Brevet FR2549246A1 — publié le 19850118

La présente invention concerne d'une manière générale un perfectionnement apporté aux isolateurs optiques Plus particulièrement, elle concerne un isolateur optique muni d'un élément doté d'un effet magnéto-optique qui agit en outre en po5 lariseur, ce qui supprime le besoin d'un polariseur externe. Ainsi qu'il est bien connu, un isolateur optique est un élément biterminal qui a la propriété irréversible de permettre la transmission de la lumière dans un sens seulement, en empêchant la transmission de la lumière dans le sens opposé. 10 Un tel isolateur optique sert de transmetteur dans un réseau de communication optique pour empêcher l'interférence de la lumière réfléchie par le récepteur du réseau. Dans un oscillateur optique, notamment lorsqu'un laser à semiconducteur sert de source lumineuse, l'oscillation est 15 affectée quand le faisceau laser est renvoyé par réflexion externe dans la région d'oscillation, ce qui provoque une distorsion de la forme d'onde d'oscillation du laser à semiconducteur et un manque de stabilité de la longueur d'onde et du niveau de sortie, et augmente aussi le niveau de bruit. 20 Pour éviter ces difficultés on munit un réseau de communication optique d'un isolateur optique interposé entre le laser à semiconducteur et une fibre optique. Un isolateur optique traditionnel type fait usage d'un appareil rotateur de Faraday qui comporte, comme représenté 25 sur les figures 1 A et l B, un premier polariseur 1, un dispositif rotateur de Faraday 2 et un second polariseur 3 disposés le long de l'axe optique X. Quand un faisceau laser Ll émanant du laser à semiconducteur 4 est dirigé vers une fibre optique 5, comme représenté 30 sur la figure l A (ce faisceau laser sera considéré appelé ci-après comme dirigé "vers l'avant"), le faisceau laser L 1 est mis, à la traversée du premier polariseur 1, sous forme de lumière polarisée linéairement L 2 La lumière polarisée linéairement L 2 subit alors une rotation de la part du dispo35 sitif rotateur de Faraday 2, sous l'effet d'un champ magnétique externe H, pour devenir de la lumière polarisée linéairement L 3 dont le plan de polarisation a subi une rotation de par exemple 45 , dans le sens horaire lorsqu'on regarde vers l'avant La lumière polarisée linéairement L 3 est ensuite pro- jetée à l'intérieur de la fibre optique 5 à travers le second polariseur 3 dont le plan est disposé de façon à faire un angle de 45 avec l'axe optique, de sorte qu'il transmet la lumière L 3 sans aucune polarisation. Toutefois, la lumière réfléchie L 4, par exemple lumière réfléchie sur la surface d'extrémité de la fibre optique 5 et renvoyée vers le laser à semiconducteur 4 peut traverser directement le second polariseur 3, mais subit une rotation de dans le sens anti-horaire à la traversée du dispositif rotateur de Faraday 2 Donc, la lumière polarisée linéairement L 5 émanant du dispositif rotateur de Faraday 2 présente un plan de polarisation ayant subi une rotation de 90 par rapport à celui de la lumière polarisée linéairement dirigée vers l'avant L 2 Par conséquent, le premier polariseur 1 em15 pêche cette lumière polarisée linéairement L 5 d'atteindre le laser à semiconducteur 4 Cet-agencement agit donc efficacement en isolateur optique. Toutefois, dans cet isolateur optique, il est nécessaire de prévoir des polariseurs de part et d'autre du rotateur de 20 Faraday, ce qui augmente la taille de l'ensemble de l'isolateur. L'isolateur optique servant dans un réseau de communication optique comportant un-laser à semiconducteur doit avoir de très bonnes performances Les polariseurs utilisés dans un 25 tel isolateur optique sont usuellement constitués chacun par un prisme fait d'un cristal de calcite naturelle qui est onéreux Par conséquent, le coût d'un isolateur optique qui comporte deux cristaux de calcite onéreux est très supérieur à celui du laser à semiconducteur Ceci nuit à l'application de réseaux de transmission optique dans divers domaines industriels. Dans les conditions exposées ci-dessus, la présente invention a pour but de réaliser un isolateur optique comportant des éléments en un matériau magnéto-optique qui jouent eux35 mêmes un rôle d'isolation optique de sorte que le besoin d'un polariseur externe se trouve supprimé, ce qui assure une réduction non seulement de la