Brevet FR2688071A1 — publié le 19930903

"Isolateur optique utilisé dans les communications optiques et la photométrie " La présente invention a pour objet un isolateur optique d'un type indépendant du plan de polarisation lequel est utilisé dans les communications optiques et la photométrie. Les isolateurs optiques qui sont insérés à un endroit quelconque dans - une fibre optique et qui opèrent sur la lumière passant à travers chaque plan10 de polarisation sont maintenant divisés en deux types, l'un utilisant comme polariseur une plaque plane d'un cristal biréfringent et l'autre utilisant un coin de cristal biréfringent pour le même usage. Toutefois, avec le type utilisant une plaque plane d'un cristal biréfringent un sérieux problème est que son épaisseur doit être augmentée ce qui rend le dispositif optique inévitablement grand La raison est que la lumière en retour apparaît sous la forme d'un rayon de lumière parallèle à la lumière avant, de20 sorte que l'espacement entre les rayons lumineux doit être accru pour empêcher la lumière arrière de revenir dans la fibre optique. D'un autre côté l'utilisation d'un coin de cristal biréfringent présente un autre problème sérieux En effet, la lumière arrière apparaît sous la forme d'un rayon lumineux qui présente un angle, plutôt que d'être parallèle avec, la lumière avant, de sorte que la prévention de la lumière arrière peut être quelque peu obtenue avec un grand angle de coin et en conséquence en permettant que le rayon lumineux de la lumière en retour fasse un grand angle avec la lumière arrière Toutefois, du fait que la lumière avant quitte l'isolateur optique en étant divisée en deux rayons lumineux, on a besoin d'un système optique spécial pour condenser les deux tels rayons lumineux dans une fibre optique. En conséquence le but de la présente invention est de procurer un isolateur optique du type indépendant du plan de polarisation ayant une isolation accrue, mais une perte de lumière considérablement réduite du fait de l'insertion. Selon la présente invention, le but mentionné ci-dessus est atteint lorsque la lumière arrière devient un rayon lumineux qui forme un angle, plutôt que d'être parallèle avec, la lumière avant et la lumière avant devient un rayon lumineux unique. Pour être plus spécifique, l'invention prévoit un isolateur optique constitué d'un premier polariseur pour séparer un rayon de lumière incidente en deux rayons de lumière qui sont perpendiculaires l'un à l'autre dans la direction de polarisation et qui ne sont pas parallèles l'un à l'autre dans la direction de propagation, un dispositif de Faraday rotatoire à 45 , un second polariseur qui est identique au premier polariseur en ce qui concerne l'angle de séparation des rayons lumineux mais qui est différent de 45 du premier polariseur en ce qui concerne l'angle que les deux rayons lumineux font avec la polarisation des rayons, et au moins une plaque plane d'un cristal biréfringent dont la fonction est de faire converger les deux rayons lumineux parallèles, dont les plans de polarisation sont perpendiculaires l'un de l'autre, en un seul rayon. Préférentiellement, l'invention prévoit un équipement d'isolateur optique du type en ligne lequel, en plus de l'isolateur mentionné ci-dessus, inclut une lentille pour guider la lumière quittant la fibre optique vers une fibre optique photométrique à travers son entrée. Préférentiellement le premier et second polariseur sont des prismes de Wollaston ou Rochon avec coins de cristal. La présente invention sera maintenant décrite, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins ci-joints dans lesquels: la figure 1 est une représentation qui illustre une construction selon l'invention, et la figure 2 est une vue latérale d'un mode de réalisation spécifique de l'invention. En se référant maintenant à la figure 1, la lumière qui quitte une fibre optique 1 à travers sa sortie est convertie par une lentille 