Brevet FR2734373A1 — publié le 19961122

L'invention concerne d'une manière générale un coupleur optique à taux variable de dérivation de lumière. On connaît déjà des coupleurs optiques (appelés également diviseurs optiques) comprenant plusieurs guides d'ondes ayant une zone de couplage optique (ou de division) destinée à distribuer une lumière injectée dans l'un des guides vers l'(les) autre(s). Un problème important à résoudre consiste à pouvoir faire varier de manière techniquement et industriellement réalistes le "taux de dérivation" de la lumière entre les différents guides d'ondes d'un coupleur optique de ce type, une fois le coupleur fabriqué. Pour éviter toute ambiguïté, on notera que l'on appelle "taux de dérivation de lumière" (ou taux de couplage) d'un tel coupleur le rapport entre la puissance ou intensité optique injectée dans un guide d'ondes de ce coupleur, en entrée, et celle dérivée ou distribuée depuis ce guide d'ondes vers un autre, voire vers lui-même, en sortie. Pour résoudre ce problème et assurer de manière techniquement satisfaisante un taux de dérivation variable à un coupleur optique disposé dans un milieu ambiant déterminé et comprenant plusieurs guides d'ondes ayant une zone de couplage optique destinées à distribuer la lumière injectée dans l'un des guides d'ondes essentiellement vers les autres, la solution de l'invention consiste en particulier à classer ces guides d'ondes en contact au moins partiel, à l'endroit de leur zone de couplage, avec une substance disposée pour être au moins en partie pénétrée par la lumière injectée et dont l'indice de réfraction est sensible à, et varie en fonction de, au moins un paramètre physique ou chimique du milieu dans lequel le coupleur est disposé, le taux de dérivation de la lumière injectée variant en conséquence. Ainsi, il va être possible d'obtenir un coupleur pouvant travailler sur une très large gamme de taux de dérivation de lumière pouvant aller de quelques dixièmes de pourcents à 90 %, voire au-delà. Un autre problème que l'invention permet de résoudre est lié à la réalisation d'un capteur performant propre à détecter au moins un paramètre physique ou chimique déterminé, lié à l'environnement dans lequel le capteur sera disposé. On sait aujourd'hui que les capteurs optiques utilisant un ou plusieurs guides d'ondes optiques, simples ou en réseau, présentent (notamment par rapport aux capteurs catalytiques utilisés pour la détection de gaz explosibles) des avantages autorisant une maintenance réduite et un fonctionnement en atmosphère dénuée d'oxygène, ainsi qu'une sélectivité élevée et une résistance aux gaz corrosifs, sans oublier une sécurité électrique intrinsèque et une insensibilité aux perturbations électromagnétiques, ainsi qu'un poids et un encombrement réduits. Parmi les capteurs intrinsèques à guides d'ondes, on connaît en particulier ceux des publications FR-A-2638628 et EP-A-275 275. Pour intéressant qu'il soit, le type de capteur optique décrit dans FR-A-2638628 présente toutefois comme inconvénient d'avoir une réponse qui peut dans certains cas être un peu trop aléatoire. Quant au capteur de EP-A-275 275, il présente des possibilités d'utilisation pratique relativement réduites (notamment dans le cadre d'une utilisation d'un réseau de plusieurs capteurs en série) et un coût de fabrication élevé dû en particulier à la difficulté qu'il y aurait à intégrer plusieurs tels capteurs le long de guides d'ondes, sans rapide perte exagérée de lumière, ni modification optique sensible des capteurs. Pour résoudre au moins l'essentiel des inconvénients de ces capteurs optiques connus, la solution de la présente invention est d'utiliser le coupleur optique précité à taux variable de dérivation de lumière comme capteur du paramètre physique ou chimique à "détecter", avec, dans ce cas, emploi de moyens d'interrogation du capteur et de fibres optiques en tant que guides d'ondes. De cette manière, il va être possible, de réaliser un capteur optique performant conçu sur le principe général des coupleurs