taille et du poids de l'isolateur optique, mais aussi de son coût. Un autre but de l'invention est de réaliser un isolateur optique dans equel un bon effet d'isolation est obtenu grâce à une combinaison d'éléments en un matériau magnéto-optique et d'un élément transparent isotrope ayant un indice de réfraction sensiblement égal à celui du matériau magnéto-optique. A ces fins, l'invention propose d'utiliser efficacement la fonction de plan d'un matériau magnéto-optique pour permettre à un élément en ce matériau de fonctionner aussi en polariseur Autrement dit, l'isolateur optique selon la présente invention comporte un élément en un matériau magnéto-optique 10 dont les deux extrémités sont taillées à un angle complémentaire à l'angle de Brewster pour présenter des surfaces d'extrémité obliques qui exercent un effet polarisant L'invention propose non seulement de prévoir l'élément magnéto-optique ayant un rôle polarisant, mais encore de pla15 cer un élément transparent isotrope entre les deux éléments magnéto-optiques à surfaces d'extrémité obliques qui exercent des effets polarisants, l'élément transparent ayant un indice de réfraction égal à celui des éléments magnéto-optiques Dans ce cas, toutefois, les angles de Brewster des deux surfaces 20 d'extrémité de chaque élément en matériau magnéto-optique ne sont pas égaux, bien que les deux surfaces d'extrémité soient taillées à des angles complémentaires à l'angle de Brewster local, parce que chaque élément est en contact à une extrémité avec l'air et à son autre extrémité avec l'élément transparent 25 isotrope. La présente invention propose un isolateur optique qui comporte au moins un élément magnéto-optique à surfaces d'extrémité obliques taillées à des angles complémentaires à l'angle de Brewster, les surfaces d'extrémité obliques étant dis30 posées l'une par rapport à l'autre de façon que leurs orientations concordent après rotation de 45 ou de 225 dans le sens de la rotation de Faraday autour de l'axe optique, et l'élément magnéto-optique a une longueur de trajet lumineux telle qu'un champ magnétique externe peut provoquer une rotation de 35 45 du plan de polarisation. Dans une autre réalisation de la présente invention, deux éléments magnéto-optiques sont disposés en série avec interposition entre eux d'un élément transparent isotrope, l'élément transparent ayant un indice de réfraction sensiblement égal à celui des éléments magnéto-optiques. On va maintenant décrire l'invention en détailen se référant aux dessins annexés, sur lesquels: les figures 1 A et l B sont des illustrations de la technique antérieure représentant schématiquement une structure d'isolateur optique courant; les figures 2 A et 2 B sont des illustrations d'une réalisation d'isolateur optique suivant la présente invention; la figure 3 est une illustration d'une modification 10 de l'isolateur optique des figures 2 A et 2 B; la figure 4 est une illustration d'une autre réalisation d'isolateur optique selon la présente invention; et la figure 5 est une illustration d'une modification de la réalisation d'isolateur optique de la figure 4. Les figures 2 A et 2 B représentent schématiquement une réalisation de l'invention, la figure 2 A illustrant la propagation de la lumière vers l'avant (du laser à semiconducteur vers la fibre optique), tandis que la figure 2 B illustre la propagation de la lumière vers l'arrière Comme représenté sur 20 ces figures, un élément isolateur optique 10 suivant la présente invention est en-un matériau ayant un effet magnétooptique, tel que cristal unique d'yttrium-fer-grenat Une surface d'extrémité axiale de cet élément est taillée à un angle complémentaire àl'angle de Brewster O qui dépend de 1 ' 25 indice de réfraction de la matière, c'est-à-dire qu'elle est taillée à 90 moins l'angle 0, pour constituer une première surface oblique A L'autre surface d'extrémité axiale est aussi taillée à un angle complémentaire à l'angle de Brewster pour constituer une seconde surface oblique B La première surface oblique A et la seconde surface oblique B sont liées par une relation telle que leurs orientations concorderaient après une rotation relative de 45 autour de l'axe optique dans le sens de la rotation de Faraday L'élément a une longueur de trajet lumineux LP telle qu'un champ magnétique ex35 terne H peut assurer une rotation