FR2685965A1 - Dispositif de division/combinaison optique. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de division/combinaison à fibres optiques, destiné à être utilisé dans un système à fibre optique. Le dispositif comprend une lentille électrique (102) qui, dans un mode de fonctionnement en division optique, convertit une onde lumineuse sphérique divergente (116) en une onde plane (122). Un ensemble (104) de microlentilles, en alignement optique avec la lentille diélectrique (102), sépare et focalise l'onde plane (122) pour produire une configuration de points optiques à phase cohérente. Un faisceau (136) de fibres est destiné à recevoir et distribuer uniformément cette combinaison de points. Dans un fonctionnement en dispositif de combinaison optique, l'ensemble (104) à microlentilles convertit des ondes sphériques divergentes (116) en une onde plane (122). Domaine d'application: transmissions optiques pour les radars, transmissions téléphoniques, etc.

Description

L'invention concerne des systèmes de fibres optiques L'invention concerne

plus particulièrement des

procédés et des appareils pour distribuer de la lumière dans des systèmes de fibres optiques.5 La technologie optique a été largement utilisée dans les systèmes de communication numérique et radio-

fréquence Un réseau de distribution par fibre optique peut accroître notablement la capacité de la voie et réduire ses exigences de poids et de dimension Des réseaux de distribu-10 tion par fibre optique comprennent habituellement un disposi-

tif de division ou de combinaison de puissance optique qui

constitue un élément essentiel.

Des dispositifs de division/combinaison de puissance lumineuse couplent des ondes lumineuses entre des fibres de distribution et des faisceaux de fibre Les systèmes de couplage d'ondes lumineuses communément utilisés dans le passé comprennent des configurations en série et en parallèle pour la transmission d'informations optiques sur un porteur optique Un exemple de coupleur d'ondes lumineuses en série est le dispositif de couplage par paroi latérale, alimenté en série Ce dispositif de distribution de la puissance d'ondes lumineuses comprend un guide d'onde optique en série ayant plusieurs points de dérivation de lumière sur la longueur du guide d'onde En pratique, l'énergie optique

est dérivée séquentiellement le long du guide d'onde optique.

Du fait de la configuration en série, l'énergie optique à l'extrémité terminale du guide d'ondes dépend de l'énergie optique à l'entrée du guide d'ondes et du nombre de points de dérivation entre les deux En outre, le signal optique prélevé en un point quelconque particulier de dérivation est déphasé de celui dérivé en chacun des autres points de dérivation Il existe un retard de phase entre les

points de dérivation car un retard distinct est habituel-

lement associé à la dérivation de l'énergie optique en chaque point individuel de dérivation du fait de la configuration en série Par conséquent, le dispositif de couplage par paroi

latérale, alimenté en série, produit en sortie des signaux optiques ayant des amplitudes et des phases inégales du fait de l'affaiblissement de l'interaction le long des points de5 dérivation du guide d'onde optique.

Un exemple d'un coupleur d'onde lumineuse en parallèle comprend un réseau de phase binaire pour coupleurs en étoile Le réseau peut être formé d'un dessin périodique ordonné de lignes sur un côté ou les deux côtés d'un support10 plan de transmission optique Dans chaque cas, les réseaux provoquent une dispersion ou une diffusion de la lumière passant à travers le support de transmission ou réfléchie par celui-ci en des points périodiques La dispersion de la lumière engendre des configurations de diffusion produisant15 des points alternativement clairs et sombres Un récepteur optique, tel qu'un faisceau de fibres, est habituellement

placé de façon à intercepter les points clairs.

Deux réseaux de phases binaires peuvent être croisés à angle droit pour disperser un faisceau lumineux en une configuration de diffraction à deux dimensions des lobes du réseau Les lobes de la configuration de diffraction du réseau sont focalisés par une lentille pour former une configuration de points La configuration ou combinaison de points est déterminée collectivement par la structure périodique du réseau de phase, dont la géométrie doit être conçue avec soin pour obtenir la configuration de grille souhaitée Malheureusement, la conception rigide et complexe impose des contraintes à l'écartement et la structure du

réseau cristallin de l'ensemble de fibres En outre, l'appro-

che par réseau de phase ne permet pas de commander la

distribution de puissance de façon indépendante sur l'ensem-

ble des fibres Bien que cette approche présente une struc-

ture en parallèle spécifique, l'approche par réseau de phase repose sur la dispersion et la recollecte de la lumière Du fait de l'effet collecteur des réseaux, on ne maîtrise pas la configuration résultante de points optiques Par conséquent,

pour toute conception particulière de réseau, la con- figuration de points résultante est limitée, par exemple, à une combinaison rectangulaire On peut modifier la con-5 figuration de points résultante en changeant le dessin périodique ordonné d'entailles et de lignes sur le réseau.

Malheureusement, la configuration de points résultante est de nouveau limitée par la combinaison ou le dessin périodique modifié sur le réseau.10 On a donc besoin dans la technique de perfection-

ner les dispositifs de couplage d'ondes lumineuses dans des

systèmes classiques de fibres optiques.

