Brevet FR2737584A1 — publié le 19970207

ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Domaine de l'invention La présente invention concerne des processus d'amplification de lumière et des amplificateurs de lumière. Plus particulièrement, l'invention concerne un amplificateur de lu- mière muni d'un isolateur optique multiétage dans lequel on réalise un branchement multiétage, ce qui permet ainsi de ré- duire la taille de l'isolateur et de couper un débit inverse de lumière dirigée vers l'avant.10 Description de la technique concernée Un amplificateur de lumière conventionnel est nor- malement construit avec un premier isolateur optique connecté à un modulateur à division de longueurs d'onde qui est à son tour connecté à une fibre optique ellemême connectée à un second15 isolateur optique. Un exemple représentatif d'un amplificateur de lumière conventionnel de ce type est décrit par exemple par " Optical Amplifier With A Doped Fluoride Glass Of Optical Fibre And Process For Producting Said Amplifier " de Semenkoff et Cie., Brevet U.S. No. 5 502 591. La lumière passant à travers20 le premier isolateur optique est modulée dans le modulateur à division de longueurs d'onde, en même temps que la lumière pro- venant d'une pompe de source. La lumière est amplifiée par la fibre optique puis ensuite transmise à travers le second isola- teur optique. On a constaté que le brevet 5 502 591 de Semen-25 koff et Cie est en fait basé sur l'utilisation d'une paire de modulateurs à division de longueurs d'onde et de pompes de source, et ne pourrait être amélioré par l'utilisation d'un seul modulateur à division de longueurs d'onde et d'une seule pompe. On a également réalisé qu'avec des amplificateurs de lu-30 mière conventionnels basés sur deux ou plusieurs isolateurs op- tiques, un problème se pose du fait qu'un isolateur optique est de plus grande taille que les autres éléments, ce qui augmente inutilement la taille et les coûts de fabrication de l'amplifi- cateur de lumière, parfois au point de le rendre difficile à manier. On a également découvert qu'un autre problème peut être attribué à la génération de pertes de branchement élevées entre la fibre optique et l'isolateur optique du fait que les formes de réalisation actuelles ne nécessitent que trop souvent que l'amplificateur de lumière utilise au moins deux isolateurs optiques. Souda et Cie., Brevet U.S. No. 5 493 440 décrit un " Optical Isolator And Optical Fiber Amplifier " qui utilise un isolateur optique multiétage avec un amplificateur. La figure 24 de Souda et Cie. représente par exemple un amplificateur tandis que les figures 2 et 8 de Souda et Cie. illustrent des isolateurs optiques multiétage. On a remarqué que l'isolateur optique de Souda et Cie. positionne les quatre prises d'un seul et même côté de l'isolateur au lieu d'utiliser deux prises d'entrée d'un côté et deux prises de sortie de l'autre côté de l'isolateur. De plus, on a constaté que l'élément optique ma- gnétique de Souda et Cie. présente une relativement grande ro- tation de polarisation de 225 degrés, tandis que l'isolateur optique de Souda et Cie. tente d'utiliser au contraire un seul élément biréfringent. De plus, on a constaté que l'utilisation d'une lentille unique dans l'isolateur optique de Souda et Cie. nécessite un miroir et un compensateur supplémentaires. Par suite, les formes de réalisation actuelles pour les amplifica- teurs à fibres optiques décrites par Souda et Cie. ne représen- tent pas la meilleure pratique de conception optique. RESUME DE L'INVENTION Par suite, la présente invention a pour but de créer un procédé et un dispositif présentant une amplification de lumière améliorée. Un autre but de l'invention est de créer un procédé et un amplificateur de lumière capables d'utiliser efficacement un isolateur optique multiétage. Un autre but encore de l'invention est de créer un procédé et un amplificateur de lumière qui présentent une taille et un coût de fabrication réduits. Un autre but encore de l'invention est de créer un procédé et un amplificateur de lumière caractérisés par des pertes de branchement réduites entre la fibre optique