Brevet FR2849015A1 — publié le 20040625

MICROCOMMUTATEUR OPTIQUE Domaine technique L'invention se rattache au domaine de la microélectronique appliquée aux 5 télécommunications par voie optique Elle concerne plus précisément les composants optiques microélectroniques assurant des fonctions de commutation, communément appelés "switch" Parmi ces composants, on peut citer à titre principal les brasseurs optiques, également appelés "optical cross connect OXC", ainsi que les multiplexeurs à extraction/insertion, également appelés "add drop 10 multiplexer". L'invention vise plus spécifiquement une nouvelle architecture de ce type de composant, destinée à limiter les pertes d'insertion ainsi que le chemin optique, en réduisant le nombre de miroirs nécessaires. 15 Techniques antérieures De façon générale, un commutateur optique est relié à un ensemble d'entrées et de sorties optiques Un ensemble de miroirs mobiles, et plus généralement de structures réfléchissantes, est agencé en alignement avec les différentes entrées et 20 sorties optiques, de telle sorte que lorsque les miroirs sont déplacés de façon appropriée, n'importe quelle entrée optique peut être reliée à n'importe quelle des sorties optiques. De manière classique, ces différents miroirs sont agencés selon une 25 organisation de matrice, qui est carrée lorsque le nombre d'entrées est égal au nombre de sorties optiques Un exemple d'une telle matrice est décrit dans le document US 2002/0102045. Toutefois, ce type de structure matricielle présente des inconvénients, 30 notamment en termes de pertes d'insertion En effet, plus la taille de la matrice est importante, plus les chemins optiques que peuvent parcourir les rayons à l'intérieur de la matrice sont importants En outre, ces chemins optiques s'étagent dans une plage étendue Cette plage va d'une valeur très faible, correspondant au chemin pour relier l'entrée et la sortie les plus proches d'un coin de la matrice, jusqu'à une valeur la plus élevée correspondant sensiblement à deux fois la dimension de cette matrice. Un objectif de l'invention est de réduire le chemin optique au sein du commutateur, afin de réduire les pertes d'insertion. Un autre objectif de l'invention, en réduisant ce chemin optique, est de 10 réduire également la distance sur laquelle doit se déplacer le miroir passant à un état bloquant, et donc ainsi améliorer l'efficacité des actionneurs utilisés. L'importance du chemin optique le plus long au sein d'une matrice, est une conséquence du fait qu'il est nécessaire d'avoir un nombre suffisant de miroirs pour 15 permettre la combinaison de n'importe quelle entrée avec n'importe quelle sortie optique Ainsi, à titre d'exemple, pour une matrice permettant de combiner quatre entrées avec quatre sorties, un nombre de seize miroirs est nécessaire pour assurer les vingt-quatre combinaisons entre les quatre entrées optiques et les quatre sorties. Un autre objectif de l'invention est de réduire le nombre de miroirs pour parvenir à limiter le chemin optique parcouru par les différents faisceaux se propageant au sein du commutateur. Exposé de l'invention L'invention concemrne donc tout d'abord un microcommutateur optique, permettant de connecter indifféremment quatre entrées optiques avec quatre sorties optiques. Conformément à l'invention, ce microcommutateur comporte cinq miroirs 30 répartis en deux groupes Un premier groupe de quatre miroirs est agencé selon deux lignes et deux colonnes Ces miroirs sont disposés en regard de quatre entrées optiques, qui sont alignées chacune avec une ligne ou une colonne Ces miroirs sont également disposés en regard de deux des sorties optiques du microcommutateur, ainsi que de deux sorties optiques intermédiaires Ces différentes sorties, globales ou intermédiaires, sont alignées chacune avec une ligne ou une colonne, et sont dans l'alignement d'une des entrées optiques Le 5 microcommutateur comprend également un second groupe de miroirs, limité au cinquième miroir, qui joue un rôle de commutateur de brassage Les entrées de ce cinquième miroir sont formées par les deux sorties intermédiaires issues du groupe de quatre miroirs, et les sorties de ce commutateur de brassage sont formées par les deux sorties optiques restantes, qui ne sont pas connectées au groupe de quatre 10 miroirs. Autrement dit, l'invention consiste à ne plus utiliser de