Le dispositif de division/combinaison de puis-

sance, spécifique ou personnalisé, par fibre optique selon

l'invention satisfait le besoin ressenti dans la technique.

Lorsqu'elle fonctionne en diviseur optique, l'invention comprend une lentille diélectrique destinée à convertir de l'énergie optique d'entrée d'une onde sphérique divergente en une onde plane Un ensemble de microlentilles en alignement optique avec la lentille diélectrique fonctionne de façon à

partager et focaliser l'onde plane pour produire une com-

binaison ou un dessin de points optiques à phase cohérente.

Un faisceau de fibres est prévu pour recevoir et distribuer

uniformément la combinaison de points optiques à phase cohé-

rente En fonctionnant en dispositif de combinaison optique, l'invention comprend l'ensemble de microlentilles pour

convertir une combinaison de points optiques à phase co-

hérente d'entrée d'une forme à plusieurs ondes sphériques

divergentes en une forme à onde plane La lentille diélectri-

que alignée optiquement avec l'ensemble de microlentilles reçoit et convertit l'onde plane en une onde sphérique convergente et une fibre optique unique reçoit et transforme l'onde sphérique convergente en rayons parallèles pour la transmission. Dans une forme préférée de réalisation, la lentille diélectrique comprend une lentille hyperbolique

simple qui est en juxtaposition avec plusieurs lentilles hyperboliques formant l'ensemble de microlentilles Le nombre5 de lentilles dans l'ensemble de microlentilles est égal au nombre de fibres dans le faisceau pour permettre une trans-

mission optimale de l'énergie optique. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure la est une vue en coupe d'un exemple de

réalisation du dispositif de division/combinaison de puis-

sance à fibres optiques, spécifique ou personnalisée, selon l'invention, montrant la lentille hyperbolique principale et un ensemble de microlentilles; la figure lb est une vue en bout du dispositif spécifique de division/combinaison de puissance à fibres optiques de la figure la, illustrant un exemple d'une configuration de l'ensemble de microlentilles et du faisceau de fibres présentant un agencement concentrique uniforme; la figure lc est une vue de face du réseau de microlentilles illustré sur la figure la, montrant dix-neuf microlentilles agencées en une configuration en réseau triangulaire;25 la figure ld est une vue de face de la lentille hyperbolique principale illustre la figure la; la figure 2 est une vue en bout du dispositif spécifique de division/combinaison de puissance à fibres de la figure la, illustrant un autre exemple de configuration de l'ensemble de microlentilles et le faisceau de fibres qui lui

est partiellement superposé, montrant un agencement con-

centrique de microlentilles de dimensions différentes pour compenser la diminution radiale de puissance provoquée par une densité non uniforme de la puissance; la figure 3 est une représentation graphique

illustrant les coordonnées d'un exemple de lentille hyper-

bolique convenant à une utilisation dans le dispositif spécifique de division/combinaison de puissance à fibres optiques de la figure la; et la figure 4 est une vue en plan d'une lame à zone de Fresnel, illustrant sa construction concentrique et ses

rayons, laquelle lame convient à une utiliation dans la fabrication de la lentille hyperbolique principale ou de10 l'ensemble de microlentilles selon l'invention.

Comme montré sur la figure la à titre il-

lustratif, l'invention se présente sous la forme d'un

dispositif spécifique de division/combinaison 100 de puis-

sance à fibres optiques du type ayant une lentille hyper-

bolique 102 montée en juxtaposition à un ensemble 104 de microlentilles, la lentille et l'ensemble fonctionnant chacun de façon à manipuler des faisceaux lumineux afin de diviser ou combiner les faisceauxllumineux dans des systèmes de fibres optiques.20 Des dispositifs de division/combinaison de puissance optique ou lumineuse sont utilisés pour coupler des ondes lumineuses entre des fibres de distribution Des systèmes connus de couplage d'ondes lumineuses comprennent des configurations en série et en parallèle pour transmettre une information optique sur un support optique Des coupleurs d'ondes lumineuses en série peuvent comprendre un guide d'ondes optique ayant plusieurs points de dérivation de lumière sur sa longueur pour en dériver séquentiellement de l'énergie optique L'énergie optique à l'extrémité terminale du guide d'ondes dépend de l'énergie optique à l'entrée et du nombre de points de dérivations entre les deux En outre, l'énergie optique prélevée à partir des points individuels de dérivation est déphasée, produisant en sortie des signaux optiques ayant une amplitude et une phase inégales du fait d'un affaiblissement et d'une interaction le long des points

de dérivation du guide d'ondes Un coupleur d'ondes lumineu-

ses en parallèle peut comprendre un réseau de phase binaire pour des coupleurs en étoile, qui produit une configuration ou combinaison de diffraction de lobes de réseau de la5 lumière transmise La configuration de diffraction est focalisée par une lentille pour former une configuration ou combinaison de points qui est déterminée collectivement par la structure périodique du réseau de phase La conception rigide et complexe du réseau de phase impose des contraintes à l'espacement et à la structure en réseau de l'ensemble de fibres En outre, l'approche à réseau de phase ne peut pas commander de façon indépendante la distribution d'énergie sur l'ensemble de fibres et elle repose sur la dispersion de la lumière et sa recollecte Du fait de l'effet collectif des réseaux, on ne maîtrise pas la combinaison résultante des points lumineux, la configuration résultante étant limitée,

par exemple, à une combinaison rectangulaire.

