WO2003046638A1 - Diffractive optical switch - Google Patents

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WO2003046638A1
WO2003046638A1 PCT/FR2001/003771 FR0103771W WO03046638A1 WO 2003046638 A1 WO2003046638 A1 WO 2003046638A1 FR 0103771 W FR0103771 W FR 0103771W WO 03046638 A1 WO03046638 A1 WO 03046638A1
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diffractive optical
switch according
input
output
optical
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WO2003046638A8 (en
Inventor
Pierre Pfeiffer
Patrice Twardowski
Philippe Gerard
Christine Mahodaux
Original Assignee
Highwave Optical Technologies
Universite Louis Pasteur
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0808Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more diffracting elements

Definitions

  • the present invention relates to the field of optical components.
  • the present invention relates to the field of optical switches.
  • the present invention relates to an optical switch with single-mode optical fibers making it possible to switch one of N input channels to one of M output channels, N and M each being an integer at least equal to 1, N and M being able to be equal, and preferably at least one of N or M being greater than 1.
  • optical switches are key components usable in many applications, in particular in optical information routing systems, addition and extraction multiplexers, monitoring instrumentation.
  • optical networks the decongestion of optical networks, the establishment of temporary redundant links in optical networks and other applications of this nature in networks. It is generally recognized that ideally an optical switch should make it possible to direct the light beam from an input channel to an output channel with:
  • N and M 2 because the beam can only be deflected in two directions: in a straight line when the prism is not in the optical path or in a deflected direction, when the prism is inserted in the optical direction;
  • switches - micro-technology switches often called MEMS corresponding to the initials of the Anglo-Saxon expression Micro Electrical and Mechanical Systems.
  • MEMS Micro Electrical and Mechanical Systems.
  • switches proceeding by rotation of a micro mirror by electrostatic force (these switches have significant insertion losses)
  • thermo-optical type switches These switches require high energy consumption and have limited insulation; - acousto-optical type switches. These have significant insertion losses;
  • the present invention aims to provide a new optical switch meeting the specifications defined above.
  • the present invention aims to provide an optical switch of low cost, allowing easy industrialization, in particular mass production, good stability over time, a guaranteed number of switches, a good lifetime.
  • an optical switch comprising a diffractive optical element capable of receiving an optical beam at the input and delivering the beam at the output in a direction which depends on the point of impact of the beam of input on this diffractive optical element and a means able to move the diffractive optical element relative to the input optical beam between at least two distant positions.
  • the drive means is formed of a micro-actuator capable of moving the diffractive optical element over an amplitude between a few microns and a few tens of microns.
  • the microswitch comprises an optical input coupling element designed to adapt the size and the optical opening of the input beam to the diffractive optical element.
  • the switch further comprises an optical output coupling element designed to adapt the size and the optical opening of the beams from the diffractive optical element to at least one optical output element.
  • FIG. 1 and 2 schematically represent an optical switch according to the present invention 1x2, in two different positions of the diffractive optical element
  • FIG. 3 shows a side view of an optical switch according to the present invention further illustrating detail the structure of the drive means of the diffractive optical element
  • FIG. 4 represents a plan view of a particular embodiment of such a drive means for the diffractive optical element
  • FIG. 5 shows a sectional view of this drive means
  • FIG. 6 represents a schematic view of a switch according to the present invention comprising two diffractive optical elements
  • FIG. 7 represents a schematic view of a switch according to the present invention of the lxN type
  • FIGS. 8 and 9 schematically represent two alternative embodiments of switches according to the present invention of the 1x2 type comprising respectively, at the output of a diffractive optical element, a focusing element for FIG. 8 and two focusing elements associated respectively with an output fiber for FIG. 9, and
  • FIG. 10 schematically shows a switch according to the present invention of IMxM type.
  • the switch according to the present invention essentially comprises an optical element diffractive 100 (or "EOD") capable of receiving an optical beam at the input and delivering the beam at the output in a direction which depends on the point of impact of the input beam on this diffractive optical element and a means 200 designed to move the diffractive optical element 100 transversely to the input optical beam between at least two distant positions, as illustrated respectively in FIGS. 1 and 2.
  • EOD optical element diffractive 100
  • the drive means 200 is symbolized in the form of an arrow. Particular embodiments of such a drive means 200 will be described in more detail below.
  • the input optical beam is preferably conveyed by an optical fiber 300 and the optical beams available at the output of the switch are preferably recovered by output optical fibers 400, 410.
  • these are single-mode fibers.
  • the optical switch is advantageously equipped, upstream of the diffractive optical element 100, that is to say between the input thereof and the output of the optical fiber 300, a focusing element 350.
  • This has the function of orienting the optical beam coming from the fiber 300 on the diffractive optical element 100 (the focal point is not necessarily on the EOD.
  • the focusing elements 350, 450 are formed of preferably a lens section with an index gradient.
  • the function of the diffractive optical element 100 is to deflect and collimate the incident beam.
  • the translation of the diffractive optical element 100 modifies the angle of deflection of the beam.
  • the beam is injected into the output lens 450 which focuses this beam at an image point on one of the output fibers 400, 410.
  • the position of the image point is a function of the angle of incidence on the lens 450 as well as of the position relative to the optical axis.
  • the output fibers 400, 410 must therefore be placed at the various predefined focal points.
  • the translation of the diffractive optical element 100 transversely to the input optical beam can be obtained by a micro system 200 comprising an electrostatic actuator.
  • the output optical beam is directed towards the fiber 410.
  • the output optical beam is directed to the output fiber
  • switch 1 to 2 A variant of switch 1 to 2 has been illustrated in FIGS. 1 and 2.
  • a switch can easily be generalized to a switch 1 to N, with N> 2 by providing a drive means 200 capable of moving the 'diffractive optical element 100 successively and on command in a number N of distinct positions and accordingly arranging a number N of output optical fibers, respectively at each predefined focal point.
  • the translational movement of the diffractive optical element 100 makes it possible to effect a continuous deflection of the beam.
  • the diffractive optical element 100 also makes it possible to correct the phase deformation of the signal inherent in the deflection.
  • the present invention makes it possible to have more than two output image points.
  • the invention allows, with the same principle, to produce a variable attenuator with one output or two outputs having a different coupling rate.
  • the drive means 200 only requires very small displacements, typically less than a hundred micrometers.
  • the present invention thanks to such a displacement of very limited amplitude, makes possible a manufacturing in micro technology, of the integrated and collective type, guaranteeing good reproducibility in production.
  • the actuator 200 produced on the basis of micro technology can include the diffractive optical element 100. This arrangement allows a particularly appreciable collective and totally integrated production.
  • the diffractive optical element 100 and the drive means 200 are produced using optical micro technologies (etching) on silicon.
  • the drive means 200 can be the subject of numerous embodiments. Preferably, it is chosen from the group comprising an electrostatic control means, a piezoelectric transducer, an electromagnet or a stepping motor.
  • the basic function of the diffractive optical element 100 is that of a concave lens close to a Fresnel lens.
  • the diffractive optical element 100 can thus be adapted to correct the optical aberrations of the input lens 350. Indeed, if the diffractive optical element 100 has a function close to a concave lens, the aberrations of the lens input 350, which is equivalent to a convex lens, can be corrected by the aberrations of the diffractive optical element 100 comparable to a concave lens.
  • the output lens 450 is formed of a section of index gradient fiber with a length equal to 0.25 pitch, the term pitch denoting the length of a gradient index lens such that the light can go through a complete cycle within it.
  • pitch can be assimilated to the expression "not optical”.
  • the input fiber 300 has its output positioned on the optical axis of the input lens 350.
  • the position of the diffractive optical element 100 will preferably be chosen so that the distance between the input lens 350 and the diffractive optical element 100 is equal to the focal length of the input lens 350 minus the focal length of the 'diffractive optical element 100 which minimizes the displacement of the diffractive optical element.
  • the actuator 200 associated with the diffractive optical element 100 can be fixed either on an auxiliary support, or on the input lens 350, or on the output lens 450.
  • the diffractive optical element 100 By taking a focal length close to that of the input lens 350 for the diffractive optical element 100, it is possible to maintain a maximum beam diameter and, by this means, to minimize losses by diffraction.
  • the diffractive optical element 100 is then fixed on the input lens 350.
  • the diffractive optical element 100 fulfilling the function of a concave Fresnel lens with an imposed focal length the optical transfer function is then optimized using a dedicated computer, by optimizing spherical, chromatic aberrations, astigmatisms and coma.
  • a file representing the matrix of the diffractive optical element and serving as basis for making an engraving mask This method makes it possible to represent a diffractive optical element in a unique way and makes it possible to reproduce it industrially, by conventional methods in microelectronics.
  • the file used to make the mask can also be optimized according to the burning process.
  • the necessary displacement of the diffractive optical element 100 depends on the diameter of the beam and on the number of apertures of the diffractive optical element. Minimal displacement is obtained by reducing the diameter of the incident beam or by reducing the opening of the input lens 350.
  • an opening of the diffractive optical element 100 of 5 5 For a beam diameter d of around 200 ⁇ m, which appears to be an optimal beam size, an opening of the diffractive optical element 100 of 5 5, a displacement of 17.5 ⁇ m makes it possible to obtain an angular deflection of 1 °. We previously mentioned an opening of 575. Typically the opening may vary between 5 1, 5 and 5 5 according to the invention. A good compromise seems to be around an aperture number equal to 4 of the lens, and a beam diameter of the order of 300 ⁇ m.
  • the amplitude of the separation ⁇ yi of the image points at the output of the lens 450 determines the isolation between channels or outputs (crosstalk) of the system.
  • the inventors have determined that a center distance of 30 ⁇ m between the cores of the output fibers 400, 410, etc. is desirable to guarantee an insulation of less than -50dB. Nevertheless, a solution with a separation between axes of the order of 40 or 50 ⁇ m is acceptable, depending on the technology chosen and in particular the outside diameter of the fibers.
  • a separation of the fibers at the outlet of 30 ⁇ m typically corresponds to an angular displacement of 1.3 °.
  • the inventors carried out simulations by calculation on the following assumptions:
  • Table 3 shows the coupling losses as a function of an offset along the Z axis (for an EOD efficiency of 100%).
  • Table 4 shows the tolerance with respect to a cumulative positioning offset (for 100% EOD efficiency).
  • the converging lenses 350 and 450 can be the subject of different variant embodiments.
  • GRIN gradient index lens
  • convex piano gradient gradient lens such a lens has less astigmatism than the previous lens
  • a gradient index lens having an optical pitch of 0.25 with a half-ball lens can be made in the form of a gradient index lens (GRIN) having an optical pitch close to 0.35, or a convex piano gradient gradient lens (such a lens has less astigmatism than the previous lens ) or in the form of a gradient index lens having an optical pitch of 0.25 with a half-ball lens.
  • the output beam of the lens typically has a diameter of between 300 and 500 ⁇ m.
  • Table 5 gives the diameter of the beam at the output of a lens with a gradient index of 0.25 steps.
