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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanordnung zum Schalten und
Einkoppeln eines Lichtbündels
von in mindestens eine Ausgangsfaser nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Monomodefaserschalter
sind wichtige Komponenten für
die optische Nachrichtentechnik und die optische Meßtechnik. Über einen
Faserschalter wird Licht, das aus einer oder mehreren Eingangsmonomodefasern
abgestrahlt wird, in verschiedene Ausgangsmonomodefasern eingekoppelt,
wobei über
einen Stellmechanismus sichergestellt wird, daß das Licht in die verschiedenen
Ausgangskanäle
bzw. -fasern geschaltet werden kann. Dabei sind für die Anordnung
der Eingangsmonomodefasern und Ausgangsmonomodefasern verschiedene
Konfigurationen denkbar, beispielsweise sind bei einem M×N- Faserschalter M Eingangskanäle in N
Ausgangskanäle schaltbar.
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Es
sind eine Reihe von Anordnungen für Faserschalter bekannt, die
die Schaltfunktion mit einer Bewegung der Eingangsfaser bezüglich der
Ausgangsfasern realisieren. Diese Konzepte nutzen im wesentlichen
rein mechanische Prinzipien. Aus der
US
4 896 935 ist ein 1×N-Faserschalter
bekannt, der eine Eingangsfaser aufweist, die in einer Ebene so gedreht
wird, daß sie
mehrere Ausgangsfasern, die radial angeordnet sind, bedienen kann,
wobei in jeder Schaltposition die Eingangs- und die entsprechende Ausgangsfaser
nahezu in Kontakt sind, so daß keine optischen
Komponenten benötigt
werden, um hohe Koppeleffizienzen zu garantieren. Die erforderliche Drehbewegung
kann durch verschiedene Aktuatoren ermöglicht werden, wobei jedoch
die Schaltzeiten zwischen benachbarten Kanälen deutlich geringer sind
als zwischen den äußeren Kanälen. Durch
die Anordnung aller Fasern nebeneinander in einer Ebene ist die
maximal mögliche
Zahl der Ausgangsfasern N beschränkt.
Eine Montage erfordert eine schwierige Ausrichtung der einzelnen
Fasern.
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Eine
Verbesserung wird in der
US 5
479 541 beschrieben, wobei der gleiche Aufbau gewählt wird und
lediglich jede Faser zusätzlich
mit einer Kollimationsoptik versehen wird. Es hat sich gezeigt,
daß sich
die erforderlichen Justiertoleranzen der Ausgangsmodule, d.h. der
Ausgangsfasern mit Kollimationsoptik, günstiger gestalten, was eine
kostengünstigere
Fertigung ermöglicht.
Ansonsten bleiben die oben beschriebenen Nachteile vorhanden.
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In
der
US 5 434 936 ist
eine Schaltanordnung offenbart, bei der die Eingangsfaser mit einem Drehmechanismus
verbunden ist und die Faserlängsachse
parallel zur Drehachse liegt, aber seitlich zur Drehachse versetzt
ist. In gleicher Weise sind die Ausgangsfasern angeordnet. Die Schaltfunktion
wird über
magnetische Kräfte
realisiert und jede Ausgangsfaser ist zusätzlich mit einem Permanentmagneten
versehen, der sicherstellen soll, dass beim Schalten auf die entsprechende
Ausgangsfaser, die optimale Position der Fasern zueinander eingestellt und
gehalten wird. Auch in dieser Anordnung ist die Anzahl der Ausgangsfasern,
im wesentlichen durch den Aktuationsmechanismus und den sich stark
vergrößernden
Fertigungsaufwand beim Hinzufügen von
weiteren Ausgangsfasern sehr beschränkt.
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Eine
weitere Anordnung (
US 5 483 608 )
versucht das Problem der kostengünstigen
Montage dadurch zu lösen,
dass sich alle Ausgangsfasern in Führungen, zum Beispiel in V-Nuten
befinden und die Eingangsfaser beim Schaltvorgang jeweils in die Führung der
entsprechenden Ausgangsfaser gebracht und bis auf Anschlag auf die
Ausgangsfaser bewegt wird. Die nötige
Genauigkeit der verschiedenen Stellbewegungen wird damit stark reduziert.
