Brevet FR2330022A1 — publié le 19770527

La présente invention concerne un dispositif pour coupler une source de rayonnement lumineux, telle qu'une diode électroluminescente, avec un faisceau de fibres optiques, utilisé par exemple pour la transmission en régime multimode, dtin- formations en code- binaire. Dans la technique antérieure, le couplage d'une source telle qu'une diode électroluminescente, avec un faisceau de fibres optiques était réalisé de deux façons diPférentes; 10 Par couplage direct, c'est-à-dire sans interposition d'aucun dispositif de couplage, tout au moins lorsque le faisceau de fibres optiques a un diamètre voisin de celui de la source. Dans ce cas le rendement du couplage est faible, du fait de la valeur excessive de la surface émettrice équivalente de la source. D'autre part, la section droite d'entrée du faisceau de fibres étant mal éclairée par la source, une quantité importante d'énergie lumineuse est perdue.Lorsque le faisceau de fibres optiques a un diamètre nettement plus petit que celui de la source, ce qui est le cas des faisceaux les plus récents, à faible atténuation, le rendement du couplage direct devient-inacceptable. 20 Par l'intermédiaire d'un dispositif de couplage, notamment d'éléments dioptriques tels que des lentilles; cellesci sont alors disposées entre la source et la section d'entrée du faisceau de fibres, dont lesdites lentilles sont sépares par des couches d'air. Ces réalisations nécessitent un alignement rigoureux des différents composants, et par suite une précision élevée, qui les rend conteuses et d'une fiabilité douteuse, D'autre part, les pertes par réflexion sur les surfaces des éléments optiques ne sont pas négligeables. La présente invention permet de pallier ces inconvénients et de réaliser le couplage mentionné avec un excellentrendement, en utilisant un seul dioptre air-verre, comme dans le cas du couplage direct, Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une fibre optique unique, dont une extrémité est terminée par une section droite polie, couplée optiquement avec l'extrémité correspondante du faisceau de fibres optiques, l'autre extrémité de ladite fibreeunique étant terminée par un élément sphérique de même indice de réfraction que ladite fibre unique, cet élément sphérique étant placé en regard de ladite source. Dans une forme de réalisation préférée du dispositif selon l'invention la fibre unique a le meme diantre extérieur que le faisceau de fibres optiques, et le diamètre de l'élément sphérique est légèrement supérieur au diamètre de la fibre unique, d'autre part l'élément sphérique comporte un traitement de surface antiréfléchissant. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement au dessin annexé plusieurs formes de rJaliaation de l'invention. La figure 1 représente une fibre optique dont une extrémité est éclairée par une source de rayonnement La figure 2 représente un dispositif de couplage selon l'invention. La figure 3 représente achématiquement le chemin optique des rayons lumineux dans un dispositif selon l'inven- tion, éclairé par une source ponctuelle. Les figures 4, 5 et 6 sont des graphiques repr6- sentant les variations de l'efficacité de différents disposi- tifs de couplage selon l'invention, en fonction de différents paramètres. On va d'abord rappeler certaines notions de la théorie du couplage dgune source de rayonnement lumineux avec une fibre optique, assimilée à un guide cylindrique. Si l'on considère une source telle qu'une diode électroluminescente de surface émissive AS (figure 1), à coupler aveo un guide optique cylindrique, fonctionnant en régime multimode, et ayant un coeur de section AF, l'ouverture numérique NA de ce guide est définie par no étant l'indice de réfraction du milieu extérieur au guide, nl, l'indice de réfraction du coeur ou noyau du guide, n2, l'indice de réfraction du revêtement du guide, et t9J l'angle d'acceptance du guide. Si l'on suppose que le rayonnement de la source est uniforme sur toute sa surface Bt qu'il satisfait à la condition dè Lambert : I = Io Cos i, Io étant la luminance énergétique, et e, l'angle entre la perpendiculaire à la surface de a source et la direction considérée, l'efficacité Ec du couplage de la source avec le guide est donnée par la relation Cette relation montre que le couplage est maximal lorsque la source et le guide ont la même surface et que le guide est en contact avec la source. Lorsque la source a une surface supérieure à celle du