Brevet FR2594564A1 — publié le 19870821

La présente invention concerne des coupleurs opti- ques à bague sans contact et plus particulièrement des cou- pleurs rotatifs à fibre optique comportant des microflexions créant des fuites optiques. Les coupleurs optiques h bague sans contact sont bien connus dans la technique. Ces dispositifs sont utilisés pour coupler optiquement un arbre ou un organe rotatif avec un arbre ou organe correspondant fixe. Habituellement on utilise une lumière infrarouge modulée pour transmettre des signaux d'instrumentation entre les organes rotatif et fixe. Les coupleurs optiques bague sont préférés aux bagues de frottement contact mécanique parce que ces der- nières utilisent des contacts électriques métalliques glis- sants qui sont onéreux, qui ont une perspective de durée de vie limitée et qui exigent un entretien fréquent. En outre ils ont souvent un faible rapport signal/bruit, à des vites- ses de rotation élevées. Parmi les coupleurs optiques à bague sans contact suivant la technique antérieure on peut citer les coupleurs optiques h bague décrits dans les brevets US- 4 109 997 et 4 109 998. Ces dipositifs utilisent une série de miroirs angulaires concentriques et au moins une fenêtre transparen- te. Uin signal optique est injecté dans la cavité et un cou- plage optique est assuré par réflexion dans cette cavité. Ces deux dispositifs exigent des prismes et miroirs compli- qués afin d'obtenir le couplage optique désiré. En outre on connaît également un coupleur optique à bague tel que décrit dans le brevet US- 4 165 913. Cet appa- reil comprend un arbre optique rotatif auquel est fixé une fibre optique. Des signaux optiques sont appliqués à une extrémité de la fibre optique et ces signaux se propagent autour de l'arbre rotatif h travers la fibre optique elle- même. Uin couplage optique est obtenu en altérant la gaine de la fibre optique. Parmi les procédés connus de modification de la gaine on peut citer l'enlèvement d'une portion de la qaine par des techniques conventionnelles telles que sabla- qe ou gravure chimique. Une autre technique pouvant être utilisée consiste à fendre avec soin la gaine de la fibre optique. La lumière se propageant h travers l'âme de la fibre optique s'échappe vers l'extérieur en direction de détecteurs qui sont placés sur l'organe fixe. De même la lumière provenant d'un réseau d'émetteurs peut se propager vers et dans la fibre d'une façon similaire. Les coupleurs rotatifs optiques suivant la technique antérieure, qui ne comportent pas des composants optiques fragiles, tirent parti de la simplicité des fibres opti- ques. Cependant les dipositifs construits avec des fibres optiques sont eux-même soumis à la contrainte d'une gravure chimique ou d'un usinage élaboré de la gaine des fibres optiques. Par ailleurs des processus de fabrication précis, tels que la fabrication d'une série de fentes le long de la surface externe de la fibre, sont h la fois difficiles à mettre en oeuvre et onéreux. Un but de la présente invention est de fournir un coupleur N fibre optique à bague sans contact pour assurer le couplage de signaux optiques entre des organes se dépla- 2n gçant en opposition. Suivant l'invention l'appareil à bague à fibre opti- que comportant des premier et second organes mobiles l'un par rapport à l'autre qui présentent des surfaces en regard sans être en contact, comporte une fibre optique ayant une gaine externe longitudinale et une âme interne qui a un- gradient parabolique de son indice de réfraction. IIn signeal optique se propage longitudinalement à travers et dans la fibre optique. L'appareil comporte également un moyen de formation de. microflexions qui est prévu sur la surface en regard du premier organe qui est adaptée pour recevoir la fibre optique. Le moyen de formation de microflexions provo- que l'apparition d'une pluralité de microflexions créant des fuites optiques dans la fibre optique qui produisent, à l'endroit des microflexions, une propaqation latérale d'une partie du signal optique traversant la fibre optique. Le coupleur à bague à fibre optique comporte également un détecteur pour recevoir le signal optique latéral dans le second orqane. nn décrira ci-après,à titre d'exemples non limita- tifs, diverses formes d'exécution de la présente inven- tionen référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue partiellement en perspective et partiellement en coupe d'un coupleur rotatif à fibre optique suivant l'invention. La figure 2 est une vue en coupe représentant une partie du coupleur rotatif à fibre optique de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe d'une partie du coupleur rotatif à fibre optique de la figure 1. montrant des microflexions dans la fibre optique. La figure 4 est une vue en coupe d'une variante d'exécution du coupleur rotatif à fibre optique suivant l'invention. Si on se réfère à la figure 1, on voit que cette figure représente, partiellement en coupe et partiellement on perspective, un coupleur rotatif i fibre optique 10 microflexions créant des fuites optiques,]equel comporte un arbre 12 qui tourne autour d'un axe 14. Suivant une variante cet arbre 12 peut être fixe tandis qu'un boîtier 16 tourne autour de l'axe. Dans-l'un ou l'autre cas des surfaces en reqard de ces élements tournent librement sans aucun contact mécanique. Une fibre optique 18 est une fibre classique h indi- ce de réfraction progressif et elle est étirée autour de la surface externe 20 de l'arbre de manière à être disposée sur une série de nervures périodiques 22 formées sur cette surface, longitudinalement par rapport à l'axe. Ces nervu- res périodiques constituent un moyen pour provoquer l'appa- rition d'une séquence de microflexions dans la fibre optique étirée. La fibre optique est fixée à l'arbre par des techni- ques conventionnelles qui peuvent comprendre, dans la meil- leure forme d'exécution, une composition ou une résine époxy d'enrobage transparente conventionnelle. lUn signal optique se propageant à l'intérieur de la fibre optique s'échappe latéralement vers l'extérieur à partir de l'âme. à travers la gaine externe. Suivant une variante un signal optique appliqué à la fibre est transmis latéralement a travers la gaine et n'importe quel autre tampon sur celle-ci, et il se propage dans]'âme suivant la longueur de la fibre optique. Typiquement le signal optique est constitué par un signal infrarouge provenant d'une source de signal conventionnelle ayant une longueur d'onde d'environ 0,850 micromètre. Dans la meilleure forme d'exécution le signal optique infrarouge est modulé en fréquence par des techniques conventionnelles afin de réduire la distorsion d'amplitude. Les spécialistes de la technique comprendront bien que des signaux optiques équivalents peuvent lui être substitués. Dans la meilleure forme d'exécution de l'invention le boîtier est fixe par rapport à l'arbre et il contient un moyen recevant le signal optique. Des détecteurs optiques 24 et 26 sont placés de manière h être en communication optique avec la fibre optique. Le nombre et les positions des détec- teurs optiques doivent être choisis de manière à obtenir un rapport signal/bruit approprié. Dans la meilleure forme d'exécution de l'invention les détecteurs optiques sont constitués par des photodiodes conventionnelles. Le signal optique reçu par les détecteurs est trans- formé en un signal électrique équivalent qui est transmis, sur des lignes 28, en direction d'un dispositif d'amplifi- cation et de traitement du signal conventionnel qui n'est pas représenté et qui ne fait pas partie de la présente invention, ce dispositif dépendant de l'application du cou- pleur. La figure 2 est une vue en coupe représentant une partie du coupleur rotatif h fibre optique de la figure 1. A la différence des coupleurs mécaniques à bague de frotte- ment qui utilisent des contacts métalliques glissants, il n'y a aucun contact physique entre le bottier 16 et l'arbre 12 tandis que ceux-ci se déplacent l'un par rapport à l'autre. Des détecteurs 30,32,34,36 sont disposés de manibre à recevoir un signal optique qui est transmis h travers l'intervalle d'air 3R à partir de la fibre optique 20 (figure 1) contenue dans un enrobage 40. - 2594564 Comme il a été décrit ci-dessus, une pluralité de nervures longitudinales sont formées sur la surface externe de l'arbre, les nervures 42 et 44 constituant des exemples de celles-ci. Dans la meilleure forme d'exécution de l'invention chaque nervure a un profil rectangulaire formé par des techniques conventionnelles. Chaque nervure entraîne l'apparition de deux microflexions dans la fibre optique, à l'endroit des angles externes de la nervure. Les spécialis- tes de la