Brevet FR2526175A1 — publié le 19831104

La présente invention concerne un dispositif de séparation ou de combinaison de lumières de longueurs d'onde différentes. Elle trouve une application particulièrement intéressante dans la transmission dtin- formations par fibres optiques. Elle peut aussi être utilisée en analyse spectroscop ique. Dans la transmission d'informations à longue distance par fibres optiques, les signaux à transmettre sont generalement constitues en modulant la lumière émise par des sources emettant sur des longueurs d'onde bien déterminées, telles que des diodes électroluminescentes ou des diodes laser, et les signaux sont reçus par des détecteurs appropriés.Pour multiplier la capacité du système de transmission on fait circuler plusieurs signaux dans une même fibre de transmission à longue distance, si bien qu'il est nécessa ire, à chaque extrémité de cette fibre de transmission, dutiliser un dispositif capable de mélanger à I'entrée les différentes longueurs d'ondes issues de chaque émetteur, et capable de les séparer à la sortie pour les appliquer séparément sur chaque détecteur La même fibre peut d'ailleurs servir à des transmissions en duplex, chaque extrémité etant alors reliée à la fois à desemetteurs et à des détecteurs recepteurs. Pour la séparation ou la combinaison de longueurs d'ondes diffë- rentes, et outre les dispositifs à prismes ou à réseaux, on connait ltutili- sation de miroirs sélectifs qui ne réfléchissent qu'une bande etroite de longueurs d'onde de la lumiere reçue, et qui laissent passer toutes les autres longueurs d'onde. Le brevet français publié sous le numéro 2.258.751 décrit un tel dispositif dans lequel, par exemple en de'multiplexage, chaque étage d'extraction des composantes d'une lumiere complexe comporte un ti miroir qui sépare par réflexion la seule longueur tonde recherchée. On connatt aussi une autre forme d'utilisation de miroirs sélectifs qui au contraire ne laissentasser qutune bande étroite de longueurs d'onde tandis qu'ils réfléchissent toutes les autres. Le brevet français publié sous le numéro 2.416.595 décrit un tel dispositif dans lequel, par exemple en demultiplexage, chaque étage d'extraction des composantes d'une lumière complexe comporte un tel miroir qui sépare par transmission la seule longueur d'onde recherchée. De tels miroirs sélectifs sont généralement constitués par un empilement de couches minces multidiélectriques alternativement de fort et faible indice . Un choix convenable du nombre, de l'epaisseur et de l1in- dice des couches élémentaires permet l'obtention de surfaces constituant des filtres passe-bas ou passe-haut laissant passer ou réfléchissant les longueurs d'onde supérieures ou inférieures à une longueur d'onde critique, ou des filtres passe-bande ne laissant passer qu'une bande plus ou moins étroite de longueurs d'onde. I1 existe plusieurs ouvrages traitant des miroirs à couches diélectriques et des moyens de détermination de leurs ca ractéristiques ; on pourra citer par exemple : Thin-Film Optical Filters par H.A.NAC LEOD, Computer-aided Techniques for the design of multilayer Filters, par Heather M. Liddel ou encore Optics of Thin Films par Knittl. Mars ces filtres ne sont en général pas parfaits ; le plus souvent ils laissent passer wie petite quantité de lumière qu'ils devraient réfléchir ou au contraire ils réfléchissent une petite quantité de la lumière qu'ils devraient laisser passer. Dans les systèmes de multiplexage ces petites quantités de lumière constituent de la lumière parasite, ce qui entraine un taux non négligeable de diaphonie et de paradiaphonie très gênantes pour la détection des signaux. Cette paradiaphonie prend une importance particulière dans les systèmes à multiplexage dans les deux sens, dans lesquels auprès des récepteurs qui redoivent des lumières très affaiblies on trouve des émetteurs très puissants. La présente invention apporte une solution