Brevet FR2509479A1 — publié le 19830114

DISPOSITIF D'EMISSION-RECEPTION D'ANERGIE RADIANTE ET SYSTEME DE LIAISON BIDIRECTIONNELLE PAR FIBRE OPTIQUE COMPRENANT UN TEL DISPOSITIF. L'invention concerne un dispositif d'émission-réception d'énergie radiante pour un système de liaison bidirectionnelle par fibre optique. De telles liaisons bidirectionnelles sont utilisées dans de nombreux domaines dont des exemples non limitatifs sont la télématique, la télédistribution ou les transmissions téléphoniques. L'invention est plus particulièrement concernée par les systèmes de liaison utilisant dans un sens une source d'énergie radiante d'une première longueur d'onde modulée par les informations à transmettre. La liaison en sens inverse s'effectue en utilisant une source d'énergie radiante d'une seconde longueur d'onde également modulée par les informations à transmettre. Un tel dispositif est, par exemple, décrit dans la demande de brevet Français n074 01 800 déposée le 18 janvier 1974 et publiée sous le N02 258 751. Dans ces dispositifs connus, des éléments optiques discrets sous formes de lentilles et de miroirs doivent être placés entre les organes émetteurs et récepteurs d'énergie radiante d'une part et la fibre optique d'autre part pour réaliser les opérations de multiplexage et de dé multiplexage et avoir un bon couplage optique. Dans ce but, les miroirs et les lentilles doivent, pour chacune des voies de transmissions, être positionnés et/ou alignés avec précision. Des organes réglables de positionnnement mécaniques des éléments optiques sont prévus à cet effet. La présente invention propose tout au contraire un dispositif d'émission-réception simplifié ne nécessitant pas de miroir ou de lentilles sous forme d'éléments discrets. Le problème complexe de l'alignement se trouve grandement simplifié. La caractéristique principale du dispositif de l'invention réside dans l'intégration au sein de la fibre optique de liaison desdits éléments optiques utilisés comme organes de couplage et de multi-démultiplexage (lentilles et miroirs). L'invention à donc pour objet un dispositif d'émission-réception d'énergie radiante pour un systeme de transmission mettant en oeuvre au moins deux longueurs d'onde distinctes et comprenant des moyens de liaison par fibre optique, dispositif comportant au moins une source d'énergie radiante et des moyens de couplage entre cette source d'énergie radiante d'une part et la fibre optique de liaison d'autre part; caractérisé en ce que les moyens de liaison comprennent au moins une première et une deuxième fibre optique raccordées bout à bout et d'axe optique commun, les extrémités raccordées étant coupées en biseau pour former avec l'axe commun un angle déterminé et l'une au moins de ces extrémités étant recouverte d'au moins une couche de matériau diélectrique de manière à créer un mir6ir dichrolque et en ce que la source d'énergie radiante est disposée dans la zone de raccordement des deux fibres et orientée de façon à diriger l'émission d'énergie radiante à travers la fibre vers la partie centrale de la surface de contact entre les deux fibres, les radiations émises étant réfléchies par le miroir diélectrique suivant une direction moyenne parallèle audit axe optique commun.L'invention a encore pour objet un système de liaison bidirectionnelle comprenant de tels dispositifs. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à l'aide de la description qui suit, en référence aux figures annexées. - la figure 1 illustre schématiquement un système de liaison bidirectionnelle par fibre optique selon une approche de l'art connu. - la figure 2 illustre schématiquement un système de liaison bidirectionnelle mettant en oeuvre des dispositifs d'émission-réception selon l'invention. - la figure 3 illustre une disposition pratique des organes du dispositif selon l'invention. - la figure 4 présente un mode de réalisation concrète d'éléments constitutifs du dispositif de la figure 3. - la figure 5 illustre une disposition pratique de l'invention étendue à trois voies dans chaque sens. Dans ce qui suit, des éléments communs à deux figures ou plus portent les mêmes références et ne sont décrits qu'une seule fois. La figure I illustre un exemple de système de liaison bidirectionnelle par