Brevet FR2581204A1 — publié le 19861031

Sélecteur optique 1 par N à commande mécanique, pour fibres muitimodes L'invention se rapporte à des dispositifs de commutation optique permettant de connecter une voie à une autre voie choisie parmi N voies possibles. De tels dispositirs sont particulièrement utilisés dans les fonctions de commutation, de concentration et de distribution de signaux large bande véhiculés par des fibres optiques multimodes. Dans l'état de l'art, deux méthodes différentes ont été développées pour réaiiser une commutation optique entre des fibres multimodes. La première méthode consiste à rapprocher physiquement les fibres optique de façon à optimiser leur couplage optique. Parmi les nombreux systèmes utilisant cette méthode on peut citer ; - le commutateur 1 x 93 réalisé par OGIWARA & Co, Optical and Quantum Electronics Vol.12. NO 1, Déc.1980, P.87-90 : " Fibre switch of 1 x 93 : an experimental trial". - Le commutateur décrit dans le brevet français 2521735. L'utilisation d'un déplacement de fibre optique présente toutefois deux inconvénients : d'une part une fiabilité moindre comme conséquence de la fragilisation de la fibre en mouvement (elle subit souvent une courbure lors de l'opération de commutation), et d'autre part une moindre reproductibilité des pertes optiques entre les différentes voies du commutateur à cause de la précision nécessaire au positionnement relatif des fibres (notamment la tolérance sur l'écar- tement des fibres difficilement réalisable simultanément et sans coût prohibitif pour un grand nombre de fibres). La seconde méthode consiste à collimater le faisceau issu des fibres et à effectuer une déflexion de ce faisceau de lumière devenu quasi-parallèle avant de le focaliser sur la fibre sélectionnée. Cette méthode a donné lieu à de nombreuses réalisations utilisant des moyens de commutation mécaniques ; on peut citer à titre d'exemples - une matrice 8 x 8 utilisant des prismes pentagonaux escamotables MINOWA & Cd, Electronics Letters, Vol 16, NB 11, May 1980, p. 422, 423 : "Non-blocking 8 x 8 optical matrix switch for fibre optic communication" - le brevet français 2 475 343. - L'article de YAMAMOTO & Co, Journal of optical communications 1, 1980, 2, p.74-79 "Large-scale and low-loss optical switch matrix, for optical switching systems". Ces dispositifs ont l'avantage de limiter les tolérances mécaniques lors du déplacement des déflecteurs puisqu'ils traitent des faisceaux parallèles. Cependant des limitations à leur utilisation sont apparues, principalement dues à leur taille géométrique très importante (supérieure à 12 cm x 12 cm pour le commutateur 8 x 8 de MINOWA). D'autre part la difficulté d'avoir des lentilles de couplage adaptées à tous les chemins optiques possibles entrain des pertes aléatoires lors de la mise en cascade des dispositifs (la diffraction n'étant pas négligeable, l'optique de couplage retenue est un compromis si bien que les pertes optiques dépendent du couple de fibres choisies). Autre part la sensibilité aux perturbations externes (vibrations par exemple) de ces dispositifs devient prohibitive pour des matrices de taille raisonnable. L'invention a pour but d'éliminer les principaux défauts des dispositifs utilisant la deuxième méthode mentionnée ci-dessus, et de permettre la réalisation d'un sélecteur 1 x N pouvant être industrialisé et monté en grande série. L'invention a pour objet un sélecteur optique 1 x N à commande mécanique, pour fibres multimodes, pour établir des couplages sélectifs entre une première fibre optique et une deuxième fibre optique sélectionnée dans un ensemble de N fibres optiques, caracté- risé par le fait que les N fibres optiques sont disposées selon un cercle la première fibre optique étant disposée au centre dudit cercle, chaque fibre comportant en extrémité une lentille, et qu'il comporte des moyens de réflexion mobiles autour d'un axe passant par le centre du cercle et perpendiculaire à un plan contenant ledit cercle, et disposés en regard de la première fibre optique pour réfléchir d'une part un rayon lumineux sortant de la première fibre optique et destiné