Brevet FR2680012A1 — publié le 19930205

DISPOSITIF DE DISPERSION SPECTRALE La présente invention se rapporte à un dispositif de dispersion spectrale. Dans un grand nombre d'applications utilisant les fibres optiques, il est nécessaire de connaître d'une façon fine la répartition spectrale de l'énergie lumineuse circulant dans la fibre. On citera comme principaux domaines d'utilisation les télécommunications à fibre optique et les capteurs à fibre optique et plus particulièrement les capteurs à modulation de fréquence optique dits interférométriques. Pour réaliser cette analyse spectrale, on choisit en général un système optoélectronique composé principalement d'un réseau de dispersion et d'une barrette de photodétecteurs. Pour obtenir une bonne résolution, on utilise des réseaux d'épaisseur importante (plusieurs cm). Dans ce cas, il devient difficile d'intégrer le système d'analyse spectrale à un ensemble mécanique ou électronique, ce qui constitue un handicap certain pour ce type de systèmes. La présente invention a pour objet un dispositif de dispersion spectrale d'épaisseur la plus faible possible, facilement intégrable à un boîtier électronique ou mécanique, dont la fabrication et la mise au point soient le plus faciles possible et dont le prix de revient soit du même ordre de grandeur que celui des réseaux connus. Le réseau conforme à l'invention comporte une lame à faces planes et parallèles, au moins une fibre optique d'arrivée étant fixée sur l'une des faces latérales de la lame, un réseau de dispersion spectrale étant fixé ou formé sur une autre face latérale, et une barrette de photocapteurs étant fixée sur une autre face de la lame. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est un schéma simplifié d'un dispositif d'analyse spectrale de l'art antérieur; - la figure 2 est un schéma simplifié d'un dispositif d'analyse spectrale conforme à l'invention; - la figure 3 est un diagramme servant à expliquer le fonctionnement du dispositif de l'invention, pour une seule longueur d'onde - les figures 4 à 6 sont des schémas montrant différentes implantations possibles des éléments du dispositif de l'invention, avec une seule fibre optique d'arrivée, et - la figure 7 est un schéma d'un dispositif conforme à l'invention, à plusieurs fibres d'arrivée. On a représenté en figure 1 le schéma d'un dispositif de dispersion spectrale commun. Ce dispositif comporte essentiellement une fibre optique d'arrivée 1 multimode ou monomode, un réseau de dispersion spectrale 2 et une barrette 3 de photodétecteurs. Ce dispositif peut être éventuellement complété par un certain nombre de composants optiques simples tels que des miroirs plans, permettant d'en diminuer l'encombrement. La lumière polychromatique issue de la fibre 1 tombe sur le réseau 2 qui la disperse et la focalise sur la barrette 3. Des dispositifs électroniques classiques (non représentés), reliés à la barrette 3, permettent l'analyse du signal optique arrivant sur les photodétecteurs de la barrette 3. Les distances 11 et 12 entre le centre du réseau 2 et respectivement la fibre 1 et la barrette 3 dépendent des trois paramètres suivants -les caractéristiques spectrales de la lumière analysée; -les caractéristiques géométriques du réseau 2, et en particulier son pas -les dimensions de la barrette 3. Typiquement, pour atteindre des résolutions spectrales de l'ordre de quelques centièmes de nanomètres, les valeurs de t 1 et 12 sont comprises entre 100 et 300 mm. Les dimensions dl et d2 du réseau 2 sont en général comprises entre 20 et 60 mm. Ces dimensions ne permettent pas une intégration facile dans un système électronique ou mécanique compact. Le dispositif conforme à l'invention comporte, ainsi que schématiquement représenté en figure 2, une lame 4 à faces parallèles, de faible épaisseur, et, fixés sur ses faces latérales, une arrivée de fibre optique 5, un réseau de dispersion 6 et une barrette 7 de photodétecteurs. Les éléments 5, 6 et 7 sont disposés de telle façon qu'un mince faisceau de lumière polychromatique, issu de l'extrémité de fibre 5 et pénétrant dans la lame 4, soit dispersé par le réseau 6 sur la barrette 7. Le réseau 6 est légèrement incurvé (sa face active est concave) et la barrette 7 est une barrette classique de photodétecteurs (CCD). Le contour de la lame 4 peut être, comme représenté sur la figure 2, sensiblement rectangulaire (à l'exception de la face latérale