Brevet FR2474176A1 — publié le 19810724

DISPOSITIF DE COUPLAGE DE DEUX FIBRES CONDUCTRICES DE LUMIERE L'invention concerne un dispositif de couplage optique de fibres conductrices de lumière rapidement démontable. Les dispositifs de ce genre sont utilisés pour réunir deux fibres conductrices de lumière dans les systèmes de communication utili- sant de telles fibres pour le transit d'une onde de lumière porteuse d'un signal d'information. Ces dispositifs, pour la maintenance des circuits, doivent être d'une mise en oeuvre et d'un démontage faciles. Par ailleurs, compte tenu de leur fréquence d'emploi, leur fabrication doit rester d'un prix de revient raisonnable. De plus, ils doivent être conçus de manière que le couplage optique qu'ils assurent entre les deux fibres optiques s'effectue avec de faibles pertes d'énergie. Un couplage à faibles pertes nécessite, notamment, que soient réalisés un bon alignement des axes des fibres au voisinage des extré- mités de fibre o s'effectue le couplage et un bon positionnement de ces extrémités l'une par rapport à l'autre. Le dispositif décrit dans l'article intitulé "The triple ball connecter for optical fibres", paru dans la revue Electronic Letters, 24 Novembre 1977, Vol. 13, NO 34, fournit une solution élégante pour obtenir ces bons alignement et positionnement. Dans ce dispositif, chaque fibre au voisinage du couplage, est assujettie à passer dans l'orifice calibré d'un cylindre de diamètre pratiquement identique à celui de la fibre et son extrémité vient se loger dans l'in- terstice laissé par trois billes identiques placées l'une contre l'autre, et dont les centres occupent les sommets d'un triangle équilatéral de plan perpendiculaire à la partie rectiligne de fibre située entre ledit orifice et ledit interstice, lequel de par le diamètre des billes se trouve avoir des dimensions correspondant à un diamètre de sphère, ins- crite dans cet interstice, égal à celui des fibres à coupler. Ce couplage de deux fibres s'opère en mettant en contact les deux jeux de billes re- latifs chacun à l'une des fibres, de telle sorte que chaque bille de l'un des jeux se trouve placée entre deux billes de l'autre jeu, le triangle équilatéral ayant pour sommets les centres des billes de l'un des jeux se déduisant, à une translation près, de celui ayant pour som- mets les centres de l'autre jeu, par une rotation d'angle 600 autour de 2 4 7417 6 l'axe de symétrie de ces deux triangles, lequel coîncide avec les axes des fibres. Une autre raison de perte d'énergie dans les couplages entre fibres, peut résider dans la divergence du faisceau lumineux en sortie de fibre. Du fait de cette divergence, même si les fibres sont mises bout à bout, comme dans le dispositif précédemment cité, tous les rayons de lumière sortant d'une fibre ne rentrent pas nécessairement dans l'autre. Selon l'art antérieur, -voir par exemple le brevet anglais NO 1 467 796- pour remédier à cet inconvénient, on munit chaque extrémité de fibre d'une lentille, généralement en forme de sphère, de diamètre très supérieur à celui de la fibre et dont le centre est placé sur l'axe de la fibre et le foyer sur la face frontale de la fibre. Le faisceau lumineux sortant de la face frontale d'une fibre, se trouve ainsi quasiment entièrement focalisé sur la face frontale de l'autre fibre. Il est évidemment impor- tant que soient réalisés avec précision les alignementsdes axes des fi- bres et que les centres des lentilles soient situés sur ces axes. L'un des buts de l'invention est de fournir un dispositif de couplage qui cumule, du point de vue perte d'énergie, les avantages dus à une réalisation précise de l'alignement et du positionnement des fibres l'une par rapport à l'autre et à la focalisation des faisceaux sur les faces frontales des fibres. Un autre but de l'invention est de concevoir ce dispositif de manière que le réglage et la mise en oeuvre en soient simples et le prix de revient raisonnable. Pour cela, le dispositif de l'invention utilise pour les alignements et positionnement des fibres, les structures à trois billes de l'art antérieur cité, celles-ci faisant l'objet d'adaptation et amé- nagement, de manière à pouvoir recevoir une lentille en forme de sphère optique, de foyer confondu avec le centre de chaque face frontale de fibre, lesdits adaptation et aménagement étant conçus de telle sorte que la sphère optique se trouve autocentrée par rapport à la fibre. En plus des avantages techniques présentés par ce dispositif du point de vue perte, il offre celui d'être construit à partir de constituants billes, en carbure