Brevet FR2495873A1 — publié le 19820611

DISPOSITIF DE COMMUTATION DE FAISCEAUX OPTIQUES ET CENTRAL T ELEPHONIQUE COMPRENANT UN TEL DISPOSITIF La présente inventioe. se rapporte aux Jispositifs de commutation électro-optiques qui permettent de relier des o:ganes photoémetteurs d'en- trée à des organes photo.écepteurs de sortie par des liaisons optiques modifiables sous l'action de signaux de commande électriques extérieurs. L'application de ces dispositifs à la commutation téléphonique permet d'obtenir un central téléphonique dans lequel la mise en relation des lignes d'abonnés s'effectue sans contact électrique mobile. De nombreux dispositifs de commutation électro-optiques ont été réalisés dans le passé. Il est notamment connu d'utiliser une matrice de circuits d'entrée, délivrant des faisceaux parallèles, reliée optiquement à une matrice de circuits de sortie par l'intermédiaire d'une matrice d'holo- grammes inscrits dans un milieu photosensible tel le manganèse-bismuth. La transmission vers un circuit de la matrice de sortie s'effectue lors de la lecture holographique par le faisceau incident provenant du circuit photo- émetteur correspondant. Une inscription holographique préalable ayant été réalisée par interférence entre ce faisceau incident, et un deuxième faisceau. Ce deuxième faisceau, de par son orientation obtenue par dé- flexion, permet le choix du circuit photorécepteur dans la matrice des circuits de sortie. La présente invention se rapporte à un dispositif d'une grande simpli- cité de mise en oeuvre. L'inscription et la lecture holographique sont de plus d'une grande efficacité: peu d'énergie étant nécessaire et la perte d'inser- tion dans le milieu photosensible étant faible. L'invention a pour objet un dispositif de commutation de faisceaux optiques destiné à relier par voie optique au moins l'un des circuits d'un ensemble de circuits photoémetteurs à au moins un circuit d'un ensemble de circuits photorécepteurs, comprenant des moyens de déflexion du rayon- nement émis par le circuit photoémetteur rendu préalablement parallèle par un moyen de collimation, ces moyens de déflexion permettant de diriger le rayonnement sur la partie active du circuit pho-orécepteur correspondant, ces moyens de déflexion consistant en un réseau de diffraction inscrit dans un milieu photosensible obtenu par l'interférence de deux faisceaux lumi- neux, caractérisé en ce que les deux faisceaux lumineux créant le réseau de diffraction dans le milieu photosensible ont une longueur d'onde différente de celle des faisceaux issus des circuits photoémetteurs, la longueur d'onde du rayonnement Amis par le circuit photoêmetteur n'étant pas située dans le domaine de sensibilité spectrale du milieu photosensible, ce milieu photo- sensible, dans lequel le réseau de diffraction est un réseau tridimensionr:c de franges, étant continûment recyclable. L'invention a aussi pour objet un central téléphonique automatique utilisant un tel dispositif de commutation. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description qui suit et des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 illustre un état de l'art connu; - les figures 2 et 3 illustrent un schéma partiel du dispositif suivant l'invention; - la figure 4 illustre un autre schrma partiel du dispositif suivant l'invention; - la figure 5 illustre un aspect particulier du dispositif selon l'inven- tion; - la figure 6 illustre une réalisation du dispositif selon l'invention; - les figures 7 et 8 illustrent deux aspects particuliers du dispositif selon l'inventio,. La figure 1 représente un dispositif de l'art antérieur. Les éléments constitutifs sont des matrices de circuits optiques. La matrice d'entrée 1 fournit des faisceaux sources défléchis pour aller se réfléchir sur le miroir 11 et atteindre ainsi la metr-ice d'hologrammas 4 en un endroit donné. Cette matrice d'hologrammes est réalisée par inscriptions dans un matériau photosensible. Considérons par exemple le faisceau 8 issu de la source principa!e S6, il atteint le milieu photosensible en H6. La matrice 2 fournit de façon synchrone à la matrice 1 des faisceaux sources auxiliaires