Eine große
Anzahl von Ausgangsfasern ist mit dieser Anordnung möglich, aber
aufgrund der notwendigen großen
Stellwege kann die Schaltung nur sehr langsam erfolgen.
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DE-A1-391 89 75 offenbart
einen optischen Schalter mit jeweils zwei in Gegenüberstellung
angeordnete Lichtwellenleiter, die jeweils mit einer Gradienten-Index-Stablinse zusammenarbeiten.
Zwischen die jeweils zwei sich gegenüberstehenden, mit den GRIN-Linsen verbundenen
Lichtwellenleiter ist ein opti scher Übertragungskörper schaltbar,
der gleichfalls als Gradienten-Index-Stablinse ausgebildet ist. Wenn
der Übertragungskörper nicht
zwischen die Lichtwellenleiter eingeführt ist, werden die eintreffenden
Strahlenbündel
jeweils in die gegenüberliegenden
Lichtwellenleiter über
die GRIN-Linsen eingekoppelt. Bei eingeführtem Übertragungskörper wird das
Eingangsstrahlenbündel
entweder an einem im Übertragungskörper vorgesehenen
Spiegel reflektiert oder an einem Filter umgelenkt, um in die entsprechende
GRIN-Linse bzw.
in den entsprechenden Lichtwellenleiter zu gelangen.
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In
EP-A1-0 153 243 ist
eine Faserschaltanordnung vorgesehen, mit der beispielsweise ein
1 × N-Schalter
realisiert werden kann. Zwischen Eingangs- und Ausgangsfasern ist
ein Objektiv vorgesehen, dem eine reflektierende, feststehende Fläche nachgeschaltet
ist, wobei das Objektiv sich parallel zur reflektierenden Fläche verschieben
kann. Ein aus einer Eingangsfaser austretendes Lichtbündel wird über das
objektiv kollimiert und abgelenkt, an der reflektierenden Fläche reflektiert
und trifft nach Durchgang durch das objektiv auf die Ausgangsfaser.
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Alle
Lösungen
nach dem Stand der Technik haben den Nachteil, dass sie nicht gleichzeitig
eine große
Ausgangskanalzahl N, kleine Schaltzeiten und einfacher und damit
kostengünstige
Montage garantieren können.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schaltanordnung
zum Schalten und Einkoppeln eines von mindestens einer Eingangsfaser
abgestrahlten Lichtbündels
in eine Ausgangsfaser einer Mehrzahl von Ausgangsfasern zu schaffen, die
eine große
Ausgangskanalzahl, kleine Schaltzeiten und eine einfache und damit
kostengünstige Montage
gewährleistet,
wobei sie zusätzlich
möglichst
kompakt sein soll.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den
Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
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Dadurch,
dass dem abgestrahlten Lichtbündel
bzw. der Eingangsfaser eine Strahlablenk- und Kollimationsoptik
zugeordnet ist und eine Stelleinrichtung vorgesehen ist, die die
Eingangsfaser und die Strahlablenk- und Kollimationsoptik relativ zueinander
lateral verschiebt, derart, dass das kollimierte Strahlenbündel in
mindestens eine Ausgangsfaser der Mehrzahl von mit Abstand zu der
Strahlablenk- und Kollimationsoptik angeordneten Ausgangsfasern einkoppelbar
ist, und dass der Strahlablenk- und Kolimationsoptik (1, 13, 14)
eine Umlenkoptik (4) nachgeschaltet ist, die das kollimierte
abgelenkte Strahlenbündel
in die Richtung parallel zur optischen Achse umlenkt und dass jeder
Ausgangsfaser 6 eine separate Fokussieroptik 5 zugeordnet
ist, die das umgelenkte Strahlenbündel auf die Ausgangsfaser 6 fokussiert,
kann eine große
Anzahl von Ausgangskanälen,
die vorzugsweise zweidimensional angeordnet sind, vorgesehen werden.
Die benötigten
Stellwege sind extrem gering und ermöglichen damit kurze Schaltzeiten
und es kann sehr einfach und kompakt gebaut werden. Durch die Umlenkoptik
nach der Erfindung wird die Verwendung von Linsen- und Faserarrays
mit äquidistantem
Abstand der Fasern bzw. Linsen möglich,
die kostengünstig
herstellbar sind.
