EP1381904A1 - Multichannel optical switch - Google Patents

Multichannel optical switch

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Publication number
EP1381904A1
EP1381904A1 EP02730367A EP02730367A EP1381904A1 EP 1381904 A1 EP1381904 A1 EP 1381904A1 EP 02730367 A EP02730367 A EP 02730367A EP 02730367 A EP02730367 A EP 02730367A EP 1381904 A1 EP1381904 A1 EP 1381904A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
electrodes
stator
optical
switch according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02730367A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Serge Valette
Jean-Frédéric Clerc
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1381904A1 publication Critical patent/EP1381904A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H02N1/004—Electrostatic motors in which a body is moved along a path due to interaction with an electric field travelling along the path

Definitions

  • the present invention relates to a multi-channel optical switch.
  • optical switch means an electrically controlled device capable of selectively connecting one or more optical input channels to one or more optical output channels.
  • Optical switches highly miniaturized, find their place essentially in circuits for processing optical signals. The invention can therefore be used, for example, in the field of telecommunications and in particular in that of high speed telecommunications. Optical switches have advantageous characteristics for this field of application. We can note, for example, the characteristics of a low optical loss, a good insensitivity to polarization and to the wavelength of light, a low control power and a response time of the order of a millisecond.
  • the switch described in document (1) comprises a flexible beam with a free end and a fixed end.
  • the beam is also provided with an optical distribution guide.
  • Part of the optical guide corresponding to the fixed end of the beam receives an incident light to be distributed.
  • the part of the light guide corresponding to the free end of the beam can be selectively aligned with light exit light guides.
  • the exit optical guides are generally two in number and the beam can be deflected to align the distribution guide with one of the two exit optical guides.
  • the document (1) mainly proposes to connect in cascade several simple switches with two output channels. Cascading is however done at the cost of an increased size of the switching device, and a greater complexity of the distribution schemes.
  • the object of the invention is to propose a multi-channel optical switch which does not have the limitations of the switch described above.
  • Another object of the invention, linked to the previous one, is to propose such a switch which authorizes a distribution of one or more input channels to one or more output channels, and which does not require the cascading of a plurality of switches.
  • Another object of the invention is to propose a switch in which a more precise and more reliable alignment is possible between an optical distribution guide and optical input or output guides.
  • Another object of the invention is to provide a switch which has a lower sensitivity to vibration and shock.
  • an object of the invention is to provide an economical switch, of simple and reliable construction, and which may include a large number of switching channels.
  • an optical switch comprising: - a movable part, called a rotor, with at least one optical distribution guide, - a fixed part, called a stator, comprising a plurality of optical guides with ends turned towards the rotor, and - means for positioning the rotor in switching positions, in which a end of at least one optical guide for distributing the rotor coincides with at least one end of an optical guide for the stator.
  • the positioning means can be, for example, electrostatic and / or electromagnetic. Preferably, these means are electrostatic.
  • the positioning means comprise a first set of electrodes secured to the stator and a second set of electrodes secured to the rotor, and associated with the first set, in which the electrodes of each set are respectively juxtaposed, with different steps for each game.
  • a second advantage is that it becomes possible to carry out a control of the electrodes step by step to obtain a regular sliding from a rest position to a given stable switching position.
  • at least one pair of electrodes respectively comprising an electrode of the first eu and an electrode of the second set can be associated with each switching position, so that the electrodes of said pair are substantially superimposed when the rotor occupies a corresponding switching position.
  • switching position designates a position in which at least one optical guide for distributing the rotor is aligned with at least one fixed optical guide for the stator.
  • the position in which the polarized electrodes of one or more pairs are superposed is in fact a substantially stable position and can therefore be associated with an optical guide of the stator. Improvements tending to further improve the stability of the rotor switching positions are however proposed.
  • the switch can in fact be provided, in addition, with mechanical means for securing the position. These means can have essentially two functions which are on the one hand to fix with precision the switching position of the rotor and, on the other hand, to secure this position against vibrations or shocks.
  • the means for securing the position of the rotor may comprise elements with complementary shape, secured respectively to the rotor and the stator, and arranged to come into mutual engagement, in at least one switching position.
  • the elements with complementary shape can be interlocking elements such as a notch associated with a protruding post, which engage when a switching position is reached and which are released by the electrostatic forces exerted between the electrodes during a switching change.
  • the means for securing the position may comprise a brake comprising a beam with a fixed end secured to the rotor and a free end capable of being deflected to come into contact with the stator.
  • brake is understood to mean any controlled member which promotes the maintenance of the rotor in a switching position either by complementarity of the shape of parts engaging one another, or by friction contact.
  • the latter may include a generator of bias voltages and means for addressing the electrodes for applying the bias voltages sequentially between pairs of closest electrodes respectively comprising at least one electrode. of the first set of electrodes and at least one electrode of the second set, from a rest position of the stator to a selected switching position.
  • This switching allows an almost continuous sliding of the rotor towards the switching position and makes it possible to reach switching positions distant from the initial rest position. Indeed, electrodes of a pair which are too far apart from each other in the rest position would not allow the exercise of electrostatic forces sufficient to cause movement of the rotor.
  • By applying the bias voltages to the electrodes gradually in a direction towards the switching position a movement of the rotor can be established. because of the difference in pitch between the electrodes of the first and second sets of electrodes.
  • the stator and the rotor can be formed either in the same substrate or in separate substrates.
  • the switch may have, for example, a first substrate comprising the rotor, the set of electrodes of the rotor and the optical guides of the stator, and a second substrate comprising the set of electrodes of the stator.
  • the first substrate may include the rotor and the set of electrodes of the rotor while a second substrate may include the optical guides of the stator and the set of electrodes of the stator.
  • the rotor electrodes can be arranged on a face of the rotor parallel to a plane of rotation, that is to say a main face, or alternatively on a face perpendicular to the plane of rotation, that is to say on a edge of the substrate forming the rotor.
  • FIG. 1 is a schematic and simplified representation of an optical switch according to the invention.
  • - Figure 2 is a schematic and simplified representation of another switch optics according to the invention constituting a variant of the switch of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a simplified representation of a pair of electrodes and illustrates the parameters governing the exercise of electrostatic forces between the electrodes.
  • FIG. 4 is a symbolic representation indicating a relationship between the positions of the electrodes of a stator and a rotor of the optical switch of Figure 2, as a function of control voltages.
  • FIGS. 5A and 5B are schematic representations of a detail of means for securing the switching positions which can be fitted to a switch according to the invention.
  • FIG. 6 is a schematic representation of a detail of an electrostatic control brake, capable of equipping a switch according to the invention.
  • FIG. 7A and 7B are simplified and partial schematic representations of two substrates capable of being assembled to form an optical switch according to the invention.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an optical switch according to the invention.
  • the optical switch comprises a stator 10 with a plurality of optical guides 14, connected to optical fibers I ⁇ , and opening onto an optical connection edge 18 turned towards a rotor 20.
  • the rotor 20 comprises a beam 22 with a fixed end connected to the stator 10 and a free end 24, called "head".
  • the head forms, for example, with the body of the beam 22 a T.
  • a optical guide 30, called distribution is formed on the beam 22 and extends to the rotor head 24.
  • the optical guide 30 has a free end 32 facing the optical connection edge 18.
  • the rotor can be moved in an angular rotation movement according to the plane of the figure.
  • the rotation corresponds, in the example of the figure, to an angular deflection of the beam 22 around an axis of rotation 0.
  • the point 0 substantially coincides with a point of attachment of the fixed end of the beam 22 to the stator 10.
  • the movement of the rotor, carried out in a certain angular sector makes it possible to selectively align the free end 32 of the optical distribution guide 30 with one of the optical guides 14 of the stator opening onto the connection edge 18.
  • the distribution guide 30 of the rotor 20 When the distribution guide 30 of the rotor 20 is aligned with one of the optical guides 14 of the stator 10, a light signal can be transmitted or received by the optical distribution guide.
  • the optical distribution guide 30 extends on the stator, beyond the fixed end of the beam 22, and is connected to an optical fiber 15.
  • this optical fiber 15 and the optical distribution guide 30 are considered as optical input channels while the optical guides 14 and the optical fibers 16 located on the side of the rotor head are considered as optical output channels.
  • This means that an optical signal from a single input optical fiber is selectively distributed over a plurality of output optical fibers.
  • the switch can also be used in the opposite direction, to collect signals from a single output fiber selectively supplied by a plurality of input optical fibers.
  • two switches conforming to FIG. 1, connected head to tail can connect a plurality of input channels selectively to a plurality of output channels.
  • the single optical distribution guide 30 of FIG. 1 can be replaced by a bundle of several optical distribution guides, so as to multiply the number of optical channels connected simultaneously in each switching position.