qui vont permettre l'inscription holographique après avoir traversé une matrice d'obturateurs 3. Ainsi la matrice 2 émet un faisceau 6 qui éclaire la matrice d'obturateurs 3 sur toute sa surface. Ce faisceau, dans notre cas, provient de la source auxiliaire L6. Seule une partie 9 de ce faisceau émerge de la matrice d'obturateurs pour atteindre la matrice d'hologrammes en H6 et ainsi interférer avec le faisceau 8. Les matrices I et 2 sont donc éclairées de façon synchrone. Pour que les faisceaux atteignent les mêmes endroits de la matrice d'hologrammes, les matrices 2 et 4 sont conjuguées optiquement, il en est bien évidemment de même des matrices 1 et 4. La matrice d'obturateurs 3 est conjuguée avec la matrice de sortie 5; le choix de l'obturateur permet ainsi de sélectionner le circuit photorécepteur de sortie. Ainsi dans un premier temps, il y a inscription holographique grâce aux faisceaux incidents 8 et 9. Dans un second temps on supprime le faisceau 9 en fermant l'obturateur A7. Le faisceau 8 joue donc le rôle de faisceau référence et par diffraction on obtient un faisceau émergent qui atteint la matrice des circuits de sortie sur le circuit D7, conjugué de l'obturateur A7 sélectionné précédemment. Si on considère des matrices (lignes, colonnes), les matrices 1, 2 et 4 sont des matrices (m, n) et les matrices 3 et 5 des matrices (p, q). Ce système présente plusieurs inconvénients: le faisceau utile éclai- rant la matrice d'obturateurs se réduit finalement au faisceau 7 d'o un mauvais rendement énergétique. De plus deux cycles sont nécessaires au fonctionnement de ce dispositif: un cycle d'inscription holographique et un cycle de lecture holographique. Sur les figures 2 et 3 nous considérons différentes matrices de circuits. Les faisceaux lumineux issus de la matrice 13 des circuits photoémetteurs sont rendus parallèles par passage à travers une matrice de microlentilles 14. Ces faisceaux alors diffractent sur des strates inscrites dans le milieu 15 pour atteindre différents circuits de la matrice 16 de circuits photo- récepteurs. Ces strates, ayant été inscrites dans un milieu photosensible épais, sont donc des plans parallèles au plan bissecteur des surfaces d'ondes incidentes qui ont permis, par interférence, leur inscription dans ce milieu. Il y a aussi matérialisation d'une sorte de "store vénitien" fait de strates équidistantes. Dans notre cas, ce milieu est un milieu photosensible électro- optique. C'est un milieu continûment recyclable. Ce peut être par exemple un milieu à haut rendement de type oxyde de bismuth-silicium (BSO). La longueur d'onde des faisceaux provenant des circuits photo- émetteurs n'est pas située dans le domaine de sensibilité spectrale du milieu, elle est située par exemple dans le domaine infra-rouge. Ainsi la matrice d'émission 13 est constituée d'un réseau de m x n sources lumineuses modulables, collimatées à l'aide d'un réseau 14 de microlentilles ou de fibres focalisantes de type à gradient d'indice par exemple. Les faisceaux ainsi générés sont placés en regard d'une plaquette 15 de matériau BSO servant de support à l'enregistrement de réseaux de phase de pas et d'orientation convenables. Ces réseaux sont inscriptibles et effacables. La lecture du lu réseau n'étant pas destructrice aux longueurs d'onde considérées, le faisceau incident est donc défléchi vers l'adresse désirée, et lu sur une matrice de photodétecteurs. On établit ainsi la liaison optique entre deux abonnés. L'intérêt essentiel du dispositif tient à la possibilité de "croiser" dans l'espace tous les faisceaux lumineux se propageant indépendamment entre tous les points des matrices d'entrée 13 et de sortie 16. L'inscription des strates qui permettent d'assurer la commutation entre deux abonnés quelconques est réalisée à l'aide de deux faisceaux issus par exemple d'un laser He-Cd. Chaque faisceau est obtenu à l'aide d'un dispositif identique à celui de la figure 4. Puisque le matériau photosensible utilisé est épais, le changement de longueur d'onde entre l'inscription et la lecture oblige un positionnement des faisceaux d'enregistrement sous les incidences particulières. Ceci