Conformément à la figure la de l'invention, la lentille hyperbolique 102 et l'ensemble 104 de microlentilles du dispositif de division/combinaison optique 100 coopèrent de façon à diviser ou séparer l'ouverture 106 pour créer toute combinaison de grille souhaitable, chaque point de la grille étant formé de façon indépendante, et pour produire des amplitudes et des longueurs de trajet égales, et donc une phase cohérente du signal de modulation à toutes les sorties optiques De plus, le dispositif de division/combinaison 100

présente une structure de réseau flexible et une con-

figuration de lentille simple et directe, et il commande ou maîtrise la distribution d'énergie de façon indépendante par variation de l'aire de capture de chaque microlentille 107

dans l'ensemble 104.

Le dispositif de division/combinaison 100 de

puissance optique spécifique personnalisé (du type arbores-

cent) de la présente invention est essentiellement une structure parallèle de fibres utilisée pour coupler des ondes

lumineuses entre une fibre et "N" fibres dans un faisceau.

Une fibre optique unique 108 est représentée en communication

optique avec la lentille hyperbolique 110 sur la figure la.

La fibre optique 108 comprend un coeur 110 qui fonctionne en tant que guide d'onde optique pour l'énergie ou le signal optique Le coeur 110 possède avantageusement un indice de réfraction "n" élevé qui est défini comme étant la vitesse de la lumière dans l'espace libre (CO) divisée par la vitesse de la lumière dans une matière diélectrique (Cin) de la manière suivante: n = CO/Cin) l 1 l Le coeur 110 est entouré d'une gaine 112 qui est utilisée pour empêcher l'énergie optique de s'échapper et qui peut être une autre couche de verre ayant une configuration diélectrique plus basse C'est le changement important de constante diélectrique entre le coeur 110 et la gaine 112 qui empêche l'énergie optique de traverser l'interface entre le

coeur et la gaine.

La fibre optique simple 108 montrée sur la figure la, de même que chacune des autres fibres optiques décrites ci-après, présente une extrémité concave sphérique 114 formée sur le coeur 110 De façon générale, l'extrémité concave sphérique 114 provoque une divergence des faisceaux lumineux transmis Lorsque le dispositif de division/combinaison 100 fonctionne en diviseur, la fibre optique simple 108 sert de borne d'entrée pour l'énergie optique Lorsque la fibre optique simple 108 fonctionne en tant que borne d'entrée, les

faisceaux lumineux s'expansent en une onde sphérique diver-

gente 116 sur la lentille hyperbolique 102 Cependant, lorsque le dispositif de division/combinaison 100 fonctionne en dispositif de combinaison, la fibre optique simple 108 sert de borne de sortie et l'extrémité concave sphérique 114 sert à recevoir et transformer une onde sphérique convergente

provenant de la lentille hyperbolique 102 en rayons paral-

lèles.

La lentille hyperbolique 102 est une lentille diélectrique ayant une face arrondie 118 et une face plate comme montré sur les figures la et lb La face arrondie 118 présente un contour parabolique et la face plate 120 fonctionne en tant qu'ouverture 106 de la lentille hyperboli- que 102 Dans un fonctionnement en diviseur, la face arrondie 118 de la lentille hyperbolique 102 transforme l'onde sphérique divergente 116 en une onde plane 122 Après la correction, l'onde plane 122 comprend plusieurs rayons lumineux parallèles retardés chacun de façon égale dans le temps Cependant, dans le mode en combinaison, la lentille 102 sert à transformer les rayons parallèles d'onde plane 122 en une onde sphérique convergente 124 destinée à être reçue par la fibre optique unique 110 comme montré sur la figure la.

La figure 3 donne une description graphique de la

lentille hyperbolique 102 La lentille 102 est représentée comme ayant la face arrondie 118 et la face plate 120 Un rayon central "x", désigné comme étant l'axe central 126, passe par le centre des faces arrondies et plates En outre, un rayon "y" désigné comme étant une ligne 128 est tangent à la surface arrondie 118 et coupe l'axe central 126 en un point "o" Le point "o" définit le sommet de la lentille hyperbolique 102 L'épaisseur au centre de la lentille 102 est désignée par la distance "o T" montrée sur la figure 3, tandis que le diamètre de la lentille 102 est équivalent à la longueur de la face plate 120 et est désigné par la lettre "D" La distance "F" est la longueur focale de la lentille hyperbolique 102 jusqu'à la fibre optique 108 "n" étant défini comme étant l'indice de réfraction dans l'équation l 1 l, la constante diélectrique (e) est égale à e = N 2 l 2 l de sorte que l'indice de réfraction "n" peut également être

défini comme (e 1/2).

