Brevet FR2725039A1 — publié le 19960329

La présente invention concerne un joint tournant susceptible d'établir une liaison optique entre deux fibres dont l'une est montée en rotation relativement par rapport à l'autre. Dans les réseaux de transmission de données exposés aux interférences électromagnétiques ou nécessitant de larges bandes passantes, une liaison optique de données peut souvent remplacer une ligne 2 fils ou une ligne coaxiale classiques. Dans ces applications, les données doivent souvent être transférées d'une extrêmité tournante à une extre- mité fixe, au moyen d'un système électrique spécifique, consistant en une bague collectrice composée de deux ou plusieurs interfaces coulissantes. Dans un réseau de transmission de données optiques, cette bague collectrice a pour équivalent le joint optique tournant (FORJ). Les principaux composants d'une liaison optique tournante sont : émetteur, joint tournant, récepteur. L'émetteur transforme les signaux électriques en signaux optiques émis par des diodes électroluminescentes (DEL) ou des diodes laser. Ce signal est ensuite transmis au moyen d'une fibre optique vers l'interface tournante ou joint tournant proprement dit. Ce dernier effectue le raccordement optique et transmet le signal vers le récepteur sur une autre fibre. Ce récepteur, généralement constitué de photodiodes à avalanche (PDA) ou de photodiodes PIN et de circuits d'amplification effectue la conversion optique-électrique. L'émetteur-récepteur est exactement identique à celui d'une liaison non tournante. Les paramètres d'exploitation du système à liaison tournante sont déterminés par le type de joint tournant employé, ce qui est très variable. En effet, des joints tournants ont déjà été décrits dans l'art antérieur. Dans le système le plus simple, l'axe optique coïncide avec l'axe mécanique, le joint optique ressemblant alors à un connecteur optique classique composé d'une partie tournante et d'une partie fixe. Cette structure limite la capacité du joint à un canal optique. L'atténuation est généralement faible de l'ordre de 3, 5 dB. D'autres systèmes, dits hors axe, ont également été décrits dans l'art antérieur. Ainsi, le brevet européen 0 122 476 décrit un joint tournant formé d'un rotor et d'un stator, chacun d'eux étant pourvu d'une extrêmité de fibre optique, le couplage entre le rotor et le stator étant réalisé au moyen d'un anneau cylindrique à surface réfléchissante susceptible de maintenir la transmission optique du signal lumineux pendant le déplacement du rotor. Un tel joint tournant est déjà très intéressant mais, pour obtenir un bon recouvrement optique, il faut des fibres à grande ouverture numérique, donc de diamètre de coeur important. Les informations doivent alors être collectées sur une importante surface de détection ce qui augmente le bruit de fond et limite la bande passante. La présente invention vise à s'affranchir des moyens intermédiaires de transmission. Elle permet en outre de réduire considérablement les pertes optiques, d'utiliser des fibres optiques de diamètre raisonnable. Le joint tournant de l'invention est de ce fait compatible avec des liaisons de grande longueur, de grande capacité et de faible atténuation. Le joint tournant de l'invention comporte un stator (10, 14) relié à une fibre optique (101) (F'1, F'2) et un rotor (11, 13) également relié à une extrêmité de fibre optique (111) (F1, F2), le rotor (11, 13) étant placé coaxialement au stator (10, 14). Le rotor (11, 13) (resp. stator (10, 14)) est formé d'une surface de révolution (112, 132) (resp. (102, 142)) pourvue d'au moins une rainure circulaire (110, 130) (resp. (100, 140)), ladite rainure (110, 130) (resp. (100, 140)) étant centrée autour de l'axe desdits rotor et stator, ladite surface (112, 132) étant complémentaire de celle (102, 142) du stator 10, ladite rainure (110, 130) (resp. (100, 140)) servant à recevoir une demi-fibre optique (111) (resp. 101), ladite demi-fibre 111 (resp. 101) ayant été coupée par tout procédé de l'homme de métier suivant un plan passant sensiblement par son axe optique, les deux rainures (110, 130) et (100, 140) des rotor (11, 13) et stator (10, 14) respectivement étant placées en vis à vis afin de reconstituer un guide optique, chaque demi-fibre 111 (resp. 101) (F1 F2 resp. (F'1 F'2) arrivant par le