  • the table above gives the values of the diameter of the beam corresponding to 99% of the energy of the beam at the output of a lens with an index gradient having a pitch of 0.25.
  • the effective diameter at the output of the diffractive optical element 100 is determined by the distance between the diffractive optical element and the input lens 350 on the one hand, and the focal length of the diffractive optical element 100 on the other hand.
  • the invention is however not limited to the type of lenses previously defined.
  • any functionally equivalent lens for example in the form of fibers lensed at the end, or even in the form of a fixed diffractive optical element.
  • the drive means 200 can also be the subject of numerous variant embodiments.
  • the drive means 200 is based on a technology which allows the integration of the actuator 200 and the diffractive optical element 100. This arrangement makes it possible to simplify the manufacturing procedure and to combine the two functions (displacement and support of the diffractive optical element 100 on a single component).
  • FIG. 3 There is shown diagrammatically in FIG. 3 a switch in accordance with the present invention comprising an actuator 200 and a diffractive optical element 100 integrated integral with the input lens 350.
  • the actuator 200 is formed of an electrostatic actuator comprising at least one interdigitated comb of electrodes making it possible to move a plate 110 supporting the diffractive optical element 100.
  • Figure 4 an alternative embodiment in which there are provided two sets of combs 220, 125 interdigitated respectively on either side of the plate 110. The direction of elongation of strands of the interdigitated combs is parallel to the desired direction of movement for the plate 110 and the diffractive optical element 100.
  • the plate 110 is held by a set of springs and a slide system guaranteeing translation with a minimum of errors.
  • a first pair of springs 130, 132 disposed between a support frame 129 and two opposite faces of the plate 110, to allow movement in the Y direction commanded by the interdigitated combs 220, 125 with return to the rest position of the plate 110 during the interruption of the control supply voltage and a second pair of springs 134, 136 fixed between the frame 129 and the same opposite faces of the plate 110 to ensure positioning in the X direction.
  • a second pair of springs 134, 136 fixed between the frame 129 and the same opposite faces of the plate 110 to ensure positioning in the X direction.
  • the plate 110 may include a set of such holes 140 of circular or rectangular elliptical shape or the like arranged in the axis of translation of the plate. This set of holes can form, with an additional light source and a detector of the photodiode type or a set of photodiodes, a sensor making it possible to produce a servo-control in position of the diffractive optical element 100.
  • auxiliary emission and reception fibers 142, 144 used to bring the light to the sensor and to receive the beam coming from the latter.
  • the position sensor of the diffractive optical element 100 can be formed by any equivalent means, for example a capacitive type sensor or the like.
  • the diffractive optical element 100 is preferably directly etched in the silicon plate and receives an anti-reflective layer on either side.
  • Figure 5 a sectional view of the actuator 200 according to a particular embodiment of the present invention.
  • the present invention can also be applied to switches incorporating a diffractive optical element working at reflection.
  • the present invention can also be applied to the production of a variable optical attenuator.
  • the diffractive optical element is designed not to have minimal and uniform losses, but to present a variable and controlled attenuation according to the point of impact of the beam on the surface of the diffractive optical element 100.
  • Switches comprising a single diffractive optical element 100, previously described, generally operate over a wavelength range limited to approximately 50 nm.
  • a simulation shows that on 30nm of the L band there is no significant loss. In general, we can estimate that on 50nm the losses are minor. This range can however be extended to several hundred nm by using a second diffractive optical element 102 interposed between the first diffractive optical element 100 and the output lens element 450, as illustrated in FIG. 6.
  • the principle of optical operation is the same as that described above.
  • the lenses 350, 450 are advantageously gradient index lenses with an optical pitch (pitch) of 0.25.
  • the first diffractive optical element 100 plays the role of a convex piano lens and focuses the beam.
  • the second diffractive optical element 102 transforms the spherical wave into a plane wave and deflects the beam as a function of its displacement.
  • the first diffractive optical element 100 can be fixed, only the second diffractive optical element 102 being controlled to move by a drive means 200.
  • the operating range can be extended from 1300nm to 1650nm, the limitations of the switch not being linked to the diffractive optical element but to the gradient index lenses.
  • any spherical and chromatic aberrations of one of the diffractive optical elements 100, 102 can be corrected by the second diffractive optical element in the manner of a pair of optical lenses.
  • the first diffractive optical element 100 which is fixed can be made of silica or other synthetic materials and directly mounted on the input lens 350.
  • the optical function of the diffractive optical element 100 is the optical function of a planar convex lens, while the optical function of the second diffractive optical element 102 is that of a concave lens.
  • the present invention is not limited to the production of a 1x2 switch but extends to the production of IxN switches and more generally NxM.
  • Variants have been described previously comprising a single output lens 450 associated with several output fibers 400, 410.
  • FIG. 7 thus shows a switch according to the present invention comprising an input fiber 300, an input lens 350, a diffractive optical element 100 associated with a displacement actuator 200 and four output lenses 450, 451 , 452, 453 respectively associated with output fibers 400, 410, 420, 430.
  • Such a variant although requiring several lenses, calls for a simpler production technology at the output module compared to the solution consisting of a single lens. It also ensures better insulation between channels.
  • the output lenses 450, 453 only couple the light received from the diffractive optical element, in a single fiber.
  • the output lenses 450 to 453 are typically sections of fibers with an index gradient of a length equal to a quarter of an optical step. Generally, this arrangement requires placing the output lens 450 to 453 at a greater distance than the variants previously described. However, this variant does not require a greater displacement of the diffractive optical element.
  • FIG. 8 two variants of switches according to the present invention of the 1x2 type. In the context of FIG. 8, a single output lens 450 ensures the coupling alternately in two output fibers 400, 410. On the contrary according to the variant of FIG. 9, there are two output lenses 450, 451 which couple the light respectively in the output fibers 400, 410. It will be appreciated on comparative examination that the distance d2 separating the input and output lenses in the case of FIG. 9 is greater than the same distance dl in the case of the figure 8.
  • represents the angle of deflection of the beam by the diffractive optical element
  • h represents the diameter of the lens with index gradient 450 output.
  • each of the first diffractive optical elements 100 is adapted to deflect the beam it receives from the associated input fiber 300, 302, 304 or 306 selectively towards any one of the second diffractive optical elements 102.
  • each of these second diffractive optical elements 102 is suitable for injecting into the associated output fiber 400, 410, 420 or 430 the beam which it receives, whatever the angle of incidence of the latter.
  • the two series of diffractive optical elements are movable, each of the diffractive optical elements being individually displaceable within the same assembly.
  • the diffractive optical element 100 associated with the lens 350 can be moved independently of the diffractive optical element 100 associated with the adjacent input lens 352.
  • 2 °
  • a diffractive optical element moved in translation.
  • the invention can also be applied to variants in which the diffractive optical element is rotated.
  • the diffractive optical element 100 can be in one diffraction dimension or two diffraction dimensions.
  • each diffractive optical element 100 or 102 supports only one optical signal.
  • the diffractive optical element 100 is moved transversely to the axis of the input optical beam.
  • the diffractive optical element 100 could be displaced longitudinally, that is to say parallel to this optical axis, or even in a more complex movement combining a transverse component and a component parallel to the optical beam.

Abstract

The invention concerns a switch designed to direct selectively an optical signal from an input element towards an output element, characterized in that it comprises a diffractive optical element (100) capable of receiving an optical beam in input and delivering the beam in output along a direction depending of the impact point of the input beam on said diffractive element and means (200) for displacing the diffractive optical element (100) transversely to the input optical beam between two spaced apart positions.

Description

COMMUTATEUR OPTIQUE DIFFRACTIFDIFFRACTIVE OPTICAL SWITCH
La présente invention concerne le domaine des composants optiques.The present invention relates to the field of optical components.
Plus précisément, la présente invention concerne le domaine des commutateurs optiques.More specifically, the present invention relates to the field of optical switches.
Plus précisément encore la présente invention concerne un commutateur optique à fibres optiques monomodes permettant de commuter un de N canaux d'entrée vers un de M canaux de sortie, N et M étant chacun un nombre entier au moins égal à 1, N et M pouvant être égaux, et de préférence l'un au moins de N ou M étant supérieur à 1.Even more precisely, the present invention relates to an optical switch with single-mode optical fibers making it possible to switch one of N input channels to one of M output channels, N and M each being an integer at least equal to 1, N and M being able to be equal, and preferably at least one of N or M being greater than 1.
L'homme de l'art sait que de nos jours les commutateurs optiques sont des composants clefs utilisables dans de nombreuses applications, en particulier dans les systèmes de routage optique de l'information, les multiplexeurs à addition et extraction, l'instrumentation de surveillance des réseaux optiques, le décongestionnement de réseaux optiques, l'établissement de liaisons redondantes temporaires dans les réseaux optiques et autres applications de cette nature dans les réseaux. II est généralement reconnu qu'idéalement un commutateur optique devrait permettre d'aiguiller le faisceau lumineux d'un canal d'entrée vers un canal de sortie avec :Those skilled in the art know that nowadays optical switches are key components usable in many applications, in particular in optical information routing systems, addition and extraction multiplexers, monitoring instrumentation. optical networks, the decongestion of optical networks, the establishment of temporary redundant links in optical networks and other applications of this nature in networks. It is generally recognized that ideally an optical switch should make it possible to direct the light beam from an input channel to an output channel with:
- un minimum de pertes d'insertion, (typiquement 0,5 à 1,5 dB pour N et M < à 2), - un minimum de retour sur la voie d'entrée (return loss), (typiquement -50 dB),- a minimum of insertion losses, (typically 0.5 to 1.5 dB for N and M <to 2), - a minimum of return on the input channel (return loss), (typically -50 dB) ,
- une isolation entre canaux suffisante (typiquement de 30 à 60 dB),- sufficient isolation between channels (typically 30 to 60 dB),
- un minimum de pertes dues à la polarisation de la lumière (typiquement 0,1 dB), - un minimum de dispersion temporelle due à la polarisation de la lumière (typiquement < à 0,1 ps), et- a minimum of losses due to the polarization of the light (typically 0.1 dB), - a minimum of temporal dispersion due to the polarization of the light (typically <0.1 ps), and
- couvrir la plus grande plage de longueur d'onde. Différentes familles de commutateurs optiques exploitant des mécanismes différents ont déjà été proposées. Cependant, aucun des commutateurs connus ne donne totalement satisfaction.- cover the largest wavelength range. Different families of optical switches exploiting different mechanisms have already been proposed. However, none of the known switches is entirely satisfactory.
