Brevet FR2832812A1 — publié le 20030530

DISPOSITIF DE MULTIPLEXAGE D'UNE MATRICE DE CANAUX OPTIQUES, APPLICATION AU MULTIPLEXAGE EN LONGUEUR D'ONDE ET A L'INSERTION-EXTRACTION DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif de multiplexage d'une matrice de canaux optiques. Elle s'applique notamment aux dispositifs de multiplexage en longueur d'onde (en anglais"wavelength division multiplexing devices") ainsi qu'aux dispositifs d'insertion-extraction (en anglais"add- drop devices"). Plus généralement, l'invention s'applique au domaine de l'assemblage opto-électronique. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Il est connu de combiner, dans une seule fibre optique, plusieurs signaux optiques de différentes longueurs d'ondes. Pour ce faire, il est connu d'utiliser un laser émetteur par longueur d'onde, ce laser étant optiquement couplé à une fibre optique, et de multiplexer les différentes fibres optiques par exemple par fusion (pour former des coupleurs FBT appelés en anglais"fused biconic tapered couplers") ou par combinaison dans des guides d'ondes plans. La figure 1 est une vue schématique d'un dispositif connu permettant de multiplexer plusieurs signaux optiques. Ce dispositif connu comprend un substrat en silicium 2 dans lequel sont formées des rainures en V. Dans ces rainures sont fixées les extrémités de fibres optiques 4. Les signaux optiques que l'on veut multiplexer se propagent dans ces fibres optiques. Le dispositif de la figure 1 comprend en outre un guide d'onde optique plan de couplage 6 comprenant autant d'entrées qu'il y a de fibres optiques ainsi qu'une sortie. Ces entrées sont respectivement couplées optiquement aux extrémités des fibres optiques qui sont fixées dans les rainures du substrat en silicium. Ce guide d'onde optique plan 6 permet de multiplexer les signaux optiques qui se propagent dans les fibres, ces signaux se retrouvant ainsi à la sortie du guide d'onde optique plan. Le dispositif de la figure 1 comprend en outre un autre substrat en silicium 8 pourvu d'une rainure en V dans laquelle est fixée l'extrémité d'une autre fibre optique 10. Cette extrémité est optiquement couplée à la sortie du guide d'onde optique plan de façon que les signaux optiques qui ont été multiplexés grâce au guide d'onde optique plan 6 se propagent dans la fibre optique de sortie 10. Il est également connu de réaliser un tel couplage en utilisant un montage en cascade de fibres optiques. A ce sujet on se reportera au document suivant : (1) US 5 809190 A (Chen). Les techniques de multiplexage connues sont très complexes à mettre en oeuvre. De plus, la technique de fusion mentionnée plus haut permet de coupler par exemple une matrice de détecteurs de lumière avec une fibre optique mais l'encombrement du dispositif obtenu est important car ce dispositif utilise une liaison en série de paire de fibres optiques, chacune de celles-ci étant couplée à un émetteur d'entrée. De plus, la technique utilisant le guide d'onde optique plan ne permet pas de coupler une matrice d'émetteurs de lumière dans un guide d'onde optique sans utiliser un ensemble de fibres optiques. Cette technique ne permet qu'un couplage dans le plan du guide d'onde optique de multiplexage. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents. La présente invention permet de multiplexer des canaux optiques disposés matriciellement grâce à un dispositif dont l'encombrement est extrêmement réduit. De plus, l'invention permet de coupler et multiplexer les faisceaux lumineux émis par une matrice de lasers (par exemple une matrice de VCSEL ou lasers à émission par la surface à cavité verticale) à une seule fibre optique, par une technique ne faisant pas appel à des fibres optiques intermédiaires. Au sujet de la fabrication d'une matrice de VCSEL à longueurs d'ondes variables, on pourra se reporter au document suivant : (2) EP 0 949728 A. De plus, le dispositif objet de l'invention est bien plus simple à fabriquer que le dispositif de la figure 1 et que les dispositifs connus par le document (1). L'invention présente l'avantage de permettre de coupler