Brevet FR2542461A1 — publié le 19840914

DISPOSITIF OPTIQUE DE MULTIPLEXAGE DEMULTIPLEXAGE La présente invention concerne un dispositif de multiple- xage d'une première voie de communication transportant plusieurs ondes lumineuses à différentes longueurs d'onde en plusieurs voies transpor- tant chacune l'une desdites plusieurs ondes, ou de démultiplexage des différentes plusieurs voies en ladite première voie, utilisant un sépa- rateur d'ondes à filtres interférentiels. Un dispositif de multiplexage démultiplexage utilisant un séparateur d'ondes à filtres interférentiels est décrit dans la pulbi- cation "Opto 82 " page 142 et suivantes sous le titre "Un dispositif de multiplexage optique à quatre canaux" Le dispositif décrit dans ce do- cument fait usage de filtres interférentiels à la fois de type filtre dichroique et du type Fabry Perot Le fait d'utiliser des filtres Fabry Perot interdit que les bandes spectrales des différentes voies de commu- nication soient des bandes larges Les émetteurs de radiations utilisés sont alors presque nécessairement les émetteurs à bande étroite que sont les diodes lasers, de prix élevé, et non pas des diodes électrolumines- centres (DEL) à bande large et beaucoup moins chèresp ce qui renchérit le prix global du dispositif Une autre cause de renchérissement du dis- positif concerne le Fabry Perot lui-même de construction délicate et oné- reuse Par ailleurs, dans ces dispositifs de multiplexage il est formé le plus souvent l'image de l'extrémité d'une fibre sur une autre fibre, lesquelles fibres sont de faible diamètre, par exemple 50 pm Pour ne pas perdre de flux lumineux, il est nécessaire que ces images soient de bonne qualité Or, dans ce dispositif de l'art antérieur, pour la forma- tion des images, sont utilisés des faisceaux inclinés qui induisent cer- tains défauts dans les images D'autre part, le réglage des filtres Fabry Perot s'avère délicat. L'invention se propose de pallier les inconvénients-précités en n'utilisant néanmoins que des filtres interférentiels. Un premier but de l'invention est d'obtenir que le dispositif soit adapté au multiplexage démultiplexage de voies de communications -2- optiques pouvant utiliser des ondes également de faible ou grande largeur spectrale, notamment celles issues de DEL. Un second but de l'invention est de parvenir à un dispositif de coût réduit par rapport au précédent. Un autre but encore est que, dans la perspective d'obtenir des superpositions image d'extrémités de fibre l'une sur l'autre de bonne qualité, les faisceaux utilisés pour la formation des images présentent une inclinaison faible sur les dioptres optiques constituants du dispo- sitif. Pour ce faire, le dispositif de l'invention élimine l'usage de filtres Perot Fabry et n'utilise pour son séparateur que des filtres dichroîques. Le dispositif de l'invention est remarquable en ce que les surfaces des extrémités émettrices ou réceptrices desdites première et plusieurs voies sont placées dans un même plan, en ce que les filtres du séparateur d'ondes sont des filtres dichroîques et qu'il comporte des moyens d'autofocalisation et réflexion combinés audit séparateur d'ondes conjuguant optiquement, pour chaque longueur d'onde l'extrémité de ladite première voie avec chacune des extrémités desdites plusieurs voies de longueur d'onde correspondante. Les filtres interférentiels dichroîques du séparateur d'onde présentent la particularité d'être immergés dans les matériaux constitu- tifs des moyens d'autofocalisation permettant ainsi dans la formation des images de minimiser l'inclinaison des faisceaux sur les dioptres et d'ob- tenir ainsi une meilleure superposition des images de fibre à fibre. Ainsi, l'un des modes de réalisation de l'invention est remarquable en ce que lesdits moyens de focalisation et réflexion sont constitués d'un ob- jectif à lentilles dont le plan focal est confondu avec celui des extré- mités des voies et le foyer placé sur l'extrémité de ladite première voie et de paires de prismes identiques montés tête-bêche,lesdites paires étant en nombre égal à celui desdites plusieurs voies et formant autant de lames à faces parallèles, lesdites lames étant plaquées l'une contre l'autre et perpendiculaires à l'axe de l'objectif, le