Brevet FR2849919A1 — publié le 20040716

La présente invention concerne un dispositif d'injection - soustraction de composantes spectrales pour fibres optiques. La Figure 1 est une représentation schématique d'un système d'analyse spectrale à fibres optiques tel que mis en oeuvre dans un dispositif de l'art 5 antérieur. Une fibre optique d'entrée 1 ayant une extrémité 2 et destinée à transporter un flux lumineux d'entrée 3 comportant n composantes spectrales à des longueurs d'onde centrales différentes (X1, 12,..., Xn) éclaire un réseau de diffraction 4. Ce réseau 4 sépare spatialement le flux lumineux d'entrée 3 qui est reçu par n fibres optiques 5 placées dans un plan de sortie. Ces n fibres 5 lo définissent une ou n composantes spectrales. Bien que parfaitement opérationnels, les dispositifs existants ont l'inconvénient de ne pas être facilement modifiables puisqu'ils sont réglés par construction. Leur ajustement nécessite des réglages optiques précis et difficiles à réaliser, entraînant des cots élevés. L'objectif de la présente invention est donc de proposer un dispositif simple dans sa conception et dans son mode opératoire permettant la modification de la répartition spectrale des flux lumineux transportés par des fibres optiques. Cette modification est alors réalisable de différentes façons (bandes sélectionnées, balayage spectral, ...) et avantageusement 20 reconfigurable en un temps très court sans qu'aucun réglage optique ne soit nécessaire. Le dispositif permet d'irradier également plusieurs jeux de fibres optiques séparément ou simultanément. A cet effet, l'invention concerne un dispositif d'injection - soustraction de composantes spectrales pour fibres optiques comportant: - au moins une fibre optique d'entrée ayant une extrémité et destinée à transporter un flux lumineux d'entrée comportant au moins une composante spectrale, chacune des composantes spectrales ayant une longueur d'onde centrale différente (X1, 12,..., Xn), - au moins une fibre optique de sortie ayant une extrémité et destinée à 30 transporter un flux lumineux de sortie ayant au moins une des composantes spectrales dudit flux lumineux d'entrée, - au moins un système dispersif recevant au moins un desdits flux lumineux d'entrée issus desdites fibres optiques d'entrée, Selon l'invention, il comporte un système optoélectronique recevant les 35 composantes spectrales des flux lumineux d'entrée séparées par lesdits systèmes dispersifs, ledit système étant placé dans un plan optiquement conjugué des extrémités des fibres optiques d'entrée et de sortie et comprenant: * des premiers moyens de direction des flux lumineux, chacun 5 desdits moyens de direction étant montés sur des moyens d'orientation individuels, l'ensemble étant monté sur un support, * des moyens de commande électroniques programmables desdits moyens d'orientation, permettant l'envoi d'au moins une composante spectrale d'un des flux lumineux 1o d'entrée issus dudit système optoélectronique vers des deuxièmes moyens de direction des flux lumineux de sortie pour diriger lesdits flux lumineux vers les fibres optiques de sortie. La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être 15 considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - les premiers moyens de direction des flux lumineux comportent des micromiroirs, - les premiers moyens de direction des flux lumineux comprennent des 20 systèmes dispersifs, - chacun des premiers moyens de direction des flux lumineux reçoit une seule composante spectrale des flux lumineux d'entrée, - les deuxièmes moyens de direction des flux lumineux de sortie comprennent des miroirs, - les deuxièmes moyens de direction des flux lumineux de sortie comportent des systèmes dispersifs, - les systèmes dispersifs comprennent des réseaux de diffraction, - les réseaux de diffraction sont utilisés en montage soustractif, - les fibres optiques de sortie sont placées dans des plans de sortie 30 différents, - il a une profondeur de champ susceptible d'être adaptée par le système optoélectronique, - il ne comprend qu'une fibre optique d'entrée destinée à transporter un ensemble de flux lumineux d'entrée à des longueurs d'ondes centrales différentes (X1, 12,..., Xn), une fibre optique de sortie destinée à transporter un desdits flux lumineux et il constitue alors un spectromètre à fibres optiques. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un système d'analyse spectrale de l'art antérieur décrit plus haut; -la figure 2 est une représentation schématique du dispositif d'injection soustraction, selon l'invention; - la figure 3a) est une représentation schématique d'un 10 spectromètre à balayage sans pièce mobile, selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention et pour une première configuration des micromiroirs. La Fig. 3b) montre le signal d'entrée et le signal de sortie dudit spectromètre; - la figure 4a) est une représentation schématique d'un 15 spectromètre à balayage sans pièce mobile, selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention et pour une deuxième configuration des micromiroirs. La Fig. 4b) montre le signal d'entrée et le signal de sortie dudit spectromètre; - la figure 5 est une représentation schématique d'un dispositif 20 d'injection-soustraction multiplexeur-demultiplexeur, selon un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention; - la figure 6 représente schématiquement un dispositif d'injection soustraction dans un mode de réalisation de l'invention. La Fig. 6a) montre ledit dispositif avec son enveloppe protectrice. La Fig. 6b) représente 25 schématiquement une coupe suivant l'axe A - A dudit dispositif. La Fig. 6c) montre le signal de sortie du dispositif d'injection - soustraction dans différents modes de mise en oeuvre de l'invention en tant que filtre optique programmable; La présente invention vise à réaliser un dispositif de sélection en 30 longueurs d'onde couplé à des fibres optiques, facilement reconfigurable sans nécessiter de réglage optique. On cherche à sélectionner au moins une composante spectrale de longueur d'onde ?4 d'un flux lumineux d'entrée 3 issu d'au moins une fibre optique d'entrée 1 pour soit l'injecter dans au moins une fibre optique de sortie 5, soit la rejeter. Le dispositif présenté est donc un 35 dispositif d'injection - soustraction de composantes spectrales pour fibres optiques. D'autres objets et réalisations de l'invention seront explicités dans la description qui suit en combinaison avec les dessins annexés. Le dispositif d'injection - soustraction de composantes spectrales pour fibres optiques, selon l'invention, comprend au moins une fibre optique d'entrée 5 1 ayant une extrémité 2 et destinée à transporter un flux lumineux d'entrée 3 comportant au moins une composante spectrale, chacune des composantes spectrales ayant une longueur d'onde centrale différente (X1, 12,..., Xn). Les flux lumineux d'entrée 3 issus des fibres optiques d'entrée 1 sont envoyés sur au moins un système dispersif 4. Avantageusement, ces systèmes dispersifs 4 io comprennent des réseaux de diffraction. Les systèmes dispersifs 4 séparent angulairement les composantes spectrales des flux lumineux d'entrée 3 reçus, i.e. les composantes spectrales qui sont centrées sur des longueurs d'onde différentes, quittent le système dispersif 4 à des angles différents les unes des autres. Lesdites composantes dispersées des flux lumineux d'entrée 3 sont 15 alors envoyées vers un système optoélectronique 8. Ce système 8 est placé dans un plan optiquement conjugué des extrémités 2 des fibres optiques d'entrée 1. La Figure 2 montre un premier mode de réalisation préféré dudit dispositif dans lequel le système optoélectronique 8 comporte des micromiroirs 20 9 recevant les composantes spectrales des flux lumineux d'entrée 3 séparées par lesdits systèmes dispersifs 4. Ces micromiroirs 9 sont des systèmes microélectro - mécaniques (MEMS - micro-electro mechanical systems). Ils sont disposés en colonnes et leur nombre est au moins égal au nombre de composantes spectrales séparées par les systèmes dispersifs 4 et reçues par 25 ledit système optoélectronique 8 de sorte qu'une seule composante spectrale est affectée à un micromiroir 9 particulier. Chacun des micromiroirs 9 est monté sur des moyens d'orientation