à une deuxième fibre optique et pour réfléchir d'autre part en direction de ladite première fibre optique un rayon lumineux provenant de ladite deuxième fibre optique. Le sélecteur optique de l'invention présente les avantages suivants : toutes les fibres optiques sont fixes, le chemin optique est minimal et identique pour toutes les positions du sélecteur, la compacité du sélecteur est obtenue par l'utilisation de lentilles intégrées aux fibres optiques, les réglages optiques sont réalisés lors de la fabrication. L'invention sera bien comprise par la description qui va suivre d'exemples de réalisations illustrés par les figures annexées dans lesquelles - la figure 1 représente de manière schématique un premier mode de réalisation d'un sélecteur optique de l'invention, - la figure 2 représente, en élévation et en coupe, un sélecteur optique conforme à la figure 1, - la figure 3 illustre un moyen de détection optique de la position du sélecteur des figures 1 et 2, pour un asservissement du positionnement angulaire du sélecteur, - la figure 4 représente, en élévation et en coupe, un deuxième mode de réalisation d'un sélecteur optique de l'invention, - la figure 5 représente, en élévation et en coupe, un troisième mode de réalisation d'un sélecteur optique de l'invention, - la figure 6 représente, en élévation et en coupe, une variante du troisième mode de réalisation d'un sélecteur optique. La figure 1 illustre de manière schématique un premier mode de réalisation d'un sélecteur optique de l'invention, constitué par un ensemble de N fibres optiques 1 disposées selon un cercle C, une fibre optique centrale 3 disposée au centre du cercle C et un prisme 5 à réflexion totale. Chacune des N fibres optiques 1 ainsi que la fibre optique centrale 3 comportent une lentille 2 à leur extrémité. Les N fibres optiques et la fibre optique centrale sont disposées perpendiculairiment à un plan contenant le cercle C. Le prisme 5 est de section en forme de triangle rectangle isocèle ; il a deux faces isocèles et une face hypoténuse 9 parallèle au plan contenant le cercle C, et disposée selon un rayon du cercle ; une extrémité de la face hypoténuse est en regard de la fibre optique centrale 3 et une autre extrémité en regard du cercle C, donc en regard d'une fibre optique 1 lorsque celle-ci est sélectionnée. Le prisme 5 est mobile autour d'un axe X perpendiculaire au plan contenant le cercle C et passant par le centre dudit cercle. La sélection d'une fibre optique 1 de l'ensemble des N fibres optiques se fait par rotation du prisme 5 qui assure un trajet optique de la lumière entre ladite fibre optique sélectionnée et la fibre optique centrale, par réflexion sur ses deux faces isocèles, ce trajet étant minimal et identique quelle que soit la fibre optique sélectionnée et quel que soit le sens de propagation de la lumière. La figure 2 représente, en élévation et en coupe, un sélecteur optique conforme à la figure 1. Les N fibres optiques 1 et leurs lentilles 2 sont disposées en cercle sur un support fixe 6, la fibre optique centrale 3 et sa lentille étant disposées au centre du cercle. Les fibres optiques 1 et 3 et les lentilles 2 sont disposées perpendi culairement à la face supérieure 4 du support fixe 6. Un support mobile 7 en forme de cylindre creux fermé à une extrémité par une base 8, a son axe de révolution confondu avec l'axe X passant par le centre du cercle selon lequel sont disposées les N fibres optiques 1. Le cylindre a un diamètre intérieur supérieur au diamètre du cercle et est placé au-dessus du support fixe 6, son extrémité ouverte étant en regard de la face supérieure 4 du support fixe. La distance entre le cylindre et ladite face supérieure 4 est de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres, de sorte qu'il n'y a pas contact entre les supports fixe et mobile. A titre indicatif, un sélecteur 1 par 16 a un diamètre de 16 millimètres ; il est donc très peu encombrant. Le prisme 5 est fixé sur la base 8 du support mobile 7, sa face hypoténuse 9 étant parallèle à la face supérieure 4 du support fixe 6, au dessus des N fibres optiques 1 et de la fibre