  • the single optical distribution guide 30 of FIG. 1 can be replaced by a bundle of several optical distribution guides, so as to multiply the number of optical channels connected simultaneously in each switching position.
  • the hearts are indicated in broken lines. They may optionally be arranged, in a manner known per se, between optical confinement layers, not shown.
  • the movement of the rotor is ensured, for example, (FIG. 1), by electrostatic motor means which comprise a set of electrodes M secured to the head 24 of the rotor and a set of electrodes F secured to the stator.
  • the rotor electrodes extend from the upper face of the rotor, that is to say the face corresponding to the plane of the figure, as far as an edge, corresponding to the lateral edge of a plate of material in which the rotor is formed. It is more precisely the edge perpendicular to the end 32 of the distribution guide 30.
  • the electrodes of the stator extend at least partially over the optical connection edge 18, so as to present a face opposite the electrodes of the rotor.
  • the sets of electrodes are arranged on either side of a region comprising the terminations of the optical guides 14 of the stator.
  • the output optical fibers can also lead to the edge of the optical connection between the electrodes.
  • the address tracks of the electrodes located on the head of the rotor extend for example along the beam 22 until reaching the stator 10.
  • a conductive layer of a substrate used for the formation of the rotor can be used as an address track.
  • the substrate is for example a SOI (Silicon On Insulator) type substrate or of another type having a conductive surface layer and isolated by a buried oxide layer.
  • a generator of control voltages is represented symbolically with the reference G. Its ground terminal is connected to the electrodes of the rotor.
  • FIG. 2 shows a second possibility of producing an optical switch according to the invention, which constitutes a variant of that represented by FIG. 1.
  • the switch of FIG. 1 is formed of a rotor 20 with a distribution guide 30 and of a stator 10 which includes the optical output guides 14.
  • a support substrate 12 situated under the rotor, according to the plane of FIG. is integral with the stator 10.
  • the head 24 of the rotor 20, wider than that of the rotor of FIG. 1, comprises on its face facing the support substrate 12 a set of electrodes M- 3 , M- 2 , Mi, M x , M 2 , M 3 .
  • the electrodes M are shown in solid lines for reasons of clarity, although they are located on the hidden face of the rotor.
  • the support substrate 12 of the stator 10 also has, on its face facing the rotor 20, a set of electrodes F_ 4 , F_ 3 , F- 2 , Fi, F 0 , F x , F 2 F 3 , F 4 .
  • This set of electrodes faces that of the rotor and extends in an angular sector capable of being swept by the rotor in its switching movement.
  • the electrodes F hidden by the rotor are indicated in broken dashed line and are shown slightly larger than the electrodes M of the rotor to better distinguish them.
  • the reference 40 designates sliding pads integral with the face of the rotor facing the support substrate 12 of the stator. Their main function is to fix a spacing between the rotor and the stator. The purpose of the spacing is to reduce friction between the stator and the rotor and to avoid contact between the respective electrodes.
  • the electrostatic force F which is exerted between the two electrodes under the effect of a bias voltage V comprises two components F x and F y considered according to the reference indicated above.
  • the expressions of the components F x and F y can be obtained by analytical calculations like those published in the document (3) and lead to the approximate formulas published in the document (2) by neglecting the edge effects and by considering surface electrodes infinite. In this case, we have:
  • ⁇ denotes the dielectric constant of the medium separating the electrodes, in this case air.
  • the force F y is a force tending to bring the electrodes closer to one another. In the case of switch of FIG. 2, the effect of this force is limited by the sliding pads 40.
  • the force F x is a force tending to superimpose the electrodes. It is used in the context of the invention to cause the movement of the rotor relative to the stator. It can be seen that the force F x tends to maximize the overlap of the opposite electrodes when their lateral offset remains sufficiently small. Thus, to effect a displacement of the rotor of a certain amplitude, it is preferable to carry out a sequential addressing of the electrodes of at least one of the sets of electrodes, so as to exert electrostatic forces step by step on electrodes not very distant, or almost superimposed, until a sufficient deflection angle of the beam is obtained corresponding to a desired switching position.
  • FIG. 4 shows, in a particular embodiment, and for different rotor switching positions, the relative arrangement of the electrodes F of the stator and the electrodes M of the rotor of a switch conforming to FIG. 2.
  • the electrodes are represented in line and not in an arc of a circle as in FIG. 2.
  • the rotor comprises 6 electrodes of width L and spaced apart by a distance equal to L.
  • the stator comprises 9 electrodes also of width L and spaced apart from a distance equal to L / 2.
  • the electrodes on which a voltage is applied in the switching position are marked with voltage indications V- 4 to V 4 .
  • FIG. 4 should be read with Table I below which summarizes the rotor positions, noted from P_ 4 to P 4 and which indicates, for each position, the electrodes which are opposite and the voltage which is applied to them.
  • the position P 0 is the rest position of the rotor shown in FIG. 2.
  • the sequential addressing of the electrodes is for example designed so as to scan the commands from positions Pi to P 3 before reaching position P 4 as the final switching position.
  • the control voltages can be lower when the number of electrodes is higher and the pitch between two successive switching positions is reduced.
  • control voltages of the different positions can be higher or lower.
  • V 0 ⁇ V ⁇ ⁇ V 2 ⁇ V 3 ⁇ V 4 The voltage V 0 corresponding to the rest position could a priori be zero.
  • the deflection angle of the beam becomes large, the restoring force to be overcome increases. It is possible, and even preferable, to choose increasing control voltages from the rest position to the extreme deflection positions.
  • the rest position is the central position of the rotor so that the voltages Vi to V 4 can be respectively equal to the voltages V_ ⁇ to V_ 4 .
  • Electrostatic forces therefore not only allow the rotor to move to a given switching position but also, to a certain extent, to maintain this position.
  • Maintaining the position of the rotor can be improved by equipping the switch with additional means for maintaining and securing the position.
  • FIGS. 5A and 5B are partial schematic sections of a switch according to the invention, in a region corresponding to the head of a rotor 20. They show mechanical means for securing the position.
  • a boss 40 integral with the rotor, serves as a sliding and / or spacing pad between the rotor 20 and the stator 10.
  • the boss 40 When the rotor is not in a switching position, which corresponds to the FIG. 5A, the boss 40 is simply pressed against a sliding face of the stator.
  • the rotor 20 can for this purpose serve as a return spring.
  • the boss 40 engages in a notch 41 of the substrate 12 of the rotor, when the distribution guide 30 coincides with an outlet guide 14, that is to say when the rotor occupies a switching position.
  • the boss 40 and the notch 41 provide a locking of the switching position which is sufficiently loose to be overcome by the return force of the rotor and / or by the electrostatic forces exerted during a change of switching state.
  • the lock is, however, firm enough to reduce the sensitivity of the switching state to external shocks or vibrations.
  • FIG. 6 shows another means of securing the switching positions. It also only shows part of a rotor and a switch stator.
  • the rotor is produced from a multilayer substrate, for example of the SOI (silicon on insulator) type which comprises a surface layer 44, separated from a support layer 48 by a buried layer 46.
  • a tongue 50 is defined in the surface layer 44 facing the stator.
  • One end of the tongue 50 is also freed from the support layer 48 by a selective and partial etching of the buried layer 46.
  • the optical distribution guide is omitted in this figure for reasons of simplification.
  • An electrode 52 formed on the tongue 50 can cooperate with one or more counter electrodes 54 formed on the substrate. The application of a voltage between the electrode 52 and a counter-electrode 54 which faces it makes it possible to deflect the tongue 50 in the position indicated in broken lines.
  • the tongue rubs against the rotor and constitutes a brake. It can also come to engage in a notch 56 of the rotor to lock it in a switching position.
  • An insulating layer is placed on the electrode 52 so as to avoid electrical contact with the electrode 54.
  • FIG. 7A shows a first substrate plate, for example a silicon plate 60 with a thickness of the order of 0.4 mm to 2 mm.
  • the plate is engraved according to the usual lithography and engraving techniques to practice there one day 62 and to define there a rotor 20.
  • the rotor 20 has a beam 22 and a head 24 which extends in the form of fins on the part and other of the beam 22.
  • the same substrate plate 60 forms the rotor 20 and a part of the stator 10.
  • the stator can receive optical guides 14, also formed by techniques known in the fields of manufacturing optical components .
  • electrodes M are formed comparable to those of FIG. 2. A more elongated design of the electrodes makes it possible to increase their surface.
  • the face of the substrate 60 visible in FIG. 7A, is a face which will be turned towards a second substrate with which the first substrate must be assembled.
