Brevet FR2680929A1 — publié le 19930305

Dispositif séparateur-mélangeur de fréquences pour ondes optiques guidées La présente invention concerne le mélange et/ou la séparation d'ondes optiques de fréquences différentes guidées par des fibres optiques, de tels mélange et séparation étant fréquemment appelés multiplexage et démultiplexage. Elle trouve plus particulièrement application lors de la réalisation de lignes de transmission d'information à grande distance constituées par des fibres optiques, cette invention s'appliquant10 alors pour effectuer le mélange entre d'une part une onde porteuse d'information guidée par une fibre optique que l'on peut appeler guide ou fibre basse fréquence, et d'autre part une lumière de pompage optique guidée par une autre fibre optique que l'on peut appeler guide ou fibre haute fréquence L'onde porteuse et la lumière de pompage15 doivent être mélangées dans une fibre amplificatrice pour amplifier cette onde porteuse. Dans ce cas un dispositif selon l'invention constitue un mélangeur dont la fonction est de réaliser ce mélange Mais il doit aussi, dans ce même cas, constituer un séparateur pour les raisons20 suivantes: d'une part, une composante de l'onde porteuse peut être rétrodiffusée par des éléments situés dans la fibre amplificatrice ou en aval de celle-ci et traverser le dispositif non seulement vers la fibre basse fréquence, ce qui est une conséquence inhérente du rôle de mélangeur du dispositif, mais aussi vers la fibre haute fréquence en25 sortie de laquelle cette composante peut perturber la source de lumière de pompage D'autre part une partie de la lumière de pompage peut elle aussi être rétrodiffusée et traverser le dispositif non seulement vers la fibre haute fréquence, mais aussi vers la fibre basse fréquence o elle présente des inconvénients Le dispositif doit30 donc constituer un séparateur dont la fonction est de minimiser d'une part la fraction de l'onde porteuse renvoyée dans la fibre haute fréquence, d'autre part la fraction de la lumière de pompage renvoyée dans la fibre basse fréquence Une qualité du séparateur constitué par ce dispositif est donc représentée par un coefficient d'isolation35 entre ports, ce coefficient étant le rapport entre d'une part 2 - l'intensité de cette onde porteuse renvoyée dans la fibre haute fréquence, ou l'intensité de la lumière de pompage renvoyée dans la fibre basse fréquence à partir du dispositif, et d'autre part l'intensité de cette onde porteuse ou de cette lumière de pompage 5 rétrodiffusées vers ce dispositif, respectivement Ce coefficient est habituellement exprimé en décibels et la qualité du dispositif est d'autant plus grande que ce coefficient est plus grand. Une autre qualité de ce dispositif est représentée par un coefficient de perte d'insertion qui est le rapport entre l'intensité d'une onde ou de plusieurs ondes d'une même fréquence arrivant dans ce dispositif et l'intensité de la ou des ondes transmises par ce dispositif à cette même fréquence dans la ou les fibres prévues pour les guider Ce coefficient est lui aussi exprimé habituellement en décibels Cette qualité du dispositif peut être appelée sa15 transparence Elle est d'autant plus grande que le coefficient de perte d'insertion est plus petit. Une autre qualité de ce dispositif est sa bande passante c'est-à-dire la largeur de la bande spectrale que l'une desdites ondes, par exemple l'onde porteuse, peut occuper sans diminution20 sensible des qualités précédentes. Une autre qualité encore de ce dispositif est sa puissance transmissible c'est-à-dire la puissance des ondes qu'il peut transmettre sans détérioration. Une autre qualité enfin est la robustesse de ce dispositif c'est-à-dire sa fiabilité et sa durabilité dans des conditions d'utilisation sévères par exemple dans un amplificateur intermédiaire d'une ligne de transmission sous-marine. Un premier dispositif séparateur-mélangeur de fréquences pour ondes optiques guidées connu utilise des filtres fréquentiels et des collages entre ces filtres et des fibres optiques Il est connu comme dispositif JDS et décrit notamment dans l'article suivant: COMPARISON OF WDM COUPLER TECHNOLOGIES FOR USE IN EDFA SYSTEMS A LORD and all, Electronics letters, 21/06/90, volume 26 N O 13, p 900 et 901. Les nombreuses expérimentations effectuées sur des réalisations -3- de ce dispositif montrent la valeur typique du coefficient