Brevet FR2475240A1 — publié le 19810807

La présente invention concerne les coupleurs optiques et, plus particulièrement, un coupleur à fibres optiques munies de réflecteurs dichroiques qui transmettent ou réfléchissent sélectivement la lumière propagée dans les fibres associées. Un diviseur de faisceau optique est un dispositif de couplage optique par lequel un faisceau de lumière incident peut être réparti en deux faisceaux à transmettre à d'autres circuits de type varié inclus dans des chemins optiques différents. Un tel coupleur, ou diviseur de faisceau, est applicable à un grand nombre de systèmes optiques pour lesquels il fournit une souplesse de fonctionnement accrue. Le multiplexage de longueur d'onde est, par exemple, un concept de plus en plus important dans l'étude des systèmes à fibres optiques. On dispose actuellement de sources d'énergie lumineuse dans la région des 0,8 à 0,9 ym pour laquelle les fibres optiques ont de faibles pertes et d'autres sources ou détecteurs sont utilisés à différents stades de développement pour des longueurs d'onde supérieures à 1 pm. L'utilisation de coupleurs appropriés permet de multiplexer et.démultiplexer ces sources dans un système donné de manière à augmenter la capacité de transmission du système, à assurer la sécurité des informations entre les différentes voies de communication ou à obtenir d'autres avantages comme la possibilité de transmission bidirectionnelle sur une seule fibre. En conséquence, la présente invention se propose de réaliser un coupleur optique permettant d'assurer efficacement, entre autres, la fonction précitée. Ce coupleur doit pouvoir être utilisé en diviseur de faisceau ou en multiplexeur, selon les besoins, et doit être adapté à une transmission bidirectionnelle, tout en étant robuste, fiable et de petites dimensions. Un coupleur à division de faisceau conforme à l'invegtion utilise des revêtements à propriété dichroique évaporés ou déposés sur l'extrémité biseautée d'une fibre optique pour déterminer la réflexion et la transmission d'un faisceau lumineux propagé par la fibre et permettre ainsi un couplage sélectif du faisceau. Selon la caractéristique principale de l'invention, un dispositif de couplage optique comprend une première fibre optique dont l'extrémité frontale est taillée en biseau, un revêtement diélectrique multicouche à propriété dichroique déposé sur la face biseautée de la fibre et capable de réfléchir et transmettre un faisceau lumineux propagé par la fibre, une seconde fibre optique dont l'extrémité frontale est biseautée symétriquement et est adjacente à l'extrémité frontale de ln première fibre, de manière à former une 2 2475240 interface qui permet à la lumière transmise par le premier biseau de se propager dans la seconde fibre, et un moyen optique placé transversale- ment à ladite interface et conçu pour-recevoir seulement la lumière réfléchie depuis ladite interface par ledit revêtement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent - la figure 1, une coupe schématique d'un coupleur à division de faisceau utilisant des revêtements dichroïques conformément à l'invention; - la figure 2, une coupe radiale d'une fibre optique selon la ligne 2-2 de la figure 1 - la figure 3, une vue de côté d'une extrémité de fibre revêtue de couches multiples de matériaux diélectriques dichroiques - la figure 4, un schéma d'une installation d'alignement des fibres optiques pour la fabrication d'un coupleur conforme à l'invention. Pour bien comprendre la nature du dispositif de la figure i il est utile de considérer d'abord le fonctionnement d'un simple miroir dichroique utilisé pour transmettre et recevoir un flux lumineux de différentes longueurs d'ondes sur un trajet aérien typique. Les propriétés optiques d'un miroir dichroique se fondent Sur le renforcement et l'atténuation de l'intensité lumineuse par interférence des rayons réfléchis et transmis par des couches successives de matériaux d'indice de réfraction différents. Comme les milieux absorbant les ondes lumineuses sont carac- térisés par un indice de réfraction