Brevet FR2362411A1 — publié le 19780317

L'invention concerne un guide d'ondes lumineuseuses pour réaliser le guidage de faisceaux de lumière suivant une courbe. Pour réaliser le guidage de la lumière suivant des courbes, on utilise habituellement des guides d'ondes lumineuses dans lesquels la lumière est guidée suivant une courbe selon un parcours en zigzag par suite d'une réflexion totale sur les surfaces limites du guide d'ondes lumineuses. De tels guides d'ondes lumineuses de forme courbe peuvent posséder par exemple une section transversale rectangulaire et être disposés sur un substrat. Dans le cas d'un trajet en forme de zigzag de la lumière à travers e guide dtondes lumineuses connu, la lumière est réfléchie aussi bien sur la surface limite du guide d'ondes lumineuses, située à l'extérieur de la courbe, que sur la surface limite du guide d'ondes lumineuses, située à l'intérieur de la courbe. Si de tels guides d'ondes lumineuses connus possèdent une section transversale particulièrement faible de guidage de la lumière, la réalisation de tels guides d'ondes lumineuses peut devenir compliquée. L'invention a pour but d'indiquer des guides d'ondes lumineuses pouvant etre fabriqués de façon particulièrement simple et prévus pour le guidage de la lumière suivant une courbe, la section transversale de guidage de la lumière pouvant etre approximativement aussi petite que l'on veut. Ce problème est résolu au moyen d'un guide d'ondes lumineuses du type indiqué plus haut, caractérisé par le fait qu'il est constitué par une couche transparente, essentiellement unie, comportant des surfaces limites cintrées situées à l'exté- rieur de la courbe, et que seules ces surfaces limites servent à assurer le guidage en courbe de tous les rayons lumineux qui, lors de l'entrée dans le guide d'ondes, s'écartent d'un angle inférieur à un angle pouvant être prédéterminé, de la direction de la tangente à ces surfaces limites et sont par rapport à ces dernières, à une distance qui est inférieure à une dimension pouvant être prédéterminée. Dans le guide d'ondes lumineuses conforme à l'invention, la lumière est par conséquent guidée uniquement par la surface limite, située à l'extérieur de la courbe, du guide d'ondes lumineuses. Une surface limite située à l'intérieur de la courbe n'est pas nécessaire pour réaliser le guidage de la lumière, en sorte que le guide d'ondes lumineuses peut être réalisé avec une forme approximativement quelconque sur le côté intérieur de la courbe, comme cela s'avère utile pour une fabrication simple du guide d'ondes lumineuses. Avantageusement le guide d'ondes lumineuses conforme à l'invention peut être fabriqué de façon très simple par photolithographie. Etant donné que le guide d'ondes lumineuses conforme à l'invention peut être constitué sous la forme d'une structure possédant une certaine superficie, il ne se présente aucun problème d'adhérence, lors de la fabrication photolithographique du guide d'ondes lumineuses, entre le guide d'ondes lumineuses et le substrat, étant donné que le guide d'ondes lumineuses conforme à l'invention repose par une surface étendue sur le substrat. Par contre des structures très fines allongées suivant peuvent les lignes/se détacher de façon indésirable du substrat. Le guide d'ondes lumineuses conforme à l'invention peut être utilisé avantageusement pour des structures de dérivation et de répartition pour les fibres multimodes. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement aux dessins annexés plusieurs formes de réalisation du dispositif suivant l'invention. La figure 1 représente un schéma de principe illustrant les considérations à la base de l'invention. Les figures 2 à 5 représentent les exemples de possibilités d'utilisation du guide d'ondes lumineuses conforme à l'invention. Pour réaliser le guidage de la lumière dans des courbes, on utilise souvent un guide d'ondes courbe, par exemple une fibre de verre ou bien un guide d'ondes en forme de bande ou de ruban possédant une section transversale rectangulaire. La lumière est alors réfléchie totalement en général de façon alternée par la paroi du guide d'ondes située extérieurement par rapport à la courbe et par la paroi du guide d'ondes située à l'intérieur de la courbe, ce qui fournit un chemin en forme de zigzag. Sur la figure 1 on a représenté ce chemin ou tracé du rayonnement pour un guide d'ondes limité sur ses deux côtés par un bord circulaire, le rayon de courbure extérieur étant Ra tandis que le rayon de courbure intérieur est designé par Ri. Le rayon lumineux ou faisceau de lumière 100 est situé, au début