Brevet FR2561402A1 — publié le 19850920

2-561402 SELECTEUR OPTIQUE La présente invention concerne un sélecteur optique permet- tant d'aiguiller un faisceau lumineux reçu sur une entrée, vers une sortie choisie parmi N. Un tel sélecteur est particulièrement utile pour réaliser des fonctions telles que la commutation, la distribution et la sélection de signaux large bande véhiculés sur des fibres optiques. Il est connu de réaliser des sélecteurs optiques en mettant en cascade des cellules de commutation optique élémentaires 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 comrrutation optique élémentaires peuvent également opérer par réflexion, avec changement de direc- tion, ou par transmission, sans changement de direction, d'un fais- ceau 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 dépla- cement d'une goutelette de liquide entre deux lames de verre sous l'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 goutelette 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 Il 074 et 83 16 793 déposées au nom de THOMSON-CSF respectivement les 23 Mars, 4 3uillet et 21 Octobre 1983. L'article de Richard A.SOREF, publié dans la revue APPLIED OPTI ïCS, vol. 21, n8, avril 1982, décrit un sélecteur optique 1 X 4, c'est à dire à une entrée et quatre sorties, réalisé par la mise en cascade de cellules de commutation optique élémentaires à cristaux liquides, et fonctionnant par réflexions successives d'un faisceau lumineux depuis une cellule d'entrée jusqu'à une cellule de sortie à travers laquelle il est transmis. De même, la demande de brevet français n 83 16 793 précitée décrit un sélecteur optique de ce type, réalisé avec des cellules de commutation élémentaires fonctionnant par déplacement d'une goutelette de liquide entre deux lames de verre sous l'effet d'un champ électrique. Dans les deux cas, ces cellules sont disposées de façon linéaire et le passage d'une cellule à une cellule adjacente se fait au moyen d'un plan de réflexion auxiliaire parallèle au plan des cellules. Une telle disposition ne convient cependant pas pour des valeurs de N élevées, en particulier pour des valeurs telles que 32 ou 64 qui sont des valeurs couramment rencontrées en pratique, par exemple dans les réseaux de télédistribution en fibres optiques. En effet l'encombrement du sélecteur dans la direction considérée ainsi que les trajets optiques mis en jeu atteindraient alors des valeurs prohibitives. Le sélecteur suivant l'invention permet, par une association différente des cellules de commutation optique élémentaires, d'éviter ces inconvénients. Suivant l'invention, le sélecteur optique à une entrée et N- sorties, du type à cellules de commutation optique élémentaires à une entrée et deux sorties, montées en cascade, comporte: - un sélecteur optique d'entrée, à une entrée et 3 sorties, réalisé par la mise en cascade de 3 cellules de commutation optique élémen- taires, et dont l'entrée consitue l'entrée du sélecteur optique, - 3 sélecteurs optiques de sortie, ayant chacun une entrée et K sorties, et réalisés chacun par la mise en cascade de K cellules de commutation optique élémentaires, l'ensemble des sorties des sélec- teurs de sortie formant les N sorties du sélecteur optique, - des moyens de renvoi sélectif pour renvoyer le faisceau lumineux obtenu sur la jime sortie du sélecteur optique d'entrée (avec j quelconque compris entre 1 et), ves l'entre du jime slecteur quelconque compris entre 1 et J), vers l'entrée du j selecteur optique de sortie. 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 un schéma de principe d'un sélecteur optique suivant l'invention. - Les figures 2a et 2b représentent de manière schématique un exemple de cellule élémentaire de commutation optique particu- lièrement adapté à la réalisation d'un sélecteur optique suivant l'invention. - La figure 3 est une vue en perspective d'un sélecteur optique suivant l'invention. -La figure 4 est une vue en plan des moyens de renvoi sélectif, destinée à mieux faire comprendre leur fonctionnement. La description qui suit est faite à titre d'exemple pour une valeur de K égale à 3. Le sélecteur optique représenté sur la figure I comporte des