Brevet FR2549239A1 — publié le 19850118

La présente invention concerne, d'une manière générale, les coupleurs de lumière pour fibres optiques et, plus particulièrement, des dispositifs de couplage de lumière dans les fibres optiques destinés à appliquer de la lumière à des fibres optiques ou des guides d'ondes optiques. Comme on le sait, une fibre optique ou un guide d'onde optique est constitué par un coeur d'indice de réfraction N entouré d'une gaine d'indice de réfraction N inférieur à N, si bien que la lumière qui est introduite à une extrémité est guidée dans le coeur jusqu'à 10 l'autre extrémité, essentiellement par réflexions internes. Dans des dispositifs pratiques, tels qu'un coupleur de fibre bidirectionnel, on introduit la lumière à une extrémité de la fibre ou du guide d'onde par l'intermédiaire d'un séparateur de lumière ou d'un système à lentilles divisant le faisceau et la lumière se 15 propage dans le sens aller ou direct dans le coeur de la fibre pour sortir à l'extrémité de sortie de celle-ci o, par exemple, elle est réfléchie sur un miroir mobile ou déformable pour être renvoyée dans la fibre ou le guide d'onde et retourner dans le sens retour ou inverse vers l'extrémité d'entrée de la fibre ou du guide d'onde o 20 elle en sort et est dirigée par le séparateur de lumière ou le diviseur de faisceau sur un détecteur, telle qu'une photodiode On a trouvé que, dans tous ces dispositifs de l'état de la technique, il se présentait un problème du fait que le signal de lumière retour dirigé vers le détecteur est assombri ou masqué d'une manière impor25 tante, du fait des réflexions de l'interface optique engendrées principalement à l'extrémité d'entrée de la lumière et à la sortie du séparateur de lumière ou de la lentille de division de faisceau. En conséquence, un objet de la présente invention consiste à prévoir une solution à ce problème afin d'obtenir un coupleur pour 30 fibre optique qui dirige la lumière injectée d'une manière essentiellement unidirectionnelle à partir d'une position d'introduction de la lumière dans le coeur entre les extrémités de la fibre ou du guide d'onde vers l'extrémité de sortie de la fibre ou du guide d'onde, si bien que l'interférence avec le signal de lumière retour, à l'extré35 mité de la fibre o est placé le détecteur, est pratiquement éliminée. Suivant un caractéristique de la présente invention, il est prévu des dispositifs de couplage de lumière dans les fibres dans -49239 lesquels on introduit au moins une distorsion physique locale dans la géométrie des fibres ou des guides d'onde en une position intermédiaire entre les extrémités des fibres ou des guides d'onde De préférence, ladite distorsion géométrique prend la forme d'un coude 5 axial, d'une boucle ou d'une bobine formés par la fibre, d'un renflement symétrique ou non symétrique de la surface de la fibre autour de son axe ou d'une dentelure, d'une denture, d'une encoche ou d'une gorge à la surface de la fibre et symétriques ou non par rapport à l'axe de la fibre Dans ce dispositif, les rayons de 10 lumière provenant d'une ou de plusieurs sources de lumière, y compris des lampes à incandescence, des lasers, des illuminateurs optiques de fibre et autres, sont dirigés sur la zone à distorsion physique à la surface de la fibre et entrent dans le coeur de la fibre, en un point le long de celle-ci, puis la lumière se propage dans un sens 15 prédéterminé, de préférence essentiellement unidirectionnelle vers l'extrémité de sortie désirée de la fibre pour être renvoyée dans celle-ci vers son autre extrémité o se trouve le détecteur Ainsi, étant donné le point d'injection de lumière et le sens de propagation initial, pratiquement unidirectionnel, de la lumière introduite, 20 s'éloignant de l'extrémité de la fibre o se trouve le détecteur, on élimine pratiquement les problèmes rencontrés jusqu'à présent en ce qui concerne l'assombrissement ou le masquage du signal de lumière retour à l'extrémité de détection de la fibre. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ain25 si que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig 1 montre un dispositif bien connu de communication optique bidirectionnelle dans une fibre, la Fig 2 est un schéma d'un premier exemple d'un coupleur de fibre optique suivant l'invention, la Fig 3 est un schéma d'un autre exemple de réalisation de coupleur de fibre optique suivant l'invention montrant un dispositif de couplage à un seul tour, la Fig 4 est un schéma d'un autre exemple de réalisation suivant l'invention montrant des dispositifs de couplage à plusieurs tours, la Fig 5 est un schéma d'un autre exemple de réalisation avec un dispositif de couplage multiplexé, la Fig 6 est un schéma d'un autre exemple de réalisation avec un dispositifde couplage à coudes sinusoïdaux placé dans une en5 ceinte de bloquage de lumière, la Fig 7 est un schéma d'un autre exemple de réalisation à dispositif de couplage à plusieurs coudes, la Fig 8 est une vue de bout du coupleur de la Fig 7, la Fig 9 est un schéma d'un autre exemple de réalisation d'un 10 coupleur suivant l'invention qui comporte un renflement symétrique de gaine et du coeur de la fibre ou du guide d'onde, le renflement étant coaxial par rapport à leur axe, la Fig 10 est un schéma d'un exemple de réalisation montrant un coupleur à renflement symétrique de la gaine de la fibre ou du 15 guide d'onde, le renflement étant coaxial, la Fig 11 est un schéma d'un autre exemple de réalisation montrant un renflement non symétrique de la gaine de la fibre ou du guide optique par rapport à leur axe, la Fig 12 est un schéma d'un autre exemple de réalisation de 20 coupleur suivant l'invention, lequel comporte un étranglement symétrique de la gaine et du coeur de la fibre ou du guide d'onde optique, l'étranglement étant coaxial, la Fig 13 est le schéma d'un exemple de réalisation montrant un coupleur avec étranglement coaxial de la gaine seule, la Fig 14 est un schéma d'un exemple de réalisation montrant un coupleur à étranglement non coaxial de la gaine et du coeur de la fibre ou du guide d'onde optique, la Fig 15 est un schéma d'un autre exemple de réalisation montrant un coupleur comportant un étranglement en forme d'entaille 30 coaxiale dans la gaine et le coeur de la fibre ou du guide d'onde optique, la Fig 16 est un schéma d'un autre exemple de réalisation montrant un coupleur à entaille non coaxiale dans la gaine de la fibre du guide d'onde, et la Fig 17 est le schéma d'un autre exemple de réalisation montrant un coupleur comportant des dentelures non symétriques dans la gaine de la fibre ou du guide d'onde optique. Dans la description qui va suivre en se référant aux dessins, on utilisera, à chaque fois, les mêmes références numériques pour désigner les mêmes parties D'une manière générale, les termes "fibre optique" ou "guide d'onde optique" seront utilisés pour désigner une 5 ligne de transmission en verre ou en matière plastique comportant un coeur et une ou des gaines entourant concentriquement le coeur afin de faire se propager, par réflexion interne sur l'interface coeurgaine, des rayonnements électromagnétiques se trouvant dans la zone optique du spectre électromagnétique allant des microondes aux rayons 10 X, et comprenant les zones des ultraviolets, du visible et des infrarouges. A la Fig 1, on a montré un dispositif de communication à fibre optique bidirectionnelle faisant partie de l'état de la technique, dans Iequel une source de lumière 10, telle qu'une lampe à incandes15 cence, un laser ou un illuminateur de fibre optique, dirige un faisceau de lumière 12 sur un système à lentilles séparatrices de faisceau, généralement désigné par 14, qui focalise le faisceau 12 sur l'extrémité émission de la fibre ou du-guide d'onde optique 16 en verre ou en plastique La lumière 12 se propage alors, dans le sens 20 direct, dans le coeur de la fibre 16 et sort de celle-ci à son autre extrémité o elle est focalisée par une lentille 18 sur une surface réfléchissante 20 (tel qu'un miroir mobile ou déformable) sur laquelle on doit effectuer une mesure. La mesure peut, par exemple, être celle des vibrations de la 25 surface 20 L'homme de métier comprendra qu'une petite partie seulement de la lumière 12 réfléchie par la surface 20 réentrera réellement dans le coeur de la fibre 16 à travers la lentille 18 Cette lumière 13 renvoyée se propage alors dans le sens inverse vers l'extrémité d'émission initiale de la fibre 16 o cette lumière 13, 30 qui constitue un signal d'information optique, est dirigée par le séparateur de faisceau 14 vers un photodétecteur 22, telle qu'une photodiode, permettant de recueillir son intensité et de