Brevet FR2629219A1 — publié le 19890929

La présente invention concerne des coupleurs de fibres optiques en étoile. Dans un coupleur classique en étoile, la puissance d'un 'signal appliqué au coupleur par une fibre optique unique est partagée en quantités sensiblement égales entre les différentes fibres d'un ensemble de fibres de sortie, ce partage étant réalisé par un élément mélangeur disposé optiquement entre les fibres d'entrée et de sortie. Dans un coupleur en étoile de type fonctionnant par transmission, une ou plusieurs fibres d'entrée sont optiquement couplées à une première extrémité de l'élément mélangeur alors que les fibres de l'ensemble de fibres de sortie sont couplées optiquement à l'autre extrémité de l'élément mélangeur. Dans un coupleur en étoile de type fonctionnant par réflexion, toutes les fibres sont couplées optiquement à une extrémité de l'élément mélangeur. dont l'autre extrémité est destinée à être totalement réfléchissante. Ainsi, dans le coupleur en étoile du type fonctionnant par transmis- sion, la puissance optique transmise au coupleur par l'une quelconque des fibres d'un premier ensemble de fibres (d'entrée) est répartie en quantités sensiblement égales entre les fibres d'un second ensemble de fibres (de sor- tie), alors que, dans un coupleur de type fonctionnant par réflexion, la puissance optique fournie au coupleur par l'une quelconque des fibres d'un ensemble est partagée en quantités sensiblement égales entre toutes les fibres du même ensemble. Lorsque des coupleurs en étoile sont utilisés dans des réseaux importants qui nécessitent le partage du signal d'entrée par le coupleur entre un grand nombre de voies de sortie, il est évident que la quantité d'énergie disponible pour une voie quelconque de sortie devient très faible lorsque la puissance du signal d'entrée n'est pas très élevée de manière correspondante. L'utilisation d'émetteurs optiques de puissance très élevée est cependant indésirable car elle présente un risque potentiel de sécurité optique si les connecteurs du trajet optique compris entre la source et le coupleur se désaccouplent. La présente invention concerne un coupleur de fibres optiques du type en étoile, ayant un élément mélangeur optique et un dispositif de couplage optique de l'élément mélangeur à plusieurs fibres optiques, caractérisé en ce que l'élément mélangeur comporte un dispositif qui le rend optiquement amplificateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente un coupleur en étoile du type 1 x n la figure 2 représente un coupleur en étoile du type nxn; les figures 3a à 3h représentent une série de sché- mas montrant comment le diagramme d'intensité lumineuse varie en fonction de la distance le long d'un élément mé- langeur annulaire, après lancement dans cet élément, sous forme d'une tache gaussienne à l'emplacement d'un secteur de sa face d'extrémité; et la figure 4 est une perspective d'un coupleur en étoile d'une fibre monomode, de type n x n. Dans le coupleur en étoile fonctionnant par trans- mission représenté sur la figure 1, une fibre unique d'en- trée 10 a son extrémité qui est en butée contre une première extrémité d'un barreau 11 de verre formant mélan- geur. Les extrémités d'un faisceau de n fibres de sortie 12 sont en butée contre l'autre extrémité de ce barreau mélan- geur. Jusqu'à présent dans cette description, le coupleur en étoile n'a pas été distingué des formes connues de cou- pleur en étoile du type fonctionnant par transmission. Cependant, contrairement à de telles formes connues de coupleur, le barreau mélangeur de ce coupleur est formé d'un matériau, par exemple de Nd-YAG, qui peut subir un pompage optique afin qu'il assure une amplification optique par émission stimulée. Le barreau mélangeur est ainsi ana- logue au milieu optiquement amplificateur d'un laser Nd- YAG, mis à part le fait que, dans ce cas, le barreau n'a pas de facettes très réfléchissantes d'extrémité, mais comporte au contraire des facettes au niveau desquelles la réflexion de Fresnel est réduite au minimum afin que l'ef- fet laser soit supprimé. Le barreau mélangeur subit un pompage optique (sous l'action d'un dispositif non repré- senté) d'une manière connue par ailleurs, par exemple à l'aide d'une lampe à éclairs ou à l'aide d'un ensemble de lasers à semi-conducteur, destinés à assurer le pompage optique des lasers Nd-YAG. Le coupleur en étoile de la figure 2 est un coupleur du type n x n qui utilise un élément mélangeur 21 en forme de plaque, ayant des extrémités opposées contre lesquelles les extrémités de deux ensembles 20 et 22 de n fibres op- tiques sont en butée. Comme dans le cas du barreau mélan- geur 11 de la figure 1, l'élément mélangeur 21 de la figure 2 est formé d'un matériau qui peut subir un pompage afin qu'il soit optiquement amplificateur. Le long d'un bord latéral de l'élément mélangeur, un dispositif 23 de pompage optique est disposé et, dans le cas d'un élément mélangeur formé de Nd-YAG il peut par exemple être constitué d'un ensemble de diodes à semi-conducteur. Le coupleur en étoile de la figure 4 est aussi un coupleur de type n x n mais, dans ce cas, l'élément mélan- geur est annulaire et le coupleur est destiné à être