Brevet FR2558607A1 — publié le 19850726

La présente invention est relative à un démul- tiplexeur optique de longueurs d'ondes qui sépare une lu- mière comprenant une pluralité de longueurs d'ondes en des composants individuels suivant leurs longueurs d'ondes respectives. Dans la communication par voie optique, pour augmenter les capacités de transmission, la pratique cou- rante consiste à utiliser un dispositif optique de multi- plexage de longueurs d'ondes dans lequel une pluralité de signaux optiques de longueurs d'ondes différentes sont propagés sur la même ligne de transmission optique. Dans les systèmes de communication optique utilisant ce type de dispositif de multiplexage optique des longueurs d'ondes, il est nécessaire de prévoir un démultiplexeur optique sur le coté de réception de la ligne de transmission afin de séparer les signaux optiques multiplexés suivant leurslon- gueurs d'ondes respectives. En tant que démultiplexeurs optiques utilisés dans le but précité, on a proposé jusqu'à présent diffé- rents types, Ils peuvent entrer dans trois catégories: les éléments de dispersion angulaire, qui utilisent des réseaux de diffraction ou des prismes; les éléments trans- mettant ou réfléchissant sélectivement les longueurs d'on- des et utilisant des pellicules de filtrage à interférence; et les circuits optiques de guidage d'ondes. La figure 1 du dessin annexé montre l'agence- ment d'un démultiplexeur optique classique appartenant à l'un des types décrits ci-dessus, qui utilise des pelli- cules de filtrage à interférence. Dans ce démultiplexeur, un signal de lumière, consistant en une lumière ayant une longueur d'onde j1 et en une lumière ayant une lon- gueur d'onde A 2 est appliquée en entrée par une fibre optique d'entrée il, et le signal de lumière est séparé en une lumière ayant la longueur d'onde A1 et en une lumière ayant la longueur d'onde A2, qui sortent res- pectivement par les fibres de sortie 12 et 13. Entre les fibres 11 et 12 d'entrée et de sortie sont disposées des lentilles 15-1 et 15-2 avec une pellicule de filtrage 14-1 disposée entre elles.. L'extré- mité de la fibre d'entrée 11 est fixée optiquement sur un c'té de la surface de la lentille 15-1 qui reçoit la lu- mière incidente, de sorte que la lumière ayant la longueur d'onde A1 du signal de lumière réfracté par la lentille -1 traverse la pellicule de filtrage 14-1, de sorte que la lumière ayant la longueur d'onde A1 sélectionnée par la pellicule de filtrage 14-1 est réfractée sur un coté de la surface de la lentille 15-2 dont sort la lumière et est reprise au moyen de la fibre 12 de sortie. La lumière ayant la longueur d'onde 2 dans le signal de lumière est réfléchie par la surface terminale de la lentille 15-1 adjacente à la pellicule 14-1 et pénètre dans une lentille -3 qui est en contact optique avec l'autre coté de la surface de la lentille 15-1 recevant la lumière incidente. La lumière ayant la longueur d'onde 2 entrant dans la lentille 15-3 traverse une pellicule de filtrage 14-2 qui transmet sélectivement la lumière ayant la longueur d'onde 2' et elle est réfractée sur un côté de la surface d'une lentille 15-4 dont sort la lumière, et elle est alors re- prise au moyen de la fibre 13 de sortie. Dans le démultiplexeur optique classique du type décrit ci-dessus, tel que celui représenté à la fi- gure 1, la partie de démultiplexage des longueurs d'ondes est réalisée indépendamment des fibres optiques et par conséquent la structure est dans son ensemble compliquée et présente des dimensions accrues, d'une façon désavan- tageuse. De même, au cours du processus de fabrication, il est nécessaire d'effectuer avec précision des opéra- tions compliquées, telles qu'un réglage fin des axes op- tiques, ce qui est incommode. Même si ces opérations de réglage ont été effectuées de façon appropriée, les condi- tions de fonctionnement, une fois réglées, peuvent être modifiées de façon défavorable par des perturbations ex- térieures telles qu'une variation de la température et des vibrations provenant de l'extérieur. En conséquences il n'est pas possiblede maintenir un fonctionnement stable sur une longue période de temps, ce qui entraIne la nécessité d'effectuer une nouvelle opération de réglage, Le but principal de