Brevet FR2500703A3 — publié le 19820827

FR 2500703 A3 19820827 FR 8103773 A 19810225 La présente invention concerne un système de commutation utilisant des moyens de commutation optiques. Elle s'applique notamment à la commutation d'informations transmises sous forme numérique avec un débit élevé ou sous forme analogique et occupant alors une large bande de fréquences. C'est par exemple le cas des signaux de télévision qui, transmis sOUS forme analogique, occupent une bande de fréquences de largeur égale à 6 MHZ et qui, transmis sous forme numcriquet ont, après compression d'information, un débit de 34 Meb/s (où eb est l'abré- viation de élément binaire"). On sait que les systèmes de commutation connus dans l'état de la technique utilisent des moyens de commutation électro-mécaniques ou électroniques qui ne permettent que très difficilement la commutation de tels signaux. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient. Elle a pour objet un système de commutation, du genre de ceux qui comprennent - des moyens de multiplexage de signaux électriques provenant de N organes émetteurs, - des moyens de commutation aptes à diriger ces si- gnaux vers P organes récepteurs, et - des moyens d'adressage commandant ces moyens de commutation de façon que ceux-ci orientent les si- gnaux provenant d'un organe émetteur vers un orga ne récepteur déterminé, caractérisé en ce que les moyens de commutation com prennent - un convertisseur électro-optique transformant les signaux électriques multiplexés en signaux opti ques, - des moyens de déflexion de lumière aptes à dévier ces signaux optiques dans P directions et comman dés par les moyens d'adressage, et - P photodétecteurs électriquement reliés aux P or ganes récepteurs et prévus pour capter les signaux optiques après déviation de ceux-ci par les moyens de déflexion. Dans le système de commutation objet de l'invention, les signaux électria.ue sont donc con vertis en signaux optiques qui sont commutés puis reconvertis en signaux électriques par les photodé vecteurs Cette utilisation de moyens optiques pour réaliser la fonction Ncommutation" du système et non pas simplement la fonction "transmission d'informations", comme c'était le cas dans l'art antérieur, permet ainsi la commutation de signaux occupant une large bande de fréquences ou transmis avec un débit élevé. Selon une caractéristique particulière de l'invention, les moyens de déflexion de lumière sont électro-optiques. Ils comportent par exemple des moyens de polarisation linéaire d'un faisceau lumineux émis par le convertisseur électro-optique, suivis d'un montage en cascade de cellules aptes a' dévier un faisceau lumineux incident dans deux directions déterminées, sous l'action d'un champ électri- e. usse preferencet chacune desd.Stes cellules com prend un élément devenant biréfringent sous l'action dudit champ électrique, pour faire tourner de 900 le plan de polarisation dudit faisceau lumineux incident, ledit élément étant suivi d'un séparateur de polarisations linéaires orthogonales. Selon une autre caractéristique particu lière, les moyens de déflexion de lumière sont acousto-optiques. De préférence, le convertisseur électro-optique émettant des signaux optiques monochromatiques, ladite déflexion est obtenue par action d'ondes acoustiques sur un milieu condensé traversé par lesdits signaux optiques monochromatiques. Ledit convertisseur électro-optique peut comprendre un laser tel qu'une diode-laser, pour convertir les signaux électriques issus des moyens de multiplexage en signaux optiques. Enfin, ledit multiplexage est de préférence effectué par paquets d'e'léments binaires, paquets correspondant chacun à un organe émetteur et ladite commutation est également effectuée par paquets. D'autres caractéristiques et avantages du système de commutation objet de l'invention apparaitront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs exemples de réalisation donnés a' titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du système de commutation selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique d'une réalisation particulière desdits moyens de déflexion de lumière lorsque ceux-ci sont électro-optiques ;; - la figure 3 est une vue schématique d'une realisation particulière des cellules utilisées dans les moyens de déflexion représentés sur la figure 3, et - la figure 4 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier des moyens de déflexion de lumière lorsque ceux-ci sont acousto-optiques. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un mode de réalisation particulier du système de commutation objet de l'invention. I1 comprend des moyens 1 de multiplexage de signaux électriques provenant de N organes émetteurs 2, des moyens 3 de commutation aptes à diriger ces signaux vers P organes récepteurs 4, et des moyens 5 d'adressage commandant ces moyens 3 de commutation de façon que ceux-ci orientent les signaux provenant d'un organe émetteur 2 vers un organe récepteur 4 déterminé. Les nombres N et P sont entiers et supérieurs ou égaux à un. N peut évidemment être égal à P. Les signaux issus des organes émetteurs 2 sont par exemple des signaux de télévision ou signaux "vidéo". Leur structure est dite tramée car ils correspondent aux lignes d'images de télévision. Cette structure tramée permet d'effectuer une commutation spatio-temporelle desdits signaux r les informations provenant des N organes émetteurs 2 sont donc tout d'abord multiplexées, par les moyens 1 de multiplexage, par paquets d'éléments binaires de longueurs identiques (c'est-à-dire comportant tous le même nombre d'éléments binaires), chaque paquet correspondant aux informations contenues dans une ligne du signal vidéo. Le débit d'informations à la sortie des moyens 1 de multiplexage est égal à N.D, D étant le débit affecté à chaque organe émett-('ur 2 Par exem- ple, pour 30 organes émetteurs 2 et un débit D de 34 Meb/s, ce qui est le cas d'images de télévision numérisées et traitées, le débit en sortie des moyens 1 de multiplexage vaut 1,02 Geb/s. Par ailleurs, les moyens 3 de commutation comprennent : - un convertisseur électro-optique 6 transformant les signaux électrique multiplexés en signaux op tiques et comportant par exemple pour ce faire un laser tel qu'une diode laser 7, - des moyens 8 de déflexion de lumière aptes à dé vier lesdits signaux optiques dans P directions (correspondant aux P organes récepteurs 4) et com mandés par les moyens 5 d'adressage, et - P photodétecteurs 9 électriquement reliés aux P organes récepteurs 4 par l'intermédiaire de mémoi res-tampons 10 et prévus pour capter les signaux optiques après déviation de ceux-ci par les moyens 8 de déflexion. La diode laser 7 permet donc de convertir les signaux électriques de débit élevé issus des moyens 1 de multiplexage, en signaux lumineux. Les moyens 8 de déflexion, qui seront décrits par la suite, envoient séquentiellement ces signaux lumineux correspondant auxdits paquets d'informations sur les photodétecteurs 9 associés aux organes récepteurs 4 auxquels lesdites informations sont destinées. Les moyens 5 d'adressage sont commandés par des signaux dits "d'adressage" émis par les moyens 1 de multiplexage, pour agir sur les moyens 8 de déflexion. De manière connue dans l'état de la technique, chaque paquet d'informations reçu par un photodétecteur 9 déterminé avec un débit D est stocké dans une mémoire-tampon 10 associée, de capacité au moins égale à la quantité d'informations contenues dans ledit paquet. Durant l'adressage des N-l autres paquets, ladite mémoire-tampon 10 est lue à la vitesse de D eb/s de façon à restituer à l'organe récepteur 4 correspondant ledit paquet d'informations au même rythme que celui des informations incidentes. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement un mode de réalisation particulier des moyens 8 de déflexion de lumière (figure 1) lorsque ceux-ci sont électro-optiques. Ces moyens de déflexion comprennent alors (figure 2) : - des moyens 11 de polarisation linéaire d'un fais- -ceau-lumineux émis par la diode laser 7 du conver tisseur électro-optique 6, et - un montage en cascade de cellules 12 aptes à dé vier un faisceau lumineux incident dans deux di rections déterminées, sous l'action d'un champ électrique, montage en cascade qui sera détaillé plus loin. Sur la figure 3, on a représenté schématiquement un mode de réalisation particulier desdites cellules 12. Chacune de ces cellules 12 comprend un élément 13 devenant biréfringent sous l'action d'un champ électrique et appelé plus simplement élément biréfringent 13 par la suite, ledit élément 13 étant suivi d'un séparateur 14 de polarisations linéaires orthogonales. Ce séparateur 14 est par exemple un prisme de Wollaston en calcite. L'élément biréfringent 13 présente deux faces parallèles recouvertes de deux électrodes métalliques 13a et 13b, transparentes à la lumière issue de la diode laser 7 (figure re 2). Le matériau constituant cet élément biréfringent 13 est par exemple du zirconate-titnatc de plomb et de lanthane, plus connu sous le nom de PLZT, ou