complexe, le coefficient d'absorption optique d'un milieu cristallin est une fonction de la direction de propagation de la lumière dans le cristal et de son mode de polarisation. Le terme de pléochroisme concerne les différents effets entraînés par la relation du coefficient d'absorption avec la direction et la polarisation de la lumière. Le même phénomène physique est souvent traduit par le terme-de dichroisme qui met l'acdent sur les deux coefficients d'absorption différents associés aux deux modes de propa- gation orthogonaux dans une direction particulière. Le minerai naturel d'aluminium,appelé tourmaline, est un exemple classique de matériau dichroique. Il comprend des borosilicates d'aluminium de diverses compositions, le plus couramment, environ]fJ)'F de B203, 20 à 40% de AL203 et 35 à 40% de SiO2 avec quelques traces de pn. et Cr substitués à des atomes de AL. La tourmaline absorbe fortement le rayon ordinaire pour toutes les couleurs du spectre de la lumière visible et une plaque de quelques millimètres d'épaisseur coupée parallèlement à l'axe principal et utiliseecomme filtre d'un faisceau lumineux non polarisé fournit un faisceau émergent constitué presque entièrement du rayon extraordinaire. Le matériau polarisant connu sous le nom déposé de "Polarold" est une feuille de petits cristaux organiques.orientés, fortement dichrol- ques. Il existe de nombreux autres matériaux dichroiques et pléochroiques qui peuvent être utilisés pour la présente invention. L'état actuel de la technologie permet d'obtenir des propriétés de transmission et de réflexion dichroiques (similaires aux caractéristiques de transmission optique d'une seule couche de matériau dichroique) avec des revêtements diélectriques multicouches. L'emploi de couches diélectriques adéquates permet donc de réaliser des réflecteurs dichroiques dont les propriétés de transmission et de réflexion dépendent largement de la longueur d'onde et de la polarisation de la lumière. Le terme de dichroisme est utilisé ici pour caractériser l'absorption et la transmission sélective de la lumière en fonction de sa longueur d'onde, mais indépendamment de son plan de vibration. La technologie précitée est utilisée pour produire des fibres optiques à caractéristiques de transmission et de réjection excellentes. lin miroir dichroique réfléchissant les ondes de 1,06 pjm et transmettant celles de 0,84 pm peut avoir une réflectivité supérieure à 99%D et une transmittivité de 82%o pour ces longueurs d'ondes, avec un nombre de couches de matériau dichroique aussi faible que 15 à 17. Ainsi l'efficacité de couplage devrait être de l'ordre de -0,86 dB en transmis- sion et de -0,04 dB en réflexion. On se reporte maintenant à la figure 1 qui représente un schéma d'un diviseur de faisceau dichroique à fibres 10. Les références numériques 14 et 15 concernent les parties dénudées de deux fibres optiques noyées dans un composé d'enrobage approprié 16, par exemple une résine époxyde. Les. fibres débarrassées de leur gaine de protection sont coupées à un angle d'environ 45 pour former une interface 30. Elles sont ensuite réunies bout à bout après la déposition d'un réflecteur dichroique multicouche à l'extrémité d'une fibre et dans l'interface 30, par une technique d'évaporation. L'angle de 45" n'est donné qu'à titre d'exemple et des angles compris entre 20 et 450 pourraient convenir aussi bien. Le coupleur 10 de la figure 1 comprend essentiellement trois fibres optiques 14, 15 et 17-fixées les unes par rapport aux autres dans un composé d'enrobage approprié 16 et couplées optiquement par un miroir 4 2475240 dichroique déposé sur laàsurface frontale biseautée de la fibre 14 ou 15, ou de ces deux fibres. Les parties dénudées des fibres fixées dans le support 16 en résine époxyde sont représentées en coupe par la figure 2. Elles comprennent un coeur 20 entouré d'un revêtement concentrique 21, lui-même entouré d'un substrat également concentrique 22. Les fibres 14 et 15, associées respectivement à un accès d'entrée ou de sortie, 1 et 2, sont entourées par un tube métallique