FR2730820A1 - PROTECTIVE HOUSING FOR INTEGRATED OPTICAL COMPONENT - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention est relative à un boîtier de protection pour composant optique, et, plus particulièrement, à un tel boîtier conçu pour protéger un composant constitué d'un substrat en un matériau optique portant au moins un guide d'onde intégré et prolongé, audelà dudit substrat, par des fibres optiques sortant du boîtier, celui-ci délimitant une cavité interne fermée dans laquelle est placé ledit composant. The present invention relates to a protective housing for an optical component, and, more particularly, to such a housing designed to protect a component consisting of a substrate made of an optical material carrying at least one integrated and extended waveguide, beyond of said substrate, by optical fibers leaving the housing, the latter delimiting a closed internal cavity in which said component is placed.
On utilise de tels boîtiers pour protéger en particulier des composants d'optique intégrée tels que des coupleurs ou des multiplexeurs associés à des fibres optiques pour la transmission à distance d'informations numériques ou analogiques, utilisées dans des applications de type audio, vidéo ou de traitement de données, par exemple. Les composants d'optique intégrée prennent la forme d'une plaquette ou d'une barrette en un matériau optique amorphe tel que le verre, ou cristallin, des guides d'onde formés par exemple par diffusion d'ions étant enterrés sous une surface de la plaquette ou de la barrette. Les extrémités des guides d'onde sont raccordées à des fibres optiques qui sortent du boîtier protégeant le composant. Such cases are used to protect in particular integrated optical components such as couplers or multiplexers associated with optical fibers for the remote transmission of digital or analog information, used in applications of audio, video or data processing, for example. The integrated optics components take the form of a wafer or a strip of an amorphous optical material such as glass, or crystalline, waveguides formed for example by ion diffusion being buried under a surface of the wafer or bar. The ends of the waveguides are connected to optical fibers which exit from the housing protecting the component.
Un tel composant est fragile et doit être protégé efficacement de l'application de contraintes mécaniques susceptibles de le briser et d'autres phénomènes physiques ou chimiques pouvant le détériorer, notamment des variations de température ou un contact avec de l'eau résultant de l'humidité de l'air. Pour ces raisons le composant est couramment enfermé dans un boîtier hermétique et rigide, une résine photo- ou thermodurcisable remplissant l'espace laissé libre dans le boîtier par le composant, pour empêcher une pénétration d'air humide ou chargé d'autres constituants agressifs.Lorsqu'un tel ensemble de matériaux distincts et solidaires est soumis à de fortes variations de température, telles celles qui sont imposées par les normes d'essai applicables à ces composants, on comprend que les contraintes dues à des dilatations thermiques différentielles sont susceptibles de briser le composant placé dans le boîtier. Such a component is fragile and must be effectively protected from the application of mechanical stresses liable to break it and other physical or chemical phenomena which may deteriorate it, in particular temperature variations or contact with water resulting from the air humidity. For these reasons, the component is commonly enclosed in an airtight and rigid housing, a photo- or thermosetting resin filling the space left free in the housing by the component, to prevent penetration of moist air or loaded with other aggressive constituents. When such a set of separate and integral materials is subjected to large temperature variations, such as those imposed by the test standards applicable to these components, it is understood that the stresses due to differential thermal expansion are liable to break the component placed in the housing.
Pour pallier cet inconvénient on a proposé dans le brevet européen n 106 116 de monter le composant, à l'intérieur du boîtier, sur un support en un matériau présentant le même coefficient de dilatation thermique que le verre, tel que l'alliage fer-nickel connu sous le nom de INVAR (marque déposée), ce support étant lui-même fixé sur un écran tubulaire du même matériau. I1 en résulte une structure de protection assez complexe comptant un nombre important de pièces à assembler. To overcome this drawback, it has been proposed in European Patent No. 106,116 to mount the component, inside the housing, on a support made of a material having the same coefficient of thermal expansion as glass, such as the iron- nickel known as INVAR (registered trademark), this support being itself fixed on a tubular screen of the same material. I1 results in a fairly complex protection structure with a large number of parts to be assembled.