efficace à ces inconvénients et permet, en fonction des écarts entre longueurs d'onde des sources les plus usuelles, et en fonction des possibilités de réalisation de miroirs sélectifs, de séparer et/ou de combiner avec un minimum de perte plusieurs longueurs d'onde sur des plages bien déterminées. L'invention concerne donc un dispositif de séparation et/ou de combinaison de lumières de longueurs onde différentes, destiné à etra utilisé à l'extrémité d'une fibre optique de transmission de l'ensemble de la lumière mélangée, pour séparer sélectivement certaines longueurs d'ondes transmises par la fibre et les envoyer vers des détecteurs spécifiques, ou au contraire recevoir des longueurs d'ondes provenant d'émetteurs spécifiques et les envoyer vers la fibre ; dans un tel dispositif le faisceau de lumière mélangée, rendu parallèle par des moyens optiques associés à chaque émetteur ou récepteur ou à l'extrémité de la fibre de transmission, est transmis par réflexion sur plusieurs étages d'extraction ou de combinaison d'une longueur d'onde, chaque étage comportant un miroir plan sélectif ne laissant passer que la longueur d'onde spécifique de cet étage et réfléchissant les autres. Selon l'invention à chaque étage le premier miroir sélectif est associé à un deuxième miroir qui reçoit la lumière ayant traversé le premier et la renvoie vers celui-ci pour un deuxième passage avant, selon le cas d'extraction ou de combinaison, d'être envoyé vers le détecteur ou vers la fibre de transmission. Selon une forme particulière de réalisation de l'invention, le deuxième miroir est lui-même un miroir sélectif de caractéristiques complémentaires de celles du premier. L'invention sera mieux comprise en se référant à des modes de réalisation donnés à titre d'exemple et représentés par les dessins annexés. La figure 1 est un schéma optique d'un dispositif réalisé selon l'invention, appliqué au démultiplexage de signaux lumineux mélangés. La figure 2 donne un exemple de réalisation pratique dans le cas d'un dispositif assurant à la fois la combinaison et la séparation de lumières de longueurs d'onde différentes. La figure 3 représente une variante de réalisation. La figure 4 illustre la complémentarité de deux miroirs sélectifs d'un même étage de séparation. La figure 5 illustre une variante de réalisation utilisant un réseau de diffraction. On se réfèrera tout d'abord à la figure 1 plus schématique, où une fibre Fo transmet une lumière mélangée de longueur d'onde li 12 13 1 , chaque longueur dronde'portant un signal. Il faut donc séparer chaque longueur d'onde pour la diriger vers un détecteur qui pourra reconstituer le signal. Pour cela le faisceau complexe divergent 1 est transformé en un faisceau parallèle 2 par le miroir parabolique Mg utilisé hors axe, qui le dirige vers le premier étage séparation comportant un miroir plan sélectif P1 et un miroir parabolique M1 totalement réfléchissant. Le miroir P1 est déterminé pour ne laisser passer que la longueur d'onde 11 ou bien, par exemple si 11 est la plus faible longueur d'onde de celles transmises par la fibre Fg, pour ne laisser passer que les longueurs d'ondes égales ou inférieures à 11, ce qui permet de constituer le miroir P comme un filtre passe-bas. Seule la lumière l1 traverse donc P1 et tombe sur M1 qui la renvoie en la focalisant sur l'entrée d'une fibre F1 aboutissant au détecteur D1. On voit que la lumière 11 passe donc deux fois à travers le filtre P1, ce qui améliore considérablement l'élimination de la lumière parasite qui aurait pu traverser lors du premier passage. Le reste des longueurs d'onde 12 13 ... 