respectif 23, 24 autour de la zone de transition entre leur partie dénudée et leur partie munie de la gaine extérieure. Une autre fibre 17 comportant une certaine longueur dénudée dans le matériau 16 a sa surface frontale en contact ou au voisinage de l'interface 30 entre les fibres 14 et 15. Cette dernière fibre est égale- ment entourée d'un tube métallique 25 à sa sortie du support 16 o elle constitue un troisième accès. La fibre 17 est perpendiculaire aux deux autres et son extrémité est légèrement décalée d'un côté de l'interface pour recevoir le maximum de lumière réfléchie. Comme elle est construite d'une seule pièce, la configuration de la figure 1 est très robuste. La force de maintien des fibres dépend de la combinaison de leurs longueurs dénudées et des techniques de traitement utilisées pour assurer l'adhérence du composé d'enrobage sur ces longueurs. L'ensemble constitue un parallélépipède d'environ x 25 x 12,5 mm sans compter les sorties des fibres. Les étapes de fabrication de ce coupleur dichroique de fibres optiques sont les suivantes: - 1) Retrait de la gaine extérieure et nettoyage d'une portion de fibre 2) Attaque du substrat tubulaire d'une fraction de la partie dénudée 3) Enrobage 4) Polissage 5) Application du revêtement dichroique 6) Assemblage La première étape implique le dénudage mécanique de la fibre sur la longueur voulue pour en oter la gaine extérieure faite d'un matériau élastomère approprié qui sert de protection et de support aux couches représentées figure 2. L'opération de dénudaqe est suivie par un nettoyage aux ultrasons pour entraîner tous les résidus de la gaine dans un substrat approprié du matériau qui la constitue. La seconde opération consiste à attaquer sélectivement le substrat 22 entourant les couches optiques de la fibre. Elle est effectuée avec un agent chimique adéquat, tel qu'un acide, pour augmenter i -- 2475240 le couplage entre les fibres 14 et 15 et la fibre transversale 17 associée à l'accès 3. L'enrobage s'effectue dans un moule au moyen du composé choisi, pour fixer la fibre avant de la couper en deux parties constituant les deux fibres 14 et 15. Les tubes 23, 24, en métal ou autre matériau approprié, sont mis en place dans le moule avant l'insertion de la fibre, puis le composé d'enrobage.est ajouté et durci par chauffage à différentes températures. La fibre ainsi enrobée est coupée dans le moule et les surfaces frontales des deux sections sont polies. L'extrémité coupée d'une section de fibre 14 ou 15 représentée figure 3 est polie par des techniques classiques de polissage à fini optique. Une certaine quantité de matériau 31 est retirée par moulage pour réduire la possibilité d'une séparation des extrémités des fibres due à un mauvais alignement de leurs surfaces frontales pendant l'opération d'assemblage. Après leur polissage, les surfaces frontales des fibres sont revêtues de plusieurs couches dichroiques 35, 36 (figure 3). Elles sont nettoyées puis revêtues d'un matériau diélectrique par une technique classique d'évaporation pour former un miroir dichroique. L'opération d'assemblage comprend une première étape dans laquelle la fibre 15 est montée sur la partie mobile 40 d'un positionneur à trois axes. La fibre 14 est montée sur la partie fixe 41 de ce positionneur. L'alignement des fibres est réglé de façon classique au moyen d'une source de lumière et d'un détecteur fournissant un signal d'amplitude maximale quand l'alignement optimal est atteint. L'interface est alors remplie de résine époxyde qui est durcie par traitement thermique. La phase finale d'assemblage consiste à percer un trou,,dans la résine d'enrobage pour permettre l'insertion de la fibre 17. Le perçage est contrôlé au microscope par focalisation sur le côté poli de l'assemblage, pour obtenir une séparation minimale entre les fibres. La fibre 17 est mise en place avec son tube 25, en métal ou tout autre matériau approprié, et ils sont liés avec le reste de l'assemblage par un nouveau processus - d'enrobage. La technique ainsi décrite n'est qu'une manière de fabriquer un tel coupleur