et l'iso- lateur optique. Un autre but encore de l'invention est de créer un procédé et un amplificateur de lumière capables de réduire les pertes de branchement tout en utilisant uniquement un seul iso- lateur optique multiétage. Ces buts et d'autres peuvent être atteints grâce à un amplificateur de lumière utilisant un isolateur optique mul- tiétage dans lequel on réalise un branchement multiétage. L'amplificateur peut être construit avec un isolateur optique multiétage comportant deux prises d'entrée et deux prises de sortie pour couper un débit inverse de lumière dirigée vers l'avant lorsqu'une lumière d'entrée dirigée vers l'avant est envoyée à une première prise d'entrée, et lorsqu'une lumière de sortie est envoyée à une seconde prise d'entrée. Une pompe de source génère de la lumière pour amplifier la faible lumière appliquée. Un modulateur à division de longueurs d'onde module en division les longueurs d'onde de la lumière générée par la pompe de source et la lumière envoyée à travers l'isolateur op- tique multiétage. Une fibre optique amplifie la lumière prove- nant du modulateur à division de longueurs d'onde et émet ainsi la lumière amplifiée à travers la première prise de l'isolateur optique multiétage. Ainsi, l'amplificateur de lumière selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend: - un isolateur optique multiétage comprenant deux prises d'en- trée disposées d'un côté de l'isolateur optique, et deux pri- ses de sortie disposées de l'autre côté de l'isolateur, pour couper un débit inverse d'une lumière incidente lorsque cette lumière d'entrée incidente pénètre dans une première prise d'entrée et lorsqu'une lumière de sortie pénètre dans une se- conde prise d'entrée, cet isolateur comprenant les éléments suivants disposés linéairement dans l'ordre suivant: - une première lentille pour focaliser la lumière entrant dans celle-ci; - une première lentille biréfringente pour diviser la lumière focalisée en une lumière polarisée verticalement et une lu- mière polarisée horizontalement; - un rotateur de Faraday disposé au voisinage de la première lentille biréfringente pour déphaser la lumière divisée par cette première lentille biréfringente; - une seconde lentille biréfringente disposée au voisinage du rotateur de Faraday pour focaliser la lumière déphasée par ce rotateur de faraday; et - une seconde lentille disposée au voisinage de la seconde len- tille biréfringente pour rayonner la lumière focalisée par la seconde lentille biréfringente, vers une prise de sortie cor- respondante; - une pompe de source pour générer de la lumière; - un modulateur à division de longueurs d'onde branché à la pompe de source pour moduler par division les longueurs d'onde de la lumière générée par la pompe de source et de la lumière émise à travers l'isolateur optique multiétage, et - une fibre optique branchée au modulateur et à l'isolateur pour fournir de la lumière amplifiée par amplification de la lumière reçue du modulateur à division de longueurs d'onde, et pour transporter cette lumière amplifiée vers la première prise d'entrée de l'isolateur optique multiétage. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention: - la pompe de source consiste en une diode laser de pompe émet- tant de la lumière ayant une longueur d'onde soit de 980 na- nomètres soit de 1480 nanomètres. - la fibre optique est enroulée autour de l'isolateur optique multiétage et du modulateur à division de longueurs d'onde, et - l'isolateur optique multiétage et le modulateur à division de longueurs d'onde sont positionnés au centre de la fibre opti- que enroulée. - la fibre optique présente un diamètre de courbure ne dépas- sant pas cinq centimètres. - la rotateur de Faraday déphase de 45 la lumière passant à travers celui-ci. - la fibre optique est enroulée autour de l'isolateur optique multiétage et du modulateur à division de longueurs d'onde, et - l'isolateur optique multiétage et le modulateur à division de longueurs d'onde sont positionnés au centre de la fibre opti- que enroulée. - la fibre optique est enroulée autour de l'isolateur optique multiétage et du modulateur à division de longueur d'onde, et - l'isolateur optique multiétage et le modulateur à division de longueurs d'onde sont positionnés au centre de la fibre opti- que enroulée. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera décrite ci-après de ma- nière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation représen- tés sur les dessins annexés dans lesquels les éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes références, et dans lesquels: - la figure 1 est un schéma illustrant une représentation hypo- thétique de la construction d'un amplificateur de lumière conventionnel; - la figure 2 est une vue illustrant la construction d'un am- plificateur de lumière utilisant un isolateur optique multié- tage selon les principes de la présente invention; - la figure 3 est une vue illustrant la construction d'un iso- lateur optique multiétage construit selon les principes de la présente invention; - la figure 4 est une vue illustrant un mécanisme d'émission de lumière et une position de lumière à l'intérieur d'un isola- teur optique multiétage construit selon les principes de la présente invention; - la figure 5 est une vue illustrant la position d'une fibre optique et la position d'une lumière à débit inverse renvoyée par une section transversale d'une virole de fibre optique construite selon les principes de la présente invention; - la figure 6 est une vue illustrant la course et le degré de séparation d'un faisceau de lumière à l'intérieur d'une len- tille biréfringente construite selon les principes de la pré- sente invention; et - la figure 7 est un graphique en deux coordonnées illustrant en degrés l'angle de séparation entre l'axe d'incidence et la lentille biréfringente, en fonction de la distance de sépara- tion entre la polarisation normale et la polarisation anor- male, mesurée en millimètres, suivant la pratique de la présente invention. DESCRIPTION DETAILLEE DU MODE DE REALISATION PREFERENTIEL En considérant maintenant les dessins, la figure 1 est une vue illustrant une construction schématique d'une re- présentation de ce qu'on peut décrire comme un composé incorpo-5 rant les caractéristiques saillantes, dans le but d'illustrer un amplificateur de lumière hypothétique conventionnel. Un am- plificateur de lumière conventionnel (par exemple un amplifica- teur à fibre dopée à l'erbium) est muni d'au moins deux isolateurs optiques. Comme représenté à la figure 1, la lumière10 introduite par une fibre optique d'une borne d'entrée passe à travers un isolateur optique 1 de la borne d'entrée, de façon que le débit inverse de la lumière incidente soit coupé. La lu- mière passant à travers l'isolateur optique 1 est modulée en même temps que la lumière provenant d'une pompe de source 3, dans un modulateur à division de longueurs d'onde 2, puis en- suite fournie en sortie à une fibre optique 4 (par exemple une fibre dopée à l'erbium). La longueur d'onde de la lumière pro- venant de la pompe de source 3 est de 980 ou 1480 nm. La lu- mière amplifiée traversant une fibre optique passe à travers l'isolateur optique 5 pour atteindre une borne de sortie, l'isolateur optique 5 étant utilisé de la même manière que l'isolateur optique 1 branché à la borne d'entrée. L'isolateur optique 5 coupe le débit inverse de la lumière incidente dans une partie de branchement entre un élément et la fibre optique, de manière à fournir à sa sortie la lumière incidente. La figure 2 est une vue illustrant la construction d'un amplificateur de lumière utilisant un isolateur optique multiétage construit selon les principes de la présente inven- tion. L'isolateur optique multiétage 6 comporte deux prises d'entrée 7A et 7B, ainsi que deux prises de sortie 8A et 8B pour couper un débit inverse d'une lumière incidente lorsqu'une lumière d'entrée incidente est envoyée à une première prise d'entrée 7A et lorsqu'une lumière de sortie est envoyée à une seconde prise d'entrée 7B. La pompe de source 3 génère de la lumière utilisée pour amplifier la faible lumière d'entrée. Le modulateur à division de longueurs d'onde 2 module par division les longueurs d'onde de la lumière envoyée à travers l'isola- teur optique