technique comprendront que d'autres nervures ayant des profils différents pourraient être également utilisées. Par exemple on pourrait employer des nervures ayant un pro- fil sinusoïidal, ce qui entraînerait la création d'une micro- flexion par nervure dans]a fibre optique. Les microflexions créent des fuites de flux lumi- neux en autorisant l'énergie optique à se propager latérale- ment h travers la gaine et la couche tampon (si elle existe) transparentes de la fibre. Des fibres optiques ayant un indice de réfraction progressif ou à croissance parabo- lique, contraignent la différence d'énergie optique entre les modes de propagation optique à être égale à la fois dans l'âme et dans la gaine. Par conséquent tous les modes de propagation sont disponibles pour fournir ou recevoir l'énergie optique. Des fibres optiques multimodes h indice de réfraction étagé conviennent tout à fait pour des appli- cations à bague optique parce que l'énergie optique ne peut pas être transférée aisément entre les divers modes opti- ques de propagation. Ainsi qu'il est bien connu, la quantité de transfert d'énergie entre les modes de propagation est une fonction de la périodicité des microflexions ainsi que du gradient de l'indice de réfraction, de la dimension de l'âme de la fibre et de la longueur d'onde du signal opti- que. Avec des coupleurs rotatifs fibre optique réalisds suivant l'invention la périodicité des nervures doit être sélectionnée de manière à assurer une fuite de lumière maximale h travers la gaine de la fibre optique. Dans]a meilleure forme d'exécution die l'invention la périodicité des microflexions est choisie de manière à être approximati- vement égale à 1,1 millimètre pour une fibre optique ayant une âme de 100 micromètres de diamètre et un signal. optique d'une longueur d'onde d'environ 0,850 micrombtre se propa- geant h l'intérieur. - Les spécialistes de la technique comprendront que d'autres fibres optiques multimodes à indice de réfraction progressif ou d'autres fibres optiques à mode unique et à indice de réfraction étagé équivalentes pourraient être substituées h la fibre ci-dessus. 0 La figure 3 est une vue en coupe à plus grande échelle représentant une partie 46 du coupleur rotatif à fibre optique de la figure 2. Une fibre optique 48 est dis- posée sur des nervures 50 et 52, qui sont deux nervures de l'ensemble de nervures décrit ci-dessus. Un enrobaqe trans- parent 54 assure la fixation de la fibre optique. L'étirage de la fibre en travers des nervures, ainsi qu'il est repré- senté, entraîne l'apparition de flexions 56 et 58 dans la fibre à l'endroit des nervures, ces flexions provoquant une fuite vers l'extérieur d'une partie du signal optique se propageant h l'intérieur de la fibre. La flexion ainsi pro- duite est couramment appelée microflexion par les spécialis- tes de la technique. Les microflexions sont produites par une flexion physique périodique de nla fibre optique qui amène les modes de propagation optiques à être accouplés les uns aux autres et entre la gaine et l'âme de la fibre optique. Les microflexions et les fuites de signal qui en résultent, ont été étudiées d'une manière détaillée à pro- pos des communications optiques à longue distance. Par con- séquent la fuite optique et la quantité de signal optique injectée dans la fibre ou sortant de celle-ci peuvent être prédites par des techniques bien connues pour une fibre optique donnée et pour un ensemble donné de paramètres de flexions. De même les spécialistes de la technique compren- dront également qu'une microflexion permet, d'une manière équivalente, à un signal de lumineux de se propager h par- tir de l'extérieur de la fibre optique vers et dans cette fibre. L'utilisation de microflexions créant des fuites optiques en tant que moyen de couplage optique constitue un point différentiant l'invention de la techniquesantérieure. Les coupleurs optiques rotatifs connus antérieurement qui ont utilisé des fibres optiques, ont assuré le couplage optique en altérant la gaine de la fibre optique soit physi- quement soit chimiquement. Au contraire, dans le coupleur rotatif à fibre optique suivant]'invention la fibre opti- que elle-même n'est pas altérée physiquement. Elle est simplement manipulée de manière h produire une série de microflexions créant des fuites optiques, afin d'assurer le couplage