DE3146079A1

DE3146079A1 - "optischer faserschalter"

Info

Publication number: DE3146079A1
Application number: DE19813146079
Authority: DE
Inventors: William Charles 07748 Middletown N.J. Young
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1980-11-24
Filing date: 1981-11-20
Publication date: 1982-06-16
Also published as: GB2088083A; JPS57116305A; FR2494857B1; GB2088083B; CA1160489A; FR2494857A1

Description

Beschreibung Optischer Faserschalter

Die Erfindung bezieht sich auf optische Ubertragungssysteme und betrifft speziell einen Schalter zum Schalten eines optischen Signals zwischen optischen Pasern.

Die Verwendung optischer Pasern bei der Nachrichtenübermittlung erfordert die Fähigkeit, ein optisches Signal zwischen optischen Fasern mit niedrigem Verlust über eine sich ändernde Anzahl von Schaltzyklen zu schalten. Die optischen Fasern können entweder Einzelmoden- oder Multimodenfasern sein. Einzelmodenfasern haben einen lichtübertragenden Kern von etwa einem Zehntel des Durchmessers von Multimodenfasern. Monomodenfaserη haben aber niedrigere Signaldämpfungen pro Längeneinheit als Multimodenfasern und sind deshalb bei optischen Langstreckenübertragungssystemen wünschenswerter. Die Anzahl Schaltzyklen für jeden optischen Fasertyp kann von Eins oder Zwei bis zu mehreren Tausend während der

Schalterlebensdauer variieren. Ein hoher Zuverlässigkeitsgrad ist in vielen Anwendungsfällen besonders wichtig, z. B. bei Unterwasser-Faserübertragungssystemen, wo der optische Schalter nicht leicht repariert oder ersetzt werden kann.

Die Schaltfunktion bei optischen Faserschaltern wird typischerweise bewerkstelligt durch Verwendung eines optischen Bauelementes und/oder von Faserbewegung. Bei Schaltern mit einem optischen Bauelement, beispielsweise einer Linse oder einem Spiegel wird das optische Signal durch das optische Element zwischen räumlich getrennten optischen Fasern geführt. Solche Schalter liefern zwar regelmäßig befriedigende Zuverlässigkeit, haben aber unerwünschte Signaldämpfungs- und übersprechwerte, die durch das optische Bauelement und den unvermeidlichen Abstand zwischen den optischen Fasern eingeführt werden. Bei Faserbewegungsschaltern erfolgt das Schalten durch eine Versetzungsbewegung bzw. genaue Ausrichtung einer Faser gegenüber der anderen. Verschiedene Faserbewegungsschalter, mit denen sich niedrige Signaldämpfungsund übersprechwerte erreichen lassen, sind bekannt. Siehe beispielsweise US-A-40 33 669 und US-A-42 20 396. Das Problem bei Faserbewegungsschaltern ist aber, daß

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die Signaldämpfung und das übersprechen nach vielen Schaltvorgängen signifikant zunehmen. Darüberhinaus eignen sich die meisten bekannten Schalter nicht zur Verwendung bei entweder optischen Multimodenfasern oder optischen Einzelmodenfasern.

Im Hinblick hierauf ist ein Faserbewegungsschalter für entweder Einzelmoden- oder Multimodenfasern, der niedrige Dämpfungswerte über Tausende von Schaltvorgängen zeigt, extrem wünschenswert.

Diese Aufgabe ist für einen solchen optischen Faserschalter mit den kennzeichnenden¹Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung wird ein dämpfungsarmes zuverlässiges Schalten zwischen entweder Einzelmoden- oder Multimodenfasern erreicht. Der optische Faserschalter hat zwei Fassungen, die die optischen Fasern aufnehmen. Jede Fassung hat zwei parallele Außenflächen, die mit Nuten versehen sind. Beide Fassungen sind im Spalt einer Halterung angeordnet, wobei die optischen Fasern jeder Fassung parallel zueinander liegen. Die Seitenwände des Spalts sind ebenfalls mit Nuten versehen und bilden das

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Eingriffs-Gegenstück zu den genuteten Fassungsaußenflächen. Eine Fassung ist in dem Spalt lagemäßig fixiert durch den gegenseitigen Eingriff von genuteten Fassungsaußenflächen und genuteten Seitenwänden. Das Schalten zwischen den optischen Fasern wird bewerkstelligt durch Verschieben der zweiten Fassung im wesentlichen senkrecht zu den Fassungsaußenflächen in eine von zwei Positionen. Jede dieser Position ist durch den gegenseitigen Eingriff einer der genuteten Fassungsaußenflächen mit einer genuteten Spaltseitenwand genau bestimmt.

Mit dem vorliegenden Schalter können niedrige optische Signaldämpfungswerte über mehrere Hunderttausend Schaltzyklen aufrechterhalten werden.

