Brevet FR2503360A1 — publié le 19821008

DISPOSITIF EMETTEUR DE RAYONNEMENT OPTIQUE A PRELEVEMENT La présente invention concerne un dispositif émetteur de rayonnement optique à prélevement, un tel dispositif peut, par exemple, trouver application dans les systèmes de liaison par fibre optique. Dans les systèmes de ce type l'information à transmettre est envoyée sous forme d'énergie lumineuse, l'intensité lumineuse devant être modulée en conformité avec un signal électrique d'entrée. Pour s'assurer de cette conformité, il faut recourir à un système d'asservissement muni d'un prélevement optique. A cet effet, une boucle de contre-réaction est utilisée conjointement avec un photodétecteur grâce auquel on peut, en faisant appel à une relation de proportionnalité connaître l'intensité du rayonnement transmis. Un tel système d'asservissement, connu de l'art antérieur, est décrit dans le brevet FR-2 277 492. Ce système, tel que décrit dans le brevet sus-mentionné, présente de nombreux inconvénients. Ainsi du fait de leur position, latéralement par rapport à la source photoémissive, les moyens photodétecteurs ne reçoivent que des rayons marginaux issus de la source photoémissive. Compte-tenu des dispersions de fabrication il arrive que la fraction de rayons marginaux effectivement captés ne représente pas toujours une proportion de l'énergie lumineuse réellement transmise dans le guide d'onde à fibre optique. De plus ces rayons marginaux parviennent en faible quantité sur les moyens photodétecteurs. Le signal obtenu est difficilement exploitable car de faible niveau, entaché d'erreurs et de bruit de fond. A ceci vient s'ajouter les difficultés pour positionner correctement les moyens photodétecteurs. Une solution consistant à augmenter la taille des moyens photodétecteurs, si elle est satisfaisante pour l'augmentation du rapport signal à bruit, a pour inconvénient d'augmenter la capacité répartie qui rapportée à l'entrée de la boucle de contre réaction se traduit par des temps de montée et des temps de réaction trop longs donc incompatibles avec le bon fonctionnement du système. La présente invention se propose de résoudre tous ces problèmes à savoir d'augmenter le signal détecté, celui-ci étant réellement significatif de l'énergie transmise, d'avoir des temps de montée brefs et des temps de réaction courts, de permettre un dispositif ou les moyens photodétecteurs sont facilement positionnable et qui se prêtent mieux à la fabrication en grande série. La présente invention a pour objet un dispositif émetteur de rayonnement optique à prélevement comportant une source photoémissive associée à un guide d'onde à fibre optique, la surface émissive de ladite source étant placée en vis à vis de la face d'extrémité de ladite fibre optique et un moyen photodétecteur prélevant une fraction du rayonnement optique issu de ladite source caractérisé en ce que ledit moyen photodétecteur comporte un passage central, le guide d'onde à fibre optique traversant ledit passage central, la surface réceptrice dudit moyen photodétecteur et la surface émissive de ladite source photoémissive étant tournées l'une vers l'autre de manière å capter à proximité immédiate de la gaine dudit guide d'onde à fibre optique des rayons captés par ladite face d'extrémité et n'ayant pas été réfléchis totalement par l'interface gaine-coeur. La présente invention va être décrite, à titre non limitatif, selon ses divers modes de réalisation à l'aide des diverses figures ci-représentées. Fig.l : vue en coupe de la disposition selon l'art antérieur. Fig.2 : marche des rayons optiques dans une fibre optique. Fiv.3: vue en perspective montrant la position relative des moyens photodétecteurs par rapport à la fibre optique, selon l'invention. Fig.4 : variante, selon l'invention, d'un dispositif équipé d'un anneau de couplage et monté sur embase. Fiv.5: vue en coupe d'une variante de l'invention disposée dans un boitier. Fig.6: vu de dessus d'un des modes de réalisation de l'invention. La figure I représente un système tel que divulgué dans l'art antérieur, la source photoémissive 4 fait face et est, généralement, placée à distance de la fibre optique 1. Les rayons marginaux non dirigés vers la fibre optique 1 tombent sur une photodiode réceptrice 5 disposée latéralement par rapport à l'axe de l'ensemble source photoémissive 4 - fibre optique 1. Sur la figure 2 sont représentés les divers chemins que peuvent suivre les rayons, issus