dioptre commun des prismes de chaque paire étant muni d'un filtre dichroîque réfléchissant à au moins l'une des longueurs d'onde desdites plusieurs voies et trans- parent aux autres longueurs d'onde, chaque paire de prismes présentant 254246 1 -3 - les particularités suivantes: leur arête est perpendiculaire au plan formé par l'axe de l'objectif et l'extrémité de l'une desdites plusieurs voies, leur dioptre commun est réfléchissant à la longueur d'onde trans- portée par cette dernière voie, la distance d de cette extrémité à celle de ladite première voie satisfait sensiblement à la relation = 2 N e o f représente la distance focale de l'objectif, e l'angle au sommet des prismes et N l'indice de réfraction du matériau constitutif des prismes. En particulier, dans ce mode de réalisation, le filtre dichroique le plus en amont dans le cheminement aller de la lumière de- puis le plan des extrémités des voies et avantageusement remplacé par un élément moins onéreux, sous la forme d'un miroir réfléchissant dans tout le spectre de la lumière. Un autre mode de réalisation est remarquable en ce que lesdits moyens d'autofocalisation et réflexion sont constitués d'un nom- bre de paires de lentilles respectivement plan convexe et plan concave dont le dioptre sphérique est de même rayon, lesdites lentilles étant accolées selon ce dioptre et formant autant de lames à faces parallèles appliquées l'une contre l'autre, le dioptre commun de chaque paire ayant sa concavité tournée vers les extrémités des voies et étant muni d'un miroir filtre dichroique réfléchissant à au moins l'une des longueurs dtonde desdites plusieurs voies et transparent aux autres longueurs d'ondes, les lentilles ayant dans chaque lame un axe optique commun, ces axes dits communs relatifs aux différentes lames,étant parallèles entre eux et perpendiculaires au plan contenant les extrémités des voies, le point d'intersection de chaque axe avec ce plan étant situé au milieu du segment joignant l'extrémité de ladite première voie et, parmi les extré- mités desdites plusieurs voies, celle de la voie transportant la longueur d'onde réfléchie par le filtre dichroique de la lame considérée, les épaisseurs de matériau entre plan des extrémités des voies et première lame dans le sens aller de la lumière et celui constitutif des lentilles en amontdudit filtre dichroîque dans le sens aller de la lumière étant ajustés pour que ces deux extrémités soient conjuguées optiquement. Là encore, le filtre dichroique le plus en amont dans le cheminement aller de la lumière depuis le plan des extrémités des voies est aussi -4- remplacé avantageusement par un miroir réfléchissant dans tout le spec- tre de la lumière. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de quelques modes de réalisation de l'invention, ladite descrip- tion étant accompagnée de dessins qui représentent: Figure 1: la configuration dans un plan des extrémités des voies de communication. Figure 2: une mode de-réalisation par le passant par l'axe 15. Figure 3: une le plan perpendiculaire au Figure 4: une mode de réalisation par le passant par l'axe 15. Figure 5: une mode de réalisation par le passant par l'axe 16. vue en coupe du dispositif selon un premier plan perpendiculaire au plan de la figure 1 vue en coupe du même mode de réalisation par plan de la figure 1 passant par l'axe-16. vue en coupe du dispositif selon un second plan perpendiculaire au plan de la figure 1 vue en coupe du dispositif selon ce second plan perpendiculaire au plan de la figure 1 Figure 6: les psitions des points arli-nodaux dans le plancflafi- gure 1 des différentes lentilles d'autocollimation constitutives du- dispositif selon le second mode de réalisation. Figure 7: une vue en coupe du dispositif selon une variante du second mode de réalisation par le plan perpendiculaire au plan de la figure 1 passant par l'axe 15. Sur la figure 1, sont représentées dans un même plan les surfaces émettrices ou réceptrices du multiplexeur démultiplexeur. Ces surfaces sont de petites dimensions (moins de un dizième de mm de diamètre) Parmi ces surfaces, on distingue une surface centrale 1 î et quatre autres surfaces 11, 12, 13, 14 distribuées autour de 10 et, par exemple, équidistantes de cette dernière Ces