du guide d'ondes, à une distance # de la surface limite située à l'extérieur de la courbe. Dans le cas d'une observation du guide d'ondes suivant une vue de dessus exactement perpendiculaire, le rayon lumineux fait un angle #max par rapport à l'axe longitudinal dudit guide d'ondes. Ce rayon lumineux est alors réfléchi de façon multiple dans le guide d'ondes suivant les rayons lumineux 101, 102, 103. Un rayon lumineux 1000 symétrique du rayon lumineux 100 est réfléchi sur la surface limite située à l'intérieur de la courbe suivant le rayon lumineux 1001. En général, pour un rayon lumineux qui, lors de son entrée dans le guide d'ondes, se trouve à une distance x de la surface limite située à l'extérieur de la courbe (avec O # x g dans le guide d'ondes et avec O # # # #max, l'angle &alpha;;, sous lequel ce rayon tombe sur la surface limite du guide d'ondes, située à l'extérieur de la courbe, est donné par la relation cos = (1 /Ra) cos # . (1) On voit que kest une fonction de & Ra et que pour max ,qui est la valeur maximale possible de od , on a # max ?Çma Si toute la lumière, qui pénètre dans le guide d'ondes à une distance x de la surface limite située à l'extérieur de la courbe et ce sous un angle # par rapport à l'axe longitudinal, doit être guidée dans le guide d'ondes courbe par réflexion totale, on doit avoir ## #tot, #tot représentant l'angle limite de réflexion totale dans le guide ondes courbe. De ce fait,, nl représentant l'indice de réfraction du guide d'ondes et n2 l'indice de réfraction du matériau Jouxtant le guide d'ondes sur le côté extérieur de la courbe, on a cos ita n2/nl. > (2) Pour l'angle d'entrée le plus grand prévu tmax du rayon lumineux dans le guide d'ondes, on obtient par conséquent par rapport à 8 /Ra 6/Ra = 1 - n2/nl . cos gmax (3) Ceci est la condition pour une réflexion totale dans le guide d'ondes courbe. Si l'on réduit alors le rayon intérieur Ri de ce guide d'ondes pour un rayon extérieur R a restant constant et si l'angle d'entrée maximal Ymax et la distance maximale 6 d'un rayon lu- mineux pénétrant dans le guide d'ondes courbe doivent rester inchangés, les rayons lumineux pénétrant dans le guide d'ondes courbe ne sont alors plus réfléchis sur la surface limite du guide d'ondes, située à l'intérieur de la courbe lorsque l'on a Ri t Ro = (R1 E) cos max (4) Dans ce cas, le rayon lumineux 1000 peut être encore tout au plus tangent à la surface limite située à l'intérieur de la courbe.La surface limite, située à l'intérieur de la courbe, du guide d'ondes courbe n'est alors plus nécessaire pour le guidage des ondes et peut être supprimée. Toutes les surfaces limites, situées à l'intérieur de la courbe et qui peuvent être inscrites dans l'arc de cercle possédant le rayon R,, n'ont donc aucune influence sur le guidage des ondes. Pour des valeurs préféterminées de n2, nl, rmax et 6 les relations (3) et (4) représentent les équations de condition pour le rayon de courbure Ra du guide d'ondes conforme à l'invention, limité d'un côté par un bord circulaire. Ce guide d'ondes possède une largeur de guide d'ondes efficace optiquement w pour laquelle on a: w = R a R ru . Pour un choix adéquat des rayons de courbure , la largeur efficace optiquement w du guide d'ondes peut prendre des valeurs extraordinairement faibles. Dans ce cas précisément, le guide d'ondes conforme à l'invention présente l'avantage particulier de pouvoir être fabriqué de façon simple. Un guide d'ondes comportant des surfaces limites extérieures à la courbe et intérieures à la courbe ne pourrait être fabriqué que très difficilement pour une largeur efficace optiquement identique de guide d'ondes, étant donné que de telles structures allongées en forme de lignes ne présentent qu'une faible stabilité mécanique. Le guide d'ondes conforme à l'invention peut être réalisé au contraire sous la forme de segments de cercle dont seule la surface limite située à l'extérieur de la courbe peut être réalisée avec une précision élevée, ce qui est cependant possible de façon très simple. La réalisation du guide d'ondes conforme à l'invention peut être réalisée de façon très simple A cet effet on dépose sur un substrat une feuille en matériau photosensible, par exemple une feuille réalisée en un matériau dénommée dans le commerce "Riston". Cette feuille est éclairée au moyen d'un masquage correspondant à la structure désirée et lors du processus de développement ultérieur, les parties non exposées de la feuille s'éliminent en sorte que seule reste encore la structure désirée, à savoir ici le guide d'ondes. Ci-après on va décrire en référence aux