d'une source photoémissive 4, pénétrant par une face d'extrémité 10 d'une fibre optique 1. Sur la partie à droite du trait d'axe X - X de la figure est représenté le cas où l'indice du milieu entourant la gaine 3 de la fibre optique l est inférieur à celui de la gaine 3. Pour le coeur 2 l'indice optique est supérieur à celui du matériau choisi pour la gaine 3 c'est-à-dire: "coeur > ngaine de ce choix il découle que les rayons incidents arrivant avec un angle O par rapport à la normale à la face d'extrémité 10 de la fibre optique l, supérieur à une valeur limite O coeur ne sont plus guidés par le coeur 2. Ceci définit alors l'ouverture numérique de la fibre optique 1, ou plus exactement du coeur 2 par rapport à la gaine 3, comme étant Ouverture Numérique Coeur = Ainsi, sur la partie située à droite du trait d'axe X - X de la figure 2, le rayon "e" est un rayon qui compte-tenu des indices n coeur et n gaine est guidé par le coeur I, il se réfracte en E sur l'interface coeur 2-gaine 3 à une hauteur HE de la face d'extrémité 10. Tandis que le rayon "d" est un rayon limite qui peut encore sortir du coeur 2, donc perdu, il se réfracte en D à une hauteur HD de la face d'extrémité 10. Tous les rayons traversant l'interface coeur 2-gaine 3 depuis la face d'extrémité 10 jusqu'à une hauteur HD sont perdus par le coeur 2. Si la source photoémissive 4 a un diagramme d'émission de type Lambertien, la puissance optique non couplée dans le coeur 2 est de: perdue coeur Pémise tl sin O 0coeur Connaissant les ouvertures numériques des fibres optiques on se rend facilement compte de la quantité d'énergie émise par la source et perdue par la fibre optique. En effet, si l'ouverture numérique d'une fibre optique est pour le coeur en moyenne de 0,5, la puissance perdue s'élève alors a: perdue perduecoeur PIPémise (I-0,5):O,75P émise L'indice du milieu entourant la gaine 3, de l'air en général, étant inférieur à celui de la gaine 3, un rayon "c" se réfractant en C sur l'interface gaine 3 - milieu extérieur à une hauteur Hc de la face d'extrémité 10 reste prisonnier de la gaine 3 et ne peut sortir.Alors, seuls les rayons qui traversent l'interface gaine 3 - milieu extérieur en dessous de la hauteur HB du dernier rayon limite "b" qui se réfracte en B peuvent sortir. Et un même calcul mené pour la gaine 3, dont l'indice de réfraction est supérieur à l'indice de l'air ambiant qui l'entoure, donne: Ouverture Numérique Gaine = Sur la fig.2 sur la partie située à droite du trait d'axe X - X, le rayon "c" est prisonnier de la gaine 3 tandis que le rayon "d" est un rayon limite pouvant encore s'échapper. Toujours avec une source photoémissive ayant un diagramme Lambertien, la puissance perdue par la gaine 3 est de gaine = Pémise (Isin e gaine) La présente invention se propose, quant à elle, de recueillir sur les moyens photodétecteurs appropriés les rayons perdus par la fibre optique 1. Si le dernier rayon arrivant sur la face d'extrémité 10 est "a" et ressort en A sur l'interface gaine 3 - milieu extérieur à une hauteur HA, alors comme cela apparait sur la figure 2 à droite du trait d'axe X - X, les rayons qui émergent entre les hauteurs HA et HB fournissent un rayonnement nettement supérieur et mieux concentré que celui dû aux seuls rayons marginaux qui n'atteignent pas ladite face d'extrémité 10. En effet, l'angle solide de guidage de la fibre optique l étant inférieure à l'angle solide d'émission d'une source ayant un diagramme d'émission Lambertien; et, comme cela est visible sur les figure 2 et figure 3, de par le choix des indices optiques des matériaux utilisés pour une fibre optique le rayonnement se trouve défléchi et ramené vers la fibre optique. Par moyen photodétecteur il faut comprendre tout moyen connu de l'homme de métier pour détecter un rayonnement optique tel que photorésistance, photodiode, phototransistor ou autre dispositif. Dans la présente description, le moyen photodétecteur qui sera décrit à titre d'exemple et pour plus de facilité de compréhension sera une photodiode réceptrice. Une disposition selon l'invention, et telle que représentée à la figure 3, montre une photodiode réceptrice 5 dans laquelle a été pratiqué un passage central 6, la surface réceptrice 7 annulaire s'étendant à partir du passage central 6. Une photodiode réceptrice 5 de ce type peut être par exemple obtenue en réalisant, selon des moyens connus de l'art antérieur tel que la diffusion ou l'implantation, une