Brevet FR2818033A1 — publié le 20020614

L'invention concerne un module à diode laser pour transmettre une lumière laser émise au une diode laser via une fibre optique monomode disposée coaxialement à l'axe optique de la lumière laser. Les diodes laser sont généralement utilisées comme source de lumière dans le domaine des communications optiques ou celui des capteurs optiques. Dans la plupart des cas, du fait que la lumière laser est transmise dans des fibres optiques, le couplage de la diode laser et de la fibre optique est extrêmement important pour la constitution d'un système de communications optique ou d'un système de détection optique. Cependant, du fait que l'angle d'émission du faisceau d'une diode laser est très grand, de 30 à 60 dans une direction longitudinale et de 10 à 30 dans une direction latérale, en raison de la divergence par réfraction, et du fait que la diode laser possède une caractéristique selon laquelle sa tache optique diverge en une forme elliptique, il est difficile de contraindre la lumière elliptique et de l'introduire dans le coeur circulaire d'une fibre optique monomode. En particulier, une lumière laser ayant une longueur d'onde de 980 nm, utilisée comme lumière d'excitation pour un amplificateur à fibre optique, qui est un élément important pour des communications optiques, forme une tache optique elliptique aplatie ayant un rapport d'allongement (ellipticité = grand axe/petit axe) de 3 ou plus, de sorte qu'il est difficile de coupler la tache optique à une fibre optique monomode ayant un coeur circulaire, et un mauvais couplage entre la diode laser et la fibre optique réduit considérablement l'efficacité de la transmission. Compte tenu de ce qui précède, pour introduire dans une fibre optique, avec un rendement aussi élevé que possible, une lumière émise par une diode laser, ayant un rapport d'allongement élevé, on a tenté d'utiliser un condenseur ou une lentille de fibre optique formée par modification de la forme de l'extrémité supérieure de la fibre optique. La figure 6 présente un système de couplage entre une diode laser et une fibre optique, qui est connu dans l'état de la technique. La figure 6(a) montre un système de couplage à lentille de fibre optique à lentille, dans lequel l'extrémité supérieure d'une fibre optique monomode 42, qui se trouve en regard de la face 2 281 80U33 d'émission de lumière 41A d'une diode laser 41, est pourvue d'une face effilée ern forme de coin 43 ou d'une surface effilée en un cône elliptique. La figure 6(b) présente un système de couplage à lentille unique, dans lequel une lentille cylindrique 44 est placée à proximité de la face d'émission de lumière 41A d'une diode laser 41, pour convertir la lumière émise en une lumière circulaire, puis la faire pénétrer dans une fibre optique 42. Avec les systèmes décrits ci-dessus, il est possible d'obtenir un couplage avec des pertes relativement faibles, grâce au fait de régler la distance entre la face d'émission de lumière de la diode laser et la fibre optique à 5 - 10 pm dans le système de couplage à lentille de fibre optique présenté sur la figure 6(a), ou de régler la distance de la lentille cylindrique 44 à environ 10 pm dans le système de couplage à lentille unique présenté sur la figure 6(b). Cependant, du fait que la plupart des dispositifs laser disponibles dans le commerce sont conçus pour qu'une diode laser soit montée d'une manière étanche dans un logement du type boîtier, afin de stabiliser l'émission de la lumière laser, et que la surface de la partie d'étanchéité en verre du logement est située à une distance d'environ 1 mm de la face d'émission de lumière de la diode laser, on est confronté au problème selon lequel il est impossible d'adopter réellement le système de couplage de fibre optique à lentille présenté sur la figure 2 o 6(a) ou le système de couplage à lentille unique présenté sur la figure 6(b). De ce fait, pour introduire une lumière laser émise par un dispositif laser du type boîtier dans une fibre optique monomode, avec un rendement relativement élevé, il a été proposé d'utiliser un système de couplage à lentille composite confocale, qui convertit une lumière laser à travers une lentille sphérique 45 en une lumière parallèle, condense la lumière parallèle à l'aide d'une lentille en forme de baguette 46, pour l'introduire dans une fibre optique 42, comme on le voit sur la figure 