Brevet FR2575557A1 — publié le 19860704

- l - 2575557 La présente invention concerne des fibres optiques et a no- tamment pour objet de réduire la perte due au défaut d'adaptation des ouvertures numériques lors de l'assemblage de fibres présentant des âmes de diamètre différent. La capacité d'une fibre optique à collecter la lumière est appelée "l'ouverture numérique" de la fibre. Dans des fibres à saut d'indice, l'ouverture numérique est exprimée comme suit: ouverture numérique = F nn -2 o n1 = l'indice de réfraction de l'âme de la fibre et n2 ' l'indice de réfraction de la gaine de la fibre ou du milieu périphérique Pour les fibres à gradient d'indice, l'équation de l'ouver- ture numérique est plus complexe et n'est pas indiquée dans le pré- sent document. Plus la différence entre l'indice de réfraction de la fibre et desa gaine ou de son milieu périphérique est importante, plus l'ouvertu- re numérique de la fibre est grande. Etant donné que de nombreuses fibres émettrices de lumière émettent selon une grande variété d'an- gles, les fibres possédant une grande ouverture numérique collectent donc une plus grande partie de cette lumière. De même, on fera de préférence appel à des fibres de grand diamètre si la source lumineu- se est importante par rapport à la fibre. Il est possible de réduire la distribution angulaire de puissance d'émission en diminuant l'ouverture numérique totale de l'optique d'émission, par exemple, en utilisant une fibre à ouverture numérique réduite. Un récepteur à grande surface peut être obtenu en utilisant une âme de fibre à grande surface présentant une ouverture numérique elle aussi importante. Dans certains systèmes optiques à fibres, il s'est avéré - 2 - 2575557 qu'en choisissant une optique d'émission présentant une ouverture nu- mérique de fibre suffisamment faible, on pouvait réduire à volonté la distribution angulaire de puissance d'émission. Pour éviter les pertes, il est indispensable que, dans tout le reste du système, les ouvertures numériques soient au moins aussi grandes que l'ouverture numérique d'émission efficace. Si les ouvertures numériques du reste du système sont inférieures à celle du dispositif d'émission, on ob- serve alors une perte qui est proportionnelle au rapport des carrés des ouvertures numériques. Dans des systèmes optiques classiques à fibres, il est donc important que toutes les ouvertures numériques soient adaptées les unes aux autres pour éviter toutes pertes inuti- les. En général, l'utilisation d'un récepteur de fibres à grande surface ne permet pas une exploitation bidirectionnelle d'un système. Si la direction 'avant" du système est telle que le rayonnement est émis par le système à travers une ouverture numérique "standard" et reçue par un récepteur à plus grande surface, l'exploitation dans le sens "inverse' du système utiliserait la plus grande surface comme dispositif d'émission, ce qui se traduirait par une perte de lumière passant d'une grande ouverture numérique à une petite ouverture numé- rique. En général, l'ouverture numérique d'une fibre s'accroit à me- sure que la taille et la surface de son ame augmentent. L'exploita- tion bidirectionnelle d'un tel système utilisant à la fois les direc- tions 'avant' et 'inverse' est rendue impossible en raison des pertes dues au défaut d'adaptation des surfaces et des ouvertures numéri- ques. Ces pertes seraient essentiellement provoquées dans la direc- tion "inverse" lors du passage d'une fibre à grande ouverture numéri- que et à grande surface à une fibre à petite ouverture numérique et à petite surface. Les pertes dues au défaut d'adaptation des surfaces sont proportionnelles au rapport des carrés des rayons des âmes! La présente-invention a donc pour but de supprimer les in- convénients propres au dispositifsconnus. La présente invention a, en particulier, pour but de fournir un dispositif permettant de réduire l'ouverture numérique d'une fibre émettrice de lumière afin de l'adapter à celle d'un dispositif récep- teur de lumière. La présente invention a également pour but de réduire la distribution angulaire de puissance d'émission tout en conservant ou- verture numérique du système de