guide, aucun artifice ne peut diminuer les pertes de couplage.Lorsque par contre la source a une surface inférieure à celle du guide, une optique de collimation ou un montage spécial peut être utilisé pour améliorer l'éclairement de l'ouverture du guide. La présente invention permet de réaliser une telle amélioration. La figure 2 montre un ensemble symétrique de révolution autour d'un axe z-z', et comprenant un faisceau de fibres optiques, 1, dont une extrémité est couplée avec une fibre optique unique, 2, comportant un noyau ou coeur, 2a, de diamètre 2aO, et un revêtement, 2b ; la fibre unique 2 a son extrémité opposée au faisceau 1, conformée en un élément sphérique 3, de rayon R, qui est éclairé par une source 4 de diamètre utile 2r, par exemple une diode électroluminescente. La source 4 est placée à une distance D de l'élément sphérique 3. Le couplage entre les extrémités voisines du faisceau 1 et de la fibre unique 2 peut Autre assuré par des moyens divers, dont quelques exemples seront indiqués ultérieurement, et qui ont été schématisés sur la figure 2 par un bloc C. Dans une forme de réalisation particulière, on a par exemple 2aO 5 625 Zm. ; D = 625 Zm, R = 470 Fm. ; 2rO = 312 Fm. Pour faciliter la compréhension du fonctionnement du dispositif de la figure 2, on va considérer tout d'abord le cas où la source 4 est ponctuelle, comme sur le schéma de la figure 3. Ce schéma montre comment se propagent les rayons, qui émanent d'une source ponctuelle S, placée sur 11 axe z-z' de la fibre unique 2, et qui pénétrent dans l'élément sphérique 3. L'extrémité de la fibre 2, contigu à l'élément sphérique 3,peut être considérée comme un récepteur plan 5, placé à une distance R du centre de l'élément sphérique 3, de diamètre 2R. L'angle d'acceptance de ce récepteur plan 5 est alors n étant l'indice de réfraction de l'élément sphérique 3. On peut montrer facilement qu'un rayon émis par la source ponctuelle S sous un angle CL parvient au récepteur plan 5 sous un angle ss, tel que : D'autre part, la distance y entre le point d'impact du rayon incident sur le récepteur plan 5,et et l'axe z-z' de la fibre est donnée par la relation Dans le cas du dispositif illustré sur la figure 3, l'efficacité Ec du couplage peut être obtenue en intégrant l'émission de la source S dans l'angle solide d'acceptance de la fibre unique 2, d'ouverture 2 Ycss , en utilisant la relation 4) ci-dessus, dans laquelle CL est une fonction implicite de ss, donnée par la relation 3).La figure 4 illustre le résultat de ce calcul pour le cas d'une fibre 2 d'ouverture numérique NA = 0,2 ; elle représente les variations de Ec en fonction du rapport D/R, On voit sur cette courbe de variation qu'une efficacité E c de 34 Z peut être obtenue sensiblement pour D/R = 0,75,alors qu'un couplage direct ne procure qu'une efficacité de 4 %. Sur la figure 5, on peut voir deux courbes A et B, qui représentent respectivement les variations de lgefricacité du couplage en fonction de l'ouverture NA, dans le cas d'une fibre couplée directement (courbe A), et dans le cas d'une fibre couplée par un élément sphérique selon l'invention (courbe B). Dans le cas d'une source étendue (non ponctuelle et de surface déterminée, comme la source 4 de la figure 2), il est plus difficile de déterminer la valeur de l'efficacité du couplage. Néanmoins, on peut démontrer que, dans ce cas, l'efficacité du couplage est une fonction de la forme rO étant le rayon de la source, supposée d'ouverture circulaire, aO, le rayon du coeur de la fibre, et F(y), le flux émis par la source et reçu par la fibre après réfraction dans l'élément sphérique. Sur la figure 6, on peut voir trois courbes donnant les résultats du calcul de Ec en fonction de la distance D entre la source 4 et élément sphérique 3, pour trois valeurs du rayon r0 de ladite source 4 et pour une fibre 2 d'ouverture numérique NA = 0,2. On voit qu'une source de faible diamètre procure une meilleure efficacité. Dans le cas où l'on doit coupler une fibre 2 de diamètre déterminé, 2a0, avec une source 4,il est important de choisir les diamètres respectifs de ladite source 4 et de l'élément sphérique 3 de façon à obtenir un couplage optimal. Les calculs et l'expé- rience montrent que ce couplage optimal peut être obtenu pour les valeurs suivantes ro = ao/2 R = 1,5 a0 D = a0 Dans ce cas, un gain de 3 est obtenu par rapport au couplage direct pour une fibre d'ouverture numérique faible (NA de l'ordre de 0,1 à 0,2).Pour une fibre