de tungstène par exemple, disponibles dans le commerce et d'un prix peu onéreux, si bien que la construction en série du dispo- sitif peut être envisagée selon un prix de revient raisonnable. Ainsi, le dispositif de couplage de deux fibres conductrices de lumière selon l'invention est remarquable en ce qu'il comporte deux parties identiques chacune affectée à l'une des fibres et munies de moyens permettant de fixer les deux parties l'une sur l'autre tout en permet- tant leur démontage, chaque partie comportant un corps métallique évidé admettant un axe de symétrie de révolution et dont la partie interne se subdivise en un premier, second et troisième compartiments placés à la suite l'un de l'autre et communiquant ensemble, le premier étant propre à recevoir une partie gainée de fibre avec moyens de serrage de la fibre par l'intermédiaire de sa gaine, le second et le troisième propres à recevoir l'extrémité dénudée de fibre faisant suite à la partie gainée, le second comportant des moyens de guidage de la fibre dénudée en une zone de sa surface proche de la gaine, ledit troisième compartiment comportant des moyens pour guider la fibre dénudée en une zone de sa surface proche de sa face frontale et collimater tout faisceau de lu- mière sortant de ladite face frontale et de fixation de tout l'ensemble, ces moyens étant constitués d'un premier cylindre à base plane perpendi- culaire à l'axe de symétrie sur laquelle base vient s'appliquer un pre- mier jeu de trois billes sphériques identiques,dites de guidage, placées l'une contre l'autre, leurs centres occupant les sommets d'un triangle équilatéral de plan parallèle à ladite base, l'interstice entre billes étant centré sur l'axe du cylindre et occupé par la fibre au voisinage de sa face frontale, le diamètre de la sphère inscrite dans cet inters- tice étant sensiblement égal à celui de la fibre, sur lesquelles billes du premier jeu et paroi latérale dudit premier cylindre viennent s'ap- pliquer les trois billes identiques d'un second jeu,dites de serrage, chaque bille dudit deuxième jeu étant placée entre deux billes du pre- mier jeu, ledit troisième compartiment comportant encore un deuxième cylindre débouchant du premier cylindre, ledit second cylindre servant de logement à une lentille en forme de sphère optique s'appuyant sur l'ensemble des trois billes dudit second jeu, ledit troisème cylindre comportant à son intérieur des moyens permettant la fixation de la len- tille en pression sur les billes dudit deuxième jeu, le corps métallique se terminant du côté sphère optique selon une surface plane, dite de référence perpendiculaire à son axe de révolution, le long de laquelle s'effectue, lors du couplage des fibres, l'accouplement des deux parties du dispositif, lesdits axes de révolution des deux parties étant placés dans le prolongement l'un de l'autre. 2 74i7176 Selon une première variante, le second compartiment a la forme d'un cylindre de diamètre sensiblement égal à celui de la fibre dénudée, lequel assure de lui-même le guidage de la fibre selon une zone de surface de fibre voisine de la partie gainée. Selon une deuxième variante, le second compartiment pré- sente des dimensions internes plus grandes que le diamètre de la fibre dénudée et sert au logement d'un jeu de trois billes de guidage placées en triangle et identiques à celles dudit premier jeu précédent et à celui d'une entretoise située entre le jeu nouvellement introduit et ledit premier jeu, si bien que la longueur de fibre située entre deux zones guidées de surface de fibre, laquelle dépend de la longueur de l'entre- troise, peut être rendue très grande au gré du choix de l'entretoise, ce qui permet d'assurer une bonne superposition de l'axe de la fibre avec l'axe optique de la sphère optique. Selon une troisième variante, le jeu de billes de guidage nouvellement introduit précédemment, est remplacé par un rubis cylindrique percé,de diamètre interne sensiblement égal à celui de la fibre dénudée. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode de réalisation de l'invention selon plusieurs de ses variantes, accompagnée de dessins qui représentent: - figure 1 un schéma illustrant le problème technique à résoudre. - figure 2 une vue en coupe par un de ses plans de symétrie d'un dispositif de couplage selon une première variante d'un mode de réa- lisation de l'invention. - figure 3: une vue de face, côté couplage,perpendiculaire- ment à l'axe de révolution,des jeux de billes de centrage et serrage de cette variante. - figure 4: une vue partielle en coupe par un de ses plans de symétrie d'une seconde variante de ce mode de réalisation. - figure 5: une vue partielle en coupe par un de ses plans de symétrie d'une troisième variante de ce mode de réalisation. Sur la figure 1, les deux parties identiques du dispositif de couplage à construire, représentées en coupe, portent les repères respectivement 11 et 12. Les deux fibres à coupler sont 13 et 14 d'axes respectifs 15 et 16 et dont les centres des faces frontales sont respec- tivement 1 et 2- Le couplage doit s'effectuer à l'aide des sphères 2 47 41 76 optiques 17 et 18 de centres respectifs C1 et C2 et dont les foyers res- pectifs doivent être situés respectivement en 01 et 2. Le couplage des fibres s'effectue par mise en contact des parties 11 et 12 selon leurs faces planes respectives 19 et 20, dites de référence. La figure 1 illus- tre les différentes conditions mécaniques à réaliser pour le positionnement et l'alignement des fibres et lentilles pour que les pertes de couplage soient le plus faible possible. Les droites 01 C1 et 02 C2 doi- vent être perpendiculaires aux faces 19 et 20 de référence (condition 1). D'autre part, l'angle éventuel entre 01 C1 ou 02 C2 et l'axe de fibre associée,par exemple l'angle at représenté entre 1 C1 et 15, doit être aussi réduit que possible (condition 2). De même la distance 6 entre les droites 1 C et 02 C2 doit être aussi réduite que possible (condition 3). Les moyens utilisés pour réaliser ces conditions apparais- sent sur la figure 2 représentant en coupe par l'un de ses plans de sy- métrie la partie.1 du dispositif selon une variante d'un mode de réa- lisation de l'invention. L'axe de symétrie est repéré sous 21. Cette partie 11 comporte un corps métallique évidé dont l'intérieur est divisé en trois compartiments communiquant entre eux, à savoir, un premier com- partiment constitué essentiellement du cylindre 22 et un troisième com- partiment constitué des cylindres 23 et 24, lesdits premier et troisième compartiments communiquant à l'aide du second compartiment constitué du cylindre 25. Dans le cylindre 22 viennent se loger la portion gainée 26 de fibre et en partie les moyens de serrage de la fibre à l'intérieur de ce cylindre. Ces moyens de serrage comportent par exemple le presse étoupe 27 mis en compression à l'aide de la partie biseautée 28 soli- daire de la vis de serrage 29 se vissant en 30 sur la face externe du corps métallique. La portion 31 de fibre dénudée constituant l'extrémité d'une fibre et faisant suite à la partie gainée 26, débouche dans ledit troisième compartiment après avoir traversé le cylindre 25 de diamètre très voisin de celui de la fibre dénudée. A l'intérieur du cylindre 23 vient se placer autour de la fibre dénudée un premier jeu de trois billes identiques, dites de guidage. Sur la figure 2 seule une de ces billes est représentée sous le numéro 32. Ces billes prennent appui sur la base 33 du cylindre 23, elles sont placées l'une contre l'autre, leurs cen- tres occupant les sommets d'un triangle équilatéral de plan parallèle à 33. Le diamètre des billes est tel, que le diamètre de la sphère inscrite dans l'interstice entre les trois billes, lequel est occupé par 2 $7 4 i7 6 la fibre dénudée, est très sensiblement égal à celui de la fibre. Les billes sont disposées de manière que le centre de cet interstice soit situé sur l'axe de symétrie 21. Sur la figure 3 ces billes et fibres apparaissent vues parallèlement à l'axe 21, elles portent toutes le nu- méro 32. Ces billes de guidage 32 sont maintenues en position à l'aide d'un deuxième jeu de billes identiques, dites de serrage, également logées dans le cylindre 23. Sur la figure 2, seule l'une de ces billes est représentée sous le numéro 34. Ces billes sont disposées en triangle, chacune d'elles prenant appui à la fois sur deux billes de guidage du 1o premier jeu et sur la paroi latérale du cylindre 23. Cette disposition apparaît sur la figure 3, les billes du deuxième jeu étant toutes af- fectées du numéro 34, le cylindre 23 étant représenté sous la forme d'un cercle. Le diamètre des billes dudit second jeu peut être égal à celui des billes dudit premier jeu ou lui être supérieur. Sur la figure 2 est représentéesous 36 une sphère optique située dans le cylindre 24. Cette sphère ce centre C1 repose en pression sur l'ensemble des trois billes dudit second jeu. Du fait de la géométrie des constituants utilisés, le centre C1 se trouve situé sur l'axe 21, lui-même confondu avec l'axe de la fibre dans sa partie dénudée 31. Le diamètre de la sphère optique 36 est choisi et la partie gainée de fibre 26 positionnée au cours de son