multiétage 6 et de la lumière générée par la pompe de source 3. La fibre optique 7 amplifie la lumière provenant du modulateur à division de longueurs d'onde 2, et conduit la lumière amplifiée provenant de la première prise d'entrée 7A de l'isolateur optique multiétage 6.5 La figure 3 est une vue illustrant une construction d'un isolateur optique multiétage selon les principes de la présente invention. L'isolateur optique multiétage peut être construit avec une première lentille 9 pour focaliser la lu- mière d'entrée. Une première lentille biréfringente 13 divise10 la lumière focalisée en une lumière polarisée verticalement et une lumière polarisée horizontalement. Un rotateur de Faraday 11 déphase la lumière polarisée divisée par la première len- tille biréfringente 13, et une seconde lentille biréfringente 12 focalise la lumière déphasée sortant du rotateur de Faraday 11. Une seconde lentille 10 rayonne la lumière focalisée par la seconde lentille biréfringente 12, sur une fibre optique cor- respondante. La figure 4 est une vue illustrant un mécanisme d'émission de lumière et une position de lumière à l'intérieur de l'isolateur optique multiétage selon la présente invention. La figure 5 est une vue illustrant une position d'une fibre optique et une position d'un faisceau de lumière à débit inverse provenant d'une section transversale d'une virole de fibre optique selon la présente invention. La figure 6 est une vue illustrant le passage de la lumière à l'intérieur d'une lentille biréfringente selon la présente invention. La figure 7 est un graphique illustrant la dis- tance de séparation de la lumière en fonction de l'angle entre une lentille biréfringente et une direction d'émission de lu- mière selon la présente invention. Un amplificateur de lumière construit selon les principes de la présente invention est décrit ci-dessous en se référant collectivement aux figures 1 à 7. La lumière vient tomber sur une seconde prise d'entrée 7B servant de prise d'en- trée de l'isolateur optique multiétage en passant à travers la fibre optique, de manière à venir tomber sur une borne d'entrée du modulateur à division de longueurs d'onde 2 par l'intermé- diaire de la fibre optique. L'isolateur optique multiétage 6 est utilisé pour empêcher la lumière de se propager dans la di- rection inverse lorsque deux fibres optiques ou un élément et la fibre optique sont respectivement connectés l'un à l'autre.5 Pour décrire plus en détails l'isolateur optique multiétage 6 en se référant à la figure 3, la lumière incidente arrivant par la fibre optique passe à travers la partie supérieure de la première lentille 9, puis vient ensuite tomber sur la première lentille biréfringente 13 réalisée dans un matériau10 de polarisation tel que TiO2. La lumière incidente passe à tra- vers la première lentille biréfringente 13 et se trouve divisée en une lumière polarisée verticale (normale) et une lumière po- larisée horizontale (anormale). Si la longueur de la première lentille biréfringente 13 est de 5 millimètres, la distance de15 séparation de la lumière est alors de 500 micromètres au maxi- mum. La lumière séparée en passant à travers la première len- tille biréfringente 13, passe à travers le rotateur de Faraday 11, et sa phase est déphasée de quarante cinq degrés. La lu- mière déphasée, après passage à travers le rotateur de Faraday 11, passe à travers la seconde lentille biréfringente 12. Par suite, la lumière ayant été séparée par la première lentille biréfringente 13 est réunie par déphasage du rotateur de Fara- day 11, puis on la fait passer à travers la seconde lentille biréfringente 12. La lumière ainsi réunie pénètre dans la fibre optique 7 connectée par l'intermédiaire de la seconde lentille 10. La lumière réfléchie sur une section transversale de la fibre optique 7 passe à travers la seconde lentille 10 puis se trouve ensuite divisée de nouveau en une lumière pola- risée verticale (normale) en une lumière polarisée horizontale (anormale) dans la seconde lentille biréfringente 12. La lu- mière séparée passe ensuite à travers le rotateur de Faraday 11. La lumière séparée par le rotateur