Nachstehend ist der erfindungsgemäße Schalter anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 eine Stirnansicht der beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 benutzten Platinen und

Fig. 3 und 4 je eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 bzw. 4-4 in Fig. 1.

Wie in Fig. 1, 3 und 4 dargestellt, sind zwei Fassungen 101 und 102 in einer mit einem Spalt versehenen Halterung 1O3 angeordnet. Die Fassung 101, die planare Reihen optischer Fasern 104 und 105 hält, ist in der Halterung 103 fixiert angeordnet. Die Fassung 102 hält eine planare Reihe optischer Fasern 108 und ist in der Halterung 103 verschieblich befestigt, und zwar bei paralleler Ausrichtung der Faserreihen 104, 105 und 108 zueinander.

Die Faserreihe 108 geht durch einen Kanal 113 der Halterungswand 114. Die Fassung 102 wird in an die Fassung 101 angrenzender Lage durch die von der Wendelfeder 115 ausgeübte Kraft in Längsrichtung gehalten. (Der Klarheit halber sind in Fig. 1 die Fassungen 101 und 102 etwas auseinandergerückt gezeichnet.) Die Wendelfeder 115 umgibt die Faserreihe 108 und sitzt zwischen der Wand 114 der Halterung 103 und der Stirnfläche 116 der Fassung 102. Eine Verschiebung der Fassung 102 in einer im wesentlichen zu den Faserreihen 104, 105 und 108 senkrechten Richtung in eine von zwei Positionen wird bewerkstelligt durch Betätigung entweder des

Solenoids 109 oder des Solenoids 110. Die beiden SoIenoide erstrecken sich durch die Halterung 103. Wendelfedern 111 und 112 befinden sich vorteilhaft in jedem Solenoid, um die Fassung 102 innerhalb der Halterung zu zentrieren, wenn keiner der beiden Solenoide betätigt wird.

Die Fassungen 101 und 102 sind aus aufeinandergestapelten dünnen Platinenelementen 201 (Fig. 2) aufgebaut. Jede Platine 201 hat zwei parallele Flächen 202 und 203 mit einer Anzahl längsverlaufender paralleler Nuten und abgeflachter Spitzen 209. Jede Nut hat gleichförmigen Querschnitt und eine maximale Breite g. Die Flächen 202 und 203 sind geometrisch identisch, da die Nuten in jeder Fläche vertikal zueinander ausgerichtet sind. Zum Erhalt der Fassungen 101 und 102 werden Platinen 201 so gestapelt, daß die Nuten 204 benachbarter Platinen zum Erhalt von Faseraufnahmekanälen aufeinander ausgerichtet sind. Zwei Platinen 205, die je mit parallelen Flächen 206 und 207 versehen sind, sind an der Halterung 103 befestigt. Die Fläche 206, die Nuten 208 und Spitzen 210 aufweist, ist das Eingriffsgegenstück zu den Flächen 202 und 203 einer Platine 201. Die Mindestspitzenbreite ist mit P bezeichnet. Die beiden Platinen 205 werden zusammen mit den genuteten Außen-

flächen der Fassungen 101 und 102 nicht zum Halten optischer Fasern benutzt, sondern, wie noch erörtert wird, zur genauen Steuerung der relativen Lage jeder Fassung über Tausende von Schaltzyklen.

Wie aus Fig. 1 und 3 hervorgeht, umfaßt die Fassung 101 drei aufeinandergestapelte Platinen 201, zwischen denen sich Faserreihen 104 und 105 befinden. Die Fassung 101 wird hergestellt durch Einlegen jeder Faser einer Reihe in eine Nut in einer Fläche der Platine 201. Sodann wird eine zweite Platine auf die erste Platine aufgesetzt, und zwar unter Ausrichtung der unteren Nuten der zweiten Platine mit den oberen Nuten der ersten Platine zum Erhalt der Faseraufnahmekanäle 301. Die Fasern der zweiten Reihe werden dann in die oberen Nuten der zweiten Platine eingelegt, gefolgt von einer dritten Platine auf der zweiten Platine in entsprechender Ausrichtung zum Erhalt weiterer Faseraufnahmekanäle 301. Nach diesem Stapeln wird Epoxy-Harz zwischen die Platinen eingeführt und jede optische Faserendfläche wird geläppt und poliert, so daß sie mit den gestapelten Platinenstirnflächen fluchtet.

Die Haiterungsanordnung für die Fassung setzt sich zu-

sammen aus der Befestigungsfläche 207 einer Platine für die Wand 305 und der Befestigungsfläche 207 einer zweiten Platine 205 für die Schraube 106. Hierdurch entsteht ein Spalt mit genuteten und parallelen Seitenwänden, in den die Fassung 101 eingesetzt wird. Die genaue Positionierung der Fassung 101 erfolgt durch den gegenseitigen Eingriff der beiden äußeren genuteten Flächen der Fassung 101 mit den genuteten Spaltseitenwänden. Die Schraube 106 erstreckt sich durch die Halