Brevet FR2525353A1 — publié le 19831021

-1- "Dispositif multiplex ou démultiplex optique". L'invention concerne un dispositif multiplex ou démultiplex optique, dans lequel de la lumière d'au moins trois longueurs d'onde différentes est transmise par diffraction à une grille de phase entre un guide de lumière et au moins trois autres guides de lumière. Un tel dispositif est connu par exemple de H W Yen: "Op- tics Letters", décembre 1981, vol 6, No 12 La division de la lumière multicolore par la grille de phase s'effectue par dispersion dans un seul ordre de diffraction, en général le premier Pour que la diffé- rence entre les angles de diffraction des diverses longueurs d'onde assez étroitement voisines ( 20 à 40 nm) soit suffisamment grande, il faut que la période de grille soit relativement petite De ce fait, la réalisation d'une telle grille de phase est trop coûteuse Comme sources de lumière ne peuvent être utilisés que des lasers, car des diodes de luminescence qui, comme on le sait, émettent dans une gamme d'environ 20 nm autour d'une longueur d'onde centrale, ne sont pas appropriées, du fait que, étant donné la forte dispersion, leur lumière est rayonnée dans une si grande zone angulaire que la majeure partie de la lumière n'atteint pas le guide de lumière (une fibre de verre) destiné à transmettre cette longueur d'onde. La présente invention vise à modifier le dispositif multi- plex ou démultiplex optique de façon à pouvoir utiliser une grille de phase présentant une période de grille essentiellement supérieure Le dispositif conforme à l'invention, est caractérisé en ce que la gril- le de phase est une grille de phase numérique présentant au moins quatre gradins, dont la période de grille constitue un multiple de la longueur d'onde de la lumière à transmettre et que les paramètres de la grille de phase, comme la hauteur des gradins et le nombre des gradins dans la période de grille sont tels que la lumière de chaque longueur d'onde est diffractée en majeure partie dans l'un des ordres de diffraction centraux, de sorte que les diverses longueurs d'onde correspondent à divers ordres de diffraction. Par "grille de phase numérique", il y a lieu d'entendre une grille, dont le profil varie de façon étagée dans une période de grille De telles grilles sont connues, par exemple de H Dammann; Physik in unserer Zeit, 11 année 1980, page 83 et suivantes Dans le -2- dispositif conforme à l'invention, de la lumière de diverses longueurs d'onde est répartie sur les divers ordres de diffraction centraux, alors que, comme le mentionne le préambule, dans le dispositif connu, la division s'effectue par dispersion dans un seul ordre de diffraction Par conséquent, dans le dispositif conforme à l'invention, la dispersion peut être très faible et respectivement la constante de grille peut être relativement élevée (au moins 15 000 nm) D'autre part, la faible dispersion permet d'utiliser, à c 5 té de lasers, également des diodes luminescentes comme sources de lumière. Un autre avantage consiste en fin de compte dans le fait de pouvoir utiliser, outre des longueurs d'onde situées relativement tout près les unes des autres, également des longueurs d'onde qui se distinguent assez fortement des autres longueurs d'onde Par contre, dans les dispositifs connus, les longueurs d'onde utilisées doivent présenter le même espacement et être situées relativement tout près les unes des autres. Selon une forme de réalisation préférentielle de l'inven- tion, la grille de phase numérique est sous forme d'une grille de réflexion, c'est-à-dire les surfaces sont réflectrices En principe, l'invention peut être effectuée à l'aide d'une grille de phase numé- rique de transmission, il est vrai, mais l'utilisation d'une grille de réflexion offre de multiples avantages. a) Le guide de lumière, traversé par de la lumière présentant les diverses longueurs d'onde peut être disposé sur le même côté de la grille de phase que les guides de lumière traversés chaque fois par de la lumière d'une longueur d'onde. b) Lorsque la grille de phase de réflexion est plane, il suffit d'utiliser une seule lentille pour la focalisation, alors que dans le cas o l'on utilise une