DE2737499C3

DE2737499C3 - Faseroptisches Schaltungselement

Info

Publication number: DE2737499C3
Application number: DE2737499A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. 7250 Leonberg Ulrich
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1977-08-19
Filing date: 1977-08-19
Publication date: 1981-10-22
Also published as: DE2737499B2; DE2737499A1; US4204742A

Description

Die Erfindung geht aus von einem faseroptischen Schaltungselement nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Ein solches faseroptisches Schaltungselement ist durch die US-PS 39 41 927 bekannt. Bei dem bekannten Schaltungselement ist als steuerbare Biegeeinrichtung ein Bimetallstreifen vorgesehen, der mittels eines elektrischen Heizelements, das in unmitteibarer Nähe des Bimetallstreifens angeordnet und an eine steuerbare Heizstromquelle angeschlossen ist, aufheizbar ist. Auf der gesamten Länge des Bimetallstreifens ist an diesem eine optische Faser befestigt, so daß diese, wenn der Bimetallstreifen sich biegt, ebenfalls gebogen wird und dadurch ein durch die Faser geleiteter Lichtstrahl eine gewünschte Ablenkung erfährt.

Das bekannte Schaltungselement hat aufgrund dieser Ausbildung seiner Biegeeinrichtung zumindest die folgenden Nachteile:

Da Bi-Metallstreifen nicht beliebig dünn gemacht werden können — eine untere Grenze für die Gesamtdicke üblicher Bimetallstreifen liegt bei ca. 0,3 mm — hat ein solches Bimetallstreifen-Biegeelement eine relativ hohe Wärmekapazität und benötigt hat, die ebenfalls zur Trägheit der Gesamtanordnung beiträgt.

Zwar läßt sich das Ansprechverhalten eines mittels eines elektrischen Heizelements durch Wärmestrahlung und/oder Wärmeleitung beheizten Bimetallstreifens durch Vergrößerung der elektrischen Heizleistung — im Prinzip wenigstens — beliebig beschleunigen, jedoch um den Preis, daß dann Steuerleislungen benötigt werden, die erheblich größer sind als die über die optische Faser transportierbare Lichtleistung. Es ist dann nicht mehr auf einfache Weise möglich, ein faseroptisches Schaltungselement der bekannten Art mit einem Bruchteil der über die optische Faser transportierten elektromagnetischen Strahlungsleistung anzusteuern und solchermaßen beispielsweise ein selbsthaitendes faseroptisches Relais oder eine komplexere faseroptische Schaltung aufzubauen, deren einzelne Schaltungselemente durch auskoppelbare Bruchteile der über die Faser transportierten Signallichtleistung ansteuerbar sein sollen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Schaltungselement der eingangs genannten Art anzugeben, dessen durch Wärmeübertragung ansteuerbare Biegeeinrichtung eine so geringe Wärmekapazität hat, daß gegebenenfalls ein kleiner Bruchteil des Wärmeinhalts der über die Faser selbst transportierbaren Lichtleistung ausreicht, um mit hinreichend kurzer Schaltzeit den Schaltvorgang auszulösen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im

jo kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Hiernach ist die optische Faser selbst als die eine am zustande kommen der Biegung eines Bi-Material-Streifens beteiligte Materiatschicht ausgenutzt, dessen

J5 andere Materialschicht die fest an der Faser haftende Ausdehnungsschicht ist, bei deren Bemessung gemäß der im Patentanspruch 1 angegebenen Relation die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Schaltungselements, d. h. der Betrag der Auslenkung der pro Einheit der zugeführten Wärmemenge erzielt wird, optimiert ist, wobei die Ausdehnungsschicht zur Erzielung der erforderlichen festen Haftung an der optischen Faser beispielsweise durch Aufdampfen oder galvanisch auf diese aufgebracht sein kann.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Schaltungselements besteht darin, daß die Wärmekapazität seiner Biegeeinrichtung, die im wesentlichen durch diejenige der Faser und der an dieser haftenden Ausdehnungsschicht bestimmt ist, sehr viel kleiner gehalten werden kann als bei dem bekannten Schaltungselement, bei dem die Wärmekapazität der

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erforderliche Temperatur aufgeheizt zu werden, eine entsprechend große Wärmemenge, mit der Folge, daß ein solches Bimetallstreifen-Biegeelement relativ träge ist. Typische Ansprech- bzw. Schaltzeiten von Schaltungselementen, die die Biegung von Bimetallstreifen zur Auslösung eines Schaltvorganges ausnutzen, liegen daher im Bereich einiger lOtel Sekunden bis einiger Sekunden.

Ist auch, wie bei Bimetallstreifen üblich, das Heizelement mit einer geeigneten elektrischen Isolierung an dem Bimetallstreifen befestigt, so ist außerdem eine stabile Konstruktion des Bimetallstreifens erforderlich, die dessen Wärmekapazität und damit dessen thermische Trägheit weiter erhöht- Es kommt hinzu, daß auch das Heizelement selbst eine mit der Wärmekapazität des Bimetallstreifens vergleichbare Wärmekapazität

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Bimetallstreifens bestimmt ist, deren Verkleinerung aber, wie eingangs erwähnt, aus konstruktiven Gründen eine untere Grenze gesetzt ist

Zur Abschätzung der unterschiedlichen Wärmekapazitäten sei angenommen, daß bei einem erfindungsgemäßen Schaltungselement und einem bekannten Schaltungselement die beweglichen optischen Fasern hinsichtlich ihres Durchmessers und der Länge ihres frei beweglichen Abschnitts gleich sein sollen, und daß auch die Länge der Ausdehnungsschicht des erfindungsgemäßen Schaltungselements und die Länge des Bimetallstreifens des bekannten Schaltungselements dieselbe sein sollen.

Das Verhältnis der Wärmekapazität ist dann in erster Näherung durch das Verhältnis der Querschnittsfläche der die optische Faser und die auf diese aufgebrachte

Ausdehnungsschicht umfassenden Biegeeinrichtung des erfindungsgemäßen Schaltungselements zu der (gegebenenfalls um die Querschnittsfläche der optischen Faser vermehrten) Querschnittsfläche des Bimetallslreifens des bekannten Schaltungselements bestimmt. Weiter sei angenommen, daß die Faserdicke in beiden Fällen 50 μιτι betrage und daß der Bimetallstreifen des bekannten Schaltungselements die minimal mögliche Querschnittsfläche von ca. 0,3 χ 0,3 mm² habe. Für diesen Fall ergibt sich gemäß der im Anspruch 1 angegebenen Bemessungsrelation für die Dicke der Ausdehnungsschicht des erfindungsgemäßen Schaltungselements ein Wen von ca. 10 μπι und ein maximaler Gesamidurchmesser seiner Biegeeinrichtung von ca. 60 μηι, d. h. näherungsweise eine Querschnittsfläche von 3 χ 10³ μιτι². Die damit zu vergleichende Quer'chnittsfläche der Biegeeinrichtung des bekannten Schaltungselements beträgt demgegenüber (unter Vernachlässigung der Querschnittsfläche seiner optischen Faser) 9 χ 10⁴μΐη².

Die Wärmekapazität der Biegeeinrichtung des erfindungsgemäßen Schaltungselements beträgt also für diesen Fall nur '/30 derjenigen des bekannten Schallungselements.

Eine analoge Abschätzung für den Fall einer nur 10 μπι dicken Faser ergibt, daß dann die Wärmekapazität der Biegeeinrichtung des erfindungsgemäßen Schaltungselements nur ca. Viooo derjenigen des bekannten Schaltungselements beträgt; d.h. die Wärmekapazität der Biegeeinrichtung des erfindungsgemäßen Schaltungselements ist also erheblich kleiner als diejenige des bekannten Schaltungselements und nimmt etwa quadratisch mit dem Durchmesser der Faser ab. Das erfindungsgemäße Schaltungselement benötigt daher im Vergleich zum bekannten sehr viel weniger Steuerleistung und kann ohne weiteres so dimensioniert werden, daß ein Bruchteil der über seine optische Faser transportierbaren Lichtleistung zur Ansteuerung seiner Biegeeinrichtung ausreicht.

Um eine bestimmte Auslenkung des Faserendes zu erzielen, genügt, je nach der erforderlichen Auslenkungsamplitude und/oder des gewünschten Ansprech-■verhaltens des Schaltungselementes eine Steuerleistung zwischen 1 μW und 100 μW. Verglichen mit der über eine optische Faser transportierbaren Strahlungsleistung von mindestens 10 mW bis 100 mW ist die für das Schaltungselement benötigte Steuerleistung um mindestens zwei Größenordnungen kleinen Dadurch ist die Möglichkeit geschaffen, eine komplexe auf rein optischem Weg gesteuerte faseroptische Schaltung zu realisieren, die eine Vielzahl von Schaltungselementen umfaßt, die durch geringe Bruchteile der in der Schaltung zu verarbeitenden Signallichtströme steuerbar sind; die Steuerlichtströme können mittels bekannter Strahlenteilereinrichtungen aus den Signallichtströmen ausgekoppelt und über optische Fasern auf die Ausdehnungsschichten der anzusteuernden Schaltungselemente geleitet werden.

Auch dann, wenn das Steuerlichl mittels einer elektrisch gesteuerten Lichtquelle, beispielsweise einer Laser-Diode erzeugt wird, kann dieses Steuerlicht mittels einer optischen Faser zu der Ausdehnungsschicht geleitet werden, so daß es nicht erforderlich ist, die elektrischen Steuerleitungen bis in den Bereich der optischen Faser zu führen. Das erfindungsgemäße faseroptische Schaltungselement ermöglicht somit den Aufbau faseroptischer Schaltungen, die ausschließlich »optische« Signal- und Steuereingänge und -ausgänge haben und somit völlig unempfindlich gegen elektrische Störungen sind. Da die absoluten Beträge der erforderlichen Steuerlichtleistungen klein sind, können die Schaltzeiten durch geeignete Wahl der Steuerlichtleistung in weiten Grenzen variiert werden. Indem man auf einander gegenüber liegenden Seiten der beweglichen optischen Faser und in deren Längsrichtung versetzt gegeneinander angeordnete Ausdehnungsschichten vorsieht, können die Schaltzeiten in beiden möglichen »Schaltrichtungen« der beweglichen Faser günstig niedrig gehalten werden.