  • the second substrate 12 is partially shown in FIG. 7B. It includes the electrodes F of the stator. It also includes lines for addressing the electrodes (not shown), and can optionally incorporate a multiplexer or another electrical switching circuit enabling the electrodes to be addressed in sequence.
  • the first and second substrates are assembled, for example by gluing or by molecular adhesion, by turning the electrodes of the rotor towards those of the stator.

Abstract

The invention concerns an optical switch comprising: a rotor (20), with at least a distribution optical guide (30), a stator, including a plurality of optical guides (14) with ends facing the rotor, and electrostatic motoring means (M, F, G) for positioning the rotor in switching positions. The invention is characterised in that the motoring means comprise a first set of electrodes integral with the stator and a second set of electrodes integral with the rotor and associated with the first set, wherein the electrodes of the first set and of the second set are respectively juxtaposed, with different pitches for each set. The invention is applicable to high-speed telecommunications.

Description

COMMUTATEUR OPTIQUE MULTIVOIE MULTI-CHANNEL OPTICAL SWITCH
Domaine -techniqueTechnical area
La présente invention concerne un commutateur optique multivoies.The present invention relates to a multi-channel optical switch.
On entend par commutateur optique un dispositif à commande électrique capable de connecter de manière sélective une ou plusieurs voies optiques d'entrée à une ou plusieurs voies optiques de sortie. Les commutateurs optiques, fortement miniaturisés, trouvent leur place essentiellement dans des circuits de traitement de signaux optiques. L'invention peut donc être mise à profit, par exemple, dans le domaine des télécommunications et en particulier dans celui des télécommunications à haut débit. Les commutateurs optiques présentent en effet des caractéristiques avantageuses pour ce domaine d'application. On peut relever, par exemple, les caractéristiques d'une faible perte optique, d'une bonne insensibilité à la polarisation et à la longueur d'onde de la lumière, d'une faible puissance de commande et d'un temps de réponse de l'ordre de la milliseconde.The term optical switch means an electrically controlled device capable of selectively connecting one or more optical input channels to one or more optical output channels. Optical switches, highly miniaturized, find their place essentially in circuits for processing optical signals. The invention can therefore be used, for example, in the field of telecommunications and in particular in that of high speed telecommunications. Optical switches have advantageous characteristics for this field of application. We can note, for example, the characteristics of a low optical loss, a good insensitivity to polarization and to the wavelength of light, a low control power and a response time of the order of a millisecond.
Etat de la technique antérieureState of the art
Une bonne illustration de l'état de la technique est donnée par le document (1) dont les références complètes sont mentionnées à la fin de la description. Le commutateur décrit dans le document (1) comporte une poutrelle flexible présentant une extrémité libre et une extrémité fixe. La poutrelle est par ailleurs pourvue d'un guide optique de distribution. Une partie du guide optique correspondant à l'extrémité fixe de la poutrelle reçoit une lumière incidente à distribuer. La partie du guide optique correspondant à l'extrémité libre de la poutrelle peut être alignée de façon sélective avec des guides optiques de sortie de la lumière. Les guides optiques de sortie sont généralement au nombre de deux et la poutrelle peut être défléchie pour aligner le guide de distribution avec l'un des deux guides optiques de sortie .A good illustration of the state of the art is given in document (1), the full references of which are mentioned at the end of the description. The switch described in document (1) comprises a flexible beam with a free end and a fixed end. The beam is also provided with an optical distribution guide. Part of the optical guide corresponding to the fixed end of the beam receives an incident light to be distributed. The part of the light guide corresponding to the free end of the beam can be selectively aligned with light exit light guides. The exit optical guides are generally two in number and the beam can be deflected to align the distribution guide with one of the two exit optical guides.
Pour obtenir une distribution d'un signal lumineux vers un nombre N de guides optiques de sortie, supérieur à 2, le document (1) propose principalement de connecter en cascade plusieurs commutateurs simples à deux voies de sortie. La mise en cascade se fait pourtant au prix d'un encombrement accru du dispositif de commutation, et d'une complexité plus grande des schémas de distribution.To obtain a distribution of a light signal towards a number N of optical output guides, greater than 2, the document (1) mainly proposes to connect in cascade several simple switches with two output channels. Cascading is however done at the cost of an increased size of the switching device, and a greater complexity of the distribution schemes.
Une solution alternative consisterait à multiplier le nombre de guides optiques de sortie associés à un même guide de distribution. La multiplication des guides optiques de sortie pose cependant des problèmes croissants d'alignement de ces guides de sortie sur le guide de distribution.An alternative solution would be to multiply the number of optical output guides associated with the same distribution guide. The multiplication of the output optical guides however poses increasing problems of alignment of these output guides on the distribution guide.
D'autres aspects de l'état de la technique sont illustrés par les documents (2) et (3) dont les références sont également précisées à la fin de la description. Exposé de l'inventionOther aspects of the state of the art are illustrated by documents (2) and (3), the references of which are also given at the end of the description. Statement of the invention
L'invention a pour but de proposer un commutateur optique multivoie ne présentant pas les limitations du commutateur décrit précédemment. Un autre but de l'invention, lié au précédent, est de proposer un tel commutateur qui autorise une distribution d'une ou plusieurs voies d'entrée vers une ou plusieurs voies de sortie, et qui ne nécessite pas la mise en cascade d'une pluralité de commutateurs. Un but de l'invention est encore de proposer un commutateur dans lequel un alignement plus précis et plus fiable est possible entre un guide optique de distribution et des guides optiques d' entrée ou de sortie . Un autre but de l'invention est de proposer un commutateur qui présente une plus faible sensibilité aux vibrations et aux chocs.The object of the invention is to propose a multi-channel optical switch which does not have the limitations of the switch described above. Another object of the invention, linked to the previous one, is to propose such a switch which authorizes a distribution of one or more input channels to one or more output channels, and which does not require the cascading of a plurality of switches. Another object of the invention is to propose a switch in which a more precise and more reliable alignment is possible between an optical distribution guide and optical input or output guides. Another object of the invention is to provide a switch which has a lower sensitivity to vibration and shock.
Enfin, un but de l'invention est de proposer un commutateur économique, de construction simple et fiable, et pouvant comporter un nombre important de voies de commutation.Finally, an object of the invention is to provide an economical switch, of simple and reliable construction, and which may include a large number of switching channels.
Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un commutateur optique comprenant : - une partie mobile, appelée rotor, avec au moins un guide optique de distribution, - une partie fixe, appelée stator, comprenant une pluralité de guides optiques avec des extrémités tournées vers le rotor, et - des moyens de positionnement du rotor dans des positions de commutation, dans lesquelles une extrémité d'au moins un guide optique de distribution du rotor coïncide avec au moins une extrémité d'un guide optique du stator.To achieve these goals, the invention more specifically relates to an optical switch comprising: - a movable part, called a rotor, with at least one optical distribution guide, - a fixed part, called a stator, comprising a plurality of optical guides with ends turned towards the rotor, and - means for positioning the rotor in switching positions, in which a end of at least one optical guide for distributing the rotor coincides with at least one end of an optical guide for the stator.
Les moyens de positionnement peuvent être, par exemple, électrostatiques et/ou électromagnétiques. De préférence, ces moyens sont électrostatiques.The positioning means can be, for example, electrostatic and / or electromagnetic. Preferably, these means are electrostatic.
Conformément à une réalisation particulière du commutateur, les moyens de positionnement comportent un premier jeu d'électrodes solidaires du stator et un deuxième eu d'électrodes solidaires du rotor, et associé au premier jeu, dans lequel les électrodes de chaque jeu sont respectivement juxtaposées, avec des pas différents pour chaque jeu.In accordance with a particular embodiment of the switch, the positioning means comprise a first set of electrodes secured to the stator and a second set of electrodes secured to the rotor, and associated with the first set, in which the electrodes of each set are respectively juxtaposed, with different steps for each game.
L'utilisation de jeux d'électrodes avec des pas différents présente dans le cadre de l'invention plusieurs avantages. L'un des principaux avantages est que l'ensemble des électrodes du premier jeu et du deuxième jeu ne peuvent pas coïncider simultanément.The use of sets of electrodes with different pitches has several advantages in the context of the invention. One of the main advantages is that the set of electrodes of the first set and of the second set cannot coincide simultaneously.
