Brevet FR2796469A1 — publié le 20010119

La présente invention concerne un filtre optique à réponse rectangulaire permettant le découpage d'un intervalle spectral limité et ayant des fibres optiques préférentiellement monomodes comme portes d'entrée et de sortie. Le développement des télécommunications par fibre optique multiplexée en longueur d'onde requiert la mise au point et l'optimisation de tels dispositifs. On recherche en particulier à découper un spectre large en domaines spectraux dits ici - intervalle spectral limité - tout en évitant les superpositions et diaphonies susceptibles d'en résulter. De nombreux dispositifs ont déjà été proposés à cet effet, la plupart d'entre eux consistant à étaler le spectre lumineux dans un plan et à placer dans ce plan, une fente délimitant la bande spectrale étroite que l'on veut sélectionner, mais alors la lumière ne peut pas être recouplée efficacement dans une fibre optique monomode. D'autres dispositifs mettent en oeuvre des ensembles de composants en optique guidée: coupleurs, multiplexeurs-démultiplexeurs,... L'optimisation de ces dispositifs impliquent d'obtenir des fonctions de transmission rectangulaire et sans perte du flux lumineux d'intervalle spectral limité sélectionné, c'est-à-dire que dans une représentation de l'intensité du flux lumineux transmis en fonction de la longueur d'onde telle que celle de la figure 1, la bande découpée ait des bords aussi verticaux que possible et un sommet aussi plat que possible et les pertes soient aussi faibles que possible. L'aplatissement du sommet est obtenu selon l'état de l'art en générant des pertes. Les inventeurs se sont donnés pour objectif de réaliser un tel dispositif mettant en oeuvre un ensemble réseau-réflecteur dans la configuration de Littman-Metcalf pour profiter des performances élevées offertes par ce type de configuration et que ce dispositif ne génère pas de pertes et possède des fibres optiques, de préférence monomodes, comme portes d'entrée et de sortie. Ainsi, I'invention concerne un filtre optique à réponse rectangulaire permettant le découpage d'un intervalle spectral limité dans un flux lumineux de spectre large comprenant: - une fibre optique d'entrée ayant une extrémité, -un ensemble réseau-réflecteur dans la configuration de Littman- Metcalf, -un système optique convergent de collimation au foyer duquel est placée l'extrémité de la fibre d'entrée, - un système optique convergent de focalisation placé entre le réseau et le réflecteur. Selon l'invention, le réflecteur est placé dans le plan focal du système optique de focalisation et a une dimension limitée dans le plan de dispersion, la position et la dimension limitée du réflecteur dans le plan de dispersion déterminant l'intervalle spectral découpé. Dans différents modes de réalisation présentant chacun ses avantages spécifiques et susceptibles d'être utilisés selon toutes les combinaisons techniquement compatibles: - la fibre optique d'entrée est une fibre monomode; - le flux lumineux de spectre limité produit est collecté dans une fibre optique monomode de sortie distincte de la fibre d'entrée et de même type que celle-ci; - le dispositif comporte plusieurs fibres optiques monomodes de sortie, chacune étant associée à un réflecteur, placé au voisinage du plan focal du système optique de focalisation et ayant une dimension faible dans le plan de dispersion et déterminant, pour chaque fibre de sortie, un intervalle spectral particulier; - le flux lumineux de spectre limité produit est collecté par la fibre d'entrée et celle-ci porte un circulateur optique permettant de séparer le flux de sortie du flux entrant sans perte d'énergie; - le dispositif comporte un réflecteur de repliement assurant un doublement des passages du faisceau lumineux sur le réseau; - le dispositif comporte un séparateur de polarisation placé entre l'optique de collimation de la fibre d'entrée et le réseau et produisant deux faisceaux lumineux élémentaires parallèles et polarisés orthogonalement l'un à l'autre, une lame X12 étant placée sur l'un des faisceaux élémentaires de façon à produire deux faisceaux élémentaires polarisés dans une direction orthogonale aux traits du réseau, le réflecteur de la configuration de Littman- Metcalf renvoyant chaque faisceau élémentaire sur le chemin et en direction opposée de l'autre; - le réflecteur de la configuration de Littman-Metcalf est un miroir plan; - le réflecteur de la configuration de Littman-Metcalf est un miroir plan associé à un bi-prisme; - le réflecteur de la configuration de Littman-Metcalf est un dièdre tronqué. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation d'un spectre découpé par le dispositif de l'invention; - la figure 2 est une représentation d'un dispositif de l'invention mis en oeuvre avec un circulateur; - les figure 3A et 3B sont une représentation d'une configuration de Littman- Metcalf utilisée de manière traditionnelle; - les figures 4A et 4B sont une représentation d'un premier mode de réalisation de l'invention; - les figures 5A et 5B sont une représentation d'un deuxième mode de réalisation de l'invention, avec compensation des effets de polarisation dus au réseau; - les figures 6A et 6B sont une représentation d'un troisième mode de réalisation de l'invention mettant en oeuvre une fibre de sortie distincte de la fibre d'entrée; - la figure 7 est une vue détaillée d'un réflecteur mis en oeuvre dans le troisième mode de réalisation; - la figure 8 est une vue détaillée d'un type de réflecteur alternatif pouvant être mis en oeuvre dans le troisième mode de réalisation; - les figures 9A, 9B et 9C sont une représentation d'un quatrième mode de réalisation de l'invention. La figure 1 est donc un graphique représentant l'énergie du flux lumineux sortant du dispositif de découpage de l'invention, en fonction de la longueur d'onde k. Le spectre entrant est supposé étendu, en longueur d'onde, à l'échelle de ce graphique étendu et le dispositif de l'invention permet de découper une bande étroite représentée par une fonction aussi proche que possible d'une fonction rectangulaire, de largeur AX centrée sur une longueur d'onde Xi. Le dispositif de l'invention comporte donc une fibre d'entrée 1 ayant une extrémité 2. Le dispositif de découpage de l'invention dans son ensemble est désigné par la référence 3. Ce dispositif comporte un ensemble réseau 4- réflecteur 5 dans la configuration de Littman-Metcalf. On sait que dans la configuration habituelle de Littman-Metcalf qui est représentée sur les figures 3A et 3B, le faisceau collimaté incident fait un angle 01 avec la normale au réseau. Un réflecteur R est placé avec sa normale ayant un angle 02 sur le réseau. La longueur d'onde X qui respecte la condition X = p (sin 01 + sin 02) O p est le pas du réseau, est dispersée par le réseau à un angle 02 puis rétroréfléchie par le réflecteur qui lui est alors perpendiculaire. Enfin, elle est dispersée de nouveau dans le réseau au retour et ressort sous l'angle 01 d'entrée. La longueur d'onde x est donc ainsi sélectionnée par la cavité. Il est possible de faire varier cette longueur d'onde x en faisant varier l'orientation de l'ensemble réseau-réflecteur, c'est-à-dire en faisant varier 0, ou bien en faisant varier uniquement l'orientation du réflecteur, c'est-à-dire en faisant varier 02 ou enfin en faisant varier uniquement l'orientation du réseau, c'est-à-dire en faisant varier 0, et 02 tout en conservant 01 - 02 constant. Dans la description de tels dispositifs, on appelle traditionnellement - plan de dispersion - le plan perpendiculaire aux traits du réseau contenant le rayon central du faisceau incident et les rayons centraux des faisceaux dispersés par le réseau, c'est celui de la figure 3B. Pour chaque faisceau, on appellera -plan transverse - le plan perpendiculaire au rayon central et -plan longitudinal - le plan perpendiculaire au plan de dispersion contenant le rayon central. Le plan longitudinal est donc celui de la figure 3A. Sur les différentes figures annexées, la vue A est une vue dépliée, c'està-dire selon laquelle le faisceau dispersé 7 par le réseau 4 a été représenté dans le prolongement direct du faisceau incident 6 pour améliorer la lisibilité. La vue B est une représentation vue du dessus, c'est-à-dire dans un plan parallèle au plan de dispersion. La figure 4 avec ses vues A et B présente un premier mode de réalisation de l'invention. Un système optique convergent 8 au foyer duquel est placée l'extrémité 2 de la fibre d'entrée 1, collimate le faisceau 9 émis par l'extrémité de la fibre, de telle sorte que le faisceau incident 6 sur le réseau est un faisceau collimaté. Ainsi, le ou les faisceaux dispersés 7 sont des faisceaux également collimatés et un système optique convergent 10 focalise ces faisceaux dans son plan focal 4' o est placé un miroir 5 qui a une dimension d limitée dans le plan de dispersion tel que cela apparaît sur la figure 4B. Pour les longueurs d'onde correspondant aux faisceaux 7' se réfléchissant sur le miroir, le système se comporte en oeil-de-chat, et donc ces longueurs d'onde se recouplent en retour dans la fibre d'entrée, qu'elle soit monomode ou multimode. Ainsi, ce miroir ne renvoie vers le système optique 10 et donc vers le réseau 4, qu'une partie limitée du spectre, les longueurs d'onde correspondant aux faisceaux extérieurs 7" n'étant pas réfléchies. Ce flux découpé et reçu en retour par le système optique 8 puis par la fibre optique 1 qui joue ainsi dans ce mode de