grille de transmission il faut en général deux lentilles. c) La grille de réflexion peut être courbée de façon qu'une focalisa- sation s'effectue déjà par la courbure, de sorte que des lentilles peuvent être entièrement omises. d) Dans une grille de phase de réflexion, la hauteur des gradins est inférieure d'un facteur (n-1)/2 à celle utilisée dans le cas d'une grille de transmission (n indice de réfraction de la grille de transmission) Cela facilite notablement la réalisation de la -3- grille de réflexion. Selon une autre réalisation de l'invention, on a fait en sorte que la hauteur d'un gradin constitue un multiple de la longueur d'onde de la lumière à transmettre Plus la hauteur des gradins est élevée, comparativement au longueurs d'onde utilisées, plus les lon- gueurs d'onde dans un dispositif conforme à l'invention peuvent se situer les unes près des autres Le même effet fournit également une augmentation du nombre de gradins, ce qui permet d'améliorer en outre le rendement de diffraction des ordes de diffraction centraux. Une autre forme de réalisation de l'invention prévoit que dans au moins l'un des ordres de diffraction, est diffractée de la lumière présentant deux longueurs d'onde essentiellement différentes et qu'un guide de lumière est prévu chaque fois pour les deux lon- gueurs d'onde Cette autre réalisation tient compte du fait que dans une grille de phase numérique il se produit pour un ordre de diffrac- tion un multiple de longueurs d'onde assez espacées, pour lesquelles la majeure partie de la lumière est rayonnée dans l'ordre de diffrac- tion en question Etant donné leurs assez grandes différences, les longueurs d'onde dans un ordre de dispersion se laissent séparer, malgré la constante de grille élevée, par la dispersion angulaire à la grille de phase. Une utilisation plus économique de la grille de phase numé- rique se produit lorsque selon une autre forme de réalisation de l'invention, la grille de phase est simultanément active dans un dis- positif multiplex et dans un dispositif démultiplex. La description ci-après, en se référant aux dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure la représente le profil d'une première grille de phase numérique, La figure lb représente un dispositif démultiplex formé avec une telle grille de phase, La figure lc illustre la disposition des guides de lumière dans ce dispositif démultiplex dans un plan coupant perpendiculairement l'un des guides de lumière. La figure 2 a représente une deuxième grille de phase La figure 2 b un dispositif démultiplex réalisé avec cette -4- deuxième grille de phase et La figure 2 c la disposition des guides de lumière dans ce dispositif démultiplex dans un plan coupant perpendiculairement les guides de lumière. Sur la figure la, 1 désigne une grille de phase numérique présentant, par période de grille g, quatre gradins, dont la hauteur est indiquée par d et dont les faces perpendiculaires entre elles s'étendent perpendiculairement au plan du dessin et à nouveau perpen- diculairement ou horizontalement au plan de la grille Sur sa face supérieure, la grille est munie d'un revêtement réfecteur Une telle grille de phase de réflexion numérique régulière assure la diffrac- tion de lumière à longueurs d'onde 1 q dans l'ordre de diffraction q, lorsque la relation 1 q = 2 d/ ( 2 k + q/p) ( 1) est satisfaite Dans cette relation, d représente la hauteur des gra- dins, q le nombre de l'ordre de diffraction (positif pour des ordres de diffraction positifs et négatif pour des ordres de diffration né- gatifs et zéro pour l'ordre de diffraction zéro), k un nombre entier positif ou zéro ce dernier uniquement lorsque q diffère de zéro - et P est le nombre de gradins par période de grille. Le rendement de dispersion a est alors aq= {Psin(f q/p)/ T q 1 2 ( 2) On reconnaît que le rendement de diffraction pour des ordres de dif- fraction centraux (q = + 1, O ou -1) est particulièrement élevé et que les rendements pour les ordres de diffraction différents de zéro sont d'autant plus élevés à mesure que le nombre de gradins p par période de grille est plus élevé Pour l'angle de dispersion /3 il s'applique P = q îq/q ( 3) J étant calculé en mesure