6(c), ou bien un système qui convertit une lumière elliptique en une lumière circulaire à l'aide d'une lentille cylindrique hybride 47 ayant deux axes croisés, pour l'introduire dans une fibre optique 42, comme on le voit sur la figure 6(d). Cependant, comme on le voit sur la figure 7, dans un système de couplage à lentille composite confocale, une lentille à symétrie axiale classique ne peut pas introduire une lumière ayant un rapport d'allongement de 3 ou plus dans une fibre optique, avec des pertes de couplage de 2,2 dB ou moins (avec une efficacité de couplage de 60 % ou plus). En outre, dans le système qui utilise la lentille cylindrique hybride 47 ayant deux axes croisés, la structure et la fabrication de la lentille sont difficiles, ce qui augmente le coût, et, bien que le rendement de couplage soit plus élevé que celui que l'on obtient avec d'autres systèmes lorsque le couplage est effectué dans des conditions optimales, il est encore difficile d'obtenir un rendement de couplage de % ou plus. En conséquence, la présente invention est destinée à résoudre les problèmes techniques consistant à concevoir et fabriquer de manière simple et peu coûteuse un système de couplage de fibre optique, qui soit capable d'introduire dans une fibre optique monomode ayant un coeur circulaire, avec un rendement de couplage élevé de 60 % ou plus, une lumière laser ayant un rapport d'allongement élevé, émise sous une forme elliptique divergente par une diode laser montée d'une manière étanche dans un logement. Pour obtenir l'objet ci-dessus, la présente invention comprend un module à diode laser servant à émettre une lumière laser ayant une tache optique de forme elliptique, émise par une diode laser, par l'intermédiaire d'une fibre optique monomode ayant un coeur circulaire, le module à diode laser comprenant: une diode laser qui émet une lumière laser ayant un axe optique z et formant une image en champ proche NFP (pour "Near Field Pattern"), sur laquelle la direction du grand axe est définie comme la direction x et la direction du petit axe est définie comme la direction y; un système optique qui est disposé le long de l'axe optique z de la lumière laser émise par la diode laser, et qui agrandit l'image en champ proche de la diode laser d'un facteur compris entre deux et dix; une fibre optique du type GI (à gradient d'indice) à coeur elliptique, ayant un coeur de section transversale elliptique, qui est placée à une certaine position de formation d'image du système optique, la direction du grand axe et la direction du petit axe étant respectivement alignées avec les directions x et y de l'image en champ proche; et une fibre optique monomode qui est raccordée à une extrémité d'émission de lumière de la fibre optique du type GI à coeur elliptique, la fibre optique du type GI à coeur elliptique ayant une longueur telle que, lorsqu'une lumière monomode ayant une tache optique de forme circulaire et une longueur d'onde identique à celle de la lumière laser est introduite par l'une de ses extrémités, la fibre émet, par son autre extrémité, une lumière ayant une tache optique de forme elliptique, dont le rayon dans la direction x et le rayon dans la direction y sont, respectivement, essentiellement égaux au rayon du grand axe et o10 au rayon du petit axe de l'image en champ proche. Selon la présente invention, dans un cas dans lequel l'image en champ proche, correspondant au diagramme de rayonnement d'une lumière laser juste après l'émission par la diode laser (diagramme de rayonnement en champ proche), se présente sous la forme d'un diagramme elliptique dont le grand axe est orienté dans la direction latérale, et qui a un rapport d'allongement de 3,5, la lumière est transmise à travers un système optique d'agrandissement, tel qu'une lentille convexe à symétrie axiale, et forme une image qui est agrandie de deux à dix fois, au niveau de la face d'extrémité incidente de la fibre optique du type GI à coeur elliptique. Dans ce cas, lorsque le rapport d'agrandissement est de deux ou plus, du fait que l'angle d'incidence de la fibre optique du type GI à coeur elliptique est de 11 ou moins, tant dans la direction longitudinale que dans la direction latérale, il est inférieur à l'angle d'incidence critique déterminé par l'ouverture numérique de la fibres optique en quartz, à savoir ON = 0,2. En conséquence, la majeure partie de la lumière laser