Brevet FR2392405A1 — publié le 19781222

La présente invention concerne un dispositif mélangeur pour un systeme de communication optique. On a souvent besoin dans les bateaux, les avions ou les installations fixes d'un réseau de communication pour interconnecter une pluralité de stations séparées. Pour relier ces stations par un système de communication optique, on peut utiliser divers agencements d'interconnexion analogues aux systèmes électriques. Dans un de ces agencements, chaque station est reliée à toutes les autres par autant de lignes de transmission que de stations. On conçoit aisément que cette méthode requiert un nombre très élevé de lignes de transmission dès qu'il faut interconnecter de nombreuses stations. Dans un autre agencement, toutes les stations sont interconnectées par l'intermédiaire d'une boucle ou ligne omnibus de transmission.Un. coupleur optique permet de relier, pour l'émission ou la réception des donnes, chaque station à la ligne oonibus. Un système de communication optique utilisant de tels coupleurs, appe lés coupleurs en T, est décrit dans l'article de A.F. Miton et A.B. Lee paru dans la revue "Applied Optics", volume 15 n 1 de janvier 1976 aux pages 244 à 252. Dans cet- agencement, le nombre de lignes de transmission est nettement ré- duit, par contre, le-nombre élevé de coupleurs nécessaires, qui introduisent des pertes dans le systeme, limite le nombre de stations.Un autre agencement, qui semble plus avantageux quant au nombre de stations pouvant. être desservies, est le système dit "en étoile" qui est montré à la figure l(a) de l'article précité. Un tel systeme comporte un circuit mélangeur central qui répartit sur une face sortante l'énergie lumineuse reçue en tout point d'une face entrante. Ainsi, la face entrante du circuit mélangeur est reliée par des lignes de trans;ission aux interfaces d'émission de toutes les stations tandis que la face sortante est reliée aux interfaces de réception des mêmes stations. Lorsqu'une station veut transmettre un signal à une autre station, elle émet un signal lumineux qui vient frapper la face entrante du circuit mélangeur, lequel répartit de manière aussi uniforme que possible lfénergie contenue dans ce signal lumineux entre toutes les lignes de transmission qui relient sa face sortante aux interfaces de-réception de toutes les stations dont celle de la station destinataire. Un tel circuit mélangeur est décrit dans la revue technique "Thomson-CSF" volume 7 n 4 de décembre 1975. La figure 1 de l'article de L. d'Auria et A. Jacques de cette revue montre une monofibre optique utilise comme mélangeur entre deux faisceaux de fibres.Dans un tel mélangeur la distribution de l'énergie lumineuse sur la face sortante dépend de la distance séparant la face entrante de la face sortante et de la distance a l'axe du point auquel le rayon incident vent frapper la face entrante. On observe en effet des zones de concentration de lumière, soit au centre, de la face sortante lorsque le rayon incident frappe la face entrante sur l'axe, soit sur un anneau lorsque le point d'incidence est éloigné de l'axe. Dans ce dernier cas, le rayon de l'anneau dépend de la distance b l'axe dudit point incident. Une autre variante de ce mélangeur est connue sous le nom de "Star Coupler".Une description peut en etre trouvée dans la revue "Applied Optics", volume 13 nO 11 de novembre 1974. L'une des faces terminales de ce mélangeur est recouverte d'une couche réfléchissante de sorte que l'autre face constitue 9 la fois la face entrante et la face sortante. Un avantage de ce type de mélangeur est que pour une longueur égale de trajet optique, l'encombrement est moins important que dans le premier type. Cependant, la répartition de l'énergie sur la face sortante n'est pas a priori plus uniforme que dans le premier type de mélangeur. Aussi, un objet de l'invention est un circuit mélangeur pour un système de communication optique ne présentant pas les inconvénients précités. Un autre objet de l'invention est un circuit mélangeur pour un système de communication optique répartissant avec une bonne régularité sur sa face sortante l'énergie lumineuse contenue dans un rayon incident frappant sa face entrante. Un autre objet de l'invention est un circuit mélangeur d'encombrement réduit pour un système de communication optique. Selon une caractéristique de la présente invention, le circuit mé- langeur est constitué par un tube cylindrique terminé par deux faces planes et perpendiculaires & une directrice dudit tube. Il est réalisé en un matériau transparent d'indice de réfraction nl et les parois intérieure et extérieure dudit tube sont en contact avec respectivement un milieu d'indice n2 et un milieu d'indice n3, les indices n2 et n3 étant plus faibles que l'indice nl. Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit tube cylindrique est de révolution. Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit tube cylin drique est d'une longueur E supérieure & lac? = nl P ,si O est l'angle nO.sin O > d'acceptance dudit tube, nO l'indice de réfraction du milieu dans lequel se propage la lumière incidente et R le diantre extérieur dudit tube. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'une des faces dudit tube -cylindrique est recouverte d'un matériau réfléchissant. Selon une autre caractéristique de l'invention, les parois inté- rieure et extérieure dudit tube cylindrique sont recouvertes d'un matériau réfléchissant. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparattront plus clairement au cours de la description suivante d'exemples de réalisation préférés donnés titre indicatif, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels :: - la figure 1 montre un système de communication optique organise selon la méthode dite en étoile et permettant l'interconnexion de N stations ; - la figure 2 représente le schéma d'un circuit mélangeur connu dans l'art antérieur ; - la figure 3 est un schéma explicatif d'un circuit mélangeur en accord avec les principes de l'invention ; - la figure 4 montre un exemple d'utilisation du circuit mélangeur de la figure 3 ; - la figure 5 montre une variante d'un circuit mélangeur selon l'invention ut son utilisation ; - la figure 6 montre une autre variante d'un circuit mélangeur selon l'inven tion ; et - les figures 7 et 8 représentent deux autres structures de circuit mélangeur qui correspondent deux méthodes de réalisation différentes. Le schéma de la figure 1 représente un systeme de communication optique organisé selon la méthode en étoile et permettant d'interconnecter N stations. Les N stations SI, S2, ..., SN comportent chacune une interface d'émission El, E2, ..., ou EN et une interface de réception R1, R2, ... ou RN. Un circuit mélangeur M répartit sur sa face sortante F' l'énergie lumineuse arrivant en un point quelconque de sa face entrante F. Des lignes de transmission optique relient les interfaces d'émission de toutes les stations å la face entrante F du circuit mélangeur K et les interfaces de réception de toutes les stations à sa face sortante F'.Un signal lumineux émis par une station quelconque est donc également transmis å toutes les interfaces de réception, dont celle de la station destinataire, Un circuit mélangeur connu pouvant autre utilisé dans le système de communication de la figure 1 est représenté à la figure 2. I1 est aussi appelé monofibre et consiste en un coeur cylindrique, transparent et d'indice de réfraction nl, gainé par un matériau également transparent et d'indice de réfraction n2 plus faible que l'indice nl. Cette monofibre est terminée par deux faces planes et perpendiculaires à l'axe, F et F'. On supposera que cette monofibre baigne dans un milieu d'indice de réfraction nO et que tous les rayons arrivant sur la face F forment avec l'axe de la monofibre un angle inférieur & l'angle X, tel que Dans ces conditions, un faisceau conique de lumière de demi-angle au sommet O frappant le coeur de la monofibre en un point P se propage à l'intérieur du coeur, en subissant des réflexions totales successives à la surface de séparation coeur-gaine et L'anergie contenue dans ledit faisceau se répartit sur la face sortante F' de telle sorte qu'en tout point P' les rayons émergents sont compris dans un cane de demi-angle au sommet . Comme on l'a vu précédemment, l'énergie lumineuse n'est pas régulièrement répartie sur la face sortante de la monofibre et la répartition dépend de la longueur L' de la monofibre et de la distance à l'axe du point d'incidence P. Pour remédier à cet inconvénient, il est proposé, selon l'invention, d'utiliser un circuit mélangeur tubulaire comme représenté à la figure 3. Le circuit mélangeur de la figure 3 est constitué par un tube cylindrique de longueur L et d'épaisseur E, terminé par deux faces planes et perpendiculaires å l'axe du tube F et Ft et réalise en un matériau transparent et d'indice de réfraction nl. On supposera