FR2501383A1 - Coupleur directif et selectif - Google Patents
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Abstract
COUPLEUR DIRECTIF ET SELECTIF CONSTITUE PAR DEUX GUIDES D'ONDES A COUPLER. ENTRE LES DEUX GUIDES OPTIQUES 1, 3 A COUPLER EST DISPOSE UN TROISIEME GUIDE OPTIQUE 2, DE FACON QU'A LA FREQUENCE DE COUPLAGE SOUHAITEE, SON ONDE DE COUPLAGE SOIT EN SYNCHRONISME DE PHASE AVEC LES ONDES DANS LES DEUX AUTRES GUIDES 1, 3.
Description
La présente invention concerne un coupleur directif et sélectif,
constitué par deux guides d'ondes à coupler et de préférence paral-
lèles. Des coupleurs directifs, dont le coefficient de couplage dépend de la fréquence ou de la longueur d'onde de l'oscillation électro-
magnétique à découpler, sont nécessaires par exemple pour la transmis-
sion à courant porteur sur plusieurs voies, en multiplex de fréquence et dans un seul et même milieu. Une application typique est constituée
par le duplex avec des signaux optiques sur une fibre de verre en mul-
tiplex de longueur d'onde. La transmission dans un sens s'effectue avec une longueur d'onde lumineuse différente de celle dans le sens
opposé. Aux extrémités d'une telle fibre ou sur des répéteurs, le cou-
pleur directif et sélectif émet à une longueur d'onde ÀA et reçoit dans le sens inverse à une longueur d'onde Xe différente, comme le montre la
figure 1.
La sélectivité du coupleur directif assure l'injection dans la fibre de toute la puissance d'amission a Xn et la transmission vers le
récepteur de toute la puissance incidente à ÀXe. La sélectivité du cou-
pleur directif, avec l'aide de sa directivité, réduit en outre la paradiaphonie, de sorte que le récepteur ne reçoit qu'une fraction négligeable de la puissance d'émission, même quand cette dernière est élevée. Ce duplexeur d'émission-réception présente en outre l'avantage suivant: l'onde fondamentale, reçue de la fibre inonomode dans le cas de cette application, peut présenter une polarisation quelconque, car elle
traverse sans couplage le coupleur directif et sélectif.
L'invention a pour objet un coupleur directif et sélectif du
type précité, permettant une réalisation simple.
Selon une caractéristique essentielle de l'invention, un troisième guide optique est disposé entre les deux guides optiques du coupleur directif, de façon qu'à la fréquence de couplage souhaitée, son onde de couplage soit en synchronisme de phase avec les ondes dans les
deux autres guides.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront
mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exem-
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pies de réalisation et des dessins annexés sur lesquels: la figure 1, précédemment décrite, représente le schéma de principe d'un coupleur directif;
la figure 2 représente le schéma de constitution d'un coupleur direc-
tif et sélectif; la figure 3 représente un coupleur directif, dont les guides d'ondes sont constitués par des films ou rubans diélectriques, enrobés dans une matière transparente; la figure 4 est le diagramme de dispersion, représentant les constantes de phase de la fondamentale et des ondes de couplage en fonction de la fréquence; la figure 5 représente un coupleur directif et sélectif constitué par des rubans diélectriques sur un substrat diélectrique; la figure 6 est la coupe d'un coupleur directif et sélectif, constitué par des lignes à nervures et une ligne à film chargée par rubans; la figure 7 est la coupe d'un coupleur directif et sélectif constitué par des fibres optiques; et la figure 8 est la coupe d'un coupleur directif et sélectif, constitué
par des guides d'ondes rectangulaires.
Le coupleur directif et sélectif utilisé comme duplexeur ou dans des applications similaires est constitué comme l'indique la figure 2. Deux guides d'ondes continus 1 et 3 sont couplés sur la distance z = 0 à
z = L par le tronçon 2 de guide d'ondes disposé entre eux.
Les guides d'ondes continus 1 et 3 peuvent présenter une section identique. La seule hypothèse de calcul est que les ondes dans 1 et 3, qu'il s'agit de coupler sélectivement, présentent la même constante de phase el =e3 = e. Il suffit pratiquement que cette condition soit satisfaite uniquement pour la fréquence f0 ou la longueur d'onde SO à laquelle toute la puissance doit être transmise par couplage sélectif
d'un guide d'ondes dans l'autre.