permet d'assurer, à la lecture, la déflexion du faisceau vers le circuit voulu de la matrice de sortie. Ce dispositif assurant l'inscription du réseau de strates est donc schématisé sur la figure 4. Ce dispositif comporte un double système de déflexion XY dont la fonction est la suivante: - le premier déflecteur D1 choisit dans le plan de commutation un point quelconque; - le second déflecteur D2 positionne le faisceau avec l'incidence requise sur le cristal BSO 15. Ce faisceau pivote autour d'un point sélectionné dans le plan du cristal. Le déflecteur D est de grande dimension, car il doit accepter le champ angulaire du premier déviateur. La lentille L2 image le plan moyen P' du déflecteur sur le plan P du milieu photosensible; ainsi 1 + v =1Ts Les déviateurs D1 sont, à titre d'exemple non limitatif, constitués par des miroirs galvanométriques fonctionnant en accès aléatoire dans les deux directions X-Y. Chaque bloc de déflexion Dl peut être muni d'un dispositif optique assurant la conjugaison des déflecteurs X et Y. Ainsi on peut considê^er à titre d'exemple non limitatif pour le déflecteur Di un miroir morté "à la Cardan". Le point de pivotement de ce miroir est situé au foyer de ja lentille Li. On obtient ainsi un ensemble de faisceaux de directions parallèles à l'axe optique. Sur la figure 4 on considère des pinceaux parallèles. Ce qui n'est pas tout à fait exact, mais en première approximation, ceci est vrai. La répartition d'un pinceau lumineux issu d'un laser est une fonction gaussienne, mais les lentilles permettent de compenser les divergences des faisceaux. Pour le déflecteur D2 on peut considérer à titre d'exemple non limitatif deux déflecteurs acousto-optiques successifs l'un agissant suivant l'axe vertical et l'autre suivant l'axe horizontal dans un plan perpendiculaire à l'axe optique. La propagation dans le milieu 25 d'une onde acoustique générée par le transducteur 24 attaqué lui-même par un signal provenant du générateur 23 se traduit sur l'indice optique de ce milieu par une perturbation ondulatoire synchrone. A une onde progressive de fréquence correspond d'un point de vue optique un réseau de phase dont le pas est égal à A = F, et dont la figure de diffraction permet de controler par l'intermédiaire de la fréquence F, la direction de propagation de l'onde incidente en interférence avec lui. Ainsi à chaque valeur de A, donc de la fréquence appliquée au transducteur électro-acoustique 24, correspond une déviation de la partie diffractée du pinceau lumineux. A cette première déviation suivant l'axe vertical succède une seconde déviation suivant l'axe horizontal. Elle est obtenue grâce à la propagation dans le milieu 28 d'une onde acoustique générée par le transducteur 27 attaqué lui-même par un signal provenant du générateur 26. Le fonction- nement de ce deuxième déviateur, est analogue à celui du premier. Pour avoir un plan P' rigoureusement défini on peut considérer que ces deux déviateurs sont imagés l'un par rapport à l'autre par un système imageur rintermédiaire. Le fait que ce plan P' ne soit pas tout à fait confondu avec le plan r, plan focal de L2 entraine une légère erreur. Cette erreur est négligeable car les déviations 60 sont faibles. En effet le milieu 15 est un milieu qui amplifie la déviation des faisceaux, la lecture et l'écriture se faisant à des longueurs d'ondes différentes. On peut à titre d'exemple non limitatif effectuer l'écriture en lumière visible et la lcture en infra-rouge. Ainsi au vecteur d'onde résultant K correspondant eux strates créées dans le milieu vont correspondre à l'inscription des vecteurs d'onde K1 et K2 des fronts d'onde plans qui interfèrent avec: K = K2 - K]. A la lecture, au vecteur d'onde KL du faisceau de lecture va donc correspondre un faisceau de sortie dévié tel que iKS = KL + K. Or /r/ =2-E, ainsi l'angle a1 est plus grand que l'angle o2 si la fréquence du faisceau de lecture est plus faible que celle des faisceaux qui ont réalisé l'inscription. Ainsi les faisceaux déviés par D2 suivant des angles d0, convergent dans le plan P suivant des angles AS, les plans P et P' étant conjugués. Les fronts d'onde des faisceaux qui cnnvergent sont plans, aussi les strates sont paraiièies. 