FR2754353A1

FR2754353A1 - Coupler for set of parallel optical fibres to diode laser bar

Info

Publication number: FR2754353A1
Application number: FR9612236A
Authority: FR
Inventors: Christian Larat; Muriel Schwarz; Blandine Capitanio
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1996-10-08
Filing date: 1996-10-08
Publication date: 1998-04-10
Anticipated expiration: 2016-10-08
Also published as: FR2754353B1

Abstract

The fibres (2.0-2.n) are assembled on a flat surface (30) of a support (3) with their ends in the same plane and an optical coupling (4) in the form of an optical fibre of diameter no greater than those of the assembly is stuck to at least some of the ends to form the lens. The assembly is then placed in front of the diode lasers. The flat surface has grooves to position the fibres and the fibres are cut by sawing and polishing, by laser or by cleavage. The support fibres may be to either side of the active fibres or may be alternate. The initial glue may be UV activated, followed by a thermosetting glue on these or other fibres.

Description

DISPOSITIF DE COUPLAGE D'UNE SERIE DE FIBRES ET PROCEDE DE REALISATIO N
L'invention concerne un dispositif de couplage d'une série de fibres à une barrette de diodes et notamment de diodes lasers et un procédé de réalisation de ce dispositif.DEVICE FOR COUPLING A SERIES OF FIBERS AND METHOD OF REALIZING
The invention relates to a device for coupling a series of fibers to a bar of diodes and in particular of laser diodes and a method of producing this device.

Les barrettes de diodes laser sont des assemblages monolithiques de diodes permettant de délivrer des puissances optiques élevées. Généralement de 1 cm de large dans la direction parallèle au plan de jonction (D1), leur surface émissive est d'environ 1 pm de haut dans la direction perpendiculaire (D2). Une barrette est ainsi une source fortement dissymétrique, étant environ 10 000 fois plus large que haute. De même, la divergence du rayonnement est non symétrique : supérieure à 25 (30 à 50 ) selon D2, elle est d'environ 10 suivant D1. La combinaison de ces deux caractéristiques conduit à une étendue géométrique (surface X angle solide) environ 2 000 fois plus grande selon D1 que selon 02. Cette forte dissymétrie est tout à fait préjudiciable à l'emploi efficace de ces composants pour de nombreuses applications. En effet, outre la difficulté de manipulation, il est en général intéressant de disposer d'un faisceau d'étendue géométrique de symétrie de révolution. The laser diode arrays are monolithic assemblies of diodes for delivering high optical powers. Generally 1 cm wide in the direction parallel to the junction plane (D1), their emitting surface is about 1 μm high in the perpendicular direction (D2). A bar is thus a strongly dissymmetrical source, being about 10,000 times wider than it is high. Similarly, the divergence of the radiation is unsymmetrical: greater than 25 (30 to 50) according to D2, it is about 10 following D1. The combination of these two characteristics leads to a geometrical extent (surface X solid angle) about 2000 times greater according to D1 than according to 02. This strong asymmetry is quite detrimental to the effective use of these components for many applications. Indeed, besides the difficulty of manipulation, it is generally interesting to have a beam of geometric extent of symmetry of revolution.

En plaçant une fibre optique devant chaque diode laser, on obtient un faisceau de fibres optiques pouvant être réarrangé en rond. By placing an optical fiber in front of each laser diode, an optical fiber bundle can be rearranged in a circle.

Comme le diagramme de rayonnement en sortie de chaque fibre optique est symétrisé, on obtient une source d'étendue géométrique de symétrie de révolution. On bénéficie en plus du transport de la puissant optique par fibres optiques1 présentant les nombreux avantages connus dans la technique. Néanmoins, cette symétrisation de l'étendue géométrique s'accompagne d'une forte augmentation de sa valeur. Cette augmentation peut être minimisée par l'insertion entre les diodes laser et les fibres optiques d'une lentille cylindrique pour amener la grande divergence (selon
D2) à une valeur inférieure à celle selon D1. Ainsi, la divergence en sortie du faisceau de fibres optiques diminue, et tend vers la valeur imposée par
D1. L'étendue géométrique en sortie du faisceau de fibres est donc plus faible avec la lentille cylindrique que sans. L'invention fournit des dispositions pour positionner et fixer cette lentille cylindrique par rapport au faisceau de fibres optiques. As the radiation pattern at the output of each optical fiber is symmetrized, a source of geometric extent of symmetry of revolution is obtained. In addition to the transport of the powerful optical fiber optic1 having the many advantages known in the art. Nevertheless, this symmetrization of the geometric extent is accompanied by a sharp increase in its value. This increase can be minimized by the insertion between the laser diodes and the optical fibers of a cylindrical lens to bring the large divergence (according to
D2) to a value lower than that according to D1. Thus, the divergence at the output of the optical fiber bundle decreases, and tends towards the value imposed by
D1. The geometrical extent at the output of the bundle of fibers is therefore smaller with the cylindrical lens than without. The invention provides arrangements for positioning and securing this cylindrical lens with respect to the optical fiber bundle.

L'invention concerne donc un dispositif de couplage d'une série de fibres caractérisé en ce qu'il comporte:
- une première pièce support, les fibres étant arrangées et fixées
parallèlement entre elles sur une face de la pièce support, une
extrémité de chaque fibre étant située dans un même plan
dépassant ou affleurant un flanc de la pièce support;
- une lentille cylindrique située en bout des fibres devant chaque
extrémité des fibres, cette lentille étant fixée à certaines fibres
support seulement, ou à la pièce support de part et d'autre de
l'ensemble de fibres.The invention therefore relates to a device for coupling a series of fibers, characterized in that it comprises:
a first support piece, the fibers being arranged and fixed
parallel to each other on one side of the support piece, a
end of each fiber being located in the same plane
protruding or flush with a side of the support piece;
a cylindrical lens located at the end of the fibers in front of each
end of the fibers, this lens being attached to certain fibers
support only, or to the support part on both sides of
the set of fibers.

L'invention concerne également un procédé de couplage d'une série de fibres à une barrette de diodes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes:
- assemblage des fibres sur une face plane d'une plaque
support;
- arrangement des extrémités de toutes les fibres dans le même
plan lorsqu'elles dépassent du flanc de la plaque support ou
dans le même plan que le plan du flanc de la plaque support;
- collage d'une optique de couplage aux extrémités d'au moins
certaines fibres support faisant partie de la série de fibres ou à
la plaque support de part et d'autre de la série de fibres
- positionnement de l'ensemble optique de couplage-fibre devant
la face émissive de la barrette de diodes lasers.The invention also relates to a method of coupling a series of fibers to a diode array, characterized in that it comprises the following steps:
- assembly of the fibers on a flat face of a plate
support;
- arrangement of the ends of all the fibers in the same
plane when they protrude from the side of the support plate or
in the same plane as the plane of the side of the support plate;
gluing a coupling optics at the ends of at least
certain support fibers belonging to the series of fibers or to
the support plate on both sides of the fiber series
positioning of the optical fiber coupling assembly in front of
the emitting face of the laser diode array.

Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent:
- La figure 1, un exemple de procédé de réalisation selon
l'invention,
- la figure 2, un exemple de pièce support applicable dans
l'invention,
- la figure 3, une autre pièce support selon l'invention.The different objects and features of the invention will appear more clearly in the description which follows and in the appended figures which represent:
FIG. 1, an example of a production method according to
the invention,
FIG. 2, an example of a support part applicable in
the invention,
- Figure 3, another support part according to the invention.

Nous allons tout d'abord décrire de façon générale le procédé de l'invention:
- on assemble les fibres sur une face d'une plaque support. Ces
fibres sont placées parallèlement les unes aux autres. Les
extrémités de ces fibres sont placées dans un même plan de
référence P ou bien, après assemblage sur le support 3, leur
extrémité est découpée selon un même plan P perpendiculaire
aux fibres;
- ensuite on procède au collage d'une lentille 4 (cylindrique par
exemple) à l'extrémité de certaines de ces fibres qu'on
appellera dans ce qui suit fibres support.We will first describe in a general way the process of the invention:
the fibers are assembled on one face of a support plate. These
fibers are placed parallel to each other. The
ends of these fibers are placed in the same plane of
reference P or, after assembly on the support 3, their
end is cut on the same perpendicular plane P
fibers;
- Then we proceed to the bonding of a lens 4 (cylindrical by
example) at the end of some of these fibers
will call in the following fiber support.

De préférence, les fibres support ne seront pas des fibres utiles destinées à être couplées à des diodes lasers, mais selon ce procédé les fibres support et les fibres utiles sont assemblées et leurs extrémités sont alignées dans le plan P toutes en même temps. Preferably, the support fibers will not be useful fibers to be coupled to laser diodes, but according to this method the support fibers and the useful fibers are assembled and their ends are aligned in the plane P all at the same time.

- Enfin on positionne l'ensemble lentillelfibre devant la face émissive de la barrette de diodes lasers. Finally, the lentillelfibre assembly is positioned in front of the emitting face of the laser diode array.

Le substrat sera par exemple une plaque de silicium où des rainure en "V" ont été gravées chimiquement. Le point 2 peut être réalisé par une découpe laser (cl2), par sciage puis éventuellement polissage, par clivage des fibres collectif ou individuel (et donc préalable à l'assemblage) ou toute autre technique adaptée pour obtenir des faisceaux de fibres optiques de bonne qualité. The substrate will for example be a silicon wafer where "V" grooves have been chemically etched. The point 2 can be achieved by a laser cutting (cl2), by sawing then possibly polishing, by cleavage of the collective or individual fibers (and therefore prior to assembly) or any other technique adapted to obtain good optical fiber bundles. quality.

La lentille cylindrique 4 est de diamètre inférieur ou égal au diamètre du coeur des fibres optiques, typiquement 100 pm (environ 50 à 500 Hum). Elle doit être positionnée le plus près possible de l'extrémité des fibres optiques pour ne pas perdre de la lumière dans la direction D1 à cause de la divergence dans cette direction. Une seule lentille sert pour toutes les diodes. Du fait de la faible distance entre diodes, il est très délicat de tenir ou coller la lentille entre deux diodes. II est préférable d'utiliser une lentille plus longue que la barrette de diodes et de la fixer à ses deux extrémités. The cylindrical lens 4 is of diameter less than or equal to the diameter of the core of the optical fibers, typically 100 μm (approximately 50 to 500 μm). It should be positioned as close as possible to the end of the optical fibers so as not to lose light in the D1 direction because of the divergence in that direction. Only one lens is used for all diodes. Due to the small distance between diodes, it is very difficult to hold or glue the lens between two diodes. It is preferable to use a longer lens than the diode array and attach it at both ends.

Selon l'invention, on fixe donc de préférence la lentille sur le faisceau de fibres et non pas sur la barrette de diodes, limitant ainsi à (au plus) une seule opération de réglage en dynamique pour le fibrage d'une barrette. According to the invention, the lens is therefore preferably fixed on the fiber bundle and not on the diode array, thus limiting (at most) a single dynamic adjustment operation for fiberizing a bar.

Selon une variante, on prévoit un support 3 et 3' de part et d'autre du faisceau (figure 3) sur lesquels on colle la lentille. Pour faciliter les réglages, nous préconisons que l'une des faces de chaque support 3 soit dans le plan de référence (P). II n'y a plus que le réglage de la lentille dans ce plan à faire, réglage pouvant être grandement facilité si le faisceau de fibres optiques est placé de telle sorte que (P) soit horizontal. Pour un bon maintien de la lentille, nous préconisons qu'elle soit collée sur une longueur comprise par exemple entre 0,2 à 1 fois la largeur de la barrette de diodes lasers (la barrette ayant typiquement 1 cm de large). Cette longueur de collage est répartie symétriquement de chaque côté de la barrette. According to a variant, there is provided a support 3 and 3 'on either side of the beam (Figure 3) on which the lens is glued. To facilitate the adjustments, we recommend that one of the faces of each support 3 is in the reference plane (P). There is only the adjustment of the lens in this plane to be done, which can be greatly facilitated if the bundle of optical fibers is placed so that (P) is horizontal. For a good maintenance of the lens, we recommend that it be glued on a length for example between 0.2 to 1 times the width of the laser diode array (the bar typically having 1 cm wide). This bonding length is distributed symmetrically on each side of the bar.

Pour avoir un positionnement parfait des supports et du plan de référence, nous proposons de réaliser ces supports en même temps que le façonnage des extrémités 20.0 à 20.n des fibres. Pour ce faire, il suffit que le support 3 soit plus large que la barrette et donc de mettre plus de fibres que d'émetteurs. Les fibres surnuméraires seront réparties également aux deux extrémités du faisceau et seront les fibres support. Les fibres dédiées à transporter le faisceau lumineux, placées au centre du faisceau, seront appelées fibres utiles. L'idéal est que les fibres support soient identiques aux fibres utiles. Au minimum, elles doivent avoir le même diamètre extérieur (au niveau du support) que les fibres utiles. Les fibres support peuvent être coupées à ras du flanc arrière du substrat 3. To have a perfect positioning of the supports and the reference plane, we propose to make these supports at the same time as the shaping of the ends 20.0 to 20.n of the fibers. To do this, it is sufficient that the support 3 is wider than the bar and thus to put more fibers than emitters. The supernumerary fibers will be equally distributed at both ends of the bundle and will be the support fibers. The fibers dedicated to transport the light beam, placed at the center of the beam, will be called useful fibers. Ideally, the carrier fibers are identical to the useful fibers. At a minimum, they must have the same outside diameter (at the support) as the useful fibers. The support fibers may be cut flush with the rear flank of the substrate 3.

Dans le cas d'un façonnage par découpe laser, il est nécessaire que les fibres soient toutes de même nature pour que la découpe soit identique. In the case of shaping by laser cutting, it is necessary that the fibers are all of the same nature so that the cut is identical.

La figure 1, illustre une procédure de réalisation selon l'invention. Figure 1 illustrates an embodiment of the invention.

Les fibres 2.0 à 2.n et le support sont disposés selon un plan vertical. Le plan P contenant les extrémités des fibres est horizontal. La lentille 4 est placé sur une pièce support 5. Une goutte de colle UV (durcissante sous rayonnement UV) est posée sur l'extrémité de chaque fibre support. The fibers 2.0 to 2.n and the support are arranged in a vertical plane. The plane P containing the ends of the fibers is horizontal. The lens 4 is placed on a support part 5. A drop of UV glue (hardening under UV radiation) is placed on the end of each support fiber.

La goutte doit être suffisamment petite pour ne pas couler le long de la fibre support. La lentille est ensuite posée sur l'extrémité des fibres à l'aide du support en 5 sur lequel elle avait été préalablement posée. Par capillarité, les gouttes de colle assurent un léger maintien tout en parachevant le centrage de la lentille sur les fibres. L'insolation de la colle
UV permet la fixation définitive.The drop should be small enough not to flow along the support fiber. The lens is then placed on the end of the fibers using the support 5 on which it had been previously laid. By capillarity, the drops of glue provide a slight hold while completing the centering of the lens on the fibers. The insolation of the glue
UV allows the final fixation.

II est possible, si les caractéristiques de la colle UV ne sont pas suffisantes (en température par exemple) de n'utiliser que quelques fibres support avec la colle UV. Après insolation, on peut utiliser une autre colle (par exemple thermodurcissable) sur les fibres support restantes ; la lentille étant désormais fixée, le faisceau peut être manipulé (pour être mis dans une étuve par exemple). It is possible, if the characteristics of the UV glue are not sufficient (in temperature for example) to use only a few support fibers with UV glue. After exposure, another adhesive (for example thermosetting) may be used on the remaining support fibers; the lens is now fixed, the beam can be manipulated (to be put in an oven for example).

L'espacement des fibres support n'est pas forcément le même que celui des fibres utiles. The spacing of the support fibers is not necessarily the same as that of the useful fibers.

Si la distance (d) dont les fibres dépassent du support 3 est suffisante par rapport à la largeur totale du faisceau (quelques millimètres) de compenser les effets de dilatation thermique différentiels entre la lentille et le support 3. If the distance (d) whose fibers exceed the support 3 is sufficient relative to the total width of the beam (a few millimeters) to compensate for the differential thermal expansion effects between the lens and the support 3.

Si le pas entre fibres utiles est suffisamment grand (pas > 2,5 X diamètre extérieur de fibre), on peut envisager de placer les fibres support entre chaque paire de fibres utiles et aux deux extrémités du faisceau utile (ce qui fait un pas pour le substrat (S) deux fois plus petit que celui des diodes). L'intérêt est d'avoir un substrat de même largeur que la barrette de diodes laser. If the pitch between useful fibers is sufficiently large (not> 2.5 × outer diameter of fiber), it can be envisaged to place the support fibers between each pair of useful fibers and at both ends of the useful bundle (which is a step towards the substrate (S) is twice as small as that of the diodes). The interest is to have a substrate of the same width as the laser diode array.

Lors du collage, si les fibres optiques ne dépassent pas la face d'extrémité du support 3, il est souhaitable de faire une réserve de colle de chaque côte entre les fibres utiles et les fibres supports pour qu'il n'y ait pas de colle qui migre entre la lentille et les fibres utiles. Ces réserves de colle peuvent par exemple être réalisées lors de la réalisation du substrat 3 ou être un trait de scie 6 (lors de la découpe du faisceau par exemple) (cf. During gluing, if the optical fibers do not exceed the end face of the support 3, it is desirable to make a reserve of glue on each side between the useful fibers and the support fibers so that there is no glue that migrates between the lens and the useful fibers. These glue reserves can for example be made during the production of the substrate 3 or be a saw line 6 (during the cutting of the beam for example) (cf.

figure 2). Si deux colles sont utilisées, il peut être souhaitable de réaliser deux zones de collage de chaque côté des fibres utiles.Figure 2). If two adhesives are used, it may be desirable to make two bonding areas on each side of the useful fibers.

L'emploi de fibres supports n'est pas forcément nécessaire. Le substrat 3 peut remplir ce rôle (cf. un exemple dans la figure 3). La lentille est alors collée à une pièce de substrat (telle que 3) de part et d'autre des fibres utiles. Le point délicat est alors d'utiliser des substrats et des colles dont le polissage est similaire à celui des fibres optiques. Le supports de la lentille peuvent être fixés sur le substrat 3 puis ils sont découpés et polis en même temps que les fibres utiles. The use of support fibers is not necessarily necessary. The substrate 3 can fulfill this role (see an example in FIG. The lens is then glued to a piece of substrate (such as 3) on either side of the useful fibers. The tricky point is then to use substrates and glues whose polishing is similar to that of optical fibers. The lens supports may be attached to the substrate 3 and then cut and polished together with the useful fibers.

D'autres variantes de l'invention peuvent être envisagées en prévoyant que:
- d'autres techniques de façonnage des faces des fibres peuvent
être utilisées. Other variants of the invention may be envisaged by providing that:
- other techniques for shaping the faces of fibers may
to be used.

- Les fibres utilisées ne sont pas forcément de symétrie de
révolution elles peuvent être1 par exemple, de forme
rectangulaire.- The fibers used are not necessarily symmetrical
revolution they can be1 for example, of form
rectangular.

- La lentille cylindrique n'est pas forcément de symétrie de
révolution : elle peut, par exemple, avoir une face plane ou
corrigeant l'aberration sphérique.- The cylindrical lens is not necessarily symmetrical
revolution: it can, for example, have a flat face or
correcting spherical aberration.

- Les émetteurs ne sont pas forcément des diodes laser : ils
peuvent être, par exemple, des diodes électroluminescentes.- Emitters are not necessarily laser diodes: they
can be, for example, light emitting diodes.

