FR2635198A1 - Dispositif de commutation de faisceaux lumineux integre - Google Patents

Abstract

Ce dispositif sert à commuter un faisceau incident de longueur d'onde lambdai se propageant dans un guide de lumière 6 selon une première direction, formant un angle thetai avec l'axe optique, vers une seconde direction formant un angle thetajavec ledit axe, et comprenant une optique d'entrée 18 pour collimater le faisceau incident, gravée dans le guide, une cellule acousto-optique 24 comportant des transducteurs piézo-électriques 28 susceptibles d'émettre des ondes acoustiques, des moyens de commande 27 pour appliquer aux transducteurs des signaux électriques dont la phase et la fréquence sont telles que lesdites ondes acoustiques interfèrent en une onde acoustique résultante orientée selon la bissectrice de l'angle formé entre les première et seconde directions et dont la longueur d'onde satisfait à la condition de Bragg pour thetai, thetaj et lambdai, une optique de sortie 30 pour focaliser le faisceau lumineux commuté, gravée dans le guide.

Description

DISPOSITIF DE COMMUTATION DE FAISCEAUX LUMINEUX INTEGRE
DESCRIPTION
L'invention se rapporte à un dispositif de commutation multivoies de faisceaux lumineux, réalise en optique integrée. Elle trouve une application notamment dans te domaine des traitements de signaux radars en temps réel, par exemple dans des corréLa- teurs, analyseurs de spectre ou interféromètres, dans le domaine des télécommunications par voie optique, dans le domaine des capteurs à fibres optiques, etc...

De façon générale, L'invention s'applique à tout système qui nécessite de relier M points lumineux d'entree à N points de sortie. En particulier, le dispositif de l'invention peut servir à amener la lumière fournie par des sources lumineuses telles que des diodes lasers ou électroluminescentes vers des barrettes de detecteurs optiques du type photodiode. De même, le dispositif de l'invention peut assurer le transfert d'un signal lumineux transporte par une quelconque fibre optique d'un ensemble de fibres optiques, notamment monomode, vers n'importe quel le fibre d'un autre ensemble de fibres.IL permet aussi Le transfert d'un signal lumineux de longueur d'onde déterminée, choisi parmi M signaux de longueurs d'onde differentes, transportes par une meme fibre d'entrée, vers n'importe quelle fibre de sortie d'un ensemble de fibres ; il joue alors le rôle de demultiplexeur dynamique.

Les dispositifs de commutation actuellement connus en optique intégrée utilisent des aiguillages successifs, convenablement associés, constitués de microguides. Le transfert de La Lumière d'un microguide à un autre est assuré par interaction du signal lumineux à commuter avec un champ électrique engendré par des électrodes placées en regard des microguides.

De tels aiguillages sont en particulier décrits dans l'article Electronics Letters de Juillet 1986, vol. 22, nO 15, de P. Granestrand et al. "Strictly non blocking 8x8 integrated optical switch matrix", p. 816-818 et dans l'article de G.A. Bogert et al.

"Low crosstalk 4x4 TiLiNbO3 optical switch with permanently attached polarization maintaining fiber array",
Journal of Lightwave Technology, vol. LT-4, nO 10 d'octobre 1986, p. 1542-1545.

Ces dispositifs ont l'avantage d'utiliser des puissances électriques de commande relativement faibles. En revanche, ils ne peuvent être réalisés que sur des matériaux ayant des propriétés électrooptiques telles que LiNbO3. En particulier, les matériaux amorphes du type verre ou silice ou encore le silicium ne peuvent être utilisés. Par ailleurs, du fait de l'agencement en cascade des différents microguides, toutes les combinaisons pour transmettre un signal lumineux d'un microguide à un autre ne sont pas équivalentes. Par ailleurs, la complexité de ces dispositifs augmente avec le nombre de signaux lumineux d'entrée et le nombre de sorties possibles pour ces mêmes signaux.

L'invention a justement pour objet un dispositif de commutation de faisceaux lumineux réalisés en optique intégrée permettant de remédier aux inconvénients ci-dessus. En particulier, toutes les combinaisons de transfert de signaux lumineux sont équivalentes et la complexité de ce dispositif ne croit pas avec Le nombre de voies possibles. En outre, la réalisation technique du dispositif est beaucoup plus simple que celle de l'art antérieur, entraînant une reproductibilité du dispositif de l'invention supérieure à celle des dispositifs connus.