2 en un rayon lumineux qui est approximativement un rayon parallèle lequel entre dans un premier polariseur 3 Pour ce polariseur 3, on peut utiliser un prisme de Wollaston ou de Rochon constitué à partir de deux éléments de prismes en cristal biréfringent. Le rayon lumineux incident sur le premier polariseur 3 passe à travers le premier polariseur 3 dans lequel il se propage sous la forme de deux rayons lumineux qui forment entre eux un angle plutôt que d'être parallèles Cet angle est ici appelé angle de séparation, et il est déterminé par l'angle de prisme du prisme formant le polariseur, le type de cristal et les axes du cristal. Les deux rayons lumineux sont respectivement polarisés, les plans de polarisation étant déterminés en fonction de la direction des axes optiques des cristaux formant le prisme. En sortie du premier polariseur 3, les rayons lumineux passent à travers un dispositif de Faraday rotatoire à 450 4 et pénètrent dans un second polariseur 5. Pour le second polariseur 5, on peut utiliser un prisme de Wollaston ou Rochon, comme dans le cas du premier polariseur 3 L'angle de séparation de rayons lumineux du second polariseur 5 est égal à celui du premier polariseur 3, mais il en diffère de 450 du premier polariseur en ce qui concerne l'angle que le plan défini par les deux rayons lumineux fait avec les plans de polarisation La lumière passant à travers ce second polariseur devient deux rayons lumineux qui sont parallèles l'un à l'autre. Selon l'invention, dans le but de réduire la perte de lumière par insertion, une plaque plane en cristal biréfringent 6 est située à l'arrière du second polariseur 5, ainsi en passant à travers cette plaque plane les deux rayons polarisés peuvent être convergés en un unique rayon lumineux, lequel est alors guidé à travers une lentille 7 vers une fibre optique 8 On peut noter ici qu'il n'est pas toujours nécessaire que la lentille 7 soit fonctionnellement capable de concentrer toute l'énergie lumineuse des deux rayons parallèles vers un seul point unique. L'isolateur optique constitué comme mentionné ci-dessus fonctionne de la manière suivante. La lumière qui sort de la fibre optique 1 est convertie par la lentille 2 en rayons lumineux qui sont approximativement des rayons parallèles et elle pénètre dans le premier polariseur 3, la lumière quitte le premier polariseur 3 sous la forme de deux rayons lumineux dont les plans de polarisation sont perpendiculaires l'un à l'autre L'angle que font ces deux rayons lumineux l'un avec l'autre, est, avec un prisme Wollaston, deux fois plus grand que celui obtenu avec un coin conventionnel formé d'un cristal biréfringent. Alors, les rayons lumineux passent à travers un dispositif de Faraday rotatoire de 45 4 dans lequel ils pivotent de 450 en ce qui concerne leurs plans de polarisation. Le second polariseur 5 est constitué de manière identique au premier polariseur 3 en ce qui concerne l'angle de séparation de polarisation des deux rayons linéaires lumineux, avec les plans de polarisation tournés de 450 Pour fabriquer un tel polariseur en utilisant, par exemple, un prisme de Wollaston, les angles de prisme sont choisis identiques l'un à l'autre avec l'axe cristallin du cristal constituant le prisme tourné à 450 par rapport au premier polariseur. L'utilisation d'un second polariseur 5 ainsi constitué permet à la lumière qui le traverse de procurer deux rayons lumineux polarisés qui sont parallèles l'un à l'autre. Dans le but de guider les deux rayons vers une unique fibre optique 8, il est préférable que l'espacement entre les rayons soit le plus étroit possible Il est même encore plus préférable, que les deux rayons n'en forment qu'un seul Dans ce but, une plaque plane de cristal biréfringent 6 est utilisée. Dans le but de rendre les centres des deux rayons lumineux en agrément l'un avec l'autre, avec leur plan de polarisation perpendiculaire l'un à l'autre, il est souhaitable