et d'autres méthodes sont, bien sûr, utilisables. La sélection des caractéristiques fonctionnelles des accès associés aux trois fibres est déterminée par la géométrie du coupleur in de la figure 1. Cette géométrie indique que l'accès 2 (fibre 15) est la seule entrée à couplage optique direct avec les deux autres accès 1 et 3. Le couplage entre l'accès 2 et les deux autres est différent, par 6 2475240 inhérence, puisque la transmission de l'accès 2 à l'accès 3 implique une division du faisceau dans une région non guidéece qui n'est pas le cas, dans les deux sens de transmission, entre les accès 1 et 2. Combiné à d'autres aspects de la configuration des liaisons optiques, ce dernier point influence le choix des accès d'entrée et de sortie du coupleur. On note que les fibres 17 et 15 peuvent être de type et de diamètre différents. Dans le diviseur de faisceau 10, le faisceau tombant sur les couches dichroiques n'est pas collimaté mais contient des rayons inclinés sur l'axe de la fibre jusqu'à un angle limite défini par les indices de réfraction des matériaux de la fibre. Avec une fibre d'ouverture numérique 0,22 et d'indice de réfraction 1,47, le demi-angle maximal du rayonnement guidé dans la fibre est 8,60 (12,70 à l'extérieur de la fibre) . Si l'interférence destructive optimale des rayons réfractés est choisie pour un angle d'incidence de 450 sur l'axe de la fibre (nd cos 45 ="'/2), l'écart de phase par rapport aux conditions optimales est de 0,4 pour les angles extrêmes. Les propriétés de transmission et de réflexion du miroir dichroique de la fibre ne sont donc que légèrement dégradées par rapport aux résultats obtenus avec un faisceau collimaté. Si l'on considère cependant des fibres à saut d'indice et à gradient d'indice ayant la même différence d'indice de réfraction entre le revêtement et la région centrale du coeur, la fibre à gradient d'indice assure une plus grande concentration du rayonnement le long de son axe et entraîne donc une dégradation effective plus faible que la fibre à saut d'indice. Les caractéristiques importantes du coupleur 10, comme les pertes d'insertion pour les faisceaux transmis et réfléchis et la réjection de la diaphonie, dépendent des performances des revêtemets dichroiques ou couches 35,36. De tels revêtements dichroiques sont utilisés pour transmettre des ondes lumineuses de 0,8 à 0,91um et fournir un maximum de réflexion dans la région de 1 pm. Ce sont donc - des revêtements passe-haut (en fréquence)ét il.existe des revêtements complémentaires qui réfléchissent les ondes de la qamme---,8 à 0,9Pum et transmettent les longueurs d'ondes supérieures à 1 pjm. Avec les présents matériaux, les revêtements passe-haut présentent 80% de transmission et environ 75% de réflexion, mais une performance de 80%0 est possible aussi bien en transmission qu'en réflexion. Le coupleur introduit une perte de 2 dB sur la voie de transmission ou de réflexion quand on utilise des fibres 14 et 15 à gradient d'indice ayant un diamètre de coeur de 55 jum et une ouverture 7 t 2475240 numérique de 0,26, et une fibre 17 à saut d'indice ayant un coeur de pm de diamètre. La diaphonie due à la dispersion interne au dispositif ou à d'autes imperfections a été mesurée et le niveau obtenu est de -40 dB en dessous du niveau d'entrée. En résumé, des dispositifs de duplexage de longueurs d'ondes et de transmission bidirectionnelle peuvent être réalisés au moyen du coupleur précédemment décrit. Les avantages principaux de ce coupleur sont sa robustesse, sa compacité et son faible coût. - Outre la caractéristique de couplage bidirectionnel du dispositif de l'invention, on peut fabriquer une grande variété de dispositifs passifs à fibres optiques comme des coupleurs de sources optiques telles que les lasers, des coupleurs de communications par fibres optiques des dispositifs d'accès à des lignes omnibus de données et des diviseurs de faisceau. Tous ces composants sont compacts et solides et se raccordent facilement aux sources et détecteurs optiques des systèmes qui les utilisent, via les accès 1 à 3. Comme