qui est émise par la diode laser pénètre dans la fibre optique du type GI à coeur elliptique. Dans la fibre optique du type GI à coeur elliptique, du fait que la section transversale du coeur a une forme elliptique, les variations dans la direction x de la période et de l'amplitude du rayon de la tache optique d'une lumière qui se propage à travers le coeur sont différentes de ces mêmes variations dans la direction y, les directions x et y correspondant respectivement à la direction du grand axe et à celle du petit axe, et, plus précisément, les deux variations sont plus grandes dans la direction x que dans la direction y. Lorsqu'une lumière monomode, ayant une tâche optique de forme circulaire et une longueur d'onde identique à celle de la lumière laser, pénètre par une extrémité de la fibre, il est émis, à l'autre extrémité de la fibre, une lumière ayant une tache optique de forme elliptique ou circulaire, selon la longueur de cette fibre. En conséquence, en choisissant correctement la longueur de la fibre optique du type GI à coeur elliptique, on peut faire en sorte que la forme elliptique de la tache optique de la lumière émise par l'autre extrémité de la fibre, lors de l'incidence d'une lumière monomode, ait un grand axe et un petit axe o10 essentiellement identiques à ceux de l'image en champ proche. Lorsqu'une image en champ proche réelle est introduite à l'aide de la fibre optique du type GI à coeur elliptique ayant cette longueur déterminée, du fait que la lumière voyage dans les deux sens et que la lumière ayant une tache optique de forme elliptique est convertie en une lumière monomode ayant une tache optique de forme circulaire, il est possible de l'introduire avec un rendement de couplage élevé dans une fibre optique monomode. la figure 1 est une représentation schématique de la construction de base d'un module à diode laser selon la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe transversale du module à diode laser; la figure 3 est une vue en coupe transversale d'une fibre optique du type GI à coeur elliptique; la figure 4 présente la distribution de l'indice de réfraction d'une fibre optique GI à coeur elliptique; la figure 5 est un graphique présentant la variation des rayons de la tache optique de la lumière se propageant dans une fibre optique GI à coeur elliptique; la figure 6 est une vue explicative illustrant différents systèmes de couplage de modules à diode laser; et la figure 7 est un graphique présentant la relation entre le rapport d'allongement et les pertes de couplage. L'invention va maintenant être expliquée au moyen d'un mode de réalisation préféré, par référence aux dessins. Un module à diode laser 1 présenté sur la figure 1 et la figure 2 est conçu pour envoyer une lumière émise par une diode laser 2, par l'intermédiaire d'une fibre optique monomode 3 disposée coaxialement à l'axe optique de cette dernière. En supposant que la direction du grand axe et la direction du petit axe de l'image en champ proche, qui est le diagramme de rayonnement de la tache optique d'un laser sur une face d'émission de lumière 2out de la diode laser 2, correspondent à la direction x et à la direction y, une lentille convexe à symétrie axiale (système optique) 4 servant à agrandir l'image en champ proche d'un facteur compris entre deux et dix est disposé le long de l'axe optique z d'une lumière laser z. Une fibre optique du type GI à coeur elliptique 5 ayant un coeur de section transversale elliptique, dont la direction du grand axe et la direction du petit axe sont respectivement alignées avec la direction x et la direction y de l'image en champ proche, est placée à une certaine position de formation d'image de la lumière. Une fibre optique monomode 3 est raccordée à une extrémité d'émission de lumière 50ut de la fibre 5. La diode laser 2 est montée de manière étanche dans un logement du type boîte 6, de telle sorte que la lumière laser soit émise vers l'extérieur à travers une partie d'étanchéité en verre 7. Un support de lentille cylindrique 8 à l'intérieur duquel est disposée une lentille convexe à symétrie axiale est soudé au laser YAG au logement 6. En outre, une fibre optique monomode 3, à l'extrémité supérieure de laquelle une fibre optique du type GI à coeur elliptique 5 est raccordée par fusion, est insérée à travers une virole 9, en coaxialité avec cette dernière, et un manchon 10, dans lequel