Brevet FR2504691A1 — publié le 19821029

La présente invention concerne un dispositif de couplage optique à variation d'ouverture numérique et un procédé de fabrication de ce dispositif. Elle s'applique notamment au couplage optique d'une photodiode émettrice, telle qu'une diode électroluminescente, et d'une fibre optique réceptrice. On sait que la puissance lumineuse issue d'une source de lumière et injectée dans une fibre optique, dépend du rapport de la surface de la source à la surface de la fibre, du diagramme de rayonnement de la source et de l'ouverture numérique de la fibre. On rappelle que l'ouverture numérique d'une fibre optique ayant un coeur d'indice optique N1 et une gaine d'indice optique N2, est le sinus d'un angle ec, angle maximum d'incidence d'un rayon lumineux sur une extrémité'de la fibre optique pour que celle-ci propage ce rayon lumineux. On rappelle également que cette ouverture numérique est égale à où No désigne l'indice optique du milieu dans lequel est placée la fibre. (Lorsque ce milieu est de l'air, t est très voisin de 1). Ainsi, une photodiode émettrice de type diode laser, qui possède une petite surface de source et un faible angle de rayonnement, occasionne-t-elle, avec des optiques de couplage connues comme les lentilles hémisphériques, hémicylindriques, cylindriques, ou cylindriques avec fibre de type Selfoc, une perte de couplage, par rapport à la puissance lumineuse émise par cette diode laser, de 3dB environ pour une fibre optique d'ouverture numérique de l'ordre de 0,15 à 0,2. (Sans optique de couplage, cette perte vaut environ 10dB > . Une photodiode émettrice de type diode électroluminescente, qui possède une surface de source identique à celle d'une diode laser mais un angle de rayonnement très ouvert (de l'ordre de 1800), n'injecte dans une fibre optique classique que 1% environ de l'énergie lumineuse émise par cette diode électroluminescente, occasionnant ainsi une perte de 20dB par rapport à la puissance lumineuse émise par ladite diode. On a donc intérêt, particulièrement pour les diodes électroluminescentes, à augmenter l'ouverture numérique des fibres optiques couplées, c'est-à-dire à donner à ces dernières un angle ec, défini ci-dessus et appelé angle d'acceptance, plus important, de façon à obtenir le maximum de puissance lumineuse couplée. Or, les techniques de fabrication de fibres optiques dont l'atténuation et la bande passante présentent de l'intérêt pour les télécommunications limitent fortement l'ouverture numérique des fibres produites : par exemple, cette ouverture numérique varie environ entre 0,1 et 0,2 pour des techniques telles que l'hydrolyse à la flamme et la méthode dite C.V.D. De plus, les optiques de couplage connues, comme celles qui sont énumérées ci-dessus, permettent d'adapter la taille d'une source lumineuse à celle d'une fibre optique mais ne permettent pas d'augmenter artificiellement l'ouverture numérique de cette fibre. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et elle vise un dispositif de couplage optique à variation d'ouverture numérique et un procédé de fabrication de ce dispositif. L'invention a tout d'abord pour objet un dispositif de couplage optique interposable entre un émetteur et un récepteur de lumière, caractérisé en ce qu'il comprend une fibre optique présentant des variations d'indice optique transversale et longitudinale telles que son ouverture numérique, variant alors d'une extrémité à l'autre, ait en ces extrémEtiS des valeurs adaptées à l'émetteur et au récepteur de lumière, permettant ainsi de réduire les pertes d 'éner- gie lumineuse se-produisant lorsque ledit émetteur et ledit récepteur sont couplés. Par émetteur de lumière, on entend toute source directe ou indirecte de lumière : ce peut être des moyens de guidage de lumière, comme une ou plusieurs fibres optiques, ou des moyens de production de lumière, comme une diode électroluminescente ou une diode laser. Par récepteur de lumière, on entend tout moyen pour capter la lumière puis la convertir ou la transmettre : ce peut être à nouveau des moyens de guidage de lumière, comme une ou plusieurs fibres optiques, ou un photo-détecteur (convertissant la lumière en courant électrique) tel qu'une photodiode réceptrice. Selon une caractéristique préférée du dispositif objet de l'invention, ladite fibre optique présente des gradients transversal et longitudinal d'indice optique. Selon une caractéristique particulière du dispositif objet de l'invention, ladite fibre optique est de révolution et va en s'évasant d'une extrémité à l'autre. La dite fibre optique peut alors être de forme tronconique. Elle peut également présenter une torsion selon son axe de façon à être à gradient d'indice longitudinal. Une telle fibre optique, de révolution et allant en s'évasant d'une extrémité à l'autre, peut s'appliquer au couplage d'une autre fibre optique à une pluralité d'autres fibres optiques. La présente invention concerne par ailleurs un procédé de fabrication du dispositif de couplage optique également objet de l'invention. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il consiste - à déplacer une fibre optique dans un bain contenant des ions aptes, par diffusion dans ladite fibre op tique, à abaisser l'indice optique de celle-ci en surface, et simultanément, - à faire varier la concentration desdits ions dans ledit bain. Selon une caractéristique particulière du procédé objet de l'invention, ladite fibre optique étant faite d'un verre à base d'ions d'un premier type et dopée avec des ions d'un second type, lesdits ions contenus dans ledit bain sont lesdits ions du premier type et l'on fait varier la concentration de ces derniers dans ledit bain en injectant dans celui-ci des ions du second type. Lesdits ions du premier type sont par exemple des ions Na+ et lesdits ions du second type sont par exemple des ions Ag+. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif et du procédé de fabrication objets de l'invention apparattront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs exemples de réalisations donnés à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une représentation schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif de couplage optique objet de l'invention, interposé en tre une photodiode émettrice et une fibre optique réceptrice, associée à un graphique montrant l'indi ce optique du dispositif en différents points de celui-ci - la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif de forme tronconique conforme à l'inven tion et permettant de coupler une fibre optique à plusieurs autres fibres optiques - la figure 3 est un schéma explicatif d'une méthode d'obtention de gradients transversal et longitudi nal d'indice optique pour le dispositif représenté sur la figure 2 ; et - la figure 4 est une représentation schématique d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un mode de réalisation particulier du dispositif de couplage optique objet de l'invention. Ce dispositif comprend une fibre optique 1 prévue pour coupler optiquement un émetteur de lumière 2 à un récepteur de lumière 3. L'émetteur de lumière 2 est par exemple une diode électroluminescente 4 et le récepteur de lumière 3 zest par exemple une autre fibre optique 5 de transmission, du type de celles que l'on utilise dans les télécommunications et dont l'ouverture numérique est de l'ordre de 0,1 à 0,2, par exemple 0,17. La fibre optique 1 épouse par exemple la forme d'un cylindre de rayon R et de longueur L. Elle présente un axe x'x ayant pour origine un point O situé au centre de l'une 6 de ses faces qui est en regard de la diode électroluminescente 4.Son autre face 7, en regard de l'autre fibre optique 5, a pour centre un point A, la distance de O à A étant égale à B. La longueur L est par exemple de l'ordre de l0à 20 cm et le rayon R de la fibre 1 est par exemple de l'ordre de 50 à 60 sun. La fibre optique 1 est conçue (d'une manière qui sera indiquée par la suite) pour que son ouverture numérique varie de son extrémité 6 à l'autre 7 et plus précisément, dans le cas présent (couplage de la diode électroluminescente 4 à la fibre optique 5 de transmission), pour que cette ouverture numérique diminue progressivement de l'extrémité 6 à l'extrémité 7 de la fibre optique 1 et présente respectivement en ces extrémités 6 et 7 des valeurs adaptées à la diode élec troluminescente 4 (valeur de l'ordre de 0,5 par exemple),et à la fibre optique 5 de transmission (valeur de 0,17 avec l'exemple choisi).En d'autres termes, la fibre optique 1 est conçue pour présenter un gradient d'indice optique transversal et un gradient d'indice optique longitudinal tels que, en désignant par x l'abscisse d'un point de la fibre optique 1 et par r la distance de ce point à l'axe x'x, l'indice optique n de la fibre optique 1, également noté n(x,r), diminue lorsque, à abscisse x fixée, la distance r augmente, et augmente lorsque, à distance r fixée, l'abscisse x augmente (avec l'orientation choisie de l'axe x'x : de la diode 4 à l'autre fibre optique 5).Pour r=0 (sur l'axe x'x) cet indice n conserve par exemple une valeur n1. Sur le pourtour de la face 6 en regard 1 de la diode électroluminescente 4 (pourtour correspondant à x=0 et r=R) cet indice a une valeur n2 inférieure à nl et sur le pourtout de la face 7 en regard de l'autre fibre optique 5 (pourtour correspondant à x=L et r=R) cet indice a une valeur n3 comprise entre n2 et n. Sur la figure 1, on a également représenté graphiquement les variations de l'indice n en fonction de x et de r : pour x fixé (0 Le dispositif objet de l'invention permet de réduire les pertes d'énergie lumineuse lors du couplage de la diode électroluminescente 4 et de la fibre optique 5 de transmission ; il permet de récupérer l'énergie lumineuse perdue au couplage dans l'art antérieur pour l'injecter dans la fibre 5 de transmis sion.En effet, tout rayon lumineux entrant dans la fibre optique 1 subit deux déviations lors de sa propagation dans cette fibre : une déviation due au gradient longitudinal d'indice optique et une déviation due au gradient transversal d'indice optique causant toutes deux un rapprochement dudit rayon lumineux, de l'axe x'x de la fibre optique 1 ; ce rayon lumineux se redresse" lors de sa propagation dans cette fibre et son angle d'émergence de celle-ci est inférieur à son angle d'incidence, d'où une adaptation optique de la diode 4 à la fibre optique 5 de transmission grâce au double gradient d'indice. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement un dispositif conforme à l'invention et comportant une fibre optique 8 ayant la forme d'un tronc de cône de révolution d'axe X'X, présentant une face 11 dont le pourtour a pour rayon R1 et une autre face 12 dont le pourtour a pour rayon R2 supérieur à R1. La diminution de section de la fibre optique 8 en allant de la face 12 à la face 11 permet de compenser le redressement de rayons lumineux se -propageant dans la fibre 8, redressement dû au gradient longitudinal d'indice optique. On peut alors utiliser cette fibre optique 8 pour coupler plusieurs autres fibres optiques 10, par exemple sept fibres 10, à une autre fibre optique 9. Cette dernière est placée en regard de la face 11 et les autres fibres 10 sont placées en regard de l'autre face 12.On a également représenté en coupe une disposition possible (arrangement hexagonal) de ces sept fibres 10. L'arrangement ainsi obtenu permet d'injecter des faisceaux lumineux se propageant dans ces sept fibres 10, dans ladite autre fibre 9. Dans un cône classique, les rayons lumineux issus des sept fibres 10 s'écarteraient de l'axe X'X ; le gradient longitu dinal redresse ces rayons et permet de conserver l'ouverture numérique du faisceau résultant des sept faisceaux partiels issus des fibres 10. (Ledit arrangement permettrait également d'injecter une partie d'un faisceau lumineux se propageant dans l'autre fibre 9, dans chacune des sept autres fibres optiques 10). Sur la figure 2, on a aussi représenté les profils d'indice optique aux deux extrémités ou faces l1 et 12 de la fibre optique 8. Sur la face 1l en regard de l'autre fibre optique 9, l'indice décroît d'une valeur nl sur l'axe X'X à une valeur n2 à la distance R . Sur la face 12 en regard des autres fi 1 bres optiques s 10, l'indice décroît de la valeur nl sur l'axe X'X à une valeur n2 à la distance R2, n2 étant inférieur à n2. La fibre optique tronconique 8 à double gra dient est réalisable par la méthode permettant d'obtenir la fibre 1 de la figure 1, méthode qui sera exposée par la suite. Mais il existe, dans le cas particulier de cette fibre tronconique 8, un rapport, calculable par l'homme de l'art, à respecter entre la variation d'ouverture numérique et la variation de section de la fibre 8. Par exemple, pour un rayon R2 égal à trois fois le rayon R1, l'ouverture numérique de la face 12 correspondant à R2 est voisine de sept fois celle de la face ll correspondant à R1. Néanmoins, une autre méthode d'obtention du double gradient pour la fibre optique tronconique 8 peut être utilisée. Cette autre méthode est expliquée à l'aide de la figure 3. Elle consiste à appliquer une torsion à une fibre optique tronconique 8 à gradient transversal d'indice optique. Cette torsion établit des contraintes qui varient d'une extrémité à l'autre de la fibre 8. Par ailleurs, ces contraintes sont nulles sur l'axe X'X et maximales à la surface de la fibre 8. Or, on constate expérimentalement qu'une contrainte induit une variation d'indice optique. On comprend donc que les contraintes obtenues vont créer le gradient longitudinal d'indice optique recherché. (L'indice optique est égal à nl sur l'axe X'X et le reste. Il passe d'une valeur nO à la valeur n2, avec n0 On remarque cependant que cette méthode utilisant des contraintes peut donner pour certaines fibres optiques de moins bons résultats que la méthode que l'on va maintenant exposer à propos de la figure 4. En effet, les contraintes à appliquer pour obtenir une bonne adaptation (c'est-à-dire un couplage dans lequel les pertes d'énergie lumineuse sont faibles) peuvent, pour certains matériaux utilisables pour la fabrication de la fibre tronconique 8, être telles que la fibre 8 ne leur résiste pas et se rompe. Sur la figure 4, on a représenté schématiquement un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention. Ce procédé permet de fabriquer les fibres optiques 1 et 8 à double gradient représentées sur les figures 1 et 2. Une fibre optique à double gradient d'indice optique peut être obtenue à partir d'une fibre de verre F par exemple de l'ordre de 10 à 20 cm de long et 50 à 60 iim de diamètre et sans aucun gradient d'indice. Ce verre est par exemple un verre sodocalcique dopé avec des ions Ag +. Par ailleurs, le dispositif de mise en oeuvre comprend essentiellement une cuve 13 remplie d'un bain B contenant des ions Na+. Selon le procédé objet de l'invention, plusieurs