diode normale puis en perçant en son centre un trou par exemple par attaque chimique. Conformément à l'invention la surface réceptrice 7 est tournée vers la source photoémissive 4. Pour recueillir alors tous les rayons qui peuvent sortir de la fibre optique, la position de la surface réceptrice 7 est à une hauteur de la face d'extrémité de la fibre optique l qui est fonction des indices de réfraction des matériaux constituant le coeur 2 et la gaine 3. Si la hauteur retenue est trop importante et si l'on veut bénéficier du rayon "a" le diamètre de la photodiode réceptrice 5 doit-être assez grand. Ceci entraîne une plus grande surface réceptrice 7 qui conduit à un temps de réponse plus long. Une position avantageuse est d'avoir la surface réceptrice 7 confondue avec un plan situé juste au dessus de la hauteur HB, dans ce cas le rayonnement émergeant de la gaine 3 tombe dans une zone de la surface réceptrice 7 proche du passage central 6 dans une direction sensiblement parallèle à l'axe de la fibre optique l- Une telle disposition permet de recevoir sur la photodiode réceptrice 5 une quantité de rayonnement nettement supérieure à celle reçue par le dispositif de l'art antérieur. Le rayonnement détecté est directement proportionnel à celui réellement transmis par la fibre optique I et sa quantité donne un signal qui autorise des temps de montée courts donc des temps de réponse courts pour la boucle de contre réaction. Pour recevoir tous les rayons perdus par le coeur 2 de la fibre optique l et non plus seulement ceux perdus par la gaine 3, et donc augmenter d'autant le signal détecté, il est avantageux de choisir un milieu extérieur entourant la gaine 3 avec un indice au moins égal à celui de la gaine 3, c'est à-dire d'avoir n milieu optique 2 Cette solution est schématisée sur la figure 2 à gauche de l'axe X le rayon "e" est toujours guidé par le coeur 2 car il se réfracte sur l'interface coeur 2-gaine 3 à une hauteur HE de la face d'extrémité 10.Mais, à présent le rayon "c" n'est plus réfracté en C sur l'interface gaine 3 - milieu extérieur, et ainsi tous les rayons atteignant la gaine 3 entre la hauteur HD et la face d'extrémité 10 peuvent sortir de la fibre optique 1, HD étant la hauteur jusqu'à laquelle un rayon "d" peut encore sortir du coeur 1. Dans ces conditions plus aucun rayon ne reste prisonnier de la gaine 3,et on assiste à une meilleure extraction du rayonnement propagé dans la gaine ce qui améliore les modes de transmission dans le coeur 2 en évitant que des modes parasites ne s'établissent et perturbent le fonctionnement de la fibre optique. Comme on le voit sur la figure 2, compte-tenu du trajet des rayons dans la gaine 3 la hauteur à laquelle doit être positionnée la photodiode réceptrice 5 est supérieure à celle retenue pour le cas où le milieu extérieur est de l'air. En fonction de la capacité ramenée à l'entrée de boucle d'asservissement, il existera une hauteur qui permettra de maximiser le courant détecté.Dans tous les cas, le diamètre du passage central 6 étant choisi pour permettre un jeu mimina les rayons émergeant de la gaine 3 tombent dans une zone de la surface réceptrice 7 proche dudit passage central 6 selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de la fibre optique l. Sur la figure 3 est représentée une vue en perspective montrant, selon l'invention, la position relative des moyens photodétecteurs par rapport à la fibre optique. En effet, sur. la figure 3, est représentée une source photoémissive 4 qui fait face à une extrémité d'une fibre optique 1. La source photo-émissive 4 ayant un diagramme d'émission Lambertien, le rayonnement émis est représenté par une calotte hémisphérique sur laquelle l'anneau sphérique grisé représente la partie de rayonnement non captée L'extrémité coupée de la fibre optique I permet de voir des rayons perdus qui, après avoir traversé le coeur 2 et la gaine 3, sont défléchis vers l'axe X - X de la fibre optique 1. La photodiode réceptrice 5 dont la moitié représentée est un demi-disque percé d'un passage central 6 reçoit sur sa surface réceptrice 7 des rayons perdus par la fibre optique 1. Le mode de réalisation de la figure 4 montre un montage sur une embase 11 qui exploite cette possibilité de détecter tous les rayons transmis du coeur 2, vers la gaine 3. En effet, un milieu optique 17 d'indice optique au moins égal à celui de la gaine 3 entoure celle-ci. Sur la figure 4 le milieu optique revêt