optiques fusionnés, alliant ainsi une nouvelle fois fiabilité et performance élevées et coût de fabrication réduit. Dans la mesure où il s'est en outre avéré que le coupleur/diviseur précité de l'invention était utilisable sans perte de lumière importante à l'endroit de la zone de couplage, une autre caractéristique de l'invention concerne l'utilisation d'une chaîne de plusieurs tels coupleurs disposés en série. Un problème que permet également de résoudre l'invention est lié à l'utilisation de moyens d'interrogation du capteur ou du réseau de capteurs, tels que l'on n'ait pas besoin de recourir à des moyens d'émission et de réception de lumière sophistiqués, donc souvent onéreux et pas toujours appropriés. La solution de l'invention consiste - à disposer en travers de certaines au moins des fibres optiques de dérivation, là où ladite onde incidente a été distribuée après avoir excitée la zone de couplage, au moins un réflecteur optique propre à réfléchir vers la(les) fibre(s) primaire(s) d'entrée de la lumière dans le coupleur une partie au moins de l'onde lumineuse incidente, - et à associer à cette fibre primaire de préférence des moyens de réflectrométrie temporel, tels qu'un réflectomètre du commerce classiquement à deux gammes de largeur d'onde d'excitation (autour de 1,3 et 1,5 Am habituellement). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre faite en référence aux dessins d'accompagnement, dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique figurant le principe général et la structure locale d'un premier mode de réalisation du coupleur de l'invention, au niveau d'une zone de couplage en forme de "X", - la figure 2 montre la constitution d'une fibre optique classique, - la figure 3 est une vue agrandie du détail repéré III sur la figure 1, - la figure 5 est une variante de réalisation de la zone du coupleur illustrée sur la figure 1, avec une zone de couplage en forme de "Y", - et les figures 4 et 6 montrent deux installations possibles du coupleur de l'invention utilisé comme capteur suivant un réseau unique à multiples zones de couplage en "X" (figure 4) ou en "Y" (figure 6). Sur la figure 1 tout d'abord, on a donc illustré schématiquement un coupleur optique 10 avec sa zone de couplage 3, en représentant par des flèches le chemin suivi par une onde lumineuse incidente transmise à l'origine dans le guide d'ondes 1 que l'on appellera "principal" en ce qu'il s'agit du guide d'ondes dans lequel la lumière est initialement injectée. Dans la suite de la description, on ne fera référence, en tant que guide d'ondes, qu'à une fibre optique, bien que d'autres guides d'ondes, tels que des guides d'ondes planaires, pourraient être utilisés (voir en particulier la revue "Sensors and Actuators" - Novembre 1988, N 3, LAUSANNE, SUISSE, pages 273 - 284 ; ou WO 87/00633 ; ou encore EP-A-275 275). Sur la figure 1 donc, on voit une première fibre optique 1 d'axe la qui, en un endroit donné de sa longueur axiale, présente une zone de couplage 3 où la fibre 1 est couplée à une fibre de dérivation 5. Les fibres 1 et 5 peuvent être des fibres connues, identiques, monomodes ou multimodes. Bien que cela n'ait pas été représenté sur la figure 1 (où en particulier la fibre 1 n'a été schématisée qu'avec son coeur 11 entouré de la seule gaine optique 12), on voit sur la figure 2 qu'habituellement une fibre optique comporte, outre un coeur entouré d'une gaine optique, une gaine dite "mécanique" 21 qui enrobe le coeur et la gaine optique de manière à les protéger en particulier mécaniquement du milieu extérieur. Pour assurer le couplage des fibres 1 et 5 à l'endroit de la zone 3, on peut procéder comme suit : deux fibres optiques privées de leur gaine primaire de protection 21 sont torsadées et soumises localement (à l'endroit de la zone repérée 3 sur la figure 1) à une température proche de la température de fusion de la silice (matériau ici constituant principal du coeur 11 et de la gaine optique 12).Par étirage axial, les fibres sont en même temps amincies à l'endroit de cette zone 