Brevet FR2435732A1 — publié le 19800404

La présentation concerne un coupleur optique entre fibres optiques d'un même;- faisceau. Dans la technique de télécommunication aux moyens d'ondes lumineuses parcourant des fibres optiques en verre, il est souvent nécessaire de faire trasso-6er une onde d'une fibre à l'autre. La présente invention concerne le cas où les fibres,entre lesquelles doit être établie une liaison optique, peuvent être réunies à l'une de leurs extrémités, de.façon à former un faisceau dont la face terminale est plane normale aux fibres et peut être polie opti quemeat; Le coupleur selon l'invention est du genre de ceux comportant un élément optique réfléchissant et qui, placés à l'exextrémité de ce faisceau, permettent de renvoyer toute onde lumineuse issue de l'une des fibres dans toutes les fibres du faisceau. Les qualités essentielles demandées généralement à ce genre de coupleur consistent dans le fait d'entratner un minimum de pertes d'énergie de l'onde lumineuse transmise et d'assurer une répartition de celle-ci la plus égale possible entre toutes les fibres. Un dispositif de l'art antérieur qui est satisfaisant de ce point de vue, est tout simplement constitué d'un miroir concave d'axe confondu avec celui du faisceau de fibres, ledit miroir ayant son foyer situé sur la face terminale du faisceau, sa dis tance focale F vérifiant la relation F = 2 Di (1) (13 où D sin (i) où D et U représentent respectivement le diamètre du faisceau de fibres et U l'angle d'ouverture optique de chaque fibre (ou la moitié de leur angle d'acceptance). En effet, à l'extrômitô du faisceau, les fibres étant parallèles, celles-ci rayonnent en sortie dans une même pupille à l'infini qui est la section droite à très grande distance de l'un des cônes de rayonnement de l'une des fibres et dont l'axe est parallèle à celui du faisceau ; le flux d'énergie rayonné par chaque fibre se répartit très uniformément (à cos3U près) à l'intérieur de cette pupille puis, après réflexion sur le miroir1 à l'intérieur de la section de sortie du faisceau de fibres, du fait que le miroir donne une image de la pupille confondue en dimensions avec cette section, le flux issu de chaque fibre se trouvant ainsi réinjecté uniformément à l'intérieur de toutes les fibres. Ce dispositif, s'il apparat très intéressant de par sa simplicité et son efficacité, présente l'inconvénient de ne pas être d'un usage universel. La distance focale du miroir utilisable dépend en effet, d'après la relation (1), de l'ouverture optique des fibres et du nombre de fibres réunies en faisceau (diamètre D). Or, la variété des caractéristiques des fibres mises sur le marché est grande de même que, dans les applications in*S-ielles, le nombre de fibres à coupler. Le but de l'invention est de réaliser un coupleur de fibres réunies en faisceau qui conserve les bonnes qualité de celui décrit précédemment mais qui permet, de plus, le couplage de fibres d'ouvertures diverses et faisceaux de différents diamètres, ledit coupleur ayant une structure relativement simple. Le dispositif coupleur selon l'invention, afin d'assurer une repartition homogène dans toutes les fibres du flux réfléchi, réalise aussi la conjugaison optique de la pupille à l'infini de rayonnement commune à toutes les fibres avec la section de l'extrémité du faisceau mais, pour permettre l'adaptation à plusieurs sortes d'ouvertures de fibre et diamètres de faisceau, il est conçu à focale variable et foyer image sensiblement fixe situé au centre de ladite section. Le dispositif peut aussi, grâce à sa focale variable, servir à coupler des fibres qui n'ont pas toutes la même ouverture. Pour cela la focale du dispositif est réglée de manière à faire colncider la plus petite des pupilles à l'infini de fibre avec la section de l'extrémité du faisceau. Le moyen utilisé pour obtenir la variation de focale est particulièrement simple puisqu'il consiste en un déplacement d'un seul élément optique, le système complet ne comptant que deux éléments au total. L'élément mobile est du type dioptrique convergent. L'autre élément est un miroir fixe qui peut être convergent plan ou divergent. Miroir et élément dioptrique ont leurs axes confondus avec celui du faisceau de fibres, l'élément dioptrique se trouvant placé entre extrémité de faisceau et miroir. L'élément dioptrique est traversé deux fois par la lumière issue d'une fibre, à savoir, en trajet direct et en trajet inverse. Du fait de cette double traversée, tout