EP0000529A1 - Coupling device for an optical fibre - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a coupling device for optical fiber.
- an optical fiber consists of a core with an optical index N surrounded by a sheath with an index a smaller than N and makes it possible to guide a light in the core which can, for example, be modulated for telecommunication purposes.
- a coupling device allowing, without interrupting the optical fiber, either to introduce light into the fiber, or to derive a fraction of the light which it guides in order to be able, for example, to disperse, in the vicinity of the point of diversion, information that the fiber carries further.
- no truly effective device of this kind has been proposed. Such a device must in particular apply to multimode fibers. These fibers are those in the heart of which light can propagate in several distinct modes.
- the diameter d of the core verifies the relation dF root of (N 2 - n 2 ) greater than 0.7656.c, f being the frequency of the light used and c the speed of propagation of light in a vacuum.
- the change in propagation constant is obtained by inducing alternating curvatures in the fiber by clamping against a parallel network engraved in a transparent block.
- We know indeed (D. Marcuse: Coupled Mode Theory for Round Optical Fibers Bell. Syst. Tech. J. 52, p 817 - 1973) that when the position of the axis of the fiber, its curvature, the index or the diameter of the core fluctuate along the axis of propagation there are energy exchange between different modes corresponding to different values of the propagation constant K.
- the upper KM and lower Km limits of the propagation constant K of the modes likely to subsist in the core are given by the relations: c being the speed of light in a vacuum and f the frequency of light used.
- an "index adapter” constituted by a transparent medium with an optical index at least substantially equal to that of the sheath and in optical contact with the external surface of the latter.
- the index of the adapter must not drop below 0.8 times that of the sheath.
- This adapter is constituted, in the Miller patent cited above, by the coupling disk (coupling disk) 18.
- the light having penetrated into the adapter is transmitted by the latter to a device for use, such as a photodetector diode .
- the index adapter consists of a thin plate of transparent material, one edge of which carries an undulation constituting a network ("grating") and is applied to the fiber so as to ensure periodic deformation of that -this.
- the optical contact between this edge and the sheath of the fiber allows light to pass through this thin plate, in which it is directed towards a curved edge which reflects it and forms it on a detector placed in contact with another edge.
- the object of the present invention is to produce a coupling device for optical fiber making it possible to obtain good coupling efficiency, in particular for coupling with a light emitting diode emitting light in a large solid angle, without requiring cutting the optical fiber.
- a coupling device for optical fiber characterized in that it comprises - coupling means between the interior and exterior of the fiber to ensure coupling between on the one hand the light propagating in the fiber and on the other hand a set of light rays propagating outside the fiber by surrounding it, the rays of this set passing in the vicinity of the axis of the fiber over the entire length of a segment of this axis by making all the same predetermined angle. with this axis; - and an optical surface external to the fiber and having a shape in a point of revolution around this axis, to ensure coupling between this set of -ayons and a light beam parallel to this axis or converging at a point aligned on this axis,
- Figure 1 shows a device according to the invention seen in section through a plane passing through its axis, the coupling means between the inside and the outside of the fiber not being shown.
- FIG. 2 shows a view of the device of Figure 1 in section through a plane perpendicular to its axis.
- FIG. 3 represents a sectional view of a device for injecting light into an optical fiber, the section plane passing through the axis of this device.
- Figure 4 shows a view of the device of Figure 3 in section through a plane perpendicular to its axis.
- FIG. 5 represents, in strong lines, a view of a coupling device according to the invention in section through a plane passing through its axis.
- fine lines represent. various lines and a hyperbola that can be traced in the section plane to allow a better understanding of the shape of the optical surface of the device.
- FIG. 6 represents a view of a light extraction device according to the invention, with the use of a reflecting optical surface, this device being cut by a plane passing through its axis.
- FIG. 7 represents a view of a device for injecting and extracting light according to the invention, in section through a plane passing through its axis.
- this device has an axis 2, shown in phantom, this axis also being that of a portion of straight optical fiber and / or the middle axis of a portion of wavy fiber;
- these coupling means can advantageously include means for coupling modes capable of creating alternating curvatures in a portion of the fiber and thus give this portion an undulating shape oscillating around a mean axis. This makes it possible to couple modes with high propagation constants propagating in the core with modes with low propagation constants propagating in the sheath.
- These mode coupling means are associated with an index adapter 3 (Fig. 1 and 2) consisting of a transparent medium whose index is not significantly lower than that of the sheath. This adapter makes it possible to couple the modes propagating in the sheath with light propagating in this transparent medium and constituting said set of rays.
- Said optical surface is then constituted by a surface 5 of this index adapter.
- the optical fiber is represented by a single line along the axis 2.
- the index adapter has the shape of a solid cylinder, of revolution around the axis 2 and therefore wraps around the fiber .
- This solid cylinder ends at one end with a cone of revolution around the same axis and forming a point towards the outside. It is the surface of this cone which constitutes said optical surface.
- the mode coupling means which have just been indicated are not shown in FIGS. 1 and 2. They are analogous to the arrangements described in the previously mentioned Miller patent. However, it has been found, according to the present invention, that it is advantageous to use a property, little exploited previously, of the light which propagates in the index adapter either by leaving the sheath, or, conversely, by being able to enter it to form the previously mentioned modes.
- This property is that these light rays all form substantially the same angle with the axis of the fiber. They therefore constitute a set of spokes of a particular type, comprising for example the spokes 4,6 8 and 10 of FIGS. 1 and 2. This set is different from a parallel beam because the rays are located in various planes passing through the axis. This set is on the other hand different from a beam converging on the axis because it comprises rays passing through various points of the axis.
