Brevet FR2226678A1 — publié le 19741115

I,a présente invention concerne un commutateur d'ondes électromagnétiques, plus spécialement infrarouges0 Selon la brevet français NO 1 160 863 "FILTRE D1AIGUIiiAGE", il est connu que l'on peut coupler entre eux deux guides d'onde rectangulaires parallèles dans lesquels se propagent des modes TB par des résonateurs parallélépipédiques vibrant simultanément sur deux modes, et que le champ électrique dans ce système possède partout la meme direction.Cette direction est prise ci-après comme axe Oz dand un système de coordonnées rectangulaires, l'axe Oy ayant la direction commune des axes des guides rectangulaires couplés, Les résonateursde couplas sont limités par des plans métaliques, les uns parallèles à xOy, les autres parallèles à xOz. Les guides sont limités par de-grandscôtés parallèles au plan xOy et de petits côtés qui sont couplés aux résonateurs par l'intermédiaire de parois communes percées de trous de couplage se comportant comme des semi-réflecteurs sans pertes.Les deux modes de vibration du réso nateur ont la mtme fréquence: le mode TE m n défini par des indices o,m,n o,m,n représentant le nombre de demi-longueurs d'onde comptées suivant les axes Oz, Ox et Oy. D'autre part, pour que la fréquence de résonance soit identique pour les deux modes, il est possible dtuti- liser des résonateurs à section carrée et respectivement les valeurs (2P, 2P-1) et (2P-1, 2P) pour les indices m et n des deux modes. Le dispositif ci-dessus décrit possède diverses propriétés; d'une part, lorsqu'une onde monochromatique est lancée dans l'un des guides, elle se propage tout le long de ce guide sans perturbation notable, ou change de guide en totalité suivant la valeur de la fréquence de cette onde par rapport à la valeur de la fréquence propre du résonateur. On sait, d'autre part, que lorsqu'une jonction semi-conductrice PN ou PIN plane de grande surface est soumise à une tension de polarisation inverse, le plan de jonction peut vider une onde car, sous l'effet de cette tension inverse, les atomes de dopage se chargent, et la présence d'atomes ainsi rendus positifs et négatifs de part et d'autre du plan de jonction a pour effet de former des doublets qui ne sont plus neutralisés par les électrons et les trous comme en l'absence de tension de polarisation. Il en résulte une polarisation électrique moyenne qui augmente la valeur de la const. nte diélectrique pour les ondes lumineuses ou infrarouges qui se propagent dans le plan de jonction avec un champ électrique perpendiculaire audit plan de jonction.La valeur de cette owante varie en fonction de celle de la tension inverse appliquée à la jonction. On sait également que l'on peut guider une onde infrarouge dans une couche mince d'oxyde de zinc ZnO enfermée entre deux plans métalliques, l'indice optique de la substance variant avec la tension appliquée entre lesdits plans métalliques. L'objet de la présente invention est un commutateur d'ondes électromagnétiques obtenu par la transposition du précédent au domaine des ondes lumineuses ou infrarouges guidées par couche mince, les guides et résonateurs étant formés dans la couche mince de guidage, qui présente- un effet électro-optique. A titre d'exemple de couche mince, on citera les jonctions semi-conductrices PN ou PIN et les couches minces dioxyde de zinc comprises entre deux plans métalliques. Dans les deux cas, la couche métallique supérieure est assez mince pour que, en la creusant par photo-découpage ou électro-découpage, on puisse couper la couche de guidage en ne laissant subsister que les rubans jouant le rôle de guides d'onde et des carrés formant résonateurs dont la fréquence propre varie en fonction de la tension qui leur est appliquée, Lorsque la tension appliquée sur la couche métallique d'un carré est telle que le résonateur qu'il forme est désaccordé pour la fréquence de l'onde infrarouge que l'on utilise dans le système, cette onde continue à se propager sans perturbation dans le guide qui jouxte le carré, tandis quelle peut traverser ce résonateur et changer de guide si l'on fait varier la tension de commande pour accorder le résonateur. Selon une autre caractéristique de la présente invention, on réalise un changement de guide à travers deux résonateurs couplés, l'un commandé par le signal indiquant le rang d'une impulsion dans un groupe d'impulsions à transmettre, l'autre commandé par l'information codée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des dessins annexés, dans lesquels: - la Fig. 1 représente un système de modulation transmettant un signal è quatre moments (chiffres binaires) - la Fi. 2 est une vue en coupe du dispositif de la Fig. I - la Fig. 3 représente en détail les trajets optiques dans les guides et les résonateurs ; et - la Fig0 li montre le groupement peesible d'un grand nombre de dispositifs analogues à celui illustré par la Fig. 1. Se référant maintenant aux dessins, la Fig. 1 montre un commutateur d'ondes lumineuses ou infrarouges destiné à transmettre un signal à quatre moments tel qu'un nombre de O à 15 en système binaire. Ce commutateur est composé d'un guide 1, ayant une extrémité d'entrée tO, par laquelle pénètre le flux d'un laser continu, et une extrémité de sortie 19 non utilisée; dtun guide 2 par l'ex- trémité 20 duquel sort le signal utile, et de résonateurs decoup 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18. Les divers éléments de la Fig. 1 sont compris entre deux couches de métal 30 et 31, dont seule la couche 31 est repérée sur la Fig. 1, la couche 30 étant formée par les surfaces supérieures des éléments 1, 2 et 11 à t8. La Fig. 2, qui est une vue en coupe suivant II-II de la Fig. t, montre mieux la constitution des guides et des résonateurs. Une jonction PIN est prévue entre les deux couches de métal 30 et 31, la propagation des ondes se faisant dans la couche à conductivité intrinsèque 32. Dans