se passe comme si le dispositif comportait deux éléments mobiles comme il est généralement nécessaire dans un zoom pour obtenir une bonne stabilité du foyer image. De cette manière, lors du déplacement de l'élé ment mobile, le foyer image du dispositif occupe dans la section de l'extrémité du faisceau une position stationnaire, c'est-à-dire, fixe au deuxième ordre près par rapport à la variation de la focale. L'invention est réalisée selon deux modes principaux. Selon un premier mode, la focale du dispositif est négative et nettement plus petite en valeur absolue que la focale de l'élément dioptrique, tandis que les distances entre faisceau et élément dioptrique et entre élément dioptrique et catoptrique sont nettement plus grandes que la focale de l'élément dioptrique. Selon un second mode de réalisation, la focale du dispositif est positive et nettement plus petite en valeur absolue que la focale de l'élément dioptrique, tandis que les distances entre faisceau de fibres et élément dioptrique et entre élément dioptrique et élément catoptrique sont nettement plus petites que la focale de l'élément dioptrique. Selon le premier mode, l'élément dioptrique comporte plusieurs lentilles, tandis que, selon le second mode, il peut ne comporter qu'une lentille biconvexe ou plan convexe. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de différents modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, ladite description étant accompagnée de considérations théoriques et techniques et de dessins qui représentent - Figure 1 : un schéma de principe de l'invention, - Figure 2 : une figure illustrant des considérations théoriques et techniques, - Figure 3 : un exemple de mode de réalisation. Sur la figure 1 est représenté schématiquement le dispositif coupleur de l'invention suivant une coupe par un plan passant par son axe optique 11. Sous les repères 12, 13, 14, sont représentées quelques unes des fibres à coupler optiquement dont on suppose qu'elles ont même angle d'ouverture. Préalablement, ces fibres ont été réunies à leurs extrémités en un faisceau dont l'axe est confondu avec 11. L'extrémité du faisceau a subi un polissage optique de telle sorte que les sections des fibres soient contenues dans un même plan perpendiculaire à l'axe 11. Ce plan de section est 15. On a représenté sous 16 et 17 les rayons limites dans le plan de la figure du faisceau Q de lumière transportée par la fibre, par exemple, 12. Le coupleur doit renvoyer cette lumière dans toutes les fibres du faisceau dont le diamètre peut prendre différentes valeurs au gré des applications, de même d'ailleurs que l'ouverture des fibres. Le coupleur comprend un élément dioptrique convergent et un miroir. Sur la figure I ce miroir est le miroir plan 18. Ce miroir est fixe tandis que l'élément dioptrique est mobile sur l'axe optique 11. Les caractéristiques optiques du miroir et celles de l'élément dioptrique sont telles que lors du mouvement de l'élément diop trique, le plan focal image de l'ensemble est stationnaire dans le plan de section 15 d'extrémité du faisceau de fibres. F dans cette section représente le foyer principal du coupleur.L'élément dioptrique, schématisé par une lentille est représenté dans une certaine position L1. Les trajets aller et retour à travers la lentille en position L1, après réflexion sur le miroir 18, sont représentés en traits pleins. En trajet retour ces rayons sont, au sortir de la lentille, parallèles entre eux et le faisceau Q couvre la largeur AB de la section 15, ladite largeur ayant F comme milieu. Le dispositif réalise ainsi le couplage de la fibre 12 à toutes les fibres d'un faisceau de fibres dont le diamètre est AB. Le dispositif assurant, de par sa construction, la coincidence de l'image de la pupille à l'infini commune à toutes les fibres du faisceau de diamètre AB avec la section d'extrémité dudit faisceau, réalise aussi le couplage de n'importe quelle fibre de ce faisceau avec les autres fibres qu'il contient.La lentille est représentée dans une autre position L2 indiquée en traits discontinus. Les trajets aller et retour des rayons 16 et 17 sont alors ceux représentés en traits discontinus. En trajet retour, ces rayons sont également parallèles entre eux au sortir de la lentille et le faisceau Q couvre sur la section 15 la largeur CD de milieu F, CD étant supérieure à AB. Dans ce cas le dispositif est adapté au couplage dé la fibre 12 aux fibres d'un faisceau dont le diamètre est CD supérieur à AB