qu'ils traversent une plaque plane de cristal biréfringent correspondant à leurs longueurs, par exemple une plaque Savart. Lorsqu'un plan incluant deux rayons est parallèle avec ou perpendiculaire aux plans de polarisation, il est nécessaire d'utiliser une seule plaque plane de cristal biréfringent Si elle n'est ni parallèle ni perpendiculaire aux plans de polarisation, il est préférable d'utiliser deux plaques planes de cristal biréfringent. La lumière qui a traversé la plaque plane de cristal biréfringent (Savart) se trouve ainsi à nouveau en forme d'un unique rayon et est guidée à travers une lentille 7 vers la fibre optique 8. On comprendra que l'une des première et seconde lentilles 2 et 7 peut être absente dans la mesure o l'autre peut être utilisée pour guider la lumière quittant la fibre optique 1 vers la fibre optique 8. Par ailleurs, la lumière arrière quittant la fibre optique 8 est convertie par la plaque plane' de cristal biréfringent 6 en deux rayons lumineux dont les plans de polarisation sont perpendiculaires l'un à l'autre Alors ils pénètrent dans le second polariseur 5 en suivant le même chemin que la lumière incidente, ils le traversent selon le même chemin et pénètrent dans le dispositif rotatoire de Faraday à 45 e 4 On comprendra que les plans de polarisation des rayons lumineux arrières sont identiques à ceux des rayons lumineux avant jusqu'à ce qu'ils pénètrent dans le dispositif rotatoire de Faraday à 450 4. Le plan de polarisation de la lumière sortant du dispositif rotatoire de Faraday à 450 4 est tourné de 45 en comparaison avec le cas de la lumière incidente. Lorsque la lumière, qui est identique à la lumière incidente en ce qui concerne l'angle de rayon lumineux et à un plan de polarisation tourné de 900, vient en arrière vers le premier polariseur 3, elle devient deux rayons polarisés, plutôt qu'un seul rayon, et elle a un angle différent de celui du rayon lumineux incident Lorsqu'on utilise un prisme Wollaston, l'angle, selon lequel le rayon lumineux arrière devient le rayon lumineux incident, est deux fois plus grand que celui qu'on obtiendrait avec un coin constitué de cristal biréfringent En conséquence, la lumière arrière à moins tendance à revenir dans la fibre optique 1, en comparaison avec un polariseur à coin, ceci rend possible la fabrication d'un isolateur de grande isolation. Si un dispositif est situé à une position dans laquelle le rayon lumineux arrière ne pénètre pas la fibre optique 1, il peut alors être utilisé comme un isolateur indépendant du plan de polarisation de type en ligne qui est inséré n'importe o dans une fibre optique à utiliser. Selon l'invention, il est alors possible de rendre les angles des deux rayons de la lumière en retour deux fois aussi grands qu'on les obtiendrait avec un isolateur optique utilisant un cristal biréfringent en forme de coin, du fait que des prismes de Wollaston sont utilisés pour les premier et second polariseurs Ceci permet non seulement à l'isolation d'être bien plus augmentée mais aussi à la fibre optique d'être située bien plus près du premier polariseur 3 rendant possible la compacité De plus, la plaque plane de cristal biréfringent 6 est située au voisinage de la fibre optique 8 pour permettre à la lumière d'être bien plus condensée dans la fibre optique 8, d'o il résulte une réduction de la perte de lumière due à l'insertion. L'invention a été décrite avec référence à un exemple dans lequel des prismes de Wollaston sont utilisés pour le premier et second polariseur, toutefois on comprendra que l'invention peut également être mise en forme même avec des prismes de Rochon. L'invention sera maintenant expliquée dans ses grandes lignes avec référence à un mode de réalisation plus spécifique. Le premier polariseur 3 utilisé est constitué d'un prisme de Wollaston en rutile de 1 mm d'épaisseur L'angle de prisme est de 40 Les indices de réfraction du rutile sont 2,451 pour