Es kommt hinzu, daß die Steuerung der Schaltfunktion mit Steuerlicht völlig unempfindlich gegen magnetische oder elektrische Störfelder am Ort des Schaltungselements ist. Magnetische oder elektrische Abschirmungen können daher entfallen. Es muß nur gewährleistet sein, daß das Steuerlicht nur die jeweils zugeordnete Absorptionsschicht des Schaltungselements beleuchtet, was aber sehr viel leichter zu bewerkstelligen ist als eine

21) Abschirmung gegen elektrische oder magnetische Streufelder. Die Schaltfunktion wird auch unabhängig von der Qualität des mit dem Schaltungselement übertragenen Signallichts erzielt, das polarisiert oder unpolarisiert, kohärent oder inkohärent und innerhalb

2^r> des mit optischen Fasern übertragenen Spektralbereichs eine beliebige Wellenlänge haben kann.

Für den Fall, daß die in axialer Richtung gemessene Länge /der Ausdehnungsschicht deutlich kleiner ist als die Länge L des seitlich auslenkbaren Abschnitts der Eingangssignalfaser ist die Amplitude h der Auslenkung des freien Endes der Eingangssignalfaser in guter Näherung durch die folgende Beziehung gegeben

2 (a_L a,) IL /d,
1 +γΕ,(Ι, 'E₁(I₁

(1)

In dieser Formel bedeuten etc und <x/ die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Ausdehnungsschicht und der Eingangssignalfaser, de und d_f die Dicke bzw. den Durchmesser der Ausdehnungsschicht und der optischen Faser, E_c und Er die Elastizitätsmoduln der Ausdehnungsschicht bzw. der optischen Fasern, die Größe γ ist ein querschnittsabhängiger Geometriefaktor, der zwischen 0,15 für eine runde Faser und etwa 0.25 für eine flache Faser variiert und ό ist die gegenüber der Umgebungstemperatur 7ö eintretende "Temperaturerhöhung der Ausdehnungsschicht bei Bestrahlung mit Steuerlicht.

Die Auslenkungsamplitude h in Abhängigkeit von der absorbierten Steuerlichtleistung ist also im wesentlichen der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (on — (Xh) proportional: die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Schaltungselements ist daher umso größer, je größer diese Differenz ist. Gleichzeitig muß gewährleistet sein, daß die Ausdehnungsschicht gut an der optischen Faser haftet. Besonders vorteilhaft ist es daher, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Ausdehnungsschicht als eine

bo metallische Aufdampfschicht mit einem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist

Besonders geeignete Materialien für die Aufdampfschicht, die gut an einer beispielsweise aus Quarz bestehenden, mit Glas, gegebenenfalls auch mit

b5 Kunststoff, dessen Brechungsindex πμ niedriger ist als der Brechungsindex n_K des Quarzkern ummantelten optischen Faser haften sind Al und Mn.
Um eine rasche Aufheizung der Ausdehnungsschicht

bei kleiner Steuerlichtleistung zu erzielen, ist es auch günstig, wenn die Ausdehnungsschicht auf der dem einfallenden Steuerlicht zugewandten Seite geschwärzt ist, bzw. ihre zusätzliche Absorptionsschicht auf der dem einfallenden Steuerlicht zugewandten Seite angeordnet ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ausdehnungsschicht möglichst in unmittelbarer Nähe der Einspannstelle der beweglichen Faser beginnt und sich etwa über Ve bis ¹At der Länge L des freien Abschnitts der beweglichen Faser erstreckt, so daß sich die Biegung im Bereich der Ausdehnungsschicht mit großer Übersetzung auf die Auslenkung der ausgangsseitigen Endstirnfläche der beweglichen Faser überträgt.

Dimensioniert man das erfindungsgemäße faseroptische Schaltungselement gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6, so erhält man eine günstig hohe Temperaturempfindlichkeit der Faserbewegung von etwa 1 μΐη/^οΚ, das heißt, es ist eine Temperaturerhöhung um nur etwa 20⁰K notwendig, um die Faser um ihren Durchmesser auszulenken. Die hierfür erforderliche Steuerlichtleistung liegt in der Größenordnung von 1 μ\ν.

In Anbetracht dieser geringen erforderlichen Steuerlichtleistungen ist es ohne weiteres möglich als Steuerlichtquelle eine in unmittelbarer Nähe der Ausdehnungsschicht angeordnete Leuchtdiode (LED) zu verwenden, so daß der Steuerlichtstrom elektrisch bequem steuerbar ist. Zwar benötigt eine LED zwei Versorgungsspannungsleitungen, jedoch bleibt die elektrische Leitungsführung einfach und die Steuerung ist unempfindlich gegen elektromagnetische Störfelder.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist als Steuerlichtquelle eine entfernt angeordnete Lichtquelle vorgesehen, deren Licht über eine optische Faser zu der Ausdehnungsschicht gelangt. Diese Ausbildung des faseroptischen Schaltungselements hat insbesondere die folgenden wesentlichen Vorteile: die faseroptische Zuführung ist unempfindlich gegen elektromagnetische Störfelder. Führt man die Steuerlichtfaser bis in unmittelbare Nähe der Ausdehnungsschicht bzw. deren Absorptionsschicht und wählt man den Querschnitt der Steuerlichtfaser höchstens gleich der Breite der Ausdehnungsschicht, so läßt sich auf einfache Weise das Problem der Überstrahlung der Ausdehnungsschicht vermeiden und praktisch die gesamte Steuerlichtleistung verlustfrei auf die Ausdehnungsschicht übertragen. Auch wenn in unmittelbarer Nähe des so gesteuerten Schaltungselements ein zweites analog aufgebautes Schaltungselement angeordnet ist, läßt es sich gut vermeiden, daß die Ausdehnungsschicht des einen Schaltungselement* das Steuerlicht für da--- andere Schaltungselement »sieht«. Man kann auch den Querschnitt der Steuerlichtfaser entsprechend der bestrahlten Fläche der Ausdehnungsschicht wählen, daß die gesamte Ausdehnungsschicht gleichzeitig bestrahlt werden kann. Die auftreffende Steuerlichtleistung kann dann optimal über die gesamte angestrahlte Fläche der Ausdehnungsschicht verteilt werden.

Bei optischen Fasern, bei denen der Kern von einem Mantel mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist der die Ausdehnungsschicht trägt, wird das Steuerlicht über eine im wesentlichen transversal zur Längsachse der optischen Faser verlaufende Steuersignalfaser zugeführt, die separat von der Eingangssignalfaser eingespannt ist.

Sieht man jedoch gemäß einer Ausführungsform der Erfindung für die Zuführung des Steuerlichts eine mehrschichtige optische Faser mit einem vom Signallicht führenden Querschnittsbereich optisch isolierten Steuerlicht führenden Querschnittsbereich vor, wobei man die Ausdehnungsschicht auf den äußeren Steuerlicht führenden Bereich aufbringt, so kann das Steuerlicht durch diesen Querschnittsbereich geleitet werden. Man vermeidet so eine zusätzliche Steuerlichtfaser und erhält eine besonders kompakte Bauweise.

ίο Für eine solche Isolation lassen sich auch die unterschiedlichen Lichtverteilungen von hohen und niedrigen Moden im Faserkern ausnutzen. Eine derartige Faser kann in geeigneter Weise auch in Planartechnik mit der entsprechenden Anzahl übereinander angeordneter ebener Schichten ausgebildet sein. Eine verwandte Möglichkeit ist auch die Benutzung einer Doppelfaser, bestehend aus zwei parallel nebeneinander liegenden, mechanisch fest miteinander verbundenen, aber optisch voneinander isolierten Fasern als Eingangssignalfaser. Die eir.e der Fasern führt dann das Signal-Licht und ist in Bezug auf die Ausgangsfaser justiert, während die andere Faser der Doppelfaser der Ausdehnungsschicht das Signallicht zuführt.

Da die Stellung bzw. Auslenkung der beweglichen Faser auch von der Umgebungstemperatur abhängig ist, sind die beschriebenen Schaltungselemente empfindlich gegenüber Schwankungen der Umgebungstemperatur T₀. Durch die Merkmale der Ansprüche 10 und 11 wird der Einfluß der Umgebungstemperatur mit einfachen Mitteln in erster Näherung ausgeschaltet und das Schaltungselement spricht nur noch auf Temperaturunterschiede zwischen den Ausdehnungsschichten der Eingangs- bzw. der Ausgangssignalfaser an. Es versteht sich, daß bei solchen differentiell arbeitenden Schaltungselementen entweder die eine oder die andere oder auch beide Absorptionsschichten zur Steuerung ausgenutzt werden können.

Andererseits können die beschriebenen faseroptischen Schaltungselemente, wenn sie nicht mit einer zweiten, den Einfluß der Umgebungstemperatur kompensierenden Ausdehnungsschicht versehen sind, zur Erfassung der Umgebungstemperatur benutzt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die durch die Änderung der Umgebungstemperatur bedingte Ab- oder Zunahme eines durch das Schaltungselement fließenden Lichtstromes gemessen wird, wobei man den Temperaturverlauf kontinuierlich verfolgen kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, ein solches Schaltungselement als Schwellenwertschalter zu betreiben, durch den beispielsweise ein Alarmsignal ausgelöst wird, wenn sich die Umgebungstemperatur über einen bestimmten Schwellenwert erhöht und dadurch der Lichtstrom unterbrochen wird. Es versteht sich, daß dem Fachmann noch zahlreiche weitere unmittelbar ersichtliche Anwendungsmöglichkeiten zur Verfügung stehen.