La présente invention à pour but de réaliser un boîtier de protection pour un composant d'optique intégrée, conçu pour empêcher la dégradation ou la rupture de ce composant sous l'action de contraintes d'origines variées, notamment dûes à des dilations thermiques différentielles, présentant néanmoins une structure simple et se prêtant à un montage et à une fermeture automatique. The aim of the present invention is to provide a protective housing for an integrated optical component, designed to prevent degradation or rupture of this component under the action of stresses of various origins, in particular due to differential thermal expansions, nevertheless having a simple structure and suitable for mounting and automatic closing.
On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un boîtier de protection pour composant optique constitué d'un substrat en un matériau optique portant au moins un guide d'onde intégré et prolongé, audelà dudit substrat, par des fibres optiques sortant du boîtier, celui-ci délimitant une cavité interne fermée dans laquelle est placé ledit composant, ce boîtier étant remarquable en ce que ladite cavité est dimensionnée pour maintenir ledit composant avec un jeu prévenant une transmission sensible d'efforts entre le boîtier et le composant. These objects of the invention are achieved, as well as others which will appear on reading the description which follows, with a protective housing for an optical component consisting of a substrate made of an optical material carrying at least one guide. integrated and extended wave, beyond said substrate, by optical fibers leaving the housing, the latter defining a closed internal cavity in which said component is placed, this housing being remarkable in that said cavity is dimensioned to hold said component with play preventing a significant transmission of forces between the housing and the component.
Grâce à ce jeu, on assure un découplage du boîtier par rapport au composant optique, en ce qui concerne la transmission d'efforts mécaniques appliqués au boîtier par des manipulations, des supports en vibration, des brides de fixation, etc... ou de dilatations thermiques différentielles, découplage qui protège ainsi le composant, fragile, de l'application de tels efforts susceptibles de le briser ou de l'endommager. Thanks to this play, the housing is decoupled from the optical component, as regards the transmission of mechanical forces applied to the housing by manipulations, vibrating supports, fixing flanges, etc. differential thermal expansions, decoupling which thus protects the fragile component from the application of such forces liable to break or damage it.
Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, le boîtier comprend au moins un organe élastique pressé légèrement entre deux faces en regard du composant et de la cavité du boîtier, pour prévenir d'éventuelles vibrations du composant dans la cavité. According to a preferred embodiment of the invention, the housing comprises at least one elastic member pressed lightly between two opposite faces of the component and the housing cavity, to prevent possible vibrations of the component in the cavity.
D'autres caractéristiques et avantages du boîtier suivant l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel
- la figure 1 est une vue partielle en coupe longitudinale du boîtier suivant l'invention, garni du composant d'optique intégrée qu'il protège,
- la figure 2 est une vue partielle du fond du boîtier de la figure 1, prise suivant le trait de coupe II - II de la figure 1,
- la figure 3 représente, en perspective, un joint d'étanchéité formant partie du boîtier suivant l'invention, et
- les figures 4 et 5 sont des vues en coupe transversale du boîtier suivant l'invention, en position de pré-assemblage et en position d'assemblage, respectivement.Other characteristics and advantages of the housing according to the invention will appear on reading the description which follows and on examining the appended drawing in which
FIG. 1 is a partial view in longitudinal section of the housing according to the invention, furnished with the integrated optical component which it protects,
FIG. 2 is a partial view of the bottom of the housing of FIG. 1, taken along the section line II - II of FIG. 1,
FIG. 3 represents, in perspective, a seal forming part of the housing according to the invention, and
- Figures 4 and 5 are cross-sectional views of the housing according to the invention, in the pre-assembly position and in the assembly position, respectively.
On se réfère aux figures 1 et 2 du dessin annexé où on a représenté des demi-vues en coupe du boîtier suivant l'invention. Celui-ci est de forme allongée, globalement symétrique par rapport à un plan P et présente donc deux extrémités telles que celle représentée à ces figures. Reference is made to FIGS. 1 and 2 of the appended drawing in which half-views in section of the housing according to the invention have been shown. The latter is of elongated shape, generally symmetrical with respect to a plane P and therefore has two ends such as that shown in these figures.
