Brevet FR2561403A1 — publié le 19850920

COMMUTATEUR OPTIQUE La présente invention concerne un commutateur optique à M entrées et N sorties, capable d'aiguiller un faisceau lumineux reçu sur l'une quelconque de ses M entrées vers l'une quelconque de ses N sorties. Un tel commutateur est particulièrement utile dans le cadre de réseaux optiques de vidéocommunication, principalement dans les équipements dits de commutation, concentration et sélection. La présente invention concerne plus particulièrement un com- mutateur optique du type à cellules de commutation optique élé- mentaires à une entrée et deux sorties. De telles cellules de commutation optique élémentaires peu- vent par exemple opérer par réflexion, suivant deux directions possibles, d'un faisceau lumineux incident. il en est ainsi des cellules fonctionnant par déplacement de prismes ou de miroirs, connues de l'art antérieur. De telles cellules de commutation optique élémentaires peu- vent également opérer par réflexion, avec changement de direction. o, par transmission, sans changement de direction, d'un faisceau lumineux incident ayant une direction donnée. Il en est ainsi des cellules à cristaux liquides, connues de l'art antérieur. Il en est également ainsi des cellules fonctionnant par déplace- ment d'une gouttelette de liquide entre deux lames de verre sous !'effet d'un champ électrique, permettant de rendre un faisceau lumineux incident soit réfléchi par réflexion totale si la goutelette n'est pas sur le trajet optique, soit transmis si la gouttelette est centrée sur le trajet optique, le faisceau émergeant étant alors parallèle au faisceau incident. Des cellules de ce type ont fait l'objet des demandes de brevet français n 83 04 745, 83 11 074 et 83 16 793 déposées au nom de THOMSON-CSF respectivement les 23 mars, 4 juillet et 21 octobre 1983. Il est connu de disposer de telles cellules en cascade, de manière à former un sélecteur optique à une entrée et à P sorties, permettant d'aiguiller un faisceau lumineux reçu sur son entrée, vers la sortie de rang p, par réflexions successives sur les cellules de rangs I à p-l, à l'aide d'un plan de réflexion auxiliaire permettant des réflexions succesives sur des cellules adjacentes, et par trans- mission à travers la cellule de rang p. La demande de brevet français n 83 16 793 précédemment citée décrit un sélecteur optique de ce type, réalisé avec des cellules de commutation élémentaires fonctionnant par déplacement d'une gouttelette de liquide entre deux lames de verre sous l'effet d'un champ électrique. De même l'article de Richard A.Soref, publié dans la revue Applied Optics, vol.21, n 8, avril 1982, décrit un sélecteur optique à une entrée et à quatre sorties, réalisé avec des cellules de com- mutation élémentaires à cristaux liquides. Cet article décrit également un commutateur optique à quatre entrées et quatre sorties, réalisé en juxtaposant un premier en- semble de 4 sélecteurs 1 X 4, c'est à dire à une entrée et quatre sorties, et un deuxième ensemble de 4 sélecteurs 4 X 1, c'est-à-dire à quatre entrées et une sortie, obtenus par inversion des entrées et des sorties de sélecteurs 1 X 4, les 16 sorties du premier ensemble étant reliées aux 16 entrées du deuxième ensemble. Cette disposition présente l'inconvénient de nécessiter deux plans de cellules élémentaires (un pour chaque ensemble de sélec- teurs, l'utilisation d'une sortie par transmission impliquant à priori un changement de plan) et d'entraîner des trajets optiques impor- tants. La présente invention a pour objet un commutateur optique basé sur un principe différent, utilisant une association différente de cellules de commutation élémentaires, permettant notamment de minimiser les trajets optiques et d'associer toutes les cellules de commutation élémentaires dans une seule matrice plane, d'o une simplification par mise en commun des supports pour l'ensemble des cellules (par exemple plaque de verre unique, un seul plan de cristal liquide, miroirs coplanaires...etc) et par mise en commun des électrodes de commande et association de ces électrodes suivant une structure matricielle classique. Le commutateur optique à M entrées et N sorties suivant l'invention, du type à cellules de commutation optique élémentaires à une entrée et deux sorties, comporte: - M X N cellules de commutation optique élémentaires disposées dans un même plan sous forme d'une matrice à M lignes et N colonnes définissant respectivement une première et une deuxième direction, - M X N premières cellules de renvoi, et M X N secondes cellules de renvoi, aptes à assurer respectivement un renvoi du faisceau sortant d'une cellule de commutation optique élémentaire, vers l'entrée d'une cellule de commutation optique élémentaire adjectente située respectivement dans une premiere ou une deuxième direction sui- vant qu'une première ou une deuxième sortie de crette cellule de commutation optique élémentaire est sélectionnée. Les objets et caractéristiques de la présente invention appa- raîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels: La figure 1 est une vue montrant la disposition des cellules de commutation dans un commutateur suivant l'invention. La figure 2 est une vue en coupe d'un commutateur conforme à l'invention, suivant deux plans orthogonaux (XZ) et (YZ)o Les figures 3a et 3b sont des vues schématiques en coupe transversale d'un exemple de cellule de commutation optique élé- mentaire particulièrement adapté à la réalisation d'un commutateur suivant l'invention. La figure 4 est une vue en perspective d'un commutateur suivant l'invention. Le commutateur à M entrées et N sorties comporte, comme représenté sur la figure 1, M X N cellules de commutation optique élémentaires Cij disposées dans un même plan 1 suivant une matrice à M lignes et N colonnes, définissant respectivement deux directions X et Y, chaque cellule Cij étant définie par son numéro de ligne i (1. cellules de sortie, est contenu dans un plan (Y,Z). Les cellules de commutation opèrent à titre d'exemple par réflexion ou par transmission d'un faisceau incident, suivant la commande qui leur est individuellement appliquée: les premières et deuxièmes sorties étant alors désignées respectivement par sorties réflexion et sorties transmission. Sur la figure 2, on a représenté une vue en coupe du commuta- teur, suivant les deux directions X et Y, et plus particulièrement suivant la ième ligne et la jième colonne de cellules de commu- tation. Outre les cellules de commutation optique élémentaires, ce commutateur comporte également M X N premières cellules de renvoi et M X N secondes cellules de renvoi aptes à assurer respec- tivement un renvoi du faisceau obtenu sur l'une des sorties d'une cellule de commutation, vers l'entrée d'une cellule de commutation adjacente située dans l'une ou l'autre direction, suivant le type de sortie qui a été sélectionné. Les premières cellules de renvoi, constituées par des surfaces réfléchissantes, sont regroupées dans un plan de réflexion auxiliaire 2 parallèle au plan 1 des cellules de commutation, permettant de réfléchir le faisceau obtenu sur la sortie réflexion d'une cellule de commutation, vers l'entrée d'une cellule de commutation adjacente, sans changement de plan de propagation du faisceau.Le plan de réflexion auxiliaire 2 permet ainsi une propagation du faisceau par réflexions successives sur des cellules adjacentes situées dans une même direction, c'est à dire sur une ligne ou une colonne donnée. Chaque seconde cellule de renvoi Rij permet de renvoyer le faisceau obtenu sur la sortie transmission de la celllule de commuta- tion Cij vers cette même cellule de commutation, avec changement de plan de propagation du faisceau. La cellule de commutation Cije opérant par hypothèse par transmission, transmet alors le faisceau vers le plan de réflexion 2 qui réfléchit à son tour le faisceau vers la cellule de commutation ci_1 j Ainsi, comme le montre la figure 2, si le faisceau se propage initialement sur la ligne i, suivant la direction X, et dans le plan (X,Z), et si la sortie transmission de la cellule de commutation C. ij j est sélectionnée, grâce à la cellule de déviation Rij, le faisceau se propage ensuite sur la colonne j, suivant la direction Y et dans le plan (Y,Z). Les figures 3a et 3b sont des vues schématiques en coupe transversale d'un exemple de cellule élémentaire de commutation optique particulièrement adapté à la réalisation d'un commutateur optique suivant l'invention, fonctionnant par déplacement d'une gouttelette de liquide entre deux lames de verre sous l'effet d'un champ électrique, et ayant fait l'objet des demandes de brevet précitées. Cette cellule comprend deux plaques rigides de confinement et 11, par exemple en verre, délimitantc l'espace capillaire défini par des cales I3. Les faces internes des plaques 10 et I 1 ont subi une préparation qui consiste en des nettoyages appropriés et des dép8ts de surface qui doivent éviter la formation de films capillaires par un liquide dont on souhaite contrôler électriquement le déplacement Les éiect:rodes de commande sont constituées du couple d'électrodes 14 et 15 et du couple d'électrodes 16 et 17. Elles sont reliées à un générateur de tension non représenté susceptible de fournir une différence de potentiel entre les électrodes de chaque couple. La cellule comprend un globule 18 apte à se déplacer dans un fluide qui peut être de l'air. Le globule 18 est choisi parmi les hydrocarbures tels que des alcanes comprenant de 5 à 25 atomes de carbone, des cétones ou des dérivés nitrés. Sur les faces extérieures des plaques et Il sont collés des prismes à réflexion totale 19 et 20. Un faisceau lumineux 21 est choisie de façon à permettre la possibilité d'une réflexion totale sur la face interne de la lame 11. Le faisceau 21 traverse le prisme 20 et parvient sur la face interne de la lame 11. Deux cas peuvent alors se produire suivant la nature du fluide compris entre les électrodes 16 et 17. Le faisceau 21 est réfléchi en un faisceau 22 lorsque le volume contrôlé par les électrodes 16 et 17 est occupé par un gaz tel