structure totalement matricielle, mais à construire un commutateur à partir de deux zones fonctionnant de manière complémentaire, et de structure différente Il est à noter que le nombre 15 de miroirs pour un commutateur 4 x 4 conformément à l'invention, s'élève à cinq, alors qu'il est de seize pour une matrice de commutateur 4 x 4 classique, comportant quatre lignes et quatre colonnes La réduction du nombre de miroirs se traduit donc inévitablement par une réduction du chemin optique des différents faisceaux se propageant au sein du commutateur, et donc une réduction des pertes optiques Il 20 est à noter également que le nombre de cinq miroirs pour un commutateur 4 x 4 correspond au nombre minimum pour permettre de réaliser les vingt quatre combinaisons d'entrée et de sortie, puisqu'il autorise donc trente-deux états différents. En pratique, les deux groupes de miroirs peuvent être installés soit sur le même substrat, soit de manière préférée, sur deux substrats différents Dans ce dernier cas, il est possible d'optimiser chacun des groupes, en utilisant des technologies identiques ou différentes. En pratique, les liaisons entre les différents groupes, c'est-à-dire la manière dont sont acheminées les sorties intermédiaires depuis le premier groupe de quatre miroirs jusqu'au cinquième miroir, peuvent s'effectuer soit par des miroirs fixes, soit de manière préférée par des guides d'ondes En effet, dans ce dernier cas, les pertes optiques pour la transmission entre deux groupes de miroirs sont très limitées, et il n'est donc pas nécessaire de disposer les deux groupes de miroirs avec le plus faible éloignement possible Cette solution est donc préconisée lorsque les deux groupes de miroirs sont réalisés sur des substrats différents. En revanche, lorsque les deux groupes de miroirs sont réalisés sur le même substrat, il peut être pratique de rediriger les sorties intermédiaires du premier groupe de quatre miroirs vers le cinquième miroir par l'intermédiaire d'un miroir 10 fixe, qui devra en revanche être orienté de manière relativement précise. On comprend aisément que ce principe peut être reproduit à une échelle supérieure, et transposé à un commutateur optique permettant de connecter 4 N entrées optiques avec 4 N sorties optiques. 15 Dans ce cas, le commutateur comporte cinq structures formant des commutateurs de taille inférieure, avec 2 N entrées et 2 N sorties Ces structures sont agencées de telle sorte qu'elles forment un groupe de quatre structures qui sont reliées à 4 N entrées optiques et à 2 N sorties optiques Ces quatre structures sont 20 interconnectées pour générer 2 N sorties intermédiaires Une cinquième structure de commutateur 2 N x 2 N est reliée à ces 2 N sorties intermédiaires, pour en assurer le brassage vis- à-vis des 2 N sorties optiques restantes. En pratique, cette architecture permet donc de réaliser des commutateurs 8 x 8 25 à partir de structures de commutateurs 4 x 4 telles que décrites ci-avant Un tel commutateur comporte donc 5 fois 5 miroirs, soit un nombre total de 25, à comparer avec un nombre de 64 miroirs pour un commutateur réalisé selon une matrice carrée de huit colonnes et huit lignes De même, pour un commutateur 16 x 16, le nombre de miroirs avec une construction conforme à l'invention est de 30 125, à comparer au nombre de 256 dans le cas d'une matrice conventionnelle. Description sommaire des figures La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien de la description des modes de réalisation qui suivent, à l'appui des figures annexées dans lesquelles: À la figure 1 est une vue schématique d'un commutateur 4 x 4 réalisé conformément à l'invention, avec des miroirs se déplaçant parallèlement au plan contenant les fibres optiques d'entrée et de sortie; * les figures 2 et 3 sont des schémas synoptiques de variantes de réalisation utilisant des miroirs se déplaçant perpendiculairement au plan des fibres optiques; 10 * la figure 4 est un schéma général illustrant la réalisation d'un commutateur sur deux puces distinctes; * les figures 5 et 6 sont des schémas synoptiques illustrant la généralisation de l'invention à des commutateurs 4 Nx 4 N. Manière de réaliser l'invention Le commutateur ( 1) 4 x 4 illustré à la figure 1 comporte quatre entrées optiques, illustrées par les flèches (Il, I 2, I 3 et I 4) Il comporte également quatre sorties optiques