de 45 du plan de polarisation de la lumière arrivante autour de l'axe optique Les deux surfaces d'extrémité obliques A et B doivent être bien polies, mais n'ont pas à être munies de revêtements anti-réfléchissants comme dans un isolateur optique courant. Le fonctionnement de cet isolateur optique est le suivant Dans la réalisation représentée sur les figures 2 A et 2 B, 1 ' élément isolateur optique 10 est disposé en sorte que sa première surface oblique A regarde le laser à semiconducteur 4. Comme représenté sur la figure 2 A, la lumière L 10 émise à partir du laser à semiconducteur 4 tombe sur la première surface oblique A de l'élément isolateur optique 10 sous l'angle de Brewster O Dans ce cas, la composante du faisceau-laser polarisée dans le plan d'incidence (le plan passant par la di10 rection de propagation du faisceau incident et par la normale à la surface oblique A) est réfractée sous l'angle complémentaire à l'angle de Brewster, tandis que la majeure partie de la composante polarisée perpendiculairement au plan d'incidence est réfléchie vers l'arrière Ainsi, la surface d'extrémité 15 A taillée à l'angle complémentaire à l'angle de Brewster O agit en polariseur, de sorte que seule la composante de lumière polarisée dans le plan d'incidence peut atteindre l'élément isolateur optique 10 Le plan de polarisation de la lumière réfractée par la première surface oblique A et introdui20 te dans l'élément isolateur optique 10 subit une rotation de sens horaire, par exemple, autour de l'axe optique X sous 1 ' effet du champ magnétique externe H Puisque la distance entre le point d'incidence sur la première surface oblique A et la seconde surface oblique B est préféterminée de façon à assu25 rer une rotation de 45 de la lumière incidente, la lumière atteignant le point de sortie situé sur la seconde surface oblique B devient de la lumière polarisée linéairement dont le plan de polarisation a tourné de 45 dans le sens horaire autour de sa direction de propagation Comme indiqué ci30 dessus, la seconde surface oblique B est taillée à l'angle complémentaire à l'angle de Brewster et son orientation est décalée de 45 dans le sens de la rotation de Faraday autour de l'axe optique par rapport à l'orientation de la première surface oblique A Ainsi, la lumière atteignant le point de sortie situé sur la seconde surface oblique B atteint directement la fibre optique 5. La fibre optique 5 est usuellement en un verre de quartz à structure extrêment fine, de sorte qu'il est difficile d' appliquer un revêtement anti-réfléchissant sur ses surfaces d'extrémité Par conséquent, on considère qu'environ 4 % de la lumière incidente est réfléchie par la surface d'extrémité d'une fibre optique La lumière L 12 réfléchie par la surface d'extrémité de la fibre optique 5 retourne vers le laser à 5 semiconducteur 4, comme représenté sur la figure 2 B Cette lumière réfléchie tombe sur la seconde surface oblique B de l'élément isolateur optique 10 et est réfractée par cette surface à l'intérieur dudit élément 10 La lumière est polarisée au sein de l'élément isolateur optique 10 de sorte que 10 son plan de polarisation tourne de 45 dans le sens antihoraire autour de l'axe optique sous l'effet du champ magnétique externe H La lumière polarisée linéairement qui atteint la première surface oblique A, dont le plan de polarisation a tourné de 45 , à subi une rotation de 90 par rapport au faisceau laser incident de la figure 2 A Cette lumière devient donc, par réflexion sur la première surface oblique A, un faisceau lumineux réfléchi L 13 Par conséquent, la lumière réfléchie par la surface d'extrémité de la fibre optique 5 et se propageant vers l'arrière est presque complètement empêchée 20 de retourner au laser à semiconducteur 4, puisqu'elle est réfléchie par la première surface oblique A de l'élément isolateur optique 10 Il est donc possible d'obtenir un élément isolateur optique réalisé en un matériau magnéto-optique et ayant cette structure particulière. Sur les figures 2 A et 2 B, les petits points noirs et les petites flèches indiquent schématiquement les directions de polarisation Plus particulièrement, les petits points noirs représentent la polarisation dans la direction perpendiculaire au plan d'incidence Les petites flèches perpendiculaires à 1 ' 30 axe potique indiquent la polarisation dans le plan d'incidence, tandis que les petites flèches inclinées sur l'axe optique indiquent la polarisation sous un certain angle avec le plan d'incidence. l'angle de rotation de Faraday ( /cm) au sein d'une ma35 tière magnéto-optique est fonction de la longueur d'onde de la lumière Suivant la présente invention, puisque les surfaces d'extrémité de l'élément isolateur optique sont obliques, il est possible d'obtenir une rotation de 45 du plan de polarisation, même quand la longueur d'onde de la lumière varie, en faisant varier le point d'incidence de l'axe optique Ceci signifie qu'un élément isolateur optique de forme donnée, conçu pour une longueur d'onde de lumière donnée, peut servir d'isolateur pour de la lumière de longueur d'onde différente. Donc, suivant la présente invention, il est possible de réaliser un isolateur optique à large bande comportant un nombre de composants réduit. Dans la réalisation décrite, l'orientation de la seconde surface oblique de l'élément optique est décalée de 45 par 10 rapport à celle de la première surface oblique dans le sens de rotation de Faraday autour de l'axe optique Toutefois, cet aspect n'est pas limitatif et le décalage d'orientation pourrait être de 225 dans le sens de rotation de Faraday, comme représenté sur la figure 3 Le fonctionnement de l'isolateur 15 optique ainsi modifié est matériellement identique à celui de la réalisation selon les figures 2 A et 2 B Par conséquent, sur la figure 3, on a utilisé les mêmes références numériques pour désigner les éléments ou organes semblables à ceux des figures 2 A et 2 B et l'on s'abstiendra de décrire en détail 20 ces éléments ou organes. Les lasers à semiconducteur couramment disponibles peuvent émettre de la lumière polarisée linéairement à degré de polarisation très accusé et l'on sait que toute lumière polarisée de retour perpendiculaire à la lumière polarisée liné25 airement émise n'affecte pas beaucoup un tel laser à semiconducteur Le polariseur situé du côté incidence de l'isolateur optique n'a donc pas à avoir un rapport d'extinction très élevé D'après ceci on peut comprendre qu'un agencement dans lequel un faisceau laser tombe sur, et est polarisé par, une 30 surface oblique en un matériau magnéto-optique peut donner de bons résultats sans aucune dégradation de performance. La figure 4 représente une autre réalisation de la présente invention Cette réalisation comporte deux éléments a et 20 b, tous deux semblables à l'élément magnéto-optique 35 10 de la réalisation représentée sur les figures 2 A et 2 B, entre lesquels est interposé un élément transparent isotrope 24 Dans cette réalisation de la figure 4, les extrémités d'un premier élément magnéto-optique 20 a présentent des surfaces obliques A et B L'une des surfaces d'extrémité obliques, A, est usuellement en contact avec l'air, tandis que l'autre surface d'extrémité oblique, B, est en contact avec l'élément transparent 24 ou, plus strictement, avec un adhésif transparent Par conséquent, dans cette réalisation, l'angle complé5 mentaire à l'angle de Brewster n'est pas le même pour la surface A que pour la surface B. Un second élément magnéto-optique 20 b peut avoir la même configuration que le premier élément 20 a Les surfaces d'extrémité obliques du second élément magnéto-optique 20 b sont 10 désignées par les références alphabétiques C et D, respectivement Le premier élément magnéto-optique 20 a et le second, élément magnéto- optique 20 b sont disposés en série de façon que leurs surfaces obliques B et C soient parallèles entre elles et se regardent, leurs axes optiques étant sensiblement 15 alignés Deux surfaces d'extrémité obliques de l'élément transparent isotrope 24 sont parallèles entre elles et taillées à l'angle complémentaire à l'angle Brewster de façon à épouser étroitement les surfaces biaises B et C des éléments magnéto-optiques correspondants La direction d'un champ ma20 gnétique agissant sur le premier élément magnéto-optique 20 a est opposée à celle d'un champ magnétique agissant sur le second élément magnéto-optique 20 b On peut aisément obtenir ce résultat par choix judicieux de formations d'aimants Par exemple, on peut appliquer de bons champs magnétiques Ha et Hb 25 aux deux éléments magnéto-optiques en plaçant un pâle S au voisinage de l'élément transparent 24 et les pôles N étant de part