Brevet FR2578984A1 — publié le 19860919

i La présente invention concerne un diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies pour des guides d'ondes lumineuses (LWL) comportant des prises de couplage pour les guides d'ondes lumineuses et des orqanes de couplage ou de découplage entre les différentes prises de couplage. Pour la réalisation de systèmes de bus à fibres optiques pour une transmission de données, on suppose l'existence de diviseurs bidirectionnels en étoile. Avec leur aide, il est possible par exemple de relier une ligne de transmission de données à fibres optiques à un abonné ( appa- reil) qui peut émettre et recevoir de façon bidirectionnelle. On connaît ce qu'on appelle des coupleurs en Y ou en T ( demande de brevet allemand DE-OS 33 24 161, dans lesquels deux faisceaux lumineux partiels sont combinés par l'intermédiaire d'une lentille de qradient servant d'élément de couplage, en un seul faisceau lumineux. En dehors de ce mode de combinaison de faisceaux lumineux-, on connaît également des coupleurs en Y dans lesquels deux fibres sont réunies en une seule fibre par fusion ou collage. 20. Le ramollissement thermique, la torsion et l'allongement des fibres nécessitent cependant, lors de la production, une intervention manuelle importante dans la fabrication, ce qui exclut, au moins dans une certaine mesure, une automatisation. En outre, toutes les prises d'un coupleur en Y ne peuvent pas communiquer entre elles au même degré de qualité. Avec trois coupleurs en Y, il est possible de réaliser un diviseur bidirectionnel en étoile. Cela est mis en évidence sur.la figure 1, qui montre simultanément la différence fonction- nelle entre un coupleur en Y et un diviseur en étoile à trois voies. On connaît en outre des diviseurs en étoile à trois voies ( demande de brevet allemand DE-OS 33 24 611), et notamment un diviseur en étoile à trois voies dans lequel les fibres sont séparées et une partie de la lumière est découplée dans une autre fibre au moyen d'un prisme à 90 métallisé. L'orientation parallèle des rayons, nécessaire dans ce cas, est établie par trois lentilles. Cette structure est mise en évidence sur la figure 2. Bien que cet agencement présente déjà l'avantage que le degré de couplage ou de découplage puisse être modifié de façon continue par un déplacement du prisme, la grande complexité mécanique, qui est nécessitée par la possibilité de réglage des lentilles, interdit une fabrication en série à bas prix. Pour des raisons optiques, au moins dans le cas de trois raccords identiques de fibres, il n'est possible d'avoir un découplaqe avec peu de pertes que jusqu'approximativement à 50 % ( comme cela est repré- senté sur la figure 2). L'avantage de ce système - notamment le degré de découplage modifiable - peut également être obtenu par remplacement par un coupleur de degré de découpla- ge fixe qui est fabriqué en correspondance. L'invention a pour but de créer un diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies pour des guides d'ondes lumineuses, qui puisse être utilisé avec peu de pertes et de façon universelle et qui puisse être fabriqué simplement et de façon peu coûteuse en grande série. En outre,il est nécessaire de créer un diviseur en étoile permettant d'obtenir, par combinaison de plusieurs diviseurs en étoile, n'importe quelle dérivation bidirectionnelle. Ce problème est résolu selon l'invention en ce que les organes de couplage se composent chacun d'un élément en verre ou en verre synthétique à faces planes parallèles et de composition homogène, dont la surface longi- tudinale intérieure est agencée comme un réflecteur plan et dont la surface longitudinale extérieure est agencée comme un réflecteur elliptique, les deux surfaces longitudinales étant reliées des deux côtés par des surfaces planes de couplage faisant un angle aigu avec la surface longitudinale intérieure et qui sont orientées parallèlement aux surfaces frontales des guides d'ondes lumineuses