quatre autres surfaces sont par exemple placées sur deux axes passant par le centre de la sur- face 10, à savoir les surfaces 11 et 12 sur l'axe 15, les surfaces 13 et 14 sur l'axe 16 La surface 10 est le lieu d'émission de plusieurs in- formations sous forme d'ondes lumineuses de longueurs d'onde différentes respectivement X 1, XA 2 X 31 X 4 tandis que les surfaces 11, 12, 13, 14 sont les lieux de réception chacune de l'une de ces ondes lumineuses -5- respectivement À 1, A 2 X 3 ? À 4 après réflexion sélective et focalisa- tion dans un système autofocalisant décrit ultérieurement ou encore la surface 10 est le lieu de réception commun d'ondes émises par les sur- faces 11, 12, 13, 14 de longueur d'onde respective X 1 i 29 x 3 y X 4 après réflexion, sélection et focalisation dans le même dit système autofoca- lisant Les surfaces 10, 11, 12, 13, 14 sont par exemple chacune l'extré- mité d'une fibre optique On réalise ainsi le multiplexage d'une voie de transmission en plusieuis voies de transmission ou encore le démultiple- xage desdites plusieurs voies en une seule voie. La figure 2 et la figure 3 représentent chacune l'ensemble du dispositif multi/démultiplexeur selon un premier mode de réalisation en coupe par le plan perpendiculaire au plan de la figure 1 et passant respectivement par l'axe 15 et par l'axe 16 Ledit système autofocali- sant est constitué de l'objectif 20 de distance focale f d'axe 21 et du bloc 22 constitutif de la partie réflectrice en longueur d'onde Les surfaces 10, 11, 12, 13, 14 sont placées dans le plan focal de l'objec- tif 20, la surface 10 étant centrée sur l'axe 21 Ce bloc comporte quatre paires de prismes empilées les unessur les autres, à savoir deux paires de prismes d'arêtes perpendiculaires au plan de la figure 1, et deux paires de prismes d'arêtes perpendiculaires au plan de la figure 2. Sur la figure 1, ces paires de prismes d'arêtes perpendiculaires au plan de la figure apparaissent sous les repères respectivement 23, 24 et 25, 26 Sur la figure 2, les paires de prismes d'arêtes perpendicu- laires au plan de la figure sont sous les repères respectivement 27, 28 et 29, 30 Les prismes de chaque paire sont en même matériau, d'indice de réfraction n, transparent aux longueurs d'onde X a X 4 et d'angle au sommet O Ils sont placés tête-bêche de manière à former une lame à fa- ces parallèles qui sont perpendiculaires à l'axe 21 La face inclinée de l'un des prismes de chaque paire est revêtue d'un filtre interféren- tiel dichroique réfléchissant l'une des longueurs d'onde X 1 ' 29 X 3 X 4 et transparent aux autres longueurs d'onde ou encore d'un miroir réfléchissant toutes les longueurs d'onde Ainsi, la face 31 du prisme 26 est munie d'un miroir réfléchissant pour les longueurs d'onde Xi à X 4; la face inclinée 32 du prisme 23 est munie d'un filtre interfé- rentiel transparent aux longueurs d'onde X 1, X 3 E X 4 et réfléchissant à -6 - la longueur À 2, la face 33 du prisme 30 est munie d'un filtre trans- parent aux longueurs d'onde X 11 À 2, X 4 et réfléchissant à-la longueur d'onde À alors que la face 34 du prisme 27 est munie d'un filtre réfléchissant à la longueur d'onde À 4 La distance d entre la surface s centrale 10 et l'une des surfaces 11 à 14 est telle que d # 2 N 3 ( 1) O étant faible de l'ordre par exemple 50 Du fait des propriétés spec- trales des filtres et de la relation précédente, la surface 10 et les surfaces 11, 12, 13, 14 sont conjuguées optique l'une de l'autre et tous les faisceaux tels que 35, 36, 37, 3 '8 issus respectivement de 11, 12, 13, 14 se trouvent converger sur la surface 10, ou encore ces mêmes faisceaux émis par 10 se trouveraient converger sur respectivement 11, 12, 13, 14, lesdits faisceaux étant peu inclinés sur l'axe 21 (incli- naison inférieure à 50), ce qui assure une bonne qualité d'image d'extré- mité de fibre Il va de soi que le système peut être moins particularisé qu'il ne vient d'être décrit pour la simplicité de l'exposé Par exemple, les prismes peuvent avoir les angles eau sommet inégaux Les distances d de chaque surface 11 à 14 par rapport à 10 sont alors inégales et doi- vent être ajustées par rapport à ces angles et satisfaire chacune à la relation ( 1) Il va de soi aussi que le multiplexage décrit