1n du faisceau 3 se réflé chit totalement sur P1 qui le renvoie sur le deuxième étage de séparation constitué par Le miroir plan sélectif P1 associé au miroir parabolique MQV Comme à l'étage précédent le miroir P2 est déterminé pour ne laisser passer que la lumière 12 qui, avant focalisation sur l'entrée de la fibre F2 vers le détecteur D2, subit un deuxième passage sur le filtre P2 après réflexion sur N2. Il en sera ainsi de même jusqu'au dernier étage où le faisceau restant 5 ne contient plus normalement que la lumière 1 et où il suffit n de le focaliser, en principe sans filtrage, vers la fibre F et le détec- n teur Dn. On observera que dans cette configuration les miroirs M0 M1 M2 ... N sont des portions de miroirs paraboliques utilisés hors axe. Dans ce n cas il n'y a aucune aberration sphérique. Par ailleurs les miroirs sélectifs P1 P2 P3 ... à couches multidiélectriques sont utilisés sous des angles d'incidence proches de la normale, c'est à dire inférieurs à 15 , ce qui évite les pertes dues aux effets néfastes de polarisation. Le m^eme schéma optique serait valable en multiplexage, en inver sant les flèches des rayons lumineux;Dl D2... D seraient alors des sources > 1 n modulées émettant sur les longueurs d'onde 11 12 ... lnX l'ensemble des signaux étant alors introduits dans la fibre de transmission Fg pour être recueillis séparément à l'autre extrémité de cette fibre. On peut aussi utiliser le dispositif à la fois comme séparateur pour extraire les longueurs d'onde spécifiques amenées par la fibre Fg, et introduire en sens inverse une ou plusieurs autres longueurs d'onde en provenance d'émetteurs. C'est ce qui est représenté à la figure 2, qui montre en outre un mode de réalisation pratique monobloc Ici le dispositif comporte un bloc de verre à faces parallèles 6 et les fibres, ou bien la fibre Fg de transmission à longue distance, ou bien les fibres de liaison avec les détecteurs D2 D3 ... D ou l'émetteur E1 sont collées de part et d'autre du n I bloc 6. De meme les miroirs sélectifs P1 P . . -P et les miroirs parabole n ques M1 N ...M sont formés sur des blocs B1 B ... Bn collés sur les fa 12 n 12 n ces du bloc 6. Ici la fibre Fg transmet vers le dispositif des lumières 1 13 .. l et reçoit pour la transmettre à son autre extrémité la lumière 11 n issue de l'émetteur E1 et qui traverse deux fois le miroir sélectif P1, de telle sorte qu'elle ne peut qu'être renvoyée vers la fibre Fg sans émission parasite vers les détecteurs proches. On se réfèrera maintenant à ia figure 3 qui montre une variante de réalisation dans laquelle les miroirs paraboliques sont remplaces par des miroirs plans Rg R1 R2 ... associés à des lentilles Lo L1 L2 ... Sous cet autre mode de réalisation le fonctionnement du dispositif est exactement le même que celui décrit précédemment. On notera cependant qu'ici les miroirs sélectifs P P2 ... sont toujours traversés par un faisceau paral Lèle, c'est-à-d'ire sous la même incidence pour tous les rayons. On notera encore qu'ici, à chaque étage de séparation ou d'introduction, on utilise un autre miroir filtre sélectif S1 S2 ... qui permet un troisième filtrage du faisceau déjà isolé par le groupe des deux miroirs précédents.Cette adjonction dtun troisième passage filtrant peut bien entendu être aussi réalisée dans la configuration des figures 1 et 2 précédentes. L'utilisation de deux miroirs à chaque étage de séparation ou de combinaison permet encore un avantage supplémentaire si le deuxième miroir N1 M2 ... ou R1 R2 ... est lui-meme un miroir selectif à couches multidiélectriques car on peut alors associer la sélectivité de l'un par transmission avec la sélectivité de l'autre par réflexion.On suppose par exemple, dans le cas de la figure 1, que le miroir sélectif P1 réfléchit une petite partie de la lumière 1i qu' il devrait normalement laisser intégralement passer ; le faisceau 3 comportera alors de la lumière parasite 11. On pourra alors constituer le miroir sélectif P2 pour qu'il laisse passer non seulement la longueur d'onde 12 pour que celle-ci soit reprise par le miroir M2 vers F2, mais aussi la longueur d'onde li ;; si le miroir M2 est lui-même sélectif pour laisser passer ll et réfléchir l2, la lumière parasite li du faisceau 3 traversera à