d'ouverture numérique plus élevée (NA de l'ordre de 0,3 à o,5) > le gain obtenu est plus faible; on obtient par exemple un gain de 2 pour ro = au/12 R = 1,4 a0 D = 0,75 aO Selon l'invention, un traitement antiréfléchissant peut être appliqué sur la surface de l'élément sphérique.Ce traitement peut consister, de façon connue en soi, dans le déport superficiel d'une couche interférentielle présentant une épaisseur adaptée au quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale d'émission de la source, pour le chemin optique moyen des rayons majoritaires, A titre d'exemple non limitatif3 la source 4 peut tre une diode électroluminescente dont la longueur d'onde du rayonnement va de 850 à 900 nanomètres. La couche antiréfléchissante doit alors avoir une épaisseur d'environ 215/n nanomètres, n étant l'indice de réfraction de ladite couche.Cette couche antiréfléchissante peut également avoir une épaisseur variable en fonction de l'incidence des rayons émis par la source, de manière à obtenir des chemins optiques sensiblement de même longueur quelle que soit la distribution du rayonnement à la surface de ladite source. L'élément sphérique 3 peut être réalisé par fusion ménagée de l'extrémité correspondante de la fibre unique 2. L'élément sphérique 3 peut également être rapporté et couplé optiquement avec la fibre 2, par collage, par simple contact, ou bien par ltintermédiaire d'un liquide de même indice de réfraction que ladite fibre 2, Dans tous les cas, l'élément 3 doit avoir le meme indice de réfraction que la fibre unique 2. La couplage optique entre la fibre unique 2 et le faisceau 1 de fibres optiques peut également etre obtenu par simple contact, par collage ou bien par l'intermédiaire d'une lame liquide ou gazeuse, par exemple une couche d'air. REVENDICATIONS 1.- Dispositif pour coupler une source de rayonnement lumineux avec un faisceau de fibres optiques, caractérisé en ce qu'il comprend une fibre optique unique, dont une extrémité est terminée par une section droite polie, couplée optiquement avec l'extrémité correspondante du faisceau de fibres optiques, l'autre extrémité de ladite fibre unique étant terminée par un élément sphérique de même indice de réfraction que ladite fibre unique, cet élément sphérique étant placé en regard de ladite source. 2.- Dispositif selon la revendication I, caractérisé en ce que le faisceau de fibres optiques, la fibre unique et la source présentent un même axe de symétrie de révolution, le long duquel ils sont alignés. ).- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la fibre unique a le même diamètre utile que le faisceau de fibres optiques. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le diamètre de l'élément sphérique est légèrement supérieur au diamètre de la fibre unique. 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la source est-placée à une distance déterminée en avant de l'élément sphérique. 6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la fibre unique est couplée optiquement avec le faisceau de fibres optiques par simple contact. 7.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 å 5, caractérisé en ce que la fibre unique est couplée optiquement avec le faisceau de fibres optiques par l'intermé- diaire d'une lame solide, liquide, ou gazeuse. 8.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément sphérique est constitué par l'extrémité correspondante de la fibre unique, conformée de façon appropriée, par exemple par fusion ménagée. 9.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément sphérique est indépendant de l'extrémité correspondante de la fibre unique, avec laquelle ledit élément est couplé optiquement, par simple contact, ou bien par l'intermédiaire d'une couche solide ou liquide d'indice de réfraction déterminé. 10.- Dispositif selon lwune quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'élément sphérique comporte un traitement de surface antiréfléchissant. 11.- Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le traitement de surface de l'élément sphérique consiste en une couche d'épaisseur variable en fonction de l'incidence des rayons émis par la source. 12.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à il, caractérisé en ce que la fibre unique a un diamètre sensiblement double de celui de la source, et que l'élément sphérique, de diamètre sensiblement triple de celui de la source, est placé à une distance de celle-ci sensiblement double du diamètre de ladite source.