Brevet FR2521735A1 — publié le 19830819

COMMUTATEUR OPTIQUE A COMMANDE MECANIQUE ET DISPOSITIF OPTOELECTRONIQUE DE SELECTION DE PROGRAMME COMPORTANT UN TEL COMMUTATEUR La présente invention se rapporte aux commutateurs optique à commande mécanique utilisés pour des liaisons par fibres optiques qui permettent par exemple de sélectionner des programmes de télévision. De nombreux commutateurs optiques mettant er, oeuvre des effets électro-optiques ou magnéteoptiques sont connus. Ces commutateurs présentent l'avantage d'obtenir des temps de commutation très courts. Cependant lorsque la rapidité de commutation n'est pas un paramètre primordial, les commutateurs à commande mécanique présentent des avantages importants : - faibles pertes d'insertion; - faible diaphonie entre voies adjacentes. L'invention appartient à cette catégorie de commutateur. Il faut entendre par commutateur, soit des dispositifs permettant le couplage optique sélectif prune fibre incidente avec une fibre sélectionnée parmi deux fibres émergentes ou plus, soit des cellules de commutation 1 X N, soit la commutation matricielle de N x N fibres. Dans notre invention il s'agit d'une cellule de commutation 1 x N. Les termes "incident" et "émergent" ne sont en aucune façon limitatifs d'un procédé particulier de transrnission et n'indiquent pas notamment, que les transmissions soient unidirectionnelles. On distingue deux problèmes très liés et essentiels dans la rdali6a- tion des commutateurs optiques. L'un de ces problèmes réside dans la commutation proprement dite c'est-à-dire le transfert du signal lumineux d'une fibre vers une autre, et l'autre réside dans la réalisation de dispositifs peu encombrants, ayant de faibles pertes et permettant d'obtenir un grand nombre de points de commutation. Une des solutions rencontrdes dans s'art antérieur pour résoudre le premier problème consiste à utiliser des éléments optiques intermédiaires du type miroir ou prisme. L'inconvénient majeur de cette méthode est qu'elle présente des pertes assez considérables. Les solutions apportées par l'art antérieur pour résoudre le deuxième problème peuvent être illustrées à titre d'exemple non limitatif, par les articles suivants: - première solution proposée dans l'article de YOUNG et CURTIS "Cascaded multipole switches for single mode and multimode optical fibres", paru dans la revue Eiectronics Letters du 6 août 1981, Vol 17 - N0 16 ; - deuxième solution proposée dans l'article de MILLER, KUMMER, METTLER et RIDGWAY, "Single mode eptical fibre Switch", paru dans la revue Electronics Letters du 25 septembre 1980 vol 16 - N020 et ; - troisième solution proposée dans la communication de OGIWARA, VOKOYAMA et OHMORI parue dans la revue Optical and Quantum Electronics 12 (1980). à la rubrique "Short Communication". Dans la première méthode les cascades successives de celiuies de commutata on 1 X 2 entrainent une accumulation des pertes d'insertion à chaque point de commutation 1 X 2. Dans la deuxième méthode, le commutateur 1 X 93 proposé est volumineux, et une diminution du nombre des sorties ne ferait pas diminuer la talle de façon significative car les fibres sont disposées en rosace. D'autre part le déplacement mis en jeu nécessite de laisser une séparation importante entre la fibre centrale et les fibres périphériques, ce qui conduit à des pertes relativement élevées L'invention propose un commutateur peL, encombrant permettant un positionnement rigoureux des fibres les ures par rapport aux autres et ne nécessitant pas l'introduction d'éléments optiques intermédiaires. Elle permet la commutation d'une fibre sur un ensemble de N fibres. Une application intéressante de l'invention est la réalisation d'un dispositif optoélectronique sélecteur de programme de télévision. L'invention a donc pour objet un commutateur optique à commande mécanique pour établir des couplages sélectifs entre une des fibres d'un ensemble de fibres incidentes et une fibre