la comparer avec un signal lumineux de référence. Dans ce genre de dispositif que l'on vient de décrire, on 35 notera que des réflexions arrière sont engendrées principalement par l'interface optique de l'extrémité d'émission de la fibre 16, mais également à partir de l'interface optique du séparateur de faisceau 14 quand on projette la lumière 12 On a trouvé que ces effets de réflexion arrière présentent un problème sérieux en ce qui concerne la détection du signal lumineux renvoyé, car ils peuvent avoir une intensité telle qu'ils assombrissent ou masquent le signal renvoyé d'une manière importante. On a montré, à la Fig 2, un dispositif suivant l'invention qui comprend un coupleur de fibre optique désigné d'une manière générale par 24 Dans ce dispositif, une source de lumière 10 dirige un faisceau 12 sur un coude de couplage 26 de la surface de la fibre 16, 10 le coude 26 étant placé en position intermédiaire entre les extrémités de la fibre Le faisceau 12 entre dans le coeur de la fibre 16 au coude 26 et se propage pratiquement unidirectionnellement vers l'extrémité de sortie 29 de la fibre 16 o il est focalisé par la lentille 18 sur une surface réfléchissante 20 et réfléchi dans le 15 coeur de la fibre 16 de la même manière qu'on l'a décrit pour le dispositif de la FIG 1 La lumière rentrante 13, qui définit un signal lumineux d'information optique est ensuite retransmise en sens inverse dans la fibre 16 jusqu'à ce qu'elle atteigne l'extrémité 28 o est placé le photodétecteur 22 si bien que le signal de lumière 13 20 renvoyé peut être recueilli dans le détecteur 22 pour mesure et comparaison avec un signal lumineux de référence. I 1 faut noter qu'étant donne l'introduction de la lumière 12 au couple de couplage 26, on élimine les problèmes évoqués ci-dessus en ce qui concerne l'assombrissement du signal renvoyé résultant de 25 réflexion arrière sur l'extrémité 28 De plus, dans ce dispositif, on n'a plus besoin du séparateur 14 et donc les problèmes inhérents à celui-ci sont aussi éliminés. Bien que la Fig 2 montre un exemple de réalisation de coupleurs suivant la présente invention, dans lequel on n'a qu'un seul 30 coude de couplage 26 constituant une distorsion physique locale à la surface de la fibre 16 entre ses extrémités et sur laquelle est projeté le faisceau lumineux 12 à introduire dans le coeur de la fibre 16, on comprendra que les distorsions de couplage peuvent, dans les coupleurs de l'invention, prendre de nombreuses formes et configu35 rations Par exemple, comme le montre la Fig 3, le coupleur 24 comporte une distorsion physique locale à la surface de la fibre 16 sous la forme d'une boucle ou d'un simple tour 30 Dans cet exemple, le faisceau de lumière 12 de la source 10 est projeté sur une zone courbe 32 de la boucle 30 de manière que la lumière 12 entrant dans le coeur de la fibre 16 soit envoyée pratiquement unidirectionnellement dans le sens direct vers l'extrémité de sortie de la fibre 16, 5 pour avoir ensuite le signal lumineux 13 transmis en sens inverse vers le détecteur 22 comme on l'a décrit en relation avec l'exemple de la Fig 2. Dans les Figs 4 et 5, les coupleurs 24 comportent, comme distorsions physiques locales de la surface de la fibre 16, plusieurs 10 boucles ou tours 34, 36 ou 38, à la Fig 4, et 40, 42 et 44, à la Fig 5, avec plusieurs sources lumineuses 10 projetant des faisceaux 12 sur les zones coudées respectives des boucles Une fois encore, la lumière 12 entrant dans le coeur de la fibre 16, dans chacun de ces dispositifs multiplexés, est envoyée pratiquement unidirectionnelle15 ment dans le sens direct vers l'extrémité de sortie de la fibre 16 pour la retransmission résultante du signal lumineux 13 vers le détecteur 22, comme on l'a décrit pour l'exemple de la Fig 2. A la Fig 6, on a montré un exemple de réalisation de l'invention dans lequel la fibre 16 est coudée sur une certaine partie de sa 20 longueur pour prendre la forme d'une courbe sinusoïdale, la partie sinusoïdale étant enrobée dans une matrice de blocage de lumière 46, avec des parties restant à l'extérieur de la matrice dans les zones coudées 48, 50, 52, 54 et 56 Dans ce dispositif, plusieurs sources de lumière dirigent des faisceaux 12 sur des zones coudées externes 25 48, 50, 52, 54 et 56, si bien que la lumière 12 entre à ces endroits dans le