Brevet FR2181999A1 — publié le 19731207

La présente invention concerne une matière de trans mission destinée au guidage d'énergie optique multimode, et comprenant une fibre optique formée d'un ame de diamètre D entourée d'un revêtement, la différence fractionnaire entre les indices de réfraction de l'âme et ou revêtement ayant la valeur #2. Les progres récents réalisés dans la préparation de matières ultra-transparentes montrere que les fibres sont une matière procedeuse de brersm selon dans les systèmes de communication optique. Des système comprenant des sources cohérentes et des fibres monomodes peuvert travailler on théorie à des frequences d'impulsion de l'ordre de quelques dizaines de GHz. Cependant, certaines applications ont des caractéristiques optimales dans le domaine des prix et de la simplicité plutôt que dans celui de la vitesse. Les systèmes de ce type comprennent des sources lumineuses non cohérentes qui nécessitent des fibres multiples pour que la transmission soit efficace. Comme le guidage est réalisé par réflexion totale interne, un mode d'ordre élevé nécessite une grande différence des indices de réfraction. Cependant, cette caractéristique a pour conséquence de grandes différences de retard de groupe parmi les divers modes, si bien que l'enveloppe du signal est fortement déformée. De plus, les fibres revètues actuellement disponibles qui presentent de grandes différences d'indices de réfraction de l'âme et du revêtement ont tendance a présenter des pertes. L'invention permet la résolution des problèmes cités, grâce à une fibre optique telle qu'une section d'entrée comprend une âme dont le diamètre est inférieur à celui de l'âme de la fibre et qui est entourée par un revêtement la différence fractionnaire entre l'indice de réfraction de l'âme et celui du revêtement ayant une valeur supérieure a la différence fractionnaire entre l'indice de réfraction de l'âme et celui du revêtement de la fibre optique, une section effilée de transition comprenant une âme entourée par un revêtement et placée entre la section d'entrée et la fibre optique. Plus précisément, l'invention concerne une matière de transmission à fibre m.ultimode destinée au guidage de signaux optiques non cohérents, et comprenant une section d'entrée, une section effilée de transition et une section élargie de fibre optique ayant une grande longueur. La section d'entrée comprend un très ccurt tronçon de fibre dont l2Ame a une section comparable à celle de la surface émissive de la source et dont l'indice de réfraction est supérieur à celui du revAetement d'une quantité suffisante pour que le mode intéressant d'ordre le plus élevé soit conservé. La section d'entrée a une longueur relativement faible et elle est couplée à la section plus grosse de transmission à grande distance du guide par une section effilée de transition.La section de transmission à longue distance constitue ltessentiel du du système et est formée d'une fibre de section agrandie, présentant une différence faible d'indices de réfraction entre l'âme et le revêtement. D'autres caractéristiques et avantages de l1in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre faite en référence au dessin annexé sur lequel - la figure 1 représente sous forme synoptique un système de communication optique comprenant une source de signaux optiques non cohérents et une fibreoptique multimode et - la figure 2 représente la section d'entrée de la fibre multimode selon l'invention. Sur la figure 1, un système de communication optique comprend une source 20 de signaux optiques non cohérents un récepteur il de signaux et une matière 12 de transmission multimode assurent le couplage de la source 10 au récepteur 11. L'invention concerne plus précisément la partie de transmission du système et notamment un dispositif de couplage de la matière 12 à la source 10. A cet égard, on se réfère à la figure 2 qui représente en détail la partie d'entrée de la matière 12. Plus précisément, celle-ci est une fibre optique comprenant une section d'entrée 20, une section effilée 21 de transition et une section 22 de trans mission à grande distance. La section 20 est relativement ccurte et elle est adjacente à la source 10 ; elle comporte une Ame 23 de diamètre C entourée par un revêtement 24. La section 22 qui constitue ltessentiel de la matière de transmission, comprend une âme 25 de diamètre D supérieur à d, entourée d1un revaetement 26.Les deux sections sont reliées par une section effilée de transition dont l'âme 27 a un diamètre d à une extrémité et croissant progressivement à la valeur D à l'autre extrémité. L'Ame 27 est entourée de manière analogue par un revttemen-t 28. Le problème, en termes simples, comprend le rassemblement de la