centrale 3. Un trajet optique d'un rayon lumineux entre la fibre optique centrale 3 et une fibre optique 1 quelconque s'établit par l'intermédiaire du prisme 5. Quel que soit le sens de ce rayon lumineux, il pénètre dans le prisme perpendiculairement à la face hypoténuse 9, est réfléchi successivement par les deux faces isocèles et sort perpendiculairement à la face hypoténuse. La base 8 du support mobile 7 comporte un trou cylindrique 10 dans lequel est monté un axe d'un moteur, non représenté, du type pas à pas, qui assure la rotation du support mobile 7 ; l'axe du moteur est confondu avec l'axe du support mobile 7 lui même confondu avec lraxe X perpendiculaire au plan du cercle, ce plan étant celui de la face supérieure 4 du support fixe 6. Le support mobile 7 entraine le prisme 5 dans sa rotation ce qui permet la sélection d'une fibre optique 1 de l'ensemble des N fibres optiques, celles-ci étant de préférence réparties régulièrement sur le cercle. La sélection d'une fibre optique se fait donc par un positionnement angulaire du prisme, positionnement réalisé par le moteur. La précision sur le positionnement angulaire du prisme par rapport à la fibre optique sélectionnée peut être obtenue sans dispositif spécial dans le cas où la précision du moteur correspond aux caractéristiques des fibres optiques 1 et 3. En effet selon les applications envisagées la perte optique est minimale si - la fibre de sortie a une ouverture numérique au moins égale à celle de la fibre d'entrée, - la fibre de sortie a un diamètre de coeur au moins égal à celui de la fibre d'entrée. La figure 3 illustre un moyen de détection optique de la position du sélecteur optique de la figure 2 pour un asservissement angulaire dudit sélecteur optique. A cet effet un détecteur optique 11 à semi-conducteur, tel qu'une photodiode, est collé sur une des faces réfléchissantes du prisme 5 à l'endroit où la réflexion du rayon lumineux a lieu ; ces faces réfléchissantes sont les faces isocèles du prisme. Lorsque le prisme a tourné et se trouve au-dessus de la fibre sélectionnée, le flux lumineux reçu par la photodiode est maximum ; le courant délivré par la photodiode sert à l'asservissement du moteur, ce courant étant maximum lorsque le flux lumineux reçu par la photodiode est lui même maximum. La figure 4 représente, en élévation et en coupe, un deuxième mode de réalisation d'un sélecteur optique de l'invention. Dans cette figure on retrouve le support fixe 6, le support mobile 7, la fibre optique centrale 3, et les N fibres optiques 1 disposées en cercle sur le support fixe 6 dt La figure 2. Un prisme 15, à réflexion totale, de section en forme de triangle rectangle isocèle est collé, sur chacune des lentilles 2 des N fibres optiques, par une face isocèle ; son autre face isocèle est d'une part perpendiculaire au plan contenant le cercle, c'est-à-dire à la face supérieure 4 du support fixe 6, et d'autre part perpendiculaire à un. plan passant par l'axe X et par la fibre optique 1 sur la lentille de laquelle ledit prisme 15 est collé. L'axe X est, comme dans la figure 2 Iraxe passant par le centre du cercle et perpendiculaire au plan contenant ledit cercle. Un prisme 16 a réflexion totale, de section en forme de triangle rectangle isocèle, est fixé sur la base 8 du support mobile 7 de telle sorte qu'une face isocèle du prisme soit parallèle à la face supérieure 4 du support fixe 6 et en regard de la fibre centrale 3. La sélection d'une fibre optique 1 se fait par rotation du support mobile 7 entrainé, comme dans la figure 2, par un moteur pas à pas. Lorsqu'une fibre optique 1 est sélectionnée, un rayon lumineux émis par la fibre optique centrale 3 pénètre dans le prisme 16 perpendiculairement à la face isocèle en regard de ladite fibre centrale, est réfléchi par la face hypoténuse du prisme, sort perpendiculairement par l'autre face isocèle dudit prisme 16, pénètre dans le prisme 15 de la fibre optique sélectionnée perpendiculairement à une face isocele dudit prisme, est réfléchi par la face hypoténuse et sort perpendiculairement par l'autre face isocèle dudit prisme 15, collée sur la lentille 