d'arc et g représentant la période de grille L'angle de diffraction est l'angle que forme la normale au plan de grille respectivement aux gradins avec la direction de dif- fraction respective Ainsi, si f 3 = 0, (ordre de diffraction 0), la direction de diffraction sur la figure la (dans le cas d'incidence perpendiculaire de la lumière) s'étend perpendiculairement vers le haut Si >/ 0, la lumière est diffractée vers la droite en haut, alors que O -5- Une forme de réalisation de la grille de phase de réflexion numérique représentée sur la figure la présente une période de grille g de 25 000 nm et une hauteur de gradins de 1 600 nm De l'équation ( 1), il ressort la longueur d'onde 1 + 1 pour l'ordre de diffraction + 1 à 11 = 753 nm, la longueur d'onde 10 pour l'ordre de diffraction O à 10 = 800 nm et la longueur d'onde 11 _ à 1 = 853 nm Conformément à l'équation 2, le rendement pour 1 ' ordre de diffraction + 1 et l'ordre de diffraction -1 est d'environ 81 %, alors que le rendement pour l'ordre de diffraction zéro est de 100 %, de sorte que de la lumière présentant la longeur d'onde 10 ne peut pas parvenir dans l'ordre de diffraction + 1 La théorie (voir Dammann à l'endroit déjà indiqué page 88) indique en outre que la lumière de la longueur d'ond 1 + 1 ne peut pas parvenir dans l'ordre de diffraction -1 et l'ordre diffraction zéro et qla lumière de la longueur d'onde 1 ne peut pas parvenir dans l'ordre de diffraction + 1 et dans l'ordre de diffraction zéro De plus, la théorie indique que cela ne s'applique pas seulement aux longueurs d'onde indiquées, mais également pour d'étroites bandes spectrales autour desdites longueurs d'onde indiquées. La figure 1 représente un dispositif démultiplex optique, dans lequel la grille de phase décrite à l'aide de la figure la est utilisée pour la séparation des diverses longueurs d'onde, la direc- tion de la grille s'étendant perpendiculairement au plan du dessin, et dans la période de grille indiquée sur la figure la, la hauteur des gradins diminue de haut en bas. La grille 1 est exposée à de la lumière des longueurs d'on- de 1 + 1, 10 et 11, sortant d'une fibre F, qui se situe, ainsi que trois autres fibres F-1 FO et F+ 1, dans l'ordre de succes- sion indiqué dans un plan Une lentille 2 est prévue à une distance de la face terminale des fibres égale à sa distance focale f La len- tille transmet la lumière divergente sortant de la fibre F en un faisceau de rayonnement lumineux parallèle, qui atteint la grille de phase de réflexion 1 Cette grille assure la réflexion du faisceau lumineux parallèle après diffraction vers la lentille, qui rend la lumière convergente, le plan du foyer de la lentille correspondant au plan des faces terminales des fibres de verre F 1, F O et F+ 1. -6- La grille 1 est disposée de façon que, dans son ordre de diffraction zéro, elle fonctionne comme un réflecteur assurant l'in- troduction de la lumière provenant de la fibre F dans la fibre en verre Fou Cela s'obtient du fait que la grille n'est pas prévue d'une façon exactement perpendiculaire à l'axe optique, mais est tournée d'un petit angle autour d'un axe perpendiculaire au plan de dessin de la figure lb La figure lb ne représente qu'un rayon sor- tant de la face terminale de la fibre F, qui est guidée, après ré- flexion à la grille (un peu à l'extérieur de l'axe optique) dans la fibre Fo En réalité, un faisceau de rayons divergents sort de F et éclaire une partie relativement grande de la face de la grille et est réfléchi dans la lentille 2. La lumière de la longueur d'onde l 1 sortant de la fibre F est déviée par la grille 1 d'un petit angle (voir l'équa- tion ( 3) vers le haut, focalisée par la lentille et introduite dans la fibre F 1 prévue entre la fibre F et la fibre F O La lumière de la longueur d'onde 1 + 1 sortant de F est déviée d'un angle P + 1 vers le bas et introduite dans la fibre F+ 1 La position des fibres séparées est représentée sur la figure lc La distance comprise entre les fibres F 1 et F+ 1 et la fibre F O (par la- quelle il faut entendre chaque fois la distance des centres) est don- née par le produit de la distance focale f de la lentille 2 et de l'angle de diffraction e 1 