respectivement adjacents, les lignes d'intersection entre les surfaces de coup]age et la surface longitudinale intérieure étant respectivement situées sur les axes optiques des guides d'ondes lumineuses. Le diviseur en étoile à trois voies proposé ici convient notamment pour être incorporé à des systèmes de bus à fibres optiques de prix intéressant. A cet égard, on utilise comme guides d'ondes lumineuses surtout des fibres en matière plastique d'un diamètre de 1 mm ou bien ce qu'on appelle des fibres à noyau épais en verre ou en quartz, d'un diamètre de 0,5 mm.Les organes de couplage peuvent être fabriqués, pour cette épaisseur de matière, de façon peu coûteuse et en grande série par le procédé de moulage par injection. La qualité de surface ainsi obtenue est suffisante pour les applications envisagées ici. L'invention a notamment pour but d'assurer le guidage de la lumière de telle sorte qu'une division et une concentration du faisceau de rayons soient effectuées complètement à l'intérieur d'une partie de grande surface en matière plastique ( organe de couplage) de composition homogène. On agit sur les orientations des rayons exclusi- vement par effet de réflexion totale sur la surface de délimitation entre la partie en matière plastique et l'air. Ainsi un traitement de surface, comme par exemple un dépôt - de couches réfléchissantes par vaporisation, devient superflu. Si on néglige les effets de réfraction, il est toujours possible, à cause du cône limité de rayonnement du guide d'ondes lumineuses dans la partie en matière plastique, de trouver des points qui sont situés dans l'ombre et qui peuvent par conséquent être utilisés pour la fixation de la partie en matière plastique, qui est autrement librement suspendue. Du fait que la surface de base et la surface supérieure sont parallèles entre elles et que la variation de l'indice de réfraction entre la partie en matière plastique et l'air est toujours supérieure à celle entre le noyau et l'enveloppe du guide d'ondes lumineuses, il se produit toujours une réflexion totale dans une direc- tion verticale dans la partie en matière plastique. L'élar- gissement des faisceaux de rayons dans une direction verti- cale est par conséquent limité à la hauteur de l'élément en matière plastique, qui est de préférence identique au diamè-tre de coeur du guide d'ondes lumineuses. Du fait qu'également la réflexion sur les surfaces longitudinales de l'organe de couplage doit toujours s'effectuer comme une réflexion totale, il faut observer des angles limites déterminés. A cet égard, il est à noter que le réflecteur elliptique de l'organe de couplage est déterminé par les paramètres suivants: a) l'angle d'ouverture (a) du cône de rayonnement du faisceau lumineux incident est approximativement égal, de préférence complètement égal à l'angle d'ouverture (b) du cône de rayonnement du faisceau lumineux réfléchi, b) la largeur moyenine d'objet m) est approximativement égale à la largeur moyenne d'image y1), o m désigne m le nombre de rayons lumineux ( X... X- , yl...ym), c) la réflexion est effectuée comme une réflexion totale, d) l'ouverture numérique du guide d'ondes lumineuses et l'indice de réfraction n de la matière de l'organe de couplage, e) la surface longitudinale intérieure (réflecteur plan) est située entrela jonction des foyers F1 et F du réflec- teur elliptique et celui-ci, f) les foyers symétriques F' et F' du réflecteur ellipti- 1 2 que sont situés sur les surfaces de couplage. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 3, on a adopté une ouverture numérique de 0,53 pour le guide d'ondes lumineuses et un indice de réfraction n = 1,5 pour l'organe de couplage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies qui est constitué de coupleurs en Y ( art antérieur), la figure 2 représente un diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies comportant des prismes à 905 ( art antérieur), la figure 3 représente un diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies conforme à l'invention, en vue en plan, et la figure 4 représente un diviseur en étoile à trois voies conforme à l'invention, agencé sous forme d'un coupleur bidirectionnel en Y à fonction de diaphonie. Le diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies 1, représenté sur la figure 3, comporte trois organes de couplage 2, 3, 4, qui sont constitués d'éléments en verre ordinaire ou en verre synthétique à faces planes parallèles et de composition homogène. Par l'expression" verre synthé- tique ", on entend ici une matière plastique transparente, connue d'une façon générale sous la désignation PMMA, et connue en particulier sous les désignations "verre acryli- que" ou "Plexiglas"'. Cnaque organe de couplage comporte une surface longitudinale intérieure 5, agencée comme un réflec- teur plan, et une surface longitudinale extérieure 6, agen- cée comme un réflecteur elliptique, les surfaces longi- tudinales 5 et 6 de chaque organe de couplage étant reliées entre elles par des surfaces de couplage planes 2.1, 2.2 - 3.1, 3.2 - 4.1, 4.2, qui font chacune un angle aigu g avec les surfaces longitudinales intérieures associées 5. Du fait que dans l'exemple de réalisation représenté les trois surfaces longitudinales intérieures forment un triangle équilatéral, cet angle g est égal à 60 . Les lignes d'inter- section 2.1.1 - 4.2.1, 2.2.1 - 3.2.1 et 3.1.1 - 4.1.1 entre les différentes surfaces de couplage et les surfaces longi- tudinales intérieures 5 se rejoignent mutuellement et sont avantageusement reliées entre elles par continuité de matière de façon qu'au total les trois organes de couplage 2, 3 et 4 soient reliés entre eux par continuité de matière sous la forme d'une pièce profilée monobloc. Les surfaces de couplage mutuellement adjacentes 2.1, 4.2 - 2.2, 3.2 - 3. 1, 4.1 forment ensemble également une surface plane, à laquelle est orientée parallèlement à chaque fois la surface frontale 7.1, 8.1, 9.1 d'un guide d'ondes lumineuses 7, 8 et 9. L'orientation du guide d'ondes lumineuses est choisie à chaque fois de telle sorte que les lignes d'intersection 2.1.1 - 4.2.1 soient placées sur l'axe optique 7.2 du guide d'ondes lumineuses 7, que les lignes d'intersection 2.2.1 - 3.2.1 soient situées sur l'axe optique 8.2 du guide d'ondes lumineuses 8 et que les lignes d'intersection 3.1.1- 4.1.1 soient situées sur l'axe optique 9.2 du guide d'ondes lumi- neuses 9. La surface longitudinale extérieure 6, agencée comme un réflecteur elliptique, de chaque organe de couplage 2, 3, 4 est maintenant profilée de telle sorte que l'angle d'ouverture a du cône de rayonnement du faisceau lumineux incident soit égal à l'angle d'ouverture b du cône de rayonnement du faisceau lumineux réfléchi et qu'en outre la largeur moyenne d'objet ( I) - c'est-à-dire la somme des longueurs de tous les rayons lumineux X1.... X partant i- 1 m du foyer FI. divisée par le nombre m des rayons du faisceau lumineux incident - soit égale à la largeur moyenne d'image ( yi)-c'est-à-dire la somme des longueurs de tous les m rayons lumineux vl... ym passant par le foyer F2, divisée par le nombre m des rayons du faisceau lumineux réfléchi. Du fait que la réflexion doit s'effectuer comme une réflexion totale, il faut en outre veiller à ce que, en tenant compte de l'ouverture numérique du guide d'ondes lumineuses - par exemple une ouverture numérique de 0,53 -, de l'indice de réfraction n de la matière de l'organe de couplage - n = 1,5 pour du Plexiglas - et de l'angle d'ouver- ture c en résultant - dans l'exemple considéré c = 200 -, l'angle d'incidence des rayons lumineux du faisceau de rayons ait une grandeur égale à l'angle limite de réflexion totale - dans l'exemple considéré, l'angle limite entre le Plexiglas et l'air s'élève à 42 . Les foyers F1 et F2 du réflecteur elliptique 6 - représentés dans l'exemple de réalisation pour le réflecteur elliptique 6 de l'organe de couplage 4 - doivent en outre être choisis