cellules de commutation optique élémentaires disposées dans un même plan 2 parallèle à un plan de réflexion auxiliaire 3 (représenté en pointillés, suivant une matrice à 3 lignes et 3 + I colonnes, chaque cellule éj étant définie par son numéro de ligne i (avec i g. i 3) et par son numéro de colonne j (avec 1 La première colonne de cellules (correspondant à j = 1) consti- tue un sélecteur, dit sélecteur d'entrée, à une entrée et à 3 sorties, l'entrée de ce sélecteur optique étanrt titre d'exemple I entrée de la cellule C1 i Chaque colonne de cellules autre que la première (ccrres- pondant à j quelconque r I) constitue également un se ecteur, dit sélecteur de sortie, à une entrée, quai est à titre d'exemple l'entrée de la cellule C,. et à 3 sorties. L'ensemble des sorties des J sélecteurs de sortie forme l'en- semble des sorties du sélecteur optique, soit un nombre total de sorties N gal 2. sorties N égal a 3 Les cellules Cij opérent par exemple par réflexion ou par transmission d'un faisceau lumineux incident, suivant la commande qui leur est individuellement appliquée. Chaque cellule Cij reçoit pour cela une commande fournie par des moyens de commande 4, ce qui a été représenté très schématiquement sur la figure I par une seule commande pour l'ensemble des cellules. Ces moyens de com- mande ne constituent pas l'objet de la présente demande de brevet et ne sont donc pas décrits de manière plus détaillée. Le sélecteur optique représenté sur la figure I comporte également des moyens de renvoi sélectif 5 pour renvoyer directe- ment le faisceau obtenu sur la jieme sortie du sélecteur d'entrée vers l'entrée du jieme sélecteur de sortie (avec j quelconque compris entre I et 3) sur lequel se trouve la cellule de sortie Cij choisie, sans avoir à parcourir les colonnes 2 à j-l, ce qui permet de minimiser le trajet optique reliant la cellule d'entrée C11 à une cellule de sortie Cij quelconque. On explique maintenant la propagation du faisceau lumineux de la cellule d'entrée C 11 jusqu'à la cellule de sortie Cij. Les cellules C!l, C21....etc...Cjil du sélecteur d'entrée sont commandées de manière à assurer une propagation du faisceau lumineux par réflexions successives sur les cellules Cl 1 à Cj-II puis par transmission à travers la cellule Cjl. Les moyens de renvoi sélectif 5 sont disposés de manière à réfléchir le faisceau obtenu sur la jieme sortie du sélecteur d'entrée, c'est-à-dire le faisceau transmis par la cellule Cjl vers l'entrée du iéme jvr 'nred jie sélecteur de sortie, c'est à dire vers l'entrée de la cellule Cj. Les cellules C3j, C31,j... etc-..Ci.. du jieme sélecteur de sortie sont ensuite commandées de manière à assurer une propagation du faisceau lumineux par transmission à travers la cellule C3j puis par réflexions successives sur les cellules C3_1, j à Cij, et enfin par transmission à travers la cellule C1. Les figures 2a et 2b sont des vues schématiques en coupe transversale d'un exemple de cellule élémentaire de commutation optique particulièrement adapté à la réalisation d'un sélecteur 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, délimitant l'espace capillaire défini par des cales 13. Les faces internes des plaques 10 et 1l ont subi une préparation qui consiste en des nettoyages appropriés et des dépôts de surface qui doivent éviter la formation de films capillaires par un liquide dont on souhaite contrôler électriquement le déplacement. les électrodes 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 12 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 envoyé sous incidence oblique en direction de l'électrode 16. L'obliquité du faisceau 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 Il est de l'ordre de 1,5. C'est ce qui est représenté à la figure 2a. 