que les parois intérieure et extérieure du tube sont en contact avec un milieu d'indice de réfraction n2 plus faible que l'indice nl et que les faces F et F' du tube sont en contact avec un milieu d'indice de réfraction nO.Comme dans le cas de la monofibre, on posera que tout rayon lumineux incident frappant la face entrante F en un point P sera compris à l'intérieur d'un cône de demi-angle au sommet O tel que nO.sinO = Lorsqu'un faisceau conique est injecté au point P, un anneau de lumière apparait sur la face F' et si l'épaisseur E du tube est suffisamment petite devant son diamètre et sa longueur L supérieure à LO = nl ..R (où R est le rayon extérieur du tube), la distribution de la n0.sin 6 tube), lumière sur la face sortante F' présente une bonne régularité. Dans un autre mode de réalisation, les parois intérieure et extérieure dudit tube sont recouvertes par un matériau réfléchissant. On a représenté à la figure 4 un mode d'utilisation possible du circuit mélangeur de la figure 3 dans le cadre du système de communication montré à la figure 1. Les fibres optiques, qui constituent les lignes de transmission optique en provenance des interfaces d'émission ou å destination des interfaces de réception de toutes les stations, sont arrangées en faisceaux tubulaires d'une ou plusieurs nappes de fibres. Les extrémités des faisceaux tubulaires sont taillées et polies optiquement puis mises en contact avec les faces F et F' du circuit mélangeur. Il est bien évident que les diamètres intérieur et extérieur-dudit circuit mélangeur doivent etre tels que lesdites faces F et F' recouvrent entièrement la partie active des faisceaux. Une seule nappe de fibres a été représentée sur la figure 4, mais si le nombre des fibres est grand et l'épaisseur du tube suffisantet on peut tre amené à disposer plusieurs nappes en parallèle. On sait que l'une des causes principales des pertes de couplage est due au mésalignement axial et angulaire des dispositifs intervenant dans le couplage. Or la structure particulière du circuit mélangeur de l'invention peut permettre de favoriser l'alignement axial et angulaire du mélangeur et du faisceau tubulaire des fibres. En effet, l'intérieur du tube du circuit mélangeur peut etre, en fait, un cylindre dont les extrémités dépassent dudit tube de telle sorte que ledit cylindre puisse servir de guide au faisceau de fibre. Dans l'exemple d'spplication envisagé ci;dessus, ainsi que dans ceux qui seront envisagés ci-après, on considérera que le circuit mélangeur a une ouverture numérique au moins égale b celle des fibres optiques. Une variante du circuit mélangeur selon l'invention est montrée å la figure 5. Comme dans le "Star Coupler", une des faces, par exemple la face F', est recouverte d'un matériau réfléchissant et l'autre face, la face F, constitue alors la face entrante et la face sortante du circuit mélangeur. Un rayon lumineux issu de la face entrante F parcourt donc deux fois la longueur du circuit mélangeur avant de parvenir å la face sortante F ; la longueur du circuit mélangeur peut dans ce cas alors etre réduite.Les fibres optiques provenant des interfaces d'émission et de réception de toutes les stations sont alors arrangées en un seul faisceau tubulaire dont l'extrémit est après polissage mise en contact avec la face F. I1 convient de noter que, dans ce cas, la lumière émise par une station est répartie non seulement sur les fibres reliées aux interfaces de réception des stations, mais également sur les fibres reliées au interfaces d'émission, ce qui diminue le rendement utile du circuit mélangeur. La figure 6 montre un circuit mélangeur en accord avec les principes de l'invention et réalisé selon une technique comparable à celle des fibres optiques. Il présente une structure a trois indices et comporte un noyau d'indice n2, un coeur annulaire d'indice nl et une gaine d'indice n3. Les indices N2 et N3 du noyau et de la gaine sont inférieurs å l'indice nl du coeur et, dans un cas particulier, ils peuvent entre égaux (n2 X n3).Si NA représente l'ouverture numérique des fibres en contact avec les faces F et F' du circuit mélangeur. les indices nl. n2 et n3 doivent vérifier les relations suivantes Un tel circuit mélangeur peut etre réaîisé par des méthodes comparables 9 celles utilisées pour la fabrication des fibres optiques. On peut citer à titre d'exemple, la méthode du triple creuset ou encore celle consistant à utiliser un barreau cylindrique destiné