de telle sorte que d'une part ils soient situés à l'extérieur de la surface longitudinale intérieure 5,et cependant d'autre part leurs foyers symétriques F' et F' soient situés sur les surfaces de coupleurs - dans l'exemple consi- déré sur les surfaces de couplage 4.2 et 4.1. Avec les paramètres indiqués ci-dessus, le contour du réflecteur elliptique peut être déterminé ou est déterminé. L'épaisseur des organes de couplage 2, 3 et 4 est choisie de telle sorte qu'elle soit avantageusement égale au diamètre de coeur du guide d'ondes lumineuses 7, 8, 9 tandis que la longueur des surfaces longitudinales inté- rieures 5 est comprise entre environ 8 et 15 fois le diamètre de coeur du guide d'ondes lumineuses. Dans une forme avanta- geuse de réalisation, elle est égale à 10 fois ce diamètre. Du fait que dans l'exemple de réalisation représenté,les trois quides d'ondes lumineuses 7, 8, 9 couplés ensemble, ainsi que les organes de couplage 2, 3, 4,sont identiques et sont en outre répartis sous forme d'un triangle équilatéral, on est ainsi assuré d'un minimum de pertes grâce au guidage symétrique des rayons qui est ainsi étroitement établi. Il est évident que, pour des guides d'ondes lumineuses différents et/ou des degrés de couplage différents, on pourrait utiliser avantageusement des paramètres d'ellipse modifiés. Dans l'exemple de réalisa- tion représenté, également le rapport de division pour les trois prises de guides d'ondes lumineuses est identique et s'élève à 0,5. Il est cependant possible, par déplacement d'une ou plusieurs des prises de couplage 7.3, 8.3, 9.3 des guides d'ondes lumineuses 7' 8, 9 parallèlement { dans la direction de la flèche 11) aux deux surfaces de couplage 2.1 - 4.2, 2.2 3.2, 3.1 - 4.1 des organes de couplage 2, 3, 4 qui sont respectivement adjacentes aux guides d'ondes lumineuses, de modifier le rapport de division. Comme le montre en outre la figure 3, il est prévu sur la prise de couplage 8.3 du guide d'ondes lumineuses 8 une pièce de liaison en verre ordinaire ou en verre synthé- tique, s'étendant à partir des deux surfaces de couplage 2.2 - 3.2 en direction du guide d'ondes lumineuses 8 et qui est également centrée par la prise de couplage 8.3 par rapport au guide d'ondes lumineuses 8. Les dimensions extérieures de la pièce de liaison 10 sont choisies de manière à correspon- dre au moins au diamètre de coeur, mais cependant au maximum au diamètre d'enveloppe du guide d'ondes lumineums 8. D'une manière avantageuse, la pièce de liaison 10 est reliée par continuité de matière avec les surfaces de couplage 2.2- 3.2 des organes de couplage 2, 3 de telle sorte que l'ensemble se composant des éléments 2, 3, 4 et 10 peut être fabriqué sous forme d'une pièce unitaire dans un procédé de moulage par injection. Cette pièce de liaison 10 a pour fonction, dans le cas d'un branchement en cascade du diviseur en étoile à trois voies avec un autre diviseur en étoile à trois voies, d'assurer un mélange des faisceaux lumineux partiels provenant des guides d'ondes lumineuses 7 et 9. Par un branchement en cascade de tels diviseurs en étoile a trois voies agencés conformément à l'invention, il est possible de réaliser des diviseurs en étoile comportant autant de déri- vations qu'on le désire et avec tous les degrés de découpla- ge envisageables. Sur la fiqure 3 sont en outre dessinées des zones hachurées 12 et 13 qui représentent des zones marginales et qui n'ont aucune influence sur la fonction optique à cause du cône de rayonnement limité des faisceaux lumineux dans les organes de couplage. Ces zones peuvent avantageusement être utilisées pour la fixation des organes de couplage par des éléments de fixation. Dans une forme avantageuse de réalisation, on utilise pour la fixation des organes de couplage 2, 3, 4 un élément de fixation 14, qui est relié dans la zone hachurée 13 avec l'orqane de couplage respectif, et notamment de telle sorte qu'il puisse être combiné avec celui-ci par continuité de