base. La présente invention a également pour but de fournir un transformateur d'ouverture numérique possédant une fibre de réception à grande surface qui peut être utilisée sans pour autant modifier l'ouverture numérique du système de base. La présente invention a également pour but d'adapter sensi- lO blement l'un à l'autre les diamètres des âmes de deux fibres dissem- blables présentant des âmes de différent diamètre. Conformément aux buts indiqués ci-dessus et à d'autres qui apparaîtront par la suite, la présente invention réside notamment dans un agencement permettant d'adapter l'ouverture numérique d'une structure de guidage d'ondes émettrice de lumière à celle d'un récep- teur de guidage optique d'ondes. Les différents objets et caractéristiques de l'invention se- ront maintenant détaillés dans la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant à la figure annexée qui représente, sous forme schématique, l'agencement de transforma- teur d'ouverture numérique conforme à la présente invention. La figure représente un élément de transformateur d'ouvertu- re numérique 1 constitué d'une structure de guidage optique d'ondes qui comporte une âme 7 et au moins une couche de gainage 8. La figure représente également une autre structure de guidage optique d'ondes 2, comportant une âme centrale 4 et au moins une couche de gainage , et une autre structure de guidage optique 11. La structure 3 est conique sur une grande portion 9 de sa longueur, en direction d'une surface extrême formant une interface 6 avec une surface extrême de la structure 2. La structure 3 est coni- que de sorte que son diamètre extérieur au niveau de l'interface 6, y compris son ame 7 et sa gaine 8, soit sensiblement égal au diamètre-de l'âme 4 de la structure 2. La portion conique 9 de la structure 3 est appelée cornet. Le chiffre de référence 10 désigne une interface entre - 4 -- 2575557 l'élément de transformateur d'ouverture numérique 1 et la structure 11. Cette'structure 11 peut être un dispositif récepteur de lumière, tel qu'un détecteur de lumière ou une lentille. La structure 11 peut également être placée à une certaine distance de la surface extrême de la structure 3, de manière qu'avant d'atteindre la structure 11, la lumière émise à partir de la surface extrême de la structure 3 soit transmise à travers une zone prédéterminée d'espace libre. Dans un mode d'utilisation de l'élément de transformateur d'ouverture num6rique 1, la structure de guidage optique d'ondes 2 est une fibre optique qui, avec le transformateur d'ouverture numéri- que 1 auquel est elle reliée, forme un transmetteur permettant de transmettre la lumière dans la structure de guidage d'ondes 11 qui tient alors lieu de dispositif récepteur de lumière. La configuration de la zone conique 9 permet à la lumi&re de se propager le long de la structure 3 depuis la fibre 2 de la manière suivante: La lumière qui passe à travers l'âme 4 de la fibre émettrice de lumière 2 en direc- tion de la structure 3 atteint l'interface 6. Elle traverse l'inter- face 6 et est transportée à la fois par l'âme 7 et par la gaine 8 de la structure 3. L'angle du c8ne 9 est prévu pour que la portion de lumière passant dans la gaine 8, en mode de gaine, pénètre dans l'âme 7 et continue de se propager dans la structure 3 le long de l'âme 7, en mode d'âme. L'inclinaison de l'angle selon lequel la lumière est réfléchie le long de la portion conique 9 diminue à mesure que la lu- mière progresse de la portion étroite vers la portion large de la zo- ne conique. Par conséquent, les angles d'incidence et de réflexion augmentent. De même, les angles formés par le trajet de la lumière incidente et le trajet de la lumière réfl&échie avec une ligne perpen- diculaire à l'interface 6 diminuent. Il se produit donc une réduction de l'ouverture numérique. Il peut apparaître une perte de lumière au niveau de l'interface, en raison du défaut d'adaptation du profil al- pha, mais elle reste limitée. Cet agencement permet de transformer un émetteur à fibre donné, présentant une ouverture numérique prédéterminée, en un -émet- teur à plus petite ouverture numérique, sans modifier l'ouverture nu- mérique du système