé peut ainsi comporter une première étape de perçage d'un avant-trou au cours de laquelle le faisceau laser a son axe sensiblement confondu avec ledit axe, et une deuxième étape au cours de laquelle est effectué ledit déplacement du faisceau. The laser beam can be moved perpendicular to said axis until a desired diameter of the opening is obtained, the focused laser beam having a smaller section than that of the opening. The method can thus include a first step of drilling a pilot hole during which the laser beam has its axis substantially coincident with said axis, and a second step during which said movement of the beam is carried out.

Dans le but d'obtenir une profondeur de champ optimale pour le faisceau focalisé, la focalisation est obtenue par des moyens de focalisation dont la distance focale est au moins égale à 250 mm, et de préférence comprise entre 300 et 350 mm. In order to obtain an optimal depth of field for the focused beam, the focusing is obtained by focusing means whose focal distance is at least equal to 250 mm, and preferably between 300 and 350 mm.

Le diamètre du faisceau focalisé peut être sensiblement égal à 70 microns. The diameter of the focused beam can be substantially equal to 70 microns.

La profondeur de l'ouverture à percer peut être avantageusement comprise entre 0,5 et 0,6 mm. The depth of the opening to be drilled can advantageously be between 0.5 and 0.6 mm.

Selon un mode de réalisation préféré, la profondeur de champ du faisceau focalisé est sensiblement supérieure à la profondeur de l'ouverture à percer. According to a preferred embodiment, the depth of field of the focused beam is substantially greater than the depth of the opening to be drilled.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins qui représentent
- la figure 1, un schéma général d'un dispositif de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, mettant en oeuvre un calculateur,
- la figure 2, un mode de réalisation préféré de l'ensemble opto-mécanique commandé par ledit calculateur,
- la figure 3, une représentation de paramètres du faisceau laser au voisinage de son point de focalisation,
- la figure 4, une vue en coupe d'une virole dont la partie avant présente une ouverture destinée à recevoir une fibre optique.Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the description which follows, given by way of nonlimiting example, in conjunction with the drawings which represent
FIG. 1, a general diagram of a device for implementing the method according to the invention, using a computer,
FIG. 2, a preferred embodiment of the opto-mechanical assembly controlled by said computer,
FIG. 3, a representation of parameters of the laser beam in the vicinity of its focal point,
- Figure 4, a sectional view of a ferrule whose front part has an opening for receiving an optical fiber.

Selon la figure 1, un laser L, par exemple un laser à excimères, génère horizontalement un faisceau de rayonnement 20 qui est renvoyé verticalement par un miroir 14 incliné à 45" pour être focalisé par une lentille 10 sur un ensemble de platines motorisées 7 et 8 selon deux directions horizontales perpendiculaires respectivement X et Y. La lentille 10 est solidaire d'une platine motorisée 12 permettant de la translater selon une direction verticale Z. Le faisceau laser est diaphragmé par un dispositif de filtrage spatial SF. Le laser L est alimenté par un circuit d'alimentation LPS. According to FIG. 1, a laser L, for example an excimer laser, horizontally generates a beam of radiation 20 which is returned vertically by a mirror 14 inclined at 45 "to be focused by a lens 10 on a set of motorized stages 7 and 8 in two horizontal directions perpendicular to X and Y respectively. The lens 10 is integral with a motorized plate 12 making it possible to translate it in a vertical direction Z. The laser beam is diaphragmed by a spatial filtering device SF. The laser L is powered by an LPS supply circuit.

Les platines motorisées 7, 8 et 12 sont commandées par un dispositif de commande de moteurs MC. Un processeur
PU commandé par un clavier C présente un dispositif de visualisation S, et commande un circuit d'interface INT qui fournit des signaux de commande d'une part à une imprimante PR et d'autre part, à un bus fournissant des signaux de commande à un circuit d'entrée/sortie I/O qui, à son tour commande d'une part un oscillateur programmable POSC et d'autre part, le circuit de commande de moteurs MC. L'oscillateur programmable POSC commande le circuit d'alimentation du laser LPS.The motorized stages 7, 8 and 12 are controlled by a motor control device MC. A processor
PU controlled by a keyboard C presents a display device S, and controls an interface circuit INT which supplies control signals on the one hand to a printer PR and on the other hand, to a bus providing control signals to an I / O input / output circuit which in turn controls a programmable POSC oscillator on the one hand and the motor control circuit MC on the other. The POSC programmable oscillator controls the LPS laser supply circuit.