facilement une matrice de détecteurs de lumière et une fibre optique, avec un encombrement bien moindre que la technique de fusion mentionnée plus haut. L'invention permet à la fois de supprimer la présence de fibres optiques entre la matrice d'émetteurs de lumière et la fibre optique de sortie et de n'utiliser que des circuits optiques formés par des guides d'ondes optiques plans pour multiplexer les signaux optiques d'entrée. De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de multiplexage d'une matrice de M x N canaux optiques, M et N étant des nombres entiers au moins égaux à 1, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend : - N guides d'ondes optiques plans, chacun de ces derniers étant apte à multiplexer M voies vers 1 voie, l'ensemble des N guides d'ondes étant ainsi apte à multiplexer M x N voies vers N premières voies, et - un guide d'onde optique plan complémentaire, apte à multiplexer N deuxièmes voies vers au moins une voie de couplage, ces N deuxièmes voies étant respectivement couplées optiquement aux N premières voies. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif objet de l'invention, les N guides d'ondes optiques plans sont juxtaposés, les N premières voies sont alignées et le guide d'onde optique plan complémentaire est perpendiculaire aux N guides d'ondes optiques plans juxtaposés. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, ce dispositif comprend en outre une matrice de M x N émetteurs et/ou détecteurs de lumière qui sont optiquement couplés aux M x N voies. Les M x N émetteurs et/ou détecteurs de lumière peuvent comprendre des lasers. Ces lasers sont par exemple des VCSEL (lasers à cavité verticale et à émission par la surface). Les longueurs d'ondes d'émissions et/ou de détection des émetteurs et/ou détecteurs de lumière peuvent être différentes. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, ce dispositif comprend en outre au moins un guide d'onde optique souple qui est optiquement couplé à la voie de couplage du dispositif. Ce guide d'onde optique souple peut être une fibre optique. L'invention concerne aussi un dispositif de multiplexage en longueur d'onde comprenant un dispositif de multiplexage conforme à l'invention. L'invention concerne en outre un dispositif d'insertion-extraction comprenant : - un dispositif d'entrée destiné à recevoir des signaux optiques d'entrée et comprenant un premier dispositif de multiplexage conforme à l'invention ainsi qu'une matrice de détecteurs de lumière qui sont optiquement couplés aux voies du premier dispositif de multiplexage, pour convertir les signaux optiques d'entrée en signaux électriques, en vue d'extraire de ces derniers au moins un signal électrique, et un dispositif de sortie comprenant un deuxième dispositif de multiplexage conforme à l'invention ainsi qu'une matrice d'émetteurs de lumière qui sont optiquement couplés aux voies du deuxième dispositif de multiplexage pour convertir en signaux optiques de sortie les signaux électriques non extraits et insérer dans ces signaux optiques de sortie au moins un signal optique. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de multiplexage connu et a déjà été décrite, - la figure 2 est une vue en perspective éclatée schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif de multiplexage objet de l'invention, et - la figure 3 est une vue schématique d'un dispositif d'insertion-extraction utilisant la présente invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté en perspective éclatée sur la figure 2, comprend une matrice de MxN lasers, de préférence une matrice de MxN VCSEL, qui émettent à des longueurs d'ondes différentes. Cette matrice comprend M lignes et N colonnes. Le dispositif comprend aussi un ensemble de N guides d'ondes optiques plans 16 juxtaposés. Chacun de ces guides d'ondes plans comporte M guides planaires permettant un multiplexage planaire de M entrées 20 vers une sortie 22. Les N guides d'ondes optiques plans 16 sont alignés et empilés de telle manière que chacune des MxN entrées 20 de l'ensemble de ces guide d'ondes optiques plans 16 soit