de transmission ni du système de réception. Dans -5- -2575557 cet agencement, le diamètre extérieur de la structure 11 au niveau de l'interface 10 peut être identique ou supérieur à celui de la struc- ture 3 au niveau de l'interface 10. Alors que l'agencement de transformateur d'ouverture numé- rique conforme à la présente invention a été décrit ci-dessus en référence à la structure 2 et à la structure 3, servant de transmetteur de lumière, ainsi qu'à la structure 11, servant de récepteur de lu- mière, le même agencement décrit ci-dessus peut être utilisé en sens inverse, c'est-à-dire que la structure 11 constitue l'émetteur de lu- mière et les structures 2 et 3 le récepteur de lumière. Cette utili- sation sera maintenant décrite. En référence à la figure, la structure de guidage d'onde 3 comporte la partie extrême conique 9 qui est dirigée vers l'âme 4 de la structure de réception 2. Là encore, le diamètre extérieur de la zone conique de la structure 3, au niveau de l'interface 6 comprenant l'âme 7 et la gaine 8, est sensiblement identique au diamètre de l'âme 4 de la structure 2 au niveau de l'interface 6. Dans la mesure o l'âme 7 de la structure 3 est plus petite que l'âme 4 de la struc- ture 2, la quasi-totalité de la lumière d'âme est envoyée dans l'âme 4. Si une lumière est transmise le long de la zone conique dans la gaine 8, elle est également envoyée dans l'âme 4. Etant donné que la lumière se propage alors dans le cône de l'extrémité la plus large à l'extrémité la plus étroite, les angles d'incidence et de réflexion de la lumière se propageant le long de l'interface âme/gaine se ré- duisent. De même, les angles formés par la lumière incidente et la lumière réfléchie avec une ligne perpendiculaire à l'interface 6 aug- mentent. L'ouverture numérique de la fibre de transmission augmente donc à mesure que l'on s'approche de l'interface 6. Lorsque la lumière se déplace dans cette direction, il est nécessaire que les diamètres transversaux des structures de guidage optique d'ondes 2 et 3 au niveau de l'interface 6 soient sensiblement identiques. On peut donc employer un récepteur à grande surface sans pour autant modifier l'ouverture numérique du système de réception ni du système de transmission. L'interface 10 a été représentée et décrite comme étant si- -6- 2575557 tuée entre l'élément 1 et le dispositif 11. Cependant, le transforma- teur d'ouverture numérique peut également être prévu dans la zone ex- trême du dispositif 11, ce qui permet de supprimer la zone d'interface 10. Lors de la transmission de la lumière entre deux fibres dans des systèmes connus, il était nécessaire d'utiliser des fibres pré- sentant la même ouverture numérique ou, en général, le diamètre d'âmne de la fibre de transmission devait être inférieur à celui de la fibre de réception pour qu'aucune perte de lumière ne se produise au niveau de leur interface. L'agencement conforme à la présente invention pré- sente donc un avantage, à savoir qu'il adapte l'une à l'autre les ou- vertures numériques des fibres et/ou les diamètres d'âme des fibres à leur interface, sans nécessiter de modification du système ni encou- rir de perte sensible de lumière ou de signal. De même, l'exploita- tion bidirectionnelle n'était pas possible lorsque les fibres mises en oeuvre présentaient des ouvertures numériques différentes. Dans ce cas, si la quasi-totalité de la lumière provenant d'un émetteur opti- que était envoyée, en direction avant, dans une fibre de récepteur à plus grande ouverture numérique, il se produisait, en direction in- verse, une perte de lumière au niveau de l'interface, lors du passa- ge de la fibre à grande ouverture numérique (dans ce cas l'émetteur) dans la fibre à petite ouverture numérique. La présente invention permet de résoudre ce problème. L'un des procédés permettant de réaliser le cornet conique consiste à chauffer une longueur de fibre optique, comprise par exem- ple entre 20 et 30 cm, au moyen d'une flamme de propane, jusqu'à atteindre la température de ramolissement de la fibre. Lors du chauf- fage, on étire la fibre uniformément tout en déplaçant la flamme ré- gulièrement le long de la fibre. On obtient ainsi