L'élément essentiel de l'invention est l'uti lisation d'une cellule acoustooptique pour assurer la commutation d'un signal lumineux d'une voie optique determinee vers une autre voie. L'emploi d'une telle cellule permet l'utilisation, comme matériau de base pour le transport des signaux lumineux, n'importe quel type de matériau et en particulier du verre, de la silice, du niobate de lithium, du silicium, des composés III-V, etc...

Les cellules acoustooptiques sont certes connues comme le montre t'article IEEE Spectrum de
Décembre 1978 de Dean B. Anderson "Integrated optical spectrum analyser : an imminent chip", p. 22-29.

Toutefois, personne n'a encore songé à utiliser une cellule acoustooptique pour la commutation de signaux lumineux en optique intégrée.

L'invention a justement pour objet un dispositif de commutation multivoies en optique intégrée comportant un axe optique et un guide de lumière d'indice effectif n, ce dispositif étant destiné à commuter un faisceau lumineux incident i se propageant dans le guide de lumière selon une premiere direction, formant un angle Bi avec l'axe optique vers une seconde direction j formant un angle ej avec ledit axe, le faisceau i etant choisi parmi M faisceaux incidents et ayant une longueur d'onde déterminée Ai, avec 1 < i < M et la seconde direction j étant choisie parmi N directions, avec 1 4 j < N, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre ::
- une optique d'entrée achromatique pour collimater le faisceau incident, gravée dans le guide de lumière,
- une cellule acousto-optique comportant au moins un réseau de transducteurs piézo-électriques susceptibles d'émettre des ondes acoustiques)
- des moyens de commande pour appliquer aux transducteurs des signaux électriques dont la phase et la fréquence sont telles que Lesdites ondes acoustiques interfèrent en une onde acoustique résul- tante orientée selon la bissectrice de l'angle formé entre les première et seconde directions et dont la longueur d'onde satisfait à la condition de Bragg pour ei, Bj et Xi, afin de devier uniquem-ent le faisceau incident selon la seconde direction,
- une optique de sortie achromatique pour focaliser le faisceau lumineux dévié, gravée dans le guide de Lumière, et en ce que le dispositif est réversible.

On entend par indice effectif n du guide de lumière Cou guide optique) l'indice effectif du mode propre (ou mode guidé) transporté par ce guide de lumière, dans le cas d'un guide de Lumière monomode.

Le dispositif selon l'invention est réversible, c'est-à-dire que les optiques d'entrée et de sortie peuvent jouer respectivement le rôle d'optiques de sortie et d'entrée.

Les optiques d'entrée et de sortie sont avantageusement des miroirs paraboliques bien que d'autres systèmes tels que des lentilles convergentes peuvent être utilisées.

De préférence, le dispositif de L'invention comprend des microguides d'entrée et des microguides de sortie, situés respectivement en amont et en aval des optiques d'entrée et de sortie. Le nombre de microguides d'entrée est égal au nombre de signaux à commuter, le iième microguide d'entrée véhiculant le iiéme signal et le nombre de microguides de sortie est égal au nombre de voies de sortie, le jième ticro- guide de sortie véhiculant le jième faisceau commuté.

Les microguides, dans le cas de la commutation d'un signal lumineux i transporté par une fibre optique vers une autre fibre optique, ont une structure tres voisine de celles des fibres optiques d'entree et de sortie respectivement et permettent d'assurer un bon couplage entre ces fibres et le dispositif de L'invention.

En outre, les microguides d'entrée permettent d'obtenir en sortie des points sources que l'on peut si tuer très précisement au foyer objet de l'optique d'entrée. De même, les microguides de sortie permettent d'obtenir des points sources à leur entrée que l'on peut situer facilement au foyer image de l'optique de sortie.

Ces microguides facilitent la réalisation du dispositif selon L'invention, car leur absence nécessite de placer respectivement les foyers objet et image de l'optique d'entrée et de sortie selon un plan de clivage ou de cassure ou encore un plan obtenu par polissage du ou des matériaux dans lesquels est réalisé le guide de lumière. La découpe ou le clivage des matériaux géneralement utilises est obtenue à + t micromètre de precision.

De façon avantageuse, les microguides sont disposés en éventail. Les microguides d'entrée permettent ainsi de rapprocher les faisceaux incidents à commuter et les microguides de sortie permettent d'éloigner les faisceaux commutés. En effet, les fibres optiques d'entrée et de sortie ont généralement un diamètre extérieur relativement grand (supérieur à 125 um alors que La largeur des microguides est inférieure à environ 10 zm) ; or, L'absence de microguides d'entrée et de sortie entrainerait l'utilisation d'optiques d'entrée et de sortie de grande distance focale, ce qui augmenterait la taille du dispositif.

