Brevet FR2633727A1 — publié le 19900105

-1 La présente invention concerne un composant optique destiné à être utilisé dans les lignes de transmission optique comprenant des fibres optiques, par exemple un filtre optique, un atténuateur optique, un polariseur, un multiplexeur/démultiplexeur en longueur d'onde, et ainsi de suite, de même qu'un procédé pour le fabriquer. Les composants optiques conventionnels employés dans les lignes de transmission optique comprenant des fibres optiques, par exemple les filtres optiques, possèdent une lentille incorporée pour concentrer la lumière émise par une face d'extrémité d'une fibre optique; cette disposition nécessite l'utilisation d'un grand nombre de pièces pour réaliser le composant. De plus, les composants optiques de ce type requièrent l'ajustement de l'axe optique entre la lentille et la fibre, ce qui complique le proces- sus de fabrication et augmente le coût. On connaît également, d'un autre côté, un composant sans lentille, tel que le multiplexeur/démultiplexeur en longueur d'onde représenté sur la figure 1 et dans lequel un film filtrant 13, constitué par un film diélectrique multicouche, est disposé en travers d'une fibre optique de trajet principal 11 et obliquement par rapport à celle-ci. Une fibre optique d'embranchement 12 est disposée par une extrémité contre la surface périphérique de la fibre optique de trajet principal 11, de- manière que la lumière réfléchie par le film filtrant 13 soit envoyée dans la fibre optique d'embranchement 11. Dans ce système, la faculté du film filtrant 13 de transmettre la lumière de longueur d'onde Xl, mais de réfléchir la lumière de longueur d'onde X2, est mise à profit pour produire un multiplexage/démultiplexage en longueur d'onde. Le film filtrant employé dans ce type de composant optique possède généralement une caractéristique transmittivité en fonction de la longueur d'onde comme celle indiquée par la courbe en trait plein sur la figure 2, laquelle est obtenue lorsque des rayons lumineux parallèles tombent sur le film filtrant. Cependant, dans le multiplexeur/démultiplexeur en longueur d'onde représenté sur la 3,5 figure 1, la lumière qui tombe effectivement sur le film filtrant 13 n'est pas de la lumière parallèle, mais de la lumière guidée propagée à travers La fibre optique 11. Or, on considère que La lumière guidée à travers une fibre optique est un méLange d'innom- brabLes ondes pLanes ayant un angle d'inclinaison de O est rétréci par rapport à La courbe en trait plein. Le rétrécis- sement de ce plateau se traduit par la détérioration de la carac- téristique de filtrage et des performances du multipLexeur/démulti- pLexeur en longueur d'onde. Ceci est vrai aussi pour d'autres composants optiques dans Lesquels un film filtrant est disposé en travers d'une fibre optique, par exemple pour un filtre ou un atténuateur optique, un polariseur, et ainsi de suite. L'un des buts de la présente invention est de procurer un composant optique ayant d'excellentes propriétés optiques, par exemple une excellente caractéristique de filtrage, ainsi qu'un procédé pour le fabriquer. Un autre but de la présente invention est de procurer un composant optique n'utilisant pas une lentille pour concentrer de la lumière émise par une face d'extrémité d'une fibre optique, donc composé d'un plus petit nombre de pièces, qui puisse être fabriqué facilement et dont le coût et les dimensions soient réduits, ainsi qu'un procédé pour fabriquer un tel composant. Un composant optique selon l'invention comprend une fibre optique et un élément optique et il est caractérisé en ce que la fibre comporte une partie dans laquelle la largeur transversale du faisceau dans la fibre ("spot size") est agrandie et que l'élément optique est disposé en travers de cette partie de fibre à largeur de faisceau agrandie. Le composant fonctionne comme un filtre optique si L'éLé- ment optique est un film filtrant conçu pour transmettre la lumière de longueur d'onde déterminée et il fonctionne comme un atténuateur optique si l'élément optique est un film absorbant la lumière et servant à atténuer la Lumière. Si La fibre optique est une fibre conservant la polarisa- tion et L'élément optique possède ou est constitué par un film séparateur de polarisation, Le composant