du KH2PO4, plus connu sous le nom de KDP, ou encore un cristal liquide. Une tension électrique V établie entre les deux électrodes 13a et 13b permet de créer un champ électrique normal à celles-ci, à 1 l'intérieur de l'élément biréfringent 13, champ électrique qui fait tourner de 900 le plan de polarisation d'un faisceau lumineux 15 polarisé tombant sur l'une 13a des électrodes de l'élément biréfringent 13.Le prisme de Wollaston 14 qui suit l'élément biréfringent 13 peut alors dévier le faisceau lumineux 15 dans une direction fonction de la polarisation de ce faisceau à sa sortie de l'élément birefringent 13 : par exemple, lorsque cette polarisation est verticale (direction P1 dans le plan de la figure 3), le faisceau 15 est dévié dans la direction d vers le haut de la figure 3 en conservant cette polarisation pl. Lorsque cette polarisation est horizontale (direction p2 normale au plan de la figure 3), le faisceau 15 est dévié dans la direction d2 vers le bas de la figure 3 en conservant cette polarisation p2. Les directions dl et d2 font respectivement des angles a et b avec l'horizontale. L'angle d'ouverture formé par les directions dl et d2 vaut e = a+b = C.tga, avec C = tne-n0)/nO, formules dans lesquelles ne désigne l'indice extraordinaire de la calcite et nO l'indice ordinaire, a étant l'angle formé par l'interface 14a des deux prismes constituant le prisme 14 de Wollaston, et l'une des deux faces parallèles de ce dernier, sur laquelle tombe le faisceau lumineux 15. On appelle par ailleurs A le point d'intersection de ce faisceau 15 avec l'interface 14a. La vitesse de commutation dlune cellule 12 dépend essentiellement des propriétés du matériau constituant l'élément biréfringent 13. Sur la figure 2, on veut que des informations puissent être envoyées sur P photodétecteurs 9. I1 est possible de trouver un nombre entier n tel que 2n 1 A une cellule 12 correspond un point Ai, un angle d'ouverture e. et un angle ai respectivement homologues du point A, de l'angle d'ouverture e et de l'angle a définis lors de la description de la figure 3 On peut repérer chaque cellule 12. par son point A1 qui est sensiblement l'intersection des directions dli et d2ie homologues des directions d1 et d2 définies lors de la description de la figure 3. Le montage en cascade est réalisé de façon que-les droites joignant respectivement les points A2,... , A n des différents étages soient équidistantes les unes des autres, la distance entre deux droites consécutives étant égale à L. De plus, la droite passant par le point A1 et parallèle à ces droites est à la distance L de la droite passant par les deux points A2.. Les deux cellules 122 sont respectivement disposées normalement aux directions d11 et21 cor respondant a la cellule 121 et C( façon que le point A1 et les deux points A2 forment un triangle isocèle de sommet A1 On note S1 la distance entre les deux points A2 Un faisceau lumineux 15 issu de la diode laser 7 et atteignant la cellule 121 peut alors également atteindre (comme on l'a expliqué lors de la description de la figure 3) l'une ou l'autre des deux cellules 122 suivant qu'une tension V est établie entre les électrodes 13a et 13b (figure 3) de l'élément biréfringent 13 (figure 3) de la cellule 121 (figure 2) ou pas, ou comme on le dira plus simplement par la suite "suivant qu'une tension V est appliquee à la cellule 121 ou pas". Les quatres cellules 123 sont réparties en deux groupes : les deux cellules 123 du premier groupe (cellules 123 en haut de la figure 2) sont disposées de façon qu'un faisceau lumineux issu de l'une des deux cellules 122 (cellule 122 du haut de la figure 2) puisse tomber normalement sur l'une ou l'autre de ces deux cellules 123 suivant que la tension V est appliquée à cette cellule 122 ou pas. Le deuxième groupe est disposé de la meme façon pour correspondre à la seconde cellule 122. Dans chaque groupe, la distance entre les deux points A3, notée est est prise égale à S1/2.Le montage en cascade les est ainsi réalisé de proche en proche et les 2n pho- todétecteurs 9 sont répartis en 2n 1 groupes de deux, chaque groupe correspondant à une cellule 12n particulière et étant disposé de façon qu'un faisceau lumineux issu de cette cellule puisse atteindre l'un ou l'autre des deux photodétecteurs 9 dudit groupe suivant que la tension V est appliquée à ladite cellule ou pas. Dans chaque groupe, les deux photodétecteurs sont séparés par une distance notée S et égale à S1/2n-1. La distance Si séparant deux cellules 12i+l d'un même groupe vaut donc