Brevet FR2368725A1 — publié le 19780519

La présente invention concerne un procédé pour augmenter la fraction d'énergie incidente transmise par une fibre optique à profil d'indice quasi-parabolique ainsi que la bande passante en fréquence du signal transmis et un dispositif de mise en oeuvre dudit procédé. L'art antérieur révèle des études de propagation d'ondes lumineuses à l'intérieur de fibres optiques à section circulaire comportant un coeur où s'effectue la propagation de l'onde et une gaine entourant ledit coeur, l'indice de réfraction dans le coeur variant en fonction de la distance à l'axe de la fibre. C'est ainsi que l'article de D. GLOSE et EAJ MARCATILI intitulé "MULTIMODE THEORY OF GRADED CORE FIBERS" paru dans la revue "THE BELL SYSTEN TECHNICAL JOURNAL", Vol 20, N 9, page 1563, Novembre 1973, traite de fibres pour lesquelles les lois de variation de l'indice de réfraction ds la lumière n(r) en fonction de la distance r à l'axe de la fibre, appelées par la suite, pour la facilité du langage, profil d'indice, ont les expressions suivantes n2 (r) = n02 [1 - 2#(r/a&alpha;;] pour r#a (1) n2(r) = n02 (1 - 2 #) pour r # a où a représente le rayon externe du coeur (ou le rayon interne de la gaine), nO est l'indice sur l'axe de la fibre,oZune constante. A la suite de cette étude, il est proposé pour améliorer la bande passante du signal transmis par la fibre de choisir légèrement inférieur à a, c'est-à-dire an profil quasi-parabolique. Les hypothèses de départ qui conduisent à une telle proposition supposent que tous les modes de propagation sont également excités à l'entrée de la fibre et transportent chacun la même énergie avec sa vitesse de groupe. nais cet article n'indique pas les moyens matériels, notamment les caractéristiques de source et de couplage de ladite source à la fibre, qui permettent de satisfaire aux hypothèses de départ, à savoir que tous les modes sont également excités.De plus, même, des travaux expérimentaux récents de Robert OLSHANSKY et Donald UCK parus dans la revue "APPLIED OPTICS", Février 1976, Vol. 15, N 2, page 485, sous le titre "PULSE BROADENING IN GRADED INDEX OPTICAL FIBERS" militent davantage pour une inegale excitation en énergie des différents modes lorsque l'on s'efforce, classiquement, de dimentionner la source et son couplage à la fibre, de manière à saturer en énergie l'angle d'acceptance de la fibre. Il s'ensuit qu'en fait l'élargissement de bande espéré n'est pas matériellement obtenu. De façon plus générale, l'art antérieur n'indique pas les procédés et moyens de sources d'excitation et de couplage de source à fibre présentant un profil d'indice quasi-parabolique susceptibles d'amorcer effectivement à l'entrée de la fibre les mécanismes de propagation idéaux qui conduisent, selon la théorie, à l'élargissement maximal de la bande passante. Il revient à l'inventeur de montrer que pour un certain type d'excitation à l'entrée d'une fibre à profil d'indice quasi parabolique avec légèrement inférieur ou supérieur à 2 et A de l'ordre de quelques pour cent, il est possible de n'exciter que certains modes de propagation et qu'il résulte, de la sélection de modes excités opérée, un très faible élargissement des impulsions transmises, cet élargissement étant d'ailleurs beaucoup plus faible que celui prévu par les théories précédentes. Selon l'invention, cette sélection de modes stopè- re de façon simple et facilement réalisable en jouant sur l'ou- verture du faisceau de lumière d'excitation, celle-ci devant être faible, de l'ordre de quelques degrés. Cette faible ouverture est pratiquement celle des faisceaux lasers. Il s'ensuit que l'invention utilise particulière ment , mais non uniquement, comme source d'excitation, des sources lasers par couplage direct de leurs faisceaux à l'entrée de la fibre ou moyennant des éléments de