proportion maximale du signal émis par la source 10, et la transmission de ce signal au récepteur de façon aussi efficace que possible, Cependant, comme la source 10 n'est pas cohérente, elle induit des modes très différents dans la fibre et, en l'absence de dispositifs particuliers décrits dans la suite, ces modes ne sont pas guidés par la fibre ou, en cas de guidage, la matière de transmission est de qualité peu intéressante. Sur la figure 2, le cône d'émission des radiations de la source 10 fait un angle maximal e et un premier critère est que l'entrée de la fibre puisse recevoir et conserver les radiations émises suivant cet angle maximal. Ainsi, ltSme de la fibre doit avoir une section comparable à celle de la surface 15 d'émission de la source ou supérieure. Cependant, pour des raisons décrites dans la suite, elle ne doit pas avoir une surface trop élevée. De plus, l'indice de réfraction n1 (1 +#1) de 12Ame 23 et l'indice de réfraction n1 du revêtement 24 de la section 20 doivent être tels que la réflexion interne soit totale à l'interface âme-revêtement pour toutes les radiations placées dans le c8ne d'émission.En termes mathématique, l'angle maximal #' que peut faire une radiation avec l'axe longitudinal de l'âme, tout en étant totalement réfléchie à à l'interface, est donné par Par rapport à la source 10, l'angle maximal du cône des radiations que guide la fibre est alors Comme le montrent les équations 1 et 2, l'angle maximal e que peut faire une radiation avec l'axe du guide tout en étant guidée par la fibre, varie en fonction deA1 qui est la différence fractionnaire entre l'indice de réfraction de l'âme et celui du revetement. Ce comportement suggère que le couplage entre la source et la fibre net wetre amélioré lorsque cette différence est maximale. Cependant, cette élévation de 1pose un certain nombre de problèmes pratiques. Le premier problème concerne les ma- tières disponibles. Actuellement, les verres d'indice élevé de réfraction qu'on a étudiés présentent trop de pertes pour qu'ils puissent être utilisés à la réalisation de fibres optiques.Bien que ce problème puisse être progressivement résolu dans le futur, l'utilisation de matières même améliorées ne résout pas le second problème bien plus important posé par la déformation du retard. On sait qu'il existe une relation directe entre l'angle maximal get le nombre de modes que peut transmettre un guide. Comme e doit titre maximal, la fibre doit entre multimode. Cependant, les différents modes ont différentes vitesses de groupe. En fait, le retard # entre l'énergie qui se propage dans le mode le plus lent et l'énergie qui se propage dans le mode le plus rapide est donné par =L/V##1#n1 (3) L étant la longueur du guide et v la vitesse de propagation de la lumière dans l'espace libre. Comme le montre l'équation 3, la dispersion augmente linéairement avec #1# Ainsi, lorsque A1 est important, cette caractéristique étant nécessaire pour que le couplage soit efficace, la largeur de bande ou la fréquence utile des signaux est limitée. Cependant, comme la dispersion est aussi une fonction linéaire de la longueur L du guide, ses effets nuisibles peuvent être limités et ils le sont selon invention par raccourcissement de la section 20 d'entrée du système et couplage de l'énergie qui pénètre dans le système vers une fibre de grand diamètre. Ainsi, la section 20 est avantageusement très courte.En réalité, la longueur 11 de cette section peut être pratiquement nulle, si bien que la section 20 ne comprend que le plan d'entrée de la section effilée de transition qui relie la source 10 à la section 22 de grand diamètre. La section 21 de transition comprend un tronçon de fibre dont l'âme 27 a un diamètre qui croit de la valeur d à l'extrémité d'entrée jusqu'à la valeur D qui est plus grande que d. La transition peut être réalisée par une partie tronconique ou par une partie effilée dont la génératrice fait un angle variable avec l'axe, comme décrit dans l'article de D. Marcuse "Radiation Losses of the Dominant Mode in Rewind Dielectric Waveguides", octobre 1970, Bell System Technical Journal, pages 1665-1693.Les détails de la, partie effilée ne sont pas très importants selon l'invention car les pertes dues à la variation du diamètre de ltAme peuvent être maintenues à une valeur négligeable dans tous les cas si la longueur l de cette section est de l'or- dre de 100 fois le diamètre D ou plus. La partie de l'énergie émise par la source 10 et interceptée par la fibre est donnée par P1 = K#1 d (4) K étant une constante. L'énergie du signal qui peut être contenue dans la partie relativement large de l'âme de la fibre est donnée de manière analogue par P2 = K#2 D2 (5) étant la différence fractionnaire entre