Le boîtier comprend essentiellement un fond 1 creusé d'une cavité 2 généralement parallélépipédique et fermée par un couvercle 3. Le couvercle est creusé d'une dépression 31 propre à accueillir une étiquette autoadhésive d'identification du composant contenu dans le boîtier. La cavité 2 du fond est conformée pour recevoir un composant d'optique intégrée 4 de forme généralement complémentaire. Ce composant est classiquement réalisé à l'aide d'un substrat en un matériau optique tel que du verre ou un matériau cristallin. Sous sa face supérieure 5 sont enterrés des guides d'onde 61,62, 63, etc... (voir figure 2), réalisés par diffusion d'ions par exemple. The housing essentially comprises a bottom 1 hollowed out of a generally parallelepipedal cavity 2 and closed by a cover 3. The cover is hollowed out of a depression 31 suitable for accommodating a self-adhesive label identifying the component contained in the housing. The bottom cavity 2 is shaped to receive an integrated optical component 4 of generally complementary shape. This component is conventionally produced using a substrate made of an optical material such as glass or a crystalline material. Under its upper face 5 are buried waveguides 61, 62, 63, etc. (see FIG. 2), produced by ion diffusion for example.
Chacune des extrémités des guides est raccordée à une extrémité d'une fibre optique nue 71,72,73,etc..., cette fibre étant recouverte d'une enveloppe de protection 81,82,83,etc... avant sa sortie du boîtier, entre deux joints d'étanchéité 91,92. Le raccordement de chaque fibre à l'extrémité du guide d'onde correspondant peut être assuré par une goutte d'un produit adhésif 10i, alors qu'une autre goutte de produit adhésif 11, plus étendue, assure la liaison mécanique entre le substrat et l'ensemble des fibres.Each of the ends of the guides is connected to one end of a bare optical fiber 71,72,73, etc., this fiber being covered with a protective envelope 81,82,83, etc. before it leaves of the housing, between two seals 91.92. The connection of each fiber to the end of the corresponding waveguide can be ensured by a drop of an adhesive product 10i, while another drop of adhesive product 11, more extensive, ensures the mechanical connection between the substrate and all fibers.
Un tel composant d'optique intégrée est bien connu, par exemple de la demande de brevet français n 2 674 033 déposée par la demanderesse. I1 peut constituer un coupleur à M entrées et N sorties ou un multiplexeur, auquel cas le nombre des fibres qui sortent d'une extrémité du boîtier est généralement différent de celui des fibres qui sortent de l'autre extrémité de ce boîtier. Such an integrated optical component is well known, for example from French patent application No. 2,674,033 filed by the applicant. I1 can constitute a coupler with M inputs and N outputs or a multiplexer, in which case the number of fibers leaving one end of the housing is generally different from that of the fibers leaving the other end of this housing.
Suivant une caractéristique importante de la présente invention, la cavité 2 formée dans le boîtier est dimensionnée pour maintenir le composant 4 avec un jeu mécanique qui prévient toute transmission sensible d'efforts entre le fond 1 et le couvercle 3 du boîtier d'une part, le composant d'optique intégrée 4 d'autre part. According to an important characteristic of the present invention, the cavity 2 formed in the housing is dimensioned to maintain the component 4 with a mechanical clearance which prevents any significant transmission of forces between the bottom 1 and the cover 3 of the housing on the one hand, the integrated optical component 4 on the other hand.
Ainsi, du fait que le composant est simplement déposé dans la cavité 2 sans y être fixé par un produit adhésif, ce composant n'est pas solidaire du boîtier, chacun pouvant alors se dilater librement l'un par rapport à l'autre en cas de variations de température, ce qui supprime toute application au composant 4 de contraintes nées de dilatations différentielles susceptibles de l'endommager, voire de le briser.Thus, because the component is simply deposited in the cavity 2 without being fixed there by an adhesive product, this component is not secured to the housing, each then being able to expand freely relative to the other in the event of temperature variations, which eliminates any application to component 4 of constraints arising from differential expansions liable to damage it, or even break it.