fonctionne comme un pola- riseur. De plus, la fibre peut être utilisée comme une fibre optique de trajet principal et une fibre optique d'embranchement peut être disposée avec une face d'extrémité contre la surface périphérique de la partie à largeur de faisceau agrandie de la fibre trajet principal et avec son axe optique incliné par rapport à l'axe optique de la fibre trajet principal. Dans ce cas, l'élé- ment optique possède ou est constitué par un film filtrant qui transmet la lumière de longueur d'onde déterminée et réfléchit la lumière d'autres longueurs d'onde, l'élément optique étant disposé sur la partie à largeur de faisceau agrandie avec une inclinaison par rapport à l'axe optique de la fibre trajet principal. Les axes optiques de la fibre trajet principal et de la fibre embranchement sont raccordés l'un à l'autre par l'élément optique et la disposi- tion est telle que le composant agit comme un multiplexeur/démulti- plexeur en longueur d'onde. Le composant optique décrit ci-dessus peut être produit facilement par un procédé qui consiste à fixer une fibre optique avec sa partie à largeur de faisceau agrandie sur une embase, à pratiquer une fente en travers de la partie de fibre à largeur de faisceau agrandie et à ajuster l'élément optique dans cette fente. En variante, le composant optique peut être produit par un procédé qui consiste à préparer deux fibres optiques, possédant chacune une partie extrême à Largeur de faisceau agrandie, de même qu'une embase présentant une rainure de guidage, à placer les fibres dans cette rainure avec les faces d'extrémité des parties à largeur de faisceau agrandie dirigées l'une vers l'autre, à raccorder mutuel- lement les axes des fibres optiques par la disposition de l'élément optique entre ces faces d'extrémité et à fixer les fibres et l'élé- ment optique à l'embase. Pour agrandir la Largeur de faisceau d'une certaine partie d'une fibre optique, cette partie de fibre peut être chauffée et étirée, de manière à réduire le diamètre de son coeur, mais il est possible aussi de faire diffuser du dopant du coeur radialement vers l'extérieur en chauffant la fibre. En produisant cette diffu- sion de dopant du coeur vers l'extérieur, la différence en réfrin- gence spécifique 6 baisse et le diamètre du coeur croit, ce qui se traduit par l'agrandissement de la largeur de faisceau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en plan schématique d'un multi- plexeur/démultiplexeur en longueur d'onde de l'art antérieur; - la figure 2 est un graphique montrant la caractéristique transmittivité en fonction de la longueur d'onde d'un film filtrant sous La forme d'un film diélectrique multicouche; - la figure 3 est une représentation schématique de la lumière guidée par une fibre optique, exprimée par ses composants plans, inclinés par rapport à l'axe optique LA de la fibre; - la figure 4 est un graphique montrant la relation entre le diamètre du coeur et la largeur de faisceau d'une fibre optique; - la figure 5 est une vue en plan partielle et à grande échelle montrant la forme externe d'une fibre optique dont une partie intermédiaire est réduite en diamètre avec une représenta- tion schématique d'un changement dans la divergence de la lumière le long de l'axe optique de la fibre; - la figure 6A est une vue en plan d'un filtre optique selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 6B est une vue de c6té de ce filtre; - la figure 7 est une vue en perspective d'une plaquette filtrante utilisée dans le filtre optique de la figure 6A; - la figure 8 est une vue en perspective d'une embase pour le filtre optique de la figure 6A; - la figure 9 est une vue en perspective d'une variante de l'embase; - la figure 10 est une vue en perspective d'encore une autre variante de l'embase; -la figure 11 est une vue en perspective du filtre optique de la figure 6A, mais avec un recouvrement en plus; - la figure 12A est une vue en plan d'un filtre optique selon un autre mode de réalisation de l'invention; - la figure 12B est une coupe prise suivant la ligne XIIB- XIIB de la figure 12A; - les figures 13A et 13B sont respectivement une vue- en plan et une élévation latérale d'une des fibres optiques employées dans le filtre de la figure 12A, montrant en particulier une extré- mité