Brevet FR2788863A1 — publié le 20000728

SUPPORT POUR DISPOSITIF D'AIGUILLAGE OPTIQUE Domaine technique La présente invention a pour objet un support pour dispositif d'aiguillage optique. Elle trouve une application en optoélectronique. Etat de la technique antérieure On connaît des dispositifs d'aiguillage optique comprenant N faisceaux optiques d'entrée et N' faisceaux optiques de sortie, une cellule à cristal liquide étant placée entre les faisceaux optiques d'entrée et de sortie; cette cellule comprend un film de cristal liquide inséré entre des électrodes et une contre-électrode transparente; le dispositif comprend encore des moyens électroniques de commande pour appliquer à la contre-électrode et aux électrodes des tensions appropriées afin de produire des variations d'indice de réfraction du cristal liquide telles qu'un faisceau optique d'entrée se trouve aiguillé sur un faisceau optique de sortie. La figure 1 annexée montre ainsi un dispositif d'aiguillage tel que divulgué par le document EP-A-0 363 084. Ce dispositif comprend une cellule à cristal liquide 20 ayant une électrode commune transparente 30 placée sur une fenêtre 22 et plusieurs électrodes en bandes parallèles 32. Des signaux de commande sont appliqués sur les électrodes individuelles 32 et sur l'électrode commune 30, ce qui crée des variations locales de l'indice de réfraction du cristal liquide 24. Ces signaux entraînent des variations de l'indice de réfraction et modifient les conditions de réflexion du faisceau lumineux incident -.. -VT (non représenté). Les signaux de commande sont appliqués à des patins de contact 36 fixés sur la surface externe de la cellule. Des conducteurs 34 traversent une couche isolante transparente 40, pour permettre aux signaux de commande d'atteindre les électrodes en bandes 32. Des plots de contact 38 sont disposés à la partie inférieure pour recevoir les tensions délivrées par un circuit de commande extérieur. Une telle disposition présente des inconvénients, notamment en raison de la séparation du circuit et de la cellule (encombrement, nombre élevé de connexions, temps de réponse, etc...) et de la nécessité d'utiliser des patins de contact et des conducteurs de liaison. La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. Exposé de l'invention A cette fin, l'invention propose un support qui comprend à la fois les électrodes de la cellule à cristal liquide et les circuits de commande de celles- ci. Le dispositif d'aiguillage gagne alors en compacité et requiert un nombre réduit de connexions. De manière plus précise, la présente invention a pour objet un dispositif d'aiguillage optique du genre de ceux qui ont été évoqués plus haut et qui est caractérisé en ce qu'il comprend les électrodes de la cellule à cristal liquide, ces électrodes étant réparties en N groupes de M électrodes et en ce qu'il contient lesdits moyens électroniques de commande, lesquels comprennent, d'une part, des circuits électroniques aptes à commander l'application de tensions appropriées sur les N groupes de M électrodes et des moyens périphériques dont une unité de gestion. Dans un mode de réalisation privilégié, les moyens électroniques de commande sont rassemblés dans un même circuit intégré, ce circuit présentant différents niveaux de métallisation, les électrodes de la cellule étant formées par les métallisations d'un dernier niveau. Brève description des figures - La figure 1, déjà décrite, montre un dispositif d'aiguillage optique selon l'art antérieur, - la figure 2 est un schéma synoptique du dispositif selon l'invention, - la figure 3 est un schéma synoptique d'un circuit de commande d'un groupe de M électrodes, - la figure 4 illustre un mode de réalisation d'une mémoire et de ses moyens de commande, - la figure 5 illustre un mode de réalisation du circuit de gestion de l'alternat, - la figure 6 illustre un mode de réalisation d'un convertisseur numérique-analogique, - la figure 7 illustre un mode de réalisation du circuit de gestion de multiplexage analogique, - la