- the rays of this set do not pass exactly through the axis, but only in the vicinity of it. There is therefore a difference between the real rays and those of a set of rays exactly passing through the axis. This difference is less than the radius of the fiber and does not matter for the use of light when considering what is happening at a distance from the fiber significantly greater than its diameter.
- the previously mentioned optical surface preferably extends to a distance from the fiber greater than ten times its diameter, so that the rays arriving through this surface are, at least in majority, deflected by this surface. practically in the same way as if their extension exactly met axis 2.
- the angle (a) (fig. 1) that the rays of this set make with the axis 2 is not perfectly predetermined. It may for example undergo a variation of 1.5 'in. Plus or minus. This variation is somewhat troublesome for the implementation of the invention.
- the lower the index of the material constituting the adapter the higher it is. This is why, this index is preferably chosen not only at least equal to that of the fiber cladding, which is roughly necessary to allow coupling. between the light as propagating in the adapter and that of the modes propagating in the sheath, but still at least equal to the index of the heart of the fiber, the latter index always being significantly higher than that of the sheath.
- the choice of a high index for the adapter also has the advantage that the angle (a) is increased, which avoids excessive length of the adapter. The value of this angle in radians is approximately given by the formula
- the surface shown in FIG. 1 is a diopter, that is to say that it separates two media of different indices, that of the adapter (n) and that of the air (1), and that it is crossed by light.
- a diopter that is to say that it separates two media of different indices, that of the adapter (n) and that of the air (1), and that it is crossed by light.
- the mode coupling means previously mentioned are shown in FIGS. 3 and following, in which optical fiber is represented with a strongly gross dianeter and with exaggerated deformations, of naniere to facilitate understanding of the drawing. These means are notably studied in a conference by L. Jeun Subscribe and JP Poeholle "T Coupler for multimode optical fiber", (North Atlantio Treaty Organization, Advisory Group for Aerospace Research and Development, AGARD, 7 rue Ancelle 92200 NEUILLY SUR SEINE, France) .
- the optical action of these means can be defined by two quantities: the pitch P of the regular suction of alternating curvatures, and the amplitude of the deformation. This amplitude is typically between 10 and 100 microns.
- the length of the corrugated portion of the latter can be between 10 and 50 mm approximately, and must be followed by a long portion d '' at least 10mm in optical contact with the adapter.
- this wavy portion must be in optical contact with the index adapter, and its length must in principle be sufficient for any ray coming from said optical surface arrives on this wavy portion, which must extend downstream beyond the illuminated portion.
- mode coupling means indicated above seem to be most advantageous, other means could be used, such as, for example, a regular succession of thinning and thickening of the fiber core.
- this adapter could equally well be made of a hard, moldable transparent material with a high index.
- the adapter of index 3 consists of two parts 14 and 16 each having in section the shape of a semicircle so as to constitute the complete circle by bringing these two parts together with the help of a pressure means such than a screw 12 (Fig. 3).
- the portion of the fiber 18 clamped between these two parts is thus given a wavy shape.
- the combination of the two successions of projections and hollows is often called a "network".
- the optical contact between the fiber and the adapter is improved by the use of an appropriate transparent oil, of intermediate index between that of the sheath and that of the adapter.
- the light injection device shown in Figures 3 and 4 has an adapter having a diameter of 26mm, and a length on the axis of 75mm, including the conical part. This length is entirely occupied by the network.
- a converging step lens 20 (Fresnel lens) is arranged coaxially with the adapter on the side of the cone. It has a diameter of 25.4mm and a focal length of 10mm. At the focal point of this lens beyond this is disposed the emitting surface of a light-emitting diode 22 of the usual type whose radiation diagram is close to Lambert's law.
- the light extraction device shown in FIG. 6 includes an index adapter 30 similar to the previous one. Its diameter is 30mm. It comprises a network extending from its rear face over a length of 44mm, and extending forwards by a long zone this 16mm in which the fiber 18 does not undergo deformation, the optical contact being preserved.
- This adapter ends forwards by a conical convex optical surface 32 with a half angle at the top equal to
- This optical surface is metallized so that the light which reaches it from the fiber is reflected in the adapter by forming a beam parallel to the axis 2 which reaches the front face 34.
- This front face constitutes a diopter converging of a type well known to opticians, and which makes it possible to converge the beam leaving the adapter towards a receiving diode 36.
- This converging diopter is eccentric relative to the axis 2, so as to allow the diode to be placed 36 outside the axis 2. It is thus possible not only not to cut the fiber 18, but also not to bend it outside the adapter.
- a single index adapter comprising a single network, and, provided at each of its front ends and rear of a dioptric optical surface, an optical input surface 42 and an optical output surface 44.
- These optical surfaces can be conical. They must then each be associated with a converging lens, respectively 46 and 48, if it is desired to couple with elements of small dimensions, respectively a light-emitting diode 50 and a receiving diode 52.
Abstract
L'invention concerne un dispositif de couplage pour fibre optique. Des moyens de couplage de modes (14,16,12) par courbures alternées de la fibre (18) sont associés à un adaptateur d'indice (3) entourant la fibre et parcouru par un ensemble de rayons lumineux faisant tous un même angle avec l'axe (2) de celle-ci, et cet adaptateur est muni d'une surface optique conique (5) pour faire correspondre un faisceau parallèle à cet ensemble de rayons. Application aux télécommunications.The invention relates to a coupling device for optical fiber. Mode coupling means (14,16,12) by alternating curvatures of the fiber (18) are associated with an index adapter (3) surrounding the fiber and traversed by a set of light rays all making the same angle with the axis (2) thereof, and this adapter is provided with a conical optical surface (5) for matching a beam parallel to this set of rays. Application to telecommunications.