individuels 10, l'ensemble étant monté sur un support 11. Dans un mode de réalisation, ces moyens d'orientation individuels 10 sont actionnés par un système électrique, lui - même commandé par un 3o dispositif électronique. Cette réalisation permet avantageusement de contrôler chacune des composantes spectrales en orientant le micromiroir 9 correspondant de sorte à soit rejeter la composante spectrale, soit injecter le flux lumineux de sortie 7 transportant cette composante spectrale vers une fibre optique de sortie 5 déterminée. Cette injection est alors réalisée en envoyant 35 cette composante spectrale d'un des flux lumineux d'entrée 3 issus dudit système optoélectronique 8 vers des deuxièmes moyens 12 de direction des flux lumineux de sortie 7 pour diriger ledit flux 7 vers la fibre optique de sortie 5 voulue. La sélection des composantes spectrales par le dispositif optoélectronique 8 est facilement modifiable par simple commande des 5 moyens d'orientations 10 des micromiroirs 9 sans qu'aucun réglage optique ne soit nécessaire. Dans un second mode de réalisation préféré, le dispositif optoélectronique 8 comporte des systèmes dispersifs 9. Ces systèmes dispersifs 9 sont avantageusement des réseaux de diffraction. Chacun des 10 réseaux de diffraction 9 est monté sur des moyens d'orientation 10 individuels, l'ensemble étant monté sur un support 11. Dans un mode de réalisation, ces moyens d'orientation 10 individuels sont actionnés par un système électrique, lui - même commandé par un dispositif électronique. Dans un mode de réalisation, ces réseaux 9 sont réalisés uniformément sur toute la surface du 15 dispositif optoélectronique 8. Dans un autre mode de réalisation, ils sont réalisés sur une partie seulement de la surface du dispositif optoélectronique 8 soit sous forme d'une bande, soit sous la forme d'une pluralité de bandes. Le montage des réseaux de diffraction 9 sur des moyens d'orientation individuels 10, permet avantageusement de contrôler chacune des composantes 20 spectrales en orientant le réseau 9 correspondant de sorte à soit rejeter la composante spectrale, soit injecter le flux lumineux de sortie 7 transportant la composante spectrale sélectionnée vers une fibre optique de sortie 5 déterminée. Cette injection est alors réalisée en envoyant cette composante spectrale d'un des flux lumineux d'entrée 3 issus dudit système 25 optoélectronique 8 vers des deuxièmes moyens 12 de direction des flux lumineux de sortie 7 pour diriger ledit flux 7 vers la ladite fibre optique de sortie 5. Ces deuxièmes moyens 12 pour diriger les flux lumineux 7 de sortie comprennent dans un premier mode de réalisation préféré des miroirs. Dans un 30 deuxième mode de réalisation préféré, ils comportent des réseaux de diffraction. L'ensemble des réseaux de diffraction 4, 12 est alors utilisé en montage soustractif. On entend par montage soustractif, un montage dans lequel les composantes spectrales des flux lumineux d'entrée 3 issus des fibres optiques d'entrée 1 sont dispersées par au moins un premier réseau 4 35 (système dispersif) et superposées spatialement à la sortie du système optoélectronique 8 par au moins un deuxième réseau 12 (deuxième moyens de direction des flux lumineux de sortie 7). Les flux lumineux de sortie 7 transportant les composantes spectrales sélectionnées au niveau du dispositif optoélectronique 8 sont alors dirigés vers au moins une fibre optique de sortie 5 5 ayant une extrémité 6. Le système optoélectronique 8 est placé dans un plan optiquement conjugué des extrémités 6 des fibres optiques de sortie 5. Dans un mode de réalisation, les fibres optiques de sortie 5 sont placées dans des plans de sortie différents. Dans un autre mode de réalisation, la profondeur de champ du dispositif d'injection - soustraction est susceptible d'être adaptée par 1o reconfiguration appropriée du système optoélectronique 8. Le système optoélectronique 8 est utilisé comme filtre monochromatique spatial. Les éléments du dispositif selon l'invention ne sauraient être limités à la description qui précède et sont susceptibles de modifications avec l'évolution des technologies. Des