A la figure 2, les platines motorisées 7 et 8 sont commandées par des dispositifs respectivement, 17 et 18, et sont superposées. La platine 8 porte un support 9 sur lequel est disposé un moteur 6 rotatif pas à pas commandé par un dispositif 16. La face supérieure du moteur 6 reçoit deux platines à commande manuelle orthogonales 4 et 5 qui sont superposées et qui sont commandées respectivement par des dispositifs de commande manuelle 14 et 15. La lentille 10 est fixée en 11 à la platine motorisée 12. La partie supérieure de la platine 4 reçoit un support 3 sur lequel est disposée une virole à usiner 1 maintenue en place avec son axe vertical par une cale 2. L'usinage consiste (voir figure 4) à réaliser une ouverture débouchante 25 de diamètre nominal do à la partie avant 24 de la virole 1, avec une co-axialité élevée avec le contour extérieur 26 (cylindrique ou présentant un profil en forme de V). In FIG. 2, the motorized stages 7 and 8 are controlled by devices respectively, 17 and 18, and are superimposed. The plate 8 carries a support 9 on which is disposed a rotary stepping motor 6 controlled by a device 16. The upper face of the motor 6 receives two orthogonal manual control plates 4 and 5 which are superimposed and which are respectively controlled by manual control devices 14 and 15. The lens 10 is fixed at 11 to the motorized plate 12. The upper part of the plate 4 receives a support 3 on which is disposed a ferrule to be machined 1 held in place with its vertical axis by a wedge 2. The machining consists (see FIG. 4) in producing a through opening 25 of nominal diameter do at the front part 24 of the shell 1, with a high co-axiality with the external contour 26 (cylindrical or having a profile in V shape).

Les platines manuelles de micro-déplacement 4 et 5 permettent d'ajuster la position relative de l'axe de la virole à usiner et du centre de rotation de la platine tournante 6 pour assurer la co-axialité ou la concentricité entre l'ouverture 25 et le contour 26. The manual micro-displacement stages 4 and 5 allow the relative position of the axis of the ferrule to be machined and the center of rotation of the rotary stage 6 to be adjusted to ensure co-axiality or concentricity between the opening 25 and the outline 26.

Elles permettent également de faire coïncider cet axe avec l'axe Z1 du faisceau 20. Les platines motorisées 7 et 8 permettent un déplacement de l'ensemble vis-à-vis de l'axe Z1 du faisceau focalisé 20 de manière à permettre le réglage éventuel du diamètre du trou à usiner.They also make it possible to make this axis coincide with the axis Z1 of the beam 20. The motorized plates 7 and 8 allow a displacement of the assembly with respect to the axis Z1 of the focused beam 20 so as to allow adjustment the diameter of the hole to be machined.

Le fonctionnement du système est assuré de la manière suivante. Une série d'ordres est entrée par le clavier C pour être mémorisée par le processeur PU. La série d'ordres est ensuite exécutée, les ordres étant envoyés séquentiellement par l'intermédiaire du bus précité vers le module d'entrée/sortie I/O qui gère à la fois la commande de moteurs MC et l'oscillateur programmable POSC. Les platines motorisées 7, 8 et 12 et la platine tournante 6 sont commandées pas-à-pas. Le séquencement est donc simple, le circuit d'une commande de moteur MC adressant les impulsions de commande correspondantes aux platines respectives. The operation of the system is ensured as follows. A series of orders is entered by the keyboard C to be memorized by the processor PU. The series of orders is then executed, the orders being sent sequentially via the aforementioned bus to the I / O input / output module which manages both the MC motor control and the POSC programmable oscillator. The motorized stages 7, 8 and 12 and the rotary stage 6 are controlled step by step. Sequencing is therefore simple, the circuit of a motor control MC addressing the corresponding control pulses to the respective plates.