Ceci autorise plusieurs positions stables pour le rotor. Un deuxième avantage est qu'il devient possible d'effectuer une commande des électrodes de proche en proche pour obtenir un glissement régulier d'une position de repos à une position de commutation stable donnée . Selon un aspect particulier de l'invention, au moins une paire d'électrodes comprenant respectivement une électrode du premier eu et une électrode du deuxième jeu, peut être associée à chaque position de commutation, de sorte que les électrodes de ladite paire soient sensiblement superposés lorsque le rotor occupe une position de commutation correspondante. On désigne par « position de commutation » une position dans laquelle au moins un guide optique de distribution du rotor est aligné avec au moins un guide optique fixe du stator. La position dans laquelle les électrodes polarisées d'une ou de plusieurs paires sont superposées, est en effet une position sensiblement stable et peut donc être associée à un guide optique du stator . Des perfectionnements tendant à améliorer encore la stabilité des positions de commutation du rotor sont toutefois proposés. Le commutateur peut en effet être pourvu, en outre, de moyens mécaniques de sécurisation de la position. Ces moyens peuvent avoir essentiellement deux fonctions qui sont d'une part de fixer avec précision la position de commutation du rotor et, d'autre part, de sécuriser cette position contre les vibrations ou les chocs.This allows several stable positions for the rotor. A second advantage is that it becomes possible to carry out a control of the electrodes step by step to obtain a regular sliding from a rest position to a given stable switching position. According to a particular aspect of the invention, at least one pair of electrodes respectively comprising an electrode of the first eu and an electrode of the second set, can be associated with each switching position, so that the electrodes of said pair are substantially superimposed when the rotor occupies a corresponding switching position. The term “switching position” designates a position in which at least one optical guide for distributing the rotor is aligned with at least one fixed optical guide for the stator. The position in which the polarized electrodes of one or more pairs are superposed, is in fact a substantially stable position and can therefore be associated with an optical guide of the stator. Improvements tending to further improve the stability of the rotor switching positions are however proposed. The switch can in fact be provided, in addition, with mechanical means for securing the position. These means can have essentially two functions which are on the one hand to fix with precision the switching position of the rotor and, on the other hand, to secure this position against vibrations or shocks.
Selon une première possibilité, les moyens de sécurisation de la position du rotor peuvent comporter des éléments à complémentarité de forme, solidaires respectivement du rotor et du stator, et agencés pour venir en prise mutuelle, dans au moins une position de commutation. Les éléments à complémentarité de forme peuvent être des éléments à enclenchement tels qu'une encoche associée à un tenon saillant, qui s'enclenchent lorsque une position de commutation est atteinte et qui sont libérés par les forces électrostatiques exercées entre les électrodes lors d'un changement de commutation. Selon une autre possibilité, les moyens de sécurisation de la position peuvent comporter un frein comportant une poutrelle avec une extrémité fixe, solidaire du rotor et une extrémité libre susceptible d'être défléchie pour venir en contact avec le stator.According to a first possibility, the means for securing the position of the rotor may comprise elements with complementary shape, secured respectively to the rotor and the stator, and arranged to come into mutual engagement, in at least one switching position. The elements with complementary shape can be interlocking elements such as a notch associated with a protruding post, which engage when a switching position is reached and which are released by the electrostatic forces exerted between the electrodes during a switching change. According to another possibility, the means for securing the position may comprise a brake comprising a beam with a fixed end secured to the rotor and a free end capable of being deflected to come into contact with the stator.
On entend par frein tout organe commandé qui favorise le maintien du rotor dans une position de commutation soit par complémentarité de forme de pièces s' engageant les unes dans les autres, soit par contact de frottement.The term “brake” is understood to mean any controlled member which promotes the maintenance of the rotor in a switching position either by complementarity of the shape of parts engaging one another, or by friction contact.
Dans une réalisation particulière du commutateur, celui-ci peut comporter un générateur de tensions de polarisation et des moyens d'adressage des électrodes pour appliquer les tensions de polarisation de façon séquentielle entre des paires d'électrodes les plus proches comprenant respectivement au moins une électrode du premier jeu d'électrodes et au moins une électrode du deuxième jeu, depuis une position de repos du stator jusqu'à une position de commutation sélectionnée.In a particular embodiment of the switch, the latter may include a generator of bias voltages and means for addressing the electrodes for applying the bias voltages sequentially between pairs of closest electrodes respectively comprising at least one electrode. of the first set of electrodes and at least one electrode of the second set, from a rest position of the stator to a selected switching position.
Cette commutation permet un glissement quasi- continu du rotor vers la position de commutation et permet d'atteindre des positions de commutation éloignées de la position initiale de repos. En effet, des électrodes d'une paire qui seraient trop éloignées entre elles dans la position de repos ne permettraient pas l'exercice de forces électrostatiques suffisantes pour provoquer le mouvement du rotor. En appliquant les tensions de polarisation aux électrodes de proche en proche dans une direction vers la position de commutation, un mouvement du rotor peut s'établir en raison de la différence de pas existant entre les électrodes des premier et deuxième jeux d'électrodes.This switching allows an almost continuous sliding of the rotor towards the switching position and makes it possible to reach switching positions distant from the initial rest position. Indeed, electrodes of a pair which are too far apart from each other in the rest position would not allow the exercise of electrostatic forces sufficient to cause movement of the rotor. By applying the bias voltages to the electrodes gradually in a direction towards the switching position, a movement of the rotor can be established. because of the difference in pitch between the electrodes of the first and second sets of electrodes.
Le stator et le rotor peuvent être formés soit dans un même substrat soit dans des substrats distincts. Le commutateur peut présenter, par exemple, un premier substrat comportant le rotor, le jeu d'électrodes du rotor et les guides optiques du stator, et un deuxième substrat comportant le jeu d'électrodes du stator. Selon une variante, le premier substrat peut comporter le rotor et le jeu d'électrodes du rotor tandis qu'un deuxième substrat peut comporter les guides optiques du stator et le jeu d'électrodes du stator . Les électrodes du rotor peuvent être ménagées sur une face du rotor parallèle à un plan de rotation, c'est-à-dire une face principale, ou encore sur une face perpendiculaire au plan de rotation, c'est-à-dire sur une tranche du substrat formant le rotor. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif.The stator and the rotor can be formed either in the same substrate or in separate substrates. The switch may have, for example, a first substrate comprising the rotor, the set of electrodes of the rotor and the optical guides of the stator, and a second substrate comprising the set of electrodes of the stator. Alternatively, the first substrate may include the rotor and the set of electrodes of the rotor while a second substrate may include the optical guides of the stator and the set of electrodes of the stator. The rotor electrodes can be arranged on a face of the rotor parallel to a plane of rotation, that is to say a main face, or alternatively on a face perpendicular to the plane of rotation, that is to say on a edge of the substrate forming the rotor. Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the description which follows, with reference to the figures of the accompanying drawings. This description is given purely by way of non-limiting illustration.
Brève description des figures .Brief description of the figures.
- La figure 1 est une représentation schématique et simplifiée d'un commutateur optique conforme à l'invention. - La figure 2 est une représentation schématique et simplifiée d'un autre commutateur optique conforme à l'invention constituant une variante du commutateur de la figure 1.- Figure 1 is a schematic and simplified representation of an optical switch according to the invention. - Figure 2 is a schematic and simplified representation of another switch optics according to the invention constituting a variant of the switch of FIG. 1.
- La figure 3, est une représentation simplifiée d'une paire d'électrodes et illustre les paramètres gouvernant l'exercice de forces électrostatiques entre les électrodes.- Figure 3 is a simplified representation of a pair of electrodes and illustrates the parameters governing the exercise of electrostatic forces between the electrodes.
- La figure 4, est une représentation symbolique indiquant une relation entre les positions des électrodes d'un stator et d'un rotor du commutateur optique de la figure 2, en fonction de tensions de commande .- Figure 4 is a symbolic representation indicating a relationship between the positions of the electrodes of a stator and a rotor of the optical switch of Figure 2, as a function of control voltages.
- Les figures 5A et 5B sont des représentations schématiques d'un détail de moyens de sécurisation des positions de commutation pouvant équiper un commutateur conforme à l'invention.- Figures 5A and 5B are schematic representations of a detail of means for securing the switching positions which can be fitted to a switch according to the invention.
- La figure 6 est une représentation schématique d'un détail d'un frein à commande électrostatique, susceptible d'équiper un commutateur conforme à l'invention. - Les figures 7A et 7B sont des représentations schématiques simplifiées et partielles de deux substrats susceptibles d'être assemblés pour former un commutateur optique conforme à l'invention.- Figure 6 is a schematic representation of a detail of an electrostatic control brake, capable of equipping a switch according to the invention. - Figures 7A and 7B are simplified and partial schematic representations of two substrates capable of being assembled to form an optical switch according to the invention.
Description détaillée de modes de mise en œuyre de 1' invention.Detailed description of methods of implementing the invention.