de perte d'insertion égale à 0,7 d B, et celle du coefficient d'isolation entre ports supérieure à 20 d B. Ce dispositif présente les inconvénients suivants coefficient de perte d'insertion élevé, comme indiqué ci- dessus, faible puissance transmissible, inférieure à 100 m W, faible robustesse en raison de l'utilisation de collages dont la qualification pour un usage en milieu sous-marin s'avère délicate. Il présente les avantages suivants: coefficient d'isolation entre ports élevé, comme indiqué ci-dessus, bande passante convenable. Un deuxième dispositif de ce genre connu est parfois désigné comme dispositif Gould Il utilise un coupleur à ondes évanescentes. Ce coupleur est constitué de deux fibres optiques qui peuvent par15 exemple, en entrée, guider et confiner chacune une onde Ces deux fibres sont soudées c 8 te à c 8 te sur une longueur d'interaction optique L (voir figure 1) de manière que l'onde évanescente associée à l'onde confinée dans chaque fibre pénètre dans l'autre fibre Compte tenu d'un coefficient de couplage linéique entre les deux fibres, chaque20 onde se retrouve en sortie dans l'une ou l'autre fibre dans une proportion définie par une fonction sinusoïdale de cette longueur d'interaction rapportée à la longueur d'onde de cette onde Un choix convenable de cette longueur d'interaction, notamment, permet donc d'orienter en sortie chaque onde vers la fibre que l'on souhaite.25 Ce deuxième dispositif connu et un tel coupleur sont décrits notamment dans l'article suivant: WAVELENGTH DIVISION MULTIPLEXERS FOR EDFA, P A NAGY and all, SPIE OE/FIBERS' 90 vol 1365, Components for fibers optic application V, San Jose California.30 Ce deuxième dispositif connu présente les inconvénients suivants: coefficient d'isolation entre ports insuffisant pour certaines applications: au plus égal à 18 d B (pour les derniers composants mesurés),35 bande passante trop étroite. 4 - Il présente les avantages suivants meilleur coefficient de perte d'insertion, valeur typique égale à 0,2 d B, forte puissance transmissible, supérieure à 100 m W, bonne robustesse en raison de l'absence de collage, tous les raccordements et couplages étant réalisés par soudure de fibres, soit bout à bout pour le raccordement, soit latéralement pour le couplage. La présente invention a notamment pour but de réaliser un dispositif séparateur-mélangeur de fréquences pour ondes optiques guidées permettant d'obtenir tous les avantages tout en évitant tous les inconvénients indiqués ci-dessus. Dans ce but, selon cette invention, un dispositif de ce genre comporte non seulement un coupleur d'orientation du type à ondes évanescentes présentant une sélectivité en fréquences pour orienter lesdites ondes optiques vers des guides correspondants mais aussi au moins un coupleur d'isolation de ce type inséré en série entre ce coupleur d'orientation et au moins l'un de ces guides pour transmettre sélectivement une onde correspondant à ce guide. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être mise en oeuvre. La figure 1 représente une vue d'un premier dispositif selon cette invention. La figure 2 représente une vue d'un deuxième dispositif selon cette invention. La figure 3 représente une vue d'un troisième dispositif selon cette invention. Conformément à la figure 1 le premier dispositif selon l'invention comporte les éléments suivants qui sont connus parce qu'ils font parties du deuxième dispositif connu mentionné ci-dessus un guide optique pour guider une onde lumineuse présentant une bande de fréquences et constituant une onde basse fréquence, ce guide optique constituant un guide basse fréquence 2, un guide optique pour guider une onde lumineuse qui présente une bande de fréquences au-dessus de celle de cette onde basse fréquence - et qui constitue une onde haute fréquence, ce guide optique constituant un guide haute fréquence 4, ces guides basse et haute fréquences constituant deux guides à bandes uniques 2,4, un guide optique pour guider à la fois lesdites ondes basse et haute fréquences, ce guide optique constituant un guide mixte 6, et un coupleur optique à ondes évanescentes 10 présentant trois branches d'insertion 12, 14, 16 le raccordant respectivement aux trois dits guides basse fréquence 2, haute fréquence 4 et mixte 6, et une quatrième branche constituant une branche d'évacuation 18 et ne10 renvoyant pas de lumière vers ce coupleur. Ce