représentées par les flèches ( 01, 02, 03 et 04) Les quatre entrées Il, I 2, I 3, I 4 sont connectées à un ensemble de quatre miroirs (M 1, M 2, M 3, M 4) qui 20 sont disposés en deux lignes et deux colonnes définies par les entrées (Il à I 4) Dans la forme illustrée, chaque miroir comporte une zone réfléchissante ( 3) qui peut être déplacée selon sa direction principale par un actionneur ( 2) qui, à titre d'exemple, est un réseau de peigne interdigité Ainsi, la structure réfléchissante du miroir (M 4) peut être déplacée pour venir intercepter l'entrée ( 13) afin de la rediriger vers la 25 sortie (O 1) Dans le même temps, l'entrée (I 4) est alors dirigée vers la sortie ( 04). Lorsqu'au contraire, le miroir (M 4) est à l'état de repos, l'entrée (I 3) se propage librement jusqu'à la sortie ( 04), l'entrée ( 14) se propageant alors également et librement vers la sortie ( 01), ou plus précisément vers le miroir M 3 Le miroir M 4 agit donc comme un commutateur 2 x 2. Conformément à l'invention, le commutateur ( 1) comporte également un cinquième miroir (Ms), qui peut intercepter des faisceaux formant les sorties intermédiaires ( O '3) et ( O '4) du groupe des quatre miroirs (MI-M 4). Ces sorties intermédiaires sont réfléchies par deux miroirs fixes ( 7,8) Le miroir ( 5) agit donc également comme un commutateur 2 x 2 pour brasser les deux sorties intermédiaires ( O '2) et ( O '3) avec les sorties du commutateur ( 02) et ( 03). Une commande appropriée de chacun des miroirs (M 1-Ms) permet donc de relier chacune des sorties (Il-I 4) à n'importe quelle des sorties ( 0104). En pratique, les miroirs illustrés à la figure 1 peuvent être réalisés sur différents types de substrats, et notamment les substrats SOI. 10 Une variante de réalisation est illustrée à la figure 2, dans laquelle les miroirs (Mll,M 12,M 13,M 14,M 15) ne se déplacent pas parallèlement au plan défini par les fibres optiques, mais perpendiculairement à ce dernier De tels miroirs peuvent par exemple être réalisés selon la technique décrite par le Demandeur dans le 15 document WO 02/44781 Cette technologie permet notamment de réaliser l'alignement entre les fibres optiques et les faces des miroirs de manière très précise, pour des opérations de gravure chimique. Une autre variante est illustrée à la figure 3, dans laquelle les quatre miroirs 20 (M 21, M 22, M 23, M 24) présentent des orientations non pas convergentes comme dans la figure 2, mais parallèles, avec une répartition des différentes entrées et sorties différentes. Selon une autre caractéristique de l'invention, les différents groupes de 25 miroirs peuvent être réalisés sur des puces ou substrats différents, comme illustré schématiquement à la figure 4 Ainsi, les quatre miroirs associés aux quatre entrées (Il-I 4), sont rassemblés sur une première puce ( 10) réalisée selon une première technologie, c'est-à-dire par exemple sur un substrat SOI tel qu'illustré à la figure 1, ou bien encore avec les miroirs se déplaçant perpendiculairement entre les fibres 30 optiques comme illustré à la figure 2 Ce premier groupe de quatre miroirs est donc relié également à deux sorties ( 01,02) Il génère également deux sorties intermédiaires (O'2,O'3) qui sont reliées à une seconde puce ( 11) contenant un seul miroir, agissant donc comme un commutateur 2 x 2 Cette seconde puce peut être réalisée selon la même technologie ou une technologie différente de la première ( 10) La transmission de ces sorties intermédiaires ( O '2,0 '3) peut se faire avantageusement par des guides d'ondes, telles que des fibres optiques, dans 5 lesquels les pertes sont particulièrement réduites Cette connexion peut par exemple s'effectuer par des méthodes dites de "splicing" qui sont d'un cot réduit tout en procurant d'excellents résultats en termes de qualité. Ce mode de réalisation en deux puces distinctes tel qu'illustré à la figure 4, 10 présente l'avantage de ne pas impliquer de contraintes sur les alignements des miroirs des deux groupes En outre, le chemin optique parcouru par les différents faisceaux dans l'espace libre, c'est-à-dire à proximité du miroir, est relativement réduit, puisqu'il est limité aux zones de proximité directe du miroir Ces valeurs sont à comparer avec la somme des dimensions d'une matrice dans le cas d'un 15 commutateur classique. Comme déjà évoqué, le principe illustré par un