l'invention est de suppri- mer les inconvénients précités des démultiplexeurs classi- ques et de réaliser un démultiplexeur optique de longueurs d'ondes dont la dimension puisse être réduite dans son en- semble et présentant une structure relativement simple et nécessitant un nombre réduit de réglages fins, tels qu'un réglage fin des axes optiques, au cours du processus de fabrication et qui soit capable de conserver des caracté- ristiques de rendement stables sur une longue période de temps sans que ces caractéristiques puissent être facile- ment modifiées par des perturbations extérieures, telles qu'une variation de la température et des vibrations pro- venant de l'extérieur. L'invention a pour objet à cet effet un dé- multiplexeur optique de longueurs d'ondes dans lequel une fibre optique est maintenue dans une position incurvée au moyen d'un organe de retenue, une surface polie formant miroir étant formée sur le coté convexe d'une partie in- curvée de la fibre optique maintenue par l'organe de re- tenue de telle sorte que ladite surface polie formant miroir soit située au voisinage immédiat de l'tme de la fibre optique. De plus, suivant l'invention, un réseau de diffraction est disposé opposé à la surface polie formant miroir précitée, la direction de son pas étant choisie de façon à coincider avec la direction dans laquelle s'étend la fibre optique. Le pas du réseau de diffraction est déterminé de manière à Otre égal à A /2nf, o A représente la lon- gueur d'onde de la lumière devant être séparée, et nf est l'indice de réfraction effectif de la fibre optique, c'est- à-dire l'indice de réfraction de la fibre optique dans son ensemble, y compris son ftme et les parties de son gainage. La description qui va suivre, en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment l'inven- tion peut être mise en oeuvre. Aux dessins annexés, la figure 1 montre l'agencement d'un démulti- plexeur optique classique; les figures 2 et 3 considérées en combinai- son montrent l'agencement d'un substrat utilisé dans un mode de réalisation du démultiplexeur optique suivant l'invention; comment- la figure 4 montre/une fibre optique est ajustée dans le substrat au cours de la fabrication du mode de réalisation du démultiplexeur optique suivant l'inven- tion; les figures 5 à 7 montrent respectivement différentes phases du processus de fabrication du mode de réalisation du démultiplexeur optique suivant l'invention; la figure 8 montre schématiquement l'agence- ment du mode de réalisation du démultiplexeur optique sui- vant l'invention; la figure 9 montre un exemple de l'agencement d'un appareil de démultiplexage optique de longueurs d'ondes utilisant un démultiplexeur optique suivant l'invention; les figures 10a et 10d montrent respective- ment différentes caractéristiques du mode de réalisation du démultiplexeur optique suivant l'invention; la figure 11 montre l'agencement d'un autre mode de réalisation du démultiplexeur optique suivant l'invention; la figure 12 montre le principe de fonction- nement du mode de réalisation représenté à la figure 11. Le démultiplexeur optique de longueurs d'ondes suivant l'invention sera décrit ci-dessous de façon détail- lée dans différents modes de réalisation, en référence aux dessins annexés. On utilise dans l'invention une fibre optique monomode. Par exemple, la fibre optique utilisée présente une âme dont le diamètre est d'environ 10'/m. Un gainage ayant un diamètre externe d'environ 125/-m est disposé sur l'extérieur de l'âme, Sur la surface externe du gainage est disposé un revêtement primaire d'une résine uréthane transparente ayant un diamètre externe d'environ 0,5 mm. De plus, sur la surface externe du revêtement primaire est disposé un revêtement secondaire en Nylon coloré en blanc ayant un diamètre externe d'environ 1 mmn. - Cette fibre optique est disposée en étant main- tenue incurvée au moyen d'un organe de retenue. Celui-ci est constitué par un substrat 21 en verre au quartz ayant par exemple rue largeur de 5 mnm, une hauteur de 10 mm et une longueur de 20 mie Le substrat 21 comporte une gorge 22 formée dans sa partie médiane de telle sorte que la gorge 22 s'Sétende dans le sens longitudinal du substrat 21 et a une largeur telle qu'elle lui permet de recevoir