S.2n-1. La distance S étant supposée faible, toute distance Si itest également Par conséquent, tout angle d'ouverture e. l'est aussi et vaut sensible n- ment Si/L ou S.2"-1/L. L'angle e. correspondant à la cellule 12i dépend donc de la position de cette cellule dans le montage en cascade.D'après ce qui a été dit lors de la description de la figure 3, on peut calculer un angle ai : ai = Arctg ei/C = Arctg S.2n i/(L.C) Les prismes de Wollaston des cellules 12 sont donc déterminés non seulement en fonction du nombre d'étages des moyens de déflexion de lumière, mais aussi par la place qu'ils occupent dans Le montage en cascade Un faisceau lumineux 15 arrivant obliquement, par rapport à llhorizontale, sur une cellule 12 (sauf en ce qui concerne la première 123), on pourrait placer un prisme devant chacune de ces ccl- lules 12 pour redresser ledit faisceau lumineux 15 à l'entrée de ces cellules.Ces cellules pourraient alors toutes etre disposées ^orlzont.alementf Bien entendu, on pourrait également utiliser d'autres moyens pour faire tourner le plan de polarisation d'un faisceau lumineux atteignant une cellule o par exemple des moyens magnéto-optiques tels que des moyens mettant en oeuvre l'effet Faraday. On comprend donc qu'il soit possible de faire parvenir un paquet d'informations portées par le faisceau lumineux 15 à un photodétecteur 9 déterminé, en n'appliquant la tension V qu'à certaines des cellules 12. (On a représenté avec un trait continu sur la figure 2 un trajet ou cheminement possible du faisceau 15 dans ledit montage en cascade des e$fù:LeF =c Llapplication de la tension V à ces cellules 12 est réalisée par les moyens 5 d'adressage. Ceux-ci comportent un générateur de courant (non représente) relié aux électrodes 13a et 13b (figure 3) de chaque cellule 12 à l'aide de conducteurs électriques 13c, de façon à pouvoir appliquer la tension V à cette cellule si besoin est, ainsi qu'un circuit logique électronique réalisable par l'homme de l'art et non représenté sur la figure 2. Ce circuit logique électronique est relié électriquement aux moyens 1 de multiplexage et décide de l'applica tion (ou de la non application) de la tension V aux différentes cellules 12 en fonction d'un signal lui parvenant des moyens 1 de multiplexage. Ce signal correspond à un paquet d'informations à commuter, le précède dans le temps et porte l'information de la destination dudit paquet (photodétecteur 9 auquel ce paquet est destiné). Sur la figure 4, on a représenté schématiquement un mode de réalisation particulier des moyens de déflexion de lumière lorsque ceux-ci sont acousto-optiques. Ces moyens de déflexion acoustooptiques comprennent un milieu cristallin 16 par exempt en niobate de lithium LiNbO3 sur lequel est collé un transducteur piézoélectrique 17. (Au lieu de niobate de lithium, on pourrait également utili ser de l'eau contenue dans une cuve). Le transducteur 17 est prévu pour lancer dans le milieu cristallin 16 des ondes acoustiques, de préférence ultrasonores, se propageant parallèlement à une face 16a du milieu cristallin 16.Un faisceau lumineux monochromatique 15 issu de la diode laser 7 et tombant sur ledit milieu 16 sous une incidence voisine de la normale à la face 16a est alors dévié par le réseau de diffraction engendré par lesdites ondes acoustiques. L'angle de déflexion est proportionnel à la fréquence de ces ondes. Les photodétecteurs 9 sont disposés de façon que chacun d'eux puisse etre atteint par le faisceau lumineux 15 pour une fréquence donnée des ondes acoustiques. Comme on l'a indiqué lors de la description de la figure 2, à tout paquet d'informations émis par les moyens 1 de multiplexage correspond un signal issu de ces moyens 1 de multiplexage et transmis par un conducteur électrique 5a aux moyens 5 d'adressage pour indiquer à ceux-ci le photodétec teur 9 auquel est destiné ledit paquet.De façon réalisable par l'homme de gart, les moyens 5 d'adressage peuvent exciter le transducteur 17 auquel ils sont électriquement reliés pour que ce transducteur engendre des ondes ultrasonores de fréquence F correspondant au photodétecteur 9 destinataire dudit paquet d'informations On peut ainsi obtenir des moyens de déflexion permettant dfflattei.ndre quelques dizaines de photodétecteurs 9 avec des temps d'accès voisins de 50 ns. L'ouverture ô du faisceau lumineux 15 et la vélocité v des ondes acoustiques ne permettent pas d'atteindre des temps de conmutation T C( égaux à 6/v) aussi faibles qu'on le souhaiterait. Avec des moyens de commutation comportant