couplage suppléxentairos facilement réalisables, charges, selon le cas, de réduire, d'augmenter ou de rendre symétrique l'ouverture du faisceau, l'inven- tion assurant de cette manière un couplage optimal entre la source d'excitation et la fibre, la quasi-totalité de l'énergie émise par la source étant pratiquement véhiculée.Ce résultat est d'autant mieux acquis, selon l'invention, qu'avec le type dtin- jection d'énergie utilisée, les pertes d'énergie, dans la gaine de la fibre, par réfraction ou par mode rayonnant, sont considérablement réduites par rapport à celles qui se produisent dans les processus de propagation précédemment admis. Ainsi l'invention met au point un procédé pour augmenter, d'une part, la fraction d'énergie rayonnante incidente monochromatique de longueur d'onde A transmise par une fibre à profil d'indice n (r) quasi parabolique dans le coeur de la fibre â la longueur d'onde À de la forme n2(r) = no2 [1-2 où r est la distance à l'axe de la fibre, a le rayon externe du coeur de la fibre, ss est une constante égale i quelques pour cent et &alpha;; une autre constante très voisine de 2, l'indice dans la gaine étant n(a) tel que n2(a) = no2(l - 2#), d'autre part, la bande passante de fréquence de signal transmis par la fibre, remarquable en ce que l'injection de l'énergie rayonnante monochro matique se fait en tout point de la face d'entrée de la fibre à l'intérieur d'un cône de révolution dont l'axe est parallèle à l'axe de la fibre, et dont l'angle au sommet est de l'ordre de quelques degrés. L'invention porte également sur la mise en oeuvre de ce procédé à l'aide de dispositifs permettant l'injection dans la fibre de l'énergie rayonnante monochromatique sous faible inclinaison par rapport à l'axe de la fibre à partir de sources émettant suivant un faisceau de large ou faible ouverture et à diagramme d'émission de révolution ou dissymétrique tel par exemple une diode électroluminescente ou une diode laser. L'invention sera mieux comprise à l'aide des consi- dérations scientifiques et techniques exposées ci-apres et de la description de quelques modes de réalisation de l'invention donnés à titre non limitatif, le tout accompagné de dessins qui représentent Fig. 1 : un schéma en coupe de propagation d'un rayon lumineux à lfintérieur d'une fibre permettant de comprendre les cal culs théoriques qui ont contribué à l'invention et à la mise au point du procédé selon l'invention Fig. 2 : une série de courbes donnant ltensemble des résultats d'applications numériques des calculs théoriques obtenus dans un cas particulier Fig. 3 : un premier mode de réalisation du dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; I Fig. 4 : un second mode de réalisation du dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention.. Sur la figure 1 est représentée longitudinalement une fibre optique à section circulaire d'axe zz'. Sous il est représenté le coeur de la fibre, et sous 12 la gaine. La gaine présente un indice de réfraction uniforme dans tout son volume. Dans le coeur et dans une section de la fibre l'indice n varie en fonction de la distance r à l'axe de la fibre. Un rayon optique rectiligne 13 d'angle d'inclinaison t par rapport à zz' frappe la face d'entrée 14 de, la fibre au point P. Ce rayon se réfracte à l'intérieur du coeur de la fibre suivant le rayon curviligne 15. Pour les calculs, on suppose que le profil d'indice de réfraction n(r) de la lumière de longueur d'onde # dans le coeur de la fibre a pour expression en fonction de r n2 (r) = no2 (i - C2r2 + C4r4) (2) où no est l'indice sur l'axe zz' et C2, C4 sont des constantes. Dans la gaine l'indice est constant et égal à n(a) donné par la relation (2). Par ailleurs, pour simplifier, il est supposé que sont négligés les phénomènes de dispersion inhomogène de la lumière dans le matériau de la fibre signalés dans l'art antérieur (voir par exemple l'article de J.A. ARNAUD dans la revue BELL SYSTEN TECHNICAL JOURNAL" Septembre 1975, vol 54, n 7, p. 1182). I1 est calculé le temps mis par le lumière pour se propager à l'intérieur de la fibre, le long du rayon curviligne 15, entre l'entrée et la sortie de la fibre distantes de la longueur M. Ce temps est donné par l'expression T = Mno #1 + (no - E) - 3 E 0 (1 - E ) C 2no E 16 no C2 no + 1 0 E 1 # (3) 4 C2 no les différents symboles étant explicités ci-après c est la vitesse de la lumière dans le vide, E, i et 0 sont des constantes en tout point le long du rayon curviligne 15 telles qu'au point P' E = n(r')Cos #' 1 = N(r') (## # #)z 0 = no c4 E r' étant le vecteur o'P' perpendiculaire en o' à l'axe zz', le vecteur unitaire porté par la tangente au rayon 15, au point P', #' l'angle entre u et zz' (r'A'u)z étant la composante suivant l'axe zz' du produit vecto riel de r' par u. L'invention s'intéresse au cas où le profil d'indice n(r) est de la forme indiquée aux relations (1) et où A et o( sont respectivement de l'ordre de quelques pour cent et voisin de 2, la relation (2) constituant alors une expression très approchée de la relation (1), ladite relation (2) étant utilisée dans les calculs et applications numériques effectués. Un faisceau 16 de rayons parallèles d'inclinaison t sur l'axe zz' est envoyé sur la face d'entrée 14 de la fibre, ce qui a pour effet, comme il va de soi, de n'exciter qu'un nombre restreint de modes de propagation à l'intérieur de la fibre. I1 est calculé,à l'aide des expressions (i), (2), (3), le temps de propagation de la lumière à l'intérieur de la fibre le long de rayons tel que 15 correspondant à des rayons incidents parallèles uniformément répartis dans le faisceau 16, pour différentes valeurs d'inclinaison Y et pour différentes valeurs de o( voisines de 2. Les résultats sont représentés sur les courbes de la figure 2 où en abscisse on indique la valeur d'angle # et en ordonnée la différence T entre le temps de propagation le plus long et le plus court pour l'ensemble des rayons frappant la face d'entrée 14 sous l'incidence t , ce temps étant appelé largeur dtimpulsion. Ces résultats sont obtenus pour un diamètre de fibre de l'ordre de 40 = 10 2.n = 1,5 et N = 900 m. Cette différence de temps ou largeur d'impulsion T est la largeur acquise dans la fibre par une impulsion considérée comme infiniment brève à l'entrée. La bande passante en fréquence de signal de la fibre est d'autant plus grande que cette largeur d'impulsion T est faible. Les courbes de la figure 2, tracées en fonction du para mètre , montrent qu'il existe une valeur optimale de dt = 1,984 pour laquelle cette largeur T devient très faible, de 11 ordre de quelques dizaines de picosecondes (10 9 s), lorsque l'inclinaison est de 11 ordre de quelques degrés, et que cette largeur d'impul- sion T augmente lorquebcdécroit partir de cette valeur-(vo-ir par exemple la courbe correspondant à C= 1,96). Des travaux complémentaires théoriques et expérimentaux utilisant des fibres dont les matériaux constitutifs font intervenir des phénomènes de dispersion inhomogène de la lumière montrent qu'il existe toujours une valeur optimale de oC voisine de 2, dépendant de la longueur d'onde, conduisant à un grand élargissement de bande passante lorsque est de l'ordre de quelques pour cent et l'inclinaison t de l'ordre de quelques degrés. Les valeurs optimales obtenues de &alpha; sont telles que 1,96 # &alpha; # 2,04 Ces résultats conduisent au procédé suivant d'injection d'énergie dans une fibre et d'utilisation de ladite fibre, procédé selon lequel la largeur de bande passante devient de l'ordre de plusieurs gigahertz (10+9 Hertz), tandis que, pratiquement, toute l'énergie incidente sur l'entrée de la fibre est transmise, aux pertes près