de cette fibre; - la figure 14 est une vue en plan d'un multiplexeur/ démultiplexeur en longueur d'onde selon encore un autre mode de réalisation de l'invention; et - la figure 15 est une vue de côté d'une plaquette filtrante employée dans le multiplexeur/démultiplexeur de la figure 14. Un composant optique selon la présente invention est basé sur le concept décrit ci-après. La relation entre le diamètre du coeur d'une fibre optique et une constante appelée "spot size" qui est une mesure de la largeur du faisceau dans la fibre optique et correspond également au degré de divergence d'un faisceau lumineux, est illustrée sur la figure 4. Elle est définie par le double de la distance entre le centre et un point éloigné radialement o l'intensité lumineuse correspond à 1/e (e est un entier naturel) de l'intensité au centre. D'autres détails peuvent être trouvés o dans "Electronics Letters, tome 20, n 15, du 19 juillet 1984, page 621. Si le diamètre du coeur est ramené de a1 à a2, par exemple, la "spot size", désignée ici par "largeur transversale du faisceau dans la fibre optique" ou encore, pour simplifier par "largeur de faisceau", diminue d'abord, mais commence à augmenter ensuite, après que le diamètre du coeur a été réduit au-delà d'une certaine limite, en raison d'une diminution de la fonction de confinement de la lumière. Par conséquent, si une partie d'une fibre optique 11 est chauffée et étirée pour qu'elle devienne plus mince, comme repré- senté sur la figure 5, la largeur de faisceau de cette partie devient plus grande que celle de la partie restante de la fibre. Par ailleurs, on sait que l'angle e de propagation de la lumière à l'intérieur d'une fibre optique est presque inversement proportion- nel à la largeur de faisceau. Il s'ensuit que, dans la fibre optique 11 représentée sur la figure 5, l'angle de propagation e de la lumière est plus petit dans la partie 11a de faible diamètre que dans la partie restante de la fibre. Ainsi, en disposant un mince film optique, un film filtrant par exemple, dans cette partie amin- cie de la fibre, il devient possible d'amoindrir le rétrécissement du plateau de la courbe en trait plein sur la figure 2. Du fait que l'on n'utilise pas de lentille, le composant optique qui vient d'être décrit est économique et peut être minia- turisé; de plus, il possède d'excellentes propriétés optiques pour annuler les effets d'un intervalle ou d'un défaut d'alignement entre des fibres optiques, ou d'autres défauts, grâce à la disposi- tion du film optique mince sur la partie à largeur de faisceau agrandie de la fibre. Les figures 6A et 6B montrent un filtre optique selon un mode de réalisation de l'invention. Ce filtre est fabriqué comme décrit ci-après. Une partie (intermédiaire) d'une fibre optique 21 dont l'enveloppe 22 a été enlevée, est chauffée et étirée pour former une partie 21a de petit diamètre; ensuite, la fibre 21, ensemble avec son enveloppe 22 sur les deux côtés, est fixée sur une embase 23 par un adhésif optique, du verre de soudage ou une substance semblable. Apres cela, une fente 24 est formée dans l'embase 23 et en travers de la partie amincie 21a de la fibre optique et une plaquette filtrante 25 est ajustée et fixée dans-la fente 24. Ainsi que le montre la figure 7, la plaquette filtrante 25 se compose d'une lame de verre 25 et d'un film filtrant 27 qui est formé sur l'une des faces de la lame 26 par évaporation sous vide et est destiné à laisser passer à travers lui la lumière d'une longueur d'onde déterminée. Si le film filtrant 27 transmet la lumière de la longueur d'onde 1 et réfléchit la lumière de la longueur d'onde 2, le filttre 'optique agit comme un filtre pour la longueur d'onde 1. En inclinant La plaquette fiLtrante 25 sous un angle P (de 80 par exemple) par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe optique de la fibre 21, on peut éviter que La lumière réflé- chi par la plaquette 25 ne soit réinjectée dans la fibre. La figure 8 montre que l'embase 23 se présente sous forme d'un bloc dans la face supérieure duquel sont formées une rainure 28 en V pour la réception de la fibre sans enveloppe, ainsi que des rainures 29 en V pour recevoir chacune une partie d'enveloppe. Afin de faciliter l'orientation angulaire pendant la formation de -la