le bloc de la Fig. 1 sont pratiqués divers évidements de manière à laisser en surépaisseur les surfaces supérieures de t et 2, ainsi que celles des éléments 11 à 18. Sur la Fig. 2, on voit aussi mieux le découpage et le creusage de la couche de métal 30 et la manière dont ils sont réalssts pour isoler les guides des résonateurs. Le couplage entre le guide 1 et le résonateur 11 se fait à travers la coupure 33 dont la largeur et une matière de remplissage déterminent le coefficient de couplage. De mime, la coupure 34, identique à 33, couple le résonateur 12 au guide 2. La largeur de la coupure 35 et la matière dont on peut la remplir déterminent le couplage entre les deux résonateurs. Ce dernier sera choisi nettement supérieur au couplage critique de telle sorte qu'un des deux résonateurs ne puisse résonner seul, ce couplage critique étant celui défini dans les conditions derés4nance. Les vecteurs d'onde de la Fig. 3 représentent les différents modes de propagatior et de résonance décomposés en ondes planes. Dans les guides 1 et 2, la propagation d'un mode analogue au mode TEo1 des guides rectangulaires peut étre représentée par une onde plane qui se réfléchit alternativement sur les parois apposées. Dans les résonateurs,- l'onde plane est réfléchie par les quatre parois latérales et la fréquence de résonance est déterminée par le fait que le trajet optique qui se referme sur lui-meme après quatre réflexions doit avoir une longueur optique egale à un nombre entier de longueurs d'onde. Une analyse plus détaillée du régime de vibration dans un tel résonateur montre que cette condition est satisfaite pour deux modes de vibration, l'un symétrique par rapport au plan de symétrie géométrique XY de la Fig. 3, l'autre antisymétrique par rapport à ce mOrne plan.La commutation de 1'onde est commandée à partir des tensions appliquées sur les métallisations supérieures des résonateurs, qui agissent aur l'indice de réfraction apparent de la couche de guidage et permettent de passer du désac cord à l'accord des résonateurs, la tension de repos correspondant au désaccord de ces résonateurs. Le nombre binaire à quatre moments que l'on veut transmettre est inscrit par le modulateur 40 de la r'ig, 1 en débloquant convenablement les résonateurs de couplage 12, 14, 16 et 18. Supposant par exemple que lion veut transmettre le chiffre "5"; celui-ci s'écrit sous forme binaire 0701. Le modulateur 40 met sous tension les résonateurs 14 et 18 pour les accorder, et un déblocage successif des résonateurs 11, 13, 15, t7 est opéré, grâce à une ligne à retard constituée par des inductances 42 et par les capacités présentées par les résonateurs, et dans laquelle est envoyée une impulsion électrique fournie par la source 41 et de valeur convenable pour faire passer les résonateurs du désaccord à l'accord. Lorsqu'une impulsion est appliquée au résonateur 11, celui-ci se trouve accordé, mais, le résonateur 12 étant désaccordé, le couplage au guide 2 ne se fait pas, ét la sortie 20 présente un signal nul. Par contre, lorsque l'impulsion est appliquée au résonateur 13 et l'amène à l'accord, la puissance de l'onde entrant par 10 et se propageant dans le guide 1 est intégralement transmise au guide 2, et la sortie 20 délivre un signal non nul. La Fig. 4 montre le groupement de deux dispositifs analogues à celui représenté par la Fig. 1, symbolisés par les rectangles 51 et 52, ainsi que leurs entrées et sorties 10 et 20. Le rayonnement continu du laser entre par l'extrémité 53.du guide 55 tandis que la puissance modulée sort par l'extrémité 56 du guide 54. Lorsque les résonateurs 61 et 62 sont accordés et les résonateurs 63 et 64 désaccordés par l'applicc.tion de tensions respectives convenables à ces résonateurs, la puissance traversant le système 51 se trouve modulée par lui. Le système de commutation-qui vient autre décrit est applicable à un nombre quelconque de dispositifs analogues à celui de la Fig. 1. Dans ce cas, seuls les deux résonateurs encadrant le trajet choisi sont amenés à l'accord tandis que les autres restent désaccordés. Il est souhaitable que la système de commutation schématisé Fig. 4 soit réalisé sur la meme jonction que le système qu'il commute, afin qu'unie seule jonction puisse constituer un modulateur groupant et transmettant un très grand nombre dtinformations. Les guides, conme les résonateurs, sont alors découpés dans cette jonction pour faciliter la cons t ruction, la métallisation supérieure étant soumise à une tension inverse continue réglée de façon que les pertes soient négligeables0 REVENDICATIONS 1 - Commutateur d'ondes électromagnétiques lumineuses ou infrarouges entre deux guides d'ondes réalisé en gravant dans une face d'une jonction semi-conductrice PN-ou PIN plane, métallisée sur ses deux faces, deux guides et plusieurs paires de résonateurs à section carrée couplés respectivement auxdits guides et que des tensions électriques respectives de commande permettent de désaccorder ou d'accorder sur la fréquence des ondes à commuter, caractérisé en ce que lesdites tensions agissent simultanément sur les deux modes de chaque résonateur, grâce à quoi la totalité de la puissance desdites ondes continue à se propager dans le meme guide ou change de guide. 2 - Commutateur d'ondes électromagnétiques lumineuses ou infrarouges selon la revendication 1, caractérisé par l'emploi de paires de résonateurs montés en cascade, l'un commandé par une tension dépendant de la valeur de l'information à transmettre pour chacune d'un groupe d'impulsions binaires, l'autre commandé par une tension liée au rang de cette information dans ledit groupe d'impulsions 3 - Commutateur d'ondes électromagnétiques lumineuses ou infrarouges selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux résonateurs extrOmes commandés simultanément et mettant ledit commutateur en service ou hors service selon qu'ils sont accordés ou désaccordés.