Parmi les commutateurs optiques connus, on peut citer notamment :Among the known optical switches, there may be mentioned in particular:
- les commutateurs à prisme, opérant par déplacement mécanique d'un prisme. Ces composants sont cependant limités à N et M = 2 car le faisceau ne peut être défléchi que dans deux directions : en ligne droite lorsque le prisme n'est pas dans le trajet optique ou dans une direction défléchie, lorsque le prisme est inséré dans la direction optique ;- prism switches, operating by mechanical displacement of a prism. These components are however limited to N and M = 2 because the beam can only be deflected in two directions: in a straight line when the prism is not in the optical path or in a deflected direction, when the prism is inserted in the optical direction;
- les commutateurs à cristaux liquides. Ceux-ci sont sensibles à la polarisation et nécessitent une correction liée à la polarisation ;- liquid crystal switches. These are sensitive to polarization and require a correction related to polarization;
- les commutateurs à micro technologies dénommés souvent MEMS correspondant aux initiales de l'expression anglo-saxonne Micro Electrical and Mechanical Systems. On peut distinguer quatre types de commutateurs dans cette famille : 1) les commutateurs procédant par flambage d'un micro miroir par échauffement ou par force électrostatique (ces composants sont limités à N et M = 2), 2) les commutateurs procédant par déplacement par translation ou basculement d'un micro miroir par force électrostatique (ces composants sont limités à N et M = 2), 3) les commutateurs procédant par rotation d'un micro miroir par force électrostatique (ces commutateurs présentent des pertes d'insertion importantes) et 4) les commutateurs procédant par déplacement d'un guide d'onde (ces commutateurs sont limités à N = 1 et présentent des pertes importantes lorsque M est supérieur à 2).- micro-technology switches often called MEMS corresponding to the initials of the Anglo-Saxon expression Micro Electrical and Mechanical Systems. We can distinguish four types of switches in this family: 1) switches proceeding by buckling of a micro mirror by heating or by electrostatic force (these components are limited to N and M = 2), 2) switches proceeding by displacement by translation or tilting of a micro mirror by electrostatic force (these components are limited to N and M = 2), 3) the switches proceeding by rotation of a micro mirror by electrostatic force (these switches have significant insertion losses) and 4) the switches proceeding by displacement of a waveguide (these switches are limited to N = 1 and have significant losses when M is greater than 2).
- les commutateurs de type thermo-optiques. Ces commutateurs demandent une forte consommation d'énergie et présentent une isolation limitée ; - les commutateurs de type acousto-optiques. Ceux-ci présentent des pertes d'insertion importantes ;- thermo-optical type switches. These switches require high energy consumption and have limited insulation; - acousto-optical type switches. These have significant insertion losses;
- les commutateurs mécaniques. Ces commutateurs procèdent par basculement de la fibre. Ils sont limités à N et M = 2 ; - les commutateurs polarimétriques. Ceux-ci procèdent par rotation de la polarisation. Ils présentent une faible isolation ;- mechanical switches. These switches proceed by tilting the fiber. They are limited to N and M = 2; - polarimetric switches. These proceed by rotation of the polarization. They have low insulation;
- les commutateurs de type holographique. Ceux-ci procèdent par déflexion d'un faisceau par un cristal photoréfractif. Ils requièrent généralement deux cristaux afin d'éliminer l'ordre zéro.- holographic type switches. These proceed by deflection of a beam by a photorefractive crystal. They usually require two crystals in order to eliminate the zero order.
Ainsi aujourd'hui, il n'existe pas de solution universelle pour les commutateurs optiques.So today, there is no universal solution for optical switches.
La présente invention a pour but de proposer un nouveau commutateur optique répondant au cahier de charges précédemment défini.The present invention aims to provide a new optical switch meeting the specifications defined above.
En outre la présente invention a pour but de proposer un commutateur optique de faible coût, permettant une industrialisation aisée, notamment une fabrication en grande série, une bonne stabilité dans le temps, un nombre de commutations garanti, une bonne durée de vie.In addition, the present invention aims to provide an optical switch of low cost, allowing easy industrialization, in particular mass production, good stability over time, a guaranteed number of switches, a good lifetime.
Les buts précités sont atteints dans le cadre de la présente invention grâce à un commutateur optique comprenant un élément optique diffractif apte à recevoir un faisceau optique en entrée et délivrer le faisceau en sortie selon une direction qui dépend du point d'impact du faisceau d'entrée sur cet élément optique diffractif et un moyen apte à déplacer l'élément optique diffractif relativement au faisceau optique d'entrée entre au moins deux positions distantes.The aforementioned aims are achieved within the framework of the present invention by means of an optical switch comprising a diffractive optical element capable of receiving an optical beam at the input and delivering the beam at the output in a direction which depends on the point of impact of the beam of input on this diffractive optical element and a means able to move the diffractive optical element relative to the input optical beam between at least two distant positions.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, le moyen d'entraînement est formé d'un micro-actionneur apte à déplacer l'élément optique diffractif sur une amplitude comprise entre quelque microns et quelques dizaines de microns.According to another advantageous characteristic of the present invention, the drive means is formed of a micro-actuator capable of moving the diffractive optical element over an amplitude between a few microns and a few tens of microns.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, le micro-commutateur comprend un élément de couplage optique d'entrée conçu pour adapter la taille et l'ouverture optique du faisceau d'entrée à l'élément optique diffractif.According to another advantageous characteristic of the present invention, the microswitch comprises an optical input coupling element designed to adapt the size and the optical opening of the input beam to the diffractive optical element.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, le commutateur comprend en outre un élément de couplage optique de sortie conçu pour adapter la taille et l'ouverture optique des faisceaux issus de l'élément optique diffractif à au moins un élément optique de sortie.According to another advantageous characteristic of the present invention, the switch further comprises an optical output coupling element designed to adapt the size and the optical opening of the beams from the diffractive optical element to at least one optical output element.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :Other characteristics, aims and advantages of the present invention will appear on reading the detailed description which follows, and with reference to the appended drawings, given by way of nonlimiting examples and in which:
- les figures 1 et 2 représentent schématiquement un commutateur optique conforme à la présente invention 1x2, dans deux positions différentes de l'élément optique diffractif, - la figure 3 représente une vue latérale d'un commutateur optique conforme à la présente invention illustrant plus en détail la structure du moyen d'entraînement de l'élément optique diffractif,- Figures 1 and 2 schematically represent an optical switch according to the present invention 1x2, in two different positions of the diffractive optical element, - Figure 3 shows a side view of an optical switch according to the present invention further illustrating detail the structure of the drive means of the diffractive optical element,
- la figure 4 représente une vue en plan d'un mode de réalisation particulier d'un tel moyen d'entraînement de l'élément optique diffractif, - la figure 5 représente une vue en coupe de ce moyen d'entraînement,FIG. 4 represents a plan view of a particular embodiment of such a drive means for the diffractive optical element, - FIG. 5 shows a sectional view of this drive means,
- la figure 6 représente une vue schématique d'un commutateur conforme à la présente invention comprenant deux éléments optiques diffractif s,FIG. 6 represents a schematic view of a switch according to the present invention comprising two diffractive optical elements,
- la figure 7 représente une vue schématique d'un commutateur conforme à la présente invention de type lxN,FIG. 7 represents a schematic view of a switch according to the present invention of the lxN type,
- les figures 8 et 9 représentent schématiquement deux variantes de réalisation de commutateurs conforme à la présente invention de type 1x2 comprenant respectivement, en sortie d'un élément optique diffractif, un élément de focalisation pour la figure 8 et deux éléments de focalisation associés respectivement à une fibre de sortie pour la figure 9, etFIGS. 8 and 9 schematically represent two alternative embodiments of switches according to the present invention of the 1x2 type comprising respectively, at the output of a diffractive optical element, a focusing element for FIG. 8 and two focusing elements associated respectively with an output fiber for FIG. 9, and
- la figure 10 représente schématiquement un commutateur conforme à la présente invention de type IMxM.- Figure 10 schematically shows a switch according to the present invention of IMxM type.
On va tout d'abord décrire la structure générale d'un commutateur optique conforme à la présente invention de type 1 vers N, par exemple 1 vers 2, en regard des figures 1 et 2.We will first describe the general structure of an optical switch according to the present invention of type 1 to N, for example 1 to 2, with reference to FIGS. 1 and 2.
Comme indiqué précédemment, le commutateur conforme à la présente invention comprend essentiellement un élément optique diffractif 100 (ou encore "EOD") apte à recevoir un faisceau optique en entrée et délivrer le faisceau en sortie selon une direction qui dépend du point d'impact du faisceau d'entrée sur cet élément optique diffractif et un moyen 200 conçu pour déplacer l'élément optique diffractif 100 transversalement au faisceau optique d'entrée entre au moins deux positions distantes, telles qu'illustrées respectivement sur les figures 1 et 2.As indicated above, the switch according to the present invention essentially comprises an optical element diffractive 100 (or "EOD") capable of receiving an optical beam at the input and delivering the beam at the output in a direction which depends on the point of impact of the input beam on this diffractive optical element and a means 200 designed to move the diffractive optical element 100 transversely to the input optical beam between at least two distant positions, as illustrated respectively in FIGS. 1 and 2.
Sur les figures 1 et 2, le moyen d'entraînement 200 est symbolisé sous forme d'une flèche. Des modes de réalisation particuliers d'un tel moyen d'entraînement 200 seront décrits plus en détail par la suite.In FIGS. 1 and 2, the drive means 200 is symbolized in the form of an arrow. Particular embodiments of such a drive means 200 will be described in more detail below.
Plus précisément encore, dans le cadre de la présente invention, le faisceau optique d'entrée est de préférence acheminé par une fibre optique 300 et les faisceaux optiques disponibles en sortie du commutateur sont preferentiellement récupérés par des fibres optiques de sortie 400, 410.More specifically still, in the context of the present invention, the input optical beam is preferably conveyed by an optical fiber 300 and the optical beams available at the output of the switch are preferably recovered by output optical fibers 400, 410.
Il s'agit avantageusement de fibres monomodes. Par ailleurs, dans le cadre de la présente invention, le commutateur optique est équipé avantageusement, en amont de l'élément optique diffractif 100, c'est-à-dire entre l'entrée de celui-ci et la sortie de la fibre optique 300, d'un élément de focalisation 350. Celui- ci a pour fonction d'orienter le faisceau optique issu de la fibre 300 sur l'élément optique diffractif 100 (le point focal n'est pas nécessairement sur l'EOD. De même, il est prévu de préférence en aval de l'élément optique diffractif 100, c'est-à-dire entre la sortie de celui-ci et l'entrée des fibres optiques de sortie 400, 410, un élément de focalisation 450. Celui-ci a pour fonction de focaliser le faisceau issu de l'élément optique diffractif 100 sur l'entrée de l'une des fibres optiques 400, 410. Dans le cadre de la présente invention, les éléments de focalisation 350, 450 sont formés de préférence d'un tronçon de lentille à gradient d'indice. Comme on l'a expliqué précédemment, l'élément optique diffractif 100 a pour fonction de défléchir et de collimater le faisceau incident. La translation de l'élément optique diffractif 100 modifie l'angle de déflexion du faisceau. En sortie de l'élément optique diffractif 100, le faisceau est injecté dans la lentille de sortie 450 qui focalise ce faisceau en un point image sur l'une des fibres de sortie 400, 410. La position du point image est fonction de l'angle d'incidence sur la lentille 450 ainsi que de la position par rapport à l'axe optique. Les fibres de sortie 400, 410 doivent donc être placées aux différents points de focalisation prédéfinis.Advantageously, these are single-mode fibers. Furthermore, in the context of the present invention, the optical switch is advantageously equipped, upstream of the diffractive optical element 100, that is to say between the input thereof and the output of the optical fiber 300, a focusing element 350. This has the function of orienting the optical beam coming from the fiber 300 on the diffractive optical element 100 (the focal point is not necessarily on the EOD. Similarly , there is preferably provided downstream of the diffractive optical element 100, that is to say between the output of the latter and the input of the output optical fibers 400, 410, a focusing element 450. That it has the function of focusing the beam from the diffractive optical element 100 on the input of one of the optical fibers 400, 410. In the context of the present invention, the focusing elements 350, 450 are formed of preferably a lens section with an index gradient. As explained previously, the function of the diffractive optical element 100 is to deflect and collimate the incident beam. The translation of the diffractive optical element 100 modifies the angle of deflection of the beam. At the output of the diffractive optical element 100, the beam is injected into the output lens 450 which focuses this beam at an image point on one of the output fibers 400, 410. The position of the image point is a function of the angle of incidence on the lens 450 as well as of the position relative to the optical axis. The output fibers 400, 410 must therefore be placed at the various predefined focal points.