En général, les microguides ont une largeur constante sur toute leur longueur, mais bien entendu, cette largeur peut varier (en diminuant pour les microguides d'entrée et en augmentant pour les microguides de sortie) afin de diminuer la dimension des points sources objet et/ou image.

De façon générale, un guide de lumière est constitué d'une couche guidante intercalée entre un substrat supérieur et un substrat inférieur dont les indices de réfraction sont inférieurs à celui de la couche guidante.

Le dispositif de ltinvention s'applique à tout type de guide de lumière. En particulier, il peut être utilisé avec un substrat en LiNbO3 dans lequeL la couche guidante est obtenue par diffusion de titane ou échange de protons, avec du verre, la couche guidante étant alors obtenue par échange d'ions de Ag, Cs ou TI, avec du silicium, le guide de lumière étant alors obtenu par des dépôts chimiques en phase vapeur et avec des composants III-V, Le guide de lumiè- re étant obtenu par des techniques d'épitaxie.

De façon avantageuse, le guide de lumière comprend dans l'ordre, sur un substrat en silicium, une première couche d'oxyde de silicium non dopé, une seconde couche en un matériau choisi parmi l'oxyde de silicium dopé, le nitrure de silicium et L'oxynitrure de silicium SiOxNy avec O < x < 2 et O < y < 4/3, une troisième couche d'oxyde de silicium non dopé, le dopage du matériau de la seconde couche étant teL que l'indice de réfraction de cette seconde couche est supérieur à celui des première et troisième couches.

Eventuellement, la première et/ou la troisie- me couches d'oxyde de silicium peuvent être dopées avec des éléments abaissant Leur indice de réfraction tel que le bore ou le fluor.

Le dopage de la seconde couche (ou couche guidante) en oxyde de silicium est réalisé avec du phosphore, du germanium, du titane, le dopant representant 1 à 10X en poids du matériau.

L'intérêt d'utiliser des structures du type
Si/SiO2/Si3N4/SiO2 ou Si/SiO2/Si02 dopé/5i02 est Lie à la grande maîtrise technologique de ces materiaux et en particulier à leur gravure bien maitrisee, ce qui permet d'obtenir des composants optiques parfaitement bien définis et ayant d'excellentes qualités optiques.

Selon un mode préféré de réalisation du dispositif de L'invention, la cellule acousto-optique comporte une couche piézo-électrique disposée au-dessus ou à proximité de l'axe optique et revêtue de pre- mières et secondes électrodes destinées à être portées à des potentiels différents, chaque première électrode comportant des premiers doigts conducteurs parallèles entre eux et chaque seconde électrode comportant des seconds doigts conducteurs parallèles entre eux, les premiers et seconds doigts étant alternés, chaque couple de première et seconde électrodes correspondant à un transducteur.

Dans le cas d'un guide de lumière constitue de matériaux non piézoélectriques ou faiblement piézoélectriques, la couche piézo-électrique peut être en ZnO, CdS, ALN ou encore en des polymères halogénés ayant subi un traitement d'orientation des dipôles comme le polyvinyle perfluoré (PVF2), disposee au-dessus ou à proximité de l'axe optique.

Dans Le cas d'un guide de lumière constitué par au moins un matériau fortement piézoélectrique (LiNbO3 par exemple), La couche piézoélectrïque est alors formée par ce matériau et les électrodes sont disposées directement sur Le guide de lumière à proximite de l'axe optique (pour que Les électrodes n'absor bent pas la lumière guidée) ou sur l'axe optique par l'intermédiaire d'une couche tampon diélectrique (SiO2 par exemple). Les électrodes peuvent être réalisées en n'importe quel type de matériau conducteur, par exemple en cuivre, en or ou en alliage de chrome et d'or, en alliage de titane et d'or, en aluminium, etc.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels
- la figure 1 représente schématiquement un dispositif de commutation conforme à L'invention,
- la figure 2 représente de façon détaillée un microguide d'entrée ou de sortie utilisé dans le dispositif selon L'invention,
- la figure 3 represente de façon détaillée les optiques d'entrée et de sortie du dispositif de la figure 1,
- la figure 4 représente schématiquement, en perspective, un premier mode de réalisation de la celluLe acousto-optique du dispositif selon L'in- invention,
- la figure 5 représente schématiquement un second mode de réalisation de la cellule acoustooptique du dispositif selon l'invention,
- la figure 6 illustre le principe de fonctionnement de la cellule du dispositif de La figure 1,
- la figure 7 représente schématiquement l'électronique de commande de La cellule acousto-optique utilisée dans Le dispositif de La figure 1, et
- la figure 8 représente une variante de réalisation de la cellule acousto-optique de La figure 4.