Les paramètres du laser qui conditionnent la qualité de perçage sont essentiellement l'énergie par impulsion, le nombre de tirs, la distance focale de la lentille 10, le diamètre D du faisceau incidant sur la lentille 10 et sa divergence. The parameters of the laser which condition the quality of drilling are essentially the energy per pulse, the number of shots, the focal distance of the lens 10, the diameter D of the beam incident on the lens 10 and its divergence.

Une fois atteint le seuil de photoablation correspondant au matériau usiné, le perçage peut s'effectuer. Une augmentation de l'énergie entraîne une augmentation de la profondeur de perçage par impulsion. Once the photoablation threshold corresponding to the machined material has been reached, drilling can be carried out. An increase in energy leads to an increase in the drilling depth per pulse.

Quand la densité d'énergie devient trop forte, le plasma produit par la photoablation risque de détériorer l'état de surface. When the energy density becomes too high, the plasma produced by photoablation may deteriorate the surface state.

Le nombre d'impulsions nécessaires (de l'ordre de quelques milliers) dépend de la densité d'énergie à la surface du matériau. The number of pulses required (of the order of a few thousand) depends on the energy density on the surface of the material.

Les dimensions, les formes et la qualité du perçage dépendent directement de la qualité du faisceau et en particulier de la distance focale de la lentille utilisée. The dimensions, shapes and quality of the drilling depend directly on the quality of the beam and in particular on the focal length of the lens used.

La figure 3 représente un faisceau laser de diamètre D focalisé par une lentille 10 de distance focale F avec une convergence d'angle e et formant une tache de diamètre minimal d. Soit P, la profondeur de champ de part et d'autre du plan correspondant au diamètre minimum, c'est-à-dire du plan focal. Au-delà de ce plan, le faisceau diverge avec un angle e et de façon symétrique vis-à-vis de celui-ci. Le diamètre d a pour valeur d = 4 F/ F/7r D (1)
dans lequel N, est la longueur d'onde du faisceau 20.FIG. 3 represents a laser beam of diameter D focused by a lens 10 of focal distance F with a convergence of angle e and forming a spot of minimum diameter d. Let P be the depth of field on either side of the plane corresponding to the minimum diameter, that is to say of the focal plane. Beyond this plane, the beam diverges with an angle e and symmetrically with respect thereto. The diameter da for value d = 4 F / F / 7r D (1)
in which N, is the wavelength of the beam 20.

On définit la profondeur de champ P comme la distance à laquelle la densité d'énergie tombe à 90% de celle dans le plan où le faisceau est le plus petit. The depth of field P is defined as the distance at which the energy density falls to 90% of that in the plane where the beam is the smallest.

Elle a pour valeur P = + pd2/ > (2)
P = constante dépendant des caractéristiques de faisceau.Its value is P = + pd2 /> (2)
P = constant depending on the beam characteristics.

L'angle e valant approximativement D/F, la relation (1) peut s'écrire sous la forme
ed = 4 ?\ /7 (3)
Le produit du diamètre minimum d et de l'angle de divergence est constant et dépend seulement de la longueur d'onde ss . Pour un laser à excimères dont le faisceau est multimode, on définit un coefficient constant M2. La relation (3) devient alors ed : 4M2 X /Sd'où la taille du faisceau focalisé. La profondeur de champ vaut alors d2
P=f
12 4h M2
Les résultats les meilleurs en pratique sont obtenus avec une lentille 10 de distance focale supérieure à 250 mm et de préférence comprise entre 300 et 350 mm. On obtient ainsi un diamètre d de l'ordre de 80 microns et une profondeur de champ P de l'ordre de + 500 microns.The angle e being approximately D / F, the relation (1) can be written in the form
ed = 4? \ / 7 (3)
The product of the minimum diameter d and the divergence angle is constant and depends only on the wavelength ss. For an excimer laser whose beam is multimode, a constant coefficient M2 is defined. The relation (3) then becomes ed: 4M2 X / S hence the size of the focused beam. The depth of field is then d2
P = f
12 4h M2
The best results in practice are obtained with a lens 10 with a focal length greater than 250 mm and preferably between 300 and 350 mm. This gives a diameter d of the order of 80 microns and a depth of field P of the order of + 500 microns.

