Brevet FR2684454A1 — publié le 19930604

Composant optique monolithique ayant au moins une fonction de dérivation de l'énergie incidente La présente invention concerne un composant optique monolithique ayant au moins une fonction de dérivation de l'énergie incidente. Pour réaliser une telle fonction, on connaît déjà des composants en optique intégrée, tels que ceux qui sont décrits notamment dans la publication OPTO 91 (pages 409 à 411) r'Integrated Optical Components for Telecommunication Systems" par R. Fuest et al. De tels composants sont encore difficiles à réaliser, et il est en outre très délicat de les coupler à des fibres optiques classiques ayant un diamètre extérieur de l'ordre de 125 am. La présente invention a pour but de mettre en oeuvre un composant optique dont la fabrication puisse être effectuée en série en vue d'une réduction des coûts, et qui puisse être facilement adapté à diverses applications. La présente invention a pour objet un composant optique monolithique ayant au moins une fonction de dérivation de l'énergie optique incidente, caractérisé par le fait qu'il comprend essentiellement une fibre optique à deux coeurs non coaxiaux,l'écart d'indice de réfraction entre les coeurs et la gaine optique de la fibre étant notamment provoqué par la présence de dopants dans cette gaine optique, ladite fibre présentant au moins une zone où ledit écart est localement modifié par diffusion des dopants et crée ainsi un couplage par onde évanescente entre lesdits coeurs. Selon la longueur de ladite zone et la nature de la diffusion des dopants, le composant selon l'invention est tel qu'une fraction déterminée ou la totalité de l'énergie lumineuse transmise par l'un des coeurs peut être dérivée vers l'autre coeur. La longueur de ladite zone est par exemple de l'ordre de quelques millimètres à quelques centimètres, et elle est réalisée par chauffage localisé. Ceci a pour effet de créer un couplage local fort entre les deux coeurs. De préférence la variation du profil d'indice le long de l'axe de la fibre est progressive dans ladite zone, autrement dit elle est de type expanseur adiabatique, pour que ledit couplage soit à faibles pertes. On peut obtenir une telle variation par le choix du gradient de température longitudinal dans ladite zone chauffée. A titre d'exemple, les coeurs de ladite fibre sont en silice et la gaine optique est en silice dopée au fluor ; une telle structure est particulièrement bien adaptée à la présente invention. Selon un mode de réalisation avantageux, le diamètre extérieur de ladite fibre est de l'ordre de 125 Fm et l'un desdits coeurs et ladite gaine optique sont coaxiaux, ce qui facilite le raccordement du composant selon l'invention avec des fibres classiques. Selon une variante de réalisation, le composant selon l'invention est tel que la longueur de ladite zone est choisie égale à la longueur de couplage permettant de transférer la totalité d'un signal transmis par un coeur dans l'autre coeur. Selon une autre variante de réalisation, le composant selon l'invention est tel que la longueur de ladite zone est choisie égale à la moitié de la longueur de couplage pour permettre de transférer la moitié d'un signal transmis par un coeur dans l'autre coeur. Selon une autre variante de réalisation, le composant selon l'invention comporte deux zones identiques séparées par une distance de l'ordre de quelques millimètres à quelques centimètres, de manière à définir un interféromètre de Mach Zehnder. Selon une autre variante de réalisation, la gaine optique dudit composant comporte une portion localement modifiée, comme ladite zone, par diffusion des dopants, de manière à coupler un desdits coeurs avec la surface extérieure de ladite gaine optique. Ladite portion de gaine optique modifiée permettant un couplage avec l'extérieur, et notamment avec un récepteur optique de type photodiode, est avantageusement précédée d'un interféromètre de Mach Zehnder tel que défini plus haut. Grâce à une boucle de régulation, le réglage de l'interféromètre permet d'ajuster la puissance du signal dérivé à l'extérieur du composant selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparatront au cours de la description suivante de modes de réalisation donnés à titre illustratif, mais nullement limitatif. Dans le dessin très schématique annexé - La figure 1 est une vue en coupe transversale d'une fibre à deux coeurs destinée à former un composantselon l'invention. - La figure 2A est une vue en coupe longitudinale partielle d'une fibre à deux coeurs appartenant à un composant optique selon l'invention. - La figure 2B montre le profil d'indice transversal de la fibre