La translation de l'élément optique diffractif 100 transversalement au faisceau optique d'entrée peut être obtenue par un micro système 200 comprenant un actionneur électrostatique.The translation of the diffractive optical element 100 transversely to the input optical beam can be obtained by a micro system 200 comprising an electrostatic actuator.
Dans la position de l'élément optique diffractif illustrée sur la figure 1, le faisceau optique de sortie est dirigé vers la fibre 410. Dans la seconde position de l'élément optique diffractif 100 illustrée sur la figure 2, le faisceau optique de sortie est dirigé vers la fibre de sortieIn the position of the diffractive optical element illustrated in FIG. 1, the output optical beam is directed towards the fiber 410. In the second position of the diffractive optical element 100 illustrated in FIG. 2, the output optical beam is directed to the output fiber
400.400.
On a illustré sur les figures 1 et 2, une variante de commutateur 1 vers 2. Cependant, un tel commutateur pourra être généralisé aisément à un commutateur 1 vers N, avec N > 2 en prévoyant un moyen d'entraînement 200 apte à déplacer l'élément optique diffractif 100 successivement et sur commande dans un nombre N de positions distinctes et en disposant en conséquence un nombre N de fibres optiques de sortie, respectivement au niveau de chaque point de focalisation prédéfini.A variant of switch 1 to 2 has been illustrated in FIGS. 1 and 2. However, such a switch can easily be generalized to a switch 1 to N, with N> 2 by providing a drive means 200 capable of moving the 'diffractive optical element 100 successively and on command in a number N of distinct positions and accordingly arranging a number N of output optical fibers, respectively at each predefined focal point.
On notera que la solution proposée dans le cadre de la présente invention offre de nombreux avantages.Note that the solution proposed in the context of the present invention offers many advantages.
Le mouvement en translation de l'élément optique diffractif 100 permet d'effectuer une déflexion continue du faisceau. L'élément optique diffractif 100 permet également de corriger la déformation de phase du signal inhérente à la déflexion. La présente invention permet d'avoir plus de deux points images en sortie. De plus, du fait que la déflexion du faisceau est continue avec le déplacement de l'élément optique diffractif, l'invention permet, avec le même principe, de réaliser un atténuateur variable avec une sortie ou deux sorties ayant un taux de couplage différent. Le moyen d'entraînement 200 ne requiert que de très faibles déplacements, typiquement inférieurs à la centaine de micromètres. La présente invention, grâce à un tel déplacement d'amplitude très limitée, rend possible une fabrication en micro technologie, du type intégré et collectif, garantissant une bonne reproductibilité en production. En d'autres termes, selon la technologie retenue, l'actionneur 200 réalisé à base de micro technologie peut inclure l'élément optique diffractif 100. Cette disposition permet une fabrication de nature collective et totalement intégrée particulièrement appréciable.The translational movement of the diffractive optical element 100 makes it possible to effect a continuous deflection of the beam. The diffractive optical element 100 also makes it possible to correct the phase deformation of the signal inherent in the deflection. The present invention makes it possible to have more than two output image points. In addition, because the deflection of the beam is continuous with the displacement of the diffractive optical element, the invention allows, with the same principle, to produce a variable attenuator with one output or two outputs having a different coupling rate. The drive means 200 only requires very small displacements, typically less than a hundred micrometers. The present invention, thanks to such a displacement of very limited amplitude, makes possible a manufacturing in micro technology, of the integrated and collective type, guaranteeing good reproducibility in production. In other words, depending on the technology chosen, the actuator 200 produced on the basis of micro technology can include the diffractive optical element 100. This arrangement allows a particularly appreciable collective and totally integrated production.
De préférence dans le cadre de la présente invention, l'élément optique diffractif 100 et le moyen d'entraînement 200 sont réalisés à l'aide de micro technologies optiques (gravure) sur silicium.Preferably in the context of the present invention, the diffractive optical element 100 and the drive means 200 are produced using optical micro technologies (etching) on silicon.
Le moyen d'entraînement 200 peut faire l'objet de nombreux modes de réalisation. De préférence, il est choisi dans le groupe comprenant un moyen à commande électrostatique, un transducteur piézo-électrique, un électro-aimant ou un moteur pas à pas.The drive means 200 can be the subject of numerous embodiments. Preferably, it is chosen from the group comprising an electrostatic control means, a piezoelectric transducer, an electromagnet or a stepping motor.
Bien entendu, un espace libre suffisant doit être laissé entre l'élément optique diffractif 100 et d'un côté la lentille d'entrée 350, de l'autre la lentille de sortie 450, pour permettre le mouvement de l'élément optique diffractif 100. La fonction de base de l'élément optique diffractif 100 est celle d'une lentille concave proche d'une lentille de Fresnel. L'élément optique diffractif 100 peut ainsi être adapté pour corriger les aberrations optiques de la lentille d'entrée 350. En effet, si l'élément optique diffractif 100 a une fonction proche d'une lentille concave, les aberrations de la lentille d'entrée 350, qui est équivalente à une lentille convexe, peuvent être corrigées par les aberrations de l'élément optique diffractif 100 assimilable à une lentille concave. De préférence, la lentille de sortie 450 est formée d'un tronçon de fibre à gradient d'indice d'une longueur égale à 0,25 pitch, le terme pitch désignant la longueur d'une lentille à gradient d'indice telle que la lumière puisse parcourir en son sein un cycle complet. Ainsi, le terme pitch peut être assimilé à l'expression "pas optique".Of course, sufficient free space must be left between the diffractive optical element 100 and on one side the input lens 350, on the other the output lens 450, to allow movement of the diffractive optical element 100 The basic function of the diffractive optical element 100 is that of a concave lens close to a Fresnel lens. The diffractive optical element 100 can thus be adapted to correct the optical aberrations of the input lens 350. Indeed, if the diffractive optical element 100 has a function close to a concave lens, the aberrations of the lens input 350, which is equivalent to a convex lens, can be corrected by the aberrations of the diffractive optical element 100 comparable to a concave lens. Preferably, the output lens 450 is formed of a section of index gradient fiber with a length equal to 0.25 pitch, the term pitch denoting the length of a gradient index lens such that the light can go through a complete cycle within it. Thus, the term pitch can be assimilated to the expression "not optical".
La fibre d'entrée 300 a sa sortie positionnée sur l'axe optique de la lentille d'entrée 350.The input fiber 300 has its output positioned on the optical axis of the input lens 350.
La position de l'élément optique diffractif 100 sera de préférence choisi de façon que la distance entre la lentille d'entrée 350 et l'élément optique diffractif 100 soit égale à la focale de la lentille d'entrée 350 diminuée de la focale de l'élément optique diffractif 100 ce qui permet de minimiser les déplacements de l'élément optique diffractif.The position of the diffractive optical element 100 will preferably be chosen so that the distance between the input lens 350 and the diffractive optical element 100 is equal to the focal length of the input lens 350 minus the focal length of the 'diffractive optical element 100 which minimizes the displacement of the diffractive optical element.
L'actionneur 200 associé à l'élément optique diffractif 100 peut être fixé soit sur un support auxiliaire, soit sur la lentille d'entrée 350, soit sur la lentille de sortie 450.The actuator 200 associated with the diffractive optical element 100 can be fixed either on an auxiliary support, or on the input lens 350, or on the output lens 450.
En prenant pour l'élément optique diffractif 100, une focale proche de celle de la lentille d'entrée 350, on peut conserver un diamètre du faisceau maximal et, par ce biais, minimiser les pertes par diffraction. L'élément optique diffractif 100 est alors fixé sur la lentille d'entrée 350.By taking a focal length close to that of the input lens 350 for the diffractive optical element 100, it is possible to maintain a maximum beam diameter and, by this means, to minimize losses by diffraction. The diffractive optical element 100 is then fixed on the input lens 350.
Cette solution peut en particulier évoluer aisément vers un coupleur IxN avec N > 2 en fonction du déplacement de l'élément optique diffractif.This solution can in particular easily evolve towards an IxN coupler with N> 2 depending on the displacement of the diffractive optical element.
Le calcul d'une telle lentille est fait par exemple de la manière suivante.The calculation of such a lens is done for example as follows.
Connaissant l'excitation d'entrée (typiquement une onde sphérique), on peut imposer la réponse de sortie (typiquement une onde plane). L'élément optique diffractif 100 remplissant la fonction d'une lentille de Fresnel concave avec une focale imposée, on optimise dans un deuxième temps la fonction de transfert optique à l'aide d'un calculateur dédié, en optimisant les aberrations sphériques, chromatiques, astigmatismes et coma. On obtient ainsi, un fichier représentant la matrice de l'élément optique diffractif et servant de base pour réaliser un masque de gravure. Cette méthode permet de représenter un élément optique diffractif de manière unique et permet de le reproduire industriellement, par des procédés classiques en microélectronique. Le fichier permettant de réaliser le masque peut également être optimisé en fonction du processus de gravure.Knowing the input excitation (typically a spherical wave), we can impose the output response (typically a plane wave). The diffractive optical element 100 fulfilling the function of a concave Fresnel lens with an imposed focal length, the optical transfer function is then optimized using a dedicated computer, by optimizing spherical, chromatic aberrations, astigmatisms and coma. We thus obtain a file representing the matrix of the diffractive optical element and serving as basis for making an engraving mask. This method makes it possible to represent a diffractive optical element in a unique way and makes it possible to reproduce it industrially, by conventional methods in microelectronics. The file used to make the mask can also be optimized according to the burning process.