La description qui va suivre en référence aux figures 1 à 8 est relative à un dispositif de commutation servant à commuter M faisceaux incidents ou d'entrée de même longueur d'onde Ai vers-N direc t ions.

Sur la figure 1, les M faisceaux d'entrée à commuter sont transportés par des premières fibres optiques monomodes 2, par exemple en silice et sortent du dispositif selon l'invention par des fibres optiques monomodes 4, aussi en silice.

Le dispositif selon l'invention comprend, comme représenté sur la figure 1, un guide de lumiere 6 d'indice effectif n, realisé sur un substrat 8 par exemple en silicium monocristallin présentant des faces d'entrée E et de sortie S rigoureusement paral lèles, obtenues par clivage.

Le guide de Lumière est constitué de trois couches superposées respectivement 10, 12 et 14, la couche 12, intercalée entre les couches 10 et 14 constituant la couche guidant. Cette dernière présente un indice de réfraction supérieur à celui des couches 10 et 14 et est réalisée en oxyde de silicium dopé avec du phosphore à 1 à 10X en poids, en oxynitrure ou nitrure de silicium. Les couches inférieure 10 et supérieure 14.sont en oxyde de silicium en général non dopé.

Les couches 10 et 14 présentent pour une même longueur d'onde d'environ 800 nm, un indice de réfraction de 1,45, une couche 12 en oxyde de silicium dope, un indice de 1,46 et une couche 12 en Si3N4, un indice de réfraction de 2 environ. La couche 10 a une epaisseur allant de 1 à 12 um, La couche 12 une épaisseur allant de 4 à 10 pm et la couche 14 une épaisseur alLant de 1 à 10 pm typiquement suivant Les longueurs d'ondes utilisées et le type de fibres optiques mises en oeuvre.

Le dispositif de commutation comprend à son entrée E des microguides d'entree 16i avec i allant de 1 à M. Ces microguides 16i ont une structure très voisine de celle constituant les fibres 2 et sont en nombre égal à ces fibres. Ces microguides 16i sont courbes et disposés en éventail de façon à rapprocher les faisceaux i à collimater. A chaque faisceau i correspond un microguide 16i.

L'extrémité 17 des microguides d'entrée est située au foyer objet d'une optique d'entrée 18 achromatique, formé dans -le guide de lumière 6, tel qu'un miroir parabolique assurant la collimation des faisceaux inGidents i.

Le faisceau de lumière parallèle 20 issu du miroir parabolique 18 est oriente parallèlement à l'axe optique 22 du dispositif de commutation.

Une cellule acousto-optique 24 susceptible d'émettre une onde acoustique conduisant à une déviation des faisceaux incidents i est placée à proximité de l'axe optique 22.

Cette cellule se compose d'un ou plusieurs réseaux 26 de transducteurs 28 commandés par un circuit électronique externe de commande 27 (un seul réseau représente sur la figure 1).

Une optique de sortie 30 formée dans le guide de lumière 6 et constituée par un miroir parabolique assure la focalisation des faisceaux Lumineux i déviés (c'est-à-dire commutés) selon une direction j vers des microguides de sortie 32j. L'entrée 29 des microguides de sortie est placée dans le plan focal image de L'optique 30.

Ces microguides ont aussi La forme d'eventails et sont courbes. Ils permettent d'écarter Les uns des autres les faisceaux lumineux commutés. A chaque microguide- de sortie correspond un faisceau lumineux commuté. Ces microguides de sortie 32j ont une structure voisine de celle des fibres optiques de sortie 4 et leur nombre est égal au nombre de fibres optiques de sortie 4.

La couche d'oxyde 10 est obtenue par exemple par oxydation thermique du substrat suivie d'un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) afin d'obtenir une couche de silice de bonne qualite optique. La couche 12 en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium est en particulier obtenue par dépôt CVD assisté plasma ou basse pression. De même, la couche supérieure 14 d'oxyde est réalisée par dépôt chimique assisté plasma (LPCVD).

Les microguides d'entrée et de sortie 16i et 32j, comme représenté sur la figure 2, sont réalisés de façon à modifier Localement la valeur de l'indice effectif du guide optique 6. En particulier, ces microguides sont formes en pratiquant des ouvertures 38 dans la couche 12, la siLice dopée ou le nitrure de silicium 12a restant entre deux ouvertures 38 constituant Le coeur d'un microguide.