fibre optique entre deux stations A et B selon l'art connu. Pour fixer les idées on suppose que chaque station A et B comporte un émetteur de signaux vidéo, respectivement S1 et S2 et un récepteur de signaux vidéo symbolisé par un écran de télévision, respectivement TV1 et TV2. Une première longueur d'onde A 1 est utilisée pour les transmissions de signaux de la station A vers la station B et une seconde longueur d'onde A2 pour les transmissions inverses.La source de signaux S1 est associée à un organe optoélectronique E1 d'émission, produisant un faisceau d'énergie radiante de la première longueur d'onde -A 1 modulé par les signaux vidéo de l'émetteur à à transmettre et transformé à l'aide de la lentille L10 en un faisceau de rayons parallèles transmis à un miroir Mlo qui réfléchit ce faisceau de rayons parallèles vers une lentille L1 de focalisation sur la terminaison tl d'une fibre de liaison f couplant la station A à la station B.Dans l'autre sens le faisceau d'énergie radiante de deuxième longueur d'onde A 2 issu de la terminaison tl est transformé à l'aide de la lentille L1 en un faisceau de rayons parallèles transmis à travers le miroir M10 vers une lentille L11 de focalisation sur un organe optoélectronique de détection R1. La sortie de cet organe optoélectronique de détection est relié à l'appareil de visualisation TV1. La station B comporte les mêmes éléments optiques et optoélectroniques que la station A: E2, R2, L20, L21, M20, L2 et t2.Il est inutile de les redécrire. I1 faut cependant noter que l'émetteur opto électronique E2 doit produire un faisceau de rayons de longueur d'onde A 2 et le miroir semi-transparent M20 doit réfléchir ces rayons de longueur d'onde 2 et transmettre les rayons de longueur d'onde Un tel dispostif nécessite de nombreux éléments d'optique qui doivent être positionnés avec précision. Outre le coût, le volume et la fragilité de ces divers éléments, leur positionnement précis requiert des supports réglables difficiles à reproduire. Dans le cas d'une production industrielle, des équipements de réglage et de la main d'oeuvre qualifiée sont nécessaires. La figure 2 illustre un dispositif de liaison bidirectionnelle selon l'invention. Les organes portant les mêmes références que sur la figure 1 remplissent les mêmes fonctions et ne sont pas décrits une seconde fois. Les organes optiques et optoélectroniques sont présentés avec un facteur d'échelle agrandi pour mieux faire apparaître les particularités de l'invention. Afin de rendre la figure aussi claire que possible, les radiations se propageant dans la fibre sont représentées par de simples traits placés dans l'axe de la fibre. En pratique les radiations occupent toute la section du coeur de la fibre. Toujours en référence à la figure 2, f est la fibre optique principale qui relie les stations A et B de manière analogue à la fibre de même référence décrite en liaison avec la figure 1. Elle est essentiellement constituée d'un coeur C et d'une gaine G.Les extrémités de la fibre f sont coupées en biseau à 450 et traitées en surface pour présenter des propriétés dichroîques. Ce traitement consiste généralement à déposer successivement des couches minces en matériaux diélectriques dont la propriété est de transmettre les énergies de longueurs d'onde supérieures à une certaine longueur d'onde dite "de coupure" caractéristique du traitement appliqué et de réfléchir au contraire les énergies de longueurs d'onde inférieures. M10 et M20, de traitements diélectriques différents, représentent ces extrémités de fibre qui remplacent les miroirs correspondants de la figure 1. La fibre f est prolongée par une autre fibre optique fi de même diamètre extérieur mais dans une variante préférée d'ouverture numérique et de section de coeur plus importantes. Ces dispositions améliorent le couplage optique entre la fibre de liaison f et la fibre fi appelée par la suite "fibre intermédiaire". Les organes d'émission optoélectroniques E1 et E2 sont placés contre la fibre de façon à diriger le faisceau émis vers la partie centrale des plans M10 et M20. Cette disposition utilise la fibre f comme lentille cylindrique pour concentrer sur les plans M10 et M20 les faisceaux issus des organes E1 et E2, rôle assuré sur la figure 1 par les lentilles