å former le noyau et deux tubes destinés & former l'un le coeur et l'autre la gaine du circuit mélangeur. Dans cette dernière méthode, l'ensemble barreau plus tubes est chauffé puis étiré jusqu'à l'obtention des dimenslons voulues. La figure 7 montre une autre structure possible d'un circuit mélan- geur selon l'invention. Cette structure est, par exemple, celle obtenue en utilisant la méthode dite de ndépbt en phase vapeur". Dans cette méthode, on dépose l'intérieur d'un tube support des couches successives en chauffant un mélange gazeux composé par exemple d'oxygène et d'halogénures de siliciure, de germanium et/ou de bore en proportions variables. Sous la flamme d'un chalumeau, les halogénures réagissent avec l'oxygène pour donner des oxydes qui viennent se dépose; à l'état vitreux sur la paroi intérieure du tube support. Le choix de l'oxyde détermine l'indice de la couche déposée. Ainsi, à titre d'exemple, les couches de gaine, du coeur et du noyau peuvent être composées de silice dopée respectivement à l'oxyde de bore, à l'oxyde de germanium et w l'oxyde de bore. La préforme ainsi réalisée peut entre ensuite retreinte et/ou étirée pour obtenir un circuit mélangeur aux dimensions voulues. La structure du circuit mélangeur de la figure 8 correspond a la structure obtenue par a méthode dite "hydrolyse & la flamme11. Dans cette méthode, on dépose sur l'extérieur d'un support cylindrique en silice des couches successives & l'aide d'un chalumeau alimenté par un mélange d'hydrogène, d'oxygène et d'halogénures de silicium,de germanium et/ou de bore. La réaction se produisant dans la flamme produit une suie qui se vitrifie au contact du support sous l'action de la chaleur produite par le chalumeau. Une rotation du support autour de son axe jointe à un déplacement longitudinal du chalumeau permet d'obtenir un dép8t régulier d'épaisseur voulue sur toute la longueur du support. Toutea les methodes décrites brièvement ci-dessus or,t éte abondai- lent décrites dans la littérature notamment dans leur mise en oeuvre pour l'obtention des fibres optiques. Les différentes structures de circuit mélangeur ainsi obtenues n'ont été données qu'à titre d'exemple et il est clair que d'autres modifications ou variantes peuvent etre trouvées qui tombent dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Circuit mélangeur pour un système de communication optique carac taris8 en ce qu'il est constitué par un tube cylindrique terminé par deux faces planes et perpendiculaires à une directrice dudit tube et en ce que ledit tube est en un matériau transparent, d'indice de réfraction nl et dont les parois intérieure et extérieure sont en contact avec, respectivement, un milieu d'indice de réfraction n2 et un milieu d'indice de réfraction n3, les indices n2 et n3 étant plus faibles que l'indice nl. 2. Circuit mélangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit tube cylindrique est de révolution. 3. Circuit mélangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit tube cylindrique a une longueur superieure à LO = nî .R , O étant nO.sin O' l'angle d'acceptance dudit tube, nO l'indice de réfraction du milieu en contact avec lesdites faces terminales du tube et R le rayon extérieur dudit tube. 4. Circuit mélangeur selon l'une des revendications 1, 2 et 3 carac térisé en ce que l'une desdites faces terminales du tube est recouverte par un matériau réfléchissant la lumière. 5. Circuit mélangeur selon l'une des revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisé en ce que les parois intérieure et extérieure dudit tube sont recouvertes par un matériau réfléchissant la lumière. 6. Circuit mélangeur selon l'une des revendications l, 2, 3 et 4 caractérisé en ce que les indices n2 et n3 des milieux en contact avec les parois intérieure et extérieure dudit tube sont égaux. 7. Circuit mélangeur selon l'une des revendications 2, 3, 4 et 6 caractérisé en ce qu'il est obtenu par dépits successifs soit à l'extérieur d'un support cylindrique soit à l'intérieur d'un support tubulaire de trois couches de matériau transparent qui constituent une couche de gaine d'indice de réfraction n3, une couche de coeur d'indice de réfraction nl et une couche de noyau d'indice de réfraction n2. 8. Circuit mélangeur selon la revendication 7 et comportant un support intérieur ou extérieur caractérisé en ce que ledit support intérieur ou extérieur dépasse lesdites faces terminales du tube pour servir d'élément de guidage.