matière en réalisant ainsi un ensemble monobloc dans un procédé de moulage par injection. Comme cela a déjà été précisé, il est possible de décaler les prises de couplage des guides d'ondes lumineuses et par conséquent de décaler les guides d'ondes lumineuses proprementdits parallèlement- dans la direc- tion de la flèche 11 - aux surfaces de couplage adjacentes, en vue de faire varier ainsi le rapport de division. La figure 4 représente maintenant un diviseur en étoile à trois voies dans lequel les guides d'ondes lumineuses 7 et 9 sont décalés en direction du guide d'ondes lumineuses 8 dans la direction de la flèche 11. Lorsque par exemple le guide d'ondes lumineuses 7 est agencé comme un émetteur, le guide d'ondes lumineuses 9 comme un récepteur et le guide d'ondes lumineuses 8 comme un émetteur/récepteur, on obtient un coupleur en Y, auquel cas la "conmposante de diaphonie" 15 ( partie d'information découplée), transmise du guide d'ondes lumineuses 7 au guide d'ondes lumineuses 9 par l'intermédiaire de l'organe de couplage 4, peut être modi- fiée à volonté et permet par exemple un simple contrôle de fonctionnement de l'émetteur ( guide d'ondes 7). Si on déplacait les quides d'ondes lumineuses 7 et 9 dans la direction opposée 11', on obtiendrait alors un élément de couplage dans lequel seulement une faible proportion de l'énerqie des signaux transmise du guide d'ondes 7 au guide d'ondes 9 serait dérivée vers le guide d'ondes 8. Le diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies conforme à l'invention représente ainsi un élément universel à l'aide duquel on peut obtenir: un point de dérivation avec trois prises de même qualité, - un coupleur en Y, - un élément de dérivation, - et par combinaison de différents diviseurs en étoile n'importe quelle dérivation bidirectionnelle. REVENDICATIONS 1. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies pour des guides d'ondes lumineuses comportant des prises de couplage pour les guides d'ondes lumineuses et des organes de couplage ou de découplage entre les différentes prises de couplage, caractérisé en ce que les organes de couplage (2, 3, 4) se composent chacun d'un élément en verre ou en verre synthétique à faces planes parallèles et de composition homogène, dont la surface longitudinale inté- rieure (5) est agencée comme un réflecteur plan et dont la surface longitudinale extérieure (6) est agencée comme un réflecteur elliptique, les deux surfaces longitudinales (5, 6) étant reliées des deux côtés par des surfaces planes de couplage (2.1, 2.2; 3.1, 3.2; 4.1, 4,2) faisant un angle aigu (g) avec la surface longitudinale intérieure (5) et qui sont orientées parallèlement aux surfaces frontales (7.1, 8.1, 9.1) des guides d'ondes lumineuses (7, 8, 9) respectivement adjacents, les lignes d'intersection (2.1.1, 4.2.1; 2.2.1, 3.2.1; 3.1.1, 4.1.1) entre les surfaces de coupleurs et la surface longitudinale intérieure étant respectivement situées sur les axes optiques (7.2, 8.2, 9.2) des guides d'ondes lumineuses. 2. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces longitudinales intérieures (5) des trois organes de couplage (2, 3, 4) forment un triangle équilatéral. 3. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réflecteur elliptique (6) d'un organe de couplage (2, 3, 4) est déterminé par les paramètres suivants: a) l'angle d'ouverture (a) du cône de rayonnement du faisceau lumineux incident est approximativement égal, de préfé- rence complètement égal à l'angle d'ouverture (b) du cône de rayonnement du faisceau lumineux réfléchi, b) la largeur moyenne d'objet () est approximativement m mi- égale à la largeur moyenne d'image (m), o m désigne le nombre de rayons lumineux ( l...m' yl...Ym), c) la réflexion est effectuée comme une réflexion totale, d) l'ouverture numérique du guide d'ondes lumineuses (7, 8, 9) et l'indice de réfraction n de la matière de l'organe de couplage (2, 3, 4), e) la surface longitudinale intérieure (5) ( réflecteur plan) est située entre la jonction des foyers F1 et F2 du réflecteur elliptique et celui-ci (6), f) les foyers symétriques F'! et F'2) du réflecteur ellipti- F2) que (6) sont situés sur les surfaces de couplage (2.1, 2.2; 3.1, 3.2; 4ol, 4.2). 4. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies selon la revendication 3, caractérisé en ce que la réflexion sur la surface longitudinale intérieure, la surface inférieure et la surface supérieure de l'organe de couplage (2, 3, 4) est également effectuée comme une réfle- xion totale. 5. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'organe de couplage (2, 3, 4) est approxima- tivement égale, de préférence complètement égale au diamètre de coeur du guide d'ondes lumineuses (7, 8, 9). 6. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur de la surface longitudinale intérieure (5) de l'organe de couplage (2, 3, 4) est un multiple du diamètre de coeur du guide d'ondes lumineuses (7, 8, 9). 7. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies selon la revendication 6, caractérisé en ce que la longueur de la surface longitudinale intérieure (5) de l'organe de couplage (2, 3, 4) est comprise entre 8 et 15 fois, en étant avantageusement égale à 10 fois le diamètre de coeur du guide d'ondes lumineuses (7, 8, 9). 8. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trois guides d'ondes lumineuses couplés (7, 8, 9) sont identiques. 9. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une des prises de couplage (7.3, 8.3, 9.3) des guides d'ondes lumineuses (7, 8, 9) est déplaçable par translation ( direction de la flèche 11) parallèlement aux deux surfaces de couplage, qui lui sont adjacentes, (2.1, 4.2 2.2, 3.2; 3. 1, 4.1) des deux organes de couplage (2,4; 2,3 3,4) en vue d'une variation du rapport de division. 10. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trois organes de couplage-(2, 3, 4) sont reliés entre eux par conjugaison de matières sous la forme d'une pièce profilée monobloc. 11. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies selon la revendication 10, caractérisé en ce que les trois organes de couplage (2, 3, 4) sont reliés entre eux par conjugaison de matières respectivement selon les lignes d'intersection (2.1.1, 4.2.1; 2.2.1, 3.2.1; 3.1.1, 4.1.1). 12. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu au moins sur une prise de couplage (8.3) une pièce de liaison (10) en verre normal ou en verre synthétique, qui s'étend à partir des deux surfaces de couplage (2.2, 3.2) en direction du guide d'ondes lumineuses (8). 13. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies selon la revendication 12, caractérisé en ce que la pièce de liaison (10) est reliée par continuité de matière avec les deux surfaces de couplage (2.2, 3.2) des organes de couplage (2.3). 14. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies selon la revendication 12, caractérisé en ce que les dimensions extérieures de la pièce de liaison (10) corres- pondent au moins au diamètre de coeur, et au maximum au diamètre d'enveloppe, du guide d'ondes lumineuses (8). 15. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies selon la revendication 12, caractérisé en ce que la pièce de liaison (10) est centrée par rapport au guide d'ondes lumineuses (8) par la prise de couplage (8.3) du guide d'ondes lumineuses (8). 16. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies selon la revendication 12, caractérisé en ce que la pièce de liaison (10) peut être reliée avec une prise de couplage d'un autre diviseur en étoile à trois voies en vue d'une disposition en cascade. 17. Diviseur bidirectionnel en étoile à trois voies selon une des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce que les organes de couplage (2, 3, 4) sont fixés au moyen d'éléments (14) placés à l'extérieur ( en 12, 13) du cône de rayonnement du faisceau lumineux et qui sont reliés avec les organes de couplage (2, 3, 4) avantageusement par continuité de matière.