émergente, principalement caractérisé en ce qu'il comprend: - un premier support mobile ayant la forme d'un cylindre de section circulaire ayant une première et une deuxième sections terminales, pouvant tourner autour d'un premier axe longitudinal passant par le centre de chacune de ses sections, ce support étant muni d'un ensemble de rainures disposées régulièrement suivant le sens longitudinal dans chacune desquelles est logée une fibre optique incidente qui pénètre par la première section jusqu'à une distance déterminée de la deuxième section - un deuxième support mobile dans lequel est logé la fibre émergente dont une extrémité de longueur déterminée est libre, ce support ayant une première (I) et une deuxième (II) positions stables prédéterminées, l'une de ces positions permettant d'effectuer un couplage sélectif entre la fibre incidente et une fibre émergente, la fibre émergente se logeant alors à l'intérieur de la rainure qui contient la fibre incidente. Les particularités et avantages de la présente invention apparaitront dans la description qui suit, non limitative, se rapportant à un mode de réalisation, et à l'aide des figures annexées qui représentent: - figure 1, un exemple de réalisation d'un commutateur optique selon l'invention. - figure 2, une coupe longitudinale du commutateur après la phase de commutation. - figure 3, un détail de réalisation illustrant le positionnement des fibres. - figure 4, une variante de réalisation. - figure 5, une réalisation concrète de l'invention. - figure 6, un détail de réalisation. - figure 7, un dispositif optoelectronique mettant en oeuvre un commutateur selon l'invention. Les figures 1 et 2 illustrent un premier exemple d'exécution de commutateur optique selon l'invention. Le commutateur de l'invention, constituant dans l'exemple précis des figures 1 et 2 une cellule de commutation 1 X 16, comporte deux parties mobiles. Une première partie comprend un barillet 1 cylindrique dépaisseur d déterminée, portant les fibres optiques d'entrées El, E2 - E16 amenées par un cible non représenté sur la figure. Une deuxième partie comprend un support articulé 3 portant une fibre optique de sortie, unique S. Les qualificatifs de fibres optiques d'entrée et de sortie se réfèrent bien entendu à I'application particulière qui est faite dans l'exemple de réalisation décrit ci-après. Ces qualifi catifs sont relatifs au sens vers lequel circule l'information transportée par le signal lumineux transmis par les fibres, cette information pouvant circuler en sens inverse pour une toute autre application. Pour des raisons de commodité de compréhension on se référera dans la description à un repère mentionné sur la figure 1. Ce repère comporte les trois axes X, Y, Z définissant l'espace et les références des angles +900 et-900. Sur la figure 1, toutes les fibres sont parallèles à l'axe X. Les sections terminales 4 et 5 du barillet 1 sont placées dans un plan parallèle au plan de référence YZ. Le support 3 est placé devant l'une de ces sections 4, le bout 6 de la fibre S étant situé au-dessous du centre C de cette section 4, dans le plan XY et à ltintérieur du barillet. Cette première disposition définit une première position stable I. Pour la clarté de la figure le bout de la fibre S est placé au-dessus du centre C, mais pour obtenir plus de précisions il est préférable qu'il soit placé plus bas. Une deuxième position stable II est illustrée par la figure 2, dans laquelle la fibre S a subi une rotation d'un angle déterminé 8 dans le plan XV, la fibre optique denturée présélectionnée à l'aide du barillet présentant son extrémité dans le même axe que celle de la fibre S. Pour ce faire, le barillet 1 tourne autour de l'axe X d'un angle a déterminé afin que la fibre sélectionnée parmi les quinze autres soit dans le plan XV, en bas (-900) selon le plan de référence. Cette position correspond à la phase de transmission du signal qui s'effectue après la phase de