on l'a vu précédemment, des surfaces de réflexion à couches dichroiques multiples peuvent être obtenues par la déposition de couches diélectriques adéquates, de manière que les sections juxtaposées du coupleur agissent sur les faisceaux lumineux en fonction de leur longueur d'onde ou de leur fréquence. Des couches diélectriques telles que du sulfure de zinc, du dioxyde de titane ou du fluorure de magnésium et d'autes matériaux peuvent être déposées pour constituer des surfaces réfléchissantes dichroiques à des longueurs d'ondes lumineuses particulières. Il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple non limitatif et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. 2475240- REVENDICATIONS 1. Dispositif de couplage optique caractérisé par le fait qu'il comprend une première fibre optique (15) à surface frontale biseautée sous un angle donné, une couche relativement mince de matériau dichroique déposée sur cette surface frontale pour réfléchir et transmettre un faisceau lumineux propagé dans ladite première fibre, une seconde fibre optique (14) à surface frontale biseautée sous ledit angle et placée parallèlement à la surface frontale de ladite première fibre à une distance définissant une interface (30) qui permet la propagation dans ladite deuxième fibre de la lumière transmise par ladite couche mince de la première surface, et un moyen optique (17) placé transversalement à ladite interface et conçu pour recevoir seulement la lumière réfléchie par ladite.couche mince. 2. Dispositif de couplage optique conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit angle donné est égal à 450. 3. Dispositif de couplage optique conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites première et seconde fibres (15,14) sont maintenues dans la position déterminant ladite interface (30) par un enrobage de résine époxyde (16). 4. Dispositif de couplage optique conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit moyen optique est constitué par une troisième fibre optique (17) dont la surface frontale est placée très près de ladite interface pour recevoir ladite lumière réfléchie. 5. Dispositif de couplage optique conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux premières fibres optiques proviennent d'une même fibre qui est coupée à un endroit choisi %ous ledit angle donné. 6. Dispositif de couplage optique conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite première fibre (15) comporte une - première section formée d'un coeur (20) et d'une couche concentrique de revêtement (21), la surface frontale taillée en biseau constituant l'extrémité libre de cette première section, et une seconde section dont le coeur et le revêtement sont le simple prolongement de la première et sont entourés d'une couche de substrat (22), l'extrémité de cette seconde section opposée à ladite surface frontale -biseautXe étant adaptée pour son ràccordement à une source de lumière. 7. Dispositif de couplage optique conforme à la revendication6G caractérisé par le fait que ladite seconde fibre (14) peut aussi être décomposée en deux sections continues respectivement équivalentes aux première et seconde sections de ladite première fibre. ?475244 8. Dispositif de couplage optique conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite couche mince de matériau dichroïque et une couche composée d'une pluralité de revêtements (35,36) déposés l'un sur l'autre, et capable de réfléchir et de transmettre la lumière en fonction de son épaisseur. 9. Dispositif de couplage optique conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il peut être utilisé comme diviseur de faisceau avec un accès respectif (1,2,3) situé à l'extrémité éloignée de l'inter- face de chacune des trois fibres (14,15,17) et adapté pour recevoir une 11 suurce de lumière, des ondes lumirneuses issues d'un accès étant propagées vers les deux autres accès. 10. Dispositif de couplage optique conforme à la revendication 4, caractérisé par le fait que ladite troisième fibre optique (17) est oriJatée transversalernent sur ladite interface (30).