figure 8 illustre un mode de réalisation du circuit d'adressage des tensions sur les électrodes, - la figure 9 montre un dispositif d'aiguillage utilisant un support selon l'invention. Description détaillée de modes particuliers de réalisation La figure 2 montre schématiquement un support S selon l'invention. La cellule à cristal liquide n'est pas représentée mais il faut comprendre qu'elle repose sur ce support, les électrodes étant portées par ce support. Ces électrodes sont au nombre de NxM. Seules des électrodes El, E2,..., EM d'un groupe sont représentées. Ces électrodes peuvent être réparties sous forme de matrice ou disposées en ligne. Le circuit représenté comprend une interface I reliée à un système de contrôle extérieur SC (qui ne fait pas partie de l'invention et qui est en général un ordinateur), une unité de gestion globale UGG, des registres R, autant de circuits intégrés CI1, CI2,... CIN qu'il y a de faisceaux optiques d'entrée à aiguiller, c'est-à-dire N, un multiplexeur de sortie MPXS (NM->l) et un convertisseur analogique-numérique CAN relié à l'unité de gestion globale UGG. Selon l'invention, les circuits de commande sont disposés dans le support S qui supporte la cellule à cristal liquide et notamment les électrodes. Ces circuits peuvent être réalisés sous forme de circuit intégré sur plaquette de silicium. Dans ses grandes lignes, le fonctionnement de l'ensemble de la figure 2 est le suivant: * l'interface I est en communication avec le système de contrôle SC et gère toutes les entrées/sorties. La plupart sont numériques pour faciliter la gestion. Quelques tensions fixes analogiques sont aussi nécessaires; * l'unité de gestion globale UGG produit des signaux d'horloge et des signaux de commande à partir d'une horloge externe et échange des informations en provenance de l'interface; * les registres R permettent de stocker ces informations ainsi que les données nécessaires à la gestion et au contrôle des circuits de commande; * les circuits CI1,... CIN commandent chacun M électrodes correspondant à une fibre d'entrée et gèrent l'application des tensions sur les électrodes; * le multiplexeur de sortie MPXS (NxM->l) permet de sélectionner une électrode parmi NM; * le convertisseur CAN convertit la valeur de sa tension en valeur numérique pour l'envoyer vers l'unité de gestion; * on peut ainsi tester la valeur réellement appliquée à l'électrode. Les communications entre chaque circuit intégré CI et le système de contrôle SC se font suivant un protocole asynchrone, chaque partie étant capable d'attendre l'autre. La vitesse d'échange n'est limitée que par les performances de chacune des parties. Pendant l'envoi et l'exécution d'un ordre, le reste du système continue à fonctionner normalement. Le système de contrôle SC peut envoyer plusieurs types de commandes: * écriture d'une zone du cristal liquide correspondant à une fibre optique: le système de contrôle envoie le numéro de la fibre à reconfigurer puis envoie successivement les M valeurs des tensions à appliquer; * lecture numérique de la tension à appliquer sur une électrode: le système de contrôle envoie le numéro de la fibre concernée et le numéro de l'électrode; le circuit intégré lui renvoie la valeur associée; ITllecture de la tension analogique d'une électrode: on commande le multiplexeur de sortie MPXS et le convertisseur CAN convertit la tension lue en numérique et l'envoie vers le système de contrôle; ceci permet de caractériser la précision du convertisseur ainsi que les fuites dans le cristal liquide en temps réel; chargement des registres: pour charger un registre, la commande contient le numéro du registre et la valeur à stocker; les valeurs stockées dans les registres permettent de modifier les constantes de temps des différentes phases du séquencement pour l'adapter au cristal liquide, ceci en temps réel; commande de sortie nulle: le système de contrôle envoie une commande suivie d'un mot de N bits, chaque bit positionnant l'état d'une zone de cristal liquide correspondant