portant le réseau 6, qui est légèrement incurvée en fonction de la courbure de ce réseau), mais il est bien entendu que ce contour peut avoir différentes formes, telles que celles représentées en figures 5 et 6, ou diverses autres formes polygonales, ou mêmes circulaires. On va maintenant expliquer, en référence à la figure 3, le principe de fonctionnement du dispositif de dispersion de l'invention. La lame 4 est d'épaisseur suffisamment faible (de l'ordre de quelques millimètres) pour que l'ensemble des faisceaux lumineux issus de la fibre 5 ne puisse parvenir au réseau 6 sans qu'une partie ne soit réfléchie par réflexion totale une ou plusieurs fois par les faces inférieure et supérieure de la lame 4. Cet ensemble de faisceaux traversant la lame 4 peut être décomposé en N sous-faisceaux répartis de la façon suivante - un faisceau central 8 qui parvient directement au réseau 6 et qui est dispersé par ce réseau directement sur la barrette 7 - deux faisceaux latéraux (un seul d'entre eux référencé 9 avant dispersion et 9' après dispersion a été représenté, pour la clarté du dessin) qui subissent une première réflexion totale (respectivement sur les faces inférieure et supérieure de la lame 4) avant de parvenir au réseau 6, puis une seconde réflexion totale (respectivement sur les faces supérieure et inférieure de la lame 4) après dispersion par le réseau 6;; - deux autres faisceaux latéraux qui subissent deux réflexions totales avant de parvenir au réseau 6, et deux autres réflexions totales après dispersion par ce réseau - et ainsi de suite, le nombre de faisceaux latéraux issus de la fibre 5, leur incidence et donc leur nombre de réflexions totales étant fonction de l'ouverture numérique de la fibre 5 et de l'épaisseur de la lame 4. Chaque faisceau latéral subissant des réflexions totales, tel que le faisceau 9, semble parvenir d'un point Mi qui est l'image virtuelle de l'extrémité de la fibre 5 réfléchie par les miroirs plans constitués par les faces planes supérieure et/ou inférieure de la lame 4. De même, après réflexion sur le réseau 6, le faisceau latéral, tel que 9', arrive sur la barrette 7 en un point M'i qui est l'image d'un point M"i sur lequel aboutirait le faisceau latéral 9' s'il n'était pas réfléchi par la grande face inférieure de la lame. Si, entre le réseau 6 et la barrette 7, le faisceau 9' subit un parcours identique à celui qu'il a subi entre l'extrémité de la fibre 5 et le réseau 6, le point M'i est confondu avec le point d'impact sur la barrette 7 du faisceau direct 8. Par conséquent, tous les faisceaux latéraux convergent alors sur la barrette 7 en M'i (pour une même longueur d'onde du faisceau arrivant de la fibre 5, bien entendu). Ainsi, si on respecte les trois conditions de convergence énoncées ci-dessous, on peut faire fonctionner le dispositif de dispersion de l'invention avec une grande distance de focalisation (distance entre l'extrémité de la fibre et la barrette de photodétecteurs), tout en gardant une faible épaisseur du dispositif, et sans avoir recours à des moyens optiques complexes. Ces conditions de convergence sont les suivantes a) les faces de la lame 4 doivent être parfaitement planes et parallèles entre elles; b) le réseau de dispersion 6 doit être stigmatique pour tous les faisceaux directs et réfléchis et doit présenter pour tous ces faisceaux un grandissement de 1 ; c) les centres de la fibre 5 et de la barrette 7 doivent être exactement équidistants des faces inférieure et supérieure de la lame 4. Parmi ces trois conditions, la seconde est généralement la plus difficile à satisfaire. Pour y parvenir, le réseau 6 est avantageusement du type holographique, type pour lequel on peut réaliser, par enregistrement d'un phénomène d'interférences, des corrections optiques importantes, de façon connue en soi. On a représenté en figure 4 la configuration "de base" du dispositif de l'invention. Dans cette configuration, la lame 10 à faces parallèles a une forme sensiblement rectangulaire, une de ses faces latérales courtes, sur laquelle est formé ou fixé le réseau 11 étant convexe. La fibre optique d'arrivée 12 est fixée sur une face latérale longue, le plus loin possible du réseau 11. La barrette de photodétecteurs 13 est fixée sur l'autre face latérale courte. Bien entendu, les éléments 12 et 13 pourraient être disposés autrement par rapport à la lame 10, et cette lame peut avoir d'autres formes. Dans la