la forme d'un anneau de couplage 17 mais on peut lui donner une tout autre forme sans s'éloigner de l'invention. Selon le mode de réalisation représenté, la diode photoémissive 4 est fixée à l'embase 11 par son fondement métallisé 9. Ceci permet de dissiper les calories qui se dégagent en cours de fonctionnement et donc d'éviter tout échauffement. Selon des techniques connues une métallisation 16 a été réalisée autour de la surface émissive 8,- métallisation 16 qui est reliée électriquement à une borne de connexion 131 qui traverse l'embase 11 selon un passage isolé 121. La fibre optique 1 est disposée en regard de la surface photoémissive 8 et se voit entourée du milieu optique 17 qui, comme cela a déjà été dit, revêt ici la forme d'un anneau de couplage 17. L'anneau de couplage 17 peut être usiné dans tout matériau connu dont l'indice optique est au moins égal à celui de la gaine 3, on peut avantageusement utiliser le même matériau pour l'anneau de couplage 17 et pour la gaine 3. L'anneau de couplage 17 est positionné de sorte que l'une de ses faces planes soit dans le plan défini par la face d'extrémité 10 de la fibre optique 1.L'épaisseur donnée à l'anneau de couplage 17 est déterminée en fonction des divers milieux que doit traverser le rayonnement, de sorte que la photodiode réceptrice 5 en reposant sur l'autre face plane dudit anneau de couplage 17 se trouve positionnée à une hauteur permettant de recevoir au mieux le rayonnement perdu. La photodiode réceptrice 5 est munie d'une métallisation avant 15 et d'un contact arrière 14 qui sont respectivement reliés à des bornes de connexion 132, 133 qui traversent l'embase 11 selon des passages isolés 122, 123. Ce mode de réalisation permet d'obtenir un montage compact dans lequel la photodiode réceptrice 5 peut être très facilement positionnée par rapport à la face d'extrémité 10 de la fibre optique 1 par des moyens tels que représentés sur la figure 5 et décrits plus loin. Le positionnement de la photodiode réceptrice 5 est meilleur et plus facile à réaliser qu'avec la disposition de l'art antérieur. Selon un autre mode de réalisation représenté sur la figure 5, la photodiode réceptrice 5 est montée par son contact arrière 14 contre un substrat 18 conducteur. Le substrat 18 conducteur a la forme d'un disque percé en son centre pour permettre le passage aisé de la fibre optique 1, il est supporté à distance de la diode photoémissive 4 par au moins trois cales isolantes 19. Les cales isolantes 19 sont usinées en fonction de la hauteur qui a été choisie suivant qu'il y a ou il n'y a pas d'anneau de couplage 17 pour que la photodiode réceptrice 5 puisse recevoir au mieux les rayons perdus par le coeur 2. Elles peuvent-être métallisées sur deux de leurs faces opposées qui vont assurer l'une la fixation avec l'embase 11 et l'autre supporter le disque de substrat 18 conducteur.L'embase 11 présente sur son pourtour un épaulement 21 dans lequel vient se loger le bord, de forme complémentaire, d'un capot 20. La fibre optique 1 est maintenue dans un alésage qui traverse de part en part une cheminée de maintien 22 aménagée sur le capot 20. La profondeur d'emboitement épaulement 21-bord du capot 20 permet au montage de centrer d'abord l'embase 11 par rapport au capot 20 puis, la fibre optique 1 étant maintenue dans l'alésage de la cheminée de maintien 22 avec un certain recul, l'extrémité de la fibre optique 1 vient se centrer dans le passage central 6 de la photodiode réceptrice 5. Cette disposition permet de s'assurer du parfait centrage fibre optique 1 photodiode réceptrice 5 de façon simple.Pour être sûr que ce centrage n'évoluera pas dans le temps le milieu optique 17 est avantageusement de la colle durcissable ou toute autre résine qui après prise donne un matériau dont l'indice optique est au moins égal à celui de la gaine 3 de la fibre optique 1. Les diverses connexions électriques entre les métallisations 16 de la diode photoémissive 4 et les contacts 14,15 de la photodiode réceptrice 5 et leurs broches de connexion 131, 132, 133 respectives sont faites avant montage et scellement du capot 20 sur l'embase 11. Dans un autre mode de réalisation de l'invention représenté en vue de dessus à la figure 6, la photodiode réceptrice 5 est fractionnée en quatre secteurs récepteurs 27,28,29,30 actifs réalisés selon la technologie des semiconducteurs avec des séparations 23,24,25,26. Chacun des quatre secteurs récepteurs 27,28,29,30 