pour un fac- teur 4 peut être exécuté selon le même principe pour un plus grand nom- bre de voies en prévoyant pour former le bloc optique 22 un empilement de paires de prismes et de filtres sélectifs et miroir en nombre égal à celui des voies. Les figures 4 et 5 représentent chacune l'ensemble du dis- positif selon un second mode de réalisation en coupe par le plan perpen- diculaire au plan de la figure 1 et passant respectivement par l'axe 15 et par l'axe 16 Là encore, pour simplifier la description, le système est particularisé à quatre voies Ce système ne comporte plus la len- tille mince 20 et les paires de prismes sont remplacées chacune par un couple de lentilles respectivement plan convexe et plan concave en maté- riau transparent accolées selon un dioptre sphérique commun et formant une lame à faces parallèles entre elles et au plan contenant les surfa- ces 10 à 14, ledit dioptre étant revêtu d'un filtre interférentiel réfléchissant à l'une des longueurs d'onde À 1 à À 4 et transparent aux 7 - autres longueurs d'onde, ou encore d'un miroir réfléchissant l'ensem- ble des longueurs d'onde À à -À 4 Sur les figures 4 et 5 ces couples de lentilles plan convexe et plan concave sont respectivement ( 41,42), ( 43, 44), leur dioptre sphérique étant respectivement 45,46, 47,48 Les dioptres 45, 46, 47 sont revêtus d'un filtre interférentiel réflé- chissant, parmi les longueurs d'onde À 1 à À 4, respectivement à la lon- gueur d'onde Xi, À 2, À 3 et transparents aux autres longueurs d'onde Le dioptre 48 est muni d'un miroir réfléchissant à toutes les longueurs d'onde À 1 à À 4 Les axes optiques des lentilles constituantes de chaque lame respectivement 49, 50, 51, 52 sont perpendiculaires au plan conte- nant les surfaces 1 O à 14 Chaque axe coupe dans ce plan en son milieu la ligne joignant la surface 10 à la surface respectivement 11, 12, 13, 14 Le point d'intersection est confondu avec les points de grandisse- ment (-1), dits point anti-nodaux, (lesquels sont superposés) de la lentille "miroir" epcisse dont l'épaisseur est celle du verre précédent (dans le sens aller de la lumière) le dioptre sphérique réfléchissant correspondant et dont le rayon de courbure est ajusté pour que les points anti-nodaux occupent ledit point d'intersection A cette fin, par exemple le rayon R 3 du dioptre 47 satisfait à la relation R 3 = O +(E 1 +E 2 + 3) ( 2) o E 1 et E 2 représentent l'épaisseur respectivement des lames de verre 41 et 42, Q 3 l'épaisseur de la lentille plan convexe de la lame 43, úO l'épaisseur du milieu précédant la lame 41 et situé entre le plan des extrémités de voies et la lame 41, ú 3 et L étant toutes deux mesurées sur l'axe 51, N l'indice de réfraction du matériau constitutif des diffé- rentes lame et N celui du milieu précédant la lame 41 Les dioptres , 46, 48 satisfont à des relations analogues Sur la figure 6, reprenant le plan de la figure 1, sont représentés les points anti-no daux respectivement F 1, F 2, F 3, F 4 des lentilles "miroirs" épaisses e xplicitées ci-dessus dont le dioptre sphérique est respectivement 45, 46, 47, 48 De par ces lentilles épaisses, la surface 10 est conjuguée optique des surfaces respectivement 11, 12, 13, 14 De même, tout fais- ceau issu de 11, 12, 13 j 14, tels les faisceaux respectivement 53, 54, 55, 56 de longueurs d'onde respectivement À 1, À 2, À 3 À 4 converge sur la surface 10 et vice-versa. Les-figures 4 et 5 correspondent au cas pour lequel le milieu précédant la lame 41 est de l'air c'est-à-dire no = 1 Le rayon R 3 est alors donné par la relation R 3 = N ú + E 1 2 + 93 ( 3) Les centres de courbure des dioptres 45,46,47,48 se trouvent situés en amont du plan des extrémités des voies sur les axes respectifs 49, 50, 51, 52. La figure 7 représente en coupe une autre,variante de ce second mode de réalisation pour lequel le milieu précédant la lame 41 est constitué du bloc 53 en verre d'indice de réfraction n, de même nature que le verre constitutif des différentes lames. Le rayon R 3 est donné par la relation R 3 = k O + El + E 2 + Q 3 ( 4) Comme l'indique cette relation, les centres de courbure des dioptres à 48 sont alors situés dans le plan des extrémités des différentes voies et confondus avec les points anti-nodaux respectivement F 