Description
L'invention concerne un dispositif de couplage pour fibre optique.The invention relates to a coupling device for optical fiber.
On sait qu'une fibre optique est constituée d'un coeur d'indice optique N entouré par une gaine d'indice a plus petit que N et permet de guider dans le coeur une lumière qui peut par exemple être modulée à des fins de télécommunication. Il y a alors intérêt à disposer d'un dispositif de couplage permettant, sans interrompre la fibre optique, soit d'introduire de la lumière dans la fibre, soit de dériver une fraction de la lumière qu'elle guide pour pouvoir par exemple dispcser, au voisinage du point de dérivation, de l'information que la fibre transporte plus loin. Malgré ce besoin évident aucun dispositif de ce genre vraiment efficace a été proposé. Un tel dispositif doit notamment s'appliquer aux fibres multimodes. Ces fibres sont celles dans le coeur desquelles la lumière peut se propager selon plusieurs modes distincts. Ce sont les seules dont l'utilisation industrielle soit pratiquement envisagée en raison de leur diamètre relativement grand (0,15 mm par exemple avec la gaine). Le diamètre d du coeur vérifie la relation d.F. racine de (N2 - n2) supérieur à 0,7656.c, f étant la fréquence de la lumière utilisée et c la vitesse de propagation de la lumière dans le vide.It is known that an optical fiber consists of a core with an optical index N surrounded by a sheath with an index a smaller than N and makes it possible to guide a light in the core which can, for example, be modulated for telecommunication purposes. . There is then an advantage in having a coupling device allowing, without interrupting the optical fiber, either to introduce light into the fiber, or to derive a fraction of the light which it guides in order to be able, for example, to disperse, in the vicinity of the point of diversion, information that the fiber carries further. Despite this obvious need, no truly effective device of this kind has been proposed. Such a device must in particular apply to multimode fibers. These fibers are those in the heart of which light can propagate in several distinct modes. They are the only ones whose industrial use is practically envisaged because of their relatively large diameter (0.15 mm for example with the sheath). The diameter d of the core verifies the relation dF root of (N 2 - n 2 ) greater than 0.7656.c, f being the frequency of the light used and c the speed of propagation of light in a vacuum.
Un dispositif de couplage connu est décrit dans le brevet américain n° 3 931 518 (Miller). Selon ce brevet, dans le but d'extraire de la lumière, on réalise préalablement uncouplage entre des modes à forte constante de propagation se propageant dans le coeur et des modes à faible constante de propagation qui ne peuvent se propager que dans la gaine.A known coupling device is described in US Pat. No. 3,931,518 (Miller). According to this patent, for the purpose of extracting light, a coupling is performed beforehand between modes with a high propagation constant propagating in the core and modes with a low propagation constant which can only propagate in the sheath.
Le changement de constante de propagation est obtenu en induisant des courbures alternées dans la fibre par serrage contre un réseau parallèle gravé dans un bloc transparent. On sait en effet (D. Marcuse : Coupled Mode Theory for Round Optical Fibers Bell. Syst. Tech. J. 52, p 817 - 1973) que lorsque la position de l'axe de la fibre, sa courbure, l'indice ou le diamètre du coeur subissent des fluctuations le long de l'axe de propagation, il y a échange d'énergie entre différents modes correspondant à différentes valeurs de la constante de propagation K.The change in propagation constant is obtained by inducing alternating curvatures in the fiber by clamping against a parallel network engraved in a transparent block. We know indeed (D. Marcuse: Coupled Mode Theory for Round Optical Fibers Bell. Syst. Tech. J. 52, p 817 - 1973) that when the position of the axis of the fiber, its curvature, the index or the diameter of the core fluctuate along the axis of propagation there are energy exchange between different modes corresponding to different values of the propagation constant K.
Plus précisément, si le défaut ainsi introduit est sinusoldal avec une fréquence spatiale P en radians par unité de longueur, l'échange d'énergie se fait entre deux modes de constante de propagation K1 et K2 tels que, K1 - K2 = P, cet échange pouvant se faire dans les deux sens (W.J. Stewart : "Mode Conversion due to périodic distortions of the fiber axis" Optical Fibre Communications Conférence, 16 18 Septembre 1975).More precisely, if the defect thus introduced is sinusoldal with a spatial frequency P in radians per unit of length, the energy exchange takes place between two modes of propagation constant K1 and K2 such that, K1 - K2 = P, this exchange that can be done in both directions (WJ Stewart: "Mode Conversion due to periodic distortions of the fiber axis" Optical Fiber Communications Conference, September 16-18, 1975).
Les limites supérieure KM et inférieure Km de la constante de propagation K des modes susceptibles de subsister dans le coeur sont données par les relations :
Un autre dispositif d'extraction de la lumière d'une fibre est décrit dans une communication de C. et W.J. Stewart "Directional coupler for single multimode optical fibre" au "deuxième colloque européen sur les transmissions par fibres optiques", Paris, 27-30 Septembre 1976 et publiée par le "Comité du colloque international sur les transmissions par fibres optiques, 11 rue Hamelin 75783 PARIS Cédex 16 (Cables and connections, Part 2, p 267-258).Another device for extracting light from a fiber is described in a communication by C. and WJ Stewart "Directional coupler for single multimode optical fiber" at the "second European colloquium on optical fiber transmissions", Paris, September 27-30, 1976 and published by the "Committee of the international colloquium on optical fiber transmissions, 11 rue Hamelin 75783 PARIS Cedex 16 (Cables and connections,
Dans ce dispositif, l'adaptateur d'indice est constitué par une plaque mince d'un matériau transparent dont un bord porte une ondulation constituant un réseau ("grating") et est appliqué centre la fibre de manière à assurer une déformation périodique de celle-ci. Le contact optique entre ce bord et la gaine de la fibre permet à la lumière de passer dans cette plaque mince, dans laquelle elle se dirige vers un bord incurvé qui la réfléchit et la foealise sur un détecteur placé au contact d'un autre bord.In this device, the index adapter consists of a thin plate of transparent material, one edge of which carries an undulation constituting a network ("grating") and is applied to the fiber so as to ensure periodic deformation of that -this. The optical contact between this edge and the sheath of the fiber allows light to pass through this thin plate, in which it is directed towards a curved edge which reflects it and forms it on a detector placed in contact with another edge.