Le couplage des ondes dans 1 et 3 s'effectue par une des ondes transmises par le guide intermédiaire 3. Le calcul présuppose que le couplage de l'onde dans 1 avec cette onde dans 2 est égal à celui de l'onde dans.3 avec cette onde dans 2. Il suffit pratiquement aussi que cette condition soit satisfaite uniquement pour la fréquence f ou la
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longueur d'onde >-.
o Avec les hypothèses précitées et quand les pertes dans le coupleur sont néiligeables, les amplitudes A1, A2 et A3 des ondes considérées
sont décrites par l'ensemble suivant d'équations différentielles dépen-
dantes: dA1 d = -JRA1 -jcA dA2 - = -jcA - je 2A2 -jcA3 dA3 dz = -jcA2 JBA3 SB2 étant la constante de phase de l'onde de couplage 2 dans le guide intermédiaire et c le coefficient de couplage des ondes 1 et 3 et de
cette onde de couplage.
Le système constitué par trois ondes couplées possède trois ondes naturelles, qui se déplacent indépendamment les unes des autres le long de la distance de couplage. Leurs constantes de phase sont respectivement
f s+ 6 + /62 + 2c2 et 8 + 6 - /62 + 2c2 6 = ( - B2)/2 étant la demi-
différence des constantes de phase des ondes 1 et 3 et de l'onde de
couplage 2.
Tes ondes naturelles se superposent comme suit dans la solution générale donnant les amplitudes des ondes 1, 2 et 3: -jz -j(B+6+b/<2+2c2)z -j(s+6/62+2c2)z + w2e + w3e
A2 = _ 2
vS +2 - + + 2c)z A w2e
2 25 2
+ -c <S + 2c) C w3e +2 A e e-j8z + e-J+ +6 + /2 +2c2)z e-J( + 6 6-2+)z Lorsque seul 1' accès au guide d'ondes 1 est excité à z = 0, les conditions initiales sont A1 = 1 et A2 = A3 = 0 à z = 0. Avec cette excitation, les ondes 1 et 3 présentent les valeurs absolues suivantes d'amplitude le long du coupleur: |Ai = 1 1 + e-J6zcos /62 + 2c z +, sin + 2c)
2 1 - 2
E2 + 2c2 ('1) A! -j6Z 2 2za. 2 7 z A =1 e-j (cos 2cz + sin2 + 2c z) /62+ 2c2
Deux cas limites présentent un intérêt particulier pour l'applica-
tion pratique.
1. L'onde de couplage 2 présente la même constante de phase que les deux ondes 1 et 3. Dans ce cas, 6= 0 et Ies valeurs absolues d'amplitude sont:. A1, = 2-1 + cos (c2) |A3 |= 1 - cos (Fcz)t| IA31 Dans le cas d'une onde de couplage 2 synchrone en phase, la puissance
oscille ainsi entre les ondes 1 et 3 le long de la distance de couplage.
La puissance est totalement transmise par l'onde 3 pour
z = (2m + 1)ir/Fc) avec m = 0, 1, 2...
et par l'onde 1 pour
z = 2m1/(/lc) avec m = 0, 1, 2...
Pour obtenir une conversion totale de la puissance entre l'onde 1 et l'onde 3, la longueur optimale du coupleur est: L =w/(F2c) (2) 2. 1'61 " c Une conversion totale de la puissance entre l'onde 1 et l'onde 3 est possible uniquement pour 6-= 0, c'est-à-dire avec une onde couplage synchrone en phase. Avec 6$ 0, seule une partie de la.puissance d'entrée de l'onde 1 est convertie dans l'onde 3. Cette partie est très faible dans le second cas limite 161 " e. Avec cette condition, les équations
(1) des valeurs absolues de l'amplitude s'écrivent en effet approxima-
tivement jA 1 - i c sinz ei
262
JA 31, c 2 sin6z D'après cette approximation, seule la fraction c /(46) de la puissance d'entrée est au maximum convertie dans l'onde 3; le reste demeure essentiellement dans l'onde 1 et pour une faible partie dans l'onde de couplage 2. Seule la fraction c /6 de la puissance d'entrée de l'onde
1 est toutefois perdue aussi dans cette condition.