de Faraday 11 passe en- suite à travers la seconde lentille biréfringente 12. La lu- mière passant à travers la seconde lentille biréfringente 12 est divisée en deux directions par rapport au centre d'une vi- role de fibre optique connectée à la première prise 7A de l'isolateur optique multiétage 6, comme représenté à la figure , de manière à empêcher la lumière incidente de s'écouler dans la borne d'entrée. Comme décrit ci-dessus, la lumière passant à tra- vers l'isolateur optique multiétage 6 est introduite dans le modulateur à division de longueurs d'onde 2 comme une lumière d'entrée. Comme la lumière d'entrée est faible, l'entrée de lu- mière du modulateur à division de longueurs d'onde 2 par l'in- termédiaire de la pompe de source 3 servant d'autre lumière d'entrée, est modulée par le modulateur à division de longueurs d'onde 2. De la lumière ayant une longueur d'onde de 980 ou 1480 nanomètres, est émise par la pompe de source 3. La lumière de sortie de modulation est amplifiée en passant à travers la fibre optique 7. La fibre optique 7 est enroulée autour du mo- dulateur à division de longueurs d'onde 2 et de l'isolateur op- tique multiétage 6 qui sont positionnés au centre de l'enroulement. Le diamètre de courbure de la fibre optique 7 est supérieur à cinq centimètres. La lumière amplifiée en pas- sant à travers la fibre optique 7 est de nouveau appliquée à la prise d'entrée 7A de l'isolateur optique multiétage 6. La lu- mière tombant sur l'isolateur optique multiétage 6 passe à tra- vers la partie inférieure de la première lentille 9, puis tombe ensuite sur la première lentille biréfringente 13 réalisée dans le matériau de polarisation TiO2. La lumière incidente est divisée en une lumière po- larisée verticale (normale) et en une lumière polarisée hori- zontale (anormale) en passant à travers la partie inférieure de la première lentille biréfringente 13. Si la longueur de la première lentille biréfringente 13 est de cinq millimètres, la distance de séparation de la lumière est alors de 500 micromè- tres au maximum. La lumière séparée par la première lentille biréfringente 13 passe à travers le rotateur de Faraday 11, et sa phase est déphasée de 45 . La lumière déphasée après passage à travers le rotateur de Faraday 11, passe à travers la seconde lentille biréfringente 12. Par suite, la lumière qui était sé- parée par la première lentille biréfringente 13 est réunie par déphasage du rotateur de Faraday 11, puis on la fait ensuite passer à travers la seconde lentille biréfringente 12. La lu- mière réunie est appliquée à l'entrée de la fibre optique 7 connectée à la seconde lentille 10. La lumière réfléchie sur la section transversale de la fibre optique 7, passe à travers la seconde lentille 10 et se trouve de nouveau séparée entre une lumière polarisée verticale (normale) et une lumière polarisée horizontale (anormale) dans la seconde lentille biréfringente 12. La lumière séparée passe ensuite à travers le rotateur de Faraday 11. La lumière séparée par le rotateur de Faraday 11 passe à travers la première lentille biréfringente 13. La lu- mière passant à travers la première lentille biréfringente 13 est séparée en deux directions par rapport au centre de la vi- role de fibre optique connectée à la seconde prise 7B de l'iso- lateur optique multiétage 6, comme représenté à la figure 5, de manière à empêcher la lumière incidente de s'écouler dans la borne d'entrée. Comme décrit ci-dessus, la présente invention four- nit un amplificateur de lumière avec un isolateur optique mul- tiétage dans lequel on réalise une connexion multiétage, ce qui permet ainsi de réduire sa taille et de couper un débit inverse d'un amplificateur de lumière d'émission. Selon la présente in- vention, la connexion multiétage résout le problème, apparais- sant dans les formes de réalisation actuelles, de l'utilisation d'un isolateur optique multiétage qui, comme il est plus grand que les autres éléments de l'ensemble, rend la taille et le coût de fabrication de l'amplificateur de lumière plus impor- tants que nécessaire, ainsi que le problème des pertes de bran- chement élevées entre la fibre