Ces divers dispositifs d'extraction de lumière présentent l'inconvénient de n'envoyer sur l'organe d'utilisation (détecteur) qu'une petite fraction de la lumière circulant dans la fibre. Cette fraction est celle qui sort dans un demi plan partant de l'axe de la fibre, ou plus exactement dans le petit angle diedre formé par deux demi plans partant de l'axe de la fibre et très voisins l'un de l'autre. Dans le cas du dispositif décrit dans le brevet Miller, le plan de sortie de la lumière est un plan passant par l'axe de la fibre et perpendiculaire à la surface du disque de couplage 18. Dans le cas du dispositif décrit dans l'article de Stewtrt, le plan de sortie de la lumière est celui de la plaque mince. Il y a par. ailleurs intérêt à réaliser un dispositif de couplage permettant d'introduire de la lumière dans la fibre avec un bon rendement. Ce problème se pose notamment lorsqu'on veut introduire dans la fibre une fraction, aussi importante que possible de la lumière produite par une diode électrolumisescente (LED). Il est connu pour cela de couper la fibre et de concentrer la lumière provenant de la diode à l'aide d'une lentille sur l'extrémité coupée de la fibre. Le rendement d'un tel dispositif d'introduction de lumière est très mauvais car la diede émet la lumière à partir d'une surface émettrice qui n'est pas petite, et dans un angle solide qui est grand. Si on utilise une lentille qui reçoit toute la lumière émise par la diode, et qui- la concentre toute sur la surface de la section du coeur de la fibre, la plus grande partie de cette lumière fait avec l'axe de la .fibre un angle beaucoup trop grand pour que cette lumière puisse se propager dans la fibre. Aucun système optique classique ne permet d'éviter cet inconvénients, en raison d'une loi connue de l'optique, appelée parfois "théorème de conservation de l'étendue géométrique d'un faisceau". Cette loi dit que aucun système optique ne peut, sans perte de lumière, diminuer le produit de l'angle solide de divergence d'un faisceau par l'aire de la section de ce faisceau. Cette loi est notamment exprimée dans le livre "Principle of Optics" de M. Born et E. Wolf (3ème édition, Pergamon Press, p 120, equation 54). Compte tenu des caractéristiques des diodes électroluminescentes connues, il en résulte que le rendement d'introduction de leur lumière dans une fibre est toujours mauvais. Le rendement d'introduction de la lumière dans la fibre peut être augmenté considérablement si on utilise la lumière d'un laser, qui présente une divergence très faible. Mais d'autres inconvénients apparaissent alors tels que le prix du laser, son encombrement, etc.....These various light extraction devices have the disadvantage of only sending a small fraction of the light circulating in the fiber to the use member (detector). This fraction is that which leaves in a half-plane starting from the axis of the fiber, or more exactly in the small angle diedre formed by two half-planes starting from the axis of the fiber and very close to each other . In the case of the device described in the Miller patent, the light exit plane is a plane passing through the axis of the fiber and perpendicular to the surface of the
Ces dispositifs connus d'introduction de lumière présentent de plus l'inconvénient d'obliger à couper la fibre.These known devices for introducing light also have the disadvantage of forcing the fiber to be cut.
La présente invention a pour but la réalisation d'un dispositif de couplage pour fibre optique permettant d'obtenir un bon rendement de couplage, notamment pour le couplage avec une diode électroluminescente émettant de la lumière dans un grand angle solide, sans obliger à couper la fibre optique.The object of the present invention is to produce a coupling device for optical fiber making it possible to obtain good coupling efficiency, in particular for coupling with a light emitting diode emitting light in a large solid angle, without requiring cutting the optical fiber.
Elle a pour objet un dispositif de couplage pour fibre optique caractérisé par le fait qu'il comporte - des moyens de couplage entre l'intérieur et l'extérieur de la fibre pour assurer un couplage entre d'une part de la lumière se propageant dans la fibre et d'autre part un ensemble de rayons lumineux se propageant à l'extérieur de la fibre en entourant celle-ci, les rayons de cet ensemble passant au voisinage de l'axe de la fibre sur toute la longueur d'un segment de cet axe en faisant tous un même angle.prédéterminé avec cet axe; - et une surface optique extérieure à la fibre et présentant une forme en pointe de révolution autour de cet axe, pour assurer un couplage entre cet ensemble de -ayons et un faisceau lumineux parallèle à cet axe ou convergeant en un point aligné sur cet axe,It relates to a coupling device for optical fiber characterized in that it comprises - coupling means between the interior and exterior of the fiber to ensure coupling between on the one hand the light propagating in the fiber and on the other hand a set of light rays propagating outside the fiber by surrounding it, the rays of this set passing in the vicinity of the axis of the fiber over the entire length of a segment of this axis by making all the same predetermined angle. with this axis; - and an optical surface external to the fiber and having a shape in a point of revolution around this axis, to ensure coupling between this set of -ayons and a light beam parallel to this axis or converging at a point aligned on this axis,
A l'aide des figures schématiques 1 à 7 ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Les éléments qui se correspondent sur plusieurs de ces figures y sont désignés par les mêmes signes de référence. Les trajets des rayons lumineux sont représentés sur ces figures par des traits tiretés, avec des flèches montrant le sens de propagation de la lumière. La figure 1 représente un dispositif selon l'invention vu en coupe par un plan passant par son axe, les moyens de couplage entre l'intérieur et l'extérieur de la fibre n'étant pas représenté.With the aid of the diagrammatic figures 1 to 7 attached, a description will be given below, without implied limitation, of how the invention can be implemented. The elements which correspond in several of these figures are designated therein by the same reference signs. The paths of the light rays are represented in these figures by dashed lines, with arrows showing the direction of propagation of the light. Figure 1 shows a device according to the invention seen in section through a plane passing through its axis, the coupling means between the inside and the outside of the fiber not being shown.