commutation, la commutation étant définie par le passage de la position I à la position Il. Les fibres d'entrée pénètrent en partie dans des rainures rectilignes, R1, ... R16 srnénagées à cet effet dans la partie pleine du cylindre d'épaisseur d et sont retenues par un bouchon de résine 7 coulé au fond du barillet 1. Les embouts des fibres sont tous rigoureusement à égale distance du bord de la section 4. Le support 3 comprend un bras 8 articulé et un tube 9, solidaires l'un de l'autre. Le bras 7 est articulé autour d'un axe z parallèle à l'axe Z passant par un point référencé A. Le tube 9 est perpendiculaire au bras 8 et solidaire de la fibre optique de sortie S, cette fibre étant logée également dans une rainure aménagée à cet effet. L'extrémité de cette fibre est libre et sort du tube 9. Le support est placé à une distance telle du barillet que l'extrémité de la fibre pénètre en partie à lintériaur du barillet. De plus elle est placée au-dessus de la rainure dans laquelle est logée la fibre sélecctionnée par exemple E13.Par un mouvement de rotation du bras autour de l'axe z(l'angle @ décrit se trcuvant dans le plan XY) le support parinet de placer la fibre dars a vons de la "ainure sélectionnée. L'élasticité de l'uxtrémité de in @ibre talt que ce@3-ci balaye l'un des flance de la rainure et vient @e 'oger exoctement @an@@@ fond. Les @bres optique utilisées dans ce type de @@@isa@on ont des dimensions standardisées. le diamètre extécieur est de l'ordre de 125 p@n@ et le diamètre interne est de l'ordre de 50 @n. Les co@érances de positionnement doivent étre très stactes pour ottent un @@inimum de pertes. La principane difficulté pour obtenir un @@sitionnement @@@@@eux lors du couplags est d'une part de céfinir av@@@@@@i@ion @@ @@s@@@~@ de,a fibre sortante dans l'axe de la rainvre contement A lib@@ @@@@@@te @@ d'autre part de définir @a position exirume donnert u@ @@artement minimum e entre les deux extrémités der litres. Un détall de réali@ation met@@@ en étidence ie po@i@i@ nament des fibres dans une rai@ure est @l@@@@@@ p@@lati@ure 3, Ce p@ritioneo@@@@@ @@@@@ être obtenu en utilisant des @@@@@ @@ @@@ @@@@@ @@@ @@ c@@u@@@@@ @@@ @@ matériau du support. Divers p@@@ésé@ @@@@@ conn@ @@ @@@@@@ @@@ rainures et pour cote@@@ des fianes @@ @@@@@ @@ @@@@@ @ @@ @@@@@ notamment par la @m@@de de @@@@et dé@@@@@@ @@@@ : @@@@@@@@@ @@@ 14 763 et publiée sur @@ N 2 @20 @@@. @@@@@@@@@ @@ @ est @@@@@@@e : qu'elle touche l'un de ce@ fi @@@ @@le @@@@@ @@@@@@ @@@@@@@@@@@@@@@@ loger dans le fond 12 de la @@ioune. Dn ettion, sinai@m@@@ @ @@@@@@@ axial minimum entre deux j@res @@ roger@ et ayantle mème @@n@@@@ @@@ positionnement peut egalement @@@@@@@@@@ en @@@@ant cas rainures @e forme de U.Ces rainures son@@é@@@@@es @@ cre@ent @@ @@@@ @@@@@ fond plat et des parois verticalos. La argeut @@ @@@@@ p@st es @@@@@@@ terminée afin de limiter le mouvement tran@vers@@ que pcurr@it @@@s avoir la fibre, ceci afin d'obtenir un mésalignement axial qunimum. La figure 4 @lustre une variante de réalisation dans laquelle ies fibres optiques d'entrées se situent sur la périhérie du bariliet. Dans ce cas le support portant la fitre de cortie S est muni par exempie d'un bras plus long que dans la lère @@@@@@@@or pout que la fibre S sont clacée en haut du barulet et don en cas @n e'int pour effectuer is couolage. le barillet l 2outne d'un angle prédéte@m@@@ de manière à ce que la fibre sélectionsée se @rouve dans l@ plan vor@cal XY, en haeut @@@@@@2 Las fibre de sortie est alors ab@iss@@ à l'aide du support 3 articu'é. S@@@ f@@@te contre l'un des flancs de la rainure et vas @e lonen au fond 12. Les flbres d'entrees sont tien entendu mainte@@@@@@, es rainures par une cnveloppe d@ réstine @@@@@ée e@@@@e je barillet et un @@@eau 13 exter@@ solidaire d@ berillet. La figure @ il'ustre en exemple de réalisation concrète d'un commu tateur op[tique seton l'invention dent un nétati est illustré par la tigure @ Ls barillet 1 est ne@@tan@ à l'aide de deux coussinets 14 fixés à un aocle 15. Ce bar@@et 1 est entouré d'un anneau f@@cté 16 qui iui est sclidsite. L'anne@@ 16 est an contact avec @@@ vis anas fin 17 coupiée sur l'arbre d'un moteur pas-à-pas 18. Sur la fieure 6 u@ détait est @@@@@@ évidenee. @@ effet des p;récautions ont été prises @@@@@@@@@@ @@@@@@@urg de éibres en cas @@ déreglement du svetene @@ c@@@@@@@@@@@@ @ut@@@@ 18 @@@@@@@@@@2e. une @@@ plusieurs) rainure 16a @@@@@ @@@@@@@@@ @a @@é @oiontai@@@@ @@struée. A@@si, 'e mo@@@@@ 18 cont@@@@@@@@ @@ @@@@@@et tair env@@met@@@ ar@@@@@1. Le support 3 est solid@ne du socle @@p@@ @inter@@@@2 die d'un @ati@@@ Le@@@@ 3 est solidaire de ce bâti par l'intermé@@@@re de l'artioulat'on @@@@ extié mité du bras 8 est @r@@@pre en@@@@@a@@ @@ couce avec @@ dias d. Cet@@@ extrémité 20 est constituée pas un maté@@a@ nagaétique autour duguei est piacé un cobinage 21 de manière à cé@@@ser uné actro-aimest. @@@@essort 22 est fixé @@@@ le bras 8 et@e bâti 19-@@@ contribue@ à la totation d@ bras 8 et pour le maintemr incliné par rappo@@ @ @@@@ertiraie (position 11). Lorsque l'électro-aiment 20-21 est excité, il se ciée une 'orce électromagnétique qui tend à attirer l'extrémité 20 vers l'intérieur du bobinage 21. Le bras 8 tire sur le ressort 22 qui se détend (sa constante de raideur ayant été choisie pour avoir une force de rappel inférieure à la force électromagnétique crée par l'électro-aimant). Le bras se trouve alors dans la position I. Le moteur pas-à-pas et l'électro-aimant 20-21 sont commandés par une logique 23 qui reçoit un ordre extérieur Cd. Lorsqu'on cesse exciter le bobinage 21, la force électromagnétique s'annule, le ressort 22 reprend sa position de repos, entrainant le bras. Pour obtenir plus de précision une butée 24 solitaire de b9ti 19 est prévue pour limiter le mouvement du bras 8 autour du point A. Le bras se trouve alors dans la position II. La logique 23 permet de connaitre la position du barillet et d'envoyer au moteur 18 un signal I1 comportant un nombre d'impulsions fonction de l'angle de rotation a désiré. Cette logique 23 permet également d'envoyer un signal d'excitation 12 à l'électro-aimant 20-21 dès que l'on tente de modifier la position du barillet 1. L'excitation de ltélectro-aimant ne dure que pendant la commutation. Cette réalisation particulière permet, gracie aux précisions mécaniques obtenues d'obtenir un écartement e minimum. Une application intéressante de l'invention est la réalisation d'un dispositif de sélection de programme de télévision. la figure 6 représente un schéma de cette application. On dispose d'un réseau de distribution de programme pour un ensemble de M abonnés par exemple, et on dispose d'un ensemble de N programmes P1- PN. Chaque programme module une source lumineuse L1- LN par le signal émis. Le signal lumineux modulé ainsi obtenu est transmis par M fibres pour chaque programme. On forme M sous ensembles comprenant N fibres, chaque fibre transportant un programme distinct. Ces M sous ensembles sont raccordés respectivement à M commutateurs 1 X N, M1- MN, selon l'invention. Chaque abonné dispose d'un commutateur selon l'invention et peut ainsi sélectionner un programme parmi N. Lorsque l'abonné J a envoyé la commande de comrnustation, la fibre optique de sortie SJ du commutateur MJ de l'abonné est commutée face à la fibre d'entrée du commutateur MJ qui véhicule le programme désiré. Suivant la valeur de M, 13 puissance des émetteurs optiques et la distance à laquelle se trouve l'abonné, le signal peut lui etre transmis directement par la fibre optique ou bien, on peut le régénérer à travers un détecteur optoélectronique et des circuits appropriés d'ampli. fication et de réémission. REVENDICATION5 1. Commutateur optique à commande mécanique pour établir des couplage sélectifs entre une des fibres d'un ensemble de fibres incidentes et une fibre émergente, caractérisé en ce qu'il comprend: - un premier support (1) mobile ayant