Pour obtenir la sélectivité souhaitée, c'est-à-dire la conversion totale de puissance à une fréquence f ou à une longueur d'onde X
avec une conversion aussi faible que possible à des fréquences déter-
minées de part et d'autre de la précédente, il convient d'adopter un guide intermédiaire dont l'onde de couplage 2 est au synchronisme de phase avec les ondes 1 et 3 à f = fo, mais qui présente aux fréquences
de coupure une différence de phase suffisante pour satisfaire à la con-
dition j|j " c.
Dans le cas de fréquences optiques, ces conditions peuvent être satisfaites par des films ou rubans diélectriques constituant des guides
d'ondes. Ces lignes optiques à films ou rubans sont par exemple enro-
bées dans une matière transparente à indice de réfraction n, selon figure 3. Dans l'exemple de la figure 3, les guides d'ondes 1 et 3
présentent la même section et le même indice de réfraction n1 > n.
1o Le guide intermédiaire présente un indice de réfraction supérieur n2 > n1 et sa section doit aussi, d'après la condition de sélectivité, être
supérieure à celle des guides 1 et 3.
La figure 4 représente, sous forme d'un diagramme de dispersion, les constantes de phase de la fondamentale B dans les guides d'ondes 1 et 2 et des ondes susceptibles d'être des ondes de couplage dans le guide intermédiaire, en fonction de la fréquence. Toutes les courbes de phase ont, pour la fréquence limite habituelle, leur origine sur la droite n 2ir/c pour le nombre d'ondes dans le milieu environnant
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à indice de réfraction n. c est la vitesse de la lumière dans le vide.
O o Aux fréquences élevées, les courbes de phase tendent asymptotiquement vers le nombre d'ondes du matériau du guide d'ondes considéré. A
L'fexception de la courbe de phase de la fondamentale du guide inter-
médiaire, les courbes de phase de toutes les ondes d'ordre supérieur de ce guide coupent la courbe de phase de la fondamentale dans les guides 1 et 3. Toutes ces ondes peuvent par suite être des ondes de couplage des fondamentales dans les guides 1 et 3. Aux fréquences d'intersection avec la courbe de phase de la fondamentale des guides 1 et 3, elles
permettent une conversion totale de la puissance entre les fondamen-
tales dans 1 et 3.
Le choix de l'onde de couplage et la réalisation correspondante des guides d'ondes 1 et 3 et du guide intermédiaire 2 dépendent de la
position des fréquences qui doivent être couplées ou demeurer décou-
plées. On adopte une onde d'ordre faible pour un écartement élevé de ces fréquences et une onde de couplage d'ordre élevé pour un faible écartement des fréquences et par suite une sélectivité supérieure. Il
est également possible d'augmenter la sélectivité en augmentant l'in-
dice de réfraction dans le guide intermédiaire, ainsi que la section de ce dernier. Les courbes de phase des ondes de couplage dans le guide
intermédiaire coupent en effet dans ce cas la courbe de phase des fon-
damentales dans les guides d'ondes 1 et 3 sous un angle toujours plus grand. La différence de phase de ces ondes croit alors d'autant plus rapidement, à partir de 6 = 0 au point d'intersection des courbes, que
l'écart augmente entre la fréquence et la fréquence de synchronisme.
Le choix des dimensions par rapport à la longueur X des ondes
lumineuses ou des micro-ondes est décrit ci-dessous à l'aide de l'exem-
ple d'un coupleur directif et sélectif, constitué par des rubans diélectriques déposés sur un substrat diélectrique S., comme le montre la figure 5. Un coupleur directif simple est constitué par deux rubans parallèles StI et St2, de largeur b = 3,5 X, de hauteur h = 1,75 X, d'indice de réfraction ni = 1,5 et disposés avec un écartement a = b sur un substrat S à indice de réfraction n0 = n1/1,1; il couple les fondamentales des rubans avec un coefficient de couplage c = 0,002 A. Lorsque les mêmes rubans sont utilisés sur le même substrat pour le
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coupleur directif et sélectif, le guide intermédiaire ZWL étant un ruban de 2 à 4 fois plus large et ayant un indice de réfraction légèrement supérieur à n1, il est possible d'ajuster le même coefficient de couplage de la fondamentale dans le ruban extérieur et d'une onde de couplage au synchronisme de phase dans le guide intermédiaire ZWL, en adoptant un écartement des rubans légèrement inférieur à a = b. La condition (2) est satisfaite quand L = 1110 À. Cette valeur est de l'ordre du millimètre dans le cas de longueurs d'ondes lumineuses. Pour
obtenir des coupleurs encore plus courts en optique intégrée, il con-
vient de rapprocher encore les rubans. Le coefficient de couplage variant exponentiellement avec l'écartement des rubans, une faible diminution de l'écartement est suffisante pour raccourcir fortement
le coupleur.