La figure 2 représente une vue du dispositif de la figure 1 en coupe par un plan perpendiculaire à son axe.2 shows a view of the device of Figure 1 in section through a plane perpendicular to its axis.
La figure 3 représente une vue en coupe d'un dispositif d'injection de lumière dans une fibre optique, le plan de coupe passant par l'axe de ce dispositif.FIG. 3 represents a sectional view of a device for injecting light into an optical fiber, the section plane passing through the axis of this device.
La figure 4 représente une vue du dispositif de la figure 3 en coupe par un plan perpendiculaire à son axe.Figure 4 shows a view of the device of Figure 3 in section through a plane perpendicular to its axis.
La figure 5 représente, en traits forts une vue d'un dispositif de couplage selon l'invention en coupe par un plan passant par son axe. Sur cette figure des traits fins représentent. diverses droites et une hyperbole que l'on peut tracer dans le plan de coupe pour permettre de mieux comprendre la forme de la surface optique du dispositif.FIG. 5 represents, in strong lines, a view of a coupling device according to the invention in section through a plane passing through its axis. In this figure fine lines represent. various lines and a hyperbola that can be traced in the section plane to allow a better understanding of the shape of the optical surface of the device.
La figure 6 représente une vue d'un dispositif d'extraction de lumière selon l'invention, avec utilisation d'une surface optique réfléchissante, ce dispositif étant coupé par un plan passant par son axe.FIG. 6 represents a view of a light extraction device according to the invention, with the use of a reflecting optical surface, this device being cut by a plane passing through its axis.
La figure 7 représente une vue d'un dispositif d'injection et d'extraction de lumière selon l'invention, en coupe par un plan passant par son axe.FIG. 7 represents a view of a device for injecting and extracting light according to the invention, in section through a plane passing through its axis.
Sur ces diverses figures, ce dispositif présente un axe 2, représenté en trait mixte, cet axe étant aussi celui d'une portion de fibre optique rectiligne et/ou l'axe moyen d'une portion de fibre ondulée;In these various figures, this device has an
Il a été indiqué ci-dessus que l'invention utilise des moyens de couplage entre l'intérieur et l'extérieur de la fibre. Dans le cas où l'invention s'applique à une fibre optique constituée d'un coeur entouré d'une gaine d'indice optique plus petit, ces moyens de couplage peuvent avantageusement comporter des moyens de couplage de modes propres à créer des courbures alternées dans une portion de la fibre et donner ainsi à cette portion une forme ondulée oscillant utour d'un axe moyen. Ceci permet de coupler des modes à fortes constantes de propagation se propageant dans le coeur avec des modes à faibles constantes de propagation se propageant dans la gaine. Ces moyens de couplage de modes sont associés à un adaptateur d'indice 3 (Fig. 1 et 2) constitué d'un milieu transparent dont l'indice n'est pas sensiblement inférieur à celui de la gaine. Cet adaptateur permet de coupler les modes se propageant dans la gaine avec de la lumière se propageant dans ce milieu transparent et constituant ledit ensemble de rayons.It has been indicated above that the invention uses coupling means between the inside and the outside of the fiber. In the case where the invention applies to an optical fiber consisting of a core surrounded by a sheath with a smaller optical index, these coupling means can advantageously include means for coupling modes capable of creating alternating curvatures in a portion of the fiber and thus give this portion an undulating shape oscillating around a mean axis. This makes it possible to couple modes with high propagation constants propagating in the core with modes with low propagation constants propagating in the sheath. These mode coupling means are associated with an index adapter 3 (Fig. 1 and 2) consisting of a transparent medium whose index is not significantly lower than that of the sheath. This adapter makes it possible to couple the modes propagating in the sheath with light propagating in this transparent medium and constituting said set of rays.