une zone conique. Lorsque l'extrémité étroite du cône a atteint un diamètre transversal légèrement inférieur à celui de la fibre à laquelle il est relié, on interrompt l'opération de réalisation du c8ne et on laisse refroidir la fibre. Au moyen d'un outil de marquage, on découpe l'extrémité co- nique au diamètre transversal désiré et on casse la surface marquée. Tout autre moyen approprié peut être utilisé pour réaliser la zone -7- Z575557 conique. Bien que l'on ait décrit ci-dessus les principes de l'in- vention en référence à un appareillage spécifique, il est bien en- tendu que cette description n'est faite qu'à titre d'exemple et ne saurait limiter la portée de l'invention telle qu'elle est défi- nie dans ses buts et dans les revendications annexées. - 8 - 2575557 REVENDICATIONS 1. Dispositif transformateur d'ouverture numérique com- prenant une âme (7), une couche de gainage (9) entourant ladite âme, ladite âme et ladite gaine formant une structure de guidage d'ondes allongée possédant deux surfaces extrêmes opposées (6, 10) et une configuration coni- que s'étendant depuis l'une desdites surfaces extrêmes, longitudinalement à ladite structure, au moins le long d'une grande portion de cette dernière. 2. Agencement de transformateur d'ouverture numérique com- prenant deux structures (2, 11) de guidage optique d'ondes présentant des ou- vertures numériques différentes, chacune desdites structures compor- tant deux surfaces extrêmes opposées, et un moyen permettant d'adap- ter lesdites ouvertures numériques l'une à l'autre, comprenant un dispositif conique de guidage optique d'ondes qui est rétréci vers l'une des- dites structures de guidage d'ondes. - 3. Agencement de transformateur d'ouverture numérique con- forme à la revendication 2, caractérisé en ce que ledit dispositif conique de guidage d'ondes est séparé de l'autre structure de guidage d'onde et est intercalé entre les deux, ledit dispositif conique de guidage d'ondes étant en contact avec lesdites structures de guidage d'ondes au niveau d'une zone d'interface de chacune d'elles. 4. Agencement de transformateur d'ouverture numérique con- forme à la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins l'une des- dites structures de guidage optique d'ondes est une fibre optique qui comprend une âme et au moins une couche de gainage entourant l'ame. 5. Agencement de transformateur d'ouverture numérique con- forme à la revendication 4, caractérisé en ce que ladite zone d'in- terface présente un diamètre extérieur sensiblement identique au dia- mètre de l'âme de l'une desdites fibres. 6. Agencement de transformateur d'ouverture numérique con- forme à la revendication 2, caractérisé en ce que l'une desdites structures de guidage optique d'ondes est un transmetteur de lumière et l'autre un récepteur de lumière. 9- - 2575557 7. Agencement de transformateur d'ouverture numérique con- forme à la revendication 6, caractérisé en ce que l'une desdites structures de guidage optique d'ondes présente un diamètre d'âme su- périeur à celui de l'autre structure de guidage d'onde. 8. Agencement de transformateur d'ouverture numérique con- forme à la revendication 6, caractérisé en ce que ladite autre struc- ture de guidage optique d'ondes présente un diamètre d'âmne supérieur à celui de ladite première structure de guidage d'onde. 9. Agencement de transformateur d'ouverture numérique con- forme à la revendication 2, caractérisé en ce que ladite zone conique extrême présente une extrémité étroite, une extrémité large opposée et une longueur suffisante pour garantir que la lumière se propa- geant, le long de ladite gaine de ladite zone conique extrême, de la- dite extrémité étroite à ladite extrémité large soit transmise à l'âme de ladite zone conique extrême pour poursuivre sa propagation. 10. Agencement de transformateur de diamètre d'âme pour fi- bres optiques, comprenant deux structures de guidage optique d'ondes présentant des âmes de différent diamètre, et un moyen permettant d'adapter sensiblement le diamètre de l'une desdites structures de guidage d'onde à celui de l'autre, y compris une zone extrême conique de l'une desdites structures de guidage d'ondes.