Le laser à excimères utilise les propriétés de molécules diatomiques possède des états excités liés et un état fondamental dissociatif ce qui facilite l'obtention d'une inversion de population nécessaire au fonctionnement d'un laser. Plusieurs types de lasers à excimère existent, les plus couramment utilisés sont à base d'halogénure de gaz rares (ArF, KrF, XeCl, XeF). The excimer laser uses the properties of diatomic molecules has bound excited states and a dissociative ground state which facilitates obtaining a population inversion necessary for the operation of a laser. Several types of excimer lasers exist, the most commonly used are based on rare gas halide (ArF, KrF, XeCl, XeF).

La longueur d'onde de la radiation émise par ces lasers se situe dans le domaine ultraviolet : 193 nanomètres (ArF), 243 nanomètres (KrF), 308 nanomètres (XeCl), 351 nanomètres (XeF). Les lasers à excimères sont essentiellement impulsionnels. La durée typique des impulsions s'étend entre 10 et 40 nanosecondes. The wavelength of the radiation emitted by these lasers is in the ultraviolet range: 193 nanometers (ArF), 243 nanometers (KrF), 308 nanometers (XeCl), 351 nanometers (XeF). Excimer lasers are essentially pulsed. The typical pulse duration ranges from 10 to 40 nanoseconds.

L'énergie par impulsions est comprise entre 10 mJ et 2 J (de préférence > 100 mJ). Les densités d'énergie par impulsion sont comprises entre 10 et 400 mJ par cm2. Les cadences de répétition des impulsions peuvent atteindre 500 Hz mais sont de quelques dizaines de Hz pour une application telle que l'usinage.The energy per pulse is between 10 mJ and 2 J (preferably> 100 mJ). The energy densities per pulse are between 10 and 400 mJ per cm2. The pulse repetition rates can reach 500 Hz but are a few tens of Hz for an application such as machining.

Le profil du faisceau est généralement rectangulaire et la divergence dépend du type de cavité. The beam profile is generally rectangular and the divergence depends on the type of cavity.

Le filtre spatial SF (voir figure 1) est placé à la sortie du laser L. Le filtrage est effectué par deux lentilles 30 et 31 formant un système afocal grandisseur de rapport 2, et par une pièce 31 en tungstène ou en téflon formant diaphragme placée au foyer de la première lentille 30. Ce dispositif a pour but d'éliminer toutes les parties du faisceau mal focalisables principalement en raison de phénomènes de diffraction, ainsi que de diminuer la divergence. La pièce 31 présente un trou dont le diamètre est ajusté de manière à filtrer sans la tronquer la partie utile du faisceau. Elle est positionnée par un réglage très fin dans le plan focal de la lentille 30. The spatial filter SF (see FIG. 1) is placed at the output of the laser L. The filtering is carried out by two lenses 30 and 31 forming an afocal magnifier system of ratio 2, and by a part 31 in tungsten or in teflon forming diaphragm placed at the focus of the first lens 30. The purpose of this device is to eliminate all the parts of the beam that are poorly focused mainly due to diffraction phenomena, as well as to reduce the divergence. The part 31 has a hole whose diameter is adjusted so as to filter the useful part of the bundle without truncating it. It is positioned by a very fine adjustment in the focal plane of the lens 30.

Le diamètre de perçage peut être ajusté finement par déplacement relatif du faisceau laser et de l'axe de rotation de la platine tournante 6. Cette fonction est ici réalisée par des platines motorisées 7 et 8. The drilling diameter can be finely adjusted by relative movement of the laser beam and the axis of rotation of the turntable 6. This function is here performed by motorized turntables 7 and 8.

Si l'on perce alors que l'axe du faisceau et l'axe de rotation de la platine 6 sont confondus, le trou obtenu a un diamètre qui dépend de la distance focale F. I1 est possible de choisir cette distance focale de telle sorte que le diamètre du trou soit égal au diamètre d'une fibre nue pourvue de sa gaine optique, à savoir 125 microns. If it is drilled while the axis of the beam and the axis of rotation of the plate 6 are combined, the hole obtained has a diameter which depends on the focal length F. It is possible to choose this focal distance in such a way that the diameter of the hole is equal to the diameter of a bare fiber provided with its optical sheath, namely 125 microns.