substitutions et/ou des modifications dans la structure 15 générale et dans les détails du présent dispositif peuvent être réalisées par un homme du métier sans s'écarter de l'esprit de la présente invention. Par exemple, le réseau de diffraction 9 réalisé sur la surface du dispositif optoélectronique 8 peut être composite, ces caractéristiques optiques étant alors fonction de la position de ses moyens d'orientation individuels 10. Dans 20 cet esprit, le nombre de traits du réseau de diffraction varie soit continment, soit par pas, soit séquentiellement. Dans un premier exemple de mise en oeuvre (Figure 3), le dispositif d'injection - soustraction comprend une fibre optique d'entrée 1 destinée à transporter un ensemble de flux lumineux d'entrée 3 centrés à des longueurs 25 d'ondes différentes (X1, X2,..., Xn) et une seule fibre optique de sortie 5 destinée à transporter au moins un desdits flux lumineux 3. Le dispositif constitue avantageusement un spectromètre à balayage sans pièce mobile. L'ensemble des flux lumineux d'entrée 3 de la fibre optique d'entrée 1 est dirigé vers un premier système dispersif 4 qui produit des flux lumineux 3 séparés. Ces flux 30 lumineux 3 séparés tombent sur un système optoélectronique 8 comprenant des micromiroirs 9. Des moyens de commande électroniques programmables permettent de commander les micromiroirs 9 pour balayer le spectre continment, par pas ou par bandes spectrales et envoyer le spectre vers un deuxième système dispersif 12 qui focalise lesdits flux 3 vers la fibre optique de 35 sortie 5. Les systèmes dispersifs 4, 12 sont placés en position soustractive. La figure 3a) montre une première configuration des micromiroirs qui sont placés sur un même plan et ont une même orientation horizontale. Un signal d'entrée 13 (Fig. 3b) envoyé par la fibre optique d'entrée 1 est récupéré sur la fibre optique de sortie 5 inchangé. Il présente néanmoins une pureté spectrale 5 beaucoup plus grande du fait du double passage sur un système dispersif 4, 12. La première courbe 13 montre le signal d'entrée sur un domaine de longueur d'onde [Xa,..., Xb] et la deuxième courbe 14 montre le signal de sortie. Les axes des abscisses 15 et des ordonnées 16 représentent respectivement le domaine des longueurs d'onde (en nm) et l'intensité du signal en unités 10 arbitraires. La figure 4a) montre ledit spectromètre à balayage pour une deuxième configuration des micromiroirs. Certains de ces micromiroirs 9a ont été actionnés par un système électrique pour prendre une orientation permettant le rejet de certaines composantes spectrales du signal d'entrée tandis que les autres micromiroirs 9b sont restés inchangés et présentent une 15 orientation horizontale. La Fig. 4b) montre le signal d'entrée et le signal de sortie dudit spectromètre. Les mêmes références à la Figure 4 que celles utilisées dans la Figure 3 représentent les mêmes éléments. Ce spectromètre est avantageusement reconfigurable en un temps très court (quelques dizaines de ms) permettant l'obtention de diverses répartitions spectrales à partir d'un 20 spectre d'entrée donné. Si le deuxième réseau de diffraction est remplacé par un miroir sphérique stigmatique, on réalise alors un spectromètre d'analyse spectrale. Dans un autre exemple de mise en oeuvre, on peut réaliser un dispositif d'injection - soustraction multiplexeur-demultiplexeur. Le dispositif d'injection 25 soustraction (Figure 5) comprend une fibre optique d'entrée 1 ayant une extrémité 2 et destinée à transporter un ensemble de flux lumineux d'entrée 3 à des longueurs d'ondes centrales différentes (X1, ?2,..., X,1) et des fibres optiques de sortie 5, 17-18 destinées à transporter chacune au moins une des composantes spectrales desdits flux lumineux d'entrée 3 (Figure 4). 