Le déplacement de l'élément optique diffractif 100 peut être approximé par Ys = d.(<?7#).tgθ avec d le diamètre du faisceau optique à la sortie de l'élément optique diffractif 100, # l'ouverture de l'élément optique diffractif et θ la déflexion du faisceau induite par le déplacement Ys de l'élément optique diffractif 100.The displacement of the diffractive optical element 100 can be approximated by Ys = d. (<? 7 #). Tgθ with d the diameter of the optical beam at the exit of the diffractive optical element 100, # the aperture of the diffractive optical element and θ the deflection of the beam induced by the displacement Ys of the diffractive optical element 100.
Le tableau ci-dessous donne l'amplitude de déflexion du faisceau en degré en fonction du déplacement de l'élément optique diffractif (EOD) 100, respectivement pour un diamètre de faisceau d = 200μm et pour un diamètre de faisceau d = 300μm et une ouverture 5 5 de l'EOD.The table below gives the amplitude of deflection of the beam in degrees as a function of the displacement of the diffractive optical element (EOD) 100, respectively for a beam diameter d = 200 μm and for a beam diameter d = 300 μm and a opening 5 5 of the EOD.
Figure imgf000011_0001
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On comprend selon la formule ci-dessus que le déplacement nécessaire de l'élément optique diffractif 100 dépend du diamètre du faisceau et du nombre d'ouverture de l'élément optique diffractif. Un déplacement minimal est obtenu en réduisant le diamètre du faisceau incident ou en réduisant l'ouverture de la lentille d'entrée 350.It is understood according to the above formula that the necessary displacement of the diffractive optical element 100 depends on the diameter of the beam and on the number of apertures of the diffractive optical element. Minimal displacement is obtained by reducing the diameter of the incident beam or by reducing the opening of the input lens 350.
Pour un diamètre d du faisceau d'environ 200μm, qui semble être une taille de faisceau optimal, une ouverture de l'élément optique diffractif 100 de 5 5, un déplacement de 17,5μm permet d'obtenir une déflexion angulaire de 1°. On a mentionné précédemment une ouverture de 575. Typiquement l'ouverture peut varier entre 5 1, 5 et 5 5 selon l'invention. Un bon compromis semble se situer aux alentours d'un nombre d'ouverture égal à 4 de la lentille, et un diamètre de faisceau de l'ordre de 300μm. L'amplitude de la séparation Δyi des points images en sortie de la lentille 450 détermine l'isolation entre canaux ou sorties (crosstalk) du système.For a beam diameter d of around 200 μm, which appears to be an optimal beam size, an opening of the diffractive optical element 100 of 5 5, a displacement of 17.5 μm makes it possible to obtain an angular deflection of 1 °. We previously mentioned an opening of 575. Typically the opening may vary between 5 1, 5 and 5 5 according to the invention. A good compromise seems to be around an aperture number equal to 4 of the lens, and a beam diameter of the order of 300 μm. The amplitude of the separation Δyi of the image points at the output of the lens 450 determines the isolation between channels or outputs (crosstalk) of the system.
Les inventeurs ont déterminé qu'un entraxe de 30μm entre les cœurs des fibres de sortie 400, 410, etc.. est souhaitable pour garantir une isolation inférieure à -50dB. Néanmoins, une solution avec une séparation entre axe de l'ordre de 40 ou de 50μm est acceptable, selon la technologie retenue et notamment le diamètre extérieur des fibres.The inventors have determined that a center distance of 30 μm between the cores of the output fibers 400, 410, etc. is desirable to guarantee an insulation of less than -50dB. Nevertheless, a solution with a separation between axes of the order of 40 or 50 μm is acceptable, depending on the technology chosen and in particular the outside diameter of the fibers.
Une séparation des fibres en sortie de 30μm correspond typiquement à un déplacement angulaire de 1,3°. Les inventeurs ont procédé à des simulations par calcul dans les hypothèses suivantes :A separation of the fibers at the outlet of 30 μm typically corresponds to an angular displacement of 1.3 °. The inventors carried out simulations by calculation on the following assumptions:
- efficacité de diffraction de l'EOD 100 : 100%- EOD 100 diffraction efficiency: 100%
- taille de l'EOD 100 : 500μm- size of EOD 100: 500μm
- focale : 2512 microns - pertes de Fresnel sur l'EOD 100 négligées- focal: 2512 microns - Fresnel losses on the EOD 100 neglected
- pertes simulées :- simulated losses:
. pertes de la première lentille GRIN (350) . atténuation de la fonction optique de l'EOD (100) . atténuation de la deuxième lentille GRIN (450) . aberrations sphérique et de distorsion dues à l'EOD (100). losses of the first GRIN lens (350). attenuation of the optical function of the EOD (100). attenuation of the second GRIN lens (450). spherical and distortion aberrations due to EOD (100)
. pertes par diffraction de l'EOD (100). Les calculs montrent que la dégradation de l'atténuation n'est que de 0,12dB pour un défaut d'alignement axial de la fibre de lμm sur l'axe X transversal à la fois à l'axe optique d'entrée et à la direction de déplacement de l'élément optique diffractif et sur l'axe Y qui coïncide avec la direction de déplacement de l'élément optique diffractif. Longitudinalement, un défaut de focalisation allant jusqu'à lOμm sur l'axe Z ne résulte qu'en une atténuation de 0,04dB (voir tableau 4). Le tableau 2 ci-dessous donne l'angle optimal de sortie et les pertes de couplage en fonction d'une position non optimale de l'élément optique diffractif 100.. EOD diffraction losses (100). The calculations show that the degradation of the attenuation is only 0.12dB for an axial alignment defect of the lμm fiber on the X axis transverse both to the optical input axis and to the direction of movement of the diffractive optical element and on the Y axis which coincides with the direction of movement of the diffractive optical element. Longitudinally, a focusing defect of up to 10 μm on the Z axis only results in an attenuation of 0.04dB (see table 4). Table 2 below gives the optimal exit angle and the coupling losses as a function of a non-optimal position of the diffractive optical element 100.
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0001
Le tableau 3 ci-dessous indique les pertes de couplage en fonction d'un décalage selon l'axe Z (pour une efficacité de l'EOD de 100%).Table 3 below shows the coupling losses as a function of an offset along the Z axis (for an EOD efficiency of 100%).
Figure imgf000013_0002
Figure imgf000013_0002
Le tableau 4 ci-dessous indique la tolérance par rapport à un décalage de positionnement cumulatif (pour une efficacité de l'EOD de 100%).Table 4 below shows the tolerance with respect to a cumulative positioning offset (for 100% EOD efficiency).
Figure imgf000013_0003
On observe une dégradation maximaie de 0,2dB avec une erreur de position de 0,6μm sur les axes et une inclinaison de 0,5° sur chaque axe.
Figure imgf000013_0003
We observe a maximum degradation of 0.2dB with a position error of 0.6μm on the axes and an inclination of 0.5 ° on each axis.
Les lentilles 350 et 450 convergentes peuvent faire l'objet de différentes variantes de réalisation.The converging lenses 350 and 450 can be the subject of different variant embodiments.
Elles peuvent être réalisées sous forme d'une lentille à gradient d'indice (GRIN) ayant un pas optique voisin de 0,35, ou une lentille à gradient d'indice piano convexe (une telle lentille a un astigmatisme moindre que la lentille précédente) ou encore sous forme d'une lentille à gradient d'indice ayant un pas optique de 0,25 avec une lentille demi- bille.They can be made in the form of a gradient index lens (GRIN) having an optical pitch close to 0.35, or a convex piano gradient gradient lens (such a lens has less astigmatism than the previous lens ) or in the form of a gradient index lens having an optical pitch of 0.25 with a half-ball lens.
Le faisceau de sortie de la lentille a typiquement un diamètre compris entre 300 et 500μm.The output beam of the lens typically has a diameter of between 300 and 500 μm.
Le tableau 5 donne le diamètre du faisceau en sortie d'une lentille à gradient d'indice de pas 0,25.Table 5 gives the diameter of the beam at the output of a lens with a gradient index of 0.25 steps.
Figure imgf000014_0001
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Le tableau ci-dessus donne les valeurs du diamètre du faisceau correspondant à 99% de l'énergie du faisceau en sortie d'une lentille à gradient d'indice ayant un pas de 0,25. Le diamètre effectif en sortie de l'élément optique diffractif 100 est déterminé par la distance entre l'élément optique diffractif et la lentille d'entrée 350 d'une part, et la focale de l'élément optique diffractif 100 d'autre part. Le diamètre en sortie de l'élément optique diffractif peut être approximé par la relation : dE0D= s f/(f+LSép), ds représentant le diamètre du faisceau en sortie de la lentille d'entrée 350, f représentant la focale de l'élément optique diffractif 100 et Lsep représentant la distance entre l'élément optique diffractif 100 et la lentille d'entrée 350.The table above gives the values of the diameter of the beam corresponding to 99% of the energy of the beam at the output of a lens with an index gradient having a pitch of 0.25. The effective diameter at the output of the diffractive optical element 100 is determined by the distance between the diffractive optical element and the input lens 350 on the one hand, and the focal length of the diffractive optical element 100 on the other hand. The diameter at the output of the diffractive optical element can be approximated by the relation: dE0D = s f / (f + L S ép), d s representing the diameter of the beam at the output of the input lens 350, f representing the focal length of the diffractive optical element 100 and L sep representing the distance between the diffractive optical element 100 and the input lens 350.
L'invention n'est cependant pas limitée au type de lentilles précédemment défini.The invention is however not limited to the type of lenses previously defined.
Elle s'étend à toute lentille fonctionnellement équivalente, par exemple sous forme de fibres lentillées en extrémité, ou encore sous forme d'un élément optique diffractif fixe.It extends to any functionally equivalent lens, for example in the form of fibers lensed at the end, or even in the form of a fixed diffractive optical element.
Les moyens d'entraînement 200 peuvent également faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation.The drive means 200 can also be the subject of numerous variant embodiments.
De préférence, le moyen d'entraînement 200 est à base d'une technologie qui permet l'intégration de l'actionneur 200 et de l'élément optique diffractif 100. Cette disposition permet de simplifier la procédure de fabrication et de combiner les deux fonctions (déplacement et support de l'élément optique diffractif 100 sur un seul composant).Preferably, the drive means 200 is based on a technology which allows the integration of the actuator 200 and the diffractive optical element 100. This arrangement makes it possible to simplify the manufacturing procedure and to combine the two functions (displacement and support of the diffractive optical element 100 on a single component).
On a schématisé sur la figure 3 un commutateur conforme à la présente invention comprenant un actionneur 200 et un élément optique diffractif 100 intégré solidaire de la lentille d'entrée 350.There is shown diagrammatically in FIG. 3 a switch in accordance with the present invention comprising an actuator 200 and a diffractive optical element 100 integrated integral with the input lens 350.