la fibre optiques La gorge 22 présente une courbure d'en- viron 50 à 100 om, La gorge 22 est formée par entaillage dlu substrat 21 en utilisant une scie à fil ou une scie à diamants dont la périphérie interne ou externe comporte des grains abrasifs en diamants collés sur elle. Dans la gorge 22 ainsi formée est disposée une fibre optique 23 dont les revêtements ont été enlevés de telle sorte que la partie de la fibre optique 23 dont les revêtements ont été enlevés s'étende le long de la gorge 22, et la fibre optique 23 est ensuite fixée. Dans ce cas, pour fixer la fibre 23 on utilise un procédé d'encastrement mettant en oeuvre un agent-de liaison tel qu'une résine époxy dont on remplit la région entre la gorge 22 et la fibre optique 23, Une surface polie 30 formant miroir est fore mu;e sur le oeté convexe de la partie incurvée de la fibre optique 23 qui est maintenue courbée par lVorgane de re- tenue de manière que cette surface polie 30 formant mi- roir soit située au voisinage immédiat de l'âme de la fibre optique 23. Polr former la surface polie 30 une monture de fixation est fixée sur un dispositif rota- tif de polissage et le polissage est effectué à une vi- tesse d'environ 180 tm sous une charge constante de l'ordre de 500 g. D'une façon plus particulière, le c8té convexe de la partie incurvée de la fibre optique 23 est tout d'abord rodé au moyen d'alundon jusqu'à ce que la fibre optique soit polie jusqu'en un point très proche de l'âme, par exemple espacé de 10 m de celle-ci. En- suite, avec le même dispositif rotatif de polissage, on effectue unpolissage avec de la poudre d'oxyde de cérium (CeO2) en utilisant un tissu de polissage. La vitesse de rodage est réglée à environ 1pm par période de 8 se- condes, tandis que la vitesse de polissage est réglée à environ lAm en 240 secondes. Le polissage est effectué jusqu'à ce que le côté convexe de la partie incurvée de la fibre optique 23 se trouve au niveau de la surface du substrat 21. Dans cet exemple, la profondeur de la partie médiane, ou la moins profonde, de la gorge 22 est déter- minée de façon à être légèrement inférieure au diamètre externe de la partie de la fibre optique 23 dont le revg- tement a été enlevé, de manière que la surface polie 30 formant miroir n'atteigne pas l'âme. Un réseau de diffraction est formé de façon à être opposé à la surface polie 30 ainsi formée, et en contact avec celle-ci. Le réseau de diffraction est formé par rapport à la fibre optique 23 par contact soit direct soit indirect. Suivant le procédé par contact direct, le réseau de diffraction est formé directement sur la sur- face polie formant miroir; suivant le procédé par con- tact indirect, une surface de réseau de diffraction est formée sur un autre élément, et l'élément sur lequel est formée la surface du réseau de diffraction est disposé de telle sorte que la surface du réseau soit opposée à la surface polie formant miroir et en contact avec celle-ci. On décrira en premier lieu le réseau de dif- fraction qui est formé suivant le procédé par contact direct. Une couche 35 ayant un indice de réfraction rela- tivement faible en une matière présentant un indice de réfraction inférieur à celui du gainage, par exemple CaF2, est formée par évaporation sur la totalité de la surface polie formant miroir telle que décrite plus haut, obtenant ainsi un produit intermédiaire agencé comme représenté à la figure 5. L'épaisseur de la couche 35 présentant un indice de réfraction relativement faible doit être d'en- viron 01, m. Une pellicule photorésistante 31, par exemple "AZ-1350", fabriquée par la Firme SHIPLEY CO. est alors appliquée sur la surface de la couche 35, comme représenté à la figure 6, de façon que cette pellicule 31 présente une épaisseur d'environ 0,2/nm. Dans cet état, on dirige des faisceaux lasers incidents sur la pellicule photorésistante 31, en prove- nance de deux directions, afin de former des franges d'in- terférences, grâce à quoi la pellicule 31 est soumise à une exposition par le procédé d'exposition aux interfé- rences. Par cette exposition la pellicule 31 reçoit une impression de motifs de réseaux ayant une période A. Cette période A des motifs du réseau imprimé est choisie de façon à être A= A /2nf, o A représente la longueur d'onde