est insérée et fixée la virole 9, est soudé au laser YAG au support de lentille 8. La fibre optique du type GI à coeur elliptique 5 est formée en une ellipse dont le grand axe est dirigé dans la direction latérale et qui est similaire à l'image en champ proche, de telle sorte que le rapport d'allongement de l'ellipse au niveau de la section transversale du coeur soit essentiellement égal au rapport d'allongement de l'image en champ proche, tel que présenté sur la figure 3. En outre, on utilise une fibre optique à gradient d'indice (fibre optique du type GI) ayant une forme de distribution parabolique, tant dans la direction x que dans la direction y, dans laquelle les gradients de distribution des indices de réfraction dans les deux directions sont différents l'un de l'autre, comme on le voit sur la figure 4. D'une manière générale, les rayons de la tache optique d'une lumière monomode qui se propage à travers une fibre optique varient périodiquement en fonction de la distance de propagation. Dans la lumière monomode se propageant à travers la fibre optique du type GI à coeur elliptique 5, les variations de la période et de l'amplitude des rayons de la tache optique sont différentes entre la direction x et la direction y, les deux variations étant plus grandes dans la direction x que dans la direction y. Ensuite, lorsqu'une lumière monomode ayant une longueur d'onde identique à celle de la lumière laser est introduite par une extrémité de cette fibre optique, une lumière dont la tache optique a une forme elliptique ou circulaire, selon la longueur de la fibre optique du type GI à coeur elliptique 5, est émise par l'autre extrémité, comme on le voit sur la figure 5. En conséquence, en choisissant correctement la longueur de la fibre optique du type GI à coeur elliptique, il est possible de faire en sorte que, lorsqu'une lumière monomode est introduite à une extrémité, la forme elliptique de la tache optique d'une lumière émise par l'autre extrémité ait un grand axe et un petit axe essentiellement identiques à ceux de l'image en champ proche. Du fait que la lumière se propage dans les deux sens, lorsqu'une image en champ proche est concentrée au niveau de l'extrémité d'incidence de la lumière in, de la fibre optique du type GI à coeur elliptique 5, I'extrémité d'émission de lumière 5out émet une lumière monomode dont la tache optique a une forme circulaire, qui est ensuite introduite dans la fibre optique monomode 3. Nous avons décrit ci-dessus un exemple de construction du module à diode laser 1 selon la présente invention dessus, et nous allons maintenant en expliquer le fonctionnement. L'explication concerne un cas dans lequel on introduit, dans une fibre optique monomode 3 dont le rayon du coeur est de 6,2 pm, une lumière laser émise par la diode laser 2, à une longueur d'onde de 980 nm, avec un rapport d'allongement de 3,5, o le rayon dans la direction x est coxo = 2,43 pm et le rayon dans la direction y est 0oo = 0,7 pm. Dans la présente description, l'étendue de la tache optique s'entend comme englobant la région de la distribution dans laquelle l'intensité lumineuse s'écarte de moins de 1/e2 de l'intensité lumineuse au centre. En supposant que le rapport d'agrandissement m de la lentille convexe à symétrie axiale 4 est égal à 10, et en appelant do la distance entre la face d'émission de lumière 2a de la diode laser 2 et la lentille convexe à symétrie axiale 4 et d1 la distance entre la lentille convexe à symétrie axiale 4 et la position de formation d'image, on obtient l'équation suivante: dl = m.do Du fait que d1 = 20 mm lorsque d2 = 2 mm, la fibre optique du type GI à coeur elliptique 5 est placée à une position à laquelle la distance entre la lentille convexe à symétrie axiale 4 et l'extrémité d'incidence de la lumière 5i, est de mm. Le rapport d'agrandissement étant égal à 10, la taille de l'image en champ proche réelle à la position de formation d'image est telle que le rayon dans la direction x est COx = 24,3 pm et le rayon dans la direction y est coy = 7, 0 pm. D'autre part, lorsqu'une lumière monomode ayant une longueur d'onde X est introduite dans la fibre optique du type GI à coeur elliptique 5, le rayon 03x dans la direction x et le rayon oey dans la direction y varient au fur et à mesure de la propagation dans le coeur, comme on le voit sur la figure 5. En appelant Cx la variation de la période dans