fente, une ligne de guidage 30 peut être tracée dans la face supé- rieure de l'embase 23, comme le montre la figure 9. A la place d'une embase comme celle de la figure 8 ou de la figure 9, il est possible aussi d'utiliser une embase 23, représentée sur la figure , dans laquelle une fente 24 a été creusée préalablement. La figure 11 montre la fibre optique des figures 6A et 6B, mais avec un recouvrement 31 en plus pour la protection de la fibre 21 etde la plaquette filtrante 25. On décrira ci-après un filtre optique fabriqué expérimen- talement. La fabrication de ce filtre d'essai s'est déroulée comme suit. Une partie intermédiaire d'une fibre optique d'un diamètre extérieur de 125 pm a été chauffée et étirée pour former une partie amincie d'un diamètre extérieur de 40 pm. Après la fixation de la partie intermédiaire de la fibre sur une embase, une fente d'une largeur de 30 pm a été formée dans la fibre, sous un angle de 8 par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe optique de la partie amincie, par la technique de micro-rodage décrite dans le document n 838, National Convention Record of Institute of Electronics, Information and Communication Engineers of Japan, 1986. Une plaquette filtrante, sur laquelle un film filtrant passe-bande - laissant passer la lumière de longueur d'onde 1,55 pm - avait été formée par évaporation sous vide, a été ajustée et fixée ensuite dans la fente, ce qui donnait un filtre optique pour la longueur d'onde.1,55 pm. Ce procédé de fabrication permet- tait d'obtenir, avec une excellente reproductibilité, des filtres optiques à faibles pertes, occasionnant une perte d'insertion d'environ 0, 3 dB. Un recouvrement comme celui représenté sur la figure 11 a été monté ensuite autour du filtre optique d'essai et un tube thermorétractable était disposé en plus autour du recouvre- ment et de l'embase. Les dimensions hors tout du filtre optique ainsi obtenu, recouvrement et tube compris, étaient d'environ 4 x 4 x 25 mm, de sorte que le filtre était très compact. Le procédé de fabrication décrit ci-dessus comprend essen- tiellement le sectionnement de la partie amincie de la fibre optique fixée sur l'embase et l'insertion d'une plaquette filtrante entre les extrémités coupées de la fibre. Il n'est donc pas néces- saire de réaliser un ajustement de l'axe optique, ce qui représente un travail compliqué, ni de prévoir des pièces supplémentaires, telles qu'une lentille, ce qui permet de produire des composants optiques peu coûteux et de faibles dimensions. De plus, du fait que la plaquette filtrante est disposée sur la partie à largeur de faisceau agrandie de la fibre optique, on obtient une excellente caractéristique de filtrage. Les figures 12A et 12B montrent un autre mode de mise en oeuvre de l'invention. La fabrication d'un filtre optique selon ce mode de mise en oeuvre se déroule comme suit. En chauffant deux fibres optiques 21A et 21B, on produit la diffusion radialement vers l'extérieur du dopant du coeur de la fibre sur une partie extrême de chacune des deux fibres, de sorte qu'on obtient une partie 32A, 32B à largeur de faisceau agrandie à chaque extrémité de fibre. Apres la formation d'un film filtrant 27 sur la face d'extrémité de l'une, 21A, des fibres, voir les figures 13A et 13B, on place les deux fibres 21A et 21B, en vue de l'alignement mutuel de leurs axes, dans une rainure en V 34 formée dans une pièce de guidage 33 (figure 12B). Les faces d'extrémité des fibres 21A et 21B sont appliquées l'une contre l'autre, les axes sont alignés et les fibres sont fixées ensuite à la pièce de guidage 33 par un adhésif optique par exemple. Une pièce de recouvrement 25 est fixée enfin par-dessus les extrémités des fibres. Dans ce procédé de fabrication, le dopant du coeur d'une partie. extrême de chaque fibre optique est amenée à diffuser à l'extérieur, ce qui crée une partie à largeur de faisceau agrandie, et les faces d'extrémité des fibres sont appliquées l'une contre l'autre, avec un étément optique interposé, puis sont assemblées. Il est possible aussi, en variante, de créer une partie de fibre à largeur de faisceau agrandie en chauffant une partie intermédiaire d'une fibre unique pour produire la diffusion à l'extérieur du dopant du coeur de cette partie de fibre. Apres la fixation