de la lumière devant 9tre séparée, et nf est l'indice de réfraction effectif de la fibre optique 23. La période A détermine le pas du réseau de diffraction de- vant être formé sur la surface polie formant miroir qui va être décrite dans la suite. La pellicule photorésistante 31 est ainsi soumise à une exposition par le procédé d'exposition aux interférences en utilisant les faisceaux lasers, et la pellicule 31 portant les motifs de réseaux est alors dé- veloppée, grace à quoi des motifs photorésistants 36-1, 36-2... sous la forme d'un réseau de diffraction sont formés de la façon représentée à la figure 7. D'une façon plus particulière le développement de la pellicule pho- torésistante 31 qui a été soumise à l'exposition par le procédé d'exposition aux interférences a pour résultat que les motifs photorésistants 36-1, 36-2.. sont laissés sous la forme d'un réseau sur la couche 35 ayant un indice de réfraction relativement faible avec une période égale à celle A des franges d'interférences. Ce traite- ment de développement est effectué de telle sorte que la couche 35 soit découverte. Ensuite, en utilisant comme masques les mo- tifs photorésistants 36-1, 362... sous forme d'un réseau, la couche 35 à faible indice de réfraction est décapée, par exemple par l'utilisation de HF et, enfin, les masques photorésistants sont enlevés de sorte que des motifs 37-1, 37-2 du réseau de diffraction qui sont constitués par la couche 35 à faible indice de réfraction sont formés sur la surface polie 30 formant miroir de la façon représen- tée à la figure 8. La totalité de la surface est revêtue d'une résine par amoulage afin de protéger les motifs 37-1, 37-2... du réseau de diffraction. D'une façon générale, il est connu que lorsqu'on dirige une lumière afin qu'elle soit incidente sur un réseau de diffraction ayant un pas A, les rayons de lumière présents dans la lumière incidente et ayant une longueur d'onde de = 2nfA (o nf représente l'in- dice de réfraction effectif de la fibre optique) sont ré- fléchis. En conséquence, si une lumière incidente est appliquée à la fibre optique présentant une partie for- mant réseau de diffraction, formée suivant le mode de réa- lisation de l'invention, il est alors possible de séparer de la lumière incidente une lumière ayant une longueur d'onde prédéterminée. La figure 9 montre l'agencement de l'ensemble d'un appareil de démultiplexage optique de longueurs d'ondes utilisant un démultiplexeur optique A suivant l'invention. Un signal de lumière comprenant des compo- sants ayant respectivement des longueurs d'ondes A1 et A2 est appliqué en entrée à une lame quart d'onde 42 à travers un diviseur optique 41 du faisceau, à polarisation, et le signal de lumière, comprenant les composants ayant les longueurs d'ondes 1 et 42 ayant traversé la lame quart d'onde 42 est appliqué à la borne d'entrée de la fibre optique 23 du démultiplexeur optique A. Le divi- seur 41 du faisceau, à polarisation, présente des carac- téristiques telles qu'il transmet le signal de lumière d'entrée qui comprend les composants ayant les longueurs d'ondes A, et A2 et qui vibrent dans un plan mais réflé- chit une lumière polarisée linéairement qui vibre dans un plan orthogonal au plan de vibration du signal de lumière d'entrée. Dans le démultiplexeur optique A tel que décrit plus haut, une lumière ayant une longueur d'onde de 2nfA (oẢreprèsente le pas des motifs 37-1, 37-2... du réseau de diffraction, et nf l'indice de réfraction effectif de la fibre optique 23) est réfléchie par les motifs 37-1, 37-2... et apparait comme une lumière réfléchie à la borne d'entrée du démultiplexeur A. En conséquence, si la longueur d'onde -1 dans les signaux optiques est choisie comme étant 2nf À, la lumière ayant la longueur d'onde (l est alors réfléchie par le réseau de diffraction et est incidente sur la lame quart d'onde 42 provenant de la borne d'entrée du démultiplexeur A. La lumière ayant la longueur d'onde;1 tra- verse deux fois la lame quart d'onde 42 lorsqu'elle entre et qúu.elle sort du démultiplexeur A et, par conséquent, lorsqu'elle antre dans le diviseur à polarisation 41 en provenance de la lame quart d'onde 42, la lumière est déjà devenue une lumière polarisée linéairement dont le plan de polarisation a