Brevet FR3089309A1 — publié le 20200605

Description Titre de l'invention : Coupleur optique Domaine technique [0001] La présente invention concerne de façon générale les coupleurs optiques. Technique antérieure [0002] Un coupleur optique est un dispositif de liaison permettant de guider de la lumière depuis une face d'entrée recevant de la lumière fournie par un dispositif de fourniture de lumière jusqu'à une face de sortie fournissant la lumière transmise à un dispositif de réception de lumière. Le coupleur est caractérisé par le fait que les dimensions de la face d'entrée et de la face de sortie sont différentes. [0003] A titre d'exemple, le dispositif de fourniture de lumière peut comprendre une source lumineuse étendue, par exemple une diode électroluminescente, une ampoule, ou le soleil ou peut comprendre un faisceau de fibres optiques transportant de la lumière. A titre d'exemple, le dispositif de réception de lumière peut correspondre à un faisceau de fibres optiques, à une cellule photovoltaïque ou à un capteur. [0004] Pour certaines applications, le rapport entre l'aire de la surface d'entrée et l'aire de la surface de sortie doit être grand devant l'unité. Cela est notamment le cas lorsque le coupleur joue le rôle d'un concentrateur. Il peut alors être difficile de réaliser un coupleur optique qui soit sensiblement sans pertes, c'est-à-dire pour lequel sensiblement tous les rayons lumineux parvenant à la face d'entrée s'échappent par la face de sortie. Résumé de l'invention 100051 Il existe un besoin d'un coupleur optique dont le rapport entre la surface d'entrée et la surface de sortie est grand devant l'unité, qui est sensiblement sans perte et qui a une structure simple. 100061 Un mode de réalisation prévoit un coupleur optique ayant la forme d'un tronc de cône de demi-angle au sommet 0, destiné à être placé dans un milieu extérieur, le coupleur étant principalement en un premier matériau et comprenant une première face destinée à recevoir un rayonnement magnétique et une deuxième face destinée à être au contact d'un deuxième matériau, différent du milieu extérieur ou correspondant au milieu extérieur, 0 vérifiant la double inégalité 1) suivante : I Math.11 ', , 17 9 -1-Alirn ociim c'est-à-dire 22k:111 [0042] A titre d'exemple, lorsque le coupleur 10 est en PMMA et que le milieu extérieur est l'air, on obtient le tableau I suivant : [0043] [Tableauxl] Nombre de ré- flexions lett condition - 0 doit être inférieur à environ 1 48,0 2 16,0 3 9,6 4 6,9 5 5,3 6 4,4 7 3,7 8 3,2 9 2,8 2,5 Tableau I [0044] La deuxième condition vise à assurer que le rayon lumineux RL se transmette de façon convenable à l'élément relié à la face de sortie 14. La deuxième condition dépend donc de la nature du milieu au contact de la face de sortie 14. [0045] La figure 4 est une vue en coupe, partielle et schématique, qui illustre la deuxième condition dans le cas où la face de sortie 14 est au contact du milieu d'indice n2. L'incidence asoffic du rayon lumineux RL sur la face de sortie 14 après k réflexions totales est égale à 2k0. Pour qu'il n'y ait pas de réflexion totale du rayon RL sur la face de sortie 14, il faut que l'incidence du rayon lumineux RL sur la face de sortie 14 soit 7 inférieure à l'angle limite alun décrit précédemment. La deuxième condition dans le cas où la face de sortie 14 est en contact avec le milieu extérieur est donc donnée par la relation 6) suivante : [Math.6] eLlim 2k [0046] A titre d'exemple, lorsque le coupleur 10 est en PMMA et que le milieu extérieur est l'air, on obtient le tableau II suivant : [0047] [Tableaux2] Nombre de ré- flexions 2nde condition - 0 doit être inférieur à environ 1 21 2 10,5 3 7 4 5,25 5 4,2 6 3,5 7 3 8 2,625 9 2,33 10 2,1 Tableau II 100481 Il existe une infinité de forme tronconique qui permette théoriquement d'obtenir un facteur de concentration donné. Toutefois, il est être souhaitable que l'encombrement du coupleur 10 soit le plus faible possible de sorte que, pour un facteur de concentration donné, il est généralement recherché un coupleur ayant la longueur L la plus faible possible et donc l'angle 0 le plus grand