Le substrat et les films ou rubans d'un coupleur directif et sélectif pour fréquences optiques peuvent être produits en verre de quartz ou autres verres de silice. Il est possible de doper le verre de quartz avec un oxyde de germanium ou de phosphore pour augmenter
l'indice de réfraction des films ou rubans par rapport à celui du subs-
trat et pour obtenir en particulier un indice de réfraction du guide
intermédiaire supérieur à celui des deux guides extérieurs.
Des différences d'indice de réfraction encore plus élevées s'ob-
tiennent en utilisant par exemple un verre de substrat à faible indice et en produisant les guides extérieurs dans un polymère transparent,
tel que du polyuréthanne, et le guide intermédiaire en sulfure de zinc.
De nombreuses substances différentes sont utilisables pour de tels coupleurs directifs et sélectifs devant fonctionner à des fréquences
optiques. Il convient toutefois de veiller à ce qu'elles soient sui -
fisamment transparentes aux longueurs d'ondes lumineuses à transmettre,
afin de réduire les pertes du coupleur.
La forme des guides d'ondes, entre lesquels l'énergie d'ondes électromagnétiques doit être convertie sélectivement, et la forme du guide intermédiaire ne se limitent absolument pas à des films ou rubans simples, sur ou dans des substrats; il est également possible d'utiliser des lignes à nervures ou bourrelets, ainsi que des lignes
à film chargées par un ruban. La figure 6 est, à titre purement repré-
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sentatif, la coupe d'un coupleur directif et sélectif, destiné en par-
ticulier aux fréquences optiques, dont les deux guides extérieures sont des lignes à nervures RL1 et RL2, et dont le guide intermédiaire
est une ligne à film FWL chargée par un ruban et dont la base est cons-
tituée par le film diélectrique appartenant aussi aux lignes à ner- vures extérieures. L'indice de réfraction n1 du film et des nervures doit être légèrement supérieur à l'indice n0 du substrat S, et le
ruban doit présenter un indice de réfraction n2 supérieur à nl.
Des coupleurs directifs et sélectifs pour micro-ondes peuvent
aussi être constitués par des lignes à rubans diélectriques, en par-
ticulier quand il s'agit d'ondes millimétriques, car les rubans diélectriques présentent encore dans ce cas une section relativement faible. Des guides optiques et des guides creux diélectriques sont toutefois utilisables-aussi. La figure 7 est la coupe d'un coupleur directif et sélectif constitué par des guides optiques. Sesttrois guides optiques BL1, BL2 et BL3 sont disposés parallèlement sur une plaque métallique P commune. Les deux guides optiques extérieurs présentent la même section et le même indice de réfraction, tandis que le guide optique intérieur, constituant le guide intermédiaire, présente une
section plus élevée ainsi qu'un indice de réfraction n2 supérieur à n1.
La figure 8 est la coupe d'un coupleur directif et sélectif, constitué par des guides creux rectangulaires Hl, H2, H3. Le guide creux intermédiaire est par exemple couplé aux guides extérieurs par des rangées de trous Ltlet L2 dans les cloisons cômmunes. Le guide intermédiaire H2 a une section plus large que les guides extérieurs ou est rempli, totalement ou partiellement, par un diélectrique. Dans l'exemple de la figure 8, les deux mesures sont adoptées: section supérieure à celle des guides extérieurs et remplissage du guide* intermédiaire H2 par un diélectrique. Les deux mesures se renforcent
mutuellement pour augmenter la sélectivité.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans
sortir du cadre de l'invention.