Mit dem erfindungsgemäßen Schaltungselement lassen sich mit geringem konstruktivem Mehraufwand auf engstem Raum auch komplexere faseroptische Schaltungen realisieren, deren Funktion in einem durch ihre mechanischen Eigenschaften bedingtem Frequenz-. bereich derjenigen komplexer elektronischer Schaltungen analog ist:
Durch die Merkmale der Ansprüche 12 und 13 ist eine Ausgestaltung der Erfindung angegeben, mit der ein Eingangssignalpfad auf mehrere Ausgangssignalpfade umschaltbar ist

Insbesondere dann, wenn im Bereich des Bewegungs-

hubes der beweglichen Faser mehrere Ausgangssignalfasern angeordnet sind, ist es für die zuverlässige Funktion des Schaltungselements günstig, wenn gemäß dem Merkmal des Anspruchs 14 eine die Position der Ausgangssignalfaser bzw. Faser definierende und gleichzeitig das freie Ende der beweglichen Faser innerhalb ihres Auslenkhubes führende Anschlagvorrichtung vorgesehen ist, die gemäß dem Merkmal des Anspruchs 15 in vorteilhafter Weise auch so ausgestaltet sein kann, daß sie zumindest in Endstellungen des Bewegungshubes der beweglichen Faser diese in möglichst gut fluchtender Anordnung mit ihrer dort zugeordneten Ausgangssignalfaser hält, so daß in diesen Endstellungen eine optimale Überkopplung des Signallichtes über den Koppelspalt möglich ist.

Durch die Merkmale des Anspruchs 16 erreicht map. mittels der in Längsrichtung gegeneinander versetzten und einander gegenüber angeordneten Ausdehnungsschichten, daß man die Faser von zwei Seiten her unabhängig ansteuern kann. Eine solche Anordnung der Ausdehnungsschichten ist dann besonders günstig, wenn die Eingangssignalfaser symmetrisch bezüglich zweier oder mehrerer Ausgangssignalfasern angeordnet ist. damit der Auslenkhub in jeweils einer Richtung nicht zu groß sein muß. Außerdem kann man durch Bestrahlung der einen Ausdehnungsschicht eine durch Bestrahlung der anderen Ausdehnungsschicht erzielte Durchbiegung wieder kompensieren.

Sind bei einem solchen Schaltungselement auch zusätzlich die Merkmale des Anspruchs 17 verwirklicht, so hat es die Eigenschaften eines astabilen Multivibrators, dessen Umschaltperiodendauer im wesentlichen durch die mechanischen und thermischen Eigenschaften der beweglichen Faser bestimmt ist. Hierbei erforderliche Abzweigkopplungen haben die Funktion, von dem die Ausgangsfasern durchsetzenden Signallicht einen Bruchteil abzuzweigen und in eine zu einer der Ausdehnungsschichten rückführenden optischen Faser einzukoppeln. Sie können mit Spiegeln, teildurchlässigen Spiegeln, Strahlenteilern oder dgl. oder auch selbst als faseroptische Elemente realisiert sein.

Verläuft die Längsachse der beweglichen optischen Faser in einem Ausgangszustand zwischen den Achsen der fest eingespannten Ausgangs-Signalfasern, wobei sich der Querschnitt der beweglichen Faser mit den Querschnitten der Ausgangs-Signalfasern etwas überlappt, so wird die Kippschwingung aus dem Rauschen heraus angefacht, wobei zunächst nicht definiert ist, welcher der beiden möglichen Signalpfade zunächst geöffnet wird. Durch die Merkmale des Anspruchs 18 ist jedoch auf einfache Weise die Möglichkeit vorgesehen, einem in der genannten Weise als astabiler Multivibrator ausgebildeten faseroptischen Schaltungselement lichtgesteuert einen bestimmten Ausgangszustand aufzuprägen, sowie die Kippschwingung in einer definierten Endstellung der beweglichen Faser auszuschalten.

Auch das faseroptische Schaltungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 19 hat die Eigenschaft eines astabilen Multivibrators mit definiertem Ausgangszustand, der besonders einfach aufgebaut ist, da nur eine Rückführungsfaser benötigt wird.

Durch die Merkmale der Ansprüche 20 bzw. 21 sind faseroptische Schaltungselemente mit den Eigenschaften bistabfler Multivibratoren angegeben, die mittels über Steuerlichtfasern zu den Ausdehnungsschichten der Eingangssignalfaser bzw. -fasern geleiteter Steuerlichtimpulse ausreichender Leistung triggerbar sind.

Durch die Merkmale des Anspruchs 22 ist eine für die meisten der vorbeschriebenen Schaltungselemente mit mehr als einer Ausgangssignalfaser günstige Anordnung der Ausgangssignalfasern angegeben.

Wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Ausdehnungsschicht direkt auf einem Abschnitt des Signallicht führenden Teils der beweglichen Faser angeordnet ist, dann wird die Auslenkung der Faser durch das Signallicht selbst beeinflußt. Eine solche Anordnung kann als Sicherheitsschalter benutzt

ίο werden, der für den Fall, daß die Signallichtleistung zu groß ist, den Signallichtstrom unterbricht. Es versteht sich, daß dann, wenn die Ausdehnungsschicht mit Signallicht bestrahlt wird, eine gegebenenfalls zusätzliche, das Absorptionsvermögen verbessernde Absorp-

Ij tionsschicht zweckmäßig zwischen dem Signallicht fiiHrAnWiiη *T~ai' rl*»r Paepr iin/i /Ιαγ Δ iic/ίΑΐιηιι η rr cc j"· Kir» Ht

angeordnet ist.

Die einseitig eingespannten beweglichen Fasern der verschiedenen faseroptischen Schaltungselemente haben durch ihre Materialeigenschaften und ihre geometrischen Abmessungen bestimmte Eigenfrequenzen, die im gesamten Tonfrequenzbereich liegen können. Diese Eigenfrequenzen können beispielsweise durch periodische Bestrahlung der Ausdehnungsschichtjen) der beweglichen Faser angeregt werden. Da man die Resonanzeigenschaften der erfindungsgemäßen faseroptischen Schaltungselemente durch deren Dimensionierung in weiten Grenzen variieren kann, ist es möglich, schmalbandige, abgestimmte Filter im gesam-

jo ten Tonfrequenzbereich zu realisieren.

Durch die Merkmale des Anspruchs 24 ist ein !faseroptisches Schaltungselement angegeben, das als selhsterregter optischer Oszillator wirkt, wenn an seiner feststehenden Faser eine genügend hohe Lichtleistung eingekoppelt wird.

Bei einer Anordnung eines solchen Schaltungselements gemäß der Merkmalen des Anspruchs 25 kann die Resonanz-Bandbreite als Maß für den in der Umgebung des faseroptischen Schalmngselements herrschenden Druck genommen werden. Es lassen sich auf diese Weise einfache und sehr betriebssichere Druckmeßgeräte bauen, die an meßlechnisch schwer zugänglichen Stellen einer Vorrichtung untergebracht werden können. In der genannten Weise aufgebaute optische Resonatoren lassen sich ohne weiteres mit einer Güte Q von etwa 1000 herstellen. Da ihre Resonanzfrequenz von der Fasermasse abhängt lassen sich durch Bestimmung der Resonanzfrequenz auch die Massen bzw. Schichtdicken auf der optischen Faser kondensierter Niederschläge oder aufgedampfter Schichten bestimmen. Bei der genannten Güte Q lassen sich somit Massenänderungen von nur io-« Her Fasermasse aus der resultierenden Frequenzänderung nachweisen, d. h. Massenänderungen in der Größenordnung von 10 -^I0 g oder Schichtdicken in der Größenordnung einiger Atomlagen auf der Faser.

Durch die Merkmale des Anspruchs 26 ist eine vorteilhafte meßtechnische Einsatzmöglichkeit eines faseroptischen Schaltungselementes angegeben. Hierbei kann das faseroptische Schaltungselement einerseits so mit einem anderen mechanischen Resonator verbunden sein, daß es mit dessen Frequenz mitschwingt oder auch selbst als Resonator mit von der zu messenden Größe abhängenden Resonanzfrequenz ausgebildet sein, wie es im Anspruch 27 angegeben ist

Durch die Merkmale des Anspruchs 28 läßt sich auf einfache Weise eine Variation der effektiven Biegesteifigkeit der beweglichen optischen Faser auf rnagneti-

schem Wege erzielen. Die Anordnung kann als Meßsonde für die magnetische Feldstärken-Komponente parallel zur Faser angesetzt werden. Durch Einbringen einer solchen Sonde in eine Spule kann die Stärke des in dei Spule fließenden Stromes über die Änderung der Resonanzfrequenz der Faser gemessen werden. Wenn sich die Meßgröße in eine zusätzlich zur Biegesteifigkeit der Faser wirkende ortsabhängige Kraft transformieren läßt, sodaß die Resonanzfrequenz der Faser ein Maß für die angelegte Kraft wird, so hat man gleichsam eine digitale Meßmethode und vermeidet die bei analogen Meßmethoden auftretenden Stabilisierungsprobleme.

Durch die Merkmale des Anspruchs 29 ist angegeben, wie sich die Resonanzfrequenz eines faseroptischen Schaltungselements durch eine geeignet variierbare elektrische Spannung verändern läßt.

Abschnitte der elektrischen Leitungen zum Anlegen der Spannung können dann gemäß dem Merkmal des Anspruchs 30 auch als Ausdehnungsschicht ausgenutzt werden.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Es zeigt

F i g. 1 ein erfindungsgemäßes faseroptisches Schaltungselement mit einer durch Beleuchtung einer Ausdehnungsschicht auslenkbaren Eingangssignalfaser.