ou de toute fibre dudit faisceau avec les autres fibres de ce faisceau. I1 va de soi que l'invention s'étend aussi au cas où les fibres à coupler présentent des ouvertures différentes. I1 suffit alors que le dispositif soit calculé de manière à assurer la conjugaison optique de la pupille à l'infini de la fibre de plus faible ouverture avec la section de l'extrémité du faisceau. Cette possibilité d'adaptation aux diamètres des faisceaux permet le couplage effectif d'une fibre avec toutes les autres fibres du faisceau sans introduire, au facteur de remplissage près, de pertes systématiques d'énergie autres que celles dues aux différentes réfractions ou réflexions de lumière dans le système optique. La figure 2 accompagne les considérations théoriques et techniques suivantes qui permettent de préciser les différentes formes de l'invention et ses modes de réalisation. Sous 21 est représenté le faisceau de fibres à coupler les unes aux autres, sous 22 l'élément dioptrique du coupleur schématisé sous la forme d'une lentille biconvexe et sous 23 le miroir du même coupleur, représenté ici sous la forme d'un miroir concave. 21, 22, 23 ont même axe optique 11. La distance e entre les lignes en pointillés 25 et 26, perpendiculaires à 11, représente la distance entre le point nodal image N' de l'élément dioptrique-et le miroir. La distance x' entre les lignes en pointillés 24 et 27, perpendiculaires à 11, représente la distance entre le point nodal objet N de l'élément dioptrique, et le foyer du coupleur.Pour la suite on rapporte toutes les longueurs (distances focales, intervalles entre éléments etc...) à la distance focale f de l'élé- ment dioptrique que l'on pose égale à 1. En désignant par(f la puissance du miroir et en posant z = e - 1, la condition de fixité du plan focal du coupleur dans le plan de section 15, lors du déplacement de l'élément dioptrique,s'exprime alors par la relation (2) 2z4 - 4 9 z3 + (4 - 92)Z2 + 2 tz - 2 = 0 tandis que la distance focale F du coupleur est donnée par et la distance x' par La condition de fixité du plan focal est une équation du quatrième degré en z (ou en e).Dans la pratique, ne sont des solutions utiles à l'invention que celles qui correspondent pour q donné z (positif, négatif ou nul) à x' positif, c'est-à- dire mécaniquement réalisables. Deux racines Z1,Z2 de l'équation (2) peuvent, en fait, être retenues comme solutions pratiques de l'invention, lesquelles donnent naissance à deux modes principaux de réalisation. Un premier mode, correspondant à la racine zl, conduit à des réalisations pour lesquelles les valeurs de e et x', respectivement el et xtl, sont toutes deux supérieures à 1. Un second mode, correspondant à la racine z2, conduit à des réalisations pour lesquelles les valeurs de e et x', respectivement e2 et x'2, sont toutes deux inférieures à 1. Les dispositifs selon le premier mode de réalisation, du fait des valeurs élevées de leurs distances e et x', donc aussi de leurs dimensions, présentent l'avantage autre facilement mis en oeuvre et manipulés. Par contre, ces fortes valeurs de e et x' conduisent à faire travailler l'élément dioptrique à grande ouverture. L'élément dioptrique doit donc Entre corrigé d'un grand nombre d'aberrations, ce qui implique que sa structure est relativement élaborée et comprend plusieurs lentilles. Au contraire dans les dispositifs selon le second mode de réalisation avec des valeurs de e et x' inférieures à 1, l'élément dioptrique travaille avec une faible ouverture. I1 peut alors être constitué d'une seule lentille. A titre d'exemple, il est donné dans le tableau ci-après les valeurs des caractéristiques optiques des coupleurs selon les premier et second modes de réalisation de l'invention réalisés avec un miroir plan ((9= O), lesdites carac téristiques étant rapportées à la focale f de l'élément dioptrique (f = 1). Les caractéristiques relatives aux premier et second modes de réalisa tion sont affectées de l'indice numérique, respectivement 1 et 2 f = 1 f =1 Z1 = 0,707 Z2 = 0,707 el = 1,707 e2 = 0,293 F1 =-0,707 F2 = 0,707 x'1 = 1,707 xt2 = 0,293 Les deux systèmes ont même focale résultante F au signe près. Les distances e et x' sont grandes selon le premier mode de réalisation et faibles selon le deuxiè me mode. Sur la figure 3 est représenté, à l'échelle 50 : X un exemple de réa lisation selon le second mode adapté au faisceau de fibres 21 d'angle d'ouvertu re U = 100 et de diamètre moyen D = 0,5 mm. D'après la relation (1) la