Dans le texte qui suit, des éléments identiques, similaires ou équivalents des différentes figures sont repérés avec les mêmes références de façon à éviter la répétition de leur description. La figure 1 montre une première réalisation d'un commutateur optique conforme à l'invention. Le commutateur optique comprend un stator 10 avec une pluralité de guides optiques 14, reliés à des fibres optiques Iβ, et débouchant sur un bord de connexion optique 18 tourné vers un rotor 20. Le rotor 20 comprend une poutre 22 avec une extrémité fixe reliée au stator 10 et une extrémité libre 24, appelée « tête ». La tête forme, par exemple, avec le corps de la poutre 22 un T. Un guide optique 30, dit de distribution, est formé sur la poutre 22 et s'étend jusqu'à la tête de rotor 24. Le guide optique 30 présente une extrémité libre 32 tournée vers le bord de connexion optique 18. Le rotor peut être mu dans un mouvement de rotation angulaire selon le plan de la figure. La rotation correspond, dans l'exemple de la figure, à une déflexion angulaire de la poutre 22 autour d'un axe de rotation 0. Le point 0 coïncide sensiblement avec un point d'attache de l'extrémité fixe de la poutre 22 au stator 10. Le mouvement du rotor, effectué dans un certain secteur angulaire permet d'aligner sélectivement l'extrémité libre 32 du guide optique de distribution 30 avec l'un des guides optiques 14 du stator débouchant sur le bord de connexion 18.In the following text, identical, similar or equivalent elements of the different figures are identified with the same references so as to avoid repeating their description. Figure 1 shows a first embodiment of an optical switch according to the invention. The optical switch comprises a stator 10 with a plurality of optical guides 14, connected to optical fibers Iβ, and opening onto an optical connection edge 18 turned towards a rotor 20. The rotor 20 comprises a beam 22 with a fixed end connected to the stator 10 and a free end 24, called "head". The head forms, for example, with the body of the beam 22 a T. A optical guide 30, called distribution, is formed on the beam 22 and extends to the rotor head 24. The optical guide 30 has a free end 32 facing the optical connection edge 18. The rotor can be moved in an angular rotation movement according to the plane of the figure. The rotation corresponds, in the example of the figure, to an angular deflection of the beam 22 around an axis of rotation 0. The point 0 substantially coincides with a point of attachment of the fixed end of the beam 22 to the stator 10. The movement of the rotor, carried out in a certain angular sector makes it possible to selectively align the free end 32 of the optical distribution guide 30 with one of the optical guides 14 of the stator opening onto the connection edge 18.
Lorsque le guide de distribution 30 du rotor 20 est aligné avec l'un des guides optiques 14 du stator 10, un signal lumineux peut être transmis ou reçu par le guide optique de distribution. Le guide optique de distribution 30 se prolonge sur le stator, au-delà de l'extrémité fixe de la poutre 22, et est connecté à une fibre optique 15. Dans la description qui suit cette fibre optique 15 et le guide optique de distribution 30 sont considérées comme des voies optiques d'entrée tandis que les guides optiques 14 et les fibres optiques 16 situées du côté de la tête du rotor sont considérées comme des voies optiques de sortie. Ceci revient à dire qu'un signal optique en provenance d'une unique fibre optique d'entrée est distribué de façon sélective sur une pluralité de fibres optiques de sortie. Il convient toutefois de préciser que le commutateur peut aussi être utilisé en sens inverse, pour collecter sur une seule fibre de sortie des signaux fournis sélectivement par une pluralité de fibres optiques d'entrée. Enfin, deux commutateurs conformes à la figure 1, connectés tête- bêche, peuvent connecter une pluralité de voies d'entrée sélectivement à une pluralité de voies de sortie .When the distribution guide 30 of the rotor 20 is aligned with one of the optical guides 14 of the stator 10, a light signal can be transmitted or received by the optical distribution guide. The optical distribution guide 30 extends on the stator, beyond the fixed end of the beam 22, and is connected to an optical fiber 15. In the following description, this optical fiber 15 and the optical distribution guide 30 are considered as optical input channels while the optical guides 14 and the optical fibers 16 located on the side of the rotor head are considered as optical output channels. This means that an optical signal from a single input optical fiber is selectively distributed over a plurality of output optical fibers. It should however be specified that the switch can also be used in the opposite direction, to collect signals from a single output fiber selectively supplied by a plurality of input optical fibers. Finally, two switches conforming to FIG. 1, connected head to tail, can connect a plurality of input channels selectively to a plurality of output channels.
Par ailleurs, le guide optique unique de distribution 30 de la figure 1 peut être remplacé par un faisceau de plusieurs guides optiques de distribution, de façon à multiplier le nombre de voies optiques connectées simultanément dans chaque position de commutation. On peut enfin remarquer que, pour des raisons de simplification, seuls les cœurs des guides optiques sont représentés sur les figures. Les cœurs sont indiqués en trait discontinu. Ils peuvent être éventuellement disposés, de façon connue en soi, entre des couches de confinement optique, non représentées. Le mouvement du rotor est assuré, par exemple, (figure 1) , par des moyens moteurs électrostatiques qui comportent un jeu d'électrodes M solidaires de la tête 24 du rotor et un jeu d'électrodes F solidaires du stator. Les-' électrodes du rotor s'étendent depuis la face supérieure du rotor, c'est-à-dire la face correspondant au plan de la figure, jusque sur un bord, correspondant au chant latéral d'une plaque de matériau dans laquelle le rotor est formé. Il s'agit plus précisément du bord perpendiculaire à l'extrémité 32 du guide de distribution 30.Furthermore, the single optical distribution guide 30 of FIG. 1 can be replaced by a bundle of several optical distribution guides, so as to multiply the number of optical channels connected simultaneously in each switching position. Finally, it can be noted that, for reasons of simplification, only the cores of the optical guides are shown in the figures. The hearts are indicated in broken lines. They may optionally be arranged, in a manner known per se, between optical confinement layers, not shown. The movement of the rotor is ensured, for example, (FIG. 1), by electrostatic motor means which comprise a set of electrodes M secured to the head 24 of the rotor and a set of electrodes F secured to the stator. The rotor electrodes extend from the upper face of the rotor, that is to say the face corresponding to the plane of the figure, as far as an edge, corresponding to the lateral edge of a plate of material in which the rotor is formed. It is more precisely the edge perpendicular to the end 32 of the distribution guide 30.
De la même façon, les électrodes du stator s'étendent au moins partiellement sur le bord de connexion optique 18, de manière à présenter une face en regard des électrodes du rotor. Dans l'exemple de la figure, les jeux d'électrodes sont disposés de part et d'autre d'une région comprenant les terminaisons des guides optiques 14 du stator. Selon une variante, les fibres optiques de sortie peuvent également déboucher sur le bord de connexion optique entre les électrodes.Similarly, the electrodes of the stator extend at least partially over the optical connection edge 18, so as to present a face opposite the electrodes of the rotor. In the example of the figure, the sets of electrodes are arranged on either side of a region comprising the terminations of the optical guides 14 of the stator. Alternatively, the output optical fibers can also lead to the edge of the optical connection between the electrodes.
L'application de tensions de commande entre des paires d'électrodes décalées comprenant respectivement une ou plusieurs électrodes ou stator et une ou plusieurs électrodes du rotor, permet d'exercer sur la tête 24 du rotor des forces électrostatiques et de provoquer ainsi une rotation autour du point 0. On peut observer à ce sujet que la poutre 22 présente une largeur diminuée au voisinage du point 0. Ce rétrécissement permet de réduire la constante de rappel de la poutre 22 dans sa position de repos. La position de repos, qui est celle occupée par la poutre 22 en l'absence de tension appliquée aux électrodes, est aussi celle représentée sur la figure. La position de repos constitue également, dans l'exemple de la figure 1, l'une des positions de commutation. Afin de ne pas surcharger les figures les pistes d'adressage des électrodes ne sont pas représentées. Il s'agit de pistes conductrices d'un type très commun, par exemple en cuivre. Elles sont, par exemple, formées par des procédé de lithographie et de gravure d'une couche de matériau conducteur, et peuvent être réalisées en même temps que les électrodes. Les pistes d'adressage des électrodes se trouvant sur la tête du rotor s'étendent par exemple le long de la poutre 22 jusqu'à atteindre le stator 10. Ainsi, et en raison de la faible largeur de la poutre il est possible et souhaitable de porter l'ensemble des électrodes du rotor à un même potentiel. Ceci permet de réduire le nombre de pistes du rotor à un. Par ailleurs, dans ce dernier cas, une couche conductrice d'un substrat utilisé pour la formation du rotor peut être utilisée comme piste d'adressage. Le substrat est par exemple un substrat de type SOI (Silicon On Insulator ; silicium sur isolant) ou d'un autre type présentant une couche superficielle conductrice et isolée par une couche enterrée d'oxyde.The application of control voltages between offset pairs of electrodes respectively comprising one or more electrodes or stator and one or more electrodes of the rotor, makes it possible to exert on the head 24 of the rotor electrostatic forces and thus to cause a rotation around from point 0. It can be observed on this subject that the beam 22 has a reduced width in the vicinity of point 0. This narrowing makes it possible to reduce the constant of return of the beam 22 in its rest position. The rest position, which is that occupied by the beam 22 in the absence of voltage applied to the electrodes, is also that shown in the figure. The rest position also constitutes, in the example of FIG. 1, one of the switching positions. In order not to overload the figures, the electrode addressing tracks are not shown. These are conductive tracks of a very common type, for example copper. They are, for example, formed by lithography and etching processes of a layer of conductive material, and can be produced at the same time as the electrodes. The address tracks of the electrodes located on the head of the rotor extend for example along the beam 22 until reaching the stator 10. Thus, and because of the small width of the beam it is possible and desirable to bring all of the rotor electrodes to the same potential. This reduces the number of rotor tracks to one. Furthermore, in the latter case, a conductive layer of a substrate used for the formation of the rotor can be used as an address track. The substrate is for example a SOI (Silicon On Insulator) type substrate or of another type having a conductive surface layer and isolated by a buried oxide layer.