que l'air dont l'indice de réfraction optique est de l'ordre de 1, alors que celui du verre de la lame 11 est de l'ordre de 1,5. C'est ce qui est représenté à la figure 3a. Si le volume contrôlé par les électrodes 16 et 17 est occupé par le globule 18 initialement situé entre les électrodes 14 et 15, l'indice de réfraction de cette région passe à une valeur qui est typiquement comprise entre 1,4 et 1,7. Dans ces conditions, la réflexion totale sur la face interne de la lame de verre 11 est supprimée et le faisceau 21 est transmis en un faisceau 23 comme le montre la figure 3b. La commande électrique du dispositif représenté aux figures 3a et 3b se fait de la façoh suivante. Sans excitation électrique, le globule reste dans la position o il se trouve et le faisceau 21 est réfléchi en un faisceau 22 (c'est par exemple le cas de la figure 2a). Si l'on applique une différence de potentiel entre les électrodes 16 et 17 et que le champ électrique qui y est alors induit est suffisant, le globule vient se placer entre ces électrodes et y restera après suppression du champ électrique. Le faisceau 21 est alors trnasmis en un faisceau 23. Pour que le globule reparte entre les électrodes 14 et 15, il faut inverser le processus de commande. Le commutateur suivant l'invention peut également être réa- lisé avec des cellules de commutation optique élémentaires basées sur tout autre principe, par exemple avec des cellules à déplacement de prismes ou de miroirs, ou avec des cellules à cristaux liquides. Suivant un exemple de réalisation, les cellules de renvoi Rij sont constituées par des miroirs élémentaires disposés, comme les cellules de commutation, suivant une matrice à M lignes et N colonnes, et inclines par rapport au plan (X,Y) des cellules de commutation. Suivant Pl'exemple de réalisation représenté sur la figure 4, correspondant au cas o les cellules de renvoi Rij assurent un changement de plan de propagation de (X,Z) vers (Y,Z), et avec les orientations choisies pour les axes X et Y, les intersections des plans de ces miroirs avec le plan (X,Y) forment un réseau de droites parallèles à la bissectrice du premier quadrant (défini par X > O et Y >0) et ces plans sont inclinés par rapport au plan (X,Y) d'un angle e défini par la relation: tg = g dans laquelle t désigne l'angle formé par le faisceau lumineux entrant dans le commutateur, avec la direction Zo Suivant l'exemple de réalisation représenté sur la figure 4, les miroirs élémentaires Ri dont les plans coincident sont regroupés pour former un seul miroir, d'o un ensemble de (M + N) - 1 miroirs (7 miroirs à titre d'exemple sur la figure 4, o M = N = 4) formant un bloc monolithique. Sur cette même figure 4, lorsque les cellules de commutation élémentaires sont du type décrit en relation avec les figures 3a et 3b, les faces d'entrée 4 et 5 assurent la fonction remplie par les prismes élémentaires 19 et 20, qui se sent plus nécessaires dans ce cas de réalisation. REVENDICATIONS 1. Commutateur optique à M entrées et N sorties, du type à cellules de commutation optique élémentaires à une entrée et deux sorties, caractérisé en ce qu'il comporte: - M X N cellules de commutation optique élémentaires (Ci.) dis- posées dans un même plan (1) sous forme d'une matrice à M lignes et N colonnes définissant respectivement une première et une deuxi&me direction, - M X N premières cellules de renvoi (2), et M X N secondes cellules de renvoi (Rij), aptes à assurer respectivement un renvoi du faisceau sortant d'une cellule de commutation optique élémentaire, vers l'entrée d'une cellule de commutation optique élémentaire adjacente située respectivement dans une première ou une deuxi&me direction suivant qu'une première ou une deuxième sortie de cette cellule de commutation optique élémentaire est sélectionnée. 2. Commutateur selon la revendication 1, dans lequel les cellules de commutation opèrent par réflexion ou par transmission d'un faisceau lumineux incident, et dans lequel les premières cellules de renvoi consistent en un plan de réflexion auxiliaire (2) parallèle au plan (X,Y) des cellules de commutation, caractérisé en ce que les secondes cellules de renvoi consistent en l'association des cellules de commutation opérant par transmission, du plan de réflexion auxi- laire (2), et de miroirs dont les plans, inclines par rapport au plan (X, Y) des cellules de commutation d'un angle B tel que tg = t2 (o oL est l'angle du faisceau entrant dans le commu- tateur, avec une direction Z orthogonale au plan (X,Y)) coupent celui-ci suivant des droites parallèles à la bissectrice de l'un des quadrants du plan (X,Y). 3. Commutateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les miroirs formant les secondes cellules de renvoi, dont les plans coïncident, sont regroupés pour former un seul miroir (3), soit M + N-I miroirs au total. 4. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 3, caracté- risé en ce que les cellules de commutation opèrent par déplacement d'une goutelette entre deux lames de verre sous l'effet d'un champ électrique.