0 Ces deux systèmes déflecteurs D1 et D2 permettent ainsi d'atteindre les différents points du milieu 15 suivant des orientations particulières. L'association de deux dispositifs de ce type assure la génération d'un réseau de strates de pas et d'orientation convenables pour défléchir le faisceau de lecture vers l'abonné slect-onn6. Ces deux dispositifs peuvent être disposés selon le schéma de lia figure 6 pour la génération des deux faisceaux interférant dans le cristal BSO. Cette interférence se produit dans un milieu a trois -- ensions Lea cractlristiques physiques de ce milieu et en particulier 'indice de réfraction, sont modulés spatialement par un réseau de franges dues à FlnLerfèrences de ces deux faisceaux incidents. Du 0 faiL de Cette n. ulatior spatiale qui induit par gradient un réseau de strates, tout faisc:u issu de 'a nmatrice des circuits photoémetteurs va être diffracté dans une direction choisie. Les deux faisceaux d'inscription sont issus d'une même source 21 qui peut être un laser HE-Cd, par exemple, après traversée d'un séparateur de faisceau 20. Les tensions d'adressage V1 et V'1 sur les deux déflecteurs D1 et Dl sont égales: elles permettent, de diriger les faisceaux d'inscription en un point donné du cristal BSO 15. Les- signaux d'adressage V2 et V'2 sur les déflecteurs D2 et D'2 sont calculés pour que le réseau photoinduit soit sous incidence Bragg à la longueur d'onde le lecture. La commande individuelle des angles dé0 et 6'5 permet donc de générer un réseau quelconque en faisant varier son pas et l'orientation moyenne des strates diffractantes. Les miroirs dichroîques permettent de ne réfléchir que les faisceaux d'ins- cription de longueur d'onde connue, et de transmettre les autres faisceaux. Les caractéristiques de ce dispositif seront étudiées à l'aide des figures 7 et 8. Sur la figure 7 le réseau de m x n sources lumineuses est collimaté par un réseau de m x n microlentilles. Ces faisceaux sont placés sous incidence oblique ao afin que la partie non diffractée de l'onde incidente soit située en dehors du champ des circuits photorécepteurs qui peuvent être, par exemple, des photodiodes. Le diamètre de la tache de diffraction doit être inférieur au pas de la matrice des circuits photo- récepteurs. Si par approximation on considère la tache centrale d'une figure de diffraction obtenue avec une source ponctuelle et une fente rectangulaire on a la formule: h =- X est la longueur d'onde des faisceaux provenant de la matrice des circuits photoémetteurs, F est la distance entre le plan du réseau de strates et le plan des circuits photorécepteurs, d est la largeur de la tache de diffraction dans le plan des circuits photorécepteurs et h la largeur des strates utiles pour la diffraction des faisceaux incidents dans le milieu photosensible. F étant égal à 600 millimètres, d à 1 millimètre, X à 0,9 micromètre, on obtient h égal à 540 micromètres. A titre d'exemple on peut alors considérer une mosaîque de 100 x 100 photodétecteurs au pas de 1,2 millimètres. A l'aide de la figure 8 nous pouvons alors calculer les conditions d'inscription du réseau permettant la déflexion angulaire. Le réseau est sous incidence de Bragg pour la longueur d'onde de faisceaux issus des microlentilles. Dans le milieu d'indice n nous avons les formules suivantes: 2 =B = a + 0); sinOB = 7 472 - a + OB Dans l'air les formules sont les suivantes: sin oB = --- et XoR = n XR pour la définition de ces angles il suffit de se reporter à la figure 8. XR est la longueur d'onde de lecture dans le milieu n, et NoR dans l'air. Si on conserve la même valeur pour la longueur d'onde: XoR = 0,9 micromètre, Eo = 0,2 rd, so = 0,5 rd, n = 2, on obtient une incidence de Bragg de l'onde de lecture: dans l'air OoB = 0,35 rd, dans le milieu d'indice n 0B = 0,175 rd; un angle d'inclinaison des strates I = ur/2 -1 avec un pas de strates de 1,3 micromètre. En ce qui concerne les faisceaux d'enregistrement à la longueur d'onde ÀB = 0,45 micromètre on a une incidence de Bragg de 9oB = 0,175 rd. On considère à titre d'exemple une