coupleur constitue un coupleur d'orientation Sa longueur d'interaction optique est choisie pour que la propagation des ondes basse et haute fréquence respectivement dans les guides basse et haute fréquence s'accompagne d'une propagation simultanée de ces deux ondes15 dans le guide mixte C'est-à-dire que cette longueur optique est telle que, selon les applications on obtienne autant que possible l'un ou l'autre ou les deux résultats suivants. Dans une application qui utilise un mélangeur et dans laquelle les ondes basse et haute fréquence sont injectées sélectivement dans les guides basse et haute fréquences, respectivement, à distance du coupleur 10 et vers velui-ci, le résultat recherché est que ces deux ondes se retrouvent mélangées dans le guide 6, aucune onde ne devant être envoyée dans la branche 18 Dans une application qui utilise un séparateur et dans laquelle les deux ondes se propagent ensemble dans le guide 6 vers le coupleur 10, le résultat recherché est que l'onde basse fréquence soit injectée par le coupleur 10 dans le seul guide 2 et l'onde haute fréquence dans le seul guide 4, la branche 18 ne devant là encore recevoir aucune onde. En pratique, une fraction parasite et petite de chaque onde se retrouve dans chacun des guides et branches du coupleur, les fractions parasites étant celles qui vont dans un autre guide ou branche que celui ou celle qui doit les recevoir, et étant d'autant plus petites que les qualités d'isolation entre ports et/ou de transparence sont plus grandes Pour éviter le renvoi de lumière parasite dans le35 coupleur à partir de la branche d'évacuation 18, cette branche se 6 termine, de même que toute les branches d'évacution dont il sera question ci-après, par un clivage oblique symbolisé par un trait incliné 19. Selon la présente invention le dispositif comporte au moins un autre coupleur optique à ondes évanescentes 20 Cet autre coupleur présente deux branches d'insertion 22, 24 par lesquelles il est raccordé en série entre le coupleur d'orientation 10 et un dit guide à fréquence unique 4 constituant un guide isolé Il présente en outre deux branches d'évacuation 26, 28 ne renvoyant pas de lumière vers ce10 coupleur Il constitue un coupleur d'isolation 20 présentant une longueur d'interaction optique choisie pour transmettre entre ses deux branches d'insertion l'onde optique qui doit être guidée par ledit guide isolé et pour diriger une composante parasite de l'autre onde optique vers l'une de ses branches d'évacuation.15 De préférence les guides optiques 2, 4, 6 et branches 12, 14, 16, 18, 22, 24, 26, 28 sont des fibres optiques ou des tronçons de telles fibres, les coupleurs à ondes évanescentes 10, 20 étant constitués chacun par deux fibres optiques soudées c 8 te à côte conformément au type dit à fusionétirage.20 Le guide basse fréquence 2 est par exemple un tronçon d'une fibre de ligne d'une ligne de transmission à fibres optiques Le guide haute fréquence 4 est une fibre d'injection de pompe alimentée par une source locale d'une lumière de pompage optique constituant ladite onde haute fréquence, et le guide mixte 6 est une fibre amplificatrice25 insérée dans cette fibre de ligne et comportant un élément de dopage excitable par cette lumière de pompage pour amplifier ladite onde basse fréquence. L'onde basse fréquence est par exemple une onde porteuse occupant une bande spectrale autour d'une longueur d'onde de 1550 nm. L'onde haute fréquence présente une longueur d'onde de 980 ou 1480 nm et le guide mixte 6 est une fibre amplificatrice dopée à l'erbium. Le dispositif est réalisé, à partir de deux coupleurs à ondes évanescentes, à l'aide d'une seule soudure de raccordement 29. Sur les figures 2 et 3 des éléments analogues, par leurs fonctions et dénominations, à ceux de la figure 1 ou pour la figure 3, -7- à ceux de la figure 2, sont désignés par les mêmes numéros de référence complétés par un chiffre de centaines qui est 1 pour la figure 2 et qui est 2 pour la figure 3. Le deuxième dispositif représenté à la figure comporte lui aussi un coupleur d'isolation 130 tel que décrit et il différe du premier dispositif par le fait que le guide isolé est le guide basse fréquence 102 au lieu d'être le guide haute fréquence 4 Les éléments désignés par les numéros de référence 132, 134, 136, 138, 139 ont des dénominations et des fonctions similaires à celles des éléments 22,10 24, 26, 28 