inévitables de propagation : disposant d'une fibre à profil d'indice quasi parabolique avec une valeur de optima lisée en fonction de la longueur d'onde d'une lumière quasi-monochromatique à transmettre, celle-ci est injectée en tout point d la face d'entrée de la fibre selon des rayons compris dans un cane, d'axe parallèle à l'axe de la fibre et de demi angle au sommet de l'ordre de quelques degrés. Sur la figure 3 on a représenté un premier mode de réalisation du dispositif de mise en oeuvre du procédé précédent adapté au cas où la source a un diagramme d'émission en énergie de révolution. 31 représente la fibre d'axe zz'. La surface émettrice de la source est sous le numéro 32. L'émission est de révolution autour de l'axe zz'. 33 représente un élément optique épais convergent dont le rôle est de réaliser l'injection d'énergie lumineuse en tout point de la face d'entrée 34 de la fibre à l'in antérieur d'un cône de demi-angle au sommet u de l'ordre de quelques degrés et d'axe parallèle à zz'. Pour cela, la source 32 est mise au foyer de l'élément 33 et la distance focale f de l'objectif est telle que le champ angulaire défini par le faisceau 37 soit d 2 u = f' d dotant le diamètre de la sotqree supposée circulaire.llitelAispositif pose-des problèmes de dimensions de l6lément optique -33. Cet élément optique doit répondre à des conditions d'aberrations faibles et d'autre part, avoir des dimensions qui le rendent manipulable. Compte-tenu des dimensions de la source, par exemple d = pour une diode électroluminescente et de l'angle u de l'ordre de quelques degrés, la distance focale sera faible, de l'ordre de 2,8 mm pour u = 4 . Il s'ensuit que les rayons de courbure de l'élément épais 53 sont faibles. Par exemple une lentille épaisse en un matériau d'indice de réfraction 1,5 aurait un rayon de courbure de l'ordre de 1,4, donc des dimensions hors tout de 2,8 mm. Cet élément n'est pas aisément manipulable. Pour le rendre manipulable, on lui adjoint une épaisseur de matériau transparent si bien que l'élément optique comporte en réalité l'élément plan -convexe 35 et l'élément à faces parallèles 36 dont les matériaux peuvent, indifféremment, être de même indice ou d'indices différents.On aboutit ainsi à un élément optique manipulable dont la distance focale est de 2 mm et plus. Du fait que la source est au foyer objet de la lentille, que celle-ci a une distance focale de 2 mm et plus et que, par ailleurs la fibre a un diamètre de l'ordre, par exemple, de 1002, la source ne rayonne utilement que dans un angle de quelques degrés, si bien que l'optique fonctionne avec une faible ouverture (de l'ordre de 2f) ce qui n'introduit que des aberrations négligeables. 20 Sur la figure 4 on a représenté un second mode de réalisation du dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention adapté au cas où la source de lumière a un diagramme d'émission dissymétrique. Cette source est par exemple une diode laser dont la surface d'émission est un rectangle. L'angle d'émission perpendiculairement à la longueur est large (600 par exemple) tandis qu'il est faible perpendiculairement à la largeur (40 par exemple). Sur la figure 4, le rectangle d'émission est représenté en 41,la fibre en 31 avec son axe zz' passant au milieu du rectangle 41 perpendiculairement à la surface de celui-ci. Sont représentés en 42 et 43 deux optiques cylindriques convergentes, plan convexe, dont les génératrices sont parallèles respectivement à la longueur et à la largeur du rectangle 41 et dont le dioptre plan est perpendiculaire à zz1. Chacune des lentilles 42 et 43 a pour rôle d'adapter l'angle d'émission de la source dans un plan perpendiculaire, respectivement à la longueur et à la largeur du rectangle 41, à l'angle d'injection dans la fibre désiré, de l'ordre de quelques degrés.Les positions de 42 et 43 