30 L'ensemble des flux lumineux d'entrée 3 est envoyé sur un premier réseau de diffraction 4 qui disperse les composantes spectrales des flux lumineux d'entrée 3 sur un système optoélectronique 8 comprenant des micromiroirs 9. Des moyens de commande électroniques programmables permettent de commander les micromiroirs 9 individuellement pour orienter une partie des 35 composantes spectrales séparées des flux lumineux d'entrée 3 vers un deuxième réseau de diffraction 12 qui focalise ces composantes spectrales sélectionnées et transportées par des flux lumineux de sortie 7 vers une première fibre optique de sortie 5. Par une rotation différente de certains des micromiroirs 9 du système optoélectronique 8, on envoie une autre partie des 5 composantes spectrales vers un troisième réseau 19 de diffraction qui focalise les flux lumineux de sortie 7 transportant ces composantes spectrales vers une deuxième fibre optique de sortie 17. D'autres composantes spectrales des flux lumineux d'entrée sont envoyées simultanément par des rotations différentes de certains micromiroirs 9 du système optoélectronique 8 vers un quatrième 1o réseau de diffraction 20 qui focalise les flux lumineux de sortie 7 transportant lesdites composantes vers une troisième fibre optique de sortie 18. Ces fibres optiques de sortie 5, 17-18 sont positionnées dans des plans de sortie différents. Le dispositif décrit plus haut concerne un démultiplexeur à fréquences spectrales commutables sur différentes fibres optiques de sortie. 15 L'invention peut également fonctionner en sens inverse en multiplexeur. Il comporte alors des fibres optiques d'entrée destinées à transporter des flux lumineux d'entrées à des longueurs d'ondes différentes ?1, 2..., ?, et une fibre optique de sortie destinée à transporter l'ensemble desdits flux lumineux. Chaque fibre optique d'entrée envoie un flux lumineux d'entrée sur un réseau 20 de diffraction correspondant qui disperse ledit flux sur le système optoélectronique. Ce dernier envoie l'ensemble des faisceaux vers un réseau de diffraction qui produit des flux lumineux superposés destinés à la fibre optique de sortie. La figure 6 montre un dispositif d'injection - soustraction dans un mode 25 de réalisation particulier de l'invention. La Fig. 6a) représente schématiquement ledit dispositif avec son enveloppe protectrice 21. Cette enveloppe 21 peut être réalisée par exemple en métal. La Fig. 6b) montre une vue en coupe suivant l'axe A - A de ce dispositif. Les mêmes références à la Figure 6 b) que celles utilisées dans la Figure 3 représentent les mêmes éléments. Sur les figures 6 30 a) et b), une seule porte d'entrée 22 (respectivement, de sortie 23) dudit dispositif est représentée pour recevoir un signal d'entrée (resp. de sortie). Ce dispositif peut néanmoins comporter une ou plusieurs portes d'entrée 22 (resp. de sortie 23) qui sont soit des portes d'entrée 22 (resp. de sortie 23) optiques, par exemple une fente ou un hublot, soit des portes d'entrée 22 (resp. de sortie 35 23) comprenant des fibres, ou encore au moins une porte d'entrée 22 (resp. de sortie 23) optique et au moins une porte d'entrée 22 (resp. de sortie 23) comprenant une fibre. Dans le cas d'un dispositif d'injection - soustraction agissant en tant que filtre, il peut être fixe ou programmable en fonction d'un paramètre donné, par exemple, le temps. La Fig. 6c) montre le signal de sortie du dispositif d'injection soustraction dans différents modes de mise en oeuvre de l'invention en tant que filtre optique programmable. La première courbe 24 montre le signal de sortie pour un système optoélectronique laissant le signal d'entrée inchangé (micromiroirs dans un même plan horizontal). Ce signal de sortie est un spectre 1o continu compris dans un domaine de fréquence [fa, fb]. La seconde courbe 25 montre un signal de sortie pour un dispositif d'injection - soustraction opérant en tant que filtre "passehaut". Seules les fréquences supérieures à une valeur de fréquence donnée sont permises. Cette valeur de fréquence est appelée fréquence de coupure fc. La troisième courbe 26 montre un signal de sortie 15 obtenu pour un dispositif agissant en tant que filtre "passe-bas". Ce filtre permet au contraire tous les signaux ayant une fréquence inférieure à la fréquence de coupure. La quatrième courbe 27 est obtenue pour un filtre "passebande", utilisé pour ne conserver que les signaux ayant une fréquence comprise entre deux limites définissant ainsi une bande de fréquences qui peut 20 être large ou étroite. La cinquième courbe 28 est obtenue pour un filtre "passebande multiple", utilisé pour ne conserver que les signaux ayant une fréquence comprise dans des bandes de fréquences déterminées entre deux limites. Les axes des abscisses 29 et des ordonnées 30 représentent respectivement le domaine des fréquences (en Hz) et l'intensité du signal en unités arbitraires. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'injection - soustraction de composantes spectrales pour fibres optiques comportant: - au moins une fibre optique d'entrée (1) ayant une extrémité (2) et 5 destinée à transporter un flux lumineux d'entrée (3) comportant au moins une composante spectrale, chacune des composantes spectrales ayant une longueur d'onde centrale différente (X1, 2, ..., kn), - au moins une fibre optique de sortie (5) ayant une extrémité (6) et destinée à transporter un flux lumineux de sortie (7) ayant au moins une des 1o composantes spectrales dudit flux lumineux d'entrée (3), - au moins un système dispersif (4) recevant au moins un desdits flux lumineux d'entrée (3) issus desdites fibres optiques d'entrée (1), caractérisé en ce qu'il comporte: - un système optoélectronique (8) recevant les composantes spectrales 15 des flux lumineux d'entrée (3) séparées par lesdits systèmes dispersifs (4), ledit système (8) étant placé dans un plan optiquement conjugué des extrémités (2, 6) des fibres optiques d'entrée (1) et de sortie (5) et comprenant: * des premiers moyens de direction (9) des flux lumineux (3), chacun desdits moyens de direction (9) étant montés sur des 20 moyens d'orientation individuels (10), l'ensemble étant monté sur un support (11) , * des moyens de commande électroniques programmables desdits moyens d'orientation (10), permettant l'envoi d'au moins une composante spectrale d'un des flux lumineux 25 d'entrée (3) issus dudit système optoélectronique (8) vers des deuxièmes moyens (12) de direction des flux lumineux de sortie (7) pour diriger lesdits flux lumineux (7) vers les fibres optiques de sortie (5). 2. Dispositif d'injection - soustraction selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers (9) moyens de direction des flux lumineux 30 (3) comportent des micromiroirs. 3. Dispositif d'injection - soustraction selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers (9) moyens de direction des flux lumineux (3) comprennent des systèmes dispersifs. 4. Dispositif d'injection - soustraction selon l'une des revendications 1 à 35 3, caractérisé en ce que chacun des premiers moyens (9) de direction des flux il lumineux (3) reçoit une seule composante spectrale des flux lumineux d'entrée (3). 5. Dispositif d'injection - soustraction selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens (12) de direction des flux lumineux de sortie (7) comprennent des miroirs. 6. Dispositif d'injection - soustraction selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens (12) de direction des flux lumineux de sortie (7) comportent des systèmes dispersifs. 7. Dispositif d'injection - soustraction selon l'une des revendications 1 à 10 6, caractérisé en ce que les systèmes dispersifs comprennent des réseaux de diffraction. 8. Dispositif d'injection - soustraction selon la revendication 7, caractérisé en ce que les réseaux de diffraction sont utilisés en montage soustractif. 9. Dispositif d'injection - soustraction selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les fibres optiques de sortie (5) sont placées dans des plans de sortie différents. 10. Dispositif d'injection - soustraction selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il a une profondeur de champ susceptible d'être 20 adaptée par le système optoélectronique (8). 11. Dispositif d'injection - soustraction selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il ne comprend qu'une fibre optique d'entrée (1) destinée à transporter un ensemble de flux lumineux d'entrée (3) à des longueurs d'ondes centrales différentes (X1, 2,..., In), une fibre optique de 25 sortie (5) destinée à transporter un desdits flux lumineux (3) et en ce qu'il constitue alors un spectromètre à fibres optiques.