et 29 respectivement. Le troisième dispositif représenté à la figure 3 comporte deux coupleurs d'isolation 220 et 230, de sorte que les deux guides à fréquences uniques 202 et 204 constituent deux dits guides isolés. La présente invention permet d'obtenir un coefficient d'isolation entre ports au moins égal à 25 d B entre le guide mixte et le ou les guides isolés Quant à la bande passante mesurée entre les mêmes guides, elle est notablement plus grande que celle du deuxième dispositif connu précédemment mentionné. Les soudures telles que 29, 139, 229 et 239 peuvent être supprimées dans le cas d'une fabrication industrielle du dispositif selon cette invention, grâce à l'utilisation d'une même fibre lors de la réalisation de deux coupleurs à ondes évanescentes On peut diminuer ainsi le coefficient de perte d'insertion. -8- REVENDICATIONS 1/ Dispositif séparateur-mélangeur de fréquences pour ondes optiques guidées, caractérisé par le fait qu'il comporte non seulement un coupleur d'orientation ( 10) du type à ondes évanescentes présentant5 une sélectivité en fréquences pour orienter lesdites ondes optiques vers des guides correspondants ( 2, 4, 6) mais aussi au moins un coupleur d'isolation ( 20) de ce type inséré en série entre ce coupleur d'orientation ( 10) et au moins l'un de ces guides ( 4) pour transmettre sélectivement une onde correspondant à ce guide.10 2/ Dispositif selon la revendication 1, ce dispositif comportant un guide optique pour guider une onde lumineuse présentant une bande de fréquences et constituant une onde basse fréquence, ce guide optique constituant un guide basse fréquence ( 2), un guide optique pour guider une onde lumineuse qui présente une bande de fréquences au- dessus de celle de cette onde basse fréquence et qui constitue une onde haute fréquence, ce guide optique constituant un guide haute fréquence ( 4), ces guides basse et haute fréquences constituant deux guides à bandes uniques ( 2,4), un guide optique pour guider à la fois lesdites ondes basse et haute fréquences, ce guide optique constituant un guide mixte ( 6), et un coupleur optique à ondes évanescentes ( 10) présentant trois branches d'insertion ( 12, 14, 16) le raccordant respectivement aux trois dits guides basse fréquence ( 2), haute fréquence ( 4) et mixte ( 6), et une quatrième branche constituant une branche d'évacuation ( 18) et ne renvoyant pas de lumière vers ce coupleur, ce coupleur constituant un coupleur d'orientation présentant une longueur d'interaction optique choisie pour que la propagation desdites ondes basse et haute fréquence respectivement dans lesdits guides basse et haute fréquence s'accompagne d'une propagation simultanée de ces deux ondes dans ledit guide mixte, ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un autre coupleur optique à ondes évanescentes ( 20) présentant deux branches d'insertion ( 22, 24) par lesquelles il est raccordé en série entre ledit coupleur d'orientation et un dit guide à fréquence unique ( 4) constituant un guide isolé, et deux branches d'évacuation ( 26, 28) ne renvoyant pas de lumière vers ce coupleur, ce coupleur constituant un coupleur d'isolation ( 20) présentant une longueur d'interaction optique choisie pour transmettre entre ses deux branches d'insertion l'onde optique qui doit être guidée par ledit guide isolé et pour5 diriger une composante parasite de l'autre dite onde optique vers l'une de ses branches d'évacuation. 3/ Dispositif selon la revendication 2, dans lequel lesdits guides optiques ( 2, 4, 6) et branches ( 12, 14, 16, 18, 22, 24, 26, 28) sont des fibres optiques ou tronçons de telles fibres, lesdits coupleurs à10 ondes évanescentes ( 10, 20) étant constitués chacun par deux fibres optiques soudées c 8 te à c 8 te conformément au type dit à fusion- étirage. 4/ Dispositif selon la revendication 2, dans lequel ledit guide basse fréquence ( 2) est un tronçon d'une fibre de ligne d'une ligne de transmission à fibres optiques, ledit guide haute fréquence ( 4) est une fibre d'injection de pompe alimentée par une source locale d'une lumière de pompage optique constituant ladite onde haute fréquence, et ledit guide mixte ( 6) est une fibre amplificatrice insérée dans ladite fibre de ligne et comportant un élément de dopage excitable par cette20 lumière de pompage pour amplifier ladite onde basse fréquence. 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