la forme d'un cylindre de section circulaire ayant une première et une deuxième sections terminales, pouvant tourner autour d'un premier axe (X), longitudinal, passant par centre (C) de chacune de ses sections, ce support é FStanR muni d'un ensemble de rainures (R1 - R16) disposées régulièrement suivant le sens longitudinal (X), dans chacune desquelles est logée une fibre optique incidente (E1 - E16) qui pénétre par ia première section (4) jusqu'à une distance déterminée de la deuxième section (5);; - un deuxième support (3) mobile dans lequel est lcgé la fibre émergenle (S) dont une extrémité (6) de longueur déterminée est iibrc,, ce support ayant une première (1) et une deuxième (11) positions stables prédéterminées, l'une de ces positions permettant d'effectuer un couplege sélectif entre la fibre incidente et une fibre émergente, la fibre émergente (S) se logeant alors à l'intérieur de la rainure (R13) qui contient la fibre incidente (E 13). 2. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier support (1) est un cyclindre creux comportant un ensemble de rainures rectilignes (R1- R16) en V, pratiquées à l'intérieur de ce premier support (1), dans lequelles sont logées les fibres incidentes (E1 - E16) maintenues dans ces rainures par un bouchon de résine (7) coulé dans le creux du cylindre (1). 3. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que r,,-t-', le premier support (1) comporte un ensemble de rainure rectilignes (R1 R16) en V, pratiquées sur sa surface extérieure dara' lesquelles sont logées les fibres incidentes (E1 - E16) maintenues dans les rainures par une enveloppe de résine coulée entre le suppcrt et un anneau externe- (13 solidaire du premier support ( 4. ommutateur selon l'une quelconque des revendicatins 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend:: - un anneau filet é (16) sohdaire du premier support (1) et entourant ce support; - une vis sans fin (17) placée suivant un axe perpendicuiaire a' l'axe iongitudina; (X) pour entraîner cet anneau en rotation; - un moteur (18) dont l'arbre est cnuplé avec la vis, pour entraîner cette vis dans l'un ou l'autre sens, sur commande d'un premier signal donné (11). 5. Conmmutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le deuxième support (3) comprend: - un bras (8) articulé autour d'un deuxième axe (z) perpendiculaire à l'axe logitudinal (X); - un tuk,ze (9) fixé sur le bras (8) portant la fibre émergente pour qu'elle reste dans un pian contenant le premier axe (X); - un bâti (19) pour supporter le bras (8) par l'intermédiaire d'une articulation (A) permettant le débattement du bras autour du deuxième axe - un ressort (22) fixé entre le bras (8) et le bâti (19) pour maintenir le bras (8) dans la première position (1); - un électre-simant (20-2@ pour stuter le bras (8) dans la deuxième position (11) sur commande d'un deuxieme signai donné (12). 6. Commutateur selon l'une quelconque des revendicationsa 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend @@e logique (23) pour émettre les premiers et deuxièmes signaux sur une commande extériaure (Cd), selon une séquence permettant de changer le couplage entre la fibre émergente et la fibre incidente. 7. Commutateur selon ;a revendication @, caractérisé en ce que l'anneau fileté (16) comporte dans son filetage une zone (16a, obstrués permettant de limiter le mouvement du premier support à une vaieur inférieure à 360 ; 8. Dispositif optoélectronique de sélection du programme comprenant a - N ensembles de M fibres optiques - N sources lumineuses @L1- - LN), pou émettre N signaux lumineux modulés sur les N ensembles sous la commande de N signaux électiques (P1 - PN); ; - M commutateurs selon l'une quelconques des revendications 1 å 7, chaque commutateur comportant N fibres optiques incidentes provenant chacune d'un ensemble distinct, et une fibre optique émergente pour transmettre le signal provenant d'une fibre parmi les N vers la fibre émergente.