3 et fusionnent. Une fois les fibres fusionnées, une substance "transducteur" d'indice de réfraction optique variable 7 est alors placée en contact au moins local avec la portion amincie et fusionnée des fibres, en occupant au moins ladite portion amincie, de telle manière que cette substance puisse être au moins en partie pénétrée par la lumière incidente qui sera injectée dans la fibre 1. La substance en question pourrait être un liquide ou une matière déposable en couche. Elle sera choisie pour sa capacité à réagir à (une variation d') un paramètre physique ou chimique déterminé (par exemple la température, la pression, ou une composition chimique spécifique) par modification de son indice optique de réfraction.La capacité de réaction, appelée également "sensibilité" de cette substance pourra notamment être appréciée par la connaissance de la variation du taux de dérivation du coupleur en fonction de la variation du paramètre considéré. Quoi qu'il en soit, la présence de cette substance réactive transducteur d'indice de réfraction variable est essentielle dans l'invention, même si d'autres techniques de mise en liaison avec les fibres pourraient être utilisées : on peut en particulier prévoir de suivre une technique connue consistant à fabriquer d'emblée des fibres avec une gaine optique spécifique ou structurellement modifiée localement avec, soit un matériau d'apport, soit une structure optique particulière, de manière en outre à présenter à l'endroit de cette structure modifiée une dérivation pour former un second guide d'ondes, à l'image de la fibre optique de dérivation 5 de la figure 1. Dans ce qui suit, nous nous réfèrerons toutefois au premier mode de fabrication évoqué. Sur la figure 3, on a représenté en vue locale agrandie une portion de la zone de couplage 3. I1 doit être clair que la figure 3 est tout à fait schématique d'autant que seule la circulation de la lumière dans un sens (13) a été figurée. Ainsi, cette figure n'a pas pour prétention de restituer la réalité, dès lors qu'en pratique la structure interne de fibres fusionnées dépend en particulier de l'étirage axial qu'elles ont subi et de la température à laquelle on les a soumises à cet endroit. En particulier, dans un certain nombre de cas, le coeur de la fibre peut avoir quasiment disparu et ce sont les deux gaines optiques (qui localement n'en forment qu'une) qui constituent la partie centrale principale porteuse de l'onde lumineuse. Quoi qu'il en soit, on voit par souci de simplification sur la figure 3 que les deux coeurs (respectivement 11 et 51) des fibres 1 et 5 sont disposés côte à côte à proximité immédiate l'un de l'autre, juste séparés et entourés ici par une gaine optique commune 9 (provenant de la fusion des gaines optiques d'origine des deux fibres), la gaine 9 étant elle-même entourée par la substance à indice de réfraction variable, 7. En pratique, le choix de cette substance réactive dépendra du domaine d'application concerné du coupleur de l'invention. Et en particulier, dans une utilisation en tant que capteur, il devra y avoir adéquation entre le choix de la substance et le paramètre physique ou chimique auquel elle devra être sensible pour que son indice de réfraction varie avec l'évolution de ce paramètre. Dans le cas d'un capteur chimique sensible à un gaz, tel le méthane, on pourra en particulier prévoir de combiner par dépôt avec greffage chimique (silanisation par exemple) un ou plusieurs polymères, tels qu'un gel de polyacrylamide, avec de l'hétéropolysiloxane. D'autres exemples de constitution sont donnés dans EP-A-275 275, en particulier en pages 9 et 10. Notamment dans cette application "capteur de gaz", l'épaisseur des différentes couches 11, 51, 9 et 7 sera de préférence comprise entre quelques microns et quelques dizaines ou centaines de microns. Et l'indice de réfraction des coeurs sera supérieur (au moins légèrement, par exemple quelques centièmes) à celui de la gaine 9. On pourra en outre prévoir qu'il en sera de même pour l'indice de cette gaine vis-à-vis de celui