Le découplage permet de choisir pour construire le boîtier un matériau bien adapté, par exemple du point de vue de sa résistance aux chocs ou de sa capacité à être moulé sans tenir compte, pratiquement, de son coefficient de dilatation thermique. C'est ainsi que l'on pourra choisir, par exemple, un polymère à cristaux liquides chargé de fibres de verre tel que le produit connu sous le nom VECTRA A 130 dans les catalogues de la Société HOECHST, ou un polycarbonate. Decoupling makes it possible to choose to build the housing a material that is well suited, for example from the point of view of its impact resistance or its ability to be molded without taking into account, practically, its coefficient of thermal expansion. This is how we can choose, for example, a liquid crystal polymer loaded with glass fibers such as the product known under the name VECTRA A 130 in the catalogs of the company HOECHST, or a polycarbonate.
Le jeu nécessaire au découplage pourra être ménagé tout autour du composant. C'est ainsi qu'un jeu jl peut être prévu entre deux faces d'extrémité en regard du composant et du boîtier, un jeu j2 entre le composant et le couvercle 3 (voir Fig.l) et des jeux j3 et j4 entre les faces longitudinales en regard (voir figure 2). A titre indicatif et non limitatif, pour un composant d'encombrement 50X5X5mm les jeux ji peuvent être chacun de l'ordre de 0,3 mm environ. The clearance required for decoupling may be provided around the component. Thus a clearance jl can be provided between two end faces facing the component and the housing, a clearance j2 between the component and the cover 3 (see Fig.l) and clearances j3 and j4 between the longitudinal faces opposite (see Figure 2). By way of non-limiting indication, for a 50 × 5 × 5 mm overall size component, the ji sets can each be of the order of approximately 0.3 mm.
L'existence de ces jeux, si elle permet de résoudre le problème de l'absorption des dilatations thermiques différentielles, rend possible cependant, dans certaines circonstances, une mise en vibrations du composant à l'intérieur du boîtier, sous l'effet d'efforts périodiques appliqués par exemple au support sur lequel est fixé ce boîtier. The existence of these clearances, if it makes it possible to solve the problem of the absorption of differential thermal expansions, however makes it possible, under certain circumstances, a setting in vibration of the component inside the case, under the effect of periodic forces applied for example to the support on which this box is fixed.
Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, on prévient ces vibrations en disposant dans la cavité du boîtier au moins un organe élastique agencé de manière à être pressé entre une face du composant et une paroi en regard de la cavité avec une force suffisamment grande pour s'opposer à une mise en vibrations du composant tout en restant suffisamment faible pour ne pas rétablir une voie de transmission d'efforts mécaniques subis par le boîtier ou une voie de transmission de contraintes dues à des dilatations différentielles. According to a preferred embodiment of the invention, these vibrations are prevented by placing in the cavity of the housing at least one elastic member arranged so as to be pressed between a face of the component and a wall facing the cavity with a force sufficient large to oppose the vibration of the component while remaining low enough not to re-establish a channel for transmitting mechanical forces undergone by the housing or a channel for transmitting stresses due to differential expansions.
Avantageusement, cet organe peut prendre la forme d'une lèvre élastique 12 moulée d'une pièce avec le fond 2 du boîtier et conformée pour déborder légèrement dans la cavité en l'absence du composant 4. Plusieurs lèvres peuvent être prévues, par exemple deux sur chacune des parois longitudinales de la cavité qui sont visibles sur la figure 2. En variante les forces développées par ces lèvres pourraient être différentes, pour s'opposer à d'éventuelles résonances sous l'effet de vibrations appliquées au boîtier. Advantageously, this member may take the form of an elastic lip 12 molded in one piece with the bottom 2 of the housing and shaped to project slightly into the cavity in the absence of component 4. Several lips may be provided, for example two on each of the longitudinal walls of the cavity which are visible in Figure 2. Alternatively the forces developed by these lips could be different, to oppose possible resonances under the effect of vibrations applied to the housing.