possible. Dans ce but, il peut être souhaitable de sélectionner un coupleur 10 pour lequel la réflexion de rang k est la dernière réflexion totale possible, la réflexion de rang k+1 n'étant pas une réflexion totale. Les première et deuxième conditions se traduisent alors par la relation 7) suivante : Math.71 TE , -tmini ,n otiim 2k+1 2k [0049] Le membre de gauche de la double inégalité 7) signifie que le rayon lumineux RF ne 8 se réfléchirait pas en totalité sur la paroi latérale tronconique 18 s'il y avait une réflexion de rang k+1 et le membre de droite de la double inégalité 7) signifie que l'angle 0 doit être inférieur à l'angle défini par la relation 6). [0050] A titre d'exemple, lorsque le coupleur 10 est en PMMA et que le milieu extérieur est l'air, on obtient le tableau III suivant : [0051] [Tahleaux3] Nombre k de réflexions l'Te condition 0 inférieur à 2'rne condition 0 inférieur à Fenêtre angulaire relation 7) 1 48,0 21 16 cki. On peut alors utiliser la relation 2) pour obtenir une relation du facteur de concentration maximal Cmax qui ne dépend pas des rayons R1 et R2. [0068] A titre d'exemple, lorsque le coupleur 10 et le guide d'onde 16 sont en PMMA et que le milieu extérieur est l'air, les valeurs obtenues pour l'angle maximal Omax, la longueur L et le facteur de concentration maximal Cmax sont rassemblées dans le tableau VI suivant : [0069] [Tableaux5] Nombre de ré- flexions Omax L Cmax 1 24 10 7,73 2 12 37,3 17,4 3 8 88,2 35,5 4 6 160,4 60 5 4,8 253,7 90 6 4 368,2 127 7 3,4 509,4 172 8 3 660,7 220,5 9 2,6 866,5 280,2 Tableau VI [0070] La figure 6 représente une courbe d'évolution du facteur de concentration maximal Cmax en fonction du nombre maximal k de réflexions totales obtenue en faisant varier de façon continue le nombre k de réflexions. [0071] La figure 7 représente une courbe d'évolution de la longueur L du coupleur optique 10 en fonction du nombre maximal k de réflexions totales obtenue en faisant varier de façon continue le nombre k de réflexions. 100721 La figure 8 représente une courbe d'évolution du facteur de concentration maximal Cmax en fonction de la longueur maximale L du coupleur optique 10. Comme cela apparaît, sur la figure 8, le facteur de concentration maximal Cmax est sensiblement proportionnel à la longueur maximale L du coupleur optique 10. 100731 Le coupleur optique 10 présente de façon avantageuse une forme simple et peut être facilement fabriqué, par exemple par moulage ou par usinage. 100741 Dans le mode de réalisation décrit précédemment, la face de sortie 14 du coupleur optique 12 est au contact d'un guide d'onde 16 du même matériau que le coupleur, il est. 13 clair que le guide d'onde 16 peut être en un matériau différent de celui du coupleur, par exemple un matériau ayant un indice de réfraction n3. Dans ce cas, il y a trois angles limites al,'11, n et Citi',3 à prendre en compte donnés par les relations 14) suivantes, avec n1 supérieur strictement à n3 et n3 strictement supérieur à n2 : [Math.14] othin2=arcsin (111.131 ), 04m:1=am:sin 113 aliml arcsin nnî ) [0075] L'angle limite alirili correspond à l'angle limite afin, décrit précédemment à l'interface entre le coupleur optique 10 et le milieu extérieur, par exemple de l'air. L'angle limite correspond à l'angle limite à l'interface entre le coupleur optique 10 et le guide d'onde 16. L'angle limite a111,3 correspond à l'angle limite à l'interface entre le guide d'onde 16 et le milieu extérieur, par exemple de l'air. [0076] 11 faut remplir les conditions décrites précédemment par la relation 7) qui devient la relation 15) suivante : [Math.15] Tt 2 ---i'.', lun1 2k+1 REVENDICATIONSCoupleur optique (10) ayant la forme d'un tronc de cône de demi-angle au sommet 0, destiné à être placé dans un milieu extérieur (19), le coupleur étant principalement en un premier matériau et comprenant une première face (12) destinée à recevoir un rayonnement magnétique (RL) et une deuxième face (14) destinée à être au contact d'un deuxième matériau, différent du milieu extérieur ou correspondant au milieu extérieur, 0 vérifiant la double inégalité suivante : [Math.18] TT 0, 2 --ilml