optiquement alignée avec l'un des lasers émetteurs de lumière 14 pour être optiquement couplée avec ce laser. En outre, le dispositif de la figure 2 est construit de telle manière que les N sorties 22 de l'ensemble des N guides d'ondes optiques plans 16 sont alignées les unes avec les autres, avec un espacement parfaitement connu les unes entre les autres. Le dispositif de la figure 2 comprend en outre un autre guide d'onde optique plan 24 qui comporte N guides planaires 26 permettant un multiplexage planaire de N entrées 28 vers une sortie 30. Cet autre guide d'onde optique plan 24 est disposé perpendiculairement aux guides d'ondes 16 et construit de telle manière que ces N entrées 28 soient parfaitement alignées avec les N sorties alignées 22 des N guides d'ondes optiques plans 16 pour être optiquement couplées avec ces sorties. Le dispositif de la figure 2 comprend aussi un guide d'onde optique souple de sortie qui est par exemple une fibre optique 32. Une extrémité de cette fibre 32 est optiquement couplée à la sortie 30 du guide d'onde optique plan 24 de manière à récupérer le signal optique qui est fourni par cette sortie 30 et résulte du multiplexage des signaux optiques fournis par les lasers 14. Le dispositif de la figure 2 permet donc de coupler plusieurs guides d'ondes optiques plans parallèlement les uns aux autres de manière à disposer de sorties optiques alignées et de multiplexer la ligne créée avec un autre guide d'onde optique plan, placé perpendiculairement aux premiers. La matrice 12 des lasers émetteurs de lumière 14 peut être remplacée par une matrice de photodétecteurs 34. Dans ce cas, le dispositif de la figure 2 permet d'envoyer une lumière se propageant dans la fibre optique 32 vers ces photodétecteurs 34 en passant par le guide d'onde optique plan 24 et les guides d'ondes optiques plans 16 de l'empilement (conformément au principe de retour inverse de la lumière) et les références 22 et 30 de la figure 2 correspondent à des entrées tandis que les références 20 et 28 correspondent à des sorties. En variante, la matrice 12 peut être un ensemble d'émetteurs-récepteurs de lumière permettant à la fois de recevoir des signaux lumineux se propageant dans la fibre optique 32 et d'envoyer dans celle-ci des signaux optiques qui sont multiplexés grâce au dispositif de la figure 2. De plus, au lieu de comporter une seule sortie 30, le guide d'onde optique plan 24 peut comporter deux ou plus de deux sorties. Dans ce cas, on utilise autant de guides d'ondes optiques souples qu'il y a de sorties et une extrémité de chaque guide d'onde optique souple est optiquement couplée à l'une de ces sorties. A titre purement indicatif et nullement limitatif, on suppose que l'on dispose de 64 signaux numériques engendrés par un circuit intégré. On veut transmettre ces signaux sur une seule fibre optique, avec un débit de 2,5 Gbits/s par signal (agrégat de débit égal à 160Gb/s), vers un autre circuit intégré situé à une distance de 300m. On fabrique alors un dispositif de multiplexage conforme à l'invention. Pour ce faire, on fabrique d'abord un circuit intégré CMOS avec une matrice de VCSEL multifréquence hybridée. Cette matrice de VCSEL multi-fréquence est fabriquée, par exemple suivant la technique qui est divulguée dans le document (2) mentionné plus haut, sous la forme d'une matrice de VCSEL dont la longueur de cavité est variable. Le pas entre ces VCSEL vaut 250jam, l'espacement des fréquences vaut 50GHz (0,4mn) et la taille du circuit d'émission vaut environ 3mm x 3mm. On utilise un seul type de circuit intégré optique pour le multiplexage, à savoir un circuit plan de multiplexage"8 vers 1"au pas 250jim. On empile 8 circuits optiques de ce genre avec un pas de 250Rm entre les plans de ces circuits et le bloc ainsi obtenu est aligné puis fixé à la matrice d'émission de lumière. En outre, un circuit optique du même genre est aligné avec les 8 sorties du bloc, au pas de 250Rm, puis ce circuit est fixé à ce bloc. Une fibre optique est alors alignée puis fixée par rapport à la sortie de ce circuit. Pour ce faire, on peut par exemple