serrage dans le cylindre 22, de manière que le centre 1 de la face frontale de la portion de fibre dénudée 31 coïncide avec le foyer de ladite sphère optique. Le maintien en pression de l'ensemble constitué par les billes des premier et second jeux et de la bille optique est obtenu à l'aide de moyens situés dans le cylindre 24 par exemple le clip élastique 37 logé partiellement dans l'encoche 38 de la paroi du cy- lindre 24. Pour satisfaire à la condition 1, le corps métallique du côté sphère optique se termine selon la face 19, dite de référence perpendi- culaire à l'axe 21 qui, par construction, se trouve devoir se confondre avec celui de la fibre optique. Cette confusion, correspondant à la sa- tisfaction de la condition de nullité de l'angle entre l'axe de fibre et l'axe 21 (condition 2), est d'autant mieux assurée que la longueur 1 de fibre dénudée s'étendant entre les points de contact de la fibre avec les billes 32 et l'entrée du cylindre 25 est grande. Dans la pratique, cette longueur 1 est par exemple égale à 10 fois le diamètre de la fibre. Certaines variantes de l'invention permettent d'accroître considérable- ment cette longueur. _ 176 L'accouplement des deux fibres s'effectue en plaçant en con- tact les surfaces de références 19 et 20 des parties 11 et 12, telles eue décrites, les bords extérieurs des corps métalliques de chacune d'elles étant mis en coïncidence et maintenus par des moyens de fixation non re- présentés. De par la symétrie de révolution des corps métalliques, la condition 3 (axe des fibres dans le prolongement l'un de l'autre) se trouve réalisée. Une telle variante apparaît à la figure 4. Cette figure représente en coupe par un plan de symétrie, une vue partielle de la moitié de la partie 11 du dispositif au niveau de la fixation et du gui- dage de la partie dénudée de fibre 31. Il est bien entendu que cette partie 11 comporte de part et d'autre de ces fixation et guidage, lesdits premier et troisième compartiments décrits à propos de la figure 2. Sur la figure 4 on retrouve l'axe 21 et la portion de fibre dénudée 31. Le cylindre 25 de la figure 2 est remplacé par le tronc de cône 41 prolongé du cylindre 42 dont le diamètre de la section est très supérieur à celui de la fibre. A l'intérieur du logement constitué se trouve un jeu de trois billes identiques à celui 32 de la figure 2, puis une entretoise 43 en forme de tronc de cylindre creux dont le diamètre externe est égal au dia- mètre du cylindre 42 et le diamètre interne légèrement supérieur à celui de la fibre 31 et dont les faces 44, 45 sont perpendiculaires à la fibre. La fibre est guidée par deux jeux de trois billes: d'une part, le jeu 32 de la figure 2 en butée sur la face 45, d'autre part, le jeu 46 en butée sur 41 et la face 44. La longueur 1 de fibre guidée est fonction de la longueur de l'entretoise 43 et peut donc être augmentée au gré du choix de celle-ci. Viennent s'appliquer sur le jeu de bille 32, le jeu de billes 34 de la figure 2, puis la bille optique 36, l'ensemble étant maintenu en pression comme expliqué à propos de la figure 2. Une autre variante apparaît à la figure 5 représentant éga- lement une vue partielle en coupe d'une moitié de la partie 11 au niveau de la fixation et du guidage de la partie dénudée de fibre 31. On retrouve sur cette figure l'axe 21 et la portion de fibre 31. Le cylindre 25 de la figure 2 est remplacé par un cylindre 50 de plus grand diamètre à l'inté- rieur duquel est placé un rubis synthétique 51 en forme de cylindre creux, de diamètre externe égal à celui du cylindre 50 et de diamètre interne sensi- blement égal à celui de la fibre. Une entretoise similaire à l'entretoise 43 de la figure 4 vient en butée selon sa face 44 sur le rubis. Par ailleurs, viennent en butée contre la face 45 de l'entretoise un jeu de 2 47 4176 billes 32 identique à celui des figures 2 et 4, lui-même étant maintenu en pression et positionné à l'aide du jeu de billes 34, de la bille opti- que 36, et des moyens de mise en pression situé dans le cylindre 24. La fibre est guidée par le cylindre interne du rubis et le jeu de billes 32, la longueur 1 de fibre guidée étant comme précédemment fonction de la longueur de l'entretoise 43. _7 i' 76 -9- REVENDICATIONS 1- Dispositif de couplage de deux fibres conductrices (13), (44) de lumière, caractérisé en ce qu'il comporte deux parties identiques (41), 42 chacune affectée à l'une des fibres et munies de moyens permettant de fixer les deux parties l'une sur l'autre tout en permettant leur démontage, chaque partie comportant un corps métallique évidé admettant un