la direction x, et respectivement cox1 et (Ox2 les valeurs Maxi et Mini des rayons des taches, on obtient les équations suivantes: Cx = 2c x ax/ (2A COxi x X2 = ( c/n) x ax / o A = (n1- n2)/n2 ax: axe du coeur 3 o n1: indice de réfraction au niveau du coeur central n2: indice de réfraction au niveau de la gaine X: longueur d'onde. On établit les mêmes équations que celles de la direction x pour les valeurs de la direction y. Dans la présente forme de réalisation, lorsque la lumière monomode ayant une longueur d'onde de 980 nm et un rayon de tache Cox1 = oy% = 3,10 pm est introduite dans la fibre optique du type GI à coeur elliptique 5, ayant un [ = 1,0 %, et qu'il faut émettre une tache elliptique dont le rayon dans la direction x est Oex2 = 24,3 pm et le rayon dans la direction y est Q)y2 = 7,0 pm, on peut déterminer les rayons ax et ay du coeur et la longueur L du coeur à partir des équations ci- dessus: ax = 49,6 pm ay = 14,3 pm L = 550,9 pm. En conséquence, lorsqu'une fibre optique du type GI à coeur elliptique 5, dont le coeur a un rayon de 99,2 pm dans la direction x, un rayon de 28,6 pm dans la direction y et une longueur de 550,9, est raccordée par fusion à l'extrémité supérieure d'une fibre optique monomode 3 et qu'une lumière laser d'une image en champ proche réelle est introduite dans l'extrémité d'incidence de la lumière 5in de la fibre optique du type GI à coeur elliptique 5, la lumière se propage dans les deux sens et une lumière monomode ayant une longueur d'onde de 980 nm est émise par l'extrémité d'émission de lumière de la fibre 5, puis est introduite dans une fibre monomode 3 ayant un coeur dont le rayon est égal à 6,2 pm. Dans le cas dans lequel la lumière laser émise par la diode laser 2 diverge à un angle de rayonnement de 30 , le rayon dans la direction y est d'environ 2,3 mm, à la position de la lentille 4. Du fait que la position de formation de l'image est espacée de 20 mm de la lentille 4, I'angle de la lumière condensée est d'environ 6,5 , ce qui est inférieur à l'angle d'incidence critique de 11 déterminé par l'ouverture numérique ON de 0,2 de la fibre en quartz. 3 0 En outre, du fait que l'angle de rayonnement dans la direction x est plus petit que dans la direction y, I'angle de la lumière condensée est naturellement de 6,5 ou moins, ce qui est également inférieur à l'angle d'incidence critique de 110. Par conséquent, la plus grande partie de la lumière, après avoir traversé la lentille, tombe sur la fibre optique du type GI à coeur elliptique 5 avec des pertes de couplage peu importantes. Comme on l'a décrit ci-dessus, on peut obtenir un rendement de couplage global allant jusqu'à 80 %, ce qui excède la limite théorique de 60 % dans le cas o l'on utilise le système à lentille à symétrie axiale. Lorsqu'on fait en sorte que le profil extérieur de la fibre optique du type GI à coeur elliptique 5 soit identique au profil extérieur de la fibre optique monomode 3, ces fibres peuvent être facilement raccordées l'une à l'autre par fusion. Dans ce cas, lorsqu'on fait en sorte que le rapport d'agrandissement de la lentille convexe à symétrie axiale 4 soit supérieur à 10 X, dans la pratique, la distance entre la lentille convexe à symétrie axiale 4 et l'extrémité d'incidence de la lumière 5in de la fibre optique du type GI à coeur elliptique 5 excède 20 mm, ce en conséquence de quoi la taille du module est agrandie et son coût augmente. De plus, I'angle d'inclinaison possible pour la fibre optique du type GI à coeur elliptique 5 n'est que de + 0,3 sur une plage de pertes de couplage de 1 dB, ce qui réduit le rendement lors de l'assemblage du module laser. D'autre part, dans le cas o l'on utilise une lentille convexe à symétrie axiale 4 ayant un rapport d'agrandissement inférieur à 2 X et ayant un axe lui permettant de recevoir 90 % de la lumière laser émise par la diode laser, du fait que l'angle de la lumière condensée est agrandi, cela crée parfois un problème selon lequel la lumière ne peut pas être recueillie dans la fibre optique du type GI à coeur elliptique 5 ayant une ouverture numérique ON = 0,2. De plus, la tolérance admissible pour le déplacement en position dans la direction orthogonale de la fibre optique du type GI à coeur elliptique 5 n'est que de + 0,7 pm sur une plage de pertes de couplage de I dB, ce qui réduit le rendement lors de l'assemblage. En conséquence, le rapport d'agrandissement