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Durch
die in den Unteransprüchen
angegebenen Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich. Als
Stellelemente können
kostengünstige
und in großen
Variationen der Leistungsmerkmale kommerziell verfügbare Piezoaktuatoren
verwendet werden. In den Ausgangskanälen werden über eine Umlenkoptik und eine
Fokussieroptik jeweils die abgelenkten optischen Strahlenbündel so
aufbereitet, daß sie
effizient in die Ausgangsfasern gekoppelt werden können. Dies
beinhaltet eine mit einer Verarbeitungseinheit verbundene Meßvorrichtung,
die die Lage des jeweiligen abgelenkten Strahlenbündels in
bezug auf die optimale Position zur Einkopplung in die jeweilige
Ausgangsfaser mißt,
und wobei die Verarbeitungseinheit ein Regelsignal für die Stellelemente
erzeugt. Dadurch wird sichergestellt, daß die einzelnen Positionen
der Ausgangsfasern mit hoher Präzision
angefahren werden können
und garantiert damit die Stabilität der optischen Parameter bei
sich verändernden
Umweltbedingungen, wie Temperatur, Luftfeuchte. Durch die zweidimensionale
Anordnung der Ausgangskanäle bzw.
der Ausgangsfasern können
Arrays von optischen und elektronischen Komponenten (z.B. Detektoren)
Verwendung finden, die die kostengünstige Herstellung und Montage
sowie die große
Anzahl von Ausgangskanälen
weiter fördern.
Es können
sehr einfache und mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellbare
Mikrooptikkomponenten, wie Mikrolinsen, Mikrolinsenarrays, Prismenarrays
verwendet werden.
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Die
optische Funktionsweise der Mikrooptikkomponenten ist beugungsbegrenzt,
was eine effiziente Kopplung in die Ausgangsfasern (Verluste < 1dB) ermöglicht.
Die Verstellwege der Stellelemente liegen im Bereich von wenigen
10 μm, so
daß Schaltzeiten
im Bereich von 1 ms mit Piezoaktuatoren erzielt werden können. Weiterhin
sind hohe Kanalisolationen erreichbar (50 dB). Darüber hinaus
ist die erfindungsgemäße Schaltanordnung
in beliebigen Wellenlängenbereichen
funktionsfähig,
wobei hier die verwendeten Materialien hinsichtlich ihrer Eigenschaften,
wie Transparenz und Brechzahl, auf die entsprechenden Wellenlängenbereiche
anzupassen sind.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht
der erfindungsgemäßen Schaltanordnung
in verschiedenen Stellungen der Ablenk- und Kollimationsoptik in bezug auf
die Eingangsfaser,
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2 eine perspektivische Ansicht
des Ausführungsbeispiels
nach 1,
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3 eine Ansicht auf eine
Mehrzahl von Quadrantendetektoren, die in einem zweidimensionalen
Array angeordnet sind, und
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4 schematische Ansichten
für die
Verstellmöglichkeiten
der Eingangsfaser und der Ablenk- und Kollimationsoptik relativ
zueinander.
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In 1 und 2 ist eine 1 × N-Schaltanordnung dargestellt,
die eine Eingangsfaser 2 und eine Mehrzahl von Ausgangsfasern 6 aufweist.
Die Ausgangsfasern 6 sind entsprechend 2 zweidimensional angeordnet und sind,
ein zweidimensionales Array bildend, in einem Halter 11 montiert
und befestigt. Vor die Eingangsfaser 2 ist als Ablenk-
und Kollimationsoptik eine Linse 1 angeordnet, die über eine Stellelement 10,
dessen Verstellrichtungen durch die Pfeile 12 angedeutet
sind, in bezug auf die Eingangsfaser 2 in zwei Richtungen,
zum Beispiel x- und y-Richtung, bewegbar ist.
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In
einer ausreichenden Entfernung 3 von der Linse 1,
die so gewählt
werden muß,
daß die
jeweiligen abgelenkten und kollimierten Strahlenbündel räumlich voneinander
getrennt sind, ist eine Detektorvorrichtung 7 zum Bestimmen
der Lage des jeweiligen abgelenkten Bündels relativ zur optimalen
Einkoppelposition in die Ausgangsfasern 6, eine nachgeschaltete
Umlenkoptik 4 und eine sich anschließende Fokussieroptik 5 vorgesehen.