de la figure 2A. - La figure 2C est une vue en coupe transversale de la fibre de la figure 2A. - La figure 3 illustre très schématiquement un traitement thermique auquel est soumise la fibre de la figure 2A. - La figure 4A est une vue en coupe longitudinale d'un composant optique selon l'invention. - La figure 4B, analogue à la figure 2B, montre le profil d'indice transversal du composant de la figure 4A. - La figure 5 illustre schématiquement la fonction de dérivation optique du composant de la figure 4A. - Les figures 6A et 6B sont respectivement des coupes longitudinale et transversale d'une variante de composant optique selon l'invention constituant un interféromètre de Mach Zehnder. - La figure 7 montre en coupe longitudinale une autre variante de composant optique selon l'invention constituant un dérivateur de signal vers l'extérieur. - La figure 8 illustre schématiquement le traitement thermique permettant la réalisation du composant optique de la figure 7. - La figure 9 montre schématiquement en coupe longitudinale une variante perfectionnée du composant de la figure 7 constituant un dérivateur de signal lumineux à rapport de prélèvement variable et contrôlable électriquement. - La figure 10 montre schématiquement un réseau mettant en oeuvre des composants de la figure 9. On voit dans la figure 1 un tronçon de fibre optique 1 avec une gaine optique 2 et deux coeurs 3 et 4, le coeur 4 et la gaine optique 2 étant coaxiaux. La gaine en verre de la fibre 1 comporte autour de la gaine optique 2 proprement dite une couche externe 2' en verre de silice issu du tube de silice de la préforme à l'origine de la fibre optique 1. On note - diamètre extérieur de la couche 2' : 125 lm - diamètre extérieur de gaine optique 2 : environ 60 pm - diamètre de chaque coeur : 2a = 7,5 Fm - distance entre les coeurs : d s 3,5 x 2a = 25 pm - indice de coeur : n = 1,46 - écart entre l'indice de gaine optique 2 et l'indice de coeur #n 5 x 10-3. Le coeur est par exemple en silice pure et la gaine en silice dopée au fluor. Pour des raisons de clarté, la couche externe 2' n'est pas représentée dans les figures 2 à 7 où l'on retrouve la gaine optique 2 et les coeurs 3 et 4. La figure 2B montre le profil en échelon des indices optiques. Selon l'invention (voir figure 3) on chauffe le tronçon de fibre 1 au niveau d'une zone 10 de longueur L ; le rayonnement est schématisé par des flèches 11. Les paramètres de chauffage sont choisis pour faire diffuser les dopants de la gaine optique, en l'occurence le fluor, et transformer ainsi la distribution radiale de la concentration des dopants d'un profil en échelon (figure 2B) à un profil sensiblement gaussien (figures 4A et 4B). On opère en outre de façon que la diffusion thermique se produise de manière progressive suivant l'axe longitudinal de la fibre, et non de manière brutale ; cette configuration est du type expanseur adiabatique. Dans l'exemple choisi l'écart d'indice moyen après chauffage est devenu environ égal au quart de l'écart d'indice originel n. Comme cela apparat dans la figure 5, on raccorde de manière traditionnelle, par exemple par une soudure 9, le tronçon de fibre 1 à une fibre de ligne classique 7 ayant une gaine optique 5 de même diamètre que la gaine optique 2 et un coeur 8 de même diamètre que le coeur 4 et disposé dans son prolongement (leurs couches externes en verre non illustrées ont un diamètre commun de 125 Fm). Un signal d'énergie pO transmis par le coeur 8 est réparti au niveau de la zone 10 en un signal p1 transmis par le coeur 4 et un signal p2 transmis par le coeur 3, p1 et p2 dépendant respectivement de la longueur L - Si L = longueur de couplage Lc : p1 = O et p2 = po - Si L = Lc/2 : p1 = po/2 et p2 = Po/ On choisit la valeur de L entre O et Lc selon la répartition souhaitée de p entre les coeurs 3 et 4. Le composant de la figure 5, aisément raccordable à une fibre classique de même diamètre que lui, permet donc de dériver une fraction déterminée de l'énergie transmise par cette fibre. Dans l'exemple choisi, Lc est de l'ordre de 20 mm. On a représenté dans les figures 6A et 6B un composant 20 selon l'invention à gaine optique 25 et à deux coeurs 23 et 24, ce dernier ayant même axe que la gaine optique 25. Il comporte deux zones 26 et 27 traitées comme la zone 10 de la figure 4A, et chacune sur une longueur L correspondant à la longueur Lc/2. La distance 1 entre les zones 26 et 27 est de quelques centimètres. Avantageusement une face plane 28 est prévue perpendiculairement au plan diamétral commun aux deux coeurs 23 et 24. On a ainsi un composant monolithique qui constitue un interféromètre de Mach Zehnder. En effet, si