No et 2,709 pour Ne, valeurs mesurées pour la longueur d'onde de 1,53 pm Le bloc diagramme supérieur montre la direction de l'axe c des axes cristallins Comme on le voit bien sur ce diagramme, les directions de l'axe c du prisme Wollaston sont + 450 et 45 , montrées en 9 et 10, vues à partir du côté de la lumière incidente. Le dispositif rotatoire de Faraday à 45 4 utilisé est constitué d'une substance ayant un indice de réfraction N de 2,25 et une épaisseur de 2,8 mm Le premier polariseur 3 est distant de 0,1 mm du dispositif rotatoire de Faraday à 450 4, lequel est aussi distant de 0,1 mm du second polariseur 5 Le second polariseur 5 est constitué d'un prisme de Wollaston en rutile avec un angle de prisme de 40. Comme représentées en Il et 12, les directions de l'axe c du prisme de Wollaston sont respectivement de O et 900. Lorsque la lumière pénètre dans l'isolateur optique ainsi constitué et quitte le second polariseur , il apparaît deux rayons lumineux qui sont espacés l'un de l'autre de 0,066 mm et qui sont polarisés perpendiculairement l'un à l'autre Ces deux rayons traversent la plaque plane de cristal biréfringent 6 en rutile, et la quittent sous la forme d'un rayon unique Ceci est dû au fait que la plaque plane 6 est située de telle sorte que la direction de l'axe c du rutile est à 480, et qu'elle a une épaisseur de 0,660 mm Le rayon unique peut être efficacement concentré à travers la lentille 7 vers la fibre optique 8, de sorte que l'isolateur peut avoir des pertes de lumières considérablement réduites du fait de l'insertion. Lorsque la lumière en retour quitte le dispositif rotatoire de Faraday 4, le plan de polarisation est tourné de 90 par rapport à la lumière avant, ainsi la lumière, en quittant le premier polariseur 3, peut apparaître sous la forme de deux rayons lumineux polarisés plutôt que d'un seul rayon Les angles que forment entre eux les rayons lumineux polarisés et le rayon de lumière incidente sont de l'ordre de 20 degrés. Ceci est à peu près deux fois plus grand que ce qu'on obtiendrait en utilisant un cristal biréfringent en forme de coin comme polariseur, d'o il résulte un accroissement de l'isolation de l'isolateur optique Par ailleurs, la fibre optique 1 peut être située plus près du premier polariseur 3, rendant possible la compacité. Comme on peut le comprendre à partir de ce qui a été décrit, la présente invention peut procurer un isolateur optique d'un type indépendant au plan de polarisation qui est d'une dimension plus petite et d'une plus grande isolation, ou encore, en d'autres mots, de haute performance La présente invention peut aussi s'appliquer à un circulateur optique. R E V E N D I C A T I O N S 1) Isolateur optique caractérisé par un premier polariseur ( 5) pour séparer un rayon de lumière incidente en deux rayons de lumière qui sont perpendiculaires l'un à l'autre dans la direction de polarisation et qui ne sont pas parallèles l'un à l'autre dans la direction de propagation, par un dispositif de Faraday rotatoire à 45 ( 4), un second polariseur ( 5) qui est identique au premier polariseur ( 3) en ce qui concerne l'angle de séparation des rayons lumineux mais qui est différent de 450 du premier polariseur ( 3) en ce qui concerne l'angle que les deux rayons lumineux font avec la polarisation des rayons, et par au moins une plaque plane ( 6) d'un cristal biréfringent dont la fonction est de faire converger les deux rayons lumineux parallèles, dont les plans de polarisation sont perpendiculaires l'un à l'autre, en un seul rayon. 2) Isolateur optique selon la revendication 1, caractérisé par un équipement isolateur optique du type en ligne lequel comporte en outre une lentille pour guider la lumière quittant la fibre optique vers une fibre optique photométrique à travers son entrée. 3) Isolateur optique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier et second polariseur sont des prismes de Wollaston ou de Rochon.