L1 et L2.Le procédé d'injecter transversalement de l'énergie radiante dans une fibre optique dont l'extrémité est coupée en biseau peut être réalisé par tout procédé et par exemple par celui décrit dans la demande de brevet francais nO 75 30 697 déposée le 7 octobre 1975 et publiée sous le n02 328 973. Les organes optoélectroniques de réception R1 et R2 sont directement placés aux extrémités de la fibre intermédiaire fi. Le fonctionnement est comparable à celui du dispositif illustré par la figure 1. La source de signaux S1 est associée à un organe optoélectronique d'émission E1, produisant un faisceau de longueur d'onde X1, modulé par les signaux de l'émetteur S1 et transmis à travers la fibre au plan dichrorque M10 qui réfléchit à 900 ce faisceau d'énergie radiante vers la station B.Ce faisceau représenté en trait plein sur la figure, de longueur d'onde A1 , traverse à la station B le plan dichroïque M20 qui a la propriété d'être transparent pour cette longueur d'onde X 1 et vient exciter l'organe optoélectronique de détection R2. La sortie de cet organe optoélectronique de détection est reliée à l'appareil de visualisation TV2. Dans l'autre sens la longueur d'onde X21 A2 du faisceau d'énergie radiante est différente de sorte que le plan dichroïque M20 est réfléchissant pour cette onde alors que le plan M10 est transparent. A part cette différence dans la longueur d'onde des sources d'énergie radiante, la transmission dans le sens station A vers station B s'effectue de la même façon que dans le sens station B vers station A. Il est possible d'avoir deux voies de transmission dans le même sens sans pour autant sortir du cadre de l'invention en permutant les organes S et E d'une station avec les organes TV et R de l'autre station. A titre d'exemple deux voies de transmissions reliant la station A à la station B peuvent être obtenues en permutant les éléments et E2 avec respectivement les éléments TV1 et R1. La figure 3 représente une disposition pratique des organes du dispositif selon l'invention. Seule la station B est représentée, la station A étant identique. Dans un exemple de réalisation préférée chaque dispositif comprend deux boîtiers. Le boîtier B1 contient la partie émission et le boîtier B2 la partie réception. Ces boîtiers peuvent être reliés entre eux et connectés à l'installation par fibres optiques. Ces connexions peuvent se faire comme sur la figure par des boîtiers équipés directement de connecteurs CT ou par des boîtiers équipés de sorties (et/ou d'entrées) en fibres optiques avec connecteurs d'extrémités appelées "queues de cochon" ;cette seconde solution réduit le nombre de connecteurs et l'atténuation correspondante.Cette disposition évite de placer dans un même boîtier des éléments d'émission fonctionnant à fort niveau d'énergie avec des éléments de réception très sensibles fonctionnant au contraire à faibre niveau d'énergie ce qui, en général, provoque des couplages indésirables. De plus des organes de réception comme le boîtier B2 sont couramment disponibles en pratique et la séparation physique des fonctions émission et réception permet de placer ces dernières rationnellement dans l'installation de la station. La figure 4 illustre un exemple de réalisation concrète des éléments essentiels du boîtier B1 selon l'invention. L'élément émetteur d'énergie radiante est un laser semiconducteur E2 placé sur un substrat ST1 qui assure le refroidissement et permet le positionnement mécanique du laser par rapport à la fibre. Les fibres optiques f, fi sont placées dans une rainure R en forme de Vé faite dans la masse du substrat ST1. Le laser E2 comporte une fenêtre d'émission I du centre de laquelle émerge un faisceau divergent d'énergie radiante de longueur d'onde A2 focalisé par la lentille cylindrique constituée par la fibre f et qui vient frapper le plan dichroique M20 pour y subir une réflection à 900 afin de se propager finalement suivant l'axe de la fibre f.Lors de la fabrication l'orientation de l'extrémité biseautée par rapport au laser peut se faire sous binoculaire placé perpendiculairement au substrat mais sans nécessiter d'opérations complexes d'alignement. Des moyens pour réaliser de façon industrielle un tel substrat ST1 comportant une assise AS pour le bloc