Ladite surface optique est alors constituée par une surface 5 de cet adaptateur d'indice. Sur les figures 1 et 2, la fibre optique est représentée par un simple trait selon l'axe 2. L'adaptateur d'indice a la forme d'un cylindre plein, de révolution autour de l'axe 2 et entournat donc la fibre. Ce cylindre plein se termine à une extrémité par un cone de révolution autour du même axe et formant une pointe vers l'extérieur. C'est la surface de ce cone qui constitue ladite surface optique.Said optical surface is then constituted by a
Les moyens de couplage de modes qui viennent d'être indiqués ne sont pas représentés sur les figures 1 et 2. Ils sont analogues aux dispositions décrites dans le brevet Miller précédemment mentionné. Il a été cependant trouvé, selon la présente invention, que l'on pouvait avantageusement utiliser une propriété, peu exploitée antérieurement, de la lumière qui se propageait dans l'adaptateur d'indice soit en sortant de la gaine, soit, réciproquement, en étant capable d'y pénétrer pour y former les modes précédemment mentionnés. Cette propriété est que ces rayons lumineux forment sensiblement tous un même angle avec l'axe de la fibre. Ils constituent donc un ensemble de rayons d'un type particulier, comportant par exemple les rayons 4,6 8 et 10 des figures 1 et 2. Cet ensemble est différent d'un faisceau parallèle parce que les rayons sont situés dans divers plans passant par l'axe. Cet ensemble est d'autre part différent d'un faisceau convergent sur l'axe parce qu'il comporte des rayons passant par divers points de l'axe.The mode coupling means which have just been indicated are not shown in FIGS. 1 and 2. They are analogous to the arrangements described in the previously mentioned Miller patent. However, it has been found, according to the present invention, that it is advantageous to use a property, little exploited previously, of the light which propagates in the index adapter either by leaving the sheath, or, conversely, by being able to enter it to form the previously mentioned modes. This property is that these light rays all form substantially the same angle with the axis of the fiber. They therefore constitute a set of spokes of a particular type, comprising for example the
En fait, les rayons de cet ensemble ne passent pas exactement par l'axe, mais seulement à proximité de celui-ci. Il y a donc un écart entre les rayons réels et ceux d'un ensemble de rayons passant exactement par l'axe. Cet écart est inférieur au rayon de la fibre et n'a pas d'importance pour l'utilisation de la lumière lorsqu'on considère ce qui se passe à une distance de la fibre nettement supérieure à son diamètre. C'est pourquoi, la surface optique précédemment mentionnée s'étend de préférence jusqu'à une distance de la fibre supérieure à dix fois son diamètre, de manière que les rayons arrivant par cette surface soient, au moins en majorité, défléchis par cette surface pratiquement de la même manière que si leur prolongement rencontrait exactement l'axe 2.In fact, the rays of this set do not pass exactly through the axis, but only in the vicinity of it. There is therefore a difference between the real rays and those of a set of rays exactly passing through the axis. This difference is less than the radius of the fiber and does not matter for the use of light when considering what is happening at a distance from the fiber significantly greater than its diameter. This is why, the previously mentioned optical surface preferably extends to a distance from the fiber greater than ten times its diameter, so that the rays arriving through this surface are, at least in majority, deflected by this surface. practically in the same way as if their extension exactly met
Il doit d'autre part être remarqué que la propriété utile précédemment mentionnée existe même lorsque la fibre présente une forme ondulée oscillant autour d'un axe moyen rectiligne. Dans ce cas, c'est cet axe moyen qui constitue l'axe 2.It should also be noted that the useful property mentioned above exists even when the fiber has a wavy shape oscillating around a rectilinear mean axis. In this case, it is this mean axis which constitutes
Il doit enfin être remarqué que l'angle (a) (fig. 1) que les rayons de cet ensemble font avec l'axe 2 n'est pas parfaitement prédéterminé. Il peut par exemple subir une variation de 1,5' en .plus ou en moins. Cette variation est un peu gênante pour la mise en oeuvre de l'invention. Mais elle est d'autant plus faible que l'indice du matériau constituant l'adaptateur est plus élevé. C'est pourquoi, cet indice est choisi de préférence non seulement au moins égal à celui de la gaine de la fibre, ce qui est à peu près nécessaire pour permettre un couplage. entre la lumière as propageant dans l'adaptateur et celle des modes se propageant dans la gaine, mais encore au moins égal à l'indice du coeur de la fibre, ce dernier indice étant toujours nettement supérieur à celui de la gaine. Le choix d'un indice élevé pour l'adaptateur présente de plus l'avantage que l'angle (a) en est augmenté, ce qui permet d'éviter une longueur excessive de l'adaptateur. La valeur de cet angle en radians est approximativement donné par la formuleFinally, it should be noted that the angle (a) (fig. 1) that the rays of this set make with the
La surface représentée sur la figure 1 est un dioptre, c'est-à-dire qu'elle sépare deux milieux d'indices différents, celui de l'adaptateur (n) et celui de l'air (1), et qu'elle est traversée par la lumière. Pour assurer le couplage ent e l'ensemble des rayons se propageant dans l'adaptateur en formant l'angle (a) avec l'axe 2, et un faisceau extérieur parallèle à l'axe 2, il faut alors donner à cette surface la forme d'un côte ayant un demi-angle au sommet (b), tel que
Les moyens de couplage de modes précédemment mentionnas sont représentés sur les figures 3 et suivantes, sur lesquelles fibre optique est représentée avec un dianètre fortement grossn et avec des déformations exagérées, de nanière à faciliter la compréhension du dessin. Ces moyens sont notamment étudiés dans une conférence de L. Jeunhomme et J.P. Poeholle "T Coupler for multimode optical fiber", (North Atlantio Treaty Organisation, Advisory Group for Aerospace Research and Development, AGARD, 7 rue Ancelle 92200 NEUILLY SUR SEINE, France). Le compte-rendu de cette conférence peut être obtenu, auprès de l'ONERA 29 avenue de la Division Leclerc, 92 CHATILLON SOUS BAGNEUX, France et du National Technical Information Service (NTIS) 5285 Port Royal Road, SpringField, VIRGINI 22151, USA.The mode coupling means previously mentioned are shown in FIGS. 3 and following, in which optical fiber is represented with a strongly gross dianeter and with exaggerated deformations, of naniere to facilitate understanding of the drawing. These means are notably studied in a conference by L. Jeunhomme and JP Poeholle "T Coupler for multimode optical fiber", (North Atlantio Treaty Organization, Advisory Group for Aerospace Research and Development, AGARD, 7 rue Ancelle 92200 NEUILLY SUR SEINE, France) . The report of this conference can be obtained from ONERA 29 avenue de la Division Leclerc, 92 CHATILLON SOUS BAGNEUX, France and from the National Technical Information Service (NTIS) 5285 Port Royal Road, SpringField, VIRGINI 22151, USA.