sur l'axe zz' sont telles que l'image du rectangle se forme sur l'entrée de la fibre et que legrossissement angulaire soit dans le rapport des angles d'émission de la source et d'injection désiré dans la fibre. C'est ce qui est représenté sur la figure 4 parallèlement à la largeur du rectangle 41, la lumière est émise dans un faisceau d'angle A de l'ordre de 600 par exemple; le grossissement angulaire de la lentille 42 divise l'angle A du faisceau de manière que la lumière soit injectée dans la fibre à l'intérieur du faisceau d'angle A' de l'ordre de quelques degrés; parallèlement à la longueur du rectangle 41, la lumière est émise dans un faisceau d'angle B faible de l'ordre de quelques degrés; le grossissement voisin de 1 de la lentille 43 fait que l'angle du faisceau d'injection B' dans la fibre est également de l'ordre de quelques degrés; vis-à-vis du faisceau A, la lentille 43 se comporte comme une lame à faces parallèles, de même que la lentille 42 vis-à-vis du faisceau B. I1 va de soi que les lentilles épaisses cylindriques 42 et 43, au lieu autre plan convexe, pourraient tout aussi bien comporter des dioptres tous cylindriques. REVENDICATIONS : 1. Procédé pour augmenter, d'une part, la fraction d'éner gie rayonnante incidente monochromatique de longueur d'onde onde transmise par une fibre à profil d'indice n(r) quasi-parabolique dans le coeur de la fibre à la longueur d'onde # de la forme n(r) = no [1 - 2 # (r/a)&alpha;;] où r est la distance à l'axe de la fibre, a le rayon externe du coeur de la fibre, est une constante égale à quelques pour cent et g une autre constante très voisine de 2, l'indice dans la gaine étant n(a) tel que n2(a) = n20(1 - 2 #), d'autre part la bande passante de fréquence de signal transmis par la fibre, caractérisé en ce que l'injection de l'énergie rayonnante monochromatique se fait en tout point de la face d'entrée de la fibre à l'intérieur d'un cône de révolution dont l'axe est parallèle à l'axe de la fibre1 et dont l'angle au sommet est de l'ordre de quelques degrés. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que A = 10-2 et &alpha; est tel que 1,98o 3. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 ou -2, caractérisé en ce qu'il comporte une source lumineuse de diamètre d placée sur l'axe de la fibre, à diagramme d'émission de révolution autour de l'axe de la fibre, et une lentille épaisse placée entre face d'entrée de la fibre et source, la source étant placée au foyer objet de ladite lentille, et d la distance focale f de la lentille étant telle que d = 2 u, u f étant de l'ordre de quelques degrés. 4. Dispositif de mise en oeuvre selon la revendication 3 caractérisé en ce que la lentille comporte une forte épaisseur de verre, de l'ordre de quelques millimètres. 5. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, une source dont la surface émettrice est sensiblement un rectangle perpendiculaire à l'axe de la fibre en son milieu dont l'émission s'effectue suivant un grand angle, parallèlement à la largeur du rectangle et suivant un petit angle, parallèlement à sa longueur, le diagramme d'émission étant symétrique par rapport à l'axe de la fibre, d'autre part, deux éléments optiques convergents épais en forme de lentilles cylindriques placés entre source et fibre conjugant, tous deux, la surface de la source avec l'entrée de la fibre, les génératrices des lentilles étant parallèles respectivement à la longueur et à la largeur duit rectangle, le grossissement angulaire de chacune des lentilles étant tel que la lumière est injectee à l'entrée de la fibre à l'intérieur d'un cône d'angle au sommet de quelques degrés, aussi bien perpendiculairement à la largeur que perpendiculairement à la longueur de la source émettrice. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la source émettrice est une diode laser.