optique. Suivant l'invention les spécialistes de la technique comprendront qu'il est notablement plus simple de fabriquer une- structure de microflexion dans un arbre ou un boîtier qui est couramment en métal, que d'usiner ou traiter des fibres optiques délicates. La figure 4 est une vue en coupe d'une variante d'exécution 60 du coupleur rotatif à fibre optique suivant l'invention. Cette variante d'exécution comporte un arbre 62 et un boîtier 64 tournant l'un par rapport à l'autre. Une première fibre optique 63 est semblable à celle décrite s propos de la meilleure forme d'exécution et elle est étirée de la façon décrite ci-dessus. Cette variante d'exécution est caractérisée par un collier transparent 66 présentant des nervures périodiques 6R qui sont formées sur sa surface externe et qui est dispo- sé, par des techniques conventionnelles, sur une surface interne 7n du boîtier. Le collier et l'arbre se déplacent librement l'un par rapport à l'autre. Une seconde fibre optique 72 semblable à la première fibre optique est étirée sur les nervures périodiques du collier, en produisant ainsi des microflexions dans cette fibre. Les fibres optiques sont disposées de manière à être en communication optique l'une avec l'autre. Une source de signal optique conventionnelle et des détecteurs sont disposés à distance soit sur les surfaces en regard des organes rotatifs soit sur ces organes eux-mêmes. Le couplage optique, entre les fibres optiques, d'un signal optique se propageant dans l'une des fibres optiques est réalisé de la façon décrite ci-dessus. De même, bien que l'invention ait été représentée et décrite h propos d'une meilleure forme d'exécution de celle- ci, les spécialistes de la technique comprendront que diver- ses modifications, omissions et additions peuvent lui-être apportées sans sortir du cadre de l'invention. Bien que seuls des organes cylindriques tournant l'un par rapport à l'autre aient été décrits à propos de la meilleure forme d'exécution, les spécia]istes de la technique comprendront que l'on peut leur substituer des organes non cylindriques et des mouvements autres qu'un mouvement de rotation. REVENDICATIONS i.- Appareil à bague à fibre optique pour assurer le couplage d'un signal optique entre des premier et second organes se déplaçant l'un par rapport à l'autre et présen- tant des surfaces en regard qui ne sont pas en contact l'une avec l'autre, caractérisé en ce qu'il comprend.une fibre optique (18;48) comportant une gaine externe et une âme interne longitudinales et ayant également un gradient para- bolique de son indice de réfraction, cette fibre optique transmettant longitudinalement le signal optique à travers elle, des moyens (22;42,44;50,52) de formation de micro- flexions disposés sur la surface du premier organe (12) adaptée de manière à recevoir la fibre optique (18,48), ces moyens (22,42,44,50,52) de formation de microflexions provo- quant la formation d'une pluralité de microflexions créant des fuites optiques périodiques dans la fibre optique (18), en assurant une propagation latérale d'une partie du signal optique en travers de la fibre, à l'endroit des micro- flexions, et des moyens (24,26;30,32,34,36) de détection 2n pour recevoir ce signal optique latéral dans le second orga- ne (16). 2.- Appareil suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de formation de microflexions sont constitués par une série de nervures périodiques (42,44,50,52)) sur la surface du premier organe (12). 3.- Appareil suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'âme de]a fibre optique (18,48) a un diamètre d'environ 100 micromètres. 4.- Appareil suivant la revendication 2 caractérisé en ce que les nervures (42,44;50,52) ont une périodicité d'environ 1,1 millimètre. 5.- Appareil suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de détection comprennent additionne]- lement des seconds moyens (66,68) de formation de micro- flexions disposés dans la surface en regard du second organe (68) recevant une seconde fibre optique (72) mise en com- munication optique avec la première fibre optique (63). 6.- Appareil suivant la revendication 5 caractérisé en ce que les seconds moyens de formation de microflexions comprennent en outre un tube transparent optiquement (66) présentant une série de nervures (68) formées sur une sur- face recevant la fibre optique (72).