de la lentille est limité à un facteur compris entre 2 et 10, et, de préférence, un facteur compris entre 3 et 5. Bien que l'on ait expliqué ci-dessus un cas dans lequel la lentille convexe à symétrie axiale 4 est placée à l'extérieur du logement 6, elle peut également être 1 1 2818033 placée à l'intérieur du logement 6. En outre, bien que la lentille convexe à symétrie axiale 4 soit décrite comme un élément distinct, elle peut faire partie intégrante de la partie d'étanchéité en verre 7 du logement 6. En outre, le système optique d'agrandissement n'est pas limité à un système à lentille unique du type lentille convexe à symétrie axiale 4, mais plusieurs lentilles peuvent être utilisées en combinaison. Comme décrit ci-dessus, la présente invention peut offrir un excellent effet, capable de convertir la plus grande partie de la lumière rayonnée sous la forme d'une tache optique de forme elliptique en une tache de forme circulaire et de l'introduire dans la fibre optique monomode avec un très haut rendement de couplage, même dans le cas dans lequel la lentille est inévitablement espacée de la diode laser comme dans une diode laser montée de manière étanche dans un logement. En outre, le fait qu'une lentille, et une fibre optique monomode ayant une fibre optique du type GI à coeur elliptique couplée à son extrémité supérieure, puissent être fixées successivement à l'extérieur du logement par rapport à la diode laser fixée à l'intérieur du logement, offre l'avantage selon lequel la conception est aisée et les opérations de fabrication peuvent être réduites, ce qui 2o0 diminue les coûts de fabrication. Revendications 1. Module à diode laser (1) servant à émettre une lumière laser ayant une tache optique de forme elliptique, émise par une diode laser (2), par l'intermédiaire d'une fibre optique monomode (3) ayant un coeur circulaire, le module à diode laser (1) étant caractérisé en ce qu'il comprend: une diode laser (2) qui émet une lumière laser ayant un axe optique z et formant une image en champ proche, sur laquelle la direction du grand axe est définie comme la direction x et la direction du petit axe est définie comme la direction y; un système optique (4) qui est disposé le long de l'axe optique z de la lumière laser émise par la diode laser (2), et qui agrandit l'image en champ proche de la diode laser d'un facteur compris entre deux et dix; une fibre optique du type GI (à gradient d'indice) à coeur elliptique (5), ayant un coeur de section transversale elliptique, qui est placée à une certaine position de formation d'image du système optique (4), la direction du grand axe et la direction du petit axe étant respectivement alignées avec les directions x et y de l'image en champ proche; et une fibre optique monomode (3) qui est raccordée à une extrémité d'émission de lumière (5out) de la fibre optique du type GI à coeur elliptique (5), la fibre optique du type GI à coeur elliptique (5) ayant une longueur telle que, lorsqu'une lumière monomode ayant une tache optique de forme circulaire et une longueur d'onde identique à celle de la lumière laser est introduite par l'une de ses extrémités, la fibre émet, par son autre extrémité, une lumière ayant une tache optique de forme elliptique, dont le rayon dans la direction x et le rayon dans la direction y sont, respectivement, essentiellement égaux au rayon du grand axe et au rayon du petit axe de l'image en champ proche. 2. Module à diode laser (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la diode laser (2) est montée d'une manière étanche dans un logement (6), et la lumière laser émise par la diode traverse une partie d'étanchéité en verre (7) et pénètre dans la fibre optique du type GI à coeur elliptique (5). 3. Module à diode laser (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un support de lentille cylindrique (8) à l'intérieur duquel est disposée une lentille convexe à symétrie axiale (4) est fixé au logement (6), et un manchon dans lequel est alignée et fixée la fibre optique monomode (3), à l'extrémité supérieure de laquelle est raccordée la fibre optique du type GI à coeur elliptique (5), est attaché au support de lentille (8). 4. Module à diode laser (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lentille convexe à symétrie axiale (4) est placée dans le logement ou bien fait partie intégrante de la partie d'étanchéité en verre du logement.