respectivement P+ 1 selon l'équation ( 3); avec les valeurs indiquées de f, P et d, lesdites distances sont de 0,17 mm respectivement de 0,15 mm. Le dispositif selon la figure lb fonctionne de la façon décrite comme dispositif démultiplex Il peut fonctionner comme dis- positif multiplex lorsque le trajet lumineux s'étend de façon inver- se Tout comme la lumière de la longueur d'onde 10 provenant de la fibre F O et la lumière de la longueur d'onde 1 1 provenant de la fibre F 1, la lumière de la longueur d'onde 11 _ provenant de la fibre F 1 est introduite dans la fibre F Dans le cas d'utili- sation d'un deuxième groupe de fibres, la grille 1 et la lentille 2 peuvent fonctionner également comme partie d'un dispositif multiplex et d'un dispositif démultiplex, fonctionnant de façon indépendante l'un de l'autre. La figure 2 a représente une grille de phase de réflexion -7- numérique présentant six gradins par période de grille, la période de grille g pouvant être de 48 000 nm et la hauteur des gradins d étant de 4,000 nm Le dispositif démultiplex composé à l'aide de cette grille de phase est représenté sur la figure 2 b et 2 c, et se distin- gue du dispositif démultiplex représenté sur les figures lb et lc par le fait que la fibre F est traversée par de la lumière présentant cinq longueurs d'onde différentes, réparties sur cinq fibres 3 7. De plus, la fibre F n'est pas disposée de la façon représentée sur la figure 1 dans le même plan que les fibres 3 à 7, qui sont traversées par de la lumière monochromatique, mais au-dessus de la fibre centra- le 5 de façon que le plan décrit par les axes centraux des fibres F et 5 s'étende perpendiculairement au plan déterminé par les axes cen- traux des fibres 3 7. La fibre F est traversée par de la lumière présentant les longueurs d'onde de 787 nm, 800 nm, 813 nm, 1297 nm et 1371 nm. La lumière présentant la longueur d'onde de 800 nm parvient dans l'ordre de diffraction O et est introduite par l'intermédiaire de la lentille 2 dans la fibre 5 Pour atteindre ce but, il faut que la grille 1 soit tournée légèrement autour d'un axe situé dans le plan du dessin perpendiculairement à l'axe optique, de façon que l'ordre de diffraction O soit réfléchi par la grille 1, qui fait ici office de réflecteur, dans la fibre 5 Comme il ressort de l'équation ( 1), dans l'ordre de diffraction O peut également être transmise de la lumière de la longueur d'onde 1333 nm La lumière présentant la longueur d'onde de 787 nm sortant de la fibre F est diffractée dans l'ordre de diffraction + 1 et introduite dans la fibre 6, qui est éloignée de la fibre 5 d'une distance de 0,23 nm (pour une distance focale de la lentille 2 de 14 mm). Outre la lumière de la longueur d'onde de 787 nm, la lumi- ère présentant la longueur d'onde de 1297 nm parvient dans l'ordre de diffraction 1, comme il ressort de l'équation ( 1), lorsqu'au lieu de k = 5, on met k = 3 Les deux longueurs d'onde parvenant dans l'or- dre de diffraction 1 sont cependant si éloignées l'une de l'autre que la dispersion de la grille suffit, malgré la période de grille élevée de 48 000 nm, pour séparer spatialement, l'une de l'autre, les deux longueurs d'onde Conformément, la lumière présentant la longueur d'onde de 1297 nm est introduite dans la fibre 7 qui est éloignée de -8- la fibre 5 d'une distance de 0,378 mm. Les longueurs d'onde de 813 et de 1371 nm parviennent toutes les deux dans l'ordre de diffraction -1 La lumière présentant la longueur d'onde de 813 nm est introduite dans la fibre 4, qui est qui est éloignée de la fibre 5 d'une distance d'environ 400 nm. La grille de phase représentée sur la figure 2 permet en principe de séparer également des longueurs d'onde parvenant dans l'ordre de diffraction 2 Cependant, le rendement de diffraction (en- viron 68 % est alors déjà notablement inférieur à celui de l'ordre de diffraction 1 (environ 91 %>). Les longueurs d'onde dans la gamme situées autour de 800 nm sont situées ici notablement plus près les unes des autres que dans le cas du dispositif multiplex expliqué à l'aide des figures la à lc. Cela est dû au nombre plus élevé des gradins et à la hauteur plus grande des gradins Des longueurs d'onde qui ne