La lentille hyperbolique 102 est l'une des lentilles diélectriques les plus simples pouvant être utilisées pour transformer l'onde sphérique divergente 116 en l'onde plane 122 et, inversement, pour focaliser l'onde plane5 122 sur un point Le contour de la surface de la lentille hyperbolique 102 montrée sur la figure 3 est donné par l'équation suivante: y = l(n 2 l)(x F)2 + 2 (n l)F(x F)l l 3 l

o les paramètres y, n, x et L sont tels que définis ci-

dessus Pour un diamètre "D", une constante diélectrique "n"10 et une longueur focale "F" donnés, l'épaisseur au centre "o T" de la lentille hyperbolique 102 est déterminée par o T (lF 2 + (n + l)D 2/4 (n 1)}é Fl/(n + 1) l 4 l Cette expression peut être résolue pour l'un quelconque des

paramètres en utilisant les autres paramètres.

Chaque microlentille 107 de l'ensemble 104 de microlentilles est également une lentille hyperbolique ayant une surface arrondie 130 et une surface plate 132, identique à la lentille hyperbolique principale 102 La surface plate 132 de chacune des microlentilles 107 de l'ensemble 104 de microlentilles est tournée vers la surface plate 120 de la lentille hyperbolique 102 dans une disposition dos à dos La distance entre la lentille hyperbolique 102 et l'ensemble 104 de microlentilles sur la figure la est exagérée pour montrer les rayons parallèles de l'onde plane 122 En pratique, les deux éléments sont confondus mais ils peuvent également être à une certaine distance finie l'un de l'autre Il n'est pas essentiel que la lentille 102 et les lentilles 107 de l'ensemble 104 soient soudées ou séparées Cette disposition est commode pour introduire un décalage de longueur de trajet constant tel qu'un retard qui est commun à tous les rayons parallèles. Le nombre de microlentilles 107 dans l'ensemble 104 montré sur la figure la doit être égal au nombre de fibres optiques 134 dans un faisceau 136 de fibres montrées sur les figures la et lb L'égalité entre le nombre de microlentilles 107 et le nombre de fibres 134 assurent un rendement de couplage optique élevé Par conséquent, la configuration des microlentilles 107 dans l'ensemble 104 est imposée par la configuration des fibres optiques 134 dans le faisceau 136 de fibres Une configuration convenable du faisceau 136 de fibres montrée par une vue en bout sur la figure lb impose la configuration des microlentilles 107 de l'ensemble 10 ' montré sur la figure lc Par conséquent, si l'on prenait une vue en coupe transversale passant par le centre de la vue en bout du faisceau 136 de fibres, les cinq microlentilles 107 de l'ensemble 104 et les cinq fibres

optiques 134 apparaîtraient comme montré sur la figure la.

La fonction de l'ensemble 104 de microlentille est de produire une combinaison de points souhaitée pour coupler l'onde plane lumineuse 122 provenant de la lentille hyperbolique 102 dans les fibres optiques 134 du faisceau 136 L'ensemble 104 de microlentilles peut être conçu pour établir une séparation appropriée de l'ouverture 106 afin de créer toute combinaison souhaitable de points en grille Les points sont formés chacun indépendamment des ondes lumineuses

séparées et sont focalisés sur les fibres optiques in-

dividuelles 134 pour une distribution de la lumière En

outre, la structure en réseau de l'ensemble 104 de micro-

lentilles est souple et la conception des microlentilles 107 est simple et directe En outre, en modifiant la dimension ou l'aire de capture de chaque microlentille 107, on peut commander de façon indépendante la distribution d'énergie sur

le faisceau 136 de fibre.

il

Etant donné que l'onde plane 122 entre dans la surface plate 132, chacune des microlentilles 107 de l'en-

semble 104 fonctionne de façon à faire converger les rayons lumineux locaux de cette partie de l'onde plane séparée 1225 en un point Chaque point est focalisé de façon indépendante sur la fibre optique correspondante 134 placée de façon appropriée dans le faisceau 136 de fibres De cette manière, la combinaison souhaitée de points est créée, laquelle correspond à la configuration du faisceau 136 de fibres pour la distribution des ondes lumineuses dans un système de fibres optiques Chacun des points focalisés de façon indépendante dans la combinaison souhaitée contient la même information optique que l'onde sphérique divergente 116 d'origine Cependant, l'intensité de l'énergie optique contenue dans chaque point décroît proportionnellement au rapport du diviseur qui est établi par la construction du dispositif de division/combinaison 100 Ainsi, la dimension

et la position de l'ensemble 104 de microlentilles déter-

minent l'intensité de l'énergie optique dans chaque point.

En raison des caractéristiques gaussiennes

intrinsèques du faisceau à l'entrée du dispositif de divi-

sion/combinaison 100, le diviseur optique présente une distribution de puissance gaussienne (en forme de cloche) sur l'ouverture 140 de l'ensemble de microlentilles dans la direction radiale La distribution gaussienne de puissance amène la lumière à être plus claire au centre et plus sombre aux bords, ce qui indique que la distribution de puissance n'est pas uniforme L'énergie lumineuse, en fait, diminue aux bords Par conséquent, l'intensité de l'énergie optique dans les points situés vers le centre de la combinaison et, par conséquent, dans les fibres optiques est plus grande que l'intensité de l'énergie optique dans les points extérieurs

de la combinaison et dans les fibres extérieures.