2. Un rayon lumineux émis par la fibre optique 1 sélectionnée suit le trajet optique inverse. La figure 5 représente, en élévation et en coupe un troisième mode de réalisation d'un sélecteur optique de l'invention. Comme dans les figures précédentes les N fibres optiques 1 sont disposées en cercle sur un support fixe 20 et la fibre optique centrale 3 est disposée au centre dudit cercle. Dans la figure 5, le support fixe 20 a la forme d'un cylindre creux fermé par une base 21 ; les N fibres optiques 1 avec leurs lentilles 2 sont disposées dans la paroi du cylindre creux selon un cercle et la fibre optique centrale est disposée dans la base 21, au centre de celle-ci, c'est-à-dire selon l'axe X du cercle-, cet axe etant également celui du cylindre creux. Un support mobile 23, en forme de disque a son axe de rotation confondu avec l'axe X et recouvre l'extrémité du cylindre du support fixe 20 sans cependant être en contact avec ledit cylindre. Un prisme 16 est fixé sur le disque 23, comme dans la figure 4, de manière à avoir une face isocèle parallèle à la face supérieure 24 de la base 21 du support fixe 20, et en regard de la fibre centrale 3. Le disque 23 comporte un trou 10 pour la fixation de l'axe d'un moteur assurant la rotation du disque mobile 22. Un rayon lumineux émis par la fibre optique centrale 3 pénètre dans le prisme 16 par la face isocèle parallèle à la face supérieure 24, est réfléchi par la face hypoténuse, et sort perpendiculairement à l'autre face isocèle du prisme 16 en direction de la lentille 2 de la fibre optique 1 sélectionnée. Un rayon lumineux émis par la fibre optique 1 sélectionnée suit le trajet inverse. La figure 6 représente, en élévation et en coupe, une variante de réalisation du troisième mode de réalisation d'un sélecteur optique illustré par la figure 5. Dans cette figure 6 les N fibres optiques 1 et la fibre optique centrale 3 sont disposées, comme dans la figure 5 sur le support fixe 20 ; le prisme 16 est fixé sur une base 28 d'un support mobile 27 en forme de cylindre creux ayant son axe condondu avec l'axe X, mais le diamètre extérieur du cylindre creux est inférieur au diamètre intérieur du cylindre creux du support fixe 20, de sorte que l'extrémité dudit cylindre creux du support mobile 27 vient en regard de la face supérieure 24 du support fixe 20. La base 28 du support mobile 27 a une extrémité 29 qui déborde de la paroi du cylindre et s'étend au-dessus de l'extrémité du cylindre creux du support fixe 20. Le trajet des rayons lumineux est le même que dans la figure 5, cependant un trou 30 est ménagé dans la paroi du cylindre du support mobile 27 afin de permettre au rayon lumineux issus de la fibre centrale 3 d'atteindre la lentille 2 de la fibre optique 1 sélectionnée, et réciproquement. Ce mode de réalisation de la figure 6 permet, par rapport au mode de réalisation de la figure 5, une meilleure protection du prisme 16. Ce troisième mode de réalisation, figures 5 et 6, ne comporte qu'un prisme tournant 16, comme dans le cas du premier mode de réalisa tion (figures 1 et 2), ce qui limite les réglages par rapport au deuxième mode de réalisation (figure 4) qui nécessite un réglage de chacun des prismes 15 collés sur les lentilles des N fibres optiques 1. Dans les figures 4, 5 et 6 il est possible d'utiliser un détecteur optique, comme dans le mode de réalisation de la figure 2, collé sur la face réfléchissante du prisme mobile autour de l'axe X. Dans les figures 4, 5 et 6 cette face réfléchissante est la face hypoténuse du prisme 16. L'invention n'est nullement limitée aux réalisations décrites et représentées, dans lesquelles on pourra remplacer tout moyen par un moyen équivalent. Ainsi dans les figures 4, 5 et 6 on pourra remplacer chaque prisme par un miroir disposé selon la face hypoténuse des prismes, puisque ladite face hypoténuse est la face réfléchissante. REVENDICATIONS 1/ Sélecteur optique 1 x N à commande mécanique, pour fibres multimodes, pour établir des couplages sélectifs entre une première fibre optique et une deuxième fibre optique sélectionnée dans un ensemble de N fibres optiques, caractérisé par le