à une fibre "1", qui correspond à une sortie normale de la mémoire ou "0", qui correspond à une sortie nulle; ainsi, peut-on positionner les fibres à tout moment. La figure 3 illustre un mode de réalisation du circuit selon l'invention. Pour plus de simplicité, on n'a représenté qu'un bloc de commande d'un groupe de M électrodes. Dans la variante illustrée, le circuit comprend: une mémoire MEM o sont enregistrées des données numériques correspondant aux tensions à appliquer aux M électrodes du groupe, cette mémoire étant lue successivement à une cadence fixée par une horloge interne, - des moyens ALT de gestion d'une commande à l'alternat aptes à transmettre la donnée lue ou son complément à 2, - un convertisseur numérique-analogique CNA relié aux moyens de gestion ALT pour convertir chaque donnée numérique lue en tension, - des moyens de multiplexage analogique MPXA, dont une première entrée est reliée au convertisseur numérique-analogique CNA, d'o il reçoit un signal VS, (éventuellement à travers un amplificateur), dont une deuxième sortie reçoit une tension nulle SN, et dont une troisième sortie reçoit une haute tension HT, - des moyens d'adressage ADDR de la tension délivrée par les moyens de multiplexage analogique MPXA sur l'une des électrodes El, E2,..., EM appartenant au groupe de M électrodes. Ces moyens comprennent un séquenceur SEQ commandé par l'horloge interne HI et par un signal de début de cycle STC, ce séquenceur commandant les fermetures successives d'une suite de M interrupteurs Il, I2,..., IM. Ces moyens comprennent encore un circuit de commande CDE qui commande M circuits de protection de sortie P1, P2,... PM. Tous ces moyens ne sont pas nécessairement utilisés ensemble. Par exemple, on pourrait se dispenser du multiplexeur MPXA ou des signaux de haute tension HT et du signal nul SN. La figure 4 illustre un mode de réalisation possible pour la mémoire MEM et ses circuits de commande. Les différents signaux mentionnés ont la signification suivante: - RC: signal de reconfiguration, - DN:données numériques, - HI:horloge interne, - HS:horloge du système de contrôle, D:donnée numérique, - STC:signal de début de cycle, - TN:test numérique. La mémoire MEM proprement dite comprend une entrée de données E, une sortie S et une entrée d'horloge CLK. Elle est associée à un compteur CPT et un registre de numéro d'électrode RNE. La mémoire est de préférence une mémoire du type "premier entré- premier sorti", c'est-à-dire "FIFO" en abrégé. La mémoire travaille selon trois modes: * mode reconfiguration: le bus de données (7 bits) fournit les mots successifs DN à la cadence de l'horloge du système de contrôle et fait avancer la mémoire; * mode fonctionnement normal: lorsque la zone du cristal liquide correspondant à une fibre n'est pas en mode reconfiguration, la mémoire est rebouclée sur elle-même (la sortie S est reliée à l'entrée E). A chaque coup de l'horloge interne HI une valeur apparait à sa sortie S; * mode test numérique: il est commande par le signal TN; le fonctionnement normal se poursuit, mais en plus, le compteur, calé sur STC (premier coup d'horloge interne), compte jusqu'au numéro d'électrode dont le test est demandé. La valeur de la mémoire apparaît alors sur le bus D. La figure 5 montre un mode de réalisation du circuit de gestion de l'alternat. Il s'agit d'un inverseur logique INV et de deux interrupteurs I et I commandé par les signaux complémentaires ALT et ALT. La sortie délivre donc soit le signal numérique délivré par la mémoire MEM, soit son complément à deux. Ce circuit opère sur chacun des bits (en général 7) du signal numérique. Le champ électrique appliqué au cristal liquide entre une électrode et la contre- électrode se renverse donc à chaque alternance. La figure 6 illustre un mode particulier de réalisation du convertisseur numérique-analogique CNA. Tel que représenté, il comprend un décodeur DEC à P sorties (par exemple 128, référencées Co, C1,..., C!27) et un pont résistif à P résistances (ri, r2,..., r127) reliées à P