l'on n'introduit pas de différence de chemin optique entre les deux coeurs 23 et 24, l'énergie pO est répartie par moitié entre p1 et p2 et se retrouve pratiquement en totalité en p3 à la sortie du composant. Par contre, en présence d'une sollicitation de la face 28, telle qu'une courbure du tronçon 20, il intervient un déphasage q entre les coeurs 23 et 24 et l'on a P1 = Po/2 (1 + cos P2 = po/2 (1 - cos avec a = 2+t n 1. Si R est le rayon de courbure infligé au composant on a n'l = nl 1 = nld/R. 1 Avec les valeurs rappelées plus haut, on constate qu'un rayon de courbure R égal à 1 mètre entraîne, pour un interféromètre de longueur 1 égale à deux centimètres, un déphasage La figure 7 montre une variante de composant 30 selon l'invention permettant à une partie du signal incident d'être rayonné à l'extérieur de ce composant, en particulier vers la surface sensible d'une photodiode 31. Ce composant 30 est initialement du même type que le composant 1 de la figure 4A ; il comporte deux coeurs 36 et 37 et une gaine optique 41 il est solidarisé, par des méthodes connues, à deux fibres classiques 32 et 33 dont les coeurs 34 et 35 sont alignés avec son coeur 36. Comme le composant 1 (voir figure 5) il permet la dérivation dans le coeur 37 d'une fraction p2 du signal incident pO grâce à une zone traitée 38 de longueur L. I1 présente une face plane 45 analogue à la face 28 de la figure 5B. Pour réaliser le couplage de ce composant 30 avec la photodiode 31 on opère de la manière suivante. Comme cela apparat dans la figure 8, le composant 30 a une gaine optique 41 entourée d'une couche externe 42. La gaine optique 41 a une composition analogue à celle de la gaine 2, et la couche extérieure 42 est en silice pure, comme les coeurs 36 et 37 ; le diamètre extérieur de la couche 42 est toujours de 125 am ; son épaisseur est de 30 Fm environ. Dans la zone 43 de la gaine 41 voisine du coeur excentré 37, on modifie très localement le profil de l'indice, toujours par diffusion thermique, grâce à un chauffage ponctuel par exemple par rayonnement laser C02 à 10,6 Fm (flèches 44). La zone 43 absorbe l'énergie du rayonnement sur une profondeur de l'ordre de 40 gm, c'est-à-dire jusqu'au coeur 37. De préférence on utilise des impulsions laser pour limiter la conduction thermique entre la zone illuminée 43 et le reste de la fibre. La zone 43 a une longueur faible, correspondant à la longueur de couplage, pour faire passer toute l'énergie p2 vers l'extérieur de la gaine optique et la photodiode 41. Dans la figure 9, on a représenté une variante de composant 50 selon l'invention combinant les caractéristiques du composant 20 selon la figure 6A et celles du composant 30 selon la figure 7. Les deux coeurs du composant 50 sont référencés 53 et 54 ; une face plane 58 est analogue à la face plane 28 de la figure 6A. On retrouve deux zones 56 et 57 de longueur égale à Lc/2 et une zone 55, analogue à la zone 43 de la figure 7, située en regard de la photodiode 31. S'il n'existe aucune différence de chemin optique dans les coeurs 53 et 54 entre les zones 56 et 57, il n'y a aucune puissance Pd dérivée dans le coeur 53 vers la photodiode 31. Par contre, si un actionneur 60 imprime une flèche entre deux appuis 71 et 72 distants d'une longueur l, une différence de chemin optique apparaît dans l'interféromètre et une portion Pd du signal lumineux incident pO parvient à la photodiode 31. On prévoit en outre une boucle de régulation comportant un comparateur 61 recevant d'une part la tension V d'un amplificateur 62 du signal de la photodiode et d'autre art un signal V de référence. Ce o comparateur agit sur un régulateur de commande 63 de l'actionneur 60. La boucle de régulation a pour fonction de permettre la dérivation vers la photodiode 31 d'un signal Pd correspondant de préférence au niveau de puissance optique minimal nécessaire à la qualité de la détection optique. Une telle boucle de régulation permet un fonctionnement optimum du composant 50. A titre d'exemple, on a : n = 1,46 ; d = 25 Fm ; À = 1,3 Fm I = 10 mm. Une flèche de 3 gm, due à l'effet de l'actionneur 60 au milieu des appuis 71 et 72, entraîne entre les coeurs 53 et 54 une différence de chemin optique égale à ss /20, un déphasage T de 18 degrés et une puissance dérivée Pd = 9,5 % p1. On voit dans la figure 10 un "bus" à fibre optique couplé à un transmetteur 100 et disposant de k stations référencées 101, 102, 103.... comportant chacune un dérivateur contrôlable comme celui de la figure 9. Si Po est la puissance d'un signal lumineux émis par le laser 100, Pd1, Pd2, Pdk, la puissance dérivée par chacun des k dérivateurs, on a Pdl = C1P Pd2 = C2 (1-C1)Po ... Pdk = Ck (1-C1)(1-C2).... (1 - Ck-1)Po k k 1 2 k-1 o si l'on suppose que les seules pertes dans la ligne sont les pertes associées aux fractions de puissance dérivées. On choisit des coupleurs identiques de coefficient de couplage optimal C = 1/k. La puissance Pdk est alors égale à C(l-C) k-l = (k-1) k-1 kkPo. . o o 1ère hypothèse : Pdk est égale à la puissance minimale Pmin détectable par la photodiode de la station k. Exemple : Po = 1mW Pmin/P = 20dBm = 1 % o k = 37. 