Fig.2 die Eingangssignalfaser im Schnitt längs der Linie II-1I der Fig. 1,

Fig.3a und b der Fig.2 entsprechende Schnittdarstellungen weilerer, mit einer Ausdehnungsschicht versehener optischer Fasern,

Fig.4 ein als Umschaltrelais benutzbares faseroptisches Schaltungselement mit einer Führungsvorrichtung für die bewegliche optische Faser,

Fig. 5 die Führungsvorrichtung gemäß Fig. 4, teilweise im Schnitt längs der Linie V-V der F i g. 4,

Fig. 6 eine Anordnung zur Kompensation von Einflüssen der Umgebungstemperatur auf den Lichtdurchgang durch die optischen Fasern,

F i g. 7 und F i g. 8 Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Schaltungselementes mit den Eigenschaften eines astabilen faseroptischen Multivibrators,

Fig.9 und Fig. 10 Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schaltungselementes mit den Eigenschaften eines bistabilen Multivibrators,

F i g. 11 ein faseroptisches Schaltungselement mit den Eigenschaften eines selbst erregten Oszillators,

Fig. 12 das Schaltungselement gemäß Fig. 10 mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Biegesteifigkeit der beweglichen optischen Faser mittels einer elektrischen Gleichspannung.

In den Fig. 1 -12 sind gleiche oder funktionsgleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Ein in der Fig. 1 dargestelltes faseroptisches Schaltungselement 1 umfaßt eine kohärentes oder inkohärentes Licht leitende optische Eingangssignalfaser 2 und eine Ausgangssignalfaser 3, deren freie Endstirnfläche.ι 4 bzw. 6 durch einen Koppelspalt 7 in Längsrichtung der beiden optischen Fasern 2 und 3 voneinander abgesetzt sind. Die Eingangssignalfaser 2 ist im Abstand L von ihrer freien Endstirnfläche 4 fest in einer Wand 8 eines in seinen Einzelheiten nicht dargestellten Gehäuses eingespannt. Sie kann beispielsweise in eine Bohrung der Wand 8 eingekittet sein,. Auch die Ausgangssignalfaser 3 ist fest in eine Wand 9 dieses Gehäuses eingespannt. Die Eingangssignalfaser 2 und die Ausgangssignalfaser 3 haben in üblicher Weise jeweils einen Kern 11 mit relativ hohem Brechungsindex nie und einen den Kern 11 konzentrisch umschließenden Mantel 12 mit einem niedrigeren Brechungsindex n\f. Die EingangssignaSfsser 2 und die Ausgangssignalfaser 3 haben denselben kreisrunden Querschnitt mit dem Außendurchmesser d_F. Typische Werte des Durchmessers Of sind 10—150μηι. Der Abstand L der freien Stirnfläche 4 der Eingangssignalfaser 2 von ihrer Einspannstelle in der Wand 8 beträgt etwa 0,2-2 cm.

ίο Die Spaltweite g zwischen den Endstirnflächen 4 und 6 der beiden optischen Fasern 2 und 3 liegi in praktischen Fällen in der Größenordnung des Faserdurchmessers Of, jedoch ist es insbesondere bei relativ großen Faserdicken zweckmäßig, die Spaltweite g kleiner zu wählen, um einen Lichtverlust im Bereich des Koppelspaltes 7 so weit wie möglich zu unterdrücken.

In unmittelbarer Nähe der Wand 8, in der die Eingangssignalfaser 2 eingespannt ist, ist auf den den Quarz- oder Glaskern umschließenden Mantel 12 einseitig eine vorzugsweise durch Absorption elektromagnetischer Strahlung aufheizbare Ausdehnungsschicht 13 aufgebracht, die sich über eine Länge / erstreckt, die etwa Vio bis ¹A der Länge L des freien Abschnittes der Eingangssignalfaser 2 beträgt. Die Ausdehnungsschicht 13 ist als eine fest am Fasermantel 12 haftende \ufdampfschicht ausgebildet und besteht aus einem Material, beispielsweise einem Metall, das einen möglichst hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat. Besonders günstig sind Al und Mn, es sind aber nahezu alle anderen Metalle sowie verschiedene Gläser und Keramiken als Material für die Ausdehnungsschicht geeignet. Wichtig ist nur, daß sich gut an der optischen Faser haftende Ausdehnungsschichten mit hinreichend hohem bzw. vom thermischen Ausdeh-

j5 nungskoeffizienten der Faser verschiedenem thermischem Ausdehnungskoeffizienten und gutem Absorptionsvermögen erzielen lassen.

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Schaltungselement 1 ist die Ausdehnungsschicht an der Unterseite der Eingangssignalfaser 2 angeordnet und umschließt, wie aus Fig. 2 und in Verbindung mit einer etwas anders aufgebauten optischen Faser mit rundem Querschnitt aus F i g. 3a ersichtlich ist, mit sichelförmigem Querschnitt, den unteren, nahezu 180° umfassenden Mantel-

4·> bereich der Eingangssignalfaser 2. Der Bereich mit der größten Dicke d_t der Ausdehnungsschicht liegt somit genau unterhalb der Längsachse 14 der Eingangssignalfaser 2. Wird die Ausdehnungsschicht 13 von unten her mit Steuerlicht ausreichend hoher Leistung beleuchtet.

^r>() so wird sie durch Absorption des Steuerlichts über die Umgebungstemperatur 7o aufgeheizt, wobei sie sich im Bereich der Ausdehnungsschicht 13 in der Art eines Bimetallstreifens durchbiegt. Um die Steuerlichtlcistung zur Aufheizung der Ausdehnungsschicht 13 möglichst quantitativ ausnutzen zu können, ist auf die Ausdehnungsschicht zusätzlich eine dünne Absorptionsschicht 15 aufgebracht, die für das verwendete Steuerlicht ein besonders hohes Absorptionsvermögen besitzt. Diese Absorptionsschicht 15 ist jeweils an derjenigen Seite

W) der Ausdehnungsschicht angeordnet, auf die das Steuerlicht auftrifft. Bei der in der F i g. 2 dargestellten optischen Faser ist dies die Außenseite, während es bei der in Fig. 3a dargestellten optischen Faser die der Steuerlicht führenden Mantelschicht 38 zugewandte Innenseite der Ausdehnungsschicht 13 ist. Der Ausdruck Ausdehnungsschicht soll im folgenden stets auch die Möglichkeit mit beinhalten, daß eine zusätzliche Absorptionsschicht vorgesehen ist.

Solange die Ausdehnungsschicht 13 nicht mit Steuerlicht bestrahlt ist und die Umgebungstemperatur To innerhalb bestimmter Grenzen liegt, fluchten die Längsachsen 14 und 16 der Eingangssignalfaser 2 bzw. der Ausgangssignalfaser 3 und an der freien Endstirnfläche 4 der Eingangssignalfaser 2 austretendes Signallicht wird über den Koppelspalt 7 mit dem geringst möglichen Verlust an der Endstirnfläche 6 in die Ausgangssignalfaser 3 übergekoppelt. Wird nun die Ausdehnungsschicht 13 mit Steuerlicht bestrahlt, so wird, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient der Ausdehnungsschicht größer ist als derjenige der Eingangssignalfaser 2, deren freier Endabschnitt 17 in Richtung des Pfeils 18 nach oben ausgelenkt, wobei die genaue Ausrichtung der Eingangssignalfaser 2 und der Ausgangssignalfaser 3 gestört und die im Bereich des Kuppelspaltes 7 übergekoppelte Lichtleistung entsprechend verringert wird. Wird das Steuerlicht ausgeschaltet, so kühlt die Eingangssignalfaser 2 wieder ab und kehrt nach einer Zeit, die von den thermischen und mechanischen Eigenschaften der Eingangssignaifaser 2 abhängt, wieder in ihre Ausgangslage zurück, in der der Signallichtstrom wieder vollkommen übergekoppelt wild. Während die über die Eingangssignaifaser 2 und die Ausgangssignalfaser 3 übertragbare Lichtleistung bei mindestens 10—100 mW liegt, beträgt die Steuerlichtleistung, die bei dem Schaltungselement 1 gemäß Fig. 1 erforderlich ist, um das freie Ende 7 der Eingangssignaifaser 2 um eine Hubhöhe h auszulenken, die mindestens gleich dem Durchmesser dt der Ausgangssignalfaser 3 ist, so daß der Signallichtstrom durch das Schaltungselement 1 vollkommen unterbrochen ist, nur etwa 1-100 W. Man hat also die Möglichkeit, mit Steuerlicht sehr geringer Leistung einen Lichtstrom zu steuern, dessen Leistung mehrere Größenordnungen höher ist Im Betrieb kann man also bei genügend langsam veränderlichem Steuerlicht eine proportionale Licht-Verstärkung um mehrere Größenordnungen erreichen. Das Schaltungselement 1 kann daher in faser-optischen Regelsystemen ähnliche Aufgaben erfüllen wie Transistoren in elektrischen Regelkreisen.

In Anbetracht der geringen erforderlichen Steuerlichtleistung ist als Steuerlichtquelle, wie schematisch in Fig. 1 dargestellt, eine Lumineszenzdiode 19 verwendbar, die in unmittelbarer Nähe der Ausdehnungsschicht 13 angeordnet ist. Die Lichtemission einer solchen Diode 19 ist von einem entfernten Ort aus durch Variation ihrer Betriebsspannung bequem steuerbar, was in Fig. 1 durch einen Schalter 21. über den die Diode 19 an eine Versorgungsspannungsquelle 22 angeschlossen ist. symbolisch dargestellt ist.