Die Umlenkoptik 4 und die Fokussieroptik 5 sind,
wie in 2 zu erkennen
ist, als Prismenarray und Mikrolinsenarray ausgebildet. Das Linsenarray
als Fokussieroptik 5 weist eine den Ausgangsfasern angepaßte numerische
Apertur auf.
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In 3 ist die Detektoranordnung 7 dargestellt,
die eine Mehrzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten Quadrantendetektoren
aufweist, die aus vier Einzelelementen 8a,b,c,d besteht.
Der von den Einzelsegmenten 8a bis 8d ringförmig umfaßte Mittelbereich 9 ist
transparent. Die Detektorvorrichtung 7 ist mit einer nicht
dargestellten Verarbeitungseinheit verbunden, die abhängig von
den Ausgangssignalen des jeweiligen Quadrantendetektors ein Steuer-
bzw. Regelsignal an das als Piezoelement ausgebildete Stellelement 10 erzeugt.
Abhängig
von dem Regelsignal wird die Ablenk- und Kollimationsoptik relativ
zur Eingangsfaser 2 in zwei Richtungen verstellt. In dem
dargestellten Ausführungsbeispiel
bilden das als Piezoaktuator ausgebildete Stellelement, die elektronische
Verarbeitungseinheit und die Detektoranordnung die Stelleinrichtung
für die
Linse 1, die als "Regel kreis" dargestellt ist.
In einer anderen Ausführungsform
kann auf die Detektoranordnung 7 als Meßvorrichtung der Lage des Strahlenbündels verzichtet
werden und lediglich die Verarbeitungseinheit vorgesehen sein, so
daß die
Stelleinrichtung aus Stellelement und Verarbeitungseinheit bzw.
einer Steuereinheit besteht, wobei die Verarbeitungs- bzw. Steuereinheit
das Stellsignal als Steuersignal für das Stellelement abhängig von
der Lage der Ausgangsfaser und der Lage der Linse und/oder der Eingangsfaser
erzeugt.
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Die
Funktionsweise der Schaltanordnung ist wie folgt. Die Eingangsmonomodefaser 2 strahlt
an ihrem Ende ein Strahlenbündel 13 ab.
Abhängig
von der Lage der Ausgangsfaser 6, in die das Strahlbündel 13 eingekoppelt
werden soll, liefert die nicht dargestellte Verarbeitungseinheit
ein Stellsignal an den Piezoaktuator 10, der die mit ihm
verbundene Linse 1 relativ zu der Eingangsfaser 2 lateral
verschiebt. In 1 sind
drei verschiedene Strahlengänge
zur Einkoppelung in drei verschiedene Ausgangsfasern 6 dargestellt.
Die Linse 1 dient gleichzeitig als Kollimationsoptik und
als Strahlablenker. Die einzelnen abgelenkten und kollimierten Strahlenbündel 13 sind nach
der Strecke 3 der Freiraumausbreitung räumlich voneinander getrennt.
In der Ebene, die um die Strecke 3 von der Linse 1 entfernt
ist, ist die Detektorvorrichtung 7 angeordnet und die Bündel können entsprechend
den Ausgangskanälen
bzw. Ausgangsfasern 6 separat transformiert werden. Die
einzelnen unterschiedlich zueinander ausgebildeten Prismen 4a, 4b des
Prismenarrays 4 bewirken eine Umlenkung des jeweiligen
einzelnen Strahlenbündels,
derart, daß dieses
wieder parallel zur optischen Achse läuft. Das nachfolgende Linsenarray 5 mit
der den Ausgangsfasern 6 angepaßten nume rischen Apertur fokussiert
die einzelnen Bündel
jeweils auf die Ausgangsfasern 6.
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Der
jeweilige Quadrantendetektor der Detektoranordnung 7 mißt und bestimmt
die Lage des jeweiligen abgelenkten Bündels und liefert das Meßsignal
an die nicht dargestellte Verarbeitungseinheit. In dieser Einheit
wird festgestellt, ob das gemessene Strahlenbündel sich in einer optimalen
Lage relativ zu der jeweiligen Ausgangsfaser 6 befindet
und entsprechend wird ein Regelsignal zur Ansteuerung des Stellelementes 10 erzeugt.