En variante encore on pourrait substituer à ces lèvres des nervures souples 13 telles que celle représentée en trait interrompu à la figure 1, formées sur deux parois longitudinales en regard de la cavité. Avantageusement la nervure présente une section triangulaire et un chanfrein 13l en tête pour faciliter l'insertion du composant 4 dans le fond 1 du boîtier. In another variant, these lips could be replaced by flexible ribs 13 such as that shown in broken lines in FIG. 1, formed on two longitudinal walls facing the cavity. Advantageously, the rib has a triangular section and a chamfer 13l at the head to facilitate the insertion of the component 4 into the bottom 1 of the housing.
On a représenté à la figure 3 un mode de réalisation préféré des joints d'étanchéité 91,92 montés dans des logements du couvercle 3 et du fond 1 du boîtier respectivement, prévus pour les recevoir. Ces joints, identiques et réalisés en un matériau élastique, un élastomère à très bas module élastique par exemple, présentent une série de gouttières 141,142,143,etc... FIG. 3 shows a preferred embodiment of the seals 91, 92 mounted in housings of the cover 3 and of the bottom 1 of the housing respectively, designed to receive them. These joints, identical and made of an elastic material, an elastomer with a very low elastic modulus for example, have a series of gutters 141,142,143, etc.
parallèles et généralement demi-cylindriques, s'adaptant étroitement chacune à une des fibres sous enveloppe protectrice 8l, 82, 83, etc...d'une nappe de telles fibres sortant du boîtier. Avec une paire de tels joints pinçant la nappe on assure l'étanchéité physique du boîtier au niveau des entrées/sorties de fibres. Grâce à la nature du matériau les constituant, ces joints ne s'opposent cependant pas à une migration lente de vapeur d'eau, du boîtier vers l'extérieur, quand la température à l'intérieur du boîtier pourrait faire monter la pression relative de cette vapeur d'eau à une valeur dommageable pour le composant.parallel and generally semi-cylindrical, each closely fitting to one of the fibers in a protective envelope 81, 82, 83, etc. of a sheet of such fibers leaving the housing. With a pair of such seals pinching the sheet, the housing is physically sealed at the level of the fiber inlets / outlets. Thanks to the nature of the material of which they are made, these seals do not, however, prevent a slow migration of water vapor, from the housing towards the outside, when the temperature inside the housing could raise the relative pressure of this water vapor has a damaging value for the component.
Comme cela apparaît aux figures 1 et 2, les débouchés de ces entrées/sorties vers l'extérieur du boîtier présentent des profils arrondis 151,152,153,etc... tant dans le plan des nappes (figure 2) que dans un plan orthogonal à ce dernier (figure 1). Ainsi on peut tirer des fibres sortant du boîtier dans des directions écartées de celle de leurs axes dans le boîtier (voir la position représentée en trait interrompu sur la figure 1) tout en restant assuré que le changement de direction respecte un rayon de courbure r minimum (celui de l'arrondi sur lequel s'applique la fibre) propre à empêcher une cassure de la fibre. A titre d'exemple on pourra choisir r = 2mm. As shown in Figures 1 and 2, the outlets of these inputs / outputs to the outside of the housing have rounded profiles 151,152,153, etc ... both in the plane of the plies (Figure 2) and in a plane orthogonal to the latter (figure 1). Thus, fibers can be pulled out of the housing in directions spaced from that of their axes in the housing (see the position shown in broken lines in Figure 1) while remaining assured that the change of direction respects a minimum radius of curvature r (that of the rounding on which the fiber is applied) capable of preventing the fiber from breaking. As an example we could choose r = 2mm.
Le fond 1 et le couvercle 3 du boîtier peuvent être réalisés par moulage d'une matière plastique et assemblés comme suit, dans le cour du montage de l'ensemble constitué par le composant optique et son boîtier de protection. The bottom 1 and the cover 3 of the housing can be produced by molding a plastic material and assembled as follows, in the course of mounting the assembly consisting of the optical component and its protective housing.