Les ouvertures 38 sont réalisées par exemple par une gravure ionique réactive avec un plasma de
CHF3 ou CF4. Cette gravure est effectuée sur tout ou partie de L'épaisseur de la couche 12 et avant de déposer la couche supérieure 14 par CVD. Cependant, si la couche guidante 12 est d'indice suffisamment élevé (cas du Si3N4), les microguides peuvent n'etre formés que par gravure partielle ou totale de la couche superieure de silice 14.

Les miroirs 18 et 30 sont obtenus, comme représenté sur La figure 3, par exemple par une gravure complete du guide de Lumière 6, jusqu'au substrat 8. Ces gravures des différentes couches sont du type ionique réactive utilisant du CF4, du CHF3, ou du
SF6 afin d'obtenir des flancs gravés 39 parfaitement anisotropes.

Afin d'améliorer les caractéristiques de réflexion des miroirs 18, 30, il est possible de recouvrir Leurs flancs 39 d'une couche métallique 41 hautement réfléchissante, par exemple en or ou en aluminium de quelques 10 nm d'épaisseur.

La cellule acousto-optique 24 peut être, comme représenté sur la figure 4, constituée d'une couche piézo-électrique 40 en ZnO de 1 à 10 um d'épaisseur (suivant la fréquence centrale utilisée) déposée par pulvérisation cathodique sur la couche supérieure 14 du guide aussi bien sur l'axe optique 22 passant par les miroirs 18 et 30 qu'à proximité de cet axe. Sur cette couche 40, sont deposées deux series d'électrodes, une première série 42 et une seconde série 44 portées à des potentiels différents.

les électrodes 42 sont par exemple connectées à la masse et les électrodes 44 à un potentiel positif par rapport à la masse; Chaque électrode 42 est associée à une électrode 44 pour former un transducteur 28. Par ailleurs, Les transducteurs sont regroupés en réseau.

Les électrodes 42 comportent des doigts conducteurs 46 parallèles entre eux et les eLectrqdes 44 des doigts conducteurs 48 parallèles entre eux.

Les couples d'électrodes 42, 44 sont agencés de façon à ce que les doigts 46 de ltelectrode 42 soient alternés avec les doigts 48 de L'électrode 44 correspondante.

Les électrodes 42 et 44 sont formées d'un dépôt conducteur en particulier en un alliage de chrome ou de titane et d'or de quelques 10 nm déposé par pulverisation cathodique ou évaporation puis gravé à travers un masque approprié.

PLutôt que de déposer la couche piézo-electrique 40 sur la couche 14 du guide optique, il est possible, comme représente sur La figure 5, de deposer la couche piézo-électrique 40a à cheval sur deux couches, tels que Les couches 14 et 8 de façon à modifier favorablement la creation des ondes acoustiques par la couche 40a. Pour cela, le guide de lumiere est prealablement gravé suivant une direction pratiquement parallèle à l'axe optique.

Le principe mis en oeuvre dans l'invention est représente sur la figure 6. Soit le faisceau incident i arrivant sur le miroir de collimation 18 selon un angle ei par rapport à l'axe optique 22 du dispositif de commutation et j la direction selon laquelle l'on souhaite commuter ce faisceau i ; L'angle de la direction j par rapport à l'axe optique 22 est note j.

Pour que le faisceau incident i soit commuté dans la direction j, il faut que l'onde acoustique emise par la cellule acousto-optique 24 soit orientée selon la bissectrice OX de l'angle a formé entre
La direction i et la direction j. En outre, il faut que la longueur d'onde acoustique A de l'onde engendre par La cellule corresponde au regime de Bragg et satisfasse donc à l'équation 2Axsine=i/n où Ài est la longueur d'onde dans Le vide du faisceau i à commuter, n l'indice effectif du mode guidé, et e (ei + ei > /2.

Les angles ei et ej sont fixes et déterminés par la structure du dispositif de commutation. De même, La cellule acousto-optique 24 est fixe. Aussi, pour assurer la commutation d'un faisceau i quelconque vers une direction j quelconque, il faut pouvoir modifier la longueur d'onde acoustique délivrée par la cellule ainsi que la direction de propagation de cette onde.

A cet effet, une électronique de commande telle que représentee sur la figure 7, doit être as sociée à la cellule. Cette électronique doit pouvoir commander chaque réseau 26 de transducteurs 28 de façon à ce qu'ils délivrent tous une onde acoustique de meme fréquence mais déphasée de sorte que les différentes ondes acoustiques délivrées par les transducteurs 28 interfèrent pour produire une onde acoustique résultante dont la direction est fixée par les conditions d'interférences constructives des ondes acoustiques issues des différents transducteurs.