de la fibre optique sur une embase, une fente est formée en travers de la partie de fibre à largeur de faisceau agrandie puis une plaquette filtrante est ajustée et fixée dans la fente, comme dans le procédé décrit relativement aux figures 6A et 6B. On peut également produire un composant optique au moyen de deux fibres optiques possédant chacune une partie extrême dont La largeur de faisceau a été agrandie par chauffage et étirage, comme décrit plus haut, en alignant les fibres et en les fixant l'une contre l'autre par leurs faces d'extrémité, avec interposi- tion d'un élément optique, selon un processus semblable à celui des figures 12A et 12B. Dans les exemples qui viennent d'être décrits, un film filtrant est utilisé en tant que film optique mince. Il est cepen- dant possible aussi d'utiliser un film absorbant la lumière et servant à atténuer la lumière, ce qui permet de produire un atté- nuateur optique, sans que l'on soit obligé de changer la façon de procéder. Par ailleurs, si l'on utilise une fibre conservant la polarisation en tant que fibre optique et un film séparateur de polarisation en tant que mince film optique, on peut produire un polariseur. La figure 14 représente un multiplexeur/démultiplexeur en longueur d'onde correspondant à un autre mode de réalisation de l'invention. La fabrication de ce dispositif se déroule comme suit. Une fibre optique de trajet principal 41, possédant une partie amincie 41a formée par le chauffage et l'étirage d'une partie intermédiaire de La fibre, est fixée sur une embase 43 et une fente est formée en travers de la partie amincie 41a. Une plaquette filtrante 45 est ajustée et fixée dans la fente et une fibre optique d'embranchement 42 est fixée sur l'embase 43 de manière que la lumière réfléchie par la plaquette 45 soit injectée dans l'extrémité de la fibre embranchement 42. Pour la fibre trajet principal 41, on a utilisé une fibre optique d'une largeur de fais- ceau de 5,6 pm et d'un diamètre extérieur de 125 pm. La partie amincie 41a, obtenue par chauffage et étirage, avait une largeur de faisceau de 10 pm et un diamètre extérieur'de 40 pm. La plaquette filtrante 45 était constituée, comme représenté sur la figure 15, d'une lame transparente 46 et d'un film diélectrique multicouche 47 en tant que film filtrant, formé sur l'une des faces de la lame transparente 46 et laissant passer la lumière de la longueur d'onde de 1,5 Hm. Le multiplexeur/démultiplexeur en longueur d'onde, fabri- qué comme décrit ci-dessus, a été soumis ensuite à des essais pour évaluer sa caractéristique transmittivité en fonction de la longueur d'onde, par la transmission de lumière à travers la fibre trajet principal 41. On a trouvé une largeur de bande passante de 24 nm. A titre de comparaison, un multiplexeur/démultiplexeur en longueur d'onde de l'art antérieur, utilisant la même fibre optique et la même plaquette filtrante (mais sans partie amincie dans la fibre trajet principal) avait une largeur de bande passante de 18 nm. La plaquette filtrante employée avait une largeur de bande passante de 27 nm pour des rayons lumineux parallèles. Par consé- quent, le multiplexeur/démultiplexeur en longueur d'onde selon l'invention apporte une nette amélioration pour ce qui concerne la largeur de bande passante, comparativement au dispositif de l'art antérieur, bien que le résultat ne soit pas équivalent à la largeur de bande passante obtenue lorsque les rayons lumineux incidents de la plaquette filtrante sont des rayons parallèles. Le terme "largeur de la bande passante' correspond ici à la largeur de bande de la lumière transmise dont la transmissivité correspond à 90 % ou davantage de la transmissivité maximum de la lumière transmise. Pour agrandir la largeur de faisceau, le dopant du coeur d'une partie déterminée de la fibre optique est amené à diffuser radialement vers l'extérieur, pendant le chauffage de la fibre, comme décrit précédemment. Dans ce cas, la quantité de dopant est proportionnelle à a x à (a = diamètre du coeur; = différence en réfringence spécifique). Donc, si la différence de réfringence spécifique A est réduite de moitié par suite de La diffusion à l'extérieur du dopant, le diamètre du coeur a et, partant, la largeur de faisceau, augmentent du facteur V2, ainsi qu'il ressort de la relation indiquée ci-dessus. Si du GeO2 est utilisé en tant que dopant pour le coeur, on obtient un tel diamètre de coeur et une telle largeur de faisceau en chauffant la fibre optique loca- lement à 1 300 C pendant environ 5 heures. REVENDICATIONS 1. Composant optique comprenant une fibre optique et un élément optique, caractérisé en ce que la fibre (11; 21; 41) comporte une partie (lia; 21a; 32A; 41a) dans -laquelle la largeur transversale du faisceau dans la fibre est agrandie, et que l'élément optique (25, 27; 45, 47) est disposé en travers de cette partie de fibre à largeur de faisceau agrandie (11la; 21a; 32A; 41a). 