tourné de 900. Pour cette raison, la lumière ayant la longueur d'onde 1 est réfléchie par le diviseur 41 et est reprise en sortie à travers la borne de lumière réfléchie t0. Par ailleurs, la lu- mière ayant la longueur d'onde 2 qui n'est pas réfléchie par les motifs 37-1, 37-2 du réseau de diffraction sort par une borne de sortie t2 du démultiplexeur A, Ainsi, le signal de lumière comprenant les 3)) cotiposants ayant respectivement les longueurs d ondes 1 et /I qui est appliqué à une borne d'entrée t1 est eparé en die-: cQomposants, lu ayant la longueur d onde séparé Sn deoes. Composalyt e qui est repris en sortie par la borne de lumière réfléchie to et l'autre ayant la longueur d'onde X2 qui est repris en sortie par la borne de sortie t2. Les figures 10a à 10d montrent différentes caractéristiques du démultiplexeur optique suivant l'in- vention. La figure 10a montre l'agencement du démultiplexeur optique suivant l'invention et la figure 10b montre que la longueur de couplage dela composition équivalente à la figure a est 1. La longueur effective L d'interaction représen- tée à la figure 10b est donnée par l'équation suivante: 1 {v L - K (z) dz. ..(1)..DTD: KO -J O o K représente le coefficient de couplage entre l'âme C et les motifs 371, 37-2... du réseau de diffraction, et K0 est le coefficient de couplage en un point o la dis- tance entre l'me C et les motifs 37-1, 37-2... du réseau est minimale. La longueur effective L d'interaction est approchée par l'équation suivante: /IT Ra L. f-....... 2 o R est le rayon de courbure de la fibre optique, a le rayon de l'âme C de la fibre optique, et v est la constante d'atténuation transversale normalisée. Comme représenté à la figure 10b, dans le démultiplexeur optique suivant l'invention, l'amplitude V dans le mode fondamental a des caractéristiques telles qu'elle se concentre sur l'âme C et diminue exponentiel- lement dans le gainage r. Par ailleurs, l'indice de réfrac- tion effectif nf du gainage r varie périodiquement en correspondance avec le pas du réseau de diffraction de la façon représentée à la figure 10c. La figure 10b montre un état de couplage entre une lumière en mode Ma et une lumière en mode Mb qui ont la m9me constante de propagation et avancent dans des direc- tions opposées l'une à l'autre dans la zone de couplage (0 façon plus particulière on peut considérer que la lu- mière en mode Ma qui est incidente sur le démultiplexeur s'atténue en raison du fait que l'énergie de la lumière en mode Ma se décale graduellement vers la lumière en mode a Mb dans la zone de couplage de O mière en mode Mb augmente en recevant l'énergie de la lumière en mode Ma- Si la longueur d'interaction effective L est suffisamment courte, le taux d'échange d'énergie entre la lumière en mode Ma, M augmente de façon correspondante. On peut considérer que cet échange d'énergie est provoqué par la réflexion de la lumière en mode Ma au moyen des motifs 37-1, 37-2... du réseau de diffraction, Le facteur de réflexion dans ce cas est très proche de 1 lorsque la longueur d'interaction effective L est suffisamment courte. La figure 11 montre l'agencement d'un autre mode de réalisation du démultiplexeur optique suivant l'invention. Dans ce mode de réalisation, le démultiple- xeur est réalisé de la façon désignée par contact indi- rect. D'une façon plus particulière ce démultiplexeur optique du type à contact indirect présente une structure telle que les motifs 37-1, 37-2.,. du réseau de diffrac- tion sont formés sur un autre substrat 45 par exemple au moyen du procédé décrit plus haut, et ce substrat 45 est disposé de telle sorte que la surface de celui-ci sur la- quelle sont formés les motifs 37-1 37-2 o.. du réseau de diffraction soit opposée à la surface polie 30 formée sur la fibre optique 23 de façon que ces motifs soient en contact avec ladite surface polie 30. Dans le démultiplexeur optique du type à contact indirect, il est possible de modifier pratiquement le pas du réseau de diffraction en disposant l'élément de façon que le substrat 45 sur lequel sont formés les motifs 37-1, 37-2... soit pivotant autour du centre de la surface polie 30 formant miroir de la fibre optique 23. D'une façon plus particulière, comme repré- senté à la figure 12, si le substrat 45 