La fréquence du signal électrique appliquée aux transducteurs piézo-électriques 28 permet de fixer la longueur d'onde A de l'onde acoustique susceptible de faire dévier le faisceau incident i et le déphasage appliqué entre les transducteurs permet de fixer La direction de l'onde acoustique assurant la deviation du faisceau i.

Aussi, à chaque faisceau incident i déterminé commuté selon une direction j déterminée, correspond une fréquence d'excitation des transducteurs notée
Fij et un déphasage Pij appliqué entre deux transducteurs consécutifs d'un même réseau.

Les inventeurs ont trouvé que pour des tais- ceaux incidents de même longueur d'onde notée So, et pour une configuration symétrique en entrée et en sortie, la fréquence d'adressage Fij d'un couple de points ij satisfaisait à la relations

et que le déphasage Pij appliqué entre deux transduc teurs consécutifs satisfaisait à la relation

Les formules 1 et 2 ont été établies pour des microguides d'entree et de sortie de forme et de dimensions identiques, des miroirs 18 et 30 identiques, et des faisceaux incidents de même longueur d'onde Ao en vue d'une simplification des calculs et d'une fabrication simplifiée du dispositif selon l'invention.

Toutefois, la détermination des formules générales pour des microguides, des miroirs et des longueurs d'ondes différentes est à la portée de l'homme de l'art en déterminant les conditions d'interférences constructives des ondes acoustiques délivrées par les transducteurs ainsi que les conditions de
Bragg.

Dans les formules 1 et 2, v représente la vitesse de l'onde acoustique resultante dans la structure multicouches (autrement dit : dans le substrat, le guide de lumière et la couche piézoélectrique lorsque celle-ci est sur l'axe optique); n est l'indice effectif du guide de lumière ; et d est la distance separant les axes de deux transducteurs consécutifs d'un même reseau (figure 7).

Par ailleurs, on peut écrire ei et ej en faisant intervenir Les numéros i et j des microguides considérés :
ei = eim + (i-1)e' = = ejm + eim et ejm étant les angles d'entree et de sortie minimum par rapport à l'axe optique (eim+Ojm=Om),
Oim étant égale à ejn dans le cas de la configuration symétrique considérée ci-dessus. On peut alors écrire les formules 1 et 2 de La façon suivante

avec O-' = I/F défini ci-aprés dans l'exemple.

Le circuit de commande, tel que representé sur la figure 7, comporte un générateur radiofrequence 52 auxquelles sont connectées les électrodes 44 des transducteurs 28, via des circuits déphaseurs 54 du type ligne à retard dont on peut commander le retard grâce à un calculateur 56 connecté à chaque dephaseur ; le déphasage appliqué entre deux déphaseurs consécutifs est Pij. Ce calculateur 56 permet en outre de commander le générateur radiofréquence 52 pour appliquer la bonne frequence Fij.

Afin de diviser la puissance électrique, fournie par le générateur 52 pour alimenter chaque électrode 44, un diviseur de puissance 58 peut être intercalé entre le générateur 52 et les déphaseurs 54.

Le déphasage électrique Pij appliqué entre deux transducteurs consécutifs est fonction des angles
ei et Ej et dépend donc de l'orientation du faisceau incident i à commuter et de sa direction de commutation j. Jusqu'à prévent, on a jamais utilisé de déphasage électrique variable entre deux transducteurs piézoélectrique d'une cellule acousto-optique. Aussi, l'idée d'utiliser un déphasage électriquement contrôlable pour assurer à l'onde acoustique une orientation OX permettant son interaction avec le faisceau à commuter est originale.

On donne ci-après un exemple de réalisation de la cellule de Bragg (ou cellule acousto-optique) utilisable dans l'invention.

EXEMPLE
Pour un grossissement de 1 du système optique formé par les deux miroirs 18 et 30, l'excursion angulaire ou la variation angulaire axe de l'onde acoustique, c'est-à-dire de la direction OX doit être égale à (N+M-2)e' où où se ##' représente la distance
I séparant deux microguides d'entrée 16i, 16i+1 à la sortie 17 (respectivement deux microguides de sortie 32j, 32j+1 à l'entrée 29) divisée par la distance focale F des miroirs, c'est-à-dire AX'=l/F.