réalisation, le rôle de fibre optique d'entrée et de sortie. Différents dispositifs sont concevables pour séparer les flux d'entrée et flux de sortie, en particulier, de manière préférée, on a représenté sur la figure 2, un circulateur qui permet de réaliser cette séparation avec des pertes d'énergie minimales. La fibre d'entrée-sortie 1 reliée au dispositif de découpage 3 est donc reliée à son autre extrémité au circulateur 11 qui possède une entrée 12 et une sortie 13. Différents modes de réalisation préférés permettent la mis en oeuvre du dispositif décrit plus haut et augmentent chacun, la finesse de la bande spectrale découpée et, éventuellement, de permettre le découpage d'un plus grand nombre de bandes élémentaires dans le spectre large incident. Tel que représenté sur les figures 5A et 5B, on a mis en oeuvre un dispositif compensant les effets de polarisation connus susceptibles d'être introduits par le réseau 4 et de produire des effets parasites. A cet effet, le faisceau collimaté 6 émergeant du système optique 8 est divisé par le séparateur de polarisation 14 en deux faisceaux parallèles, respectivement 15 et 16, de polarisation croisée. Une lame;/2 17 modifie la polarisation du flux 16, de telle sorte que le flux 15 et le flux modifié 18 ont la même polarisation et subissent donc exactement les mêmes effets de la part du réseau 4. La lentille 10 fait converger chacun de ces faisceaux sur le miroir 5 qui échange leurs trajets, ce qui signifie que les trajets de retour des faisceaux 18 et 15 sont échangés après réflexion sur le miroir 5, le faisceau 18 empruntant au retour le chemin optique du faisceau 15 à l'aller et réciproquement. Ainsi, les faisceaux 18 et 15 sont recombinés au retour et ont subi exactement les mêmes effets du réseau 4. On évite ainsi tout effet parasite susceptible d'être produit par le réseau en fonction de la polarisation et donc on améliore la forme de la répartition spectrale du flux lumineux découpé. Sur les figures 6A et 6B, on a représenté un mode de réalisation dans 1o lequel la fibre de sortie 20 est distincte de la fibre d'entrée 1. A cet effet, on utilise à la place du miroir 5, un réflecteur 21 qui, vu dans le plan longitudinal, a la forme d'un dièdre alors qu'il garde une faible dimension d dans le plan de dispersion. Tel que représenté dans le plan longitudinal, ce dièdre 21 est positionné par rapport au système optique convergent 10 de telle sorte que, après réflexion sur chacune des faces du dièdre 21, les faisceaux entrants parallèles dans le système optique 10 convergent en un faisceau 41 dans le plan milieu 22 du dièdre 21 et émergent sous forme d'un faisceau symétrique 42, permettant ainsi que le faisceau 23 émis par la fibre 1 forme un faisceau 24 symétrique du faisceau 23 par rapport à l'axe optique 25 du système et soit reçu par la fibre 20 placée symétriquement par rapport à cet axe de la fibre d'entrée 1. Un tel dièdre est représenté plus en détail sur la figure 7 et ce composant peut être remplacé de manière analogue par l'ensemble représenté sur la figure 8 constitué par un biprisme 30 et un miroir 31. Le miroir 31 étant perpendiculaire à l'axe de symétrie du biprisme 30, un faisceau entrant 41 produisant le faisceau 33 par la déviation du biprisme 30 est convergent dans le plan du miroir 31 et réfléchi symétriquement. Le miroir 31 produisant un faisceau 32 qui, après déviation par le biprisme 30, produit un faisceau 42. Le faisceau 42 est symétrique du faisceau 41. Ce composant , 31 permet donc, comme le réflecteur 21, la réalisation d'un faisceau 35 à recevoir par la fibre 20 à partir du faisceau 23 émis par la fibre 1. Sur les figures 9 (9A, 9B, 9C), on a représenté un mode de réalisation de l'invention permettant à la fois de compenser les effets de polarisation comme indiqué plus haut, de linéariser la répartition du spectre, en fréquence, dans la zone de découpage et de compenser l'anamorphose habituellement introduit par le réseau. A cet effet, un séparateur de polarisation est placé après le système optique convergent 8 et décompose le faisceau lumineux incident 9 produit par la fibre optique d'entrée 1 en deux faisceaux 15 et 18. Un prisme 27 est alors placé sur les faisceaux et réalise une première dispersion précédent celle produite par le réseau 4. On sait qu'il est ainsi possible de produire par l'association du prisme 27 et du réseau 4, une dispersion linéaire en fréquence. o10 Les faisceaux lumineux sont alors repliés sur eux-mêmes par un réflecteur 26 qui les renvoient donc, en sens inverse, sur l'ensemble disperseur formé par le réseau 4 et le prisme 27. Pour une meilleure lisibilité, sur les figures 9, on a représenté de manière indépendante, sur la vue A, une représentation transverse du s15 