2. Composant selon la revendication 1, dans lequel l'élé- ment optique possède ou est constitué par un film filtrant (27) transmettant la lumière de longueur d'onde déterminée, le composant formant un filtre optique. 3. Composant selon la revendication 1, dans lequel l'élé- ment optique possède ou est constitué par un film absorbant la lumière, en vue de l'atténuation de la lumière, le composant formant un atténuateur optique. 4. Composant selon la revendication 1, dans lequel la fibre optique est une fibre conservant la polarisation et l'élément optique possède ou est constitué par un film séparateur de polari- sation, le composant formant un polariseur. 5. Composant selon la revendication 1, dans lequel la fibre constitue une fibre optique de trajet principal (41), une fibre optique d'embranchement (42) est disposée avec une face d'extrémité contre la surface périphérique de la partie à largeur de faisceau agrandie (41a) de la fibre trajet principal (41) et avec son axe optique incliné par rapport à l'axe optique de la fibre trajet principal (41), l'élément optique (45) possède ou est constitué par un film filtrant (47) transmettant la lumière de longueur d'onde déterminée et réfléchissant la lumière d'autres longueurs d'onde, l'élément optique (45) est disposé sur la partie à largeur de faisceau agrandie (41a) avec une inclinaison par rapport à l'axe optique de la fibre trajet principal et les axes optiques de la fibre trajet principal (41) et de la fibre embran- chement (42) sont raccordés L'un à l'autre par l'élément optique (45), la disposition étant telle que Le composant agit comme un multiplexeur/démultiptexeur en longueur d'onde. 6. Procédé pour fabriquer un composant optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste à fixer la fibre optique avec sa partie à largeur de faisceau agrandie (11a; 21a; 32A; 41a) sur une embase (23; 33; 43), à pratiquer une fente (24) en travers de La partie de fibre à largeur de faisceau agrandie et à ajuster l'élément optique (25, 27; 45, 47) dans cette fente. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on forme la partie de fibre à largeur de faisceau agrandie par l'échauffe- ment et l'étirage d'une partie intermédiaire de la fibre optique. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on forme la partie de fibre à Largeur de faisceau agrandie en faisant diffu- ser du dopant du coeur radialement vers l'extérieur sur une partie intermédiaire de la fibre pendant l'échauffement de cette partie de fibre. 9. Procédé pour fabriquer un composant optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste à préparer deux fibres optiques (21A, 21B), possédant chacune une partie extrême à largeur de faisceau agrandie (31A, 31B), de même qu'une embase (33) présentant une rainure de guidage (34), à placer les fibres (21A, 21B) dans cette rainure (34) avec Les faces d'extrémité des parties à Largeur de faisceau agrandie (31A, 31B) dirigées l'une vers l'autre, à raccorder mutuellement les axes des fibres optiques par la disposition de l'éLément optique (27) entre ces faces d'extrémité et à fixer les fibres et l'éLément optique à l'embase (33). 10. Procédé seLon la revendication 9, dans lequel on forme préalablement La partie extrême à largeur de faisceau agrandie (31A, 31B) sur chaque fibre en faisant diffuser du dopant du coeur radialement vers L'extérieur sur une partie extrême de chaque fibre pendant l'échauffement de cette partie de fibre. 11. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on chauffe et on étire préalablement la partie extrême de chacune des deux fibres (21A, 21B) pour agrandir leur largeur de faisceau.