fond de la rainure (110, 130) (resp. (100, 140)). Le joint tournant de l'invention est tel que la rainure circulaire 110 (resp. 100) est placée dans un plan perpendiculaire à l'axe desdits rotor (11) et stator (10). Selon une autre réalisation, la rainure circulaire 110 (resp. 100) est placée sur la surface desdits rotor 11 et stator 10 décrits par une génératrice desdites surfaces de révolution (112, 132). Selon une réalisation préférée de l'invention, les surfaces de révolution (112, 132) sont des cylindres. Selon une application, l'extrêmité de fibre 111 (resp. 101) de rotor 11 (resp. stator 10) est reliée à un multiplexeur 115 (resp. 105) de longueurs d'onde (A1 /2) la longueur d'onde X1 étant reliée à un émetteur (resp. récepteur), la longueur d'onde A2 à un récepteur (resp. émetteur). Selon une autre application, le rotor 11 (resp. stator 10) comporte deux demi-fibres optiques placées dans des rainures coplanaires, l'une sur un cercle de rayon R1, l'autre sur un cercle de rayon R2, chaque extrêmité de fibre optique étant reliée à un émetteur (resp. récepteur) pour celle du cercle R1 (resp. R2), à un récepteur (resp. émetteur) pour celle du cercle R2 (resp. R1). Les rotor 11 et stator 10 sont réalisés dans l'un des matériaux suivants : céramique, bronze, acier traité. Les rainures (110, 130, 100, 140) peuvent présenter en coupe l'une des structures suivantes : Vé, demi-cercle, rectangle ou autre. Chaque demi-fibre peut être fixée dans la rainure correspondante par tout procédé connu en soi tel que métallisation, collage ou autre. D'autres avantages et caractéristiques apparaitront à la lecture de la description suivante illustrée par des dessins. La figure 1 représente un schéma d'un rotor (ou stator) en vue de dessus. La figure 2 représente une vue en coupe transversale des rotor et stator de la figure 1. La figure 3 représente une vue en coupe de la figure 1 suivant AA'. La figure 4 est une représentation schématique d'un système émission réception au moyen d'un joint tournant à fibres optiques selon l'invention. La figure 5 est une variante de la figure 4 à deux fibres optiques. Le joint tournant de l'invention se compose essentiellement d'un rotor 11 et d'un stator 10. Le rotor 11, illustré sur la figure 1 se présente comme un cylindre 112 dont la surface supérieure perpendiculairement à son axe de révolution est pourvue d'une rainure 110 circulaire, sensiblement centrée sur cet axe. Dans cette rainure 110, ouverte vers l'extérieur, est logée une demi-fibre optique 111. Le stator 10, semblable au rotor 11 est formé d'un cylindre 102 dont la section inférieure, perpendiculairement à son axe, comporte une rainure 100 circulaire centrée sur cet axe. De la même façon, dans cette rainure 100 est logée une demi-fibre optique 101. La figure 1 représente un rotor 11 pourvu d'une seule rainure circulaire dans un souci de simplification, mais il est bien évident que ce rotor 11 pourrait comporter une pluralité de rainures concentriques, toutes sensiblement centrées sur l'axe du cylindre 112 ou axe mécanique du rotor 11. De la même façon, le stator 10 comporterait alors la même pluralité de rainures suivant sa face en contact avec le rotor 11. La structure des rainures est soit en Vé, soit circulaire ou de toute autre forme susceptible de contenir une demi-fibre optique. Cette demi-fibre optique 111 (resp. 101), comme représentée sur les figures 2 et 3, est coupée suivant un plan parallèle à son axe optique, ce plan passant sensiblement par cet axe. On a représenté sur la figure 2 une vue en coupe du rotor 11 de l'invention (il en serait de même du stator 10) perpendiculairement à cette rainure 110 (resp. 100) suivant BB'. On constate que la fibre 111 est logée avec ses gaines (coating et cladding) et fixée par exemple par collage ou métallisation dans cette rainure 110. Puis la fibre 111 (resp. 101) est coupée selon son axe de telle sorte qu'elle n'émerge pas de la base supérieure (resp. inférieure) du cylindre 112 (resp. 102). Une telle coupe peut être aisément obtenue par abrasion, coupe, ou tout moyen à la portée de l'homme de métier. Les surfaces de contact des rotor 11 et stator 10 sont ainsi bien planes.Et lorsque le rotor 11 est positionné au dessus (ou au dessous selon le cas) du stator 10, de façon complémentaire comme représenté sur la figure 