coeur de la fibre 16 et est dirigée pratiquement uniformément dans le sens direct vers l'extrémité de sortie de la fibre pour être ensuite traitée comme on l'a déjà décrit pour l'exemple de la Fig 2. On notera que la matrice de blocage de lumière 46 utilisée dans cet 30 exemple forme une barrière pour éviter que de la lumière étrangère n'atteigne la surface de la fibre 16 en des points de distorsion non prévus de la fibre 16 Si on le désire, cette matrice peut être utilisée avec l'un quelconque des autres exemples de réalisation décrits. A la Fig 7, la fibre 16 a la forme d'une série de sinusoides 58 dont les plans changent aux différents passages à zéro dans le sens longitudinal qui, vu de bout, comme le montre bien la Fig 8, présente un structure en rosace ou en marguerite sur laquelle des faisceaux de lumière 12 sont projetés par une source de lumière 10. La lumière 12 passe dans le coeur de la fibre 16 dans ces zones coudées 58 et est transmise pratiquement unidirectionnellement vers 5 l'extrémité de sortie de la fibre 16, pour ensuite être traitée comme on l'a déjà décrit en relation avec l'exemple de la Fig 2. Les Figs 9 à 17 montrent d'autres exemples de réalisation de coupleurs de l'invention, dont chacun permet de faire entrer de la lumière 12 dans le coeur de la fibre 16 en une position intermédiaire 10 entre les extrémités de la fibres, la lumière étant envoyée pratiquement unidirectionnellement dans le sens direct vers l'extrémité de sortie de la fibre 16 Là encore, la lumière 12 atteignant l'extrémité de sortie de la fibre est traitée pour retransmettre en arrière un signal lumineux 13 vers le détecteur 22, comme on l'a déjà décrit en 15 relation avec l'exemple de la Fig 2. A la Fig 9, le coupleur 24 comporte, comme surface de distorsion locale de la fibre, un renflement ou noeud symétrique, désigné d'une manière générale par 60, qui affecte à la fois la gaine 62 et le coeur 64 de la fibre 16 et qui est coaxiale à l'axe de la fibre 16 20 de manière que le faisceau de lumière 6 manont de la source de lumière soit projeté sur la surface du renflement 60 et entre dans le coeur 64 pour se propager pratiquement unidirectionnellement vers l'extrémité de sortie de la fibre 16 De même, les coupleurs 24 des Figs 10 et 11 comportent des renflements ou noeuds 66 et 70 qui 25 forment respectivement des distorsions physiques locales dans la géométrie de la fibre 16 et sur lesquels sont dirigés les faisceaux de lumière 12 engendrés par la source 10 L'exemple de réalisation de la Fig 10 diffère de celui de la Fig 9 en ce que le renflement symétrique 66 n'affecte que la gaine 62 de la fibre 16 et l'exemple 30 de réalisation de la Fig 11 diffère en ce que le renflement 70 de la gaine 62 n'est pas coaxial à l'axe de la fibre 160 En ce qui concerne les renflements et noeuds 66 et 70, il faut noter que, suivant l'invention, on considère que ces distorsions peuvent non seulement être formées à partir du matériau de la gaine elle-même, mais encore 35 en appliquant un matériau supplémentaire sur la surface de la gaine pour les fabriquer. Les Figs 12 à 17 montrent d'autres exemples de réalisation suivant l'invention de coupleurs 24 qui comportent des gorges ou dentelures, respectivement désignées 74, 76 et 78 dans les Figs 12, 13 et 14, des encoches 80 et 82 dans les Figs 15 et 16, et des dentures 84 à la Fig 17, ces creux formant des distorsions physique dans la géométrie de la fibre 16 et formant les places sur lesquelles les faisceaux de lumière 12 sont dirigés à partir des sources 10. Comme on l'a mentionné ci-dessus en ce qui concerne chacun des exemples de réalisation de la présente invention, les faisceaux de lumière sont dirigés sur les zones présentant des distorsions physi10 ques à la surface des fibres entre leurs extrémités afin d'introduire dans le coeur de la fibre de la lumière se propageant pratiquement unidirectionnellement vers une extrémité donnée de la fibre A cet égard, on a trouvé que le choix de l'angle d'incidence du faisceau de lumière sur la zone de distorsion est important pour obtenir le sens 15 de transmission directionnel voulu de la lumière Plus particulièrement, on a trouvé que tout angle d'incidence inférieur à l'angle de polarisation, également connu sous le nom d'angle de Brewster, est satisfaisant suivant l'application particulière