l'indice de réfraction de l'âme 25 et celui de son revêtement 26. La condition de perte nulle de lténergie d'entrée au cours de la variation du diamètre de l'âme est satisfaite dans la mesure où P2 est égal ou supérieur à P1.Ainsi, tous les modes guidés par la section d'entrée sont aussi guidés par la section de transmission à grande distance lorsque 2 D##1 d2 (6) d'où on tire : d2 1 (d/D) (7) L'équation 7 indique que la différence fractionnaire 2 2 des indices de réfraction de ltAme et du revietement de la fibre de grand diamètre peut entre réduite d'un facteur égal au carré du rapport des diamètres des mes. Cette caractéristique donne une amélioration double. D'abord, me et le revêtement peuvent entre réalisés en matières diélectriques à faible perte qui sont disponibles.Ensuite, la dispersion entre les modes guidés, qui, comme noté précédemment, varie proportiormellement à2, est réduite de façon correspondante. De cette manière, le grand diamètre de l1ne favorise la transmission des modes d'ordre élevé si. bien que les modes transmis par la section d'entrée ne sont plus arrtés. Comme décrit précédemment, l'angle maximal 8 est fonction de #1# En conséquence, le diamètre d de la section 20 et la distance comprise entre la surface émettrice de la source 10 et la ligne 12 sont avantageusement choisis de manière que les radiations émises par la source 10 suivant l'angle maximal soient interceptées par le guide. En pratique, le diamètre de l'âme de la section entrée est aussi affecté par le diamètre maximal permis de la fibre dans la section de transmission à grande distance.En général cependant, le diamètre de la section d'entrée est à peu près égal à la plus grande section de la surface émettrice de la source 10. Dans-le mode de réalisation particulier représenté sur la figure 2, l'indice de réfraction du revttemen-t le long des trois sections 20, 21 et 22 est constant, et l'indice de l'âme est réduit de n1 (1 +#1) à n1 (1 +#2) Cependant, il faut noter que c'est la différence entre les indices de réfraction de l'âme et du revêtement qui est importante et non pas leur valeur absolue. Ainsi, dans une variante, l'indice de l'âme peut titre constant et l'indice du revzetement peut être modifié.En réalité, un procédé corn- mode de réalisation dpune section d'entrée de guide d'onde à fibre selon l'invention comprend l'utilisation d'une fibre revêtue dont le diamètre et les indices de réfraction sont choisis de manière que la section de transmission à grande distance soit efficace ; une extrémité est effilée par étirage à un diamètre réduit, de manière que la section d'entrée soit formée. La réduc-tion de l'indice de réfraction du revttement le long de la section de petit diamètre permet l'obtention de la valeur importante det1 par échange d2iorsou par implantation d'ions. La fibre est alors coupée à la longueur. Dans tous les cas, les différence #1 de la section d'entrée et 2 2 de la section de transmission à grande distance sont reliées comme représenté par l'équation 7. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Matière de transmission destinée au guidage d'éner- gie optique multimode, comprenant une fibre optique ayant une âme de diamètre D entourée d'un revtement, la différence fractionnaire entre l'indice de réfraction de ltAme et celui du revêtement ayant la valeur#2, ladite matière étant caractérisée en ce qu'elle comprend une section dtentrée comprenant une âme de diamètre d inférieur à D et entourée par un revetement, la différence fractionnaire entre l'indice de réfraction de l'âme et celui du revwetement dans cette section ayant une valeur #1 1 supérieure à #2, et une section effilée de transition comprenant une Clame entourée par un revêtement et placée entre la section d'en- trée et la fibre optique. 2. Matière de transmission selon la revendication 1, caractérisée en ce que 2 # #1 (d/D) 3. Matière de transmission selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'indice de réfraction n1 du revê- tement de la section d'entrée, de la fibre optique et de la section de transition est constant, et les indices de réfraction de lYame de la section d'entrée, de la section de transition et de la fibre optique diminuent depuis une première valeur n1 (1 aal) dans la section d'entrée à une seconde valeur plus faible n1 (1 + #2) 4. Matière de transmission selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'indice de réfraction de l'âme de la section entrée, de la section de transition et de la fibre optique est constant, et les indices de réfraction des revttements de la section d'entrée, de la section de transition et de la fibre optique augmentent d'une première valeur dans la section d'entrée à une seconde valeur plus élevée que la première.