est relié respectivement à une borne de connexion 31,32,33,34 pour donner un signal électrique indépendant. Cette disposition permet au cours du scellement du capot 20 sur l'embase 11 de s'assurer du parfait centrage diode photoémissive 4 - fibre optique 1 - photodiode réceptrice 5 ceci grâce à un circuit électrique extérieur qui compare les signaux reçus de chacun des quatre secteurs récepteurs. Ces derniers sont ensuite reliés entre eux pour redonner électriquement une photodiode réceptrice 5 unique. Tous ces modes de réalisation ont été décrits à titre illustratif et non limitatif de l'invention, par ailleurs l'homme de métier peut facilement modifier un mode de réalisation sans pour autant s'écarter de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif émetteur de rayonnement optique à prélevement comportant une source photoémissive (4) associée à un guide d'onde à fibre optique (1), la surface photoémissive (8) de ladite source étant placée en vis à vis de la face d'extrémité (10) de ladite fibre optique (1) et un moyen photodétecteur (5) prélevant une fraction du rayonnement optique issu de ladite source caractérisé en ce que ledit moyen photodétecteur (5) comporte un passage central (6), le guide d'onde à fibre optique (1) traversant ledit passage central (6), la surface réceptrice (7) dudit moyen photodétecteur (5) et la surface émissive (8) de ladite source photoémissive (4) étant tournées l'une vers l'autre de manière à capter à proximité immédiate de la gaine (3) dudit guide d'onde à fibre optique (1) des rayons captés par ladite face d'extrémité (10) et n'ayant pas été réfléchis totalement par l'interface gaine (3) - coeur (2). 2.Dispositif émetteur de rayonnement optique à prélevement selon la revendication I caractérisé en ce que la source photoémissive est une diode semiconductrice (4) qui a un diagramme d'émission Lambertien. 3. Dispositif émetteur de rayonnement optique à prélevement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit moyen photodétecteur (5) est agencé de façon à ce que le rayonnement émergeant de la gaine (3) tombe, dans la zone de la surface réceptrice (7) proche du passage central (6), selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de la fibre optique (1). 4. Dispositif émetteur de rayonnement optique à prélevement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le rayonnement est extrait de la gaine (3) au moyen d'un milieu optique (17) intermédiaire auquel est couplé la surface réceptrice (7) dudit moyen photodétecteur (5) et que l'indice de réfraction dudit milieu optique (17) est au moins égal à l'indice de réfraction de ladite gaine (3). 5. Dispositif émetteur de rayonnement optique à prélevement selon la revendication 4 caractérisé en ce que le milieu optique (17) est une substance durcissable entourant l'extrémité libre de la fibre optique (1). 6. Dispositif émetteur de rayonnement optique à prélevement selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit moyen photodétecteur comprend au moins une photodiode (5) réalisée sur un substrat (18) conducteur, la surface réceptrice (7) de ladite photodiode (5) s'étendant selon un plan perpendiculaire à l'axe de la fibre optique (1). 7. Dispositif émetteur de rayonnement optique à prélevement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le moyen photodétecteur (5) est monté sur une embase (il) via des cales diélectriques (19) le rendant solidaire de ladite embase (11), la source photoémissive (4) est mécaniquement solidaire de ladite embase (11) et ladite embase (11) est munie de passages isolés (121, 122, 123) qui sont traversés par des broches de connexion (131, 132, 133). 8. Dispositif émetteur de rayonnement optique à prélevement selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'un capot (20) s'ajuste le long d'un épaulement (21) aménagé sur l'embase (11), ledit épaulement (21) présentEnt une profondeur d'emboitement telle que la fibre optique (1) maintenu dans une cheminée de maintien (22) solidaire du capot (20) est précentrée avant que son extrémité ne franchisse ledit passage central (6). 9. Dispositif émetteur de rayonnement optique à prélevement selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen photodétecteur (5) comporte, réunis sur un même substrat (18), plusieurs secteurs récepteurs (27,28,29,30) qui entourent le passage central (6) et que lesdits secteurs sont reliés respectivement à des broches de connexion (31,32,33,34).