figures 2 et 3, deux exemples de réalisation de l'invention servant d'aiguillages ou de dérivations de guides de lumière. Dans des réseaux optiques de transmission d'informations, on trouve le long des guides de lumière des postes ou points de couplage permettant d'influencer le flux de puissance lumineuse arrivant. I1 existe par exemple des aiguillages au moyen desquels on peut dériver une fraction déterminée de la puissance lumineuse arrivante. De même le cas inverse est possible, c'est à dire qu'à l'aide d'un aiguillage, on peut injecter les signaux supplémentaires dans un guide de lumière. Dans ce dernier cas, il faut veiller assurément à ce que chaque guide de lumière ne puisse conduire qu'un nombre limité de modes, et pour cette raison on ne peut injecter, sans perte , des signaux supplémentaires-que lorsque le spectre de modes du guide de lumière n'est pas encore rempli complètement jusqu'au nombre maximal des modes. La figure 2 montre un premier exemple de réalisation d'un aiguillage dans lequel le guide de lumière conforme à l'invention est utilisé. Une fibre conductrice de lumière d'arrivée I est disposée en aboutement, tout en étant légèrement décalée, par rapport à une fibre conductrice de lumière de retransmission 2. La partie, non recouverte par la fibre conductrice de lumière de retransmission, de la surface frontale de la fibre conductrice de lumière d'arrivée, est disposée en aboute ment contre un guide d'ondes 3 courbe, conforme à l'invention et limité sur le côté extérieur de la courbe. Ce guide d'ondes courbe 3 aboutit à une fibre conductrice de lumière 30 de dérivation.Une ligne formée de tirets et située à une distance w de la surface limite, située sur le côté extérieur de la courbe, du guide d'ondes courbe indique la largeur de la section transversale de guidage de lumière du guide d'ondes courbe. Afin d'éviter dans la plus large mesure possible des pertes de lumière lors du passage de la lumière du guide d'ondes courbe dans la fibre conductrice de lumière de dérivation 30, cette fibre conductrice de lumière de dérivation est en aboutement exactement au centre de la section transversale de guidage de la lumière du guide d'ondes courbe. L'ensemble du dispositif représenté est disposé sur un substrat (non représenté). Afin de fixer dans leur position les fibres conductrices de lumière 1, 2, 3, des pièces ou organes de guidage 100, 101, 102, 103,entre lesquelles sont situées des gorges ou rainures de guidage pour loger les fibres conductrices de lumière, sont disposées sur le substrat. Avantageusement ces organes de guidage et le guide d'ondes courbe conforme à l'invention peuvent être réalisés lors d'une seule phase opératoire par/photo lithographique. Assurément il est possible de fabriquer ces organes de guidage en un matériau identique au matériau du guide d'ondes courbe 3. Pour réaliser cet aiguillage, on recouvre donc un substrat par une feuille photosensible, par une feuille en un matériau dénommé dans le commerce "Riston". Cette feuille peut posséder une épaisseur correspondant approximativement à la somme de l'épaisseur de la gaine et du diamètre du noyau des fibres conductrices de lumière. Une valeur type pour le diamètre du noyau est 90 r cependant qu'une valeur type pour l'épaisseur de la gaine ou enveloppe est 5 P. Ici la feuille doit posséder. une épaisseur d'environ 95 . Cette feuille est éclairée à travers un masque qui correspond à une image négative des organes de guidage du guide d'ondes courbe 3. Lors du développement, il se forme exactement la structure représentée. Des évidements 1000,1020, 1030 situés dans les organes de guidage aux points de couplage entre la fibre conductrice de lumière d'arrivée et la fibre conductrice de lumière de retransmission, la fibre conductrice de lumière d'arrivée et le guide d'ondes courbe, la fibre conductrice de lumière de dérivation et le guide d'ondes courbe servent à éviter la formation de fissures dans les organes de guidage lors de l'insertion sous pression des fibres conductrices de lumière entre les organes de guidage. En outre la qualité des surfaces frontales des guides d'ondes courbes en aboutement avec la fibre conductrice de lumière d'arrivée et la fibre conductrice de lumière de dérivation est augmentée. Si l'on ne doit réaliser avec cet aiguillage le découplage ou l'extraction que d'une très faible puissance lumineuse, la grandeur du décalage entre la fibre conductrice de lumière d'arrivée et la fibre conductrice de lumière de retransmission sera très faible. Dette fait, la section transversale de guidage de la lumière du guide