matrice d'émetteurs de 100 x 100 milli- mètres, la matrice de récepteurs étant de 120 x 100 x 2 millimètres. Le temps d'inscription et d'effacement du réseau photoinduit dans le cristal est inférieur à la milliseconde. L'efficacité de diffraction du réseau photoinduit est de 2 x 10-3. Les calculs effectués montrent que l'inscription de tous les réseaux est possible avec des miroirs galvanométriques disponibles dans le commerce. La dimension des miroirs est d'environ 60 x 60 millimètres. L'angle de déflexion maximum à la sortie des déflecteurs acousto-optique est de 250. De tels dispositifs possèdent un temps d'accès aléatoire inférieur à 10 millisecondes par point. L'inscription des réseaux photoinduits par création du champ de charge d'espace dans le matériau BSO est effectuée à champ nul par diffusion ou par application d'un champ électrique transverse généré par un peigne interdigité par exemple. Ainsi le dispositif proposé assure la commutation spatiale de 104 abonnés, en un temps inférieur à 10 millisecondes quelque soit l'abonné considéré dans la matrice des sources lumineuses. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commutation de faisceaux optiques destiné à relier par voie optique au moins l'un des circuits d'un enserre de CircuiLF photo- émetteurs (13) à au moins ur circuit d'un enser-b!e de circuits photo- récepteurs (16), comprenant des moyens de déflexion du rayonnement émis par le circuit photoémetteur rendu préalablement paralièle par un moyen de collimation (14), ces moyens de déflexion permettant de diriger le rayon- nement sur la partie active du circuit photorécepteur correspondant, ces moyens de déflexion consistant en un réseau de diffraction inscrit dans un milieu photosensible (15) obtenu par l'interférence de deux faisceaux lumi- neux, caractérisé en ce que les deux faisceaux lumineux créant le réseau de diffraction dans le milieu photosensible ont une longueur d'onde différente de celle des faisceaux issus des circuits photoémetteurs, la longueur d'onde du rayonnement émis par le circuit photoémetteur n'étant pas située dans le domaine de sensibilité spectrale du milieu photosensible (15), ce milieu ] 5 photosensible (15) dans lequel le réseau de diffraction est un réseau tridimensionnel de franges étant continûment recyclable. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les circuits photoémetteurs sont disposés selon une matrice. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de collimation (14) sont des lentilles disposées en matrice, cette matrice étant disposée devant la matrice (13) des circuits photoémetteurs. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les lentilles sont des tronçons de fibres à gradient d'indice. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faisceaux lumineux permettant l'inscription des réseaux d'hologrammes sont issus d'un même faisceau (21) scindé par passage dans un séparateur de fai- sceaux (20), les deux faisceaux ainsi obtenus traversant alors, chacun, deux systèmes de déflexion. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier système de déflexion (D1 et D'1) est composé d'un miroir monté "à la Cardan". 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le deu- xième système de déflexion (D2 et CiD'2) est eonstitué de deux déflecteuïs acousto-optiques agissant dans deux directions perpendiculaires du plan perpendiculaire à l'axe optique. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les circuits photoérnetteurs sont des fibres optiques. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en se,!ue les circuits photorécepteurs sont des fibres optiques. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédente- caractérisé en ce que le milieu photosensible (15) est une lame monocrista,- line d'oxyde de bismuth-silicium. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes-, caractérisé en ce qu'il comprend le même nombre de circuits phooLo- émetteurs et de circuits photorécepteurs. 12. Centra! téléphonique automatique, caractérisé en ce qu'il com- prend au moins un dispositif de commutation tel que décrit suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11.