Im Unterschied zu dem Schaltungselement 1 gemäß F i g. 1 wird bei dem Schaltungselement 24 gemäß Fig. 4 das Steuerlich" über eine Steuerlichtfaser 23 zu der Ausdehnungsschicht 13 geleitet Über die Steuerlichtfaser 23 lassen sich größere Steuerlichtleistungen übertragen und auch größere Xuslenkungshübe des freien Endes 7 der Eingangssignaifaser 2 erreichen. Die Steuersignalfaser 23 hat einen an die Fläche der Ausdehnungsschicht 13 angepaßten flach-rechteckförmigen Querschnitt und ist so angeordnet, daß nahe/u die gesamte Fläche der Ausdehnungsschicht gleichzeitig bestrahlbar ist, ohne daß die Ausdehnungsschicht überstrahlt wird. Die Anordnung ist so getroffen, daß die Eingangssignaifaser 2, wenn ihre Ausdehnungsschicht 13 bestrahlt ist, die Tendenz hat, sich in der durch den Pfeil 26 der F i g. 5 markierten vertikalen Ebene zu verbiegen. Innerhalb des maximalen Auslenkhubes Λ der Eingang'.signalfaser 2 sind drei parallel zueinander verlaufende AusgangSEignalfasern 27, 28 und 29 vorgesehen, wobei der vertikale Abstand jeweils -, benachbarter Längsachsen 31, 32 bzw. 33 nur wenig größer ist als der Durchmesser Of der bei diesem Schaltungselement verwendeten optischen Fasern. Solange die Ausdehnungsschicht 13 der Eingangssignaifaser 2 nicht bestrahlt ist, fluchtet ihre Längsachse exakt

ίο mit der Längsachse 31 der untersten Ausgangssignalfaser 37. Die Längsachsen 37, 32 und 33 liegen in einer gemeinsamen, in der F i g. 5 gestrichelt eingezeichneten Ebene 34. Ein Pfeil 26, dessen Richtung mit dieser ebene einen spitzen Winkel von wenigen Winkelgraden

π einschließt markiert die Richtung der Kraft, die die bewegliche Faser 2 bei sich erwärmender Ausdehnungsschicht 13 auslenkt. Ein plattenförmiges Anschlagteil 37, das den Koppelspalt 7 zwischen der Eingangssignaifaser 2 und den Ausgangssignalfasern 27,28 und 29 überquert definiert durch eine Führungsfläche 36 die Auslenkbahn der beweglichen Faser 2 und ist auch mit oberen und unteren Endanschlägen 35 versehen, die Endstellungen optimaler Kopplung zwischen der Eingangssignaifaser und mindestens den randständigen Ausgangssignalfasern 27 und 29 definieren. Mit dem Schaltungselement gemäß F i g. 4 läßt sich eine Umschaltung des Signallichtes auf drei Ausgangssignalpfade steuern. Je nachdem, wie groß der maximale Auslenkhub h der Eingangssignaifaser 2 ist, können gegebenenfalls auch noch mehr Ausgangssignalfasern und entsprechend mehr Signalpfade vorgesehen sein.

Bei den anhand der F i g. 1, 2, 4 und 5 beschriebenen faseroptischen Schalungselementen sind das Signal- und das Steuerlicht optisch völlig voneinander getrennt.

Wenn jedoch die Eingangssignaifaser den im Querschnitt in der F i g. 3a dargestellten Aufbau hat, mit einer die den Kern 11 umschließenden Mantelschichi 12 mit niedrigem Brechungsindex konzentrisch umschließenden äußeren Mantelschicht 38, die wieder einen höheren Brechungsindex hat, und an ihrer Außenseite einseitig mit der Ausdehnungsschicht 13 versehen ist, dann kann das Steuerlicht auch koaxial zur Längsachse 14 der Eingangssignaifaser 2 zugeführt werden. Der Aufbau eines mit einer solchen Eingangssignaifaser versehenen Schaltungselements wird erheblich einfacher, da sich die für die Halterung einer in transversaler Richtung herangeführten optischen Faser erforderlichen Vorrichtungen vermeiden lassen. Die optische Faser mit dem Aufbau gemäß Fig. 3a ist insbesondere für einen im

ϊο folgenden noch zu beschreibenden faseroptischen Oszillator geeignet.

Eine Alternative /ur koaxialen Anordnung gemäß F i g. 3a ist der in der F i g. 3b dargestellte schichtförmige Aufbau einer optischen Faser. Hier entspricht die rechteckige Faser 11 dem Kern 11 der runden Fasern 2. Die Schicht 12 mit niedrigerem Brechungsindex entspricht dem Mantel; sie isoliert optisch die Signallicht führende Faser 11 von dem das Steuerlicht führenden Querschnittsbereich 38, der wieder einen

M) höheren Brechungsindex besitzt. Das Licht absorbierende Material 13 mit höherem thermischem Ausdehnungskoeffizienten spielt dieselbe Rolle wie bei der Ausführung mit runder Faser. Der Vorteil der rechteckigen Anordnung gemäß Fig.3b besteht darin, daß sie sich durch Methoden der Mikrofabrikation (Lithographie, Ätztechniken) in planarer Bauweise sehr wirtschaftlich herstellen läßt.
Da bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen

die Durchbiegung der mit der Ausdehnungsschicht 13 versehenen optischen Faser 2 stets auch von der Umgebungstemperatur To abhängig ist, sind diese Anordnungen empfindlich gegen Schwankungen der Umgebungstemperatur. Sie sollten daher bei möglichst konstanter Umgebungstemperatur betrieben werden. Der störende Einfluß schwankender Umgebungstemperaturen läßt sich aber sowohl bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen als auch bei den meisten der im folgenden noch zu beschriebenden Ausführungsbeispielen durch eine anhand der F i g. 6 erläuterte Maßnahme weitestgehend vermeiden; bildet man den faseroptischen Teil des Schaltungselements gemäß F i g. 1 symmetrisch zur Mittelebene des Koppelspaltes 7 aus, sodaß die bei unbestrahlter Ausdehnungsschicht 13 der Eingangssignalfaser 2 miteinander fluchtenden einseitig eingespannten Abschnitte der Eingangssignalfaser 2 und der Ausgangssignalfaser 3 die gleiche Länge L haben und versieht man auch die Ausgangssignalfaser 3 mit einer Ausdehnungsschicht 39, die auf derselben Seite angeordnet ist wie die Ausdehnungsschicht 13 der Eingangssignalfaser 2, wobei auch die beiden Ausdehnungsschichten 13 und 39 symmetrisch zur Mittelebene

41 des Koppelspaltes 7 angeordnet und ausgebildet sind,

so werden die Eingangssignalfaser 2 und die Ausgangss'gnalfaser 3 bei Änderungen der Umgebungstemperatur T_n um dieselbe Strecke und in derselben Richtung aasgelenkt, sodaß ihre freien Endstirnflächen 4 bzw. 6 einander gegenüberliegend angeordnet bleiben, sofern nicht die eine oder die andere Ausdehnungsschicht 13 ju bzw. 39 mit Steuerlicht bestrahlt wird. Das Schaltungselement gemäß Fig. 6 kann als ein differentiell arbeitendes Relais benutzt werden, das entweder durch Bestrahlung der einen oder der anderen Ausdehnungsschicht 13 bzw. 39 steuerbar in. Selbstverständlich ist es dann auch gleichgültig, welche der beiden optischen Fasern 2 oder 3 als Eingangs- bzw. Ausgangssignalfaser ausgenutzt wird.

Das in Fig. 7 dargestellte faseroptische Schaltungselement ähnelt in seinem Aufbau dem in Fig.4 dargestellten faseroptischen Umschaltrelais, wobei jedoch nur die beiden unteren Ausgangssignalfasern 27 und 28 vorhanden sind. Die untere Ausgangssignalfaser 27, deren Längsachse 16 mit der Längsachse 14 fluchtet, solange die Ausdehnungsschicht 13 der Eingangssignal- ·ι> faser 2 nicht beleuchtet ist, ist mit einer Abzweigkopplung 42 versehen, von der eine optische Rückführungsfaser 43 ausgeht die in der aus der Fig. 7 ersichtlichen Weise zur Ausdehnungsschicht 13 der Eingangssignalfaser 2 zurückgeführt ist. Über die Abzweigkopplung 42 ist ein Bruchteil, größenordnungsmäßig 1 - 10% des von der Eingangssignalfaser 2 in die Ausgangssignalfaser 27 übergekoppelten Signallichts in die Rückführungsfaser zur Beleuchtung der Ausdehnungsschicht 13 auskoppelbar. Dieses faseroptische Schaltungselement arbeitet v> wie folgt: Befindet sich die Eingangssignalfaser 2 in ihrer in der F i g. 7 dargestellten Ausgangsstellung, in der ihre Ausdehnungsschicht 13 »kalt« ist, so wird das Signallicht in die untere Ausgangssignalfaser 27 übergekoppelt. Hin Teil des Signallichts gelangt über die Abzweigkopplung w>

42 und die Rückkopplungsfaser 43 zur Ausdehnungsschicht 13 der Eingangssignalfaser 2, deren freier Endabschnitt 17 nunmehr in Richtung auf die obere Ausgangssignalfaser 28 ausgelenkt wird. Ist die ausgekoppelte Lichtleistung zur Aufheizung der Aus- fa5 dehnungsschicht 13 groß genug, so wird eine Umschaltung des Signallichtstromes auf die zweite Ausgangssi gnalfaser 28 erreicht. Der Lichtstrom durch die untere Ausgangssignalfaser 27 ist dann unterbrochen, zumindest aber sehr stark geschwächt und dementsprechend auch die Leistung des auf die Ausdehnungsschicht 13 noch auftreffenden Steuerlichts. Die Eingangssignalfaser 2 kühlt daher wieder ab und biegt sich zurück, bis die Leistung des nunmehr wieder größtenteils in die untere Ausgangssignalfaser 27 angekoppelten Signallichtstromes bzw. dessen gegengekoppelter Antei¹ wieder ausreicht, um die Absorptionsschicht 13 wieder aufzuheizen, worauf sich das geschilderte Arbeitsspiel wiederholt. Man erkennt, daß dieses Schaltungselement die Eigenschaften eines astabilen Multivibrators hat, dessen Periodendauer im wesentlichen durch die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Eingangssignalfaser 2 bestimmt ist.

An den beiden Ausgangsfasern 27 und 28 kann gegenphasig moduliertes Licht abgenommen werden, beispielsweise zur Steuerung anderer faseroptischer Elemente.