Après raccordement des fibres nues 71 aux extrémités des guides d'onde intégrés dans le substrat de ce composant, par des opérations bien connues de micromanipulation de fibres et de dépôt de gouttes d'adhésifs, on insère le composant dans la cavité 2 du fond 1 en veillant à ce que les parties sous enveloppe 81 des fibres passent dans les gouttières 141 des deux joints 91,92, aux deux extrémités du fond 1. Une graisse hydrophobe, aux silicones ou de type "mécanique" par exemple, peut être injectée dans l'espace séparant le composant 4 des parois de la cavité 2, pour renforcer la résistance du composant à l'humidité de l'air et à d'autres agents agressifs éventuellement transportés par cet air. After connecting the bare fibers 71 to the ends of the waveguides integrated into the substrate of this component, by well-known operations of micromanipulation of fibers and depositing drops of adhesives, the component is inserted into the cavity 2 of the bottom 1 ensuring that the envelope parts 81 of the fibers pass through the gutters 141 of the two seals 91, 92, at the two ends of the bottom 1. A hydrophobic grease, with silicone or of the "mechanical" type for example, can be injected into the space separating the component 4 from the walls of the cavity 2, in order to reinforce the resistance of the component to air humidity and to other aggressive agents possibly transported by this air.
Cette injection doît être faite en ménageant un volume d'expansion pour la graisse, de manière à prévenir tout effet de surpression lié à la dilatation de la graisse.This injection should be made with an expansion volume for the fat, so as to prevent any overpressure effect linked to the expansion of the fat.
On insère ensuite le couvercle 3 sur le fond 1 dans une position de pré-assemblage schématisée à la figure 4. The cover 3 is then inserted on the bottom 1 in a pre-assembly position shown diagrammatically in FIG. 4.
Sur celle-ci il apparaît que plusieurs griffes 16l, 162 débordent du couvercle pour pénétrer dans des encoches 17l, 172 correspondantes formées dans le fond, jusqutau-delà d'une nervure périphérique 18, que la griffe franchit grâce à son élasticité et qui retient ensuite le couvercle 3 sur le fond 1, légèrement au-dessus de celui-ci, dans une position qui permet d'enlever aisément ce couvercle si nécessaire, par exemple pour contrôler la mise en place du composant dans le boîtier.On it it appears that several claws 16l, 162 project beyond the cover to penetrate into notches 17l, 172 corresponding formed in the bottom, up to beyond a peripheral rib 18, which the claw crosses thanks to its elasticity and which retains then the cover 3 on the bottom 1, slightly above the latter, in a position which allows this cover to be easily removed if necessary, for example to control the positioning of the component in the housing.
Ce pré-assemblage permet une manipulation aisée de l'ensemble ainsi constitué, jusqu'à un poste de soudure (non représenté) du couvercle sur le fond, par ultrasons par exemple. Dans ce poste le couvercle est enserré par une tête ultrasonore qui l'amène dans la position finale de soudure représentée à la figure 5, qui est une vue suivant le trait de coupe V-V de la figure 1, tout en lui transmettant des vibrations ultrasonores propres à assurer la soudure du couvercle 3 sur le fond 1 au niveau de leurs surfaces périphériques en contact, repérées 19 sur cette figure. This pre-assembly allows easy manipulation of the assembly thus formed, up to a welding station (not shown) of the cover on the bottom, by ultrasound for example. In this station, the cover is enclosed by an ultrasonic head which brings it into the final weld position shown in FIG. 5, which is a view along the section line VV in FIG. 1, while transmitting to it clean ultrasonic vibrations. to ensure the welding of the cover 3 on the bottom 1 at their peripheral surfaces in contact, identified 19 in this figure.
Il est clair que toute ces opérations se prêtent à une automatisation du processus de montage du composant dans son boîtier. It is clear that all these operations lend themselves to automation of the process of mounting the component in its housing.
Il apparaît maintenant que l'invention permet d'atteindre les buts fixés, à savoir disposer d'un boîtier de protection pour composant d'optique intégrée protégé des effets d'éventuelles dilatations thermiques différentielles ou d'autres efforts mécaniques subis par le boîtier, ce boîtier conservant une structure simple et propre à une automatisation des opérations d'assemblage. It now appears that the invention makes it possible to achieve the set goals, namely to have a protective housing for an integrated optical component protected from the effects of possible differential thermal expansion or other mechanical stresses undergone by the housing, this box retaining a simple structure and suitable for automating assembly operations.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. Of course, the invention is not limited to the embodiments described and shown which have been given only by way of example.
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