Un générateur de tensions de commande est représenté symboliquement avec la référence G. Sa borne de masse est reliée aux électrodes du rotor.A generator of control voltages is represented symbolically with the reference G. Its ground terminal is connected to the electrodes of the rotor.
La figure 2 montre une seconde possibilité de réalisation d'un commutateur optique conforme à l'invention, qui constitue une variante de celle représentée par la figure 1. Un grand nombre d'éléments de la figure 2 sont identiques à ceux de la figure 1 et ne sont donc pas repris ici. Le commutateur de la figure 1 est formé d'un rotor 20 avec un guide de distribution 30 et d'un stator 10 qui comprend les guides optiques de sortie 14. Un substrat de support 12 situé sous le rotor, selon le plan de la figure, est solidaire du stator 10. La tête 24 du rotor 20, plus large que celle du rotor de la figure 1 comprend sur sa face tournée vers le substrat de support 12 un jeu d'électrodes M-3, M-2, M-i, Mx, M2, M3. Sur la figure, les électrodes M sont représentées en trait plein pour des raisons de clarté, bien qu'elles se situent sur la face cachée du rotor. Le substrat de support 12 du stator 10 présente également, sur sa face tournée vers le rotor 20, un jeu d'électrodes F_4, F_3, F-2, F-i, F0, Fx, F2 F3, F4. Ce jeu d'électrodes fait face à celui du rotor et s'étend dans un secteur angulaire susceptible d'être balayé par le rotor dans son mouvement de commutation. Les électrodes F cachées par le rotor sont indiquées en trait discontinu mixte et sont représentées légèrement plus grandes que les électrodes M du rotor pour mieux les en distinguer. La référence 40 désigne des patins de glissement solidaires de la face du rotor tournée vers le substrat de support 12 du stator. Leur fonction principale est de fixer un espacement entre le rotor et le stator. L'espacement a pour double but de réduire les frottements entre le stator et le rotor et d'éviter un contact entre les électrodes respectives. Avant d'examiner plus en détail l'adressage électrique des électrodes et leur lien avec la position du rotor il convient de rappeler brièvement quelques principes gouvernant les forces électrostatiques s' exerçant entre deux électrodes M et F d'un condensateur, planes et parallèles, soumises à une différence de potentiel V. On peut se reporter à ce sujet à la figure 3 qui montre deux électrodes planes et parallèles présentant un coté de longueur a et distantes d'une distance d. Le schéma de la figure 3 est orienté dans l'espace a moyen d'un repère (x, y, z) indiqué sur le coté des électrodes.FIG. 2 shows a second possibility of producing an optical switch according to the invention, which constitutes a variant of that represented by FIG. 1. A large number of elements of FIG. 2 are identical to those of FIG. 1 and are therefore not repeated here. The switch of FIG. 1 is formed of a rotor 20 with a distribution guide 30 and of a stator 10 which includes the optical output guides 14. A support substrate 12 situated under the rotor, according to the plane of FIG. , is integral with the stator 10. The head 24 of the rotor 20, wider than that of the rotor of FIG. 1, comprises on its face facing the support substrate 12 a set of electrodes M- 3 , M- 2 , Mi, M x , M 2 , M 3 . In the figure, the electrodes M are shown in solid lines for reasons of clarity, although they are located on the hidden face of the rotor. The support substrate 12 of the stator 10 also has, on its face facing the rotor 20, a set of electrodes F_ 4 , F_ 3 , F- 2 , Fi, F 0 , F x , F 2 F 3 , F 4 . This set of electrodes faces that of the rotor and extends in an angular sector capable of being swept by the rotor in its switching movement. The electrodes F hidden by the rotor are indicated in broken dashed line and are shown slightly larger than the electrodes M of the rotor to better distinguish them. The reference 40 designates sliding pads integral with the face of the rotor facing the support substrate 12 of the stator. Their main function is to fix a spacing between the rotor and the stator. The purpose of the spacing is to reduce friction between the stator and the rotor and to avoid contact between the respective electrodes. Before examining in more detail the electrical addressing of the electrodes and their link with the position of the rotor, it is useful to recall briefly some principles governing the electrostatic forces exerted between two electrodes M and F of a capacitor, plane and parallel, subject to a potential difference V. We can refer to this subject in Figure 3 which shows two planar and parallel electrodes having a side of length a and distant by a distance d. The diagram in FIG. 3 is oriented in space by means of a mark (x, y, z) indicated on the side of the electrodes.
La force électrostatique F qui s'exerce entre les deux électrodes sous l'effet d'une tension de polarisation V comprend deux composantes Fx et Fy considérées selon le repère indiqué ci-dessus. Les expressions des composantes Fx et Fy peuvent être obtenues par des calculs analytiques comme ceux publiés dans le document (3) et conduisent aux formules approchées publiées dans le document (2) en négligeant les effets de bord et en considérant des électrodes de surface infinie. On a dans ce cas :The electrostatic force F which is exerted between the two electrodes under the effect of a bias voltage V comprises two components F x and F y considered according to the reference indicated above. The expressions of the components F x and F y can be obtained by analytical calculations like those published in the document (3) and lead to the approximate formulas published in the document (2) by neglecting the edge effects and by considering surface electrodes infinite. In this case, we have:
Fx ≡ (ε.a.V2) / (2.d) etF x ≡ (ε.aV 2 ) / (2.d) and
Fy = (ε.a.V2)/(2.d2)F y = (ε.aV 2 ) / (2.d 2 )
Dans ces expressions, ε désigne la constante diélectrique du milieu séparant les électrodes, en l'occurrence l'air. La force Fy est une force tendant à rapprocher les électrodes les unes des autres. Dans le cas du commutateur de la figure 2, l'effet de cette force est limité par les patins de glissement 40.In these expressions, ε denotes the dielectric constant of the medium separating the electrodes, in this case air. The force F y is a force tending to bring the electrodes closer to one another. In the case of switch of FIG. 2, the effect of this force is limited by the sliding pads 40.
La force Fx, en revanche, est une force tendant à superposer les électrodes. Elle est mise à profit dans le cadre de l'invention pour provoquer le mouvement du rotor par rapport au stator. On constate que la force Fx tend à maximiser le recouvrement des électrodes en regard lorsque leur décalage latéral reste suffisamment faible. Ainsi, pour effectuer un déplacement du rotor d'une certaine amplitude, il est préférable de procéder à un adressage séquentiel des électrodes d'au moins l'un des jeux d'électrodes, de façon à exercer des forces électrostatiques de proche en proche sur des électrodes peu distantes, ou presque superposées, jusqu'à obtenir un angle de déflexion suffisant de la poutre correspondant à une position de commutation souhaitée.The force F x , on the other hand, is a force tending to superimpose the electrodes. It is used in the context of the invention to cause the movement of the rotor relative to the stator. It can be seen that the force F x tends to maximize the overlap of the opposite electrodes when their lateral offset remains sufficiently small. Thus, to effect a displacement of the rotor of a certain amplitude, it is preferable to carry out a sequential addressing of the electrodes of at least one of the sets of electrodes, so as to exert electrostatic forces step by step on electrodes not very distant, or almost superimposed, until a sufficient deflection angle of the beam is obtained corresponding to a desired switching position.