de la couche réactive 7 qui, pour la détection d'une substance chimique, devra être poreuse ou perméable à cette substance. En mode opératoire, le dispositif fonctionnera ainsi - une onde lumineuse incidente 13 ou 13' émise dans une direction donnée de la fibre principale 1, en direction d'une zone de couplage 3, transitera tout d'abord pour sa partie principale dans le coeur 11 et, pour sa partie secondaire (également appelée "partie évanescente"), dans la gaine optique 12. Parvenue à l'endroit de la zone de couplage 3, l'onde lumineuse (au moins sa partie évanescente) circulera alors non seulement dans les deux coeurs et la gaine commune 9, mais également dans la substance réactive 7, ceci compte tenu de l'amincissement local avec fusion des fibres et du "remplissage" de cette zone amincie par une partie au moins de la "couche" 7 (voir figure 3) qui est ainsi suffisamment proche de la partie principale porteuse de l'onde. Comme schématisé, l'onde incidente va en outre, en fonction des propriétés optiques des couches constituant la zone 3, se diviser à cet endroit, une partie plus ou moins importante (15a ou 15a' suivant le sens d'excitation du coupleur) de cette onde passant de la branche d'entrée de la fibre 1 dans la fibre 5, le reste (13a ou 13b) demeurant dans la fibre principale 1. Si le coupleur de l'invention est utilisé comme un capteur, il faut que l'utilisateur puisse prendre connaissance de l'information induite par la variation d'indice de réfraction à l'endroit de la zone de couplage 3. Une solution intéressante est alors d'utiliser un réflectomètre et de disposer des moyens de réflexion 17 en travers de certaines au moins des branches de sortie des guides d'ondes, pour réfléchir vers la branche d'entrée porteuse de l'onde incidente, une partie au moins de la portion d'onde lumineuse qui y aura été dérivée. Dans ce cas, la réponse du capteur sera liée à la proportion d'onde lumineuse réfléchie qui transitera en retour dans la branche d'entrée de la fibre primaire 1, vers le réflectomètre. Le "miroir" 17 pourra être réalisé par métallisation de la tranche de l'extrémité libre des deux branches 51' 52 de la fibre 5 (dépôt en couche(s) mince(s) d'un matériau tel que de l'or, de l'argent et/ou de l'aluminium, par exemple). Concernant l'utilisation d'un tel coupleur/capteur, on notera encore qu'à l'image de la figure 4, on pourrait prévoir un réflectomètre 29, 39 à chaque extrémité libre de la fibre 1, ainsi que plusieurs zones de couplage 3 réparties le long de la fibre 1 avec un miroir 17, sur chacune des deux branches de chaque fibre 5, de manière à pouvoir interroger dans les deux sens de la fibre "principale" 1 le réseau de capteurs ainsi constitué. On pourrait également boucler le réseau sur lui-même. La réponse d'un capteur déterminé de la chaîne sera définie par le point de fonctionnement au repos et par la dérivée de la fonction T(ng) à ce point. En particulier, lorsque cette dernière est positive, une baisse de l'indice de réfraction n g due à la variation du paramètre à détecter se traduira par une diminution de la puissance couplée vers la, ou les, fibre(s) de dérivation. Si le matériau est sensible à la présence d'un gaz, cet effet sera obtenu en présence de ce gaz (cas d'un capteur de gaz). Si le matériau est imperméable au gaz, la baisse de puissance dans la fibre 5 pourra être par exemple le résultat d'une augmentation de la température ambiante (cas d'un capteur de température). Concernant maintenant le taux de dérivation T de la lumière à l'endroit de chaque zone de couplage, on notera qu'il dépendra dans le cas le plus général - de la géométrie de la zone de couplage considérée : le degré d'étirage est un paramètre de fabrication qui peut être choisi et optimisé en fonction en particulier de la nature des fibres, de la longueur d'onde utilisée pour exciter la fibre principale, de l'indice du matériau transducteur 7 "au repos", de la gamme de variation d'indice de réfraction et du comportement demandé au capteur, - de la longueur d'onde de la lumière