dispositif telles que les vues A des figures 3, 4, 5, 6,sur la vue B, une vue dans le plan de dispersion correspondant à l'étage supérieur de la vue A et, sur la vue C, une vue dans ce même plan de dispersion de l'étage inférieur de la vue A. A l'étage supérieur, après une nouvelle dispersion par l'ensemble réseau 4-prisme 27, le système optique de collimation 10 focalise ces faisceaux sur le miroir 5 qui opère la sélection spectrale recherchée. Les faisceaux sélectionnés sont alors réfléchis et suivent un chemin inverse de celui décrit jusqu'à présent pour converger en retour sur l'extrémité 2 de la fibre 1. Ainsi, la séparation de polarisation permet une action symétrique du réseau lors de chacun de ces passages et évite donc tout effet perturbant, l'association d'un prisme et d'un réseau permet la linéarisation en fréquence dans le plan d'étalement du spectre, c'est-à-dire dans le plan du miroir 5, le double passage de chacun des faisceaux dans l'ensemble disperseur (réseau-prisme) assure la compensation de l'anamorphose et donc un couplage efficace du faisceau sortant dans la fibre 1. Ce quatrième mode de réalisation peut être utilisé en combinaison avec le troisième mode en remplaçant la fibre unique par une fibre d'entrée et une ou plusieurs fibres de sortie et en remplaçant le miroir par un ou plusieurs dièdres réflecteurs ou ensembles miroir-biprisme. Il peut être aussi utile d'associer chaque fibre avec une microlentille pour réduire la divergence du faisceau 9. Enfin, ce filtre peut être accordable en modifiant la position ou la largeur d du réflecteur, ou bien en plaçant en rotation le réseau ou l'ensemble système optique de collimation - réflecteur ou enfin le réflecteur de repliement 26. Associé à un détecteur, ce filtre permet de réaliser un analyseur de spectre optique de réponse spectrale rectangulaire. REVENDICATIONS 1. Filtre optique à réponse rectangulaire permettant le découpage d'un intervalle spectral limité dans un flux lumineux de spectre large comprenant: - une fibre optique d'entrée ayant une extrémité, -un ensemble réseau-réflecteur dans la configuration de Littman- Metcalf, - un système optique convergent de collimation au foyer duquel est placée l'extrémité de la fibre d'entrée, - un système optique convergent de focalisation placé entre le réseau l0 et le réflecteur, caractérisé en ce qu'au moins un réflecteur est placé dans le plan focal du système optique de focalisation et a une dimension limitée dans le plan de dispersion, la position et la dimension limitée du réflecteur dans le plan de dispersion déterminant l'intervalle spectral découpé. 2. Filtre optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre optique d'entrée est une fibre monomode. 3. Filtre optique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le flux lumineux de spectre limité produit est collecté dans une fibre optique de sortie distincte de la fibre d'entrée et de même type que celle-ci. 4. Filtre optique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs fibres optiques de sortie, chacune étant associée à un réflecteur, ces réflecteurs étant placés dans le plan focal du système optique de focalisation et ayant une dimension faible dans le plan de dispersion et déterminant un intervalle spectral particulier. 5. Filtre optique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le flux lumineux de spectre limité produit est collecté par la fibre d'entrée et que celle-ci porte un circulateur optique permettant de séparer le flux de sortie du flux entrant sans perte d'énergie. 6. Filtre optique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un réflecteur de repliement assurant un doublement des passages du faisceau lumineux sur le réseau. 7. Filtre optique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un séparateur de polarisation placé entre la fibre d'entrée et le réseau et produisant deux faisceaux lumineux élémentaires parallèles et polarisés orthogonalement l'un à l'autre, une lame;J2 étant placée sur l'un des faisceaux élémentaires de façon à produire deux faisceaux parallèles élémentaires polarisés dans une direction orthogonale aux traits du réseau, le réflecteur de la configuration de Littman-Metcalf renvoyant chaque faisceau élémentaire sur le chemin et en direction opposée de l'autre. 8. Filtre optique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le réflecteur de la configuration de Littman-Metcalf est un miroir plan. 9. Filtre optique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le réflecteur de la configuration de Littman-Metcalf est un miroir plan associé à un bi-prisme. 10. Filtre optique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le réflecteur de la configuration de Littman-Metcalf est un dièdre tronqué.