d'ondes courbe possède alors également une largeur w extrêmement faible. C'est ici qu'apparaît de façon particulièrement nette l'avantage du guide d'ondes courbe conforme à l'invention par rapport à un guide d'ondes comportant une limitation sur le côté intérieur de la courbe : dans le cas d'un guide d'ondes possédant une limitation à l'intérieur de la courbe, il faudrait prévoir au niveau de la ligne formée de tirets 300 une surface limite, c'est-à-dire qu'un tel guide d'ondes aurait une structure allongée en forme de ligne et très étroite et ne pourrait être fabriquée par voie photolithographique que difficilement ou même ne pourrait pas être fabriquée. En effet par voie photolithographique, on ne peut fabriquer que des structures dont la largeur est égale au moins à 0,8 fois la hauteur.Dans le cas du guide d'ondes courbe conforme à l'invention, la section transversale du guide de lumière peut posséder au contraire une largeur étroite de façon quelconque. La direction de propagation de la lumière dans l'aiguillage est symbolisée par les flèches et dans la direction représentée, il se produit une extraction ou un découplage de la lumière qui arrive par la fibre conductrice de lumière d'arrivée. Si un tel aiguillage doit être utilisé en tant que dispositif d'injection ou d'accouplement de lumière, les flèches snt diri gées dans laMdirection exactement inverse. Sur la figure 3 on a représenté un autre exemple de réalisation d'un aiguillage, conforme à l'inventian. Les élé- ments qui sont en correspondance avec des éléments identiques à la figure-2 sont repérés par les mêmes chiffres de référence. La référence 104 désigne un organe de guidage supplémentaire pour la fibre conductrice de lumière de retransmission. A la différence de l'exemple de réalisation de la figure 2, dans le cas de l'exemple de réalisation de la figure 3, les axes longitudinaux des fibres conductrices de lumière d'arrivée et de retransmission coincident. La fibre conductrice de lumière d'arrivée et la fibre conductrice de lumière de retransmission sont reliées entre elles par l'intermédiaire d'un guide d'ondes en forme de couche 20. Ce guide d'ondes en forme de couche 20 possède une section transversale rectangulaire carrée. Le guide d'ondes courbe 3 réalisé conformément à l'invention s'étend à partir de ce guide d'ondes rectiligne en forme de couche 20. L'ensemble de la structure représentée sur la figure 3 peut être fabriqué à son tour par voie photolithographique en une phase opératoire unique, les organes de guidage 100 à 104, le guide d'ondes en forme de couche 20, le guide d'ondes courbe 3 pouvant être fabriqués à nouveau par voie photolithographique à partir d'une feuille en matière plastique photosensible. Les exemples de réalisation représentés sur les figures 2 et 3 peuvent être également réalisés à partir d'une matière plastique en forme de couche , au moyen d'un poinçon d'empreinte adéquat, par estampage. Sur les figures 4 et 5 on a représenté d'autres exemples de réalisation pour un aiguillage conforme à l'invention. Ici la fabrication s'effectue au moyen de deux masques. Tout d'abord on dépose sur le substrat une première feuille, que l'on structure par voie photolithographique. Sur cette structure on dépose une seconde feuille que l'on structure ensuite par voie photolithographique. L'épaisseur de l'ensemble des deux feuilles doit'correspondre à nouveau à la somme du diamètre du noyau et due l'épaisseur de la gaine ou enveloppe des fibres conductrices de lumière. Tout d'abord on réalise la première structure représentée sur la figure 4. Les éléments de feuille 1100 - 1104 constituent les parties inférieures des organes de guidage, réalisés - ultérieurement,pour les fibres conductrices de lumière. Les sillons ou rainures de guidage sont situés entre ces éléments de feuille. Le guide d'ondes 3 limité d'un côté ne possède, dans le cas de cet exemple de réalisation, qu'une épaisseur correspondant à l'épaisseur de la première feuille. Sur cette structure représentée sur la figure 4, on réalise alors une autre structure en recouvrement coincidant partiel avec la première. Cette autre structure est représentée sur la figure 5, sur laquelle on a représenté par des lignes formées de pointillés, la première structure. En outre on a représenté sur cette figure- les fibres conductrices de lumière 1, 2 et 30. Les éléments de feuille 2100 - 2104 forment, avec les éléments de feuille sous-aceAts 1100 - 1104, les organes de guidage pour les fibres conductrices de lumière. L'elément de feuille situé entre la fibre conductrice de lumière d'arrivée 1 et