interrupteurs (ICo, IC1,..., IC127). Le décodeur actionne un interrupteur parmi les P pour produire la tension correspondante prélevée sur le pont. Des condensateurs (CP0, CP:,..., CP:27) peuvent être ajoutés en parallèle sur chaque résistance pour stabiliser la tension de sortie. La figure 7 illustre un mode de réalisation du circuit de multiplexage analogique MPXA. Ces moyens comprennent une première entrée reliée au convertisseur numérique-analogique CNA et véhiculant un signal VS, une deuxième entrée recevant une tension nulle SN et une troisième entrée recevant une haute tension HT. Le circuit comprend encore un amplificateur AMP, diverses portes logiques ET, divers interrupteurs, deux lignes portées à des tension V' ou V- qui sont les tension appliquées sur la contre-électrode et deux lignes portées aux hautes tensions HT' et HT-, toutes tensions de polarité opposées conformément au fonctionnement à l'alternat. Ce circuit de multiplexage analogique fonctionne selon trois modes: i) en présence du signal SN, il délivre des tensions V+ ou V(selon l'alternance), ce qui correspond à un champ électrique nul appliqué au cristal liquide (puisqu'alors la tension appliquée à une électrode est la même que la tension appliquée à une contre-électrode); ii) en présence du signal HT, il délivre les hautes tensions HT+ ou HT- (selon l'alternance); iii) sinon, il délivre la tension VS provenant du convertisseur numérique-analogique, amplifié par l'amplificateur AMP. La figure 8 montre un mode de réalisation d'un circuit d'adressage ADDR. Il comprend un registre à décalage RDEC commandé par l'horloge interne HI, avec M sorties s1, s2,..., sM, une première série de M interrupteurs Il, I2,..., I>, une seconde série de M interrupteurs J1, J2, -.,tJM, qui sont des interrupteurs de remise à une tension de référence, et enfin M condensateurs C1, C2,..., CM reliés aux M électrodes d'un groupe E1, E2,..., EM. La tension délivrée par le multiplexeur MPXA de la figure 7 est appliquée sur tous les interrupteurs Il, 12,.-.., IM, mais seul l'un d'entre eux est fermé par la sortie sélectionnée du registre à décalage TDEC. La tension est alors appliquée à l'électrode correspondante. 1:t A titre d'illustration, on peut indiquer les caractéristiques principales d'un support réalisé par le Demandeur: Nombre de fibres optiques (N, N'): 8 Nombre d'électrodes par fibre, (M): 250 Largeur des électrodes: 0,5pm technologie d'intégration des circuits: CMOS Alimentation du circuit: 5 V Tension efficace à appliquer sur le cristal liquide: maximum: 3 V précision: 6 bits Définition des valeurs de tensions: 7 bits Précision des convertisseurs: 7 bits Tension absolue minimale appliquée aux électrodes (V-): 1 V tension absolue maximale appliquée aux électrodes (Vi): 4 V Hautes tensions: 0 et 5 V Fréquence maximale d'échantillonnage externe (fmax): 40 MHz Cycle de rafraîchissement (entre 2 STC, à fmax): 6, 25 ps Nombre de cycles par alternat (à fmax): 1400 Durée de lTalternat (à fmax): 8,75 ms Temps de remise à zéro: 9 ms Enfin, la figure 9 représente schématiquement un dispositif d'aiguillage optique comprenant le support de l'invention. Ce dispositif comprend un support 60, avec un circuit électronique intégré 61, par exemple sur une plaquette de silicium, et des électrodes 62 disposées à la surface de cette plaquette; le dispositif d'aiguillage comprend encore -ET: un film de cristal liquide 64, une plaque transparente 66 avec une contre-électrode 68. Les tensions appliquées aux électrodes 62 sont telles qu'il se produit une modification de l'indice de réfraction du cristal liquide, indice représenté sur le diagramme disposé au-dessus de la cellule. Ces variations présentent une certaine périodicité, de pas p. La structure périodique se comporte alors comme un réseau de diffraction. Un faisceau optique incident 70 se trouve diffracté, principalement selon le faisceau 72. La tache 74 représente symboliquement la section droite de ce faisceau dit de premier ordre. Des faisceaux d'ordre secondaire (+1, -1) apparaissent également, mais de moindre intensité (76). En faisant varier les tensions, on fait varier les propriétés du réseau, donc l'angle de diffraction. On peut ainsi coupler un trajet d'entrée à un trajet de sortie quelconque. REVENDICATIONS 1. Support pour dispositif d'aiguillage optique, ce dispositif d'aiguillage comprenant N faisceaux optiques d'entrée (70) et N' faisceaux optiques de sortie (72) et une cellule à cristal liquide (20) placée entre les N faisceaux optiques d'entrée et les N' faisceaux optiques de sortie, cette cellule comprenant un film de cristal liquide (24, 64) inséré entre des électrodes (32, 62) et une contre- électrode transparente (30, 38), le dispositif d'aiguillage comprenant encore des moyens électroniques de commande (61) pour appliquer à la contre-électrode et aux électrodes des tensions appropriées pour produire des variations d'indice de réfraction du cristal liquide aptes à aiguiller l'un des N faisceaux optiques d'entrée (70) sur l'un quelconque des N' faisceaux optiques de sortie (72), caractérisé en ce qu'il comporte les électrodes (62) de la cellule à cristal liquide, ces électrodes étant réparties en N groupes de M électrodes (El, E2,..., EM) et en ce qu'il contient lesdits moyens électroniques de commande (61), lesquels comprennent, d'une part, des circuits électroniques aptes à commander l'application de tensions appropriées sur les N groupes de M électrodes et des moyens périphériques dont une unité de gestion globale (UGG). 2. Support selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens électroniques de commande sont rassemblés dans un même circuit intégré, ce circuit présentant différents niveaux de métallisation, les électrodes de la cellule (El, E2,..., EM) étant formées par les métallisations d'un dernier niveau. 3. Support selon la revendication 2, dans lequel le circuit intégré comprend une mémoire (MEM) o sont enregistrées des données numériques correspondant aux différentes tensions à appliquer aux M électrodes (El, E2,..., EM) des différents groupes. 4. Support selon la revendication 3, dans lequel le circuit intégré comprend des moyens de gestion d'une commande à l'alternat (ALT), ces moyens étant aptes à transmettre la donnée lue dans la mémoire (MEM) ou son complément à 2. 5. Support selon la revendication 3, dans lequel le circuit intégré comprend en outre un convertisseur numérique-analogique (CNA), pour convertir chaque donnée numérique lue dans la mémoire (MEM) en une tension. 6. Support selon la revendication 5, dans lequel le convertisseur numérique-analogique (CNA) comprend un décodeur (DEC) à P sorties et un pont résistif à P résistances (r1, r2,..., rM) reliées à P interrupteurs (IC0, IC1,...), le décodeur (DEC) actionnant un interrupteur parmi les P pour délivrer la tension correspondante prélevée sur le pont. 7. Support selon la revendication 5, dans lequel le circuit intégré comprend en outre un multiplexeur analogique (MPXA), avec une première entrée recevant la tension délivrée (VS) par le convertisseur numérique-analogique (CNA), éventuellement amplifiée (AMP), une deuxième entrée recevant une tension nulle (SN) et une troisième entrée recevant une haute tension (HT), ce multiplexeur (MPXA) délivrant l'une ou l'autre de ces trois tensions (VS, SN, HT). 8. Support selon la revendication 2, dans lequel le circuit intégré comprend en outre des moyens d'adressage (ADDR) de la tension de commande (VS) sur l'une des électrodes appartenant à un groupe de M électrodes. 9. Support selon la revendication 2, dans lequel les moyens périphériques comprennent en outre des moyens de test comprenant un multiplexeur de sortie (MPXS) apte à sélectionner une des électrodes parmi NM, un convertisseur analogique numérique (CAN) à une entrée reliée au multiplexeur (MPXS) et à une sortie reliée à l'unité de gestion globale (UGG). 10. Support selon la revendication 2, dans lequel l'unité de gestion globale (UGG) produit des signaux d'horloge (HI) et des signaux de commande du circuit intégré.