prévue pour le coupleur Cependant dans un exemple préféré de réalisation de l'inven20 tion, l'angle d'incidence doit être proche de l'angle de Brewster, mais ne doit pas le dépasser car on n'aurait aucun couplage à des angles plus élevés De plus, quand l'angle d'incidence de la lumière sur la surface de la zone de distorsion est proche de O (c'est à dire perpendiculaire à la surface), le dispositif devient un disposi25 tif séparateur avec de la lumière transmise à peu près également dans les deux directions à partir du point d'introduction de la lumière dans le coeur ce qui est le contraire du but poursuivi dans un dispositif de couplage unidirectionnel suivant l'invention. De plus, on a trouvé que plus la surface de la zone de 30 distorsion qui est éclairée est grande, plus la quantité de lumière qui entre dans la fibre est grande On a également trouvé que plus le rayon de courbure de la distorsion à la surface de la fibre est petit, plus la lumière qui entre dans la fibre est grande. La présente invention s'est révélée être efficace en ce qu'elle 35 prévoit une introduction pratiquement unidirectionnelle dans la fibre ou le guide d'onde optique et, au cours des tests qui ont été effectués, on a trouvé que la lumière transmise dans le sens direct 9 2549239 vers l'extrémité de sortie était 16 fois plus grande que celle introduite dans le sens inverse. REVENDICATIONS 1) Coupleur ( 24) destiné à introduire de la lumière dans une fibre optique ( 16) de manière que la lumière introduite ( 12) soit transmise dans ladite fibre suivant un sens prédéterminé, ladite fibre ayant une longueur finie avec une première extrémité ( 28) et 5 une seconde extrémité ( 29), caractérisé en ce que la géométrie de ladite fibre comporte entre lesdites première et seconde extrémités au moins une distorsion physique locale ( 26, 30, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 48, 50, 54, 56, 58, 62, 64, 66, 70, 74, 76, 78, 80, 84). 2) Coupleur suivant la revendication 1, caractérisé qu'une 10 source de lumière ( 10) est positionnée pour introduire la lumière ( 12) dans la fibre entre lesdites première et seconde extrémités. 3) Coupleur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite distorsion a la forme d'un coude, d'une boucle ou d'une bobine, d'un renflement coaxial ou non de la surface de la fibre, ou 15 d'une dentelure, d'une denture, d'une encoche ou d'une gorge coaxiales ou non à la surface de la fibre. 4) Coupleur suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit sens prédéterminé de la transmission dans la fibre est pratiquement unidirectionnel à partir du point de ladite distor20 sion physique vers la seconde extrémité ( 29) de la fibre. ) Coupleur suivant l'une des revendication 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est un dispositif de couplage de lumière dans une fibre bidirectionnelle. 6) Coupleur suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé 25 en ce que la lumière transmise vers la seconde extrémité ( 29) de la fibre est projetée sur une surface réfléchissante ( 20), une partie ( 13) au moins de la lumière projetée étant réfléchie en arrière vers ladite seconde extrémité ( 29) pour être transmise en sens inverse et détectée à ladite première extrémité ( 28). 7) Coupleur suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite source de lumière ( 10) est placée de manière que le faisceau de lumière tombe sur ladite distorsion physique suivant un angle d'incidence inférieur à l'angle de Brewster. 8) Coupleur suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé 35 en ce que la source de lumière ( 10) dirige le faisceau ( 12) dans la région affectée de distorsion physique suivant un angle d'incidence il 2549239 tel que ledit faisceau de lumière entre dans la fibre dans ladite région pour être transmis dans la fibre dans un sens prédéterminé. 9) Coupleur suivant une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'au moins une distorsion physique comprend plusieurs boucles formées par la surface de la fibre. ) Coupleur suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'au moins une distorsion physique de la fibre est partiellement enrobée dans une matrice de bloquage de lumière ( 46), une partie de la distorsion sortant de ladite matrice pour l'introduction 10 de ladite lumière dans ladite fibre.