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 2b. La commande électrique du dispositif représenté aux figures 2a et 2b se fait de la façon 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 apres suppression du champ électrique. Le faisceau 21 est alors transmis en un faisceau 23. Pour que le globule reparte entre les électrodes 14 et 15, il faut inverser le processus de commande. Le sélecteur suivant l'invention peut également être réalisé avec des cellules de commutation optique élémentaires basées -sur tout autre principe, par exemple avec des cellules à déplacement de prismes à miroirs, ou avec des cellules à cristaux liquides. Sur la figure 3, on a représenté une vue en perspective d'un sélecteur optique suivant l'invention, dans un repère orthogonal (X,Y,Z) dont les axes (X,Y) forment un plan horizontal. Le plan 2 des cellules de commutation optique élémentaires est incliné d'un angle e par rapport au plan (X,Y), l'angle c étant, dans une variante préférée de réalisation, égal à 45', ce qui permet d'avoir un faisceau lumineux entrant E horizontal. Les cellules Cij sont disposées dans le plan 2 suivant une matrice à 3 lignes et 3+1 colonnes, comme cela a été décrit en relation avec la figure I. A titre d'exemple, la valeur 3 peut être choisie égale à 8. Pour une plus grande clarté du dessin, seules les cellules intervenant dans un exemple de trajet optique ont été représentées, cet exemple correspondant au trajet d'un faisceau lumineux de la cellule d'entrée Cll vers la cellule de sortie Cij, successivement à travers les cellules C l à Cjl du sélecteur d'entrée, puis les moyens de renvoi optique sélectif, et enfin les cellules CGj à Cij du sélecteur de sortie. 2'561402 Chaque ligne de cellules peut être définie par sa coordonnée z suivant l'axe Z et chaque colonne de cellules par sa coordonnée x suivant l'axe X. Avec l'orientation des axes montrée sur la figure 3; la première colonne de cellules (correspondant à la valeur j égale à 1) est celle qui a la coordonnée x la plus faible, de sorte qu'un renvoi du faisceau lumineux vers les colonnes suivantes nécessite un déplacement du faisceau dans le sens des x croissants. De même la première ligne de cellules (correspondant à la valeur i égale à 1) est celle qui a la coordonnée z la plus faible, de sorte qu'une propagation du faisceau dans la première colonne, de la cellule Cil vers la cellule Cjl se traduit par un déplacement du faisceau dans le sens des z croissants (ou montée), et la propagation du faisceau dans la jieme colonne, de la cellule C3j vers la cellule de sortie Cii se traduit par un déplacement du faisceau dans le sens des z décroissants (descente). Le faisceau lumineux d'entrée E, parallèle à l'axe Y, est reçu par la cellule d'entrée Cll qui, en raison de l'inclina3son à 45 du plan 2> réfléchit ce faisceau dans une direction parallèle à Plaxe Z, les réflexions successives sur des cellules adjacentes d'une marnême colonne se faisant ainsi alternativement suivant des directions parallèles aux axes Y et Z, c'est à dire en marches d'escalier. Les moyens de renvoi sélectif comportent trois plans de réflexion 31, 32, 33 formant un tronc de pyramide triangulaire, le premier, 31, étant disposé en regard du sélecteur dentrée, cest à dire en regard de la première colonne, et le troisième, 33, étant disposé en regard des cellules d'entrée des sélacturs de sortie, c'est à dire en regard de la 3ee ligne. Suivant une formne préférée de réalisatun, correspondant à un plan 2 incliné de 45 par rapport au plan (XZ), la base de cette pyramide est un triangle rectangle isocèle dont lPhypotehnuse est située sur le deuxième miroir 32. Lorsque les cellules de commutation élémentaires sont du type décrit en relation avec les figures 2a et 2b, les faces 34 et 35 assurent la fonc ion remplie par les N prismes élémentaires 19 et 20, qui deviennent alors inutiles. On désigne maintenant par (xe, Ze) les coordonnées suivant X et Z de la cellule de sortie Cjl du sélecteur d'entrée et par (x5,zs) les coordonnées suivant X et - de la cellule d'entrée Cjj du sélecteur de sortie sélectionné par les moyens de renvoi sélectif. Les trois plans de réflexion (31,32,33) sont disposes de manière à faire parcourir au faisceau lumineux obtenu sur la cellule de sortie Cjl du sélecteur d'entrée le trajet suivant: un premier trajet suivant la direction Y, d'une longueur y0 quelconque, entre la cellule Cjl et le premier plan de réflexion 31, un deuxième trajet suivant la direction X, d'une longueur égale à x5 - xe, entre le premier plan de réflexion 31 et le deuxième plan