Auch das in F i g. 8 durgestellte faseroptische Schaltungselement hat die Eigenschaften eines astabilen Multivibrators. Die Eingangssignalfaser 2 ist hier so angeordnet, daß ihre Längsachse 14 im nicht ausgelenkten Zustand zwischen den Längsachsen 31 und 32 der beiden Ausgangssignalfasern 27 und 28 und parallel zu diesen verläuft. Die beiden Ausgangssignalfasern 27 und 28 sind in dem Wandabschnitt 9 so nahe nebeneinander eingespannt, daß sich ihre Querschnitte in Richtung ihrer Längsachsen 31 und 32 gesehen mit dem Querschnitt der Eingangssignalfaser 2 überlappen, wenn deren freier Endabschnitt 17 nicht in Richtung auf die eine oder die andere Ausgangssignalfaser 31 bzw. 32 ausgelenkt ist. Die Eingangssignalfaser 2 ist mit zwei Ausdehnungsschichten 13 und 44 versehen, die auf einander gegenüber liegenden Seiten der Eingangssignalfaser 2 angeordnet sind, wobei die eine, untere Ausdehnungsschicht 13 auf der der Längsachse 31 der unteren Ausgangssignalfaser 27 zugewandten Seite und die andere, obere Ausdehnungsschicht 44 auf der der Längsachse 32 der oberen Ausgangssignalfaser 28 zugewandten Seite der Eingangssignalfaser 2 angeordnet ist. Die beiden Ausdehnungsschichten 13 und 44 haben dieselbe effektive Länge /. Die untere Ausdehnungsschicht 13 ist in unmittelbarer Nähe der Einspannstelle der Eingangssignalfaser 2 in dem Wandabschnitt 8 angeordnet, während die obere Ausdehnungsschicht so weit in Richtung auf das freie Ende 17 der Eingangssignalfaser versetzt ist, daß sich ihre Absorptionsflächen gerade nicht mehr überlappen. In der bereits in Verbindung mit Fig. 7 beschriebenen Weise ist jede der beiden Ausgangssignalfasern 27 und 28 mit einer Abzweigkopplung 42 bzw. 46 versehen, von der eine Rückführungsfaser 43 bzw. 47 ausgeht, in die jeweils ein Bruchteil des Signallichts einkoppelbar ist. Über die von der unteren Ausgangssignalfaser 27 ausgehende Rückführungsfaser 43 ist die der Längsachse 31 dieser Ausgangssignalfaser 27 zugekehrte untere Ausdehnungsschicht 13 beleuchtbar. Entsprechend ist die zweite Ausdehnungsschicht 44 über die zweite Rückführungsfaser 47 beleuchtbar. Die Endstirnflächen 48 und 49 der beiden Ciegenkopplungsfasern 43 und 47 sind in den in Längsrichtung der Eingangssignalfaser 2 gesehen benachbarten Bereichen der Absorptionsschichten 13 und 44 angeordnet, so daß bezüglich der Steuerlichtzuführung nahezu symmetrische Verhältnisse gegeben sind. Wenn als Steuerlichtfasern zur Beleuchtung der beiden Absorptionsschichten 13 und 44 nur die beiden Rückführungsfasern 43 und 47 vorgese-

hen sind, wird sich, wenn Signallicht in die Eingangssignalfaser 2 eingespeist wird, eine Kippschwingung dieses Schaltungselementes aus dem Rauschen heraus anfachen. Wenn jedoch gleichzeitig eine der beiden Ausdehnungsscliichten 13 oder 44, wie es in der Fig.8 dargestellt ist. Ober eine zusätzliche Steuerlichtfaser 51 bzw. 52 mit Steuerlicht bestrahlt werden, so ist es möglich, einen der beiden Signallichtpfade 2, 27 bzw. 2, 28 durchlässig zu halten und die Kippschwingung zu vermeiden.

Das in der Fig.9 dargestellte faseroptische Schaltungselement unterscheidet sich in seinem Aufbau von demjenigen nach der F i g. 8 lediglich dadurch, daß die von den Abzweigkopplungen 42 und 46 ausgehenden optischen Fasern 43 und 47 jeweils zur anderen Ausdehnungsschicht 44 bzw. 13 geführt sind. Die Zweigfasern 43 und 47 wirken daher nicht schwingungsanfachend sondern stabilisieren vielmehr die eine oder andere der beiden möglichen Positionen der beweglichen Faser und vermitteln dem faseroptischen Schaltungselement gemäß Fig.9 daher die Eigenschaften eines bistabilen faseroptischen Multivibrators, der mittels über die zusätzlichen Steuerfasern 51 und 52 zugeführter Steuerlichtimpulse geeigneter Dauer und Intensität triggerbar ist.

Auch das in der Fig. 10 dargestellte faseroptische Schaltungselement hat die Eigenschaften eines bistabilen Multivibrators. Im Unterschied zu dem Schaltungselement gemäß F i g. 9 sind jedoch zwei mit Ausdehnungsschichten 53 und 54 versehene Eingangssignalfasern vorgesehen, die im gleichen Abstand L von ihren freien Endstirnflächen 58 und 59 in einer Gehäusewand 8 fest eingespannt sind. Im nicht ausgelenkten Zustand verlaufen die Fingangssignalfasern 56 und 57 parallel zueinander und fluchten mit zueinander parallelen Ausgangssignalfasern 61 und 62, die in dem Gehäusewandteil 9 in einem Abstand voneinander fest eingespannt sind, der ein Mehrfaches des Faserdurchmessers dl· beträgt. Die beiden Ausdehnungsschichten 53 und 54 sind an den einander gegenüber liegenden Außenseiten der Eingangssignalfasern 56 und 57 angeordnet, könnten aber auch an den einander zugewandten Innenseiten der Eingangssignalfasern angeordnet sein. Ebenso wie bei dem faseroptischen Schaltungselement gemäß Fig.9 ist jede der beiden Ausgangssignalfasern 61 und 62 mit einer Abzweigkopplung 63 bzw 64 versehen, von der aus eine optische Faser 66 bzw. 67 zur Ausdehnungsschicht 54 bzw. 53 der jeweils der ?nderen Ausgangssignalfaser 62 bzw. 61 zugeordneten Eingangssignalfaser 57 bzw. 56 führt. Die Funktion dieser optischen Fasern 66 und 67 ist derjenigen der Rückkopplungsfasern 43 und 47 des Schaltungselements gemäß Fig. 9 analog. Auch die Funktion der zusätzlichen Steuerlichtfase'-n 68 und 69 entspricht derjenigen der Steuerlichtfasern 51 und 52 gemäß Fig. 9. Wenn die den beiden Eingangssignalfasern 56 und 57 zugeführten Signallichtströme identisch sind, was bei der im linken Teil der Fig. 10 gestrichelt als Verzweigung angedeuteten Signallichteinspeisung, die auch mittels eines Strahlenteilers realisierbar wäre, der Fall wäre, dann entsprechen die Eigenschaften des Schaltungseiementes gemäß Fig. 10 weitestgehend denjenigen des Schaltungseiementes gemäß Fig.9. Im Unterschied dazu hat man jedoch bei dem Schaltungselement gemäß F i g. 10 die Möglichkeit über die beiden Signallichtpfade 57, 62 und 65, 61 Signallichtströmc unterschiedlicher Qualität, d. h. unterschiedlicher Intensität und/oder Wellenlänge zu transportieren, was für spezielle Anwendungsfille von Vorteil ist-

Bei den in den Fi g. 7 —10 dargestellten Schaltungselementen werden optische Fasern mit einem Mantel mit einem im Vergleich zu dem Brechungsindex πκ des Kerns niedrigeren Brechungsindex % benutzt Abzweigkopplungen, die in Verbindung mit den faseroptischen Schaltungselementen gemäß den Fig. 7 bis 10 verwendet werden können, sind dem Fachmann bekannt und von H. H. Witte in Optics Communications,

ίο 1976,Bd. 18, S. 559 beschrieben.

Das in der F i g. 11 dargestellte faseroptische Schaltungselement ist ähnlich aufgebaut wie das faseroptische Relais gemäß F i g. !,jedoch an einen ganz anderen Gebrauchszweck angepaßt. Seine bewegliche Faser 71 ist auf einem Abschnitt der Länge L, der sich von der Endstirnfläche 72 bis in unmittelbare Nähe der Einspannstelle in der Wand 8 eines Gehäuses erstreckt, vom Mantel 73 mit dem niedrigeren Brechungsindex befreit, und seine Ausdehnungsschicht 74, die wie auch bei dem faseroptischen Relais oder Verstärker gemäß F i g. 1 in unmittelbarer Nähe der Einspannstelle angeordnet ist, ist unmittelbar auf den frei liegenden Kern 76 mit dem höheren Brechungsindex ηκ aufgedampft. Sie hat die Länge I, die wiederum deutlich kleiner sein kann als die Länge L des freien Kernabschnits 76. Bei diesem Schaltungselement tritt eine Auslenkung der optischen Faser 71 in Richtung des Pfeils 77 dann ein, wenn die optische Faser 71 Signallicht führt, das nunmehr von der Ausdehnungsschicht 74

.to absorbiert werden kann, da diese nicht mehr optisch gegenüber dem Kern 76 isoliert ist. Im »kalten« Zustand der Ausdehnungsschicht und demgemäß auch der optischen Faser 71 fluchtet ihre Längsachse 78 mit der Längsachse 79 einer in einem gegenüberliegenden Wandabschniti 9 kurz eingespannten optischen Faser 81, deren Anordnung derjenigen der Ausgangssignalfaser gemäß Fig. 1 entspricht. Es versteht sich, daß auch hier die optische Faser 81 »lang« eingespannt und mit einer Kompensations-Ausdehnungsschicht versehen sein könnte, wie dies in Verbindung mn Fig.6 beschrieben worden ist.