L'action optique de ces moyens peut être définie par deux grandeurs : le pas P de la suceession régulière de courbures alternées, et l'amplitude de la déformation. Cette amplitude est comprise typiquement entre 10 et 100 microns. Le pas de la succession doit être défini de manière plus précise. Si on appelle (r) le rayon du coeur de la fibre, n1 l'indice de ce coeur et n2 celui de la gaine, on peut écrire que la valeur optimale de P varie comme r/2D pour une fibre à échelon d'indice, et comme r/1,41D pour une fibre à gradient d'indice parabolique, avec
Lorsqu'il s'agit de réaliser un dispositif d'extraction de lumière à partir de la fibre, la longueur de la portion ondulée de celle-ci peut être comprise entre 10 et 50mm environ, et doit être suivie d'une portion longue d'au moins 10mm en contact optique avec l'adaptateur. Lorsqu'il s'agit d'injecter de la lumière dans la fibre, cette portion ondulée doit être en contact optique avec d'adaptateur d'indice, et sa longueur doit être en principe suffisante pour que tout rayon en provenance de ladite surface optique arrive sur cette portion ondulée, celle-ci devant se prolonger en aval au-delà de la portion éclairée.When it comes to making a device for extracting light from the fiber, the length of the corrugated portion of the latter can be between 10 and 50 mm approximately, and must be followed by a long portion d '' at least 10mm in optical contact with the adapter. When it comes to injecting light into the fiber, this wavy portion must be in optical contact with the index adapter, and its length must in principle be sufficient for any ray coming from said optical surface arrives on this wavy portion, which must extend downstream beyond the illuminated portion.
Quoique les moyens de couplage de modes indiqués ci-dessus semblent des plus avantageux, d'autres moyens pourraient être utilisés, tels que, par exemple, une succession régulière d' amincissements et d'épaississements du coeur de la fibre.Although the mode coupling means indicated above seem to be most advantageous, other means could be used, such as, for example, a regular succession of thinning and thickening of the fiber core.
Les exemples de réalisation qui vont être maintenant décrits utilisent un adaptateur d'indice ayant la forme générale d'un cylindre de révolution plein et constitué d'un verre d'indice n = 1,4859 pour une longueur d'onde lumineuse de 6.328 angstroems. Cet adaptateur pourrait cependant tout aussi bien être constitué d'une matière plastique transparente dure, moulable et d'indice élevé. La fibre optique a un diamètre de coeur de 85 microns, un indice de coeur n1 = 1,4645 et un indice de gaine n2 = 1,4565. L'angle (a) vaut a = 12° 6. Dans les cas où la surface optique est un dioptre, le demi angle au sommet du cône vaut b = 54029'. L'adaptateur d'indice 3 est constitué de deux parties 14 et 16 ayant chacune en section la forme d'un demi cercle de manière à constituer le cercle complet par rapprochement de ces deux parties avec l'aide d'un moyen de pression tel qu'une vis 12 (Fig. 3). Les faces planes en regard de ces deux parties comportent chacune une succession régulière de saillies et de creux avec un pas P = 2mm, disposées de manière que les creux d'une succession soient en regard des saillies de l'autre. On donne ainsi à la portion de la fibre 18 serrée entre ces deux parties une forme ondulée. L'ensemble des deux successions de saillies et de creux est souvent appelé "réseau". Le contact optique entre la fibre et l'adaptateur est amélioré par l'utilisation d'une huile transparente appropriée, d'indice intermédiaire entre celui de la gaine et celui de l'adaptateur. Cette huile est retenue par capillarité. Ce peut'être par exemple la graisse silicone vendue sous le nom de Polyectrene 128 par la firme PRODELEC. Le dispositif d'injection de lumière représenté sur les figures 3 et 4 comporte un adaptateur ayant un diamètre de 26mm, et une longueur sur l'axe de 75mm, y compris la partie conique. Cette longueur est entièrement occupée par le réseau. Une lentille convergente à échelons 20 (lentille de Fresnel) est disposée coaxialement à l'adaptateur du côté du cône. Elle -a un diamètre de 25,4mm et une focale de 10mm. Au foyer de cette lentille au-delà de celle-ci est disposée la surface émettrice d'une diode électroluminescente 22 de type habituel dont le diagramme de rayonnement est proche de la loi de Lambert. La plus grande partie de la lumière émise par cette diode est reçue par la lentille 20, transformée en un faisceau parallèle à l'axe 2, puis transformée par la surface optique conique de l'adaptateur en un ensemble de rayons faisant l'angle convenable avec cet axe et se propageant vers cet axe à l'intérieure de l'adaptateur. Elle rencontre donc la gaine de la fibre dans laquelle elle pénètre et se propage en y formant les modes précédemment mentionnés, qui sont rapidement transformés en modes se propageant dans le coeur grâce aux moyens de couplage de modes constitués par le réseau. La longueur de celui-ci est choisie suffisante pour que cette dernière transformation soit à peu près complète. On obtient ainsi un rendement d'injection élevé. Il n'est pas nécessaire d'interrompre la fibre 18, mais seulement de la courber à l'extérieur de l'adaptateur, pour laisser la place de la lentille 20 qui doit être aussi proche que possible de l'adaptateur.The exemplary embodiments which will now be described use an index adapter having the general shape of a full cylinder of revolution and consisting of a glass of index n = 1.4859 for a light wavelength of 6.328 angstroms . However, this adapter could equally well be made of a hard, moldable transparent material with a high index. The optical fiber has a core diameter of 85 microns, a core index n 1 = 1.4645 and a cladding index n 2 = 1.4565. The angle (a) is a = 12 ° 6. In cases where the optical surface is a diopter, the half angle at the top of the cone is b = 54 0 29 '. The adapter of