uti- lisé avec des fibres monomodes. L'utilisation d'un élément mélangeur destiné à une fibre monomode parait peu intéres- sante, au moins à première vue, pour deux raisons au moins. D'abord, les pertes par insertion associées à la "fraction d'empilement", déterminées comme étant l'inverse du rapport de la surface occupée par la surface totale des points formés par les fibres à la surface totale de la face d'ex- trémité de l'élément mélangeur, paraissent élevées au point d'être prohibitives. Ensuite, une fibre multimode guide des centaines de modes qui, lorsqu'ils sont lancés dans un élément mélangeur, donnent une distribution uniforme de la lumière à l'extrémité de sortie. D'autre part, le mode unique d'une fibre monomode, lorsqu'il est lancé dans un tel élément mélangeur, peut exciter une population limitée du mode qui provoque une très mauvaise uniformité à l'ex- trémité de sortie de l'élément mélangeur, révélée par un spectre tacheté grossier avec des taches brillantes préfé- rentielles. Cependant, ces inconvénients apparents peuvent être compensés de la manière décrite en détail dans la demande de brevet britannique no 87 18 055 qui montre comment le problème posé par la fraction d'empilement peut être pratiquement résolu et comment les effets des "taches!' modales peuvent être utilisés avantageusement. Ce document explique qu'une fibre optique monomode mise au point pour être utilisée dans des télécommunica- tions a un diamètre externe de 125 pm et un diamètre de tache de mode de 10 pm. Ceci donne un rapport d'environ 1/150 pour la surface de la tache de mode à celle de la fibre. Lorsqu'une telle fibre est amincie adiabatiquement à une plus faible dimension par une opération d'étirage, la dimension de la tache du mode augmente lorsque le diamètre externe de la fibre diminue. Au moment o le diamètre ex- terne est réduit à environ 50 pm, la dimension de la tache a atteint 25 pm environ. A ce stade, la lumière est encore guidée par l'interface de l'àie et du revêtement, et n'est pratiquement pas affectée par l.'indice de réfraction du matériau entourant la fibre. Au-dessous d'un diamètre ex- terne d'environ 45 pm, la puissance est suffisamment étalée pour être affectée notablement par la nature de l'interface de la fibre et de ce qui l'entoure, et, lorsque ce qui l'entoure a un plus faible indice de réfraction, l'inter- face prend en charge la fonction de guidage d'onde et a tendance, au moins temporairement, à limiter un étalement supplémentaire de la dimension de la tache du mode. En conséquence, la fraction d'empilement d'une fibre classique de télécommunication peut être facilement accrue fortement par amincissement suivant un rapport d'environ 1/4 par étirage des fibres jusqu'à un diamètre d'environ um. Pourvu que cet amincissement soit adiabatique, cette augmentation de la fraction d'empilement est obtenue sans augmentation des pertes, et un tel amincissement peut être très facilement réalisé avec l'appareillage et la technique d'étirage progressif fondamental décrits dans la demande de brevet britannique n 2 150 703 pour la fabrication de coupleurs amincis associés par fusion. On considère maintenant la réponse d'un- élément mélangeur annulaire à l'injection d'une tache lumineuse gaussienne normalement dans une partie de l'une de ses faces d'extrémité. La lumière se disperse lorsqu'elle par- court l'élément mélangeur si bien que, après une distance z, la dimension de la tache est donnée par la relation W = Wo0(l + X2Z (Wn))' W étant la dimension de la tache pour z = 0, o X étant la longueur d'onde et n étant l'indice de réfraction. La divergence (en radians) correspondant au demi- angle du faisceau est donnée par la relation: = k/(nWon) En conséquence, pour une tache de 25 pm pour de la lumière à une longueur d'onde de 1,3 pm se propageant dans de la silice (n = 1,447), la divergence du faisceau est de 1,31 . Initialement, l'énergie se disperse autour de l'an- neau et, après une certaine distance, elle commence à se recouvrir ellemême. Comme la lumière provient d'une source unique, les parties en recouvrement sont cohérentes et un diagramme d'interférences se forme. Un programme d'ordinateur destiné à modéliser cette propagation a été utilisé pour l'obtention des schémas des figures 3a à 3h qui représentent les diagrammes prédits d'interférences pour une lumière à une longueur d'onde de 1,3 pm à 0 mm, 5 mm, 10 mm, 20 mm, 30 mm, 38 mm et 43 mm le long d'un élément annulaire mélangeur de silice de 280 pm de diamètre externe ayant une épaisseur de paroi de 30 pm. Les contours des courbes représentent l'intensité lumineuse avec une échelle normalisée et l'anneau interne correspond au niveau zéro. A 30 mm, le premier diagramme régulier de franges de contraste élevé apparait, et un diagramme régu- lier à contraste élevé apparait ensuite tous les quelques millimètres, le nombre de taches de sortie diminuant pro- gressivement. Lors de la formation d'un coupleur en étoile du type n x n tel que schématiquement représenté sur la figure 4, n fibres 40 sont progressivement étirées par mise en oeuvre de la technique décrite dans la demande de brevet britan- nique n 2 150 703 de manière que des régions 41 de