Benutzt man die mit der Ausdehnungsschicht 74 versehene optische Faser 71 als Eingangssignalfaser und führt ihr periodisch Signallicht zu, so schwingt sie mit

4) der Modulationsfrequenz des Signallichts, wenn diese hinreichend niedrig ist. Stimmt die Modulationsfrequenz des Signallichts mit der mechanischen Eigenfrequenz der optischen Faser 71 überein, so erhält man eine Resonanzamplilude die um den Gütefaktor Q des (mechanischen) Faser-Resonators höher ist als bei Anregung weit außerhalb der Eigenfrequenz der optischen Faser 71. Bei einem Versuchselement gemäß F i g. 11 betrug der Durchmesser des Faserkerns df etwa 20 μίτι, die Länge des frei gelegten Kernabschnitts 76 war 3,5 mm und die Dicke c/< einer sich über die gesamte Länge L des Faserkerns erstreckenden Ausdehnungsschicht, die aus Aluminium bestand, war 0,1 μηι. Bei einer Steuerleistung von 0,4 mW betrug die Resonanzfrequenz f der optischen Faser 71 828,5 Hz und die

bo Bandbreite war 0,9 Hz. Bei 4 mW Steaerleistung lagen diese Werte bei 824,7 Hz und 1,6 Hz. Diese Veränderungen erklären sich aus der höheren mittleren Temperatur der Faser bei der höheren Steuerleistung, weil dann der Elastizitätsmodul der Faser abnimmt und die Verluste zunehmen. Der Gütefaktor Q betrug demgemäß etwa 900, wenn sich das Schaltungselement im Vakuum befand. Bei 90 μW Steuerleistung wurde eine Oszillationsamplitude von 104 μΐη erreicht. Verwendet man

dickere Ausdehnungsschichten, liegt der Steuerleistungsbedarf in der Größenordnung von nur 1 μ W. Befindet sich ein solchermaßen schwingendes Schaltungselement nicht im Vakuum, so ist die Resonatorgüte Q infolge der Reibungsverluste geringer und beträgt bei Atmosphärendruck nur noch etwa 60. Infolge der Abhängigkeil der Resonatorgüte bzw. der Resonanzamplitude V'om Luftdruck ist das Schaltungselement gemäß Fig. 11 als faseroptisches Druckmeßgerät einsetzbar.

Koppelt man Signallicht ausreichend hoher Leistung nicht über die bewegliche optische Faser 71 sondern über die andere optische Faser 81 ein, so wird das Schaltungselement gemäß Fig. 11 zu einem selbst-erregten optischen Oszillator, wobei sich die Schwingung von selbst anfacht und die erreichbare Maximalamplilude durch die Höhe der zugeführten Lichtleistung und durch die Verstärkungs- und Verlusteigenschaften der Fasern bestimmt ist. Bei dem Schaltungselement mit den vorstehend angegebenen Dimensionen betrug die Schwellen-Leistung bei Zuführung des Lichtes durch die »feste« optische Faser 81 0.4 mW.

Bei dem in Fig. 12 dargestellten Schaltungselement, das in seinem Aufbau weitgehend dem Schaltungselement gemäß Fig. 11 entspricht, sind die einander gegenüberstehenden Endabschnitte 82 und 83 der beiden optischen Fasern 71 und 81 zusätzlich je von einer zylindrischen Mantelelektrode 84 bzw. 86 umgeben, an die eine Gleichspannung anlegbar ist. Die Mantelelektroden 84 und 86 sind als dünne metallische Aufdampfschichten mit einer Schichtdicke von etwa 0,1 μπι ausgebildet. Die Ausdehnungsschicht 87, die auf den frei gelegten Kern 76 der beweglichen optischen Faser 71 aufgedampft ist, hat eine erheblich größere Schichtdicke (etwa 1 μΐη) und besteht aus demselben leitenden Material, vorzugsweise Aluminium, wie die Mantelelektrode 84. Über einen dünnen leitenden Steg 88, der etwa dieselbe Materialstärke wie die Mantelelektrode hat, und auf derselben Seite wie die Ausdehnungsschicht 87 auf den frei liegenden Kern 76 aufgedampft ist, ist die Ausdehnungsschicht 87 leitend mit der Mantelelektrode 84 verbunden. Bis in den Außenbereich des durch die Wandabschnitte 8 und 9 dargestellten Gehäuses reichende Bereiche 91 und 92 der die Ausdehnungsschicht 87 der einen optischen Faser 71 und die Mantelelektrode 86 der anderen optischen Faser 81 bildenden Aufdampfschichten dienen als Anschlußkontakte zum Anlegen einer elektrischen Gleichspannung (- V. +V). Beim Anlegen einer solchen Gleichspannung werden die Mantelelektroden 84 und 86 gegensinnig aufgeladen und ziehen sich infolge der parallel zu dem Pfeil £ in Fig. 12 gfι ichicicn elektrischen Feldstärke an. Man erreich! dadurch eine Erhöhung der effektiven Steifigkeit der beweglichen optischen Faser, deren Resonanzfrequenz damit durch Variation der Spannung variiert werden kann. Wird das faseroptische Schaltungselement im selbst-oszillierenden Betrieb benutzt, so ist umgekehrt die Modulationsfrequenz des Signallichtes am Ausgang der beweglichen Faser ein Maß für die an den Mantelelektroden 84 und 86 anliegende Spannung, die somit durch Messung der Resonanzfrequenz meßbar ist. Bei einer etwa der in Verbindung mit Fig. 11 angegebenen Dimensionierung des Schaltungselements und einem Abstand der Mantelelektroden 84 und 86 von etwa ΙΟΟμίη beträgt die Erhöhung der Resonanzfrequenz pro 20 V anliegender Spannung etwa 1 Hz. Durch geeignete Dimensionierung der oszillierenden optisehen Faser 71 lassen sich selbstverständlich erheblich höhere oder niedrigere Werte der Frequenzänderung pro Spannungseinheit erzielen.

Eine ähnliche Erhöhung der Resonanzfrequenz läßt sich auch durch magnetische Kräfte bewirken. Dazu werden die Beschichtungen 84 und 86 der Faserenden aus weichmagnetischem Material (z. B. Permalloy) hergestellt. Wirkt nun ein magnetisches Feld in der durch den Pfeil H dargestellten Richtung so besteht zwischen den magnetisierten Materialien 84 und 86 eine Anziehungskraft, die die effektive Biegesteifigkeit der beweglichen Faser 71 erhöhl. Die resultierende Frequenzerhöhung ist ein Maß für die anliegende magnetische Feldstärke.

Es versteht sich, daß bei sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen deren Resonanzeigenschaften auch durch periodische Steuerlichtzufuhr über die Steuerlichtfasern ausgenutzt werden können.

Schließlich ist es auch noch möglich, die Erwärmung der Absorptionsschicht nicht durch Absorption von

jo Strahlung zu bewirken, sondern unmittelbar durch elektrischen Stromdurchgang. Dazu kann die Absorptionsschicht aus zwei metallischen Schichten mit einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht ausgebildet werden. Die Wirkungsweise und Anwendungsmöglichkeiten eines solchen Schaltungselements entsprechen weitgehend denen der Anordnung nach F i g. 1. Es wird jedoch eine größere Empfindlichkeit erreicht, da die zugeführte elektrische Leistung voll zur Aufheizung der Ausdehnungsschicht und der Faser dient, während beispielsweise bei der Benutzung der LED die Aufheizung um den Wirkungsgrad der LED und eventuelle Strahlungsverluste verringert ist.

Da Aluminium-Ausdehnungsschichten, die auf einer Faserlänge von 200 m aufgedampft sind, schon mit weniger als 0.5 mW absorbierter Lichtleistung im Vakuum zum Schmelzen gebracht werden können, und es bei einer Lichtleistung von 3 mW selbst Quarzfasern zum Schmelzen zu bringen, können mit solchen Ausdehnungsschichten versehene Schaltungselemente auch als optische Schmelzsicherungen ausgenutzt werden, um empfindliches, dahinter geschaltetes optisches Gerät vor Überlastung zu schützen.

mSücSüiiucrc uic iifitcf Ausnutzung uci" ixcSönänzCi-

genschaften arbeitenden faseroptischen Schaltungselemente haben im Vergleich zu entsprechend wirkenden elektromechanischen Relais einen um mehrere Größenordnungen geringeren Raumbedarf und ein entsprechend geringeres Gewicht, was eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten eröffnet

Hierzu 6 Blatt Zcichnuneen

Claims

Patentansprüche:

1. Faseroptisches Schaltungselement mit einem ersten in einer definierten Lage angeordneten optischen Element, wie z. B. einer optischen Faser, und mit einem zweiten optischen Element, nämlich einer optischen Faser, die in einem Abstand von ihrem freien Ende eingespannt gehalten ist, wobei diese optische Faser quer zu ihrer Längsachse bewegbar und gezielt in eine Kopplungsstellung bringbar ist, in der aus dem einen optischen Element austretendes Licht in das andere eintreten kann, und die mittels einer steuerbaren Biegeeinrichtung gezielt aus der durch die Ruhelage der beweglichen Faser markierten Schaltstellung ausrückbar ist, wobei die steuerbare Biegeeinrichtung eine mit der Faser verbundene Schicht umfaßt, dk- durch A-bsorption elektromagnetischer Strahlung aufheizbar ist und sich dadurch ausdehnt, dadurch gekennzeichnet, daß die durch elektromagnetische Strahlung aufheizbare Ausdehnungsschicht (13) als eine unmittelbar auf die optische Faser (2) aufgebrachte und fest an dieser haftende Schicht mit einem von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten /x_F der Faser (2) verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten a_c ausgebildet ist, wobei die Schichtdicke d_c der Ausdehnungsschicht (13) bei vorgegebenen Werten der Faserdicke dr und des Elastizitätsmoduls Ec des Schichtmaterials gemäß der Beziehung

yE,d,/E,d, « 1

gewählt ist, wobei γ einen dimensionslosen Faktor bezeichnet, der für Fasern mit rundem Querschnitt etwa den Wert 0,15 und bei Fasern mit flachem Querschnitt etwa den Wert 0,25 hat.

2. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungsschicht (13) mit einer das Absorptionsvermögen des Elements erhöhenden Absorptionsschicht (15) versehen ist, die für die zur Aufheizung verwendete Strahlung ein hohes Absorptionsvermögen besitzt.

3. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungsschicht (13) als eine metallische Aufdampfschicht mit einem im Vergleich zum Ausdehnungskoeffizienten der optischen Faser (2) erheblich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist.

4. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufdampfschicht (13) aus Al oder Mn besteht.

5. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungsschicht (13) in unmittelbarer Nähe der Einspannstelle (8) beginnt und sich etwa über Vj bis ¹Ai der Länge L des freien Abschnitts der beweglichen optischen Faser (2) erstreckt.

6. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L des beweglichen Abschnitts der zweiten optischen Faser (2) zwischen 0,2 cm und 2 cm beträgt, daß ihr Durchmesser dr zwischen 10 μπι und 200 μίτι liegt, und daß die in Längsrichtung der Faser (2) gemessene Länge 1 der Ausdehnungsschicht (13) zwischen 50 μπι und 2000 μπι beträgt

7. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerlichtquelle eine in unmittelbarer Nähe der Ausdehnungsschicht (13) bzw. der Absorptionsschicht angeordnete Lumineszenzdiode (19) vorgesehen ist

8. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1—ö, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerlichtquelle eine entfernt angeordnete Lichtquelle vorgesehen ist, deren Licht über eine optische Faser (23) zu der Ausdehnungsschicht (13) bzw. der Absorptionsschicht gelangt.

9. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zuführung des Steuerlichts eine mehrschichtige optische Faser (2) mit einem vom Signallicht führenden Querschnittsbereich optisch isolierten äußeren Steuerlicht-führenden Querschnittsbereich vorgesehen ist (Fig.3a, 3b).

10. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auch die als Ausgangssignalfaser benutzte optische Faser (3) in einem solchen Abstand von ihrer freien Endstirnfläche (6) eingespannt ist und auf derselben Seite wie die bewegliche Eingangssignalfaser (2) mit einer Ausdehnungsschicht (39) versehen ist, deren Abmessungen so gewählt sind, daß bei gleicher Temperatur der beiden Ausdehnungsschichten (13 und 39) die miteinander fluchtende Anordnung ihrer über den Koppelspalt (7) voneinander abgesetzten freien Endstirnflächen (4 und 6) oder ein definierter seitlicher Abstand derselben gewährleistet ist (Fig. 6).

11. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichem mechanischem Aufbau und Querschnitt von Eingangs- und Ausgangssignalfaser (2 und 3) deren zwischen den Einspannstellen (8, 9) und ihren freien End-Stirnflächen (4, 6) gemessene Längen L gleich sind, und daß die Ausdehnungsschichten (13, 39) bezüglich der transversalen Mittelebene des Koppelspalts (7) symmetrisch angeordnet und ausgebildet sind.

12. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des durch Aufheizung der Ausdehnungsschicht bedingten Bewegungshubes des freien Endes (17) der beweglichen optischen Faser (2) mindestens zwei ortsfest angeordnete Ausgangssignalfasern (27, 28, 29) angeordnet sind IF ig. 4).

13. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (14) der beweglichen optischen Faser (2) im kalten Zustand ihrer Ausdehnungsschicht (13) mit der Längsachse (31) derjenigen Ausgangssignalfaser (27) fluchtet, die im Anfangsbereich des durch Aufheizung der Ausdehnungsschicht (13) verursachten Bewegungshubes der beweglichen optischen Faser (2) liegt (F ig. 4).

14. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn-

zeichnet, daß eine die Position der Ausgangssignalfaser (3) bzw. -fasern (27,28,29) definierende und für die Bewegungsbahn des freien Endes (17) der beweglichen optischen Faser (2) innerhalb ihres Auslenkhubes h eine Führung vermittelnde Anschlagvorrichtung (35,36,37) vorgesehen ist.

15. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslenkhub h der beweglichen optischen Faser (2) durch eine Anschlagvorrichtung begrenzt ist, durch die eine Stellung optimaler Kopplung zwischen der Eingangssignalfaser (2) und mindestens einer Ausgangssignalfaser (3; 27, 29) definiert sind (Fig. 5).

16. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche optische Faser (2) auf ihrer einen Mantelseite eine erste Ausdehnungsschicht (13) und auf ihrer gegenüberliegenden Mantelseite eine zweite Ausdehnunjsschicht (44) aufweist, die in Längsrichtung der beweglichen Faser (2) so weit gegenüber der ersten Ausdehnungsschicht (13) versetzt ist, daß sich diese Ausdehnungsschichten (13, 44) in Längsrichtung der beweglichen Faser (2) nicht überlappen.

17. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei ortsfest angeordneten optischen Fasern (27, 28), deren Achsen (31, 32) im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, die Achse (14) der beweglichen optischen Faser (2) in ihrer neutralen Stellung zwischen den Achsen (31, 32) der unbeweglichen optischen Fasern (27, 28) verläuft und je eine der beiden Ausdehnungsschichten zu einer der unbeweglichen optischen Fasern (27, 28) hin weist, und daß die fest stehenden Fasern (27, 28) mit je einer Abzweigkopplung (42, 46) versehen sind, von denen eine Rückführungsfaser (43, 47) zu derjenigen Ausdehnungsschicht (13, 44) führt, die auf der der jeweiligen festen Faser (27, 28) zugewandten Mantelseite der beweglichen Faser (2) angeordnet ist (F i g. 8).

18. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zu einer und vorzugsweise zu beiden Ausdehnungsschichten (13, 44) eine optische Faser (51, 52) für Steuerlicht geführt ist (F i g. 8).

19. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die im so kalten Zustand der Ausdehnungsschicht (13) mit der beweglichen Faser (2) fluchtende ortsfeste Faser (27) mit einer Abzweigkopplung (42) versehen ist, von der aus eine optische Faser (43) zu der auf der zweiten festen Faser (28) abgewandten Seite der Längsachse (14) der beweglichen Faser (2) angeordneten Ausdehnungsschicht (13) führt (F i g. 7).

20. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei ortsfest angeordneten optischen Fasern (27, 28) deren Achsen (31, 32) im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, die Achse (14) der beweglichen optischen Faser (2) in ihrer neutralen Stellung in der Mitte zwischen den Achsen (31, 32) der unbeweglichen optischen Fasern (27, 28) verläuft, daß die fest eingespannten optischen Fasern (27, 28) mit je einer Abzweigkopplung (42,46) versehen sind, von denen aus je eine Rückführungsfaser (43,47) zu derjenigen Ausdehiiungsschicht (44 bzw. 13) führt, die auf der der jeweiligen festen Faser (27, 28) abgewandten Mantelseite der beweglichen Faser (2) angeordnet ist, und daß jede der beiden Ausdehnungsschichten (13, 44) unabhängig vom Lichtstrom durch die Rückführungsfasern (43, 47) mit Steuerlicht beleuchtbar ist, dessen Intensität größer als die Intensität des über die Rückkopplungsfasern (43,47) in die Ausdehnungsschichten (44 bzw. 13) einkoppelbaren Anteils des die Rückkopplungsfasern (43, 47) durchsetzenden Signallichtstromes (F i g. 9).

21. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einseitig eingespannte, durch Erwärmen ihrer Ausdehnungsschichten (53, 54) gesteuert bewegbare Eingangssignalfasern (56, 57) vorgesehen sind, in die gleichzeitig ein Eingangssignallichtstrom e>nkoppelbar ist, und die bei kalter Ausdehnungsschicht (53, bzw. 54) mit je einer Ausgangssignalfaser (61, 62) fluchten, daß die Ausgangsiignalfasern (61, 62) mit je einer Abzweigkopplung (63, 64) versehen sind, von der aus eine einen Teil des Ausgangssignallichtes als Steuenicht zur Ausdehnungsschichi (53, 54) der der anderen Ausgangssignalraser zugeordneten Eingangssignal faser (57 bzw. 56) leitende Steuerlichtfaser (66, 67) ausgeht, und daß beide Ausdehnungsschichten (53, 54) zusatzlich mit Steuerlicht beleuchtbar sind (Fig. 10).

22. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Abstände der parallel zueinander verlaufenden und in einer gemeinsamen Ebene, die auch die Bewegungsebene der beweglichen Faser (2) ist. liegenden Achsen (31, 32, 33) der fest eingespannten optischen Fasern (27, 28, 29) nur wenig größer ist als der Faserdurchmesser d, (Fi g 4,7,8,9).

23. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnungsschicht (74; 87) direkt auf einem Abschnitt des Signallicht führenden Teils (76) der beweglichen Faser angeordnet ist (F i g. 11).

24. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Signallicht über die feststehende Faser (81) der freien Endstirnfläche (72) in die bewegliche Faser (71)einkoppelbar ist (F ig. 11).

25. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Abschnitt der zweiten optischen Faser (2) und der ihrem freien Ende (17) gegenüberliegende Endabschnitt der fest eingespannten optischen Faser (3; 27, 28, 29; 61,62; 81) in einem gasdichten Gehäuse (8,9) angeordnet sind.

26. Verwendung eines gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildeten faseroptischen Schaltungselements, zur Messung einer physikalischen Größe, die die Resonanzfrequenz eines mechanischen Resonators beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Faser des faseroptischen Schaltungselements zu Schwingungen mit der jeweiligen Frequenz des Resonators anregbar ist, und daß eine Einrichtung zur Messung einer hieraus resultierenden Modulationsfrequenz des Signallichts vorgesehen ist.

27. Verwendung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß als Resonator die bewegliche

Faser des faseroptischen Schaltungselements ausgenutzt ist.

28. Verwendung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Koppelspalt voneinander abgesetzten Enden der beweglichen optischen Faser (2) und der feststehenden Faser (3) mit einer Mantelschicht aus magnetisierbarem Material versehen sind, und daß eine Einrichtung zur Erzeugung eines im Bereich der Faserenden in axialer Richtung wirkenden Magnetfeldes vorgesehen ist.

29. Verwendung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche optische Faser (71) und die fest stehende Faser (81) an ihren einander gegenüberliegenden, den Koppelspalt begrenzenden Endabschnitten (82, 83) mit Manteielektroden (84, 86) versehen sind, an die eine Gleichspannung anlegbar ist.

30. Verwendung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der elektrischen Zuführungsleitungen zu der Mantelelektrode (84) der beweglichen Faser (71) durch die aus leitendem Material bestehende Absorptionsschicht (87,88) gebildet ist.