La valeur de at détermine la bande passante de chaque transducteur 28 et donc la sélectivité du dispositif de l'invention. Par exemple, ##' vaut 1 mradian et par conséquent, l'excursion angulaire ## de l'onde acoustique vaut 18.10'3 (18.##') pour et et IJ égaux à 10.

La bande passante de chaque élément pié2o-électrique 28 doit satisfaire à La relation #f=##xn.v/#o. Pour n l'indice effectif du mode guidé, valant 1,45, ce qui correspond à une couche 12, en
SiO2 dopé et des couches 10 et 14 en SiO2 non dopé, pour Ao égale 1,3 am, longueur d'onde généralement utilisée dans les télécommunications et v = 3000 m/s,
#f égale environ 60 nHz.

Or, le nombre de paires de doigts 42 et 44 des transducteurs pi6zo-électriques 28 fixe la bande passante de chaque transducteur. Plus il y a de doigts plus la bande passante acoustique est faible ; le nombre de doigts dépend du matériau piézo-électrique utilise. Le nombre ae paires ce doigts optimal (on note P le nombre de paires de doigts) qui correspond au meilleur compromis entre l'efficacité de conversion énergie électrique-énergie acoustique et la bande passante, est inversement proportionnel au coefficient électromécanique k du matériau piézo-électrique.

Dans le cas du ZnO, ce coefficient electromé- canique k peut être rendu voisin de 0,1. Ce qui correspond alors à un nombre P égal à 10.

Pour optimiser le dispositif selon l'invention, la fréquence centrale d'excitation fc à choisir pour la cellule acousto-optique est fc=Ef/k.

Dans l'exemple considéré, fc est donc voisin de 600 MHz.

Pour qu'un réseau 26 de transducteurs puisse engendrer efficacement une onde acoustique dans l'excursion angulaire AS il faut que chaque transducteur pris isolément ait une largeur a (voir figure 7) qui soit inférieure à v/fc.A5 (condition de diffraction de l'onde acoustique par chaque transducteur individuel) qui correspond à une largeur angulaire de l'onde acoustique emise par ce transducteur égale à A/a, avec A la longueur d'onde acoustique voisine de v/fc ; cette largeur angulaire devant être superieure ou égale à. l'excursion anguleire AO, a est pris par exemple égale à vX3fc.AO ; dans L'exemple considéré a est de l'ordre de 93 pm.

Il faut en outre que pour un réseau de transducteurs la largeur angulaire de l'onde acoustique résultante (égale à A/Td) sot plus petite que l'angle ##', c'est-à-dire que AJTd < e', T étant le nombre de transducteurs par réseau et d la distance separant les axes de deux transducteurs consécutifs. En prenant d voisin dea, on a alors T > v/(fc.d.##) ou encore
T > 3(M+N-2) avec la valeur de a précédente.

Aussi, pour N+M=20, le nombre de transducteurs T piézo-électriques est égal à 60 ce qui est bien supérieur à v/fcxdxt6' qui est égal à 33 dans le cas présent pour d=0,1 mm.

Pour une fréquence centrale d'excitation 1c de la cellule acousto-optique de 600 MHz et une bande passante Af de 60 MHz pour chaque transducteur, la fréquence minimale (qui correspond à v.n/RO.Om de L'onde acoustique est de 570 MHz et la fréquence maximale de 630 MHz. Ceci correspond à un e minimum de 9,620 et un e maximum de 10,65 . En prenant la distance d egale à 0,1 mm on trouve un incrément de déphasage dPij pour l'onde acoustique voisin de n/50. L'incrément de déphasage bPij est le déphasage minimum réalisable, applique à un transducteur donné pour obtenir deux commutations distinctes.

Aussi, à 600 MHz un déphasage de 2s correspond à un retard de 1,66 ns ; te retard minimum applicable entre deux transducteurs voisins est donc de 16,6 ps et le retard maximum 9 fois le retard minimum soit environ 150 ps.

Dans Les conditions ci-dessus, avec en plus une distance focale de 2 cm, un I de 20 nm, un nombre de paires de doigts de 10, la frequence de commande Fij en MHz et le déphasage Pij sont don'nés par Les équations :
Fij = 570 + (i+j-2) x 3,3
Pij = * x 0,33.I010xFij(i-j?.

La description précédente ne concernait qu'un seul réseau de transducteurs ; l'utilisation de R réseaux de transducteurs, avec R > 1, permet de multiplier par R la bande passante ou excursion angulaire de la cellule et donc de travailler à des frequences centrales fc R fois plus petites.