2, les deux demi-fibres 111 et 101 sont placées en vis à vis. Ainsi, lorsque le rotor 11 est animé d'un mouvement circulaire autour de leur axe commun de révolution, les deux demi-fibres optiques 101 et 111 reconstituent un guide d'onde. I1 n'est pas absolument indispensable que les demi-fibres optiques 101 et 111, des stator 10 et rotor 11, soient rigoureusement coupées suivant leur axe optique ; en effet, il suffit que les sections des demi-fibres 101 et 111 soient sensiblement complémentaires, le plan de coupe est alors parallèle à cet axe optique des fibres 101 et 111. La figure 3 représente une vue en coupe du rotor 11 suivant un axe passant par la fibre d'entrée (ou de sortie suivant le cas). La fibre optique 111 arrive donc entière par le fond de la rainure 110. Un évidement ou canal 114 dans le cylindre 112 prévu à cet effet, fait émerger la fibre 111 au niveau de la rainure 110. La fibre 111 optique peut par exemple être légèrement coudée au voisinage de l'entrée dans la rainure 110. C'est donc au niveau de l'entrée dans la rainure que la fibre optique 111 est amputée de sa demi-gaine et de son demi-coeur, de telle sorte qu'elle n'émerge pas de la rainure 110 dans laquelle elle est logée. On remarque sur la figure 3 que l'extrêmité de fibre 111 vient en butée avec l'autre extrêmité de la boucle. L'anneau 112 peut être réalisé dans tout matériau comme par exemple dans une céramique en bronze traité ou encore en acier traité. Le stator 10 est strictement identique au rotor 11 et toute information optique émise par un émetteur (non représenté) puis par la fibre optique du rotor 11 est véhiculée par la demi-fibre 111 et ainsi transmise à la demi-fibre 101 du stator 10 qui la transmet en sortie à son récepteur optique (non représenté). Un liquide d'indice choisi de façon appropriée est interposé entre rotor 11 et stator 10 pour assurer la continuité optique. Le joint tournant 1 optique hors axe ainsi réalisé réduit considérablement les pertes optiques des joints de l'art antérieur et ne nécessite qu'un bon dimensionnement des pièces mécaniques de support des demi-fibres. - Un tel joint tournant rend également possible le couplage de modes optiques, ou le multiplexage en longueur d'ondes. La figure 4 illustre une application du joint tournant de l'invention au multiplexage en longueur d'onde. On trouve côté stator 10 un émetteur Es fonctionnant à la longueur d'onde 1 et un récepteur Rs à la longueur d'onde 2. Cô- té, rotor 11, sont disposés de la même façon un émetteur ER fonctionnant à la longueur d'onde 42 et un récepteur à la longueur d'onde 1 Un message issu de l'émetteur Es( l) transite jusqu'au récepteur RR ( De même, un message émis par l'émetteur ER (A2) transite par les mêmes composants (115, 111, 11, 10, 101, 105) jusqu'au récepteur Rs(N2) Un tel ensemble permet d'obtenir une émission-réception complète de messages à faible diaphonie. La figure 5 représente schématiquement une variante de réalisation du joint tournant selon les figures 1 à 4. Sur cette figure 5, seules sont représentées les fibres et les émetteurs récepteurs d'extrêmités mais le joint tournant de l'invention s'en déduit aisément à l'aide des réalisations des figures 1 à 4. En effet, le rotor 13 (resp. le stator 14) de la figure 5 est également un cylindre 132 (resp. 142) dont la section comporte deux rainures circulaires concentriques et coplanaires 130R1 (resp. 140R1) et 130R2 (resp. 140R2) placées sur ces cercles de rayons R1 et R2 (R1 > R2) centrés sur l'axe de révolution des cylindres 132 (resp. 142). De la même façon, les rainures 130 R1 130R2 du rotor 13 sont placées en vis à vis des rainures 140R1 et 140R2 du stator 14 avec des orientations opposées de telle sorte que, lorsqu'on dispose dans chaque rainure circulaire une demifibre optique, chaque demi-fibre étant coupée longitudinalement suivant son axe optique, les demi-fibres des rotor 13 et stator 14 se complètent pour reconstituer un guide optique. Ainsi, dans les rainures 130R1 et 140R1 sont placées les fibres F1 et F'1 respectivement, en vis à vis. De même dans les rainures 130R2 et 140R2 sont placées les fibres F2 et F'2 respectivement. Supposons que les extrêmités entières des fibres F1 et F2 d'une part, et F'1 et F'2 d'autre part, soient reliées respectivement aux émetteur ER et récepteur RR du rotor 13 