Das Stellelement 10 verstellt die Linse 1 solange,
bis sie den Strahl entsprechend der optimalen Position ablenkt.
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Es
sind unterschiedliche Ausbildungen des Prismenarrays 4 und
des Linsenarrays 5 möglich. Selbstverständlich können sie
voneinander getrennt als Einzelelemente angeordnet werden. Eine
weitere Systemintegration ist möglich,
wenn das Prismenarray 4 und das Linsenarray 5 auf
ein und demselben Substrat angebracht sind.
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Es
ist auch denkbar, daß auf
die Umlenkoptik verzichtet wird, wobei hier jedoch die lateralen
Abstände
der Ausgangsfasern zueinander unterschiedlich sind. Es treten kleine
Zusatzverluste auf, die je nach Anwendung tolerierbar sein können.
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In 4 sind die Verstellmöglichkeiten
der Eingangsfaser und der Ablenk- und Kollimationsoptik relativ
zueinander dargestellt. In 4a)
wird die Linse 1 zweidimensional, d.h. in zwei Richtungen,
verstellt, in 4b) wird
die Eingangsfaser 2 in zwei Richtungen verstellt und die
Linse 1 steht fest, in 4c)
wird die Eingangsfaser 2 in eine Richtung und die Linse 1 in
die andere Richtung verstellt und 4d)
ist die Ablenk- und Kollimationsoptik durch zwei Linsen 13 und 14 realisiert,
wobei die eine Linse 13 in die eine Richtung und die andere
Linse 14 in die andere Richtung bewegt werden. Durch die
Ausführungen
nach 4c) und 4d) kann eine mechanische Entkopplung
der x- und der y-Bewegung bei der Verschiebung erzielt werden.
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Es
folgt nun ein Beispiel für
die Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltanordnung.
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Es
wird ein Wellenlängenbereich
von λ = 0,78 μm gewählt. Die
Eingangsfaser 2 hat einen Taillendurchmesser von 4 μm. Die nachfolgende
Ablenk- und Kollimationsoptik weist eine Brennweite von f = 1 mm
und eine numerische Apertur von 0,25 auf. Die kollimierten Bündel nach
der Kollimationsoptik haben einen Taillendurchmesser von etwa 250 μm. Das entspricht
einer Rayleighlänge
von 6 cm. Wird nun zwischen zwei benachbarten Positionen die Kollimationsoptik
um v = 15 μm
ausgelenkt, so wird das Bündel
um einen Winkel θ =
v/f = 15 mrad abgelenkt. In einem Abstand von 3,3 cm nach der Kollimationslinse haben
die Zentren der benachbarten Bündel
einen Abstand von 500 μm.
Dieser ist gleich dem lateralen Abstand (Pitchmaß) der nachfolgenden Optiken.
Die einzelnen Quadrantendetektoren umschließen einen transparenten Bereich
mit einem Durchmesser von 450 μm,
so daß die
Breite der Detektorstrukturen etwa 20 μm beträgt. Die Detektorelemente können in diesem
Fall aus Silizium bestehen. Für
die Realisierung eines 1 × 25-Schalters
wären Prismenstrukturen mit
Winkeln von 0, ± 1,72° und ± 3,43° bei einer Brechzahl
von 1,5 nötig.
Die Linsenarrays sollten eine numerische Apertur von 0,25 und eine
asphärische
Oberflächenform
besitzen. Der Arbeitsabstand der Fasern von dem Linsenarray beträgt etwa
1 mm. Der benötigte
Stellbereich des Piezostellers ist 60 μm × 60 μm. Die Schaltzeiten für diese
Verstellung liegen in der Größenordnung
von 1 ms.
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In
den oben beschriebenen Beispielen wird das von einer Eingangsfaser
abgestrahlte Lichtbündel
in eine oder mehrere Ausgangsfasern eingekoppelt. Anstatt eine Eingangsfaser
vorzusehen, kann auch mit einem Freiraumbündel zum Beispiel von einem
Laser gearbeitet werden, das mit einer ersten Optik derart fokussiert
wird, daß der
Fokus ähnliche Dimensionen
und die örtliche
Lage des von der Faser (in dem "reinen" Faserschalter) abgestrahlten
Lichtbündels
hat.