fait que les N fibres optiques (1) sont disposées selon un cercle (C) la première fibre optique (3) étant disposée au centre dudit cercle, chaque fibre comportant en extrémité une lentille (2), et qu'il comporte des moyens de réflexion (5) mobiles autour d'un axe (X) passant par le centre du cercle et perpendiculaire à un plan contenant ledit cercle, et disposés en regard de la première fibre optique (3) pour réfléchir d'une part un rayon lumineux sortant de la première fibre optique et destiné à une deuxième fibre optique (1) et pour réfléchir d'autre part en direction de ladite première fibre optique (3) un rayon lumineux provenant de ladite deuxième fibre optique (1). 2/ Sélecteur optique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la première fibre optique (3) et les N fibres optiques (1) sont disposées perpendiculairement au plan contenant ledit cercle, et que lesdits moyens de réflexion sont constitués par un prisme (5) à réflexion totale, de section en forme de triangle isocèle ayant deux faces isocèles et une face hypoténuse (9) parallèle au plan contenant ledit cercle, ladite face hypoténuse ayant une extrémité située en regard de la première fibre optique (3) et une autre extrémité en regard du cercle, ledit prisme établissant un trajet optique entre les première et deuxième fibres optiques par réflexion des rayons lumineux sur ses deux faces isocèles. 3/ Sélecteur optique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de réflexion sont constitués par un prisme (16) à réflexion totale, de section en forme de triangle rectangle isocèle, ayant deux faces isocèles et une face hypoténuse, qu'une face isocèle dudit prisme est parallèle au plan contenant ledit cercle et en regard de la première fibre optique (3), que la première fibre optique (3) et les N fibres optiques (1) sont disposées perpendiculairement audit plan, qu'il comporte des second moyens de réflexion sur chacune des lentilles (2) des N fibres optiques (1), lesdits second moyens étant constitués par des prismes (15) à réflexion totale, de section en forme de triangle isocèle, ayant deux faces isocèles et une face hypoténuse, et que chaque prisme (15) desdits second moyens est collé sur une lentille (2) par une face isocèle et à son autre face isocèle perpendiculaire d'une part au plan contenant ledit cercle et d'autre part à un plan passant par ledit axe (X) et par la fibre optique (1) sur la lentille de laquelle il est collé, un trajet optique entre les première et deuxième fibres optiques étant établi par réflexion des rayons lumineux sur les faces hypoténuses des prismes des premier et second moyens de réflexion. 4/ Sélecteur optique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les N fibres optiques (1) sont disposées radialement dans le plan contenant ledit cercle, que la première fibre optique (3) est disposée perpendiculairement audit plan en dessous de celui-ci, et que les moyens de réflexion sont constitués par un prisme (16) à réflexion totale, de section en forme de triangle rectangle isocèle, ayant deux faces isocèles et une face hypoténuse, ledit prisme ayant une face isocèle parallèle audit plan et située entre ledit plan et ladite première fibre optique (3) en regard de la première fibre optique,ledit prisme établissant un trajet optique entre les première et deuxième fibres optiques par réflexion des rayons lumineux sur sa face hypoténuse. 5/ Sélecteur optique selon une des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé par le fait que les moyens de réflexion sont entratnés en rotation par un moteur pas à pas ayant un axe de rotation confondu avec l'axe (X) autour duquel lesdits moyens de réflexion sont mobiles. 6/ Sélecteur optique selon l'une des revendications 2, 3 et 4, caractérisé par le fait qu'un détecteur optique (11) est collé une face réfléchissante du prisme constituant les moyens de réflexion, ledit détecteur optique étant constitué par une photodiode et utilisé pour le positionnement desdits moyens de réflexion lors de la sélection de l'une des N fibres optiques, et recevant un flux lumineux maximum lorsque le positionnement est correct.