Selon un mode de réalisation intéressant de la présente invention, l'actionneur 200 est formé d'un actionneur électrostatique comprenant au moins un peigne interdigité d'électrodes permettant de déplacer une plaque 110 supportant l'élément optique diffractif 100. On a ainsi illustré sur la figure 4 une variante de réalisation selon laquelle il est prévu deux ensembles de peignes 220, 125 interdigités respectivement de part et d'autre de la plaque 110. La direction d'élongation de brins des peignes interdigités est parallèle à la direction de déplacement souhaitée pour la plaque 110 et l'élément optique diffractif 100.According to an interesting embodiment of the present invention, the actuator 200 is formed of an electrostatic actuator comprising at least one interdigitated comb of electrodes making it possible to move a plate 110 supporting the diffractive optical element 100. Thus, Figure 4 an alternative embodiment in which there are provided two sets of combs 220, 125 interdigitated respectively on either side of the plate 110. The direction of elongation of strands of the interdigitated combs is parallel to the desired direction of movement for the plate 110 and the diffractive optical element 100.
De façon connue en soi, lorsqu'une tension électrique est appliquée au peigne interdigité, la force électrostatique résultante générée entre les électrodes déplace la plaque 110 supportant l'élément optique diffractif 110.In a manner known per se, when an electrical voltage is applied to the interdigital comb, the resulting electrostatic force generated between the electrodes moves the plate 110 supporting the diffractive optical element 110.
La plaque 110 est maintenue par un ensemble de ressorts et un système de glissière garantissant une translation avec un minimum d'erreurs.The plate 110 is held by a set of springs and a slide system guaranteeing translation with a minimum of errors.
Plus précisément, selon le mode de réalisation particulier illustré sur la figure 4, il est prévu une première paire de ressorts 130, 132 disposée entre un cadre support 129 et deux faces opposées de la plaque 110, pour autoriser un déplacement dans la direction Y commandé par les peignes interdigités 220, 125 avec rappel en position de repos de la plaque 110 lors de l'interruption de la tension d'alimentation de commande et une deuxième de paire de ressorts 134, 136 fixée entre le cadre 129 et les mêmes faces opposées de la plaque 110 pour assurer le positionnement dans la direction X. On notera sur la figure 4 la présence sur la plaque 110 d'un trouMore specifically, according to the particular embodiment illustrated in Figure 4, there is provided a first pair of springs 130, 132 disposed between a support frame 129 and two opposite faces of the plate 110, to allow movement in the Y direction commanded by the interdigitated combs 220, 125 with return to the rest position of the plate 110 during the interruption of the control supply voltage and a second pair of springs 134, 136 fixed between the frame 129 and the same opposite faces of the plate 110 to ensure positioning in the X direction. Note in FIG. 4 the presence on the plate 110 of a hole
140. Celui-ci peut être de forme cylindrique, elliptique, rectangulaire ou équivalent. En variante, la plaque 110 peut comporter un ensemble de tels trous 140 de forme elliptique circulaire ou rectangulaire ou autres disposés dans l'axe de translation de la plaque. Cet ensemble de trous peut former avec une source de lumière supplémentaire et un détecteur du type photodiode ou un ensemble de photodiodes, un capteur permettant de réaliser un asservissement en position de l'élément optique diffractif 100.140. This can be cylindrical, elliptical, rectangular or equivalent. As a variant, the plate 110 may include a set of such holes 140 of circular or rectangular elliptical shape or the like arranged in the axis of translation of the plate. This set of holes can form, with an additional light source and a detector of the photodiode type or a set of photodiodes, a sensor making it possible to produce a servo-control in position of the diffractive optical element 100.
On a par exemple illustré sur la figure 3, deux fibres auxiliaires 142, 144 d'émission et de réception utilisées pour amener la lumière sur le capteur et recevoir le faisceau issu de celle-ci.For example, there is illustrated in FIG. 3, two auxiliary emission and reception fibers 142, 144 used to bring the light to the sensor and to receive the beam coming from the latter.
En variante, le capteur de position de l'élément optique diffractif 100 peut être formé de tout moyen équivalent, par exemple un capteur de type capacitif ou autres. Dans le cadre de la présente invention, l'élément optique diffractif 100 est de préférence directement gravé dans la plaque en silicium et reçoit une couche antireflet de part et d'autre. On a représenté sur la figure 5, une vue en coupe de l'actionneur 200 conforme à un mode de réalisation particulier de la présente invention.Alternatively, the position sensor of the diffractive optical element 100 can be formed by any equivalent means, for example a capacitive type sensor or the like. In the context of the present invention, the diffractive optical element 100 is preferably directly etched in the silicon plate and receives an anti-reflective layer on either side. There is shown in Figure 5, a sectional view of the actuator 200 according to a particular embodiment of the present invention.
On distingue sur la figure 5 l'élément optique diffractif 100, un support en silicium 128 et une ou plusieurs couches interstitielles 127 dans laquelle est gravé l'actionneur 200 proprement dit.We distinguish in Figure 5 the diffractive optical element 100, a silicon support 128 and one or more interstitial layers 127 in which is engraved the actuator 200 itself.
Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. La description qui précède correspond à des variantes de commutateur exploitant un élément optique diffractif 100 qui fonctionne en transmission.Of course the present invention is not limited to the particular embodiments which have just been described but extends to any variant in accordance with its spirit. The foregoing description corresponds to variant switches using a diffractive optical element 100 which operates in transmission.
Cependant, la présente invention peut également s'appliquer à des commutateurs incorporant un élément optique diffractif travaillant à la réflexion.However, the present invention can also be applied to switches incorporating a diffractive optical element working at reflection.
La présente invention peut également s'appliquer à la réalisation d'un atténuateur optique variable. Dans ce cas, en reprenant l'architecture de base précédemment décrite, l'élément optique diffractif est conçu non pas pour avoir des pertes minimales et uniformes, mais pour présenter une atténuation variable et contrôlée en fonction du point d'impact du faisceau sur la surface de l'élément optique diffractif 100.The present invention can also be applied to the production of a variable optical attenuator. In this case, using the basic architecture previously described, the diffractive optical element is designed not to have minimal and uniform losses, but to present a variable and controlled attenuation according to the point of impact of the beam on the surface of the diffractive optical element 100.
Les commutateurs comportant un seul élément optique diffractif 100, précédemment décrit, fonctionnent généralement sur une plage de longueur d'onde limitée à environ 50nm. Une simulation montre que sur 30nm de la bande L il n'y a pas de perte significative. En général, on peut estimer que sur 50nm les pertes sont mineures. Cette plage peut cependant être étendue à plusieurs centaines de nm en utilisant un deuxième élément optique diffractif 102 intercalé entre le premier élément optique diffractif 100 et l'élément formant lentille de sortie 450, comme illustré sur la figure 6.Switches comprising a single diffractive optical element 100, previously described, generally operate over a wavelength range limited to approximately 50 nm. A simulation shows that on 30nm of the L band there is no significant loss. In general, we can estimate that on 50nm the losses are minor. This range can however be extended to several hundred nm by using a second diffractive optical element 102 interposed between the first diffractive optical element 100 and the output lens element 450, as illustrated in FIG. 6.
Le principe de fonctionnement optique est le même que celui décrit précédemment. Les lentilles 350, 450 sont avantageusement des lentilles à gradient d'indice avec un pas optique (pitch) de 0,25.The principle of optical operation is the same as that described above. The lenses 350, 450 are advantageously gradient index lenses with an optical pitch (pitch) of 0.25.
Le premier élément optique diffractif 100 joue le rôle d'une lentille piano convexe et focalise le faisceau. Le deuxième élément optique diffractif 102 transforme l'onde spherique en onde plane et défléchit le faisceau en fonction de son déplacement. Dans ce cas, le premier élément optique diffractif 100 peut être fixe, seul le deuxième élément optique diffractif 102 étant commandé à déplacement par un moyen d'entraînement 200. Dans cette configuration la plage de fonctionnement peut être étendue de 1300nm à 1650nm, les limitations du commutateur n'étant pas liées à l'élément optique diffractif mais aux lentilles à gradient d'indice.The first diffractive optical element 100 plays the role of a convex piano lens and focuses the beam. The second diffractive optical element 102 transforms the spherical wave into a plane wave and deflects the beam as a function of its displacement. In this case, the first diffractive optical element 100 can be fixed, only the second diffractive optical element 102 being controlled to move by a drive means 200. In this configuration the operating range can be extended from 1300nm to 1650nm, the limitations of the switch not being linked to the diffractive optical element but to the gradient index lenses.
Les aberrations sphériques et chromatiques éventuelles de l'un des éléments optiques diffractifs 100, 102 peuvent être corrigées par le second élément optique diffractif à la manière d'un doublet de lentilles optiques.Any spherical and chromatic aberrations of one of the diffractive optical elements 100, 102 can be corrected by the second diffractive optical element in the manner of a pair of optical lenses.
On notera que l'insertion d'un second élément optique diffractif n'induit pas une diminution des tolérances de positionnement. Le premier élément optique diffractif 100 qui est fixe peut être réalisé en silice ou autres matériaux synthétiques et directement monté sur la lentille d'entrée 350. La fonction optique de l'élément optique diffractif 100 est la fonction optique d'une lentille plan convexe, tandis que la fonction optique du deuxième élément optique diffractif 102 est celle d'une lentille concave.It will be noted that the insertion of a second diffractive optical element does not induce a reduction in the positioning tolerances. The first diffractive optical element 100 which is fixed can be made of silica or other synthetic materials and directly mounted on the input lens 350. The optical function of the diffractive optical element 100 is the optical function of a planar convex lens, while the optical function of the second diffractive optical element 102 is that of a concave lens.
Comme on l'a indiqué précédemment, la présente invention n'est pas limitée à la réalisation d'un commutateur 1x2 mais s'étend à la réalisation de commutateurs IxN et plus généralement NxM.As indicated above, the present invention is not limited to the production of a 1x2 switch but extends to the production of IxN switches and more generally NxM.
On a décrit précédemment des variantes comportant une seule lentille de sortie 450 associée à plusieurs fibres de sortie 400, 410.Variants have been described previously comprising a single output lens 450 associated with several output fibers 400, 410.
Cependant, selon une autre variante, on peut utiliser dans le cadre de la présente invention plusieurs lentilles de sortie 450 associées respectivement chacune à une fibre unique de sortie ou encore à un groupe limité de telles fibres de sortie.However, according to another variant, it is possible in the context of the present invention to use several associated output lenses 450 respectively each to a single output fiber or to a limited group of such output fibers.
On a ainsi représenté sur la figure 7 un commutateur conforme à la présente invention comprenant une fibre d'entrée 300, une lentille d'entrée 350, un élément optique diffractif 100 associé à un actionneur de déplacement 200 et quatre lentilles de sortie 450, 451, 452, 453 associées respectivement à des fibres de sortie 400, 410, 420, 430.FIG. 7 thus shows a switch according to the present invention comprising an input fiber 300, an input lens 350, a diffractive optical element 100 associated with a displacement actuator 200 and four output lenses 450, 451 , 452, 453 respectively associated with output fibers 400, 410, 420, 430.