L'utilisation de la lentille 20 peut être évitée en donnant à la surface optique 5 une forme en pointe bombée en conservant la valeur du demi angle au sommet. Une telle disposition est représentée sur la figure 5 qui représente en traits forts des éléments ayant une existence réelle. La forme de la surface optique en pointe n'est alors plus conique et peut être définie comme suit 1 - Elle est de révolution autour de l'axe 2. 2 - Elle conserve le même sommet S que précédemment, qui constitue l'extrémité de la pointe. 3 - Elle conserve la même valeur du demi angle au sommet, c'est-à-dire qu'au sommet elle est tangente au cône précédemment décrit. 4 - Elle est engendrée par la rotation d'un arc d'hyperbole passant par le sommet S et tournant autour de l'axe 2. 5 - Pour préciser la définition, on peut :
- . appeler (e) la distance entre ce sommet S et la surface émettrice de la
diode 22 et (n) l'indice optique de l'adaptateur 3. - . couper la surface optique par un plan
passant par l'axe 2, par exemple le plan de la figure 5, - . tracer dans ce plan un axe Oy passant par le centre 0 de cette surface émettrice, cet axe Oy étant parallèle à un rayon dudit ensemble de rayons dans l'adaptateur, c'est-à-dire faisant avec l'axe 2 l'angle (a) précédemment défini, et un axe Ox perpendiculaire à Oy,
- . considérer, une moitié seulement de la section de la surface optique par ce plan, par exemple celle qui est située au-dessous de l'axe 2 sur la figure 5,
- . On peut alors préciser que cette demi section de la surface optique par ce plan est un arc d'une hyperbole définie par l'équation :
- . call (e) the distance between this vertex S and the emitting surface of the
diode 22 and (n) the optical index of theadapter 3. - . cut the optical surface by a plane passing through the
axis 2, for example the plane of FIG. 5, - . trace in this plane an axis Oy passing through the center 0 of this emitting surface, this axis Oy being parallel to a radius of said set of rays in the adapter, that is to say making with the
axis 2 the angle (a) previously defined, and an axis Ox perpendicular to Oy, - . consider, only half of the section of the optical surface by this plane, for example that which is located below the
axis 2 in FIG. 5, - . We can then specify that this half section of the optical surface by this plane is an arc of a hyperbola defined by the equation:
On a tracé cette hyperbole sur la figure 5 en traits fins ainsi que ses axes Ox et Oy et ses asymptotes. Il doit cependant être bien compris que ces éléments tracés en traits fins ne peuvent pas être vus sur le dispositif d'injection lui-même. Ils servent seulement à aider à comprendre Qomment on peut définir la surface optique.We have drawn this hyperbola in FIG. 5 in fine lines as well as its axes Ox and Oy and its asymptotes. It should however be clearly understood that these elements drawn in fine lines cannot be seen on the injection device itself. They only serve to help understand Q ow we can define the optical surface.
Le dispositif d'extraction de lumière représenté sur la figure 6 comporte un adaptateur d'indice 30 analogue au précédent. Son diamètre est de 30mm. Il comporte un réseau s'étendant à partir de sa face arrière sur une longueur de 44mm, et se prolongeant vers l'avant par une zone longue ce 16mm dans laquelle la fibre 18 ne subit pas de déformation, le contact optique étant conservé. Cet adaptateur se termine vers l'avant par une surface optique 32 conique convexe avec un demi angle au sommet égal à
Cette surface optique est métallisée de manière que la lumière qui lui parvient à partir de la fibre soit réfléchie dans l'adaptateur en formant un faisceau parallèle à l'axe 2 qui parvient jusqu'à la face avant 34. Cette face avant constitue un dioptre convergent d'un type bien connu des opticiens, et qui permet de faire converger le faisceau sortant de l'adaptateur vers une diode réceptrice 36. Ce dioptre convergent est excentré par rapport à l'axe 2, de manière à permettre de placer la diode 36 en dehors de l'axe 2. Il est ainsi possible non seulement de ne pas couper la fibre 18, mais encore de ne pas la courber en dehors de l'adaptateur.This optical surface is metallized so that the light which reaches it from the fiber is reflected in the adapter by forming a beam parallel to the
On vient de décrire à l'aide des figures 3 et 4 un dispositif d'injection de lumière utilisant une surface optique dioptrique, et à l'aide de la figure 6 un dispositif d'extraction de lumière utilisant une surface optique réfléchissante. Il est cependant bien évident que l'on pourrait utiliser une surface optique dioptrique dans un dispositif d'extraction de lumière, et une surface optique réfléchissante dans un dispositif d'injection de lumière.We have just described, with the aid of FIGS. 3 and 4, a light injection device using a dioptric optical surface, and with the aid of FIG. 6, a light extraction device using a reflective optical surface. It is however obvious that one could use a dioptric optical surface in a light extraction device, and a reflective optical surface in a light injection device.
Il est d'autre part possible, comme représenté sur la figure 7, d'assurer l'injection et l'extraction de lumière avec un seul adaptateur d'indice, comportant un seul réseau, et,muni à chacune de ses extrémités avant et arrière d'une surface optique dioptrique, une surface optique d'entrée 42 et une surface optique de sortie 44. Ces surfaces optiques peuvent être coniques. ELles doivent alors être associées chacune à une lentille convergente, respectivement 46 et 48, si on désire réaliser un couplage avec des éléments de petites dimensions, respectivement une diode électroluminescente 50 et une diode réceptrice 52.It is also possible, as shown in FIG. 7, to provide injection and extraction of light with a single index adapter, comprising a single network, and, provided at each of its front ends and rear of a dioptric optical surface, an
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