La figure 4 représente, dans un exemple particulier de réalisation, et pour différentes positions de commutation du rotor, la disposition relative des électrodes F du stator et les électrodes M du rotor d'un commutateur conforme à la figure 2. Par simplification, les électrodes sont représentées en ligne et non en arc de cercle comme sur la figure 2. On considère que le rotor comporte 6 électrodes de largeur L et espacées d'une distance égale à L. Le stator comprend 9 électrodes également de largeur L et espacés d' une distance égale à L/2. Les électrodes sur lesquelles une tension est appliquée dans la position de commutation sont repérées par des indications de tension V-4 à V4. La figure 4 doit être lue avec le tableau I ci- dessous qui récapitule les positions du rotor, notées de P_4 à P4 et qui indique, pour chaque position, les électrodes qui sont en regard et la tension qui leur est appliquée. La position P0 est la position de repos du rotor représentée à la figure 2.FIG. 4 shows, in a particular embodiment, and for different rotor switching positions, the relative arrangement of the electrodes F of the stator and the electrodes M of the rotor of a switch conforming to FIG. 2. For simplicity, the electrodes are represented in line and not in an arc of a circle as in FIG. 2. It is considered that the rotor comprises 6 electrodes of width L and spaced apart by a distance equal to L. The stator comprises 9 electrodes also of width L and spaced apart from a distance equal to L / 2. The electrodes on which a voltage is applied in the switching position are marked with voltage indications V- 4 to V 4 . Figure 4 should be read with Table I below which summarizes the rotor positions, noted from P_ 4 to P 4 and which indicates, for each position, the electrodes which are opposite and the voltage which is applied to them. The position P 0 is the rest position of the rotor shown in FIG. 2.
Tableau ITable I
L'adressage séquentiel des électrodes est par exemple conçu de façon à balayer les commandes des positions Pi à P3 avant d'atteindre la position P4 comme position de commutation finale.The sequential addressing of the electrodes is for example designed so as to scan the commands from positions Pi to P 3 before reaching position P 4 as the final switching position.
Les tensions de commande peuvent être plus faibles lorsque le nombre d'électrodes est plus élevé et le pas entre deux positions de commutation successives plus réduit.The control voltages can be lower when the number of electrodes is higher and the pitch between two successive switching positions is reduced.
On peut noter par ailleurs, en se référant au tableau I ou à la figure 4, que les tensions de commande des différentes positions peuvent être plus ou moins élevées. Par exemple, V0<Vι<V2<V3<V4. La tension V0 correspondant à la position de repos pourrait a priori être nulle. En revanche, lorsque l'angle de déflexion de la poutre devient important, la force de rappel à vaincre croit. Il est possible, et même préférable, de choisir des tensions de commande croissantes de la position de repos aux positions de déflexion extrêmes.It may also be noted, with reference to Table I or FIG. 4, that the control voltages of the different positions can be higher or lower. For example, V 0 <Vι <V 2 <V 3 <V 4 . The voltage V 0 corresponding to the rest position could a priori be zero. On the other hand, when the deflection angle of the beam becomes large, the restoring force to be overcome increases. It is possible, and even preferable, to choose increasing control voltages from the rest position to the extreme deflection positions.
Dans l'exemple traité ici, la position de repos est la position centrale du rotor de sorte que les tensions Vi à V4 peuvent être respectivement égales aux tensions V_ι à V_4.In the example treated here, the rest position is the central position of the rotor so that the voltages Vi to V 4 can be respectively equal to the voltages V_ι to V_ 4 .
Les positions de commutation du rotor sont maintenues aussi longtemps que la tension de commande correspondante est appliquée aux électrodes. Les forces électrostatiques permettent donc non seulement le déplacement du rotor vers une position de commutation donnée mais aussi, dans une certaine mesure, de maintenir cette position.The rotor switching positions are maintained as long as the corresponding control voltage is applied to the electrodes. Electrostatic forces therefore not only allow the rotor to move to a given switching position but also, to a certain extent, to maintain this position.
Le maintien de la position du rotor peut être amélioré en équipant le commutateur de moyens supplémentaires de maintien et de sécurisation de la position .Maintaining the position of the rotor can be improved by equipping the switch with additional means for maintaining and securing the position.
Les figures 5A et 5B sont des coupes schématiques partielles d'un commutateur conforme à l'invention, dans une région correspondant à la tête d'un rotor 20. Elles montrent des moyens mécaniques de sécurisation de la position.FIGS. 5A and 5B are partial schematic sections of a switch according to the invention, in a region corresponding to the head of a rotor 20. They show mechanical means for securing the position.
Un bossage 40, solidaire du rotor, sert de patin de glissement et/ou d'espacement entre le rotor 20 et le stator 10. Lorsque le rotor n'est pas dans une position de commutation, ce qui correspond à la figure 5A, le bossage 40 est simplement appuyé contre une face de glissement du stator. Le rotor 20 peut à cet effet servir de ressort de rappel. En revanche, comme le montre la figure 5B, le bossage 40 vient en prise dans une encoche 41 du substrat 12 du rotor, lorsque le guide de distribution 30 coïncide avec un guide de sortie 14, c'est-à-dire lorsque le rotor occupe une position de commutation.A boss 40, integral with the rotor, serves as a sliding and / or spacing pad between the rotor 20 and the stator 10. When the rotor is not in a switching position, which corresponds to the FIG. 5A, the boss 40 is simply pressed against a sliding face of the stator. The rotor 20 can for this purpose serve as a return spring. On the other hand, as shown in FIG. 5B, the boss 40 engages in a notch 41 of the substrate 12 of the rotor, when the distribution guide 30 coincides with an outlet guide 14, that is to say when the rotor occupies a switching position.
Le bossage 40 et l'encoche 41 offrent un verrouillage de la position de commutation qui est suffisamment lâche pour être vaincu par la force de rappel du rotor et/ou par les forces électrostatiques exercées lors d'un changement d'état de commutation. Le verrouillage est cependant suffisamment ferme pour réduire la sensibilité de l'état de commutation aux chocs ou aux vibrations extérieurs.The boss 40 and the notch 41 provide a locking of the switching position which is sufficiently loose to be overcome by the return force of the rotor and / or by the electrostatic forces exerted during a change of switching state. The lock is, however, firm enough to reduce the sensitivity of the switching state to external shocks or vibrations.
La figure 6 montre un autre moyen de sécurisation des positions de commutation. Elle ne montre également qu'une partie d'un rotor et d'un stator de commutateur.FIG. 6 shows another means of securing the switching positions. It also only shows part of a rotor and a switch stator.
Le rotor est réalisé à partir d' un substrat multicouche, par exemple de type SOI (silicium sur isolant) qui comprend une couche superficielle 44, séparée d'une couche de support 48 par une couche enterrée 46. Une languette 50 est définie dans la couche superficielle 44 tournée vers le stator. Une extrémité de la languette 50 est en outre libérée de la couche de support 48 par une gravure sélective et partielle de la couche enterrée 46. Le guide optique de distribution est omis sur cette figure pour des raisons de simplification. Une électrode 52 formée sur la languette 50 peut coopérer avec une ou plusieurs contre électrodes 54 formées sur le substrat. L'application d'une tension entre l'électrode 52 et une contre-électrode 54 qui lui fait face, permet d'infléchir la languette 50 dans la position indiquée en trait discontinu. Dans cette position, la languette vient frotter sur le rotor et constitue un frein. Elle peut aussi venir s'engager dans une encoche 56 du rotor pour le bloquer dans une position de commutation. Une couche d'isolant, non illustrée sur cette figure, est disposée sur l'électrode 52 de façon à éviter le contact électrique avec l'électrode 54. Lorsque la tension entre les électrodes est éliminée la languette 50 reprend sa position initiale indiquée en trait plein et libère le mouvement du rotor.The rotor is produced from a multilayer substrate, for example of the SOI (silicon on insulator) type which comprises a surface layer 44, separated from a support layer 48 by a buried layer 46. A tongue 50 is defined in the surface layer 44 facing the stator. One end of the tongue 50 is also freed from the support layer 48 by a selective and partial etching of the buried layer 46. The optical distribution guide is omitted in this figure for reasons of simplification. An electrode 52 formed on the tongue 50 can cooperate with one or more counter electrodes 54 formed on the substrate. The application of a voltage between the electrode 52 and a counter-electrode 54 which faces it makes it possible to deflect the tongue 50 in the position indicated in broken lines. In this position, the tongue rubs against the rotor and constitutes a brake. It can also come to engage in a notch 56 of the rotor to lock it in a switching position. An insulating layer, not illustrated in this figure, is placed on the electrode 52 so as to avoid electrical contact with the electrode 54. When the voltage between the electrodes is eliminated, the tongue 50 returns to its initial position indicated by the line full and releases the movement of the rotor.