commutateur 4 x 4 peut être généralisé à des commutateurs 4 Nx 4 N, comme illustré aux figures 5 et 6 Dans ce cas, 4 N entrées (I 1 N, I 2 N, I 3 N, 14 N) sont affectées à un premier groupe ( 15) de quatre 20 commutateurs ( 51-54), représentés chacun par un pavé illustrant un commutateur 2 Nx 2 N Ces différents commutateurs 2 Nx 2 N (SI-54) sont interconnectés entre eux. Ils sont également connectés à deux ensembles 2 N de sorties intermédiaires (O'2 N, Ot 3 N) du premier groupe ( 15) de commutateurs 2 Nx 2 N, qui sont acheminées à destination d'un cinquième commutateur 2 Nx 2 N ( 55), lui-même relié à 2 N sorties 25 (O 2 N, O 3 N) L'interconnexion des commutateurs 2 Nx 2 N (SI-Ss) entre eux peut être réalisée sous une forme différente que celle de la figure 5, commne par exemple illustrée à la figure 6. Cette même structure d'un commutateur 2 Nx 2 N peut être réalisée par la 30 même architecture à partir de cinq commutateurs Nx N, la même décomposition pouvant s'effectuer jusqu'à aboutir à des commutateurs 4 x 4, comme décrits ciavant. Bien entendu, les commutateurs conformes à l'invention sont symétriques, et les entrées et sorties optiques décrites ci-avant peuvent être inversées sans sortir du cadre de l'invention. Il ressort de ce qui précède que la nouvelle architecture de commutateur conforme à l'invention, permet de réduire très fortement le nombre de miroirs nécessaires par rapport à des structures matricielles conventionnelles Cette réduction du nombre de miroirs se traduit par une diminution du chemin optique 10 parcouru par les faisceaux se propageant au sein du commutateur, avec donc par conséquent, une diminution des pertes d'insertion Dans le cas o la décomposition du commutateur selon l'architecture de l'invention se fait sur deux puces ou substrats différents, on bénéficie en outre d'une égalisation du chemin optique dans l'espace libre qui est très avantageuse en ce qui concemrne les performances de 15 collimation nécessaire. REVENDICATIONS 1/ Microcommutateur optique, permettant de connecter 4 N entrées optiques 5 (I 1 N, I 2 N, I 3 N, I 4 N) avec 4 N sorties optiques (OIN, 02 N, 03 N, 04 N), caractérisé en ce qu'il comporte cinq structures formant des commutateurs optiques de brassage (SI, 52, 53, 54, 55) de 2 N entrées avec 2 N sorties, dans lesquels: * un groupe de quatre ( 51-54) de ces cinq structures sont reliées aux 4 N entrées optiques (IIN-I 4 N), et à 2 N sorties optiques (OIN,O 4 N), ces quatre 10 structures étant interconnectées pour générer 2 N sorties intermédiaires (O'2 N,O'3 N); la cinquième structure ( 55) est reliée à ces 2 N sorties intermédiaires (O'2 N,O'3 N) pour en assurer le brassage vis-à-vis des 2 N sorties optiques restantes (O 2 N,O 3 N). 2/ Microcommutateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le groupe de quatre structures (Sl-54) et la cinquième structure ( 55) sont réalisés sur le même substrat. 3/ Microcommutateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le groupe de quatre structures (Sl-54) et la cinquième structure ( 55) sont réalisés sur des substrats différents. 4/ Microcommutateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que 25 les sorties intermédiaires ( O '3, O'4) sont reliées à la cinquième structure ( 55) par un ensemble de miroirs fixes ( 7,8). 5/ Microcommutateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sorties intermédiaires sont reliées à la cinquième structure par des guides 30 d'ondes. 6/ Microcommutateur optique selon la revendication 1, dans lequel N est égal à 1, permettant de connecter quatre entrées optiques ( 11-I 4) avec quatre sorties optiques ( 01,04), caractérisé en ce qu'il comporte cinq miroirs (M 1-Ms) répartis en deux groupes, à savoir: un premier groupe de quatre miroirs (M 1-M 4) agencés selon deux lignes et deux colonnes, les quatre miroirs étant disposés: en regard de quatre entrées optiques (Il-I 4), chacune avec une ligne ou une colonne, et en regard de deux sorties optiques ( 01- 04), et de deux sorties optiques intermédiaires ( O '2,0 '3), également alignées chacune avec une ligne ou une colonne, et dans l'alignement d'une entrée optique 10 ( 11-I 4); * un cinquième miroir (M 5), jouant le rôle de commutateur, dont les entrées sont formées par les deux sorties intermédiaires ( O '2,0 '3), et dont les sorties sont les deux sorties optiques restantes ( 02,03).