Pour certaines applications, il peut être souhaitable que la distribution soit uniforme pour la

totalité des "N" sorties de l'ensemble 104 de microlentilles.

Dans ce cas, les microlentilles 107 peuvent être agencées en anneaux concentriques comme montré sur la figure 2 Il convient de noter que plusieurs des fibres optiques 134 du5 faisceau 136 sont superposées sur la configuration de l'ensemble 104 de microlentilles de la figure 2 à titre illustratif Les microlentilles 104 montrées sur la figure 2 sont agencées de façon que les anneaux extérieurs soient constitués de lentilles plus grosses pour compenser la diminution de puissance L'aire de capture de la lumière de chaque microlentille 107 détermine la quantité d'énergie devant être couplée dans une fibre optique 134 du faisceau

136 de fibres Ainsi, les microlentilles extérieures 107 sont-

réalisées de façon à être progressivement plus grandes pour capturer davantage d'énergie lumineuse afin d'égaliser la distribution de puissance et de présenter une intensité

équivalente à celle des microlentilles 107 situées centrale-

ment Par conséquent, davantage d'énergie lumineuse est focalisée sur les fibres optiques extérieures correspondantes 134 pour produire une combinaison de points souhaitée ayant

une distribution approximativement uniforme.

Divers autres agencements pour les microlentilles 107 sont possibles pour produire une séparation appropriée de l'onde plane reçue de la lentille hyperbolique 102 Par exemple, une grosse microlentille pourrait être entourée d'un

anneau de microlentilles plus petites La grosse micro-

lentille capturerait davantage de lumière et focaliserait un

signal de sortie plus puissant sur un point particulier.

D'autres grosses microlentilles intégrées dans l'agencement focaliseraient des quantités proportionnelles de lumière sur des zones spécifiées du faisceau 136 de fibres, conformément à la quantité d'énergie lumineuse capturée De la même manière, des microlentilles plus petites qui capturent moins d'énergie lumineuse focaliseraient moins d'énergie lumineuse

sur le faisceau 136 de fibres.

Il est bien entendu que la configuration du faisceau 136 de fibres correspond à la configuration choisie de l'ensemble 104 de microlentilles En pratique, le réseau

du faisceau de fibres peut être agencé en une forme quel-

conque pour convenir à une configuration ou distribution de puissance souhaitée dans le dispositif de division/combi- naison optique 100 de la présente invention Cependant, les fibres 134 peuvent être réagencées comme souhaité en aval du dispositif de couplage pour une distribution économique Sur10 la figure lb, les fibres optiques 134 sont agencées en un réseau triangulaire afin de correspondre à la configuration de l'ensemble 104 de microlentilles Chacune des fibres optiques 134 du faisceau 136 de fibres est représentée comme ayant un coeur central 142 et une gaine 144 en verre très similaire à ceux décrits en référence à la fibre optique simple 108 Les diamètres du coeur central 142 et de la gaine 144 sont très faibles Par conséquent, un manchon 146 d'entretoisement constitué, par exemple, d'une autre couche de verre, est utilisé pour entourer chaque fibre optique 134 afin de maintenir la fibre en position à l'intérieur du faisceau 136 comme montré sur la figure lb Des manchons

d'entretoisement peuvent également être utilisés à l'inté-

rieur de l'ensemble 104 de microlentilles pour conserver l'alignement et l'écartement du point focal de chaque microlentille 107 par rapport à la fibre correspondante 134

dans le faisceau 136.

La configuration concentrique de l'ensemble 104

de microlentilles montré sur la figure 2 et mentionné ci-

dessus s'applique aussi à la configuration correspondante du

faisceau 136 de fibres Si la figure 2 représente la con-

figuration de l'ensemble 104 de microlentilles, elle repré-

sente alors aussi nécessairement la configuration du faisceau

136 de fibres Lorsque la figure 2 représente la con-

figuration de l'ensemble 104 à microlentilles, les cercles concentriques progressivement croissants indiquent la circonférence des microlentilles 107 plus grandes Cependant, lorsque la partie superposée de la figure 2 représente la configuration du faisceau 126 de fibres, les cercles concentriques progressivement plus grands indiquent la position5 du manchon d'entretoisement 146 entourant la gaine 144 de verre de chaque fibre optique 134 La gaine 144 de verre, elle-même, enrobe le coeur central 142 de la même manière que celle décrite en réponse à la figure lb Il est à noter que la dimension des fibres optiques 134 (coeur central 142 et10 gaine 144) de la figure 2 reste la même que celle des fibres montrées sur les figures la et lb Cependant, à des fins d'illustration générale, les manchons d'entretoisement 146 sont ajustés pour former des anneaux concentriques extérieurs plus grands conçus pour compenser la diminution radiale de15 puissance Sur la figure 2, les manchons 146 d'entretoisement

sont utilisés pour permettre aux points focaux des micro-

lentilles individuelles 107 d'être alignés avec une con-

figuration correspondante de fibres optiques 134 du faisceau

136 de fibres.