de réflexion 32, un troisième trajet suivant la direction Z, d'une longueur égale à z5 - ze, entre le deuxième plan de réflexion 32 et le troisième plan de réflexion 33, et un quatrième trajet suivant la direction Y, de la même longueur yo que précédemment, entre le troisième plan de réflexion 33 et la cellule CJj. Sur la figure 4, on a représenté une projection de ces trois plans de réflexion dans le plan (X,Z) ainsi qu'une projection dans ce plan des cellules de commutation appartenant à la première colonne etal ième et à la 3i&me ligne. Cette figure fait apparaître les trajets ainsi parcourus par le faisceau lumineux, dans le plan (X,Z), entre le premier et le troisième plans de réflexion. Cette forme de réalisation des moyens de renvoi sélectif a pour avantage d'être monolithique et particulièrement simple à réaliser. D'autres formes de réalisation pourraient bien entendu être envisagées. Le sélecteur représenté sur la figure 3 revêt ainsi globalement la forme d'un prisme dont deux faces sont équipées l'une avec les cellules de commutation optique élémentaires Cij, l'autre avec le tronc de pyramide triangulaire 31, 32, 33 que constituent les moyens de renvoi sélectif. Ce prisme peut être réalisé dans un matériau quelconque, transparent aux longueurs d'onde utilisées. Compte tenu de la réversibilité des trajets optiques, le sélec- teur suivant l'invention peut aussi bien permettre d'aiguiller un faisceau lumineux reçu sur une entrée, vers une sortie choisie parmi N, que de sélectionner une entrée parmi N possibles vers une sortie unique. REVENDICATIONS 1. Sélecteur optique, à une entrée et N sorties, du type à cellules de commutation optique élémentaires (Cij), à une entrée et deux sorties, montées en cascade, caractérisé en ce qu'il comporte: - un sélecteur optique d'entrée, à une entrée et 3 sorties, réalisé par la mise en cascade de 3 cellules de commutation optique élémen- taires, et dont l'entrée constitue l'entrée du sélecteur optique, - 3 sélecteurs optiques de sortie, ayant chacun une entrée et K sorties, et réalisés chacun par la mise en cascade de K cellules de commutation optique élémentaires, l'ensemble des sorties des sélec- teurs de sortie formant les N sorties du sélecteur optique, - des moyens de renvoi sélectif (5) pour renvoyer le faisceau lumineux obtenu sur la jieme sortie du sélecteur optique d'entrée ieme (avec j quelconque compris entre 1 et 3), vers l'entrée du jime sélecteur optique de sortie. 2. Sélecteur optique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les cellules de commutation élémentaires sont disposées sous la forme dune matrice dont les colonnes correspondent aux diffé- rents sélecteurs, et les lignes aux différentes cellules constitutives de ces sélecteurs. 3. Sélecteur optique suivant la revendication 2, dans lequel chacune des lignes de la matrice est définie par sa coordonnée z suivant un axe Z, et chacune des colonnes de la matrice par sa coordonnée x suivant un axe X orthogonal à Z, caractérisé en ce que les moyens de renvoi sélectif comportent des moyens pour faire parcourir au faisceau obtenu sur la cellule de sortie du sélecteur d'entrée un premier trajet d'une longueur yo0 quelconque suivant une direction Y orthogonale au plan (X,Z), un deuxième trajet d'une longueur x - xe suivant la direction X, un troisième trajet d'une longueur z - Ze suivant la direction Z, et un quatrième trajet d'une longueur yo0 suivant la direction Y, o (xe, ze) désignent les coor- données de la cellule de sortie du sélecteur d'entrée et (xs,zs) les coordonnées de la cellule d'entrée du sélecteur de sortie. 4. Sélecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de renvoi sélectif (5) comportent trois plans de réflexion (31,32,33) formant un tronc de pyramide triangulaire, l'un d'eux (31) étant disposé en regard des sorties du sélecteur d'entrée, et un autre (33) étant disposé en regard des entrées des sélecteurs de sortie. 5. Sélecteur suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les cellules de commutation optique élémentaires fonc- tionnent par déplacement d'une gouttelette de liquide entre deux lames de verre sous l'effet d'un champ électrique.