On décrit a présent un procédé d'assemblage d'un commutateur optique conforme à l'invention. La figure 7A montre une première plaque de substrat, par exemple une plaque de silicium 60 d'une épaisseur de l'ordre de 0,4 mm à 2 mm. La plaque est gravée selon des techniques de lithographie et de gravure usuelles pour y pratiquer un jour 62 et pour y définir un rotor 20. Le rotor 20 présente une poutre 22 et une tête 24 qui s'étend sous la forme d'ailettes de part et d'autre de la poutre 22. La même plaque de substrat 60 forme le rotor 20 et une partie du stator 10. Le stator peut recevoir des guides optiques 14, formés également par des techniques connues dans les domaines de la fabrication de composants optiques. Sur le rotor 20, et plus précisément sur les ailettes de la tête de rotor 24 sont formées des électrodes M comparables à celles de la figure 2. Un dessin plus allongé des électrodes permet d'augmenter leur surface. La face du substrat 60, visible sur la figure 7A, est une face qui sera tournée vers un deuxième substrat avec lequel le premier substrat doit être assemblé.We now describe a method of assembling an optical switch according to the invention. FIG. 7A shows a first substrate plate, for example a silicon plate 60 with a thickness of the order of 0.4 mm to 2 mm. The plate is engraved according to the usual lithography and engraving techniques to practice there one day 62 and to define there a rotor 20. The rotor 20 has a beam 22 and a head 24 which extends in the form of fins on the part and other of the beam 22. The same substrate plate 60 forms the rotor 20 and a part of the stator 10. The stator can receive optical guides 14, also formed by techniques known in the fields of manufacturing optical components . On the rotor 20, and more precisely on the fins of the rotor head 24, electrodes M are formed comparable to those of FIG. 2. A more elongated design of the electrodes makes it possible to increase their surface. The face of the substrate 60, visible in FIG. 7A, is a face which will be turned towards a second substrate with which the first substrate must be assembled.
Le deuxième substrat 12, est représenté en partie sur la figure 7B. Il comprend les électrodes F du stator. Il comprend également des lignes d'adressage des électrodes (non représentées), et peut éventuellement intégrer un multiplexeur ou un autre circuit de commutation électrique permettant l'adressage en séquence des électrodes. Le premier et le deuxième substrats sont assemblés, par exemple par collage ou par adhésion moléculaire, en tournant les électrodes du rotor vers celles du stator.The second substrate 12 is partially shown in FIG. 7B. It includes the electrodes F of the stator. It also includes lines for addressing the electrodes (not shown), and can optionally incorporate a multiplexer or another electrical switching circuit enabling the electrodes to be addressed in sequence. The first and second substrates are assembled, for example by gluing or by molecular adhesion, by turning the electrodes of the rotor towards those of the stator.
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R. Mahadevan et al., Sensor and Actuators A21-A23 (1990), pp. 219-225 R. Mahadevan et al., Sensor and Actuators A21-A23 (1990), pp. 219-225

Claims

REVENDICATIONS
1. Commutateur optique comprenant :1. Optical switch comprising:
- une partie mobile (20) , appelée rotor, avec au moins un guide optique (30) de distribution, - une partie fixe (10), appelée stator, comprenant une pluralité de guides optiques (14) avec des extrémités tournées vers le rotor, et- a movable part (20), called rotor, with at least one optical guide (30) of distribution, - a fixed part (10), called stator, comprising a plurality of optical guides (14) with ends turned towards the rotor , and
- des moyens de positionnement du rotor dans des positions de commutation, dans lesquelles une extrémité d'au moins un guide optique de distribution (30) du rotor coïncide avec au moins une extrémité d'un guide optique (14) du stator, caractérisé en ce que les moyens de positionnement comportent un premier jeu d'électrodes (F) solidaires du stator et un deuxième jeu d'électrodes (M) solidaires du rotor et associé au premier jeu, dans lequel les électrodes de chaque jeu sont respectivement juxtaposées, avec des pas différents pour chaque jeu.- means for positioning the rotor in switching positions, in which one end of at least one optical distribution guide (30) of the rotor coincides with at least one end of an optical guide (14) of the stator, characterized in that the positioning means comprise a first set of electrodes (F) integral with the stator and a second set of electrodes (M) integral with the rotor and associated with the first set, in which the electrodes of each set are respectively juxtaposed, with different steps for each game.
2. Commutateur selon la revendication 1, dans lequel les moyens de positionnement sont électrostatiques .2. Switch according to claim 1, wherein the positioning means are electrostatic.
3. Commutateur selon la revendication 1, dans lequel au moins une paire d'électrodes comprenant respectivement une électrode (F) du stator et une électrode (M) du rotor, est associée à chaque position de commutation de sorte que les électrodes de ladite paire d' électrodes soient sensiblement superposées lorsque le rotor occupe la position de commutation. 3. Switch according to claim 1, in which at least one pair of electrodes respectively comprising an electrode (F) of the stator and an electrode (M) of the rotor, is associated with each switching position so that the electrodes of said pair electrodes are substantially superimposed when the rotor occupies the switching position.
4. Commutateur selon la revendication 1, dans lequel les électrodes du rotor sont portées par une face du rotor perpendiculaire à un plan de rotation et tournées vers une partie du stator portant les électrodes du stator.4. Switch according to claim 1, wherein the electrodes of the rotor are carried by a face of the rotor perpendicular to a plane of rotation and turned towards a part of the stator carrying the electrodes of the stator.
5. Commutateur selon la revendication 1, dans lequel les électrodes du rotor sont portées par une face du rotor parallèle à un plan de rotation et tournée vers une partie du stator portant les électrodes du stator.5. Switch according to claim 1, wherein the rotor electrodes are carried by a face of the rotor parallel to a plane of rotation and turned towards a part of the stator carrying the electrodes of the stator.
6. Commutateur selon la revendication 1 avec un premier substrat (60) comportant le rotor (20), le jeu d'électrodes (M) du rotor, et les guides optiques (14) du stator, et un deuxième substrat (12) comportant le jeu d'électrodes (F) du stator.6. Switch according to claim 1 with a first substrate (60) comprising the rotor (20), the set of electrodes (M) of the rotor, and the optical guides (14) of the stator, and a second substrate (12) comprising the stator electrode set (F).
7. Commutateur selon la revendication 1, avec un premier substrat comportant le rotor et le jeu d'électrodes du rotor, et un deuxième substrat comportant les guides optiques du stator et le jeu d'électrodes du stator.7. Switch according to claim 1, with a first substrate comprising the rotor and the set of electrodes of the rotor, and a second substrate comprising the optical guides of the stator and the set of electrodes of the stator.
8. Commutateur selon la revendication 1, comprenant en outre des moyens mécaniques (40, 41, 50,8. Switch according to claim 1, further comprising mechanical means (40, 41, 50,
52, 54, 56) de sécurisation des positions de commutation du rotor.52, 54, 56) for securing the rotor switching positions.
9. Commutateur selon la revendication 8, dans lequel les moyens de sécurisation des positions de commutation comportent des éléments (40, 41) à complémentarité de forme solidaires respectivement du rotor et du stator et agencés pour venir en prise dans au moins une position de commutation.9. Switch according to claim 8, wherein the means for securing the positions of switching comprise elements (40, 41) with complementary shape integral respectively with the rotor and the stator and arranged to engage in at least one switching position.
10. Commutateur selon la revendication 8, dans lequel les moyens de sécurisation comportent un frein, à actionnement électrostatique, solidaire du rotor et coopérant avec au moins une électrode de frein (54) solidaire du stator.10. Switch according to claim 8, wherein the securing means comprise a brake, electrostatic actuation, integral with the rotor and cooperating with at least one brake electrode (54) integral with the stator.
11. Commutateur selon la revendication 10, dans lequel le frein comporte une languette (50) avec une extrémité fixe, solidaire du rotor et une extrémité libre susceptible d'être défléchie pour venir en contact avec le stator.11. Switch according to claim 10, wherein the brake comprises a tongue (50) with a fixed end secured to the rotor and a free end capable of being deflected to come into contact with the stator.
12. Commutateur selon la revendication 1, comportant un générateur de tensions de commande (G) et des moyens d'adressage des électrodes pour appliquer les tensions de commande de façon séquentielle entre des paires d'électrodes proches, mais décalées, comprenant respectivement au moins une électrode du stator et au moins une électrode du rotor, depuis une position de repos du rotor jusqu'à une position de commutation sélectionnée.12. Switch according to claim 1, comprising a generator of control voltages (G) and means for addressing the electrodes for applying the control voltages sequentially between pairs of close but offset electrodes, respectively comprising at least a stator electrode and at least one rotor electrode, from a rest position of the rotor to a selected switching position.
13. Commutateur selon la revendication 12, dans lequel une borne de masse du générateur de tensions de polarisation est connectée au jeu d'électrodes du rotor. 13. Switch according to claim 12, in which a ground terminal of the generator of bias voltages is connected to the set of electrodes of the rotor.
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