Lorsque le dispositif de division/combinaison 100 fonctionne en mode de combinaison, chacune des fibres optiques 134 formant la configuration de points du faisceau

136 de fibres transmet de l'énergie optique de faible inten-

sité à la lentille correspondante de l'ensemble 104 de microlentilles Chaque fibre 134 transmet de l'énergie optique contenant la même information optique Après que les énergies optiques de toutes les fibres individuelles 134 ont été combinées, l'intensité de l'énergie optique dans la fibre

optique unique 108 augmente Que le dispositif de divi-

sion/combinaison 100 fonctionne en diviseur ou en dispositif de combinaison, les problèmes de mise en phase optique sont éliminés de la manière suivante La face plate 120 de la lentille hyperbolique 102 et la face plate 132 de chacune des lentilles 107 de l'ensemble 104 de microlentilles établissent

un plan de phase égal comme cela est connu dans la technique.

Par conséquent, toute position le long des faces plates 120 et 132 des lentilles transmet une lumière ayant la même phase optique indépendante de la fréquence (par exemple de la couleur) Par conséquent, en positionnant la face 120 de la5 lentille hyperbolique 102 afin qu'elle soit opposée àla face plate 132 de chaque lentille 107 de l'ensemble 104 de

microlentilles et en choisissant les lentilles 107 de l'ensemble 104 de microlentilles afin qu'elles soient toutes de la même dimension, on obtient la mise en phase de tous les10 faisceaux lumineux.

Le procédé décrit ci-dessus pour éliminer les problèmes de déphasage optique en utilisant des micro-

lentilles 107 de dimensions égales est adapté à la construc- tion de la forme préférée de réalisation illustrée sur la15 figure lb Lorsque les lentilles utilisées dans l'ensemble 104 de microlentilles sont de dimensions variables comme cela est illustré sur la figure 2, des problèmes de déphasage optique existent Dans ces conditions, une compensation est nécessaire Pour compenser les différences de longueur de trajets optiques provoquées par des dimensions différentes des microlentilles 107, on peut modifier la constante diélectrique des lentilles plus petites de l'ensemble 104 de microlentilles Le degré de modification demandé de la constante diélectrique est déterminé par l'amplitude de la

différence de phase introduite par les lentilles de dimen-

sions différentes En outre, la longueur focale "F" de chacune des microlentilles 107 peut être rendue égale en concevant les microlentilles 107 plus grandes afin qu'elles se focalisent sur le même plan que les microlentilles 107 plus petites De plus, la longueur des fibres optiques 134 associées aux microlentilles plus grandes peut être diminuée afin d'égaliser les phases de sortie de l'énergie optique entre les fibres Les fibres plus courtes compensent le retard du signal optique provenant de la microlentille 107 plus grande rattrapant les longueurs locales plus courtes

associées aux microlentilles 107 plus petites Par consé-

quent, la phase de sortie de l'énergie optique distribuée est égalisée. Une compensation réalisée par l'un quelconque de ces procédés est difficile Par conséquent, un avantage majeur de la présente invention telle que montrée sur la figure lb est l'utilisation de lentilles 107 de dimensions égales dans l'ensemble 104 de microlentilles La diminution d'origine naturelle de l'intensité de l'énergie optique dans les lentilles extérieures de la forme de réalisation à lentilles de dimensions égales de la figure lb minimise les lobes latéraux comme cela est normalement demandé dans des

applications typiques au radar.

Les microlentilles 107 constituant l'ensemble 104

de microlentilles peuvent être fabriquées, polies et posi-

tionnées individuellement La lentille hyperbolique 102 peut être constituée, par exemple, de verre, de quartz ou de Teflon D'autres types de configurations de lentilles peuvent également être utilisés et peuvent être choisis par l'homme de l'art ayant des connaissances dans la conception des lentilles Bien que la présente invention ne porte pas sur la fabrication du système de lentilles, il est utile de décrire une technique photographique pour obtenir le système de

lentilles, par exemple une technique qui produit approxi-

mativement le même effet optique que celui de la con-

figuration de lentilles montrée sur la figure 3 Il est connu qu'une plaque 148 à zone de Fresnel, qui a été inventée par Lord Rayleig et qui est montrée sur la figure 4, agit sensiblement à la manière d'une lentille Une plaque zonale 148 peut être aisément fabriquée, en pratique, en traçant des cercles concentriques 150 à l'encre noire sur un film transparent 152 Les cercles concentriques assemblés 150 et les espaces entre eux forment des zones sur la plaque zonale 148 Une zone sur deux est assombrie pour créer un diagramme

d'interférence qui sert à faire converger les ondes lumineu-

ses sur une petite tache Les amplitudes des rayons des cercles concentriques 150 sont proportionnelles aux racines

carrées des nombres entiers des zones concernées Le dia-

gramme est alors réduit photographiquement à l'échelle appropriée. Le processus d'impression sur le film optique transparent 152 produit un diagramme ou dessin qui produit le même effet optique de transformation d'onde lumineuse, d'une forme à une autre, que celui d'une lentille diélectrique10 transparente La plaque 148 à zone de Fresnel montrée sur la figure 4 a une longueur focale qui est liée au rayon "a" de la première zone de la manière suivante F = a 2/1 l 5 l o A est la longueur d'onde de la lumière transmise Les rayons des ondes restantes à l'intérieur de la plaque 148 à zone de Fresnel sont donnés par l'expression: rm = (m)1/2 x (a) l 6 l o "m" est égal au nombre entier de cercles concentriques 150 (par exemple m = 2, 3, 4, etc) en comptant les cercles concentriques de l'intérieur vers l'extérieur En pratique,

la fabrication est réalisée de façon que la lentille hyper-

bolique 102 et que toutes les microlentilles 107 de l'en-

semble 104 puissent être remplacées par les plaques zonales

148 imprimées sur un film transparent 152.