qui est dans son état initial dans lequel son axe longitudinal coincide avec celui de la fibre optique 23, est tourné d'un angle a autour du centre 0, le/réel A' après le pivotement est donné par l'équation suivante: 1. A4= - I A....A(3) cos Q En conséquence une telle structure permet de modifier la longueur d'onde devant être séparée en faisant tourner le substrat 45 d'un angle prédétermine, grâce à quoi il est possible de constituer un démultiplexeur va- riable qui est capable de séparer une pluralité de lon- gueurs d'ondes les unes des autres au moyen d'un unique démultiplexeur. Comme on l'a décrit dans les différents modes de réalisation, suivant l'invention il n'est pas nécessaire d'effectuer une opération compliquée quelconque, telle qu'un réglage fin des axes optiques dans le cours du processus de fabrication et par conséquent le démultiple- xeur optique de longueurs d'ondes est facile à fabriquer par comparaison avec le démultiplexeur classique. De plus, le démultiplexeur suivant l'invention présente une struc- ture simple et solide dans laquelle le réseau de diffrac- tion est disposé de façon à Otre opposé à la surface po- lie 30 formant miroir formée sur la surface périphérique de la fibre optique 23 et en contact avec cette surface. En conséquence il est possible de diminuer considérable- ment la dimension d'ensemble du démultiplexeur. De plus, le démultiplexeur suivant l'inven- tion présente d'excellentes caractéristiques de sépara- tion des longueurs d'ondes. Il est également possible de réaliser facilement un démultiplexeur optique dans lequel les conditions de séparation des longueurs d'ondes peu- vent être modifiées en continu en choisissant la structure à contact indirect. En outre, le fonctionnement du démul- tiplexeur suivant l'invention est extrêmement stable et il n'existe qu'une très faible possibilité que les condi- tions de fonctionnement puissent être modifiées par des perturbations extérieures telles qu'une variation de la température et des vibrations appliquées de l'extérieur. On remarquera que bien que l'on ait utilisé dans les modes de réalisation décrits plus haut du verre au quartz pour le substrat 21, celui-ci peut être constitué par un verre à composants multiples ou une résine synthétique. Comme on l'a décrit plus haut de façon détail- lée, il est possible suivant l'invention de réaliser un démultiplexeur optique de longueurs d'ondes qui présente une structure simple et solide et des dimensions réduites dans leur ensemble et qui présente des caractéristiques de séparation des longueurs d'ondes de haute précision, qui est stable vis-à-vis des perturbations extérieures telles que des variations de température et des vibra- tiens appliquées de l'extérieur, et est par conséquent capable d'assurer urn fonctionnement stable et une sépara- tion extrêmement précise des longueurs d'ondes. REVENDICATIONS 1. Démultiplexeur optique de longueurs d'ondes, caractérisé en ce qu'il comprend: un organe (21) de rete- nue qui maintient une fibre optique (23) en position in- curvée, une surface polie (30) formant miroir, qui est formée sur le c8té convexe d'une partie courbe de ladite fibre optique retenue par ledit organe de retenue (21) de telle sorte que ladite surface polie (30) formant miroir soit située très proche de l'âme (C) de ladite fibre opti- que (23), et un réseau (35) de diffraction qui est disposé opposé à ladite surface polie (30) et en contact avec celle-ci, et dont le pas est déterminé de façon à Otre A /2nf, o à représente la longueur d'onde de la lumière devant être séparée, et nf est l'indice de réfraction ef- fectif de ladite fibre optique, la direction du pas dudit réseau (35) étant choisie de façon à coincider avec le sens dans lequel s'étend ladite fibre optique (23). 2. Démultiplexeur optique suivant la revendi- cation 1, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat (45) disposé sur l'autre surface du réseau de diffraction (35) disposé sur ladite surface polie (30) formant miroir. 3. Démultiplexeur optique suivant la reven- dication 2, caractérisé en ce que ledit substrat (45) qui se trouve dans la position dans laquelle il coïncide avec l'axe longitudinal de la fibre optique (23) est tourné d'un angle prédéterminé autour de son centre.