utiliser un substrat comportant une rainure en V dans laquelle on fixe une extrémité de la fibre. En ce qui concerne la fabrication d'un dispositif de multiplexage conforme à l'invention, on précise qu'il est connu de fabriquer des guides d'ondes optiques plans de multiplexage, de type"M vers 1", sur des substrats en verre. Un contrôle au micromètre près des découpes de ces guides d'ondes permet de disposer de guides d'ondes de dimensions parfaitement contrôlées. L'empilement de N de ces guides d'ondes bord à bord permet de les aligner mécaniquement et de les fixer pour fabriquer un bloc de multiplexage de type"M x N vers N". On peut aussi fabriquer un autre bloc de mêmes dimensions extérieures, comportant un guide d'onde optique plan de type"N vers 1", puis aligner et fixer les deux blocs mécaniquement bord à bord pour obtenir un dispositif conforme à l'invention. On a déjà décrit, en faisant référence à la figure 2, un exemple d'application de l'invention au multiplexage en longueur d'onde. On considère maintenant un autre exemple d'application de l'invention à la fabrication d'un dispositif d'insertion-extraction. On sait qu'une fonction très importante dans le domaine des circuits optiques est la fonction d'insertion-extraction pour laquelle on pourra se reporter par exemple au document suivant : (3) M. Carlson, DWDM Technology, Fibre Systems Europe, Mars 2001, page 68. Il est facile de réaliser un circuit d'insertion-extraction entièrement "dynamique" (choix possible de la longueur d'onde à extraire et à insérer) à partir de la présente invention. Ceci est schématiquement illustré par la figure 3 où l'on voit un dispositif d'insertion-extraction conforme à l'invention. Ce dispositif comprend un circuit intégré de commande 36 destiné à traiter et à amplifier les divers signaux électriques engendrés dans le dispositif, une partie 38 de démultiplexage de signaux optiques et une partie 40 de multiplexage de signaux optiques. La partie de démultiplexage 38 comprend une fibre optique d'entrée qui transmet des signaux optiques 44 ayant différentes longueurs d'ondes kl, A2... An, un bloc de démultiplexage 46 et un circuit de détection multispectrale 48. Le bloc de démultiplexage 46 est optiquement couplé, d'un côté, à la fibre optique d'entrée 42 et, de l'autre côté, au circuit de détection multispectrale 48. Ce dernier est également relié électriquement au circuit intégré de commande 36 par l'intermédiaire de billes de brasure (en anglais"solder balls"). La partie de multiplexage 40 comprend une fibre optique de sortie 50 destinée à transmettre des signaux optiques 52 ayant les différentes longueurs d'ondes À1, À2... Àn, un bloc de multiplexage 54 et un circuit d'émission multispectrale 56. Le bloc de multiplexage 54 est optiquement couplé, d'un côté, à la fibre optique de sortie 52 et, de l'autre côté, au circuit d'émission multispectrale 56. Ce dernier est également électriquement relié au circuit intégré de commande 36 par l'intermédiaire de billes de brasure. Le bloc de démultiplexage 46 et le bloc de multiplexage 54 sont des dispositifs conformes à l'invention, qui sont constitués comme on l'a expliqué dans la description de la figure 2 et comprennent ainsi un assemblage de guides d'ondes optiques plans ayant, d'un côté, une voie d'entrée ou de sortie et, de l'autre côté, un ensemble de voies de sortie ou d'entrée. Plus précisément, le bloc de démultiplexage 46 comprend, d'un côté, une voie d'entrée qui est optiquement couplée à la fibre optique d'entrée 42 et, de l'autre côté, un ensemble de voies de sortie qui sont optiquement couplées aux photodétecteurs que comprend le circuit de détection multispectrale 48. Le bloc de multiplexage comprend, d'un côté, une voie de sortie qui est optiquement couplée à la fibre optique de sortie 50 et, de l'autre côté, un ensemble de voies d'entrée qui sont optiquement couplées aux photoémetteurs du circuit d'émission multispectrale 56. Ce circuit de détection multispectrale 48 comprend une matrice de photodétecteurs à cavités de longueurs d'ondes variables. A ce sujet, on consultera par exemple le