Dans les exemples de réalisation montrés sur les figures la, lc et 2, dix-neuf microplaques zonales 148 sont nécessaires pour remplacer les microlentilles 107 dans l'ensemble 104 et une seule plaque zonale est nécessaire pour la lentille hyperbolique 102 Les dix-neufs microplaques zonales séparées 148 sont substituées à l'ensemble entier 104 de microlentilles et la nécessité de meuler et polir dix-neuf surfaces de lentilles séparées est éliminée Il en est de même pour la lentille hyperbolique 102 Dans le mode en diviseur, la fonction de chacune des dix-neuf microplaques zonales 148, de même qu'avec les microlentilles 107, est de focaliser une partie de l'onde plane 122 sur les fibres optiques individuelles 134 Ceci est réalisé par conversion de la partie de l'onde plane 122 en une onde sphérique convergente 124 comme montré sur la figure la Dans le mode en combinaison, la fonction de chacune des dix-neuf microplaques zonales 148 est de transformer une onde sphérique divergente 107 provenant de l'une des fibres optiques individuelles 134 en l'onde plane 122 pour la transmettre à la lentille hyperbolique 102 Par conséquent, la technique10 photographique portant sur la plaque à zones de Fresnel

convient à la fabrication à la fois de la lentille hyperboli-

que principale 102 et des microlentilles individuelles 107 de

l'ensemble 104 de microlentilles.

Enfin, il convient de noter que, pour améliorer le rendement du couplage, l'extrémité de chaque fibre optique 134 doit être traitée de façon à avoir une surface ou un bout

concave sphérique 114 La surface ou le bout concave sphéri-

que 114 agit à la manière d'une lentille qui diffuse l'onde

lumineuse depuis la fibre optique 134 en une onde sphérique.

Inversement, la surface ou le bout concave sphérique 114 transforme un faisceau convergent en rayons parallèles à

l'intérieur de la fibre optique 134.

Dans le fonctionnement en diviseur, une onde lumineuse est dirigée sur la lentille hyperbolique 102 à partir de la fibre optique unique 108 L'extrémité concave sphérique 114 de la fibre unique 108 transforme les rayons parallèles, à l'intérieur de la fibre 108, en une onde sphérique divergente 116 La lentille 102 transforme l'onde sphérique divergente 116 en une onde plane 122 ayant des rayons parallèles L'onde plane 122 est ensuite convertie en plusieurs ondes sphériques convergentes 124 d'intensité plus

faible par l'intermédiaire de l'ensemble 104 de micro-

lentilles pour qu'elles soient focalisées sur les fibres

optiques 134 du faisceau optique 136 Les extrémités sphéri-

ques concaves 114 des fibres 134 transforment les ondes sphériques convergentes 124 en rayons parallèles pour la distribution. Dans le fonctionnement en dispositif de com- binaison, les rayons parallèles à l'intérieur des fibres 134 sont transformés en plusieurs ondes sphériques divergentes individuelles 116 de faible intensité par les extrémités sphériques concaves 114 des fibres Les ondes sphériques divergentes sont combinées en une onde plane unique 122 d'intensité plus élevée par les microlentilles 107 L'onde plane 122 tombe sur la lentille hyperbolique 132 qui la transforme en une onde convergente unique 124 L'onde sphérique convergente unique 124 est ensuite transformée en rayons parallèles pour la distribution par l'extrémité sphérique concave 114 de la fibre optique 108.15 Un dispositif spécifique personnalisé (du type arborescent) de division/combinaison de puissance optique a

été décrit, lequel est utilisé pour coupler une onde lumi-

neuse depuis une fibre vers "N" fibres et, dans le mode alternatif, pour coupler des ondes lumineuses depuis "N' fibres vers une fibre Le dispositif de division/combinaison optique 100 est un élément essentiel de tous les réseaux de

distribution à fibre optique Le coupleur en étoile récipro-

que de la présente invention produit des amplitudes égales et des longueurs de trajet égales Par conséquent, une phase cohérente du signal de modulation est produite à toutes les sorties optiques car chaque fibre 134 du faisceau 136 subit un retard commun du signal de modulation Par conséquent, toute modulation présente à la source actuelle est également rencontrée dans toutes les fibres 134 du faisceau 136 Le dispositif de division/combinaison 100 utilise un ensemble 104 de microlentilles qui sépare l'ouverture 106 afin de créer toute combinaison souhaitable en grille, chaque point

de la grille étant formé indépendamment La présente inven-

tion commande de façon indépendante la distribution d'énergie lumineuse sur le faisceau 136 de fibres en faisant varier l'aire de capture de chaque microlentille 107 et elle procure donc un diviseur de haute qualité ayant un rapport de

division élevé.