la fois P2 et M2 et sera définitivement éliminée hors du dispositif, sans pouvoir perturber les détecteurs D2 D3 ... . On notera que dans ce cas les miroirs P2 et N pourront être constitués comme des filtres passe-haut comme représentés par les dessins (a) et (b) de la figure 4, ce qui est généralement plus facile à réaliser que des filtres passe-bande à faible largeur de bande. Par contre l'association des deux miroirs P2 et M2 constituera l'équivalent (dessin (c) de la figure 4) dtun tel filtre passe-bande étroite. Ici encore l'utilisation d'un miroir sélectif pour le deuxième miroir de chaque étage stapplique quel que soit le mode de réalisation, à miroirs paraboliques ou à miroirs plans. En se référant maintenant à la figure 5 on verra que le dispos il tif objet de l'invention permet aussi l'utilisation d'un réseau de diffraction pour séparer ou combiner des longueurs d'onde relativement proches mais éloignées des autres longueurs dwonde passant dans la fibre de transmission. Ici après extraction de la longueur d'onde 12 par le groupe de miroirs P2 M2, le faisceau réfléchi sur P2 et qui contient les longueurs dtonde 1314 et 15 est diffracté par le réseau 8 en trois faisceaux parallèles qui sont focalisés par le même miroir parabolique M3 sur l'entrée de trois fibres distinctes vers les détecteurs correspondants. Bien entendu l'invention n'est pas strictement limitée aux modes de réalisation qui ont été décrits à titre d'exemple, mais elle couvre éga lement les réalisations qui n'en différeraient que par des détails, par des variantes d'exécution ou par l'utilisation de moyens équivalents. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de séparation et/ou de combinaison de lumières de longueurs d'onde différentes, destiné à être utilisé à l'extrémité d'une fibre optique (Fg) de transmission de l'ensemble de la lumière mélangée, pour séparer sélectivement certaines longueurs d'onde transmises par la fibre et les envoyer vers des détecteurs spécifiques, ou au contraire recevoir des longueurs d'onde provenant d'émetteurs spécifiques et les envoyer vers la fibre, dispositif dans lequel le faisceau (i) de lumières mélangées, rendu parallèle par des moyens optiques associés à chaque émetteur ou récepteur ou à l'extrémité de la fibre de transmission, est transmis par réflexion sur plusieurs étages d'extraction ou de combinaison d'une longueur d'onde, chaque étage comportant un miroir plan sélectif (P1, P2 ...) ne laissant passer que la longueur d'onde spécifique de cet étage et réfléchissant les autres, caractérisé par le fait qu'à chaque étage le premier miroir sélectif (P1, P2, ...) est associé à un deuxième miroir (M1, N2 ...) qui reçoit la lumière ayant traversé le premier et la renvoie vers celui-ci pour un deuxième passage avant, selon le cas d'extraction ou de combinaison, d'être envoyée vers le détecteur (D1, D2 ...) ou vers la fibre de transmission (Fg). 2.- Dispositif selon revendication 1, caractérisé par le fait qutà chaque étage le deuxième miroir est un miroir concave (M1 N2 ...) utilisé, dans un étage de séparation pour focaliser la lumière séparée vers le détecteur, ou dans un étage de combinaison pour rendre parallèle le faisceau issu de l'émetteur. 3.- Dispositif selon revendication 1, caractérisé par le fait qutà chaque étage le deuxième miroir est un miroir plan (R1, R2 ...), une lentille (L1, L2 ...) étant alors interposée entre le dispositif et chaque émetteur ou détecteur. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait qutà chaque étage le deuxième miroir est lui-même un miroir sélectif de caractéristiques complémentaires de celles du premier. 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications precédentes, caractérisé par le fait qu'à chaque étage, et entre le dispositif et chaque détecteur ou émetteur, on utilise un troisième miroir sélectif (S1, S2 ...) ne laissant passer que la longueur d'onde spécifique à cet étage.