la fibre conductrice de lumière de retransmission 2 constitue le guide d'ondes en forme de couche 2000 qui relie entre elles optiquement ces deux fibres conductrices de lumière. Ce guide d'ondes 2000 est situé partiellement sur le guide d'ondes 3 limité sur l'un de ses côtés et qui relie optiquement la fibre conductrice de lumière d'arrivée 1 à la fibre conductrice de lumière de dérivation de départ 30, et sur un élément de feuille 1110 de la première structure. Dans le cas de l'utilisation de cet aiguillage sous la forme d'un organe de découplage, le pourcentage de la puissance, extraite par découplage dans la fibre conductrice de lumière de dérivation, est fixé par le rapport des épaisseurs de la première et de la seconde feuille, c'est-à-dire par le rapport des épaisseurs de la première et de la seconde structure. Etant donné que, également, cet aiguillage ne possède que des éléments de structunree/possédant qutune surface relativement étendue et qui sont en outre encore particulièrement minces, une bonne stabilité mécanique se trouve assurée. Il es-t visible que la séquence de fabrication des structures dans le cas de l'exemple de réalisation décrit en dernier peut être également inversée et que l'on peut par conséquent réaliser tout d'abord la seconde structure et ensuite la première structure. Comme substrat, on peut utiliser approximativement n'importe quel matériau mécaniquement rigide, par exemple du verre. Cependant le substrat doit posséder un indice de réfraction supérieur à celui du guide d'ondes en forme de couche 20 et à celui du guide d'ondes de courbe 3, en sorte que l'on obtienne une réflexion totale au niveau de l'interface du guide d'ondes-substrat pour les rayons lumineux guidés. La matière plastique doit être élastique, ce qui est le cas pour des feuilles de Ris ton, afin de permettre un bon maintien des fibres conductrices de lumière entre les organe s de guidage. Il convient de réaliser les sillons ou rainures de guidage pour les fibres conductrices de lumière, entre les organes de guidage, avec une largeur légèrement inférieure à celle qui correspond au diamètre des fibres conductrices de lumière. De ce fait lesdites fibres conductrices de lumière peuvent être fixées par coincement dans les sillons ou rainures de guidage. REVENDICATIONS 1 - Guide d'ondes lumineuses pour réaliser le guidage de rayons lumineux sur une courbe, caractérisé par le fait que le guide d'ondes lumineuses (3) est constitué par une couche transparente, essentiellement unie, possédant des surfaces limites cintrées situées à ltextérieur de la courbe, qui veillent à elles seules, à réaliser le guidage suivant la courbe, de tous les rayons lumineux qui, lors de leur entrée dans le guide d'ondes, s'écartent d'un angle inférieur à un angle ( Wmax) pouvant être prédéterminé, par rapport à la direction de la tangente à ces surfaces limites et sont, par rapport à ces surfaces limites, à une distance (x)qui est inférieure à une valeur ( t) pouvant être prédéterminée. 2 - guide d'ondes lumineuses suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est prévu une surface limite (1) située à l'extérieur de la courbe et cintrée avec une forme circulaire et possédant un rayon de courbure (Ra) que le rayon de courbure (Ra) satisfait à la relation e /Ra 1 - n2Znl cos nl étant l'indice de réfraction du guide d'ondes et n2 étant l'indice de réfraction d'un matériau jouxtant la surface limite située à l'extérieur de la courbe, et que toutes les surfaces limites situées à l'intérieur de la courbe sont par rapport à la surface limite située à l'extérieur de la courbe, à une distance a telle que a 5 R a - (R a - cos rmax 3 - Guide d'ondes lumineuses suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que ce guide d'ondes lumineuses (3) est disposé dans un aiguillage optique, de telle manière qu'une partie du rayonnement lumineux guidé par une fibre conductrice de lumière d'arrivée (1) peut être injectée dans une fibre conductrice de lumière de dérivation (30). 4 - Guide d'ondes lumineuses suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que ce guide d'ondes lumineuses comporte une surface frontale venant en aboutement sur une partie de la surface frontale de guidage de la lumière de la fibre conductrice de lumière d'arrivée. 5 - Procédé pour fabriquer un guide d'ondes suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le guide d'ondes est réalisé par voie photolithographique à partir d'une feuille en matière plastique photosensible. 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le guide d'ondes est réalisé par estampage.