document (2) déjà mentionné plus haut. Le signal composite d'entrée formé par l'ensemble des signaux 44, est décomposé en ses différentes longueurs d'ondes grâce au circuit 48 et l'on peut alors choisir le ou les signaux démodulés que l'on veut extraire, par exemple le signal 58 correspondant à la longueur d'onde À1. Les signaux électriques démodulés et amplifiés 60, que l'on veut conserver et qui correspondent aux longueurs d'ondes k2... Àn, sont envoyés, par l'intermédiaire du circuit intégré de commande 36, vers le circuit d'émission multispectrale 56. Le signal que l'on veut ajouter à la place du signal extrait est également envoyé (sous forme électrique) vers l'émetteur ayant la longueur d'onde choisie, il dans l'exemple considéré. On précise que le circuit d'émission multispectrale 56 comprend une matrice de photoémetteurs à cavités de longueurs d'ondes variables (voir aussi le document (2) déjà mentionné plus haut). Les signaux électriques démodulés et amplifiés que l'on veut conserver sont envoyés vers cette matrice d'émetteurs. Le signal optique recomposé est dirigé vers la fibre optique de sortie 50. Cette fibre 50 peut faire partie d'un réseau en anneau (en anglais"ring network") le long duquel on trouve d'autres dispositifs d'insertion-extraction. REVENDICATIONS 1. Dispositif de multiplexage d'une matrice de M x N canaux optiques, M et N étant des nombres entiers au moins égaux à 1, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend : - N guides d'ondes optiques plans (16), chacun de ces derniers étant apte à multiplexer M voies vers 1 voie, l'ensemble des N guides d'ondes étant ainsi apte à multiplexer M x N voies vers N premières voies, et - un guide d'onde optique plan complémentaire (24), apte à multiplexer N deuxièmes voies vers au moins une voie de couplage, ces N deuxièmes voies étant respectivement couplées optiquement aux N premières voies. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les N guides d'ondes optiques plans (16) sont juxtaposés, les N premières voies sont alignées et le guide d'onde optique plan complémentaire (24) est perpendiculaire aux N guides d'ondes optiques plans juxtaposés. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, comprenant en outre une matrice (12) de M x N émetteurs et/ou détecteurs de lumière (14,34) qui sont optiquement couplés aux M x N voies. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les M x N émetteurs et/ou détecteurs de lumière (14,34) comprennent des lasers. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les lasers (14,34) sont des lasers à cavité verticale et à émission par la surface. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel les longueurs d'ondes d'émission et/ou de détection des émetteurs et/ou détecteurs de lumière (14,34) sont différentes. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre au moins un guide d'onde optique souple (32) qui est optiquement couplé à la voie de couplage. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le guide d'onde optique souple est une fibre optique (32). 9. Dispositif de multiplexage en longueur d'onde comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Dispositif d'insertion-extraction comprenant : un dispositif d'entrée (38) destiné à recevoir des signaux optiques d'entrée (44) et comprenant un premier dispositif de multiplexage (46) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 ainsi qu'une matrice (48) de détecteurs de lumière qui sont optiquement couplés aux voies du premier dispositif de multiplexage (46), pour convertir les signaux optiques d'entrée en signaux électriques, en vue d'extraire de ces derniers au moins un signal électrique (58), et - un dispositif de sortie (40) comprenant un deuxième dispositif de multiplexage (54) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 ainsi qu'une matrice (56) d'émetteurs de lumière qui sont optiquement couplés aux voies du deuxième dispositif de multiplexage (54) pour convertir en signaux optiques de sortie les signaux électriques non extraits et insérer dans ces signaux optiques de sortie au moins un signal optique.