d'une part, récepteur R5 et émetteur Es du stator 14, d'autre part, alors il n'est plus nécessaire d'utiliser un multiplexage en longueur d'onde, chaque rainure étant spécialisée dans l'émission d'un sens de transmission particulier des messages échangés entre rotor 13 et stator 14. Cette dernière variante permet une transmission sans diaphonie et réduit les pertes optiques. Pour les différentes réalisations de l'invention, il est nécessaire de respecter l'entrefer optimal. De ce fait, il est nécessaire de prévoir un système de compensation axial pour pallier les variations dimensionnelles dûes aux écarts thermiques et un système de paliers appairés précontraints à faible jeu axial. Ce dernier système à paliers peut être remplacé par un axe placé dans l'alésage des cylindres du rotor (11, 13) et stator (10, 14). I1 serait également possible de prévoir que les rainures soient placées sur la surface cylindrique proprement dite des rotor (11, 13) et stator (10, 14) surface décrite par une génératrice desdits cylindres. Cette réalisation, non représentée sur les dessins permet de s'affranchir de l'usure des pièces. REVENDICATIONS 1 - Joint tournant pour fibres optiques comprenant un stator (10, 14) relié à une fibre optique (101) (F'1, F'2) et un rotor (11, 13) également relié à une extrêmité de fibre optique (111) (F1, F2), ledit rotor (11, 13) étant placé coaxialement audit stator (10, 14), joint caractérisé par le fait que ledit rotor (11, 13) (resp. stator (10, 14)) est formé d'une surface de révolution (112, 132) (resp. (102, 142)) pourvue d'au moins une rainure circulaire (110, 130) (resp. (100, 140)), ladite rainure (110, 130) (resp. (100, 140)) étant centrée autour de l'axe desdits rotor et stator, ladite surface (112, 132) étant complémentaire de celle (102, 142) du stator (10), ladite rainure (110, 130) (resp. (100, 140)) servant à recevoir une demi-fibre optique (111) (resp. 101), ladite demi-fibre (111) (resp. 101) ayant été coupée par tout procédé de l'homme de métier suivant un plan passant sensiblement par son axe optique, les deux rainures (110, 130) et (100, 140) des rotor (11, 13) et stator (10, 14) respectivement étant placées en vis à vis permettant de reconstituer un guide optique, chaque demi-fibre (111) (resp. 101) F1 F2, F'1 F'2 arrivant par le fond de la rainure (110, 130) (resp. (100, 140)). 2 - Joint tournant selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la rainure circulaire (110) (resp. 100) est placée dans un plan perpendiculaire à l'axe desdits rotor (11) et stator (10). 3 - Joint tournant selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la rainure circulaire (110) (resp. 100) est placée sur la surface desdits rotor (11) et stator (10) décrite par une génératrice desdites surfaces de révolution (112, 132). 4 - Joint tournant selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que lesdites surfaces de révolution (112, 132) sont des cylindres. 5 - Joint tournant selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que l'extrêmité de fibre (111) (resp. 101) de rotor (11) (resp. stator 10) est reliée à un multiplexeur (115) (resp. 105) de longueurs d'onde , 2' la longueur d'onde 1 étant reliée à un émetteur (resp. récepteur), la longueur d'onde t2 à un récepteur (resp. émetteur). 6 - Joint tournant selon la revendication 2 caractérisé par le fait que le rotor (11) (resp. stator 10) comporte deux demi-fibres optiques placées dans des rainures coplanaires, l'une sur un cercle de rayon R1, l'autre sur un cercle de rayon R2, chaque extrêmité de fibre optique étant reliée à un émetteur (resp. récepteur) pour celle du cercle R1 (resp. R2), à un récepteur (resp. émetteur) pour celle du cercle R2 (resp. R1). 7 - Joint tournant selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé par le fait que les rotor (11) et stator (10) sont réalisés dans l'un des matériaux suivants : céramique, bronze, acier traité. 8 - Joint tournant selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé par le fait que ladite rainure (110, 130, 100, 140) a l'une des structures suivantes en coupe : Vé, demicercle, rectangle, ou autre. 9 - Joint tournant selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé par le fait que la demi-fibre (111, 101, 131, 141) est fixée par collage ou métallisation dans la rainure correspondante.