se laissent guère distinguer ( 13 nm pour 2 fibres voisines) ne peuvent pas être trai- tées avec les dispositifs démultiplex connus. D'autre part, le dispositif démultiplex selon les figures 2 a à 2 c traitent des longueurs d'onde situées d'une part dans la gam- me autour de 800 nm et, d'autre part, dans la gamme autour de 1300 nm Cela peut être avantageux dans plusieurs cas, du fait que les- dites gammes de longueurs d'onde sont intéressantes en principe, parce que pour ces gammes, on dispose de sources lumineuses (diodes au laser ou diodes luminescentes) et que l'atténuation dans la fibre est très faible pour ces longueurs d'onde Le traitement des lon- gueurs d'onde, qui se situent en partie tout près les unes des autres, mais qui, d'autre part, sont assez éloignées les unes des autres, est également impossible avec le dispositif démultiplex connu du fait que les espacements de longueurs d'onde sont pratiquement constants. Un autre avantage des dispositifs démultiplex conforme à l'invention consiste dans le fait que, étant donné les périodes de grille relativement élevées, leur fonction ne peut pas être altérée par des effets de polarisation, contrairement aux dispo- sitifs démultiplex connus. Les grilles de phase numériques dans le dispositif multi- plex conforme à l'invention ou le dispositif démultiplex conforme à -9- l'invention ne doivent pas être régulières comme les grilles repré- sentées sur les figures la et 2 a Dans une période de grille, il peut présenter des gradins de hauteur et/ou de largeur différentes La forme exactement rectangulaire des gradins, qui ressort du dessin, n'est pas réalisable en pratique, de sorte que le profil des grilles de phase numériques à réaliser en pratique diffère légèrement de la forme idéale Toutefois, cela n'affecte guère la fonction du dispositif démultiplex ou du dispositif multiplex en réalisé. Le cas échéant, la lentille 2 peut être omise lorsque la grille de réflexion est courbée (concave). 2 D 25353 -10- REVENDICATIONS: 1 Dispositif multiplex ou denultiplex optique, dans lequel de la lumière d'au moins trois longueurs d'onde différentes est transmise par diffraction à une grille de phase entre un guide de lumière et au moins trois autres guides de lumière, caractérisé en ce que la grille de phase ( 1) est une grille de phase numérique présen- tant au moins quatre gradins, dont la période de grille constitue un multiple de la longueur d'onde (lq) de la lumière à transmettre et que les paramètres de la grille à phase, comme la hauteur des gradins et le nombre des gradins dans une période de la grille sont tels que la lumière de chaque longueur d'onde est diffractée essentiellement dans l'un des ordres de diffraction centraux, de sorte que les diver- ses longueurs d'onde correspondent aux divers ordres de diffraction. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grille de phase est réalisée comme grille de réflexion. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la hauteur (d) d'un gradin constitue un multiple de la longueur d'onde de la lumière à transmettre. 4 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractéri- sé en ce que dans au moins l'un des ordres de diffraction est dif- fractée de la lumière présentant deux longueurs d'onde différant es- sentiellement l'une de l'autre et pour les deux longueurs d'onde est prévu chaque fois un guide de lumière ( 3 ou 4 respectivement 6, 7). 5 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que la grille de phase est simultanément active dans un dispositif multiplex et dans un dispositif démultiplex. 6 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que tous les guides de lumière (F, F+ 1, Fo, F 1) sont disposés dans un plan et que la grille ( 1) est tournée autour d'un axe perpendicu- laire à ce plan. 7 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que des guides de lumière ( 3) ( 7) pour de la lumière de chaque fois une longueur d'onde se situe dans un premier plan et le guide de lumière (F) pour plusieurs longueurs d'onde avec le guide de lumière ( 5) pour l'ordre de diffraction zéro se situent dans un second plan, et que la grille est tournée autour d'un axe parallèle au premier plan.