des moyens de déflexion de lumière tels que ceux décrits précédemment (moyens électro-optiques ou électro-acoustiques correspondant respectivement aux figures 2 et 4) il n'est guère envisageable de réaliser une commutation optique de signaux multiplexés élément binaire par élément binaire et à très haut débit. En revanche, avec par exemple un nombre N d'organes émetteurs tels que des visiophones) égal à 30 et un multiplexage par paquets d'éléments binaires (chaque paquet correspondant à une ligne d'une image de l'un des visiophones), le temps de commutation Tc utile devient beaucoup plus faible. On peut réaliser la commutation pendant la durée T5 (environ 4,7 sss) du signal de synchronisation des lignes et le temps Tc égal à TS/N vaut donc environ 100 ns. Les moyens de déflexion de lumière précédemment décrits peuvent alors être employés pour effectuer la commutation : les moyens électro-optiques nécessitent (pour 30 organes émetteurs) cinq étages de cellules en cascade, mais aussi un matériau ferro-électrique plus élaboré que les matériaux actuels comme le PLZT, pour constituer lesdits éléments hi- réfringents (afin de multiplier par dix la vitesse de commutation) ; les moyens acousto-optiques sont plus simples à mettre en oeuvre : un seul élément de commutation (milieu cristallin 16 de la figure 4) est nécessaire. Par ailleurs, les moyens de commutation acousto-optiques présentent l'avantage de pouvoir être intégrés sur un substrat ; (ils fonctionnent alors grâce à des ondes de surface). La présente invention permet donc de commuter, grâce à des moyens de commutation optiques, des signaux nécessitant des canaux de transmission à large bande passante. De plus, le multiplexage par paquets des informations à commuter présente l'avantage de nécessiter des vitesses de commutation assez faibles. REVENDICATIONS 1. Système de commutation, du genre de ceux qui comprennent - des moyens (1 > de multiplexage de signaux électri- ques provenant de N organes émetteurs (2), - des moyens (3) de commutation aptes à diriger ces signaux vers P organes récepteurs (4), et - des moyens (5) d'adressage commandant ces moyens (3) de commutation de façon que ceux-ci orientent les signaux provenant d'ut organe émetteur (2) vers un organe recepteur (4) déterminé, caractérisé en ce que les moyens (3) de commutation comprennent - un convertisseur electro-optique (6) transformant les signaux électriques multiplexés en signaux op tiques, - des moyens (8) de déflexion de lumière aptes à dévier ces signaux optiques dans P directions et commandés par les moyens (5) d'adressage, et - P photodétecteurs (9) électriquement reliés aux P organes récepteurs (4) et prévus pour capter les signaux optiques après déviation de ceux-ci par les moyens (8) de déflexion 2. Système de commutation selon la reven- dication 1; caractérisé en ce que les moyens (8) de déflexion de lumière sont electro-optiques. 3 Système de commutation selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (8) de déflexion comportent des moyens (11) de polarisation linéaire d'un faisceau lumineux émis par le convertisseur électro-optique (6), suivis d'un montage en cascade de cellules (12) aptes à dévier un faisceau lumineux incident (15) dans deux directions déterminées (dl et d2), sous l'action d'un champ électrique. 4. Système de commutation selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacune desdites cellules (12) comprend un élément (13) devenant biréfringent sous l'action dudit champ électrique, pour faire tourner de 900 le plan de polarisation dudit faisceau lumineux incident (15), ledit élément (13) étant suivi d'un séparateur (14) de polarisations linéaires orthogonales. 5 Système de commutation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (8) de déflexion de lumière sont acousto-optiques. 6. Système de commutation selon la revendication 5, caractérisé en ce que le convertisseur électro-optique (6) émettant des signaux optiques monochromatiques, ladite déflexion est obtenue par action d'ondes acoustiques sur un milieu condensé (16) traversé par lesdits signaux optiques monochromatiques. 7. Système de commutation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le convertisseur électro-optique (6) comprend un laser (7). 8. Système de commutation selon l'une quelconque des revendicatìons su à , caractérisé é ce que ledit multiplexage est effectué par paquets d'éléments binaires, paquets correspondant chacun à un organe émetteur (2) et en ce que ladite commutation est également effectuée par paquets.