et d'autre du pôle S Il va sans dire qu'il est possible d'appliquer ces champs magnétiques en plaçant des enroulements de solénoide (non représentés) autour de chacun des 30 éléments magnétooptiques 20 a, 20 b et en appliquant des courants électriques à ces enroulements dans des directions différentes. Ces trois éléments sont réunis ensemble par un adhésif transparent Les deux extrémités axiales de l'isolateur opti35 que intégré 20 doivent être bien polies, mais n'ont pas à être recouvertes d'un revêtement antiréfléchissant comme dans un isolateur optique courant. Lorsqu'on utilise un cristal unique d'yttrium-fer-grenat comme matériau magnéto-optique, son indice de réfraction est d'en- viron 2,2 Dans ce cas, on peut donc utiliser comme matériau transparent isotrope de l'oxyde de titane à indice de réfraction de 2,25, du titanate de strontium à indice de réfraction de 2,21 ou un mélange Tl-Cl et T 1-Br à indice de réfraction de 2,19. On va maintenant décrire le fonctionnement de l'isolateur magnéto-optique 20 Dans l'agencement représenté sur la figure 4, la surface d'extrémité oblique A du premier élément magnéto-optique 20 a de l'isolateur optique 20 est agencée en 10 regard du laser à semiconducteur 4 Comme représenté sur la figure 4, le faisceau laser L 10 émis par le laser à semiconducteur 4 tombe sur la surface oblique A du premier élément magnéto-optique 20 a de l'isolateur optique 20 sous l'angle de Brewster O De la même manière que dans la réalisation des 15 figures 2 A et 2 B, seule la composante de lumière polarisée dans le plan d'incidence peut pénétrer dans l'isolateur optique 20 Le plan de polarisation de la lumière réfractée par la surface oblique A et introduite dans l'isolateur optique 20 tourne alors, par exemple dans le sens horaire, autour de 1 ' 20 axe optique X sous l'effet du champ magnétique externe Ha La lumière atteignant le point de sortie situé sur la surface oblique B est de la lumière polarisée linéairement dont le plan de polarisation a tourné de 45 autour de sa direction de propagation La surface oblique B fait avec l'axe optique 25 X l'angle complémentaire à l'angle de Brewster et son orientation est décalée de 45 par rapport à celle de la surface oblique A dans le sens de rotation de Faraday En outre, puisque l'élément transparent isotrope 24 en contact avec la surface oblique B du premier élément magnéto-optique 20 a a un 30 indice de réfraction sensiblement égal à celui de l'élément a, la lumière atteignant le point de sortie situé sur la seconde surface oblique B peut pénétrer directement dans l'élément transparent 24. La lumière se propage ensuite en ligne droite à travers 35 l'élément transparent 24 et pénètre dans le second élément magnéto-optique 20 b Quand la lumière pénètre dans le second élément magnéto-optique 20 b, toutes composantes de polarisation indésirables sont éliminées par l'effet polarisant Pendant que la lumière traverse le second élément magnéto-optique 20 b, son plan de polarisation tourne dans le sens antihoraire autour de l'axe optique X sous l'effet du champ magnétique externe Hb dont l'action est de sens opposé à celle du champ magnétique Ha appliqué au premier élément magnéto-optique. Puisque la distance entre le point d'incidence sur la surface oblique C et la surface oblique D du second élément magnétooptique est telle qu'il y ait rotation de 45 du plan de polarisation de la lumière incidente, la lumière atteignant le point de sortie situé sur la surface oblique D est de la lu10 mière polarisée linéairement d'un plan de polarisation ayant tourné de 45 dans le sens anti-horaire autour de la direction de propagation de la lumière La surface oblique D fait l'angle complémentaire à l'angle de Brewster avec l'axe optique X et son orientation est décalée de 45 par rapport à celle 15 de la surface oblique C dans le sens de rotation de Faraday. La lumière atteignant le point de sortie situé sur la surface oblique D traverse cette surface et atteint directement la fibre optique 5. Comme précédemment indiqué, environ 4 % de la lumière in20 cidente est renvoyée par réflexion sur la surface d'extrémité de la fibre optique La lumière réfléchie se propage en retour vers le laser à semiconducteur 4 et tombe sur la surface oblique D du second élément magnéto-optique 20 b de l'isolateur optique La lumière est ensuite