dia- mètre réduit et à côtés parallèles soient formées. Entre les paires de parties 42 d'amincissement adiabatique, ces régions de diamètre réduit à côtés parallèles des petites n fibres sont serrées autour d'un organe de mise en forme 44 constitué de silice et qui a des dimensions telles que les fibres forment un ensemble étroitement empilé avec l'organe de mise en forme, chaque fibre étant alignée parallèlement à l'organe de mise en forme en étant en contact linéaire avec deux fibres voisines et avec l'organe de mise en forme. Le sous-ensemble résultant est alors fixé par col- lage, scié en deux et les extrémités sciées sont polies. L'extrémité polie d'une moitié de sous-ensemble est mise en butée contre une première extrémité, l'extrémité d'entrée, d'un élément mélangeur annulaire 45 de dimensions convenables et est alignée de manière que, lorsque de la lumière est lancée dans l'extrémité de grand diamètre de l'une quelconque de ces petites n fibres, constituant les fibres d'entrée, un diagramme de n taches d'intensités pratiquement égales se forme à l'autre extrémité qui est l'extrémité de sortie de l'élément mélangeur. Par exemple, dans le cas de lumière ayant une longueur d'onde de 1,3 pm, lancée dans un élément mélangeur ayant un indice de réfrac- tion correspondant à celui de la silice fondue, pour un diamètre externe de 180 pm et une épaisseur de paroi de pm, la longueur convenable du mélangeur destinée à donner une symétrie d'ordre huit est de 23 mm. L'autre moitié du sous-ensemble est alors mise en butée contre cette extrémité de sortie et sa position est réglée afin que le lancement de la lumière provenant de l'élément mé- langeur soit optimisé dans les fibres de la seconde moitié du sous-ensemble, avec une excitation pratiquement iden- tique dans toutes les fibres. Un adhésif ayant un indice correspondant est alors appliqué aux interfaces du guide du mélangeur et des deux moitiés du sous-ensemble. Comme le barreau mélangeur 11 de la figure 1 et l'élément mélangeur 21 de la figure 2, l'élément mélangeur de la figure 4 est formé d'un matériau qui permet un pompage afin qu'il assure une amplification optique, et un dispositif 46 de pompage optique est disposé le long d'une partie de l'une des surfaces courbes externes du mélangeur, le dispositif de pompage pouvant être constitué par exemple d'un ensemble de diodes à semiconducteur dans le cas d'un mélangeur formé de Nd-YAG. Deux ou plusieurs ensembles de diodes peuvent être utilisés le cas échéant et peuvent être placés à intervalles réguliers autour de l'élément mélangeur. Dans les exemples qui précèdent de coupleurs en étoile décrits en référence aux dessins, une première ex- trémité de chacune des fibres optiques 10, 12, 20, 22 et 40 est placée en butée contre l'élément mélangeur optique associé alors que l'autre extrémité reste libre afin que le coupleur en étoile puisse être connecté à un réseau de fibres optiques (non représenté), par exemple par raccorde- ment par fusion ou, dans le cas o un accouplement démon- table est nécessaire, par des connecteurs de fibres op- tiques (non représentés). De cette manière, les fibres- 10, 12, 22 et 40 constituent un dispositif de couplage grâce auquel les fibres du réseau auxquelles le coupleur en étoile doit être connecté sont couplées à l'élément mélan- geur. Il faut cependant noter que, dans certains cas, il peut être souhaitable de coupler une ou plusieurs des fibres du réseau directement à l'élément mélangeur et non par l'intermédiaire d'un tronçon auxiliaire de fibres. Ainsi, dans le cas du coupleur en étoile de la figure 1, l'utilisation d'un tronçon intermédiaire de fibres 10 peut être supprimée et sa place peut être prise par la fibre d'entrée du réseau elle-même, cette fibre étant couplée optiquement à une douille lOa (représentée en trait inter- rompu) directement montée sur la face d'extrémité de l'élé- ment mélangeur 11. REVENDICATIONS 1. Coupleur de fibres optiques en étoile, comportant un élément mélangeur optique (11) et un dispositif de cou- plage optique de l'élément mélangeurà plusieurs fibres optiques (12), caractérisé en ce que l'élément mélangeur (11) comporte un dispositif destiné à le rendre optiquement amplificateur. 2. Coupleur selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de couplage optique de l'élément mélangeur à plusieurs fibres optiques est lui-même constitué par un ensemble de fibres optiques (12). 3. Coupleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble de fibres optiques (12) est un ensemble de fibres optiques monomodes, chaque fibre de l'ensemble ayant une partie amincie adiabatiquement entre ses deux extrémités. 4. Coupleur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'élément mélangeur (11) est annu- laire. 5. Coupleur selon l'une des revendications 1 et' 2, caractérisé en ce que le coupleur est du type fonctionnant par réflexion. 6. Coupleur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est d'un type fonctionnant par transmission. 7. Coupleur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le dispositif destiné à rendre l'élément mélangeur optiquement amplifica- teur est constitué par un ou plusieurs ensembles de diodes à semi-conducteur.