1, F 2, F 3, F 4 des lentilles explicitées ci-dessus La présence de ce bloc de verre 53 améliore la qualité de l'image réfléchie par chaque sépa- rateur dichroique ou miroir (absence d'aberration dite de sphéricité à l'interface air-verre de la première face du bloc référencé 41 des figures 4 et 5). De plus, ce montage très compact permet la mise en place d'un liquide d'adaptation entre les faces de verre et au niveau de la face d'entrée du bloc 53 (diminution des pertes de Fresnel). -9- REVENDICATIONS 1 Dispositif de multiplexage d'une première voie de communi- cation transportant plusieurs ondes lumineuses à différentes longueurs d'onde en plusieurs voies transportant chacune l'une desdites ondes, ou de démultiplexage des différentes plusieurs voies en ladite première voie, utilisant un séparateur d'ondes à filtres interférentiels, caractérisé en ce que les surfaces des extrémités émettrices ou réceptrices desdites première et plusieurs voies sont placées dans un plan, en ce que les fil- tres du séparateur sont des filtres dichrolques, et qu'il comporte des moyens d'autofocalisation et réflexion sélective combinés audit sépara- teur d'onde, conjuguant optiquement pour chaque longueur d'onde l'extré- mité de ladite première voie avec chacune des extrémités desdites plu- sieurs voies de longueur d'onde correspondante. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'autofocalisation et réflexion sont constitués d'un objectif à lentilles dont le plan focal est confondu avec celui des extré- mités des voies et le foyer placé sur l'extrémité de ladite première voie et des paires de prismes identiques montés tête-bêche, lesdites paires étant en nombre égal à celui desdites plusieurs voies et formant autant de lames à faces parallèles, lesdites lames étant plaquées l'une contre l'autre et perpendiculaires à l'axe de l'objectif, le dioptre commun des prismes de chaque paire étant muni d'un filtre dichroique réfléchissant à au moins l'une des longueurs d'onde desdites plusieurs voies et trans- parent aux autres longueurs d'onde, chaque paire de prismes présentant les particularités suivantes: leur arête est perpendiculaire au plan formé par l'axe de l'objectif et l'extrémité de l'une desdites plusieurs voies, leur dioptre commun est réfléchissant à la longueur d'onde trans- portée par cette dernière voie, la distance d de cette extrémité à celle de ladite première voie satisfait sensiblement à la relation: d -2 N 0, o f représente la distance focale de l'objectif, O l'angle au sommet des prismes et N l'indice de réfraction du matériau constitutif * des prismes. 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'autofocalisatiôn et réflexion sont constitués d'un nombre de paires de lentilles respectivement plan convexe et plan concave -10- dont le dioptre sphérique est de même rayon, lesdites lentilles étant accolées selon ce dioptre et formant autant de lames à faces parallèles appliquées l'une contre l'autre, le dioptre commun de chaque paire ayant sa concavité tournée vers les extrémités des voies et étant muni d'un filtre dichroique réfléchissant à au moins l'une des longueurs d'onde desdites plusieurs voies et transparent aux autres longueurs d'ondes, les lentilles ayant dans chaque lame un axe optique commun, ces axes dits communs relatifs aux différentes lames,étant parallèles entre eux et perpendiculaires au plan contenant les extrémités des voies, le point d'intersection de chaque lame avec ce plan étant situé au milieu du seg- ment joignant l'extrémité de ladite première voie et, parmi les extré- mités desdites plusieurs voies, celle de la voie transportant la lon- gueur d'onde réfléchie par le filtre dichroique de la lame considérée, les épaisseurs de matériau entre plan des extrémités des voies et pre- mière lame, dans le sens aller de la lumière, et celui constitutif des lentilles en amontdudit filtre dichroîque étant ajustés pour que ces deux extrémités soient conjuguées optiquement. 4 *Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau entre plan des extrémités et première lame est l'air. 5 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau entre plan des extrémités des voies et première lame est un verre de même nature que celui constitutif des lames.