utilisée pour exciter la fibre principale : le taux de dérivation présente en général un caractère oscillatoire, ce qui peut être mis à profit pour la réalisation d'un codage en longueur d'onde de plusieurs capteurs conformes à l'invention connectés en sortie - de l'indice de réfraction des milieux constituants (notamment l'indice n g du matériau sensible 7) et du milieu entourant la zone de couplage considéré : en fonction du matériau transducteur utilisé, l'indice (et donc le couplage et la réponse du capteur) sera sensible à tel ou tel paramètre physique ou chimique à détecter. Intéressons-nous maintenant à la figure 5 pour voir illustrée une variante de réalisation du coupleur de l'invention : ce qui différencie essentiellement le coupleur 10' de la figure 5 de celui de la figure 1 est qu'il s'agit d'un coupleur en "Y" au lieu d'un coupleur en "X". I1 existe en effet dans le commerce des coupleurs optiques à une fibre ou branche d'entrée 25 et au moins deux branches ou fibres de sortie 251, 252. La branche 251 porte à son extrémité libre un miroir 17 du type déjà décrit. Et des flèches schématisent le trajet de la lumière à partir de son entrée suivant la flèche 23. Bien entendu, la zone de couplage 30 comporte une structure comparable ou identique à celle de la figure 3, avec la présence de l'indispensable substance réactive 7. La figure 6 montre l'utilisation en tant que capteurs de plusieurs tels coupleurs en "Y" à un seul guide d'ondes d'entrée et plusieurs guides d'ondes de sortie. On voit ainsi représentés trois capteurs/coupleurs 30a, 30b 30,, disposés en série avec en l'espèce l'équivalent d'une fibre optique "primaire" 35 et, à chaque zone de couplage, une fibre de dérivation, respectivement 351 ' 352' 353, pourvue chacune d'un miroir 17. L'entrée 35a de la fibre 35 est raccordée à un réflectomètre temporel classique 49. Dans ce qui précède, on n'a fait référence qu'à un coupleur comprenant deux branches de sortie et une ou deux branches d'entrée. Des coupleurs à plus de deux branches existent. Comme exemples de coupleurs/diviseurs du commerce (dépourvus de la substance réactive de l'invention), on peut citer : "HEWLETT PACKARD 8415 ou "ADVANTEST Q 860 A". REVENDICATIONS 1. Coupleur optique propre à être disposé dans un milieu ambiant déterminé et comprenant plusieurs guides d'ondes (1, 5) ayant une zone de couplage optique (3) destinée à distribuer la lumière injectée dans l'un des guides d'ondes (1) essentiellement vers les autres, caractérisé en ce que lesdits guides d'ondes (1, 5) sont placés au contact au moins partiel, à l'endroit de leur zone (3) de couplage, avec une substance (7) disposée pour être au moins en partie pénétrée par la lumière injectée (13, 13') et dont l'indice de réfraction est sensible à, et varie en fonction de, au moins un paramètre physique ou chimique du milieu dans lequel le coupleur est disposé, le taux (T) de dérivation de la lumière injectée variant en conséquence. 2. Utilisation en tant que capteur optique du coupleur selon la revendication 1, dans laquelle - on utilise en tant que guide d'ondes (1, 5), des fibres optiques, - au moins un réflectomètre optique (17) propre à refléchir vers la(les) fibre(s) primaire(s) d'entrée de la lumière dans le coupleur, une partie au moins d'une onde lumineuse d'excitation de ladite fibre primaire, est disposé en travers de certaines au moins des fibres optiques de dérivation, là où ladite onde d'excitation a été distribuée après avoir excité la zone de couplage (3), - et on relie ladite fibre primaire (1) à des msoyens d'émission et de réception après réflexion de ladite onde d'excitation. 3. Utilisation du capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'émission et de réception de l'onde d'excitation (13, 13') comprennent des moyens de réflectométrie optique temporelle. 4. Utilisation en tant que capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on dispose plusieurs dits coupleurs en série que l'on interroge par lesdits moyens de réflectométrie optique temporelle (29, 39, 49).