focale du coupleur est F = 1,44 mm, tandis que les autres caractéristiques optiques du cou pleur, obtenues en multipliant les nombres extraits du tableau précédent, co lonne de droite, par le facteur multiplicatif 01744 = 2,036 sont 0,707 el = 0,596 mm x'l = 0,596 mm f = 2,036 mm. Un élément dioptrique dont les caractéristiques conviennent est la lentille plan convexe 33 représentée sur la figure 3. Elle est exécutée en un verre d'indice n = 1,62. Le rayon de courbure du dioptre sphérique est r = 1,26 arn et son épaisseur est MN' = 0,4 mm. Les points N et N' sont les points nodaux,respectivement objet et image,de la lentille. L'amplitude de l'excursion de la lentille le long de l'axe 11 peut atteindre tout l'intervalle qui sépare le miroir 18 de l'extrémité 15 du faisceau de fibres. La variation de la focale est alors supérieure à 60 %', ce qui permet, par exemple, une adaptation du coupleur à un faisceau de fibres de diamètre moyen 0,5 mm et dont l'angle d'ouverture des fibres varie de 7,50 à 13,80 ou, encore, à des faisceaux de fibres d'angle d'ouverture 100 et dont le diamètre du faisceau varie de 0,36 mm à 0,66 mm. I1 va de soi que, dans cet exemple, il pourrait être fait choix d'un verre plus ou moins réfringent que celui utilisé, ce qui conduirait respectivement à une augmentation ou une diminution du rayon de courbure. Une lentille qui conviendrait encore pour la réalisation de l'invention, selon ce second mode, serait encore une lentille de forme biconvexe. REVENDICATIONS 1. Dispositif coupleur optique de fibres optiques, d'égale ouverture, réunies en un faisceau dont l'extrémité est une section plane dudit faisceau orthogonaleaux fibres et polie optiquement, caractérisé en ce qu'il comprend, dans l'ordre, à partir de l'extrémité du faisceau, un élément dioptrique et un élément catoptrique dont les axes optiques sont confondus avec celui du faisceau, l'élé- ment catoptrique réfléchissant la lumière issue d'une ou plusieurs fibres vers l'extrémité du faisceau et occupant une position fixe, l'élément dioptrique étant mobile sur une certaine zone de l'axe optique, les distances focales desdits éléments et intervaIles qui les séparent étanttelles que le foyer du coupleur occupe dans la section de l'extrémité du faisceau une position fixe au deuxième ordre près par rapport au déplacement de l'élément dioptrique, tandis que pour une position dudit élément, le dispositif fait coincider l'image de la pupille à l'infini de rayonnement commune à toutes les fibres avec la section de I'extrérité du faisceau. 2. Dispositif coupleur optique, semblable à celui selon la revendication 1, de fibres d'inégales ouvertures réunies en un faisceau dont l'extrémitX est une section plane dudit faisceau orthogonaleaux fibres et polie aptiquement, caractérisé en ce qu'il comprend, dans l'ordre, à partir de l'extrémité du faisceau, un élément dioptrique et un élément catoptrique dont les axes optiques sont confondus avec celui du faisceau, l'élément catoptrique réfléchissant la lumière issue d'une ou plusieurs fibres vers l'extrémité du faisceau et occupant une position fixe, l'élément dioptrique étant mobile sur une certaine zone de l'axe aptique, les distances focales desdits éléments et intervalles qui les séparent étant telles que le foyer du coupleur occupe dans la section de l'extrémité du faisceau une position fixe au deuxième ordre près par rapport au déplacement de l'élé- ment dioptrique, tandis que pour une position dudit élément, le dispositif fait coincider l'image de la pupille à l'infini de la fibre de plus faible ouverture avec la section de l'extrémité du faisceau. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la focale du dispositif est négative et nettement plus petite en valeur absolue que la focale de l'élément dioptrique, tandis que les distances entre faisceau et élément dioptrique et entre élément dioptrique et élément catoptrique sont nettement plus grandes que la focale de l'élément dioptrique. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que sa focale est positive et nettement plus petite en valeur absolue que la focale de l'élément dioptrique, tandis que les distances entre faisceau de fibres et élément dioptrique et entre élément dioptrique et élément catoptrique sont nettement plus petites que la focale de l'élément dioptrique. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément dioptrique est une lentille biconvexe ou plan convexe et l'élément catoptrique un miroir plan.