Une telle variante, quoi que demandant plusieurs lentilles, fait appel à une technologie de production plus simple au niveau du module de sortie par rapport à la solution constituée d'une seule lentille. Elle permet également de garantir une meilleure isolation entre canaux. Dans ce cas, les lentilles de sortie 450, 453 ne couplent la lumière reçue de l'élément optique diffractif, que dans une seule fibre.Such a variant, although requiring several lenses, calls for a simpler production technology at the output module compared to the solution consisting of a single lens. It also ensures better insulation between channels. In this case, the output lenses 450, 453 only couple the light received from the diffractive optical element, in a single fiber.
Les lentilles de sortie 450 à 453 sont typiquement des tronçons de fibres à gradient d'indice d'une longueur égale à un quart de pas optique. Généralement, cette disposition requiert de disposer la lentille de sortie 450 à 453 à une distance plus grande que les variantes antérieurement décrites. Cependant, cette variante ne requiert pas un déplacement de l'élément optique diffractif plus important. On a ainsi illustré sur la figure 8, deux variantes de commutateurs conformes à la présente invention de type 1x2. Dans le cadre de la figure 8, une seule lentille de sortie 450 assure le couplage alternativement dans deux fibres de sortie 400, 410. Au contraire selon la variante de la figure 9, il est prévu deux lentilles de sortie 450, 451 qui couplent la lumière respectivement dans les fibres de sortie 400, 410. On appréciera à l'examen comparatif que la distance d2 séparant les lentilles d'entrée et de sortie dans le cas de la figure 9 est supérieure à la même distance dl dans le cas de la figure 8.The output lenses 450 to 453 are typically sections of fibers with an index gradient of a length equal to a quarter of an optical step. Generally, this arrangement requires placing the output lens 450 to 453 at a greater distance than the variants previously described. However, this variant does not require a greater displacement of the diffractive optical element. There have thus been illustrated in FIG. 8, two variants of switches according to the present invention of the 1x2 type. In the context of FIG. 8, a single output lens 450 ensures the coupling alternately in two output fibers 400, 410. On the contrary according to the variant of FIG. 9, there are two output lenses 450, 451 which couple the light respectively in the output fibers 400, 410. It will be appreciated on comparative examination that the distance d2 separating the input and output lenses in the case of FIG. 9 is greater than the same distance dl in the case of the figure 8.
La distance d2 est déterminée par la relation : d2=h/tg(α/2) dans laquelle α représente l'angle de déviation du faisceau par l'élément optique diffractif et h représente le diamètre de la lentille à gradient d'indice 450 de sortie. Différentes configurations peuvent être retenues dans le cadre de la présente invention pour la réalisation de commutateurs de type NxM avec N et M > à 1.The distance d2 is determined by the relation: d 2 = h / tg (α / 2) in which α represents the angle of deflection of the beam by the diffractive optical element and h represents the diameter of the lens with index gradient 450 output. Different configurations can be retained within the framework of the present invention for the production of switches of the NxM type with N and M> to 1.
De préférence, comme illustré sur la figure 10, on utilise : - N fibres optiques d'entrée 300, 302, 304, 306 conçues pour acheminer N faisceaux d'entrée,Preferably, as illustrated in FIG. 10, we use: - N input optical fibers 300, 302, 304, 306 designed to route N input beams,
- N lentilles d'entrée 350, 352, 354, 356 associées respectivement à la sortie d'une fibre d'entrée 300, 302, 304, 306,- N input lenses 350, 352, 354, 356 associated respectively with the output of an input fiber 300, 302, 304, 306,
- N éléments optiques diffractifs couplés chacun à un actionneur 200 respectif et disposés respectivement au regard de la sortie d'une lentille d'entrée 350, 352, 354, 356,- N diffractive optical elements each coupled to a respective actuator 200 and arranged respectively with regard to the output of an input lens 350, 352, 354, 356,
- M seconds éléments optiques diffractifs 102 associés respectivement chacun à un actionneur spécifique,- M second diffractive optical elements 102 each associated respectively with a specific actuator,
- M lentilles de sortie 450, 451, 452, 453 disposées respectivement au regard de la sortie de l'un des M seconds éléments optiques diffractifs- M output lenses 450, 451, 452, 453 respectively disposed facing the output of one of the M second diffractive optical elements
102, et102, and
- M fibres de sortie 400, 410, 420, 430 disposées respectivement en sortie des lentilles de sortie 450, 451, 452, 453.- M output fibers 400, 410, 420, 430 respectively disposed at the output of the output lenses 450, 451, 452, 453.
Dans ce cas, chacun des premiers éléments optiques diffractifs 100 est adapté pour défléchir le faisceau qu'il reçoit de la fibre d'entrée associée 300, 302, 304 ou 306 sélectivement vers l'un quelconque des seconds éléments optiques diffractifs 102. Et chacun de ces seconds éléments optiques diffractifs 102 est adapté pour injecter dans la fibre de sortie associée 400, 410, 420 ou 430 le faisceau qu'il reçoit, quel que soit l'angle d'incidence de ce dernier.In this case, each of the first diffractive optical elements 100 is adapted to deflect the beam it receives from the associated input fiber 300, 302, 304 or 306 selectively towards any one of the second diffractive optical elements 102. And each of these second diffractive optical elements 102 is suitable for injecting into the associated output fiber 400, 410, 420 or 430 the beam which it receives, whatever the angle of incidence of the latter.
De préférence dans cette configuration, les deux séries d'éléments optiques diffractifs sont mobiles, chacun des éléments optiques diffractifs étant individuellement deplaçable au sein d'un même ensemble. En d'autres termes de préférence, l'élément optique diffractif 100 associé à la lentille 350 est deplaçable indépendamment de l'élément optique diffractif 100 associé à la lentille d'entrée 352 adjacente. Et il en est de même pour les éléments optiques diffractifs 102 associés aux lentilles de sortie 450 à 453. En prenant par exemple α = 2°, et un diamètre de lentille de sortie 450 h = 1mm, la séparation des lentilles de sortie 450 est de l'ordre de 57mm. Cette séparation passe à 103mm si h= 1,8mm.Preferably in this configuration, the two series of diffractive optical elements are movable, each of the diffractive optical elements being individually displaceable within the same assembly. In other words preferably, the diffractive optical element 100 associated with the lens 350 can be moved independently of the diffractive optical element 100 associated with the adjacent input lens 352. And the same is true for the diffractive optical elements 102 associated with the output lenses 450 to 453. By taking for example α = 2 °, and an output lens diameter 450 h = 1mm, the separation of the output lenses 450 is of the order of 57mm. This separation increases to 103mm if h = 1.8mm.
Les essais réalisés par les inventeurs ont montré que la présente invention permet la réalisation d'un composant combinant un encombrement miniature avec des pertes d'insertion réduites se situant à environ 0,7dB en considérant une efficacité de diffraction de 90% de l'élément optique diffractif 100.The tests carried out by the inventors have shown that the present invention allows the production of a component combining miniature dimensions with reduced insertion losses of around 0.7dB considering a diffraction efficiency of 90% of the element diffractive optics 100.
Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toute variante conforme à son esprit.Of course the present invention is not limited to the particular embodiments which have just been described but extends to any variant in accordance with its spirit.
On a évoqué précédemment, un élément optique diffractif déplacé à translation. L'invention peut également s'appliquer à des variantes dans lesquelles l'élément optique diffractif est déplacé à rotation.We have previously mentioned, a diffractive optical element moved in translation. The invention can also be applied to variants in which the diffractive optical element is rotated.
L'élément optique diffractif 100 peut être à une dimension de diffraction ou deux dimensions de diffraction.The diffractive optical element 100 can be in one diffraction dimension or two diffraction dimensions.
Dans les modes de réalisation précédemment décrits, chaque élément optique diffractif 100 ou 102, à un instant donné, ne prend en charge qu'un seul signal optique. En variante, on peut envisager de réaliser l'élément optique diffractif sous forme matricielle propre à prendre en charge et router simultanément plusieurs signaux optiques indépendants.In the embodiments described above, each diffractive optical element 100 or 102, at a given time, supports only one optical signal. As a variant, it is possible to envisage making the diffractive optical element in matrix form capable of taking charge and simultaneously routing several independent optical signals.
On a décrit précédemment des modes de réalisation dans lesquels l'élément optique diffractif 100 est déplacé transversalement à l'axe du faisceau optique d'entrée. Cependant, en variante, l'élément optique diffractif 100 pourrait être déplacé longitudinalement, c'est-à- dire parallèlement à cet axe optique, voir selon un mouvement plus complexe combinant une composante transversale et une composante parallèle au faisceau optique. Embodiments have been described above in which the diffractive optical element 100 is moved transversely to the axis of the input optical beam. However, as a variant, the diffractive optical element 100 could be displaced longitudinally, that is to say parallel to this optical axis, or even in a more complex movement combining a transverse component and a component parallel to the optical beam.

Claims

REVENDICATIONS
1. Commutateur conçu pour orienter sélectivement un signal optique provenant d'un élément d'entrée vers un élément de sortie, caractérisé par le fait qu'il comprend un élément optique diffractif (100) apte à recevoir un faisceau optique en entrée et délivrer le faisceau en sortie selon une direction qui dépend du point d'impact du faisceau d'entrée sur cet élément optique diffractif et un moyen (200) apte à déplacer l'élément optique diffractif (100) relativement au faisceau optique d'entrée entre au moins deux positions distantes.1. Switch designed to selectively orient an optical signal from an input element to an output element, characterized in that it comprises a diffractive optical element (100) capable of receiving an optical beam at the input and delivering the output beam in a direction which depends on the point of impact of the input beam on this diffractive optical element and means (200) able to move the diffractive optical element (100) relative to the optical input beam between at least two distant positions.
2. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend N élément(s) d'entrée et M élément(s) de sortie avec N et M nombre entier au moins égal à 1, ainsi que des moyens adaptés pour orienter sélectivement un signal optique provenant d'un élément d'entrée vers un élément de sortie, les moyens d'orientation comprenant au moins un élément à optique diffractive (100) et un organe (200) associé à l'élément à optique diffractive (100) pour assurer sur commande un déplacement contrôlé de ce dernier propre à orienter le signal optique. 2. Switch according to claim 1, characterized in that it comprises N element (s) input and M element (s) output with N and M whole number at least equal to 1, as well as means adapted for selectively orienting an optical signal coming from an input element towards an output element, the orientation means comprising at least one diffractive optics element (100) and a member (200) associated with the diffractive optics element ( 100) to ensure on command a controlled movement of the latter suitable for orienting the optical signal.
3. Commutateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend N élément(s) d'entrée et M élément(s) de sortie avec N et M nombre entier dont l'un au moins est supérieur à 1, ainsi que des moyens adaptés pour orienter sélectivement un signal optique provenant d'un élément d'entrée vers un élément de sortie, les moyens d'orientation comprenant au moins un élément à optique diffractive (100) et un organe (200) associé à l'élément à optique diffractive (100) pour assurer sur commande un déplacement contrôlé de ce dernier propre à orienter le signal optique.3. Switch according to one of claims 1 or 2, characterized in that it comprises N input element (s) and M output element (s) with N and M whole number of which at least one is greater than 1, as well as means adapted to selectively orient an optical signal coming from an input element towards an output element, the orientation means comprising at least one diffractive optics element (100) and a member (200 ) associated with the diffractive optics element (100) to ensure, on command, a controlled movement of the latter suitable for orienting the optical signal.
4. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comprend N élément(s) d'entrée et M élément(s) de sortie avec N et M nombre entier chacun supérieur à 1, ainsi que des moyens adaptés pour orienter sélectivement un signal optique provenant d'un élément d'entrée vers un élément de sortie, les moyens d'orientation comprenant au moins un élément à optique diffractive (100) et un organe (200) associé à l'élément à optique diffractive (100) pour assurer sur commande un déplacement contrôlé de ce dernier propre à orienter le signal optique. 4. Switch according to one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises N input element (s) and M output element (s) with N and M whole number each greater than 1, as well as means adapted to selectively orient an optical signal coming from an input element towards an output element, the means orientation comprising at least one diffractive optics element (100) and a member (200) associated with the diffractive optics element (100) to ensure on command a controlled movement of the latter adapted to orient the optical signal.
5. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que N est différent de M.5. Switch according to one of claims 1 to 4, characterized in that N is different from M.
6. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que N est égal à M.6. Switch according to one of claims 1 to 4, characterized in that N is equal to M.
7. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le moyen de déplacement (200) est formé d'un micro actionneur apte à déplacer l'élément optique diffractif sur une amplitude comprise entre quelques microns et quelques centaines de microns.7. Switch according to one of claims 1 to 6, characterized in that the displacement means (200) is formed by a micro actuator capable of moving the diffractive optical element over an amplitude between a few microns and a few hundred microns.
8. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un élément de couplage optique d'entrée (350) permettant d'adapter la taille et l'ouverture optique des faisceaux d'entrée à l'élément optique diffractif (100).8. Switch according to one of claims 1 to 7, characterized in that it further comprises an optical input coupling element (350) for adjusting the size and the optical opening of the input beams to the diffractive optical element (100).
9. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il comprend un élément optique d'entrée (350) permettant d'orienter le faisceau d'entrée sur l'élément optique diffractif (100). 9. Switch according to one of claims 1 to 8, characterized in that it comprises an optical input element (350) for orienting the input beam on the diffractive optical element (100).
10. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un élément de couplage optique de sortie (450) permettant d'adapter la taille et l'ouverture optique des faisceaux de l'élément optique diffractif (100) vers un élément optique de sortie (400, 410). 10. Switch according to one of claims 1 to 9, characterized in that it further comprises an optical output coupling element (450) for adjusting the size and the optical opening of the beams of the element diffractive optics (100) to an output optical element (400, 410).
11. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'un élément optique de sortie (450) permet de focaliser les faisceaux de sortie de l'élément optique diffractif (100) vers une sortie choisie.11. Switch according to one of claims 1 to 10, characterized in that an optical output element (450) is used to focus the output beams from the diffractive optical element (100) to a chosen output.
12. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que l'élément optique diffractif (100) fonctionne par transmission des signaux optiques. 12. Switch according to one of claims 1 to 11, characterized in that the diffractive optical element (100) operates by transmission of the optical signals.
13. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que l'élément optique diffractif (100) fonctionne par réflexion des signaux optiques.13. Switch according to one of claims 1 to 11, characterized in that the diffractive optical element (100) operates by reflection of the optical signals.
14. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que l'élément optique diffractif (100) est à une dimension de diffraction.14. Switch according to one of claims 1 to 13, characterized in that the diffractive optical element (100) is at a diffraction dimension.
15. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que l'élément optique diffractif (100) est à deux dimensions de diffraction. 15. Switch according to one of claims 1 to 13, characterized in that the diffractive optical element (100) has two diffraction dimensions.
16. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait qu'au moins une des entrées ou une des sorties est une fibre optique mono mode (300, 400, 410).16. Switch according to one of claims 1 to 15, characterized in that at least one of the inputs or one of the outputs is a single mode optical fiber (300, 400, 410).
17. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait que l'élément optique diffractif (100) a une fonction d'atténuation spatiale.17. Switch according to one of claims 1 to 16, characterized in that the diffractive optical element (100) has a spatial attenuation function.
18. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé par le fait que l'élément optique diffractif (100) est réalisé par gravure dans une plaque de silicium.18. Switch according to one of claims 1 to 17, characterized in that the diffractive optical element (100) is produced by etching in a silicon wafer.
19. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait que l'élément optique diffractif (100) et le moyen d'entraînement (200) sont intégrés par réalisation.19. Switch according to one of claims 1 to 18, characterized in that the diffractive optical element (100) and the drive means (200) are integrated by construction.
20. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé par le fait que l'ouverture de l'élément optique diffractif20. Switch according to one of claims 1 to 19, characterized in that the opening of the diffractive optical element
(100) est compris entre 571,5 et 575. (100) is between 571.5 and 575.
21. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un capteur sensible à la position de l'élément optique diffractif (100) apte à piloter en asservissement le moyen d'entraînement (200).21. Switch according to one of claims 1 to 20, characterized in that it further comprises a sensor sensitive to the position of the diffractive optical element (100) capable of controlling the drive means (200) ).
22. Commutateur selon la revendication 21, caractérisé par le fait que le capteur de position est un capteur optique.22. Switch according to claim 21, characterized in that the position sensor is an optical sensor.
23. Commutateur selon l'une des revendications 21 ou 22, caractérisé par le fait qu'un élément (110) support de l'élément optique diffractif (100) comporte au moins une ouverture permettant le passage d'un faisceau optique permettant de contrôler activement la position de l'élément optique diffractif (100).23. Switch according to one of claims 21 or 22, characterized in that an element (110) supporting the diffractive optical element (100) has at least one opening allowing passage an optical beam for actively controlling the position of the diffractive optical element (100).
24. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 23, caractérisé en ce qu'au moins un des éléments de couplage optique d'entrée et/ou de sortie (350, 450) est constitué d'une lentille à gradient d'indice.24. Switch according to one of claims 1 to 23, characterized in that at least one of the input and / or output optical coupling elements (350, 450) consists of a gradient index lens .
25. Commutateur selon la revendication 24, caractérisé par le fait que la lentille à gradient d'indice (350, 450) est une lentille convergente choisie dans le groupe comprenant : une lentille à gradient d'indice ayant un pas optique voisin de 0,35, une lentille à gradient d'indice piano convexe, ou une lentille à gradient d'indice ayant un pas optique de 0,25 avec une lentille demi bille.25. Switch according to claim 24, characterized in that the index gradient lens (350, 450) is a converging lens chosen from the group comprising: an index gradient lens having an optical pitch close to 0, 35, a convex piano index gradient lens, or an index gradient lens having an optical pitch of 0.25 with a half-ball lens.
26. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 23, caractérisé en ce qu'au moins un des éléments de couplage optique d'entrée et/ou de sortie (350, 450) est constitué d'une fibre à micro lentille.26. Switch according to one of claims 1 to 23, characterized in that at least one of the optical input and / or output coupling elements (350, 450) consists of a microlens fiber.
27. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 23, caractérisé par le fait qu'au moins un des éléments de couplage d'optique d'entrée et/ou de sortie est formé d'un élément optique diffractif fixe.27. Switch according to one of claims 1 to 23, characterized in that at least one of the input and / or output optical coupling elements is formed of a fixed diffractive optical element.
28. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 27, caractérisé par le fait qu'il comprend un élément de couplage optique d'entrée ou de sortie (350, 450) commun à plusieurs éléments d'entrée (300) ou de sortie (400, 410). 28. Switch according to one of claims 1 to 27, characterized in that it comprises an optical input or output coupling element (350, 450) common to several input elements (300) or output (400, 410).
29. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 27, caractérisé par le fait qu'il comprend un élément de couplage optique d'entrée (350) ou de sortie (450) associé respectivement à chaque élément d'entrée (300) ou de sortie (400, 410).29. Switch according to one of claims 1 to 27, characterized in that it comprises an optical input coupling element (350) or output (450) associated respectively with each input element (300) or outlet (400, 410).
30. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 29, caractérisé par le fait que le moyen d'entraînement est formé d'un actionneur électrostatique.30. Switch according to one of claims 1 to 29, characterized in that the drive means is formed of an electrostatic actuator.
31. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 29, caractérisé par le fait que le moyen d'entraînement (200) est choisi dans le groupe comprenant les moteurs piézo-électriques et les moteurs pas à pas.31. Switch according to one of claims 1 to 29, characterized in that the drive means (200) is chosen in the group comprising piezoelectric motors and stepper motors.
32. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 31, caractérisé par le fait qu'il comprend deux éléments optiques diffractifs (100, 102) associés.32. Switch according to one of claims 1 to 31, characterized in that it comprises two diffractive optical elements (100, 102) associated.
33. Commutateur selon la revendication 32, caractérisé par le fait qu'un premier élément optique diffractif (100) joue le rôle d'une lentille piano convexe focalisant le faisceau d'entrée et le deuxième élément optique diffractif (102) transforme une onde spherique en onde plane et assure une fonction de déflexion du faisceau en fonction de son déplacement.33. Switch according to claim 32, characterized in that a first diffractive optical element (100) acts as a convex piano lens focusing the input beam and the second diffractive optical element (102) transforms a spherical wave in plane wave and provides a beam deflection function as a function of its displacement.
34. Commutateur selon l'une des revendications 32 ou 33, caractérisé par le fait qu'un premier élément optique diffractif (100) est fixe tandis que le second élément optique diffractif (102) est mobile. 34. Switch according to one of claims 32 or 33, characterized in that a first diffractive optical element (100) is fixed while the second diffractive optical element (102) is mobile.
35. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 34, caractérisé par le fait qu'il comprend N éléments optiques diffractifs d'entrée (100) et M éléments optiques diffractifs de sortie (102), chacun des N éléments optiques diffractifs d'entrée (100) étant adaptés pour dévier un faisceau d'entrée vers l'un quelconque des M éléments optiques diffractifs (102) de sortie et chacun des M éléments optiques diffractifs de sortie étant adapté pour dévier le faisceau qu'il reçoit de l'un quelconque des N éléments optiques diffractifs d'entrée (100) vers un même élément optique de sortie respectif (400, 410, 420, 430).35. Switch according to one of claims 1 to 34, characterized in that it comprises N diffractive optical input elements (100) and M diffractive optical output elements (102), each of the N diffractive optical elements input (100) being adapted to deflect an input beam to any of the M diffractive optical elements (102) of output and each of the M diffractive optical elements of output being adapted to deflect the beam it receives from the any of the N diffractive optical input elements (100) to the same respective output optical element (400, 410, 420, 430).
36. Commutateur selon l'une des revendications 1 à 35, caractérisé par le fait que l'élément optique diffractif (100) est réalisé sous forme matricielle propre à prendre en charge et router simultanément plusieurs signaux optiques indépendants. 36. Switch according to one of claims 1 to 35, characterized in that the diffractive optical element (100) is produced in a matrix form suitable for handling and routing several independent optical signals simultaneously.
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