2ème hypothèse : Pd1 = Pd2 = ... Pdk Pmin Autrement dit, les actionneurs des dérivateurs de toutes les stations sont réglés de façon telle que toutes les puissances dérivées sur les photodiodes sont identiques. On a alors les relations suivantes entre les coefficients de couplage C1 =Pmin/Po Exemple P = 1mW o P. /Po = - 20dBm = 1 % min o C1 = 1 % : C50 = 1,96 % ; C70 = 3,2 Cgo =9,1% k = 90. Les flèches nominales appliquées par les actionneurs aux composants selon l'invention s'étagent entre 2 Mm et 6 m, ce qui correspond à des différences de chemin optique comprises entre 0,036 rm et 0,13 gm. Les composants à dérivation ajustable selon l'invention permettent en outre de simplifier le récepteur optique du point de vue de la dynamique de réception. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation et aux applications qui ont été décrits ci-dessus. En particulier le terme coeur signifie de manière plus générale "structure guidante" ; en outre les deux coeurs de la fibre peuvent avoir des caractéristiques différentes en vue d'une meilleure adaptation à l'application considérée. REVENDICATIONS 1/ Composant optique monolithique ayant au moins une fonction de dérivation de l'énergie optique incidente, caractérisé par le fait qu'il comprend essentiellement une fibre optique à (1) deux coeurs (3, 4) non coaxiaux,l'écart d'indice de réfraction entre les coeurs et la gaine optique (2) de la fibre étant notamment provoqué par la présence de dopants dans cette gaine optique, ladite fibre présentant au moins une zone (10) où ledit écart est localement modifié par diffusion des dopants et crée ainsi un couplage par onde évanescente entre lesdits coeurs (3, 4). 2/ Composant optique monolithique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'au niveau de ladite zone (10) la variation du profil dudit indice le long de l'axe de ladite fibre est progressive, c'est-à-dire de type expanseur adiabatique. 3/ Composant optique monolithique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la longueur de ladite zone (10) est de l'ordre de quelques millimètres à quelques centimètres. 4/ Composant optique monolithique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le diamètre extérieur de ladite fibre (1) est de l'ordre de 125 gm. 5/ Composant optique monolithique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'un desdits coeurs (4) et ladite gaine optique (2) sont coaxiaux. 6/ Composant optique monolithique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits coeurs (3, 4) sont en silice et que ladite gaine optique (2) est en silice dopée au fluor. 7/ Composant optique monolithique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la longueur de ladite zone est choisie égale à la longueur de couplage Lc permettant de transférer la totalité d'un signal transmis par un coeur dans l'autre coeur. 8/ Composant optique monolithique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la longueur de ladite zone est choisie égale à la moitié de la longueur de couplage Lc pour permettre de transférer la moitié 'un signal transmis par un coeur dans l'autre coeur. 9/ Composant optique monolithique selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comporte deux zones identiques (26, 27) séparées par une distance de l'ordre de quelques millimètres à quelques centimètres, de manière à définir un interféromètre de Mach Zehnder. 10/ Composant optique monolithique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite gaine optique comporte une portion localement modifiée (43), comme ladite zone, par diffusion des dopants de manière à coupler un desdits coeurs (37) avec la surface extérieure de ladite gaine optique. 11/ Composant optique monolithique selon la revendication 10, caractérisé par le fait que ladite portion de gaine optique permettant un couplage avec l'extérieur de cette gaine est précédée par un interféromètre de Mach Zehnder (56, 57) selon la revendication 9. 12/ Composant optique monolithique selon la revendication 11, caractérisé par le fait qu'il comporte une boucle de régulation (60, 61, 62, 63) pour régler ledit interféromètre et ajuster la puissance du signal dérivé à l'extérieur dudit composant.