- L'invention peut être utilisée pour un nombre quelconque
d'émetteurs, émetteurs ne provenant pas forcément d'un
substrat monolithique.- The invention can be used for any number
issuers, issuers that do not necessarily come from a
monolithic substrate.

L'invention permet ainsi de résoudre le problème de positionnement de la lentille par rapport aux bouts des fibres. L'intérêt de l'invention est que cet assemblage des extrémités des fibres utiles et des fibres support (ou du flanc 31 de la plaque 3) est fait en une seule opération. The invention thus solves the problem of positioning the lens relative to the ends of the fibers. The advantage of the invention is that this assembly of the ends of the useful fibers and the support fibers (or the sidewall 31 of the plate 3) is made in a single operation.

De plus, dans le cadre de l'invention la lentille peut ne pas être collée aux extrémités des fibres utiles. Ainsi dans le cas d'une lentille cylindrique (fibre optique par exemple) la lentille présente deux dioptres au parcours de la lumière (le dioptre d'entrée et le dioptre de sortie) ce qui ne serait pas le cas si elle était collée aux extrémités des fibres utiles. In addition, in the context of the invention the lens may not be glued to the ends of the useful fibers. Thus in the case of a cylindrical lens (optical fiber for example) the lens has two dioptres to the path of light (the input diopter and the exit diopter) which would not be the case if it were glued to the ends useful fibers.

Claims

1. Device for coupling a series of fibers (2.0 to 2.n), characterized in that it comprises:

a first support piece (3), the fibers being arranged and

fixed parallel to each other on one side of the room

support (3), one end of each fiber being located in a

same plane protruding or flush with a flank (31) of the piece

support;

a cylindrical lens located at the end of the fibers in front of each

end (2.0, ... 2.n) fibers, this lens being fixed to

certain support fibers only, or to the support part (3) of

on both sides of the fiber set.

2. Coupling device according to claim 1, characterized in that the support fibers are located on either side of the set of fibers.

3. Coupling device according to claim 1, characterized in that the support fibers are alternated with the other fibers of the series.

4. Coupling device according to claim 1, characterized in that the coupling optics is a cylindrical lens.

5. Coupling device according to claim 4, characterized in that the lens has the shape of a fiber whose diameter is less than or equal to that of the fibers of the series of fibers.

6. Coupling device according to claim 1, characterized in that it comprises a second support part (3 '), the fibers being sandwiched between the first and the second support part (3, 3').

7. A method of producing a coupling device according to claim 1, characterized in that it comprises the following steps:

- assembling the fibers (2.0, ... 2.n) on a flat face (30)

a support plate (3);

- arrangement of the ends of all the fibers in the same

plane (P) when they protrude from the side (31) of the plate

support or in the same plane as the plane of the flank (31) of the

support plate;

gluing a coupling optic (4) at the ends of

less some carrier fibers being part of the series of

fibers or to the support plate on either side of the series of

fibers;

positioning of the optical fiber coupling assembly in front of

the emitting face of the laser diode array.

8. Method according to claim 7, characterized in that the flat face (30) has grooves for positioning the fibers.

9. The method of claim 7, characterized in that after assembly of the fibers, they are cut so as to achieve the coupling ends (20.0, ... 20.n) of the fibers.

10. Process according to claim 9, characterized in that the cutting of the fibers is done collectively by sawing and polishing, cutting out or by cleavage.

11. The method of claim 7, characterized in that the support fibers are part of the series of fibers coupled to the laser diodes of the bar.

12. Method according to claim 7, characterized in that the support fibers are additional fibers placed on either side of the series of fibers coupled to the laser diodes, the ends of the support fibers being in the same plane as the fibers of said series.

13. The method of claim 7, characterized in that a first bonding of the coupling optics on certain fibers using a glue solidifiable with UV radiation, then to achieve a second bonding to these fibers and / or other fibers using a more effective bonding such as a thermosetting glue.

14. The method of claim 7, characterized in that it comprises an additional step of positioning the optical couplagelfibres optical assembly in front of the emitting face of the laser diode array.

15. The method of claim 14, characterized in that the fibers are assembled in a step equivalent to that of the diodes of the bar.