conformation "repliée" de la figure 5, la lame 14 à faces parallèles a une forme trapézoïdale, et une de ses faces latérales référencée 15, est convexe. Sur la face latérale 16 en vis-à-vis de la face convexe on forme ou fixe un miroir plan 17. Le réseau de dispersion 18 est formé ou fixé sur la face latérale convexe 15. Les deux autres faces latérales sont référencées 19 et 20. La face 19 est plus courte que la face 20. La fibre optique d'arrivée 21 est fixée sur la face 15, près de la face 19. La barrette de photodétecteurs 22 est fixée sur la face 20, près de la face 16. Dans ce dispositif de la figure 5, les faisceaux issus de la fibre 21 se réfléchissant une première fois sur le miroir 17, sont dispersés par le réseau 18 qui les renvoie sur le miroir 17 par lequel ils sont réfléchis vers la barrette 22. Bien entendu, si on conférait à la lame 14 une forme polygonale à plus grand nombre de côtés et si on formait des miroirs sur d'autres côtés, on pourrait faire subir des réflexions multiples aux faisceaux et allonger encore leur trajet, à condition de disposer de façon appropriée la fibre, le réseau de dispersion et la barrette, et d'avoir une forme polygonale appropriée. On a représenté en figure 6 une configuration du dispositif de l'invention voisine de celle de la figure 4, dans laquelle la lame 13 est associée à: une fibre optique 24, un réseau de dispersion 25 et une barrette 26 de photodétecteurs. La différence essentielle par rapport au dispositif de la figure 4 réside dans le fait que la face latérale 27 opposée à celle portant le réseau 25 est oblique (à 450 par exemple) par rapport aux grandes faces de la lamelle 23 et porte un miroir plan, et dans le fait que la barrette 26 est disposée sur la grande face plane vers laquelle le miroir de la face 27 renvoie les faisceaux dispersés par le réseau 25. La barrette 26 est disposée près de la face 27, afin de recevoir ces faisceaux dispersés. On a représenté en figure 7 un dispositif d'analyse multi-fibres ayant, dans le cas présent, la configuration de la figure 2, mais qui pourrait aussi bien avoir l'une des configurations représentées sur les autres figures. La lame 28 est associée à N fibres référencées 29 dans leur ensemble. La lame 28 porte sur sa face latérale convexe un réseau de dispersion 30, et sur une autre face latérale une barrette 31 de photodétecteurs. Ainsi, le réseau unique 30 sert à l'analyse des faisceaux des N fibres 29. Chacune des N fibres est disposée de façon que son image spectrale soit donnée par le réseau 30 sur la barrette 31 avec un grandissement de 1, comme précisé ci-dessus. A chaque pixel (élément photosensible) de la barrette 31 est alors associée une longueur d'onde différente, en fonction des caractéristiques de la fibre correspondante et du réseau 30. Ces différentes longueurs d'onde peuvent être déterminées par un procédé d'étalonnage spectral classique. Bien entendu, pour que le dispositif multi-fibres puisse fonctionner, il faut éclairer séquentiellement chaque fibre, de façon que les différents spectres de dispersion puissent être analysés séparément. REVENDICATIONS 1. Dispositif de dispersion spectrale, caractérisé par le fait qu'il comporte une lame à faces planes et parallèles (4, 10, 14, 23, 28), au moins une fibre optique d'arrivée (5, 12, 21, 24, 29) étant fixée sur l'une des faces latérales de la lame, un réseau de dispersion spectrale (6, 11, 18, 25, 30) étant fixé ou formé sur une autre face latérale, et une barrette de photocapteurs (7, 13, 22, 26, 31) étant fixée sur une autre face de la lame. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le réseau est stigmatique pour tous les faisceaux qu'il reçoit et présente un grandissement de 1. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le réseau est du type holographique. 4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que la lame comporte sur au moins une de ses faces latérales un miroir plan (17, 27). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la barrette de photocapteurs est fixée sur une face latérale de la lame (7, 13, 22, 31). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la barrette de photocapteurs est fixée sur une grande face de la lame (26). 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est associé à plusieurs fibres optiques d'arrivée (29). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que chaque fibre est éclairée séquentiellement.