centaines de fibres F (plutôt qu'une, pour avoir un rendement de production élevé) sont maintenues et descendues par des moyens 14 mécaniques de descente, réalisables par l'homme de l'art, dans le bain B. Simultanément, on fait varier la concentration relative du bain B en ions Na en injectant des ions Ag+ - dans ledit bain B. En effet, des études de diffusion ionique dans les verres sodocalciques ont permis d'atteindre, par introduction d'ions Ag + dans ceux-ci, un accroissement d'indice optique de l'ordre de 0,1 à 0,2 sur plusieurs dizaines de microns d'épaisseur. Le remplacement de Na+ par Ag+ ayant ainsi l'inconvénient d'augmenter l'indice en surface, on peut produire la réaction inverse (diminution d'indice) en partant d'un verre dopé avec Ag + et en y faisant diffuser des ions Na Les ions Na + diffusent donc dans les fibres F abaissant ainsi l'indice optique du verre dans le domaine où ils ont diffuses.Du fait de la combinaison du mouvement de descente et de la variation de concentration du bain B en ions Na+ par injection des ions Ag , on crée donc dans les fibres F un gradient transversal d'indice optique et un gradient longitudinal d'indice optique : on obtient ainsi des fibres F dont l'ouverture numérique varie d'une extrémité à l'autre. Pour obtenir des ouvertures numériques déterminées aux deux extrémités des fibres F ou un rapport déterminé entre ces ouvertures numériques, il suffit de régler convenablement (ce que l'homme de l'art peut faire en utilisant les lois connues de la diffusion ou lois de FICK) la vitesse de descente des fibres F dans le bain B, la température de celui-ci et la vitesse d'injection des ions Ag dans ce bain B. Les fibres F ainsi traitées sont ensuite recouvertes d'une gaine faite d'un matériau d'indice optique inférieur à l'indice optique en surface, et qui protège les fibres F. Bien entendu, des verres à base d'ions (autres que Na ) permettant par diffusion d'abaisser l'indice optique en surface et dopés par d'autres ions que Ag+ pourraient être utilisés. Par ailleurs, d'autres procédés de fabrication de fibres optiques à double gradient d'indice optique pourraient être employés : méthode du double creuset, méthode dite MCVD, hydrolyse à la flamme, méthode de séparation de phase SPL, méthode de projection de verres fluorés, méthodes adaptables par l'homme de l'art à la fabrication envisagée. Le dispositif objet de l'invention permet de réduire les pertes d'énergie lumineuse se produisant lorsque l'on couple un émetteur et un récepteur de lumière. Il permet notamment de gagner environ 10dB dans le cas du couplage d'une diode électroluminescen te à une fibre optique et autour de 3dB dans le cas du couplage d'une diode laser à une telle fibre. REVENDICATIONS 1. Dispositif de couplage optique interposable entre un émetteur (2) et un récepteur (3) de lumière, caractérisé en ce qu'il comprend une fibre optique (1, 8) présentant des variations d'indice optique transversale et longitudinale telles que son ouverture numérique, variant alors d'une extrémité (6, 12) à l'autre (7, 11), ait en ces extrémités (6, 12 et 7, 11) des valeur adaptées à l'émetteur (2) et au récepteur (3) de lumière, permettant ainsi de réduire les pertes d'énergie lumineuse se produisant lorsque ledit émetteur (2) émetteur (2) et ledit récepteur (3) sont cou- plés. 2. Dispositif selon la revendication 1, ca ractérisé en ce que ladite fibre optique (1, 8) présente des gradients transversal et longitudinal d'indice optique. 3. Dispositif selon l'une quelconque des re-vendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite fibre optique (8) est de révolution et va en s'évasant d'une extrémité (11) à l'autre (12). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite fibre optique (8) est de forme tronconique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ladite fibre optique (8) présente une torsion selon son axe (x'X). 6. Procédé de fabrication du dispositif selon l'une quelconque des revendication 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste - à déplacer une fibre optique (F) dans un bain (B) contenant des ions aptes, par diffusion dans ladite fibre optique (F), à abaisser l'indice optique de celle-ci en surface, et simultanément - à faire varier la concentration desdits ions dans ledit bain (B). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, ladite fibre optique (F) étant faite d'un verre à base d'ions d'un premier type et dopée avec des ions d'un second type, lesdits ions contenues dans ledit bain (B) sont lesdits ions du premier type et en ce que l'on fait varier la concentration de ces derniers dans ledit bain (B) en injectant dans celuici des ions du second type. 8. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 au couplage optique d'une photodiode émettrice (4) et d'une fibre. optique réceptrice (5). 9. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5 au couplage d'une autre fibre optique (9) à une pluralité d'autres fibres optiques (10).