optique et l'isolateur optique, ces pertes pouvant être attribuées à l'utilisation d'au moins deux isolateurs optiques. Bien qu'on ait illustré et décrit ce qu'on consi- dère comme des formes préférées de réalisation de la présente invention, les spécialistes de la question comprendront que divers changements et modifications peuvent être effectués, et que leurs éléments peuvent être remplacés par des éléments équivalents, sans sortir du véritable esprit de la présente invention. Il R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Amplificateur de lumière, caractérisé en ce qu' il comporte un isolateur optique multiétage (6) comprenant deux prises d'entrée (7A, 7B) disposées d'un côté de l'isolateur op- tique (6), et deux prises de sortie (8A, 8B) disposées de l'au- tre côté de l'isolateur, pour couper un débit inverse d'une lumière incidente lorsque cette lumière d'entrée incidente pé- nètre dans une première prise d'entrée et lorsqu'une lumière de sortie pénètre dans une seconde prise d'entrée, cet isolateur (6) comprenant les éléments suivants disposés linéairement dans l'ordre suivant: une première lentille (9) pour focaliser la lumière entrant dans celle-ci; une première lentille biréfringente (13) pour diviser la lu- mière focalisée en une lumière polarisée verticalement et une lumière polarisée horizontalement; un rotateur de Faraday (11) disposé au voisinage de la première lentille biréfringente (13) pour déphaser la lumière divisée20 par cette première lentille biréfringente; une seconde lentille biréfringente (12) disposée au voisinage du rotateur de Faraday (11) pour focaliser la lumière déphasée par ce rotateur de faraday; et une seconde lentille (10) disposée au voisinage de la seconde25 lentille biréfringente (12) pour rayonner la lumière focalisée par la seconde lentille biréfringente, vers une prise de sortie correspondante; une pompe de source (3) pour générer de la lumière; un modulateur à division de longueurs d'onde (2) branché à la pompe de source (3) pour moduler par division les longueurs d'onde de la lumière générée par la pompe de source et de la lumière émise à travers l'isolateur optique multiétage (6), et une fibre optique (7) branchée au modulateur (2) et à l'isola- teur (6) pour fournir de la lumière amplifiée par amplification de la lumière reçue du modulateur à division de longueurs d'onde (2), et pour transporter cette lumière amplifiée vers la première prise d'entrée de l'isolateur optique multiétage (6). 2 ) Amplificateur de lumière selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pompe de source (3) consiste en une diode laser de pompe émettant de la lumière ayant une longueur d'onde soit de 980 nanomètres soit de 1480 nanomètres. 3 ) Amplificateur de lumière selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre optique (7) est enroulée autour de l'isolateur optique multiétage (6) et du modulateur à division de longueurs d'onde (2), et l'isolateur optique multiétage (6) et le modulateur à division de longueurs d'onde (2) sont positionnés au centre de la fibre optique enroulée (7). 4 ) Amplificateur de lumière selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre optique (7) présente un diamètre de courbure ne dépas- sant pas cinq centimètres. ) Amplificateur de lumière selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotateur de Faraday (11) déphase de 45 la lumière passant à travers celui-ci. 6 ) Amplificateur de lumière selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fibre optique (7) est enroulée autour de l'isolateur optique multiétage (6) et du modulateur à division de longueurs d'onde (2), et l'isolateur optique multiétage (6) et le modulateur à division de longueurs d'onde (2) sont positionnés au centre de la fibre optique enroulée (7). 7 ) Amplificateur de lumière selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fibre optique (7) est enroulée autour de l'isolateur optique multiétage (6) et du modulateur à division de longueurs d'onde (2), et l'isolateur optique multiétage (6) et le modulateur à division de longueurs d'onde (2) sont positionnés au centre de la fibre optique enroulée (7).