laser E2 et une rainure R en forme de Vé pour loger la fibre optique ont été proposés dans la demande de brevet europeen n"79 400 294.9 publié le 12 décembre 1979 sous le n"0.006.042. I1 s'agit de substrats en matériaux bon conducteur de la chaleur pour assurer le refroidissement du bloc laser et dont les empreintes pour recevoir les éléments associés sont obtenus soit par matriçage soit par un procédé chimique. A titre d'exemples non limitatifs, pour fixer les idées, les composants suivants peuvent être utilisés. STATJON A - Emetteur E1: laser semiconducteur type Ga Al As longueur d'onde A1 = 840nm - Récepteur R1 : photodiode germanium du type "pin ou avalanche" de 200 m de diamètre STATION 8 - Emetteur E2 : laser semiconducteur type Ga In As P longueur d'onde A2 = 1 300 nm - Récepteur R2 : photodiode silicium du type "pin ou avalanche" de 200 um de diamètre - fibre optique de liaison f: fibre réalisée selon le procédé dit "MCVD" à gradient d'indice dont des caractéristiques typiques sont: diamètre extérieur 125 Xlm diamètre du coeur : 50 m ouverture numérique : 0,2 atténuation : 3dB/Km à 840 nm ldB/Km à 1300 nm bande passante valable pour les deux longueurs d'onde A1 et :500 MHz.Km - fibre intermédiaire f. fibre à saut d'indice dont des caractéristiques typiques sont: diamètre extérieur: 125 p m diamètre du coeur 100 pm ouverture numérique : 0,5 Performances typiques obtenues sur une liaison bidirectionnelle simultanée: Distance entre les stations: 10 Km Débit : plusieurs dizaines de mégabits par seconde. Diaphotie: 30 à 40 dB. La figure 5 illustre une disposition pratique de l'invention étendue, à titre d'exemple non limitatif, à un système de liaisons simultanées à trois voies dans chaque sens. Seule la station B est représentée, la station A étant identique. Le boîtier émetteur B3 (multiplexeur) comporte trois sources d'énergie radiante E1, E2 et E3 de longueurs d'onde respectives A1, 2 et X 3 et reliées aux sources de signaux vidéo correspondantes S1, S2 et S3. Le boîtier de réception B4 (démultiplexeur) sépare les faisceaux d'énergie en provenance de la station A selon leurs longueurs d'onde et b et 6 avant de les diriger respectivement vers les boîtiers de réception Bg, B6 et B7 eux-mêmes reliés aux éléments de visualisation correspondants TV4, TV5 et TV6.Tous les boîtiers peuvent être reliés entre eux à l'aide de connecteurs CT et de fibres optiques. Les blocs lasers ainsi que les fibres optiques peuvent être disposés sur leurs substrats ST3 et ST4 de façon analogue à ce qui a été décrit en relation avec la figure 4. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits à titre d'illustration, et en particulier un nombre de voies quelconque peuvent être multiplexées. Les échanges peuvent s'effectuer de façon unidirectionnelle ou bidirectionnelle, simultanément, en temps partagé ou en alternat. Le dispositif d'émission-réception d'énergie radiante selon l'invention présente les avantages suivants: - possibilité de couper en biseau, en un seul passage sur machine, un grand nombre de fibres optiques. - possibilité de traiter, sans les dissocier, ces extrémités biseautées pour leur donner les propriétés dichroiques requises. - réalisation en série des substrats destinés à l'assemblage des éléments d'extrémité. - meilleure homogénéité du produit fabriqué et meilleure reproductibilité des performances. - réduction du coût dans une technique à large diffusion et haute compétition. - réduction du volume et du poids facilitant la miniaturisation et, entre autres, l'emploi à bord de systèmes embarqués. - réalisation d'équipements plus robustes. - élimination des lentilles et miroirs discrets ainsi que leurs supports mécaniques. - suppression des éléments de positionnement faisant appel, dans une production de série, à des dispositifs reputés coûteux et difficiles à reproduire. - simplification des équipements de réglage en usine et réduction de la main d'oeuvre qualifiée correspondante. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'émission-réception d'énergie radiante pour un système de transmission mettant en oeuvre au moins deux longueurs d'ondes distinctes et comprenant des moyens de liaison par fibre optique, dispositif comportant au moins une source- d'énergie radiante (E1) et des moyens de couplage entre cette source d'énergie radiante d'une part et la fibre optique de liaison (f) d'autre part; caractérisé en ce que les moyens de liaison comprennent au moins une première fibre optique (fi) et une deuxième fibre optique (f) raccordées bout à bout et d'axe optique commun, les extrémités raccordées étant coupées en biseau pour former avec l'axe commun un angle déterminé (O)et l'une au moins de ces extrémités étant recouverte d'au moins une couche de matériau diélectrique de manière à créer un miroir dichrolque (M1 (Mlo) et en ce que la source d'énergie radiante est disposée en regard de la zone de raccordement des deux fibres et orientée de façon à diriger l'émission d'énergie radiante à travers la deuxième fibre (f) vers la partie centrale de la surface de contact entre les deux fibres, les radiations émises étant réfléchies par le miroir dichroique (M10) suivant une direction moyenne parallèle audit axe optique commun. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'angle déterminé (O ) par le plan de coupe et l'axe de la fibre est égal à ir /4 radian. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le miroir dichroïque (M1 o > est constitué par la superposition de plusieurs couches minces en matériaux diélectriques déposés sur l'extrémité biseautée de la deuxième fibre optique (f). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 comprenant en outre au moins un détecteur d'énergie radiante (R1) couplé à la première fibre optique (fi) caractérisé en ce que ce détecteur (R1) est une diode du type pin ou avalanche et en ce que chaque source d'énergie radiante (E1,E2) est un laser à semiconducteur. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la première fibre (fi) est à saut d'indice et la deuxième fibre (f) à gradient d'indice et en ce que le diamètre du coeur de la première fibre (fi) est plus grand que le diamètre du coeur de la seconde fibre (f) et l'ouverture numérique de la première fibre (fi) est plus grande que l'ouverture numérique de la seconde fibre (f). 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comprend un module émetteur-mélangeur d'énergies radiantes (B1) comportant un substrat unique (ST1) avec une assise (AS) pour le laser (E2) et une rainure en forme de Vé (R) pour les fibres optiques, le Vé s'étendant suivant une direction orthogonale à la direction d'émission du laser. 7. Dispositif selon la revendication (6) caractérisé en ce que le substrat (ST1) est en cuivre ou en fer. 8. Dispositif selon les revendications 6 ou 7 caractérisé en ce que le module émetteur-mélangeur d'énergies radiantes (B3) comporte au moins deux sources (E1, E2) d'énergie radiante de longueurs d'ondes différentes irradiant respectivement au moins deux plans biseautés formant miroirs dichroiques (M1, M2) obtenus par le raccordement bout à bout sur un axe commun d'au moins trois segments de fibres optiques (fl, f2, f3). 9. Système de liaison par fibres optiques entre au moins une première station (A) et une deuxième station (B) caractérisé en ce que chaque station comprend un dispositif d'émission-réception d'énergie radiante selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 couplé à la fibre optique reliant ces deux stations et en ce que les sources d'énergie radiante (E4, E5, E6) associées à la première station émettent sur des longueurs d'ondes différentes de celles des sources d'énergie radiante (E1, E2, E3) associées à la deuxième station de façon à établir des liaisons bidirectionnelles simultanées. 10. Système de liaisons par fibres optiques selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque station comprend en outre un module démultiplexeur (B4) couplé au module émetteur-mélangeur (B3) par une fibre optique (fc) et comportant au moins un plan dichrolque (M5) réfléchissant sélectivement l'une des radiations en provenance de l'autre station et obtenu par le raccordement bout à bout sur un axe commun d'au moins deux segments de fibres optiques (f6, f7), les radiations ainsi démultiplexées étant dirigées séparément par au moins deux fibres distinctes (f7, f9) vers au moins deux modules récepteurs distincts (B6, B7) sensibles chacun à l'une des longueurs d'onde émise par l'une des sources d'énergie radiante située dans l'autre station.