Ces réseaux de transducteurs peuvent être comme représenté sur la figure 8, en nombre paire (R=6) et disposés symétriquement par rapport à l'axe 22.

Afin d'éviter que l'onde acoustique émise par un transducteur d'un premier réseau 261 n'interagisse avec celle émise par un transducteur d'un second réseau 262 ayant une bande passante proche de l'onde acoustique du transducteur du premier réseau, on dispose ces premier et second réseaux de part et d'autre de l'axe 22. De même, si les transducteurs du second réseau ont une bande passante qui est la plus proche de celle des transducteurs d'un troisième réseau, on dispose le troisième réseau du même côté de l'axe optique 22 que le premier réseau et ainsi de suite.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de commutation multivoies en optique intégrée comportant un axe optique (22) et un guide de lumière (6) d'indice effectif n, ce dispositif étant destiné à commuter un faisceau lumineux incident i se propageant dans le guide de lumiere selon une première direction, formant un angle ei avec L'axe optique, vers une seconde direction j formant un angle 8j avec ledit axe, le faisceau i étant choisi parmi M faisceaux incidents et ayant une longueur d'onde déterminée rai, avec 1 i M et la seconde direction j étant choisie parmi N directions, avec 1 < j < N, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre

- une optique d'entrée (18) achromatique pour collimater le faisceau incident i, gravée dans le guide de lumiere (6),

- une cellule acousto-optique (24) comportant au moins un réseau (26) de transducteurs piezo-électriques (28) susceptibles d'émettre des ondes acoustiques,

- des moyens de commande (27) pour appliquer aux transducteurs (28) des signaux électriques dont la phase (Pij) et la frequence (Fij) sont telles que lesdites ondes acoustiques interfèrent en une onde acoustique résultante orientée selon la bissectrice de l'angle formé entre les premiere et seconde directions et dont la longueur d'onde satisfait à la condition de Bragg pour ei, ej et Ài, afin de dévier uniquement le faisceau incident selon la seconde direction,

- une optique de sortie achromatique (30) pour focaliser te faisceau lumineux devié, gravée dans le guide de Lumière (6), et en ce que le dispositif est réversible.

2. Dispositif de commutation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'optique d'entrée (18) est un miroir parabolique.

3. Dispositif de commutation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'optique de sortie (30) est un miroir parabolique.

4. Dispositif de commutation selon l'une quelconque des revendications 1-3, caractérisé en ce qu'il comprend M microguides d'entrée, le fière microguide d'entrée véhiculant Le iième faisceau inci dent.

5. Dispositif de commutation selon l'une quelconque des revendications 1-4, caractérisé en ce qu'il comprend N microguides de sortie, le jième microguide de sortie véhiculant le pièze faisceau sortant.

6. Dispositif de commutation selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les microguides sont disposés en éventail.

7. Dispositif de commutation selon L'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le guide de lumière (6) comprend dans l'ordre, sur un substrat en silicium (8), une première couche (10) d'oxyde de silicium non dopé, une seconde couche (12) en un matériau choisi parmi L'oxyde de silicium dopé, Le nitrure de silicium et L'oxynitrure de silice cium, une troisième couche (14) d'oxyde de silicium non dopé, le dopage du matériau de la seconde couche étant tel que son indice de réfraction est supérieur à celui des première et troisième couches.

8. Dispositif de commutation selon L'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la cellule acousto-optique (24) comporte un nombre paire de réseaux de transducteurs, disposés en quantité égale de part et d'autre de l'axe optique.

9. Dispositif de commutation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la cellule acousto-optique (24) comporte une couche piézo-électrique (40) disposée au-dessus ou à proximité de L'axe optique (22) et revetue de premières (42) et secondes (44) électrodes destinées à etre portées à des potentiels différents, chaque première électrode (42) comportant des premiers doigts conducteurs (46) parallèles entre eux et chaque seconde électrode (44) comportant des seconds doigts conducteurs (48) parallèles entre eux, les premiers et seconds doigts etant alternés, chaque couple de première et seconde électrodes (42, 44) correspondant à un transducteur.

10. Dispositif de commutation selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche piezo-électrique est du ZnO et les électrodes sont en un matériau choisi parmi l'or, un alliage de chrome et d'or et un alliage de titane et d'or.

11. Dispositif de commutation selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les moyens de commande (27) comprennent un generateur radiofrequence (52) connecte à chaque transducteur (28), via des circuits déphaseurs (54), et un calculateur pilotant le générateur (52) et les circuits déphaseurs pour appliquer aux transducteurs des signaux avec ladite phase et avec ladite fréquence.