axe de symétrie de révolution (21) et dont la partie interne se subdivise en un premier,(22) second (25) et troisième (23) (24) compartiments placés à la suite l'un de l'au- tre et communiquant ensemble, le premier étant propre à recevoir.rne partie gainéede fibre avec moyens de serrage de la fibre par l'inter- médiaire de sa gaine, le second et le troisième propres à recevoir l'extrémité dénudée de fibre faisant suite à la partie gainée, le second comportant des moyens de guidage de la fibre dénudée (31) en une zone de sa surface proche de la gaine (26), ledit troisième compartiment comportant des moyens pour guider la fibre dénudée en une zone de sa surface proche de sa face frontale et collimater tout faisceau de lumière sortant de ladite face frontale et de fixation de tout l'ensemble, ces moyens étant constitués d'un premier cylin- dre (23) à base plane perpendiculaire à l'axe de symétrie sur laquelle base vient s'appliquer un premier jeu (32) de trois billes sphériques identiques dites de guidage, placées l'une contre l'autre, leurs centres occupant les sommets d'un triangle équilatéral de plan paral- lèle à ladite base, l'interstice entre billes étant centré sur l'axe du cylindre et occupé par la fibre au voisinage de sa face frontale, le diamètre de la sp@re inscrite dans cet interstice étant sensible- ment égal à celui de la fibre, sur lesquelles billes du premier jeu et paroi latérale dudit premier cylindre viennent s'appliquer les trois billes identiques d'un seconc jeu (34) dites de serrage, chaque bille dudit deuxième jeu étant placée entre deux billes du premier jeu, ledit troisième compartiment comportant encore un deuxième cylindre (24) débouchant du premier cylindre (23) ledit second cylindre servant de logement à une lentille (36) en forme de sphère optique s'appuyant sur l'ensemble des trois billes dudit second jeu, ledit second cylindre comportant à son intérieur des moyens permet- tant la fixation de la lentille en pression sur les billes dudit deuxième jeu, le corps métallique se terminant du côté sphère optique 44I 'i 76 - 10 _ selon une surface plane (19), dite de référence, perpendiculaire à son axe de révolution, surface le long de laquelle s'effectue lors du couplage des fibres, l'accouplement des deux parties du disposi- tif, lesdits axes de révolution des deux parties étant placés dans le prolongement l'un de l'autre. 2- Dispositif de couplage selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le second compartiment a la forme d'un cylindre de diamètre sensiblement égal à celui de la fibre dénudée, lequel assu- re de lui-même le guidage de la fibre selon une zone de surface de fibre voisine de la partie gainée. 3- Dispositif de couplage selon la revendication 1, carac- térisé en ce que ledit second compartiment est constitué d'un tronc de cône (41) prolongé d'un cylindre (42) dont le diamètre de la section est très supérieur à celui de la fibre, lequel second compar- timent sert de logement à des moyens de guidage de la fibre dénudée au voisinage de la partie gainée, lesquels moyens sont constitués d'un dit troisième jeu (46) de trois billes identiques à celles dudit premier jeu, placées en butée contre la paroi latérale du tronc de cône, et à une entretoise (43) en forme de tronc de cylin- dre creux, de diamètres externe et interne respectivement égal à celui du cylindre constitutif dudit second compartiment et supérieur à celui de la fibre dénudée et dont les faces (44) (45) sont perpen- diculaires à l'axe (21) du dispositif, l'une de ces faces (44) étant au contact du troisième jeu de billes et l'autre (45) constituant la base dudit premier cylindre dudit troisième compartiment. - 4- Dispositif de couplage selon la revendication 1, carac- térisé en ce que ledit second compartiment est constitué d'un tronc de cylindre (50) de diamètre très supérieur à celui de la fibre, lequel sert de logement à des moyens de guidage de la fibre dénudée au voisi- nage de la partie gainée, lesquels moyens sont constitués d'un rubis synthétique (51) en forme de cylindre creux de diamètre externe égal à celui du cylindre constitutif dudit second compartiment et de diamètre interne sensiblement égal à celui de la fibre et à une entretoise (43) en forme de cylindre creux de diamètres externe et interne respectivement égal à celui dudit second compartiment et supérieur à celui de la fibre dénudée, et dont les faces sont per- 4 '176 - il - pendiculaires à l'axe du dispositif, l'une (44) étant contact du rubis et l'autre (45) constituant la base dudit premier cylindre dudit troisième compartiment.