Le dispositif de division/combinaison optique 100 peut être appliqué à un radar et des communications En général, dans les applications au radar, l'utilisation de lentilles de dimensions égales (ensemble 104 de microlentilles) permet l'exploitation de la diminution naturelle de l'intensité de l'énergie optique pour éliminer des lobes10 latéraux indésirables L'invention est utilisée dans des réseaux pilotés en phase dans lesquels des longueurs de lignes égales sont nécessaires pour produire un front d'onde

uniforme afin de collimater un faisceau lumineux Le disposi-

tif de division/combinaison 100 est en outre utile dans des applications à des réseaux pilotés en phase car tous les points de rayonnement doivent rayonner simultanément pour

éviter des problèmes de performance avec le faisceau col-

limaté D'autres applications sont évidentes dans la distri-

bution et la communication de signaux Des exemples compren-

nent une situation dans laquelle un faisceau unique doit être divisé en faisceaux multiples (par exemple un signal de télévision en circuit fermé ou des signaux téléphoniques distribués à une voie d'accès à un boîtier) ou une situation dans laquelle des signaux multiples doivent être amenés par

convergence en un faisceau unique (par exemple le multi-

plexage de lignes de signaux téléphoniques multiples dans un central de communications) Il est évident que le dispositif de division/combinaison optique 100 selon l'invention est très souple en comparaison avec d'autres coupleurs optiques en étoile de l'art antérieur La présente invention peut également être utilisée pour des ensembles à deux dimensions

en formant les lentilles en un réseau linéaire (rectan-

gulaire). Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif de division/combinaison

optique décrit et représenté sans sortir du cadre de l'inven-

tion.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1 Dispositif de division/combinaison optique ( 100) destiné à, alternativement, diviser et combiner un faisceau optique ayant une fibre optique unique ( 108) et un faisceau ( 136) de fibres optiques, ladite fibre optique unique ( 108) délivrant de l'énergie optique audit dispositif de division/combinaison ( 100) et en recevant de l'énergie optique, en alternance, et ledit faisceau ( 136) de fibres optiques recevant de l'énergie optique dudit dispositif de10 division/combinaison ( 100) et lui délivrant de l'énergie optique, en alternance, le dispositif de division/combinaison ( 100) étant caractérisé en ce qu'il comporte une lentille hyperbolique ( 102) en communication optique avec la fibre optique unique ( 108) pour convertir l'énergie optique délivrée depuis une onde sphérique divergente ( 116) en une onde plane ( 122) et un ensemble ( 104) de microlentilles en alignement optique avec la lentille hyperbolique ( 102) pour séparer et focaliser l'onde plane ( 122) afin de produire une configuration optique de points à phase cohérente sur le

faisceau ( 136) de fibres optiques pour distribuer unifor-

mément la combinaison de points optiques à phase cohérente lors d'un fonctionnement en diviseur; ledit ensemble ( 104) de microlentilles étant en communication optique avec le

faisceau ( 136) des fibres optiques pour convertir la con-

figuration de points optiques à phase cohérente d'un certain nombre d'ondes sphériques divergentes ( 116) en une onde plane

( 122) et ladite lentille hyperbolique ( 102) étant en aligne-

ment optique avec l'ensemble ( 104) de microlentilles pour

recevoir et convertir l'onde plane ( 122) en une onde sphéri-

que convergente ( 124) afin de transmettre cette dernière lors

d'un fonctionnement en dispositif de combinaison.

2 Dispositif de division/combinaison optique ( 100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lentille hyperbolique ( 102) présente une surface parabolique ( 118) sur un premier côté et une surface ( 120) sur un second côté. 3 Dispositif de division/combinaison optique ( 100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble ( 104) de microlentilles comprend plusieurs microlentilles ( 107) ayant chacune une surface parabolique ( 130) sur un premier côté et une surface plane ( 132) sur un

second côté.

4 Dispositif de division/combinaison optique ( 100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que

l'ensemble ( 104) de microlentilles comprend plusieurs micro-

lentilles ( 107) de dimensions égales, disposées concentri-

quement. Dispositif de division/combinaison optique ( 100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que

l'ensemble ( 104) de microlentilles comprend plusieurs microlentilles ( 107) disposées concentriquement, les len-

tilles concentriques extérieures étant plus grandes que les lentilles concentriques intérieures afin de compenser une densité non uniforme de la puissance optique.20 6 Dispositif de division/combinaison optique ( 100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre optique unique ( 108) présente une extrémité concave

sphérique ( 114) destinée à faire diverger l'énergie optique.

7 Dispositif de division/combinaison optique ( 100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque fibre ( 134) du faisceau de fibres optiques ( 136) présente une extrémité concave sphérique ( 114) destinée à faire diverger l'énergie optique de ladite configuration de points optiques

à phase cohérente.