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Claims (17)
1. Coupleur directif et sélectif, constitué par deux guides d'ondes à coupler et de préférence parallèles, et caractérisé en ce qu'entre ces deux guides optiques (1, 3) est disposé un troisième guide optique 2, de façon qu'à la fréquence de couplage souhaitée, son onde de couplage soit en synchronisme de phase avec les ondes dans les deux
guides (1, 3).
2. Coupleur directif selon revendication 1, caractérisé en ce que les deux guides d'ondes (1, 3) à coupler sont couplés uniquement par
le guide intermédiaire (2).
3. Coupleur directif selon une des revendications 1 ou 2, caracté-
risé en ce que les deux guides d'ondes (1, 3) à coupler sont des films diélectriques, séparés par un film diélectrique constituant le guide
intermédiaire (2).
4. Coupleur directif selon une des revendications 1 ou 2, caracté-
risé en ce que les deux guides d'ondes (1, 3) à coupler sont des
lignes à rubans diélectriques, séparées par un film diélectrique cons-
tituant le guide intermédiaire (2).
5. Coupleur-directif selon une des revendications 1 ou 2, caracté-
risé en ce que les deux guides d'ondes (1, 3) à coupler et le guide
intermédiaire (2) sont des rubans diélectriques.
6. Coupleur directif selon revendication 5, caractérisé en ce que les deux guides d'ondes (1,3) à coupler et le guide intermédiaire (2)
sont des rubans diélectriques (Stl, St2) déposés sur un substrat diélec-
trique (S) à faible indice de réfraction.
7. Coupleur directif selon revendication 5, caractérisé en ce que les deux guides d'ondes (1, 3) à coupler et le guide intermédiaire (2) sont des rubans diélectriques, noyés dans un substrat diélectrique à
indice de réfraction plus faible.
8. Coupleur directif selon revendication 1, caractérisé en ce que
les deux guides d'ondes (1, 3) à coupler sont constitués par des ner-
vures sur un film diélectrique; et le guide intermédiaire (2) est éga-
lement constitué par une nervure sur le film diélectrique.
9. Coupleur directif selon revendication 8, caractérisé en ce que les deux guides d'ondes (1, 3) à coupler et le guide intermédiaire (2) sont des lignes à nervures reposant par leur film diélectrique sur un
substrat diélectrique à indice de réfraction plus faible.
10. Coupleur directif selon revendication 1, caractérisé en ce que les deux guides d'ondes (RL1, RL2) à coupler sont constitués par des nervures sur un film diélectrique; et le guide intermédiaire est une ligne à film (FWL) chargée par un ruban, qui est constituée par un
ruban sur le film.
11. Coupleur directif selon revendication 10, caractérisé en ce q'c
les deux guides d'ondes (RLI, RL2) à coupler sont des lignes à ner-
vures et le guide intermédiaire, constitué par une ligne à film (FWL) chargée par un ruban, reposent par leur film commun sur un
substrat diélectrique (S) à indice de réfraction plus faible.
12. Coupleur directif selon revendication 1, caractérisé en ce que les guides d'ondes (BL1, BL3) à coupler et le guide intermédiaire (BL2) sont des fibres optiques déposées sur une plaque métallique commune (P).
13. Coupleur directif selon une quelconque des revendications 1 à 12,
caractérisé en ce que l'écartement de couplage est variable.
-14. Coupleur directif selon une quelconque des revendications 6 à 9,
caractérisé en ce que l'indice de réfraction du diélectrique est variable.
15. Coupleur directif selon revendication 1, caractérisé en ce que les guides d'ondes à coupler sont des guides creux (HI, H3) et le guide intermédiaire est également un guide creux XH2) que des rangées de trous (Ll, L2) dans les cloisons communes couplent avec les guides
(HI, H3).
16. Coupleur directif selon revendication 15, caractérisé en ce que les guides d'ondes à coupler et le guide intermédiaire sont des guides
d'ondes rectangulaires.
17. Coupleur directif selon revendication 15, caractérisé en ce que la section du guide intermédiaire (H2) est au moins partiellement
remplie par un diélectrique, sur toute la longueur du coupleur directif.
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