Cependant, on obtient de meilleurs résultats quant à la conicité du trou obtenu en utilisant un faisceau dont le diamètre d est inférieur à celui du trou à percer, soit d par exemple égal à environ 80 microns. La méthode préférée consiste alors à percer un avant-trou de diamètre sensiblement égal à 80 microns, l'axe du faisceau 20 et l'axe de rotation de la platine 6 étant confondus, puis à poursuivre le perçage en élargissant l'ouverture ainsi pratiquée en déplaçant l'une ou l'autre des platines motorisées 7 et 8 (ou les deux) jusqu'à obtention d'une ouverture égale au diamètre désiré, à savoir 125 microns. However, better results are obtained with regard to the conicity of the hole obtained by using a beam whose diameter d is less than that of the hole to be drilled, ie for example equal to about 80 microns. The preferred method then consists in drilling a pilot hole of diameter substantially equal to 80 microns, the axis of the beam 20 and the axis of rotation of the plate 6 being combined, then to continue drilling by widening the opening thus made. by moving one or the other of the motorized plates 7 and 8 (or both) until an opening equal to the desired diameter, namely 125 microns, is obtained.

Comme mentionné ci-dessus, il a été fait état d'une profondeur de champ P de + 500 microns. Cette valeur est particulièrement favorable en ce qu'elle permet de réaliser une ouverture dans l'extrémité d'une virole dont l'épaisseur e est de l'ordre de 0,5 à 0,6 mm, soit inférieure à la profondeur de champ totale (1 mm dans l'exemple précité). En effet, il n'est pas nécessaire dans ce cas de déplacer le faisceau parallèlement à l'axe Z pendant le perçage du trou 25, puisque le faisceau 20 focalisé est efficace sur une zone couvrant largement toute la profondeur du trou 25 à réaliser (voir figure 4). As mentioned above, a depth of field P of + 500 microns has been reported. This value is particularly favorable in that it allows an opening to be made in the end of a ferrule whose thickness e is of the order of 0.5 to 0.6 mm, ie less than the depth of field. total (1 mm in the above example). In fact, it is not necessary in this case to move the beam parallel to the axis Z during the drilling of the hole 25, since the focused beam 20 is effective over an area largely covering the entire depth of the hole 25 to be produced ( see figure 4).

On remarquera enfin que le phénomène de photoablation des matériaux tels que les matières plastiques n'est très satisfaisant que si le matériau est suffisamment homogène. Dans le cas de matériaux chargés, on se limitera à des matériaux à charges de très petites dimensions noyées ou à répartition homogène et on évitera des charges non homogènes telles que les fibres de verre ou des billes. Finally, it should be noted that the phenomenon of photoablation of materials such as plastics is only very satisfactory if the material is sufficiently homogeneous. In the case of loaded materials, we will limit ourselves to materials with very small embedded loads or with homogeneous distribution and we will avoid non-homogeneous loads such as glass fibers or beads.

Claims

1. A method of piercing in an ferrule, an opening intended to receive the end of an optical fiber, characterized by the focusing of a photoablative laser beam (20) substantially in the axis of the opening to be practiced, and by the relative rotation of the ferrule (1) and the laser beam (20) around said axis, the photoablation process being continued until the desired opening (25) is obtained.

2. Method according to claim 1, characterized in that the ferrule (1) is made of plastic material having no inhomogeneous charges.

3. Method according to one of claims 1 or 2, characterized by a displacement of the beam (20) perpendicularly (X, Y) to said axis until a desired diameter (dg) of the opening is obtained, the focused laser beam having a section (d) smaller than that of the opening (25).

4. Method according to claim 3, characterized in that it comprises a first step of drilling a pilot hole during which the laser beam (20) has its axis substantially coincident with said axis, and a second step at during which said beam displacement (20) is carried out.

5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises the rotation of the ferrule (1) on a lathe (6) having an axis of rotation which constitutes the axis of the opening (25) at drill.

6. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the focusing is obtained by focusing means (10) whose focal distance (F) is at least equal to 250 mm.

7. Method according to claim 6, characterized in that the focal distance (F) is between 300 and 350 mm.

8. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter of the focused beam (20) is substantially equal to 80 microns.

9. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the depth of field (2P) of the focused beam is substantially greater than the depth (e) of the opening (25) to be pierced.

10. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the depth (e) of the opening to be drilled is between 0.5 and 0.6 mm.