réfractée par la surface oblique 25 D et pénètre dans l'isolateur optique 20 Pendant que le faisceau lumineux réfléchi traverse le second élément magnétooptique 20 b, il est affecté par le champ magnétique externe Hb de sorte que son plan de polarisation a tourné dans le sens horaire de 45 autour de l'axe optique X au moment o il at30 teint la surface oblique C du second élément magnéto-optique b La lumière réfléchie atteignant la surface oblique C est de la lumière polarisée linéairement d'un plan de polarisation perpendiculaire à celui de la lumière dirigée vers l'avant, et est donc réfléchie par la surface oblique C. Ainsi, la lumière réfléchie par la surface d'extrémité de la fibre optique 5 et renvoyée dans l'isolateur optique est réfléchie à nouveau par la surface oblique C du second élément magnéto-optique 20 b et ne peut donc atteindre le laser à semiconducteur 4 Bien qu'une faible partie de la lumière dirigée vers l'arrière ne soit pas réfléchie par la surface oblique C et pénètre dans le premier élément magnéto-optique a à travers l'élément transparent 24, cette lumière est polarisée à nouveau et réfléchie par la surface oblique A du premier élément magnéto-optique Il est ainsi possible d'obtenir un isolateur optique en utilisant deux éléments magnétooptique de structure particulière en combinaison avec un élément transparent. Dans la réalisation représentée sur la figure 4, les surfaces obliques B et D ont des orientations décalées de 45 autour de l'axe optique dans le sens de la rotation de Faraday par rapport à celles des surfaces obliques A et C correspondantes Toutefois, cette disposition n'a aucun caractère limitatif et le décalage des orientations de 225 dans le sens de 15 la modification de la figure 5 donne un résultat pratiquement identique à celui de l'isolateur optique selon la figure 4. Par conséquent, sur la figure 5, on a adopté les mêmes références numériques que sur la figure 4 pour désigner les éléments ou organes inchangés et l'on s'abstiendra de décrire 20 ceux-ci en détail. Comme indiqué plus haut, l'isolateur optique selon la présente invention n'exige pas l'utilisation de polariseurs externes onéreux et peut donc être réalisé à coût réduit. De plus, la structure simplifiée permet d'en réduire la tail25 le et le poids Il faut aussi noter que les surfaces d'extrémité obliques des éléments magnéto-optiques n'ont pas a être recouvertes d'un revêtement anti-réfléchissant. Bien qu'on se soit référé pour décrire l'invention à certaines de ses réalisations préférées, on pourra apporter à 30 celles-ci diverses modifications et variantes sans sortir, pour autant, du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Isolateur optique ( 10,20) comportant au moins un élément magnétooptique ( 10; 20 a, 20 b) qui présente une surface d'extrémité oblique (A, B; A,B,C,D), lesdites surfaces d'ex5 trémité obliques étant taillées à un angle complémentaire à l'angle de Brewster, caractérisé en ce que lesdites surfaces d'extrémité obliques sont disposées l'une par rapport à l'autre en sorte que leurs orientations concordent après rotation de 45 ou de 225 dans le sens de la rotation de Faraday au10 tour de l'axe optique, et en ce que ledit élément magnétooptique a une longueur de trajet lumineux telle qu'un champ magnétique externe (H; Ha,Hb) peut provoquer une rotation de 45 d'un plan de polarisation. 2 Isolateur optique selon la revendication 1, caractéri15 sé en ce que deux éléments magnéto-optiques ( 20 a, 20 b) sont montés en série avec interposition entre eux d'un élément transparent isotrope ( 24), cet élément transparent isotrope ayant un indice de réfraction sensiblement égal à celui desdits éléments magnéto-optiques. 3 Isolateur optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément transparent est relié auxdits éléments magnéto-optiques par un adhésif transparent. 4 Isolateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément magnéto-optique est fait d'un 25 cristal unique d'yttrium-fergrenat. Isolateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un premier ( 20 a) des deux susdits éléments magnéto-optiques ( 20 a, 20 b) est agencé en regard d'un laser à semiconducteur ( 4), de sorte qu'un faisceau laser émanant 30 de ce laser semiconducteur tombe sur la surface d'extrémité oblique dudit premier élément magnéto-optique.