Brevet FR2765972A1 — publié le 19990115

La présente invention concerne un système ou multiplexeur- démultiplexeur ou un routeur en longueur d'onde à fibres optiques, susceptible d'être utilisé comme composant dans les installations de télétransmissions par fibres optiques. On connaît déjà de tels multiplexeurs-démultiplexeurs qui ont été décrits, puis progressivement perfectionnés, en particulier dans les brevets français FR-2.543.768, FR-2.519.148, FR-2.479.981, FR-2.496.260 et dans le brevet européen EP-0.196.963. Ce dernier document concerne plus particulièrement un io multiplexeur-démultiplexeur dans lequel les fibres d'entrée et de sortie sont positionnées au voisinage immédiat du foyer d'un miroir concave. Ainsi, les flux lumineux divergents reçus des fibres d'entrée sont transformés par le miroir concave en des faisceaux de lumière parallèles qui sont adressés sur un réseau de diffraction plan, qui dirige les faisceaux parallèles en retour vers le miroir concave et qui les focalise sur les extrémités des fibres de sortie. On a cherché à réduire les aberrations et, en particulier, les aberrations sphériques d'un tel système et c'est ainsi qu'il a été proposé un tel multiplexeur-démultiplexeur comportant un élément porte- fibre, un élément portant le réseau de diffraction, un élément intermédiaire et un élément miroir sphérique. L'élément porte-fibre met les extrémités des fibres en contact avec l'élément portant le réseau de diffraction, l'élément intermédiaire qui est en contact avec le réseau de diffraction et a le même indice optique que l'élément qui le porte, se termine par une face sphérique qui est en contact avec le miroir. Ce dispositif donne satisfaction, a permis et permet encore de nombreuses réalisations. Toutefois, dans certaines applications particulières, on a pu regretter l'instabilité thermique produite par la variation de l'indice des différents éléments qui le composent, avec la température et les variations des propriétés qui peuvent en résulter.. Le but de la présente invention est d'éviter ces inconvénients et donc de proposer un multiplexeur-démultiplexeur présentant les mêmes avantages que celui présenté plus haut, présentant de plus une bonne stabilité thermique. 2 2765972 De manière générale, I'invention concerne un système optique à dispersion destiné à être utiliser dans un domaine de longueur d'onde d'un faisceau lumineux, comportant un réseau plan porté par un support ayant un coefficient de dilatation s.s Selon l'invention, il comporte une lame frontale d'indice ni, transparente dans le domaine de longueur d'onde, dont l'une des faces est parallèle au plan du réseau, et telle que la variation de son indice optique ni avec la température, + -1 x.d est petit. n1 dt Dans différents modes de réalisation présentant chacun leurs avantages particuliers et susceptibles d'être utilisés selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - n et s sont de signes contraires, dt - I'autre face de la lame frontale est perpendiculaire à l'axe x, x' du faisceau, - le support du réseau est en silice à faible dilatation et l'indice n1 de la lame frontale est tel que dn souple. - le système comprend une deuxième lame en un matériau ayant un coefficient de dilatation voisin de celui du réseau, à faces parallèles et parallèles au réseau, et placée entre la lame frontale et le réseau, ladite deuxième lame est faite dans le même matériau que le support du réseau. Ce dispositif constitue avantageusement un multiplexeur- démultiplexeur ou un routeur en longueur d'onde à fibres optiques comportant le réseau, le support, la lame frontale et un système 3 2765972 réfléchissant, comportant lui-même un miroir et un système optique de transmission. Ledit système réfléchissant ayant un foyer, les extrémités des fibres optiques d'entrée et de sortie sont à proximité du foyer. Le système optique de transmission comporte un premier bloc portant le5 miroir et d'indice n3, un deuxième bloc à faces parallèles d'indice n4, et un troisième bloc à faces parallèles d'indice n5. Avantageusement, les premier, deuxième et troisième blocs sont chacun en silice pure. Le deuxième bloc et le troisième bloc sont en fait une seule pièce. L'invention sera décrite ci-après en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un spectromètre mettant en oeuvre le système optique de l'invention; - la figure 2 est une représentation schématique d'un multiplexeur- démultiplexeur réalisé selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 est une représentation schématique d'un multiplexeur- démultiplexeur réalisé selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Il a été constaté que les dispositifs dispersifs à réseau et, en particulier à réseau plan, sont sensibles aux variations thermiques qui peuvent modifier leurs propriétés et affecter leurs performances. Pour éviter ces inconvénients, il était apparu jusqu'à présent nécessaire de stabiliser la température de ces dispositifs, ce qui engendre des contraintes de coût, de volume et d'encombrement relativement importantes. Afin d'éviter ces inconvénients, il est proposé ici d'utiliser un réseau formé sur un support en silice à faible dilatation. D'une manière plus générale, on pourra réaliser un réseau pour la mise en oeuvre de l'invention sur un matériau à coefficient d'expansion ou de dilatation s faible, associé à une lame frontale dont la variation d'indice en fonction de la température dn] est également faible dt 4 2765972 Les variations de température produisent sur le système optique à dispersion de l'invention deux effets distincts. Une élévation de température du support du réseau entraîne sa dilatation et donc l'augmentation du pas a du réseau. D'autre part, la variation dn' de l'indice optique n. de la lame dt frontale 3, en fonction de la température, modifie ces propriétés réfractives. On a montré qu'il est possible de minimiser cette variation des 1o propriétés du système optique à dispersion en minimisant la quantité +lxdn1 ú ±X-. n1 dt De manière générale, cela peut être réalisé en minimisant chacune dn1 i dn1 de ces quantités, s d'une part, et dn- ou 1 xd' d'autre part, leur dt n1 dt somme étant alors également faible. Il est également possible de choisir des matériaux dont le coefficient de dilatation s d'une part et les variations d'indice en fonction de la température dtin sont de signes opposés. dt On obtient alors une somme s + 1 x dn faible. n. dt Avec un support 2 du réseau 1 en silice, de préférence choisi pour avoir une faible dilatation s, on peut utiliser pour la réalisation de la lame frontale 3, l'un des verres ayant une variation de l'indice en fonction de la température faible tels que, par exemple, les verres BK7, SF64A, SK16 ou LF5. Ces désignations sont celles utilisées par la Société SCHOTT. Bien entendu, des matériaux de mêmes propriétés produits par d'autres sociétés sous d'autres dénominations peuvent également être utilisés à cet effet. Il existe des tables de concordance permettant d'identifier aisément les références et dénominations utilisées par les différents fabricants. 2765972 Lorsque est positif et les variations drn négatives comme pour dt les verres BaK2, LF5, SF64A, on obtient de particulièrement bons résultats. Le premier exemple de réalisation est celui général d'un spectromètre tel que représenté sur la figure 1. Le réseau 1 porté par le support 2 reçoit un faisceau lumineux d'entrée 21 provenant d'une fente d'entrée 22, placée au foyer d'une optique 23, produisant un faisceau parallèle 24. Par dispersion, le réseau 1 renvoie un faisceau parallèle 25 adressé par une optique 26 sur une fente de sortie 27 sélectionnant une longueur d'onde particulière en fonction de sa position dans son plan. La lame frontale 3 comporte une face 31 parallèle au plan du réseau 1 et une deuxième face 32, perpendiculaire à l'axe du système, et approximativement perpendiculaire dans les réalisations réelles, à la fois au faisceau incident 24 et au faisceau réfléchi 25. En effet, pour plus de clarté, les faisceaux 24 et 25 ont été représentés sur la figure 1 comme formant un angle a relativement important. Dans les réalisations, cet angle est faible permettant la réalisation de la condition indiquée plus haut. Cette disposition a permis différentes réalisations dans lesquelles on a obtenu un multiplexeur-démultiplexeur tel que représenté sur la figure 2, avec un tirage total de 100 mm environ et un rayon de courbure du miroir sphérique de 239 mm. On a utilisé un réseau de 600 traits par millimètre et à l'exception de la lame frontale, les autres éléments, les blocs 1, 2 et 3, ainsi que le support de réseau, ont été réalisés en silice pure qui a un coefficient de dilatation s de 5,2 10-7 K'1 entre 5 et 35 C. Les différentes lames frontales qui ont été expérimentées, sont indiquées dans le tableau suivant: Lame frontale Exemple 1 Exemple 2 Exemple 3 Exemple 4 Exemple 5 Exemple 6 Exemple 7 Matériau BaK2 SF64A LF5 BK7 BaK2 LF5 LF5 Indice de réfraction 1, 5237 1,6817 1,56594 1,50056 1,52307 1, 55951 1,56010 (à;=1540nm) (à;=1,06ptm) (à X=1,061im) (à; =1557nm) (à X=1,6,gm) (à;=1,55.m) (à X=1,501m) i dn_- -3,5 107 _ - 3,2 107 - 4,4 10-7 + 5,7 107 - 3,510-7 5,34 107 - 5,27 10-7 ni dt (à 250C) (à 25 C) 7 2765972 On obtient ainsi, pour ces exemples, une valeur pour l'expression ú + 1 x dn faible et bien inférieure à celle que l'on obtiendrait en utilisant nI dt des composants qui soient tous réalisés dans le même matériau, par exemple en silice. 8 2765972 REVENDICATIONS 1. Système optique à dispersion, destiné à être utilisé dans un domaine de longueur d'onde d'un faisceau, comportant un réseau (1) plan porté par un support (2) ayant un coefficient de dilatation s,5 caractérisé en ce qu'il comporte une lame frontale (3) ayant deux faces, d'indice ni, transparente dans le domaine de longueur d'onde, dont l'une des faces est parallèle au plan du réseau, et telle que la variation de son indice optique ni avec la température t + 1 X dil est petit. ni dt 2. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que dn et ú sont de signes contraires. dt 3. Système optique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'autre face de la lame frontale (3) est perpendiculaire à l'axe (x, x') du faisceau. 4. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le support (2) du réseau (1) est en silice à faible dilatation et que l'indice n1 de la lame frontale (3) est tel que dnl dt 5. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la lame frontale (3) d'indice ni est en BK7. 6. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la lame frontale (3) d'indice ni est en SF64A. 7. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lame frontale (3) d'indice nl est en SK16. 8. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la lame frontale (3) d'indice n1 est en LF5. 9. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la lame frontale (3) est collée sur le réseau (1) à l'aide d'une colle (4) optique souple. 9 2765972 10. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième lame (5) en un matériau ayant un coefficient de dilatation voisin de celui du réseau, à faces parallèles et parallèles au réseau, placée entre la lame frontale (3) et le réseau (1). 11. Système optique selon la revendication 10, caractérisé en ce que la deuxième lame (5) est faite dans le même matériau que le support (2) du réseau (1). 12. Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à io 11, caractérisé en ce qu'il constitue un multiplexeur-démultiplexeur ou routeur en longueur d'onde à fibres optiques comportant le réseau (1), le support (2), la lame frontale (3) et un système réfléchissant (6), comportant un miroir (7) et un système optique de transmission, ledit système réfléchissant (6) ayant un foyer (f), les extrémités des fibres d'entrée (8) et de sortie (9, 10, 11) étant à proximité du foyer (f), le système optique de transmission comportant un premier bloc (12) portant le miroir (7) et d'indice n3, un deuxième bloc (13) à faces parallèles d'indice n4, et un troisième bloc (14) à faces parallèles d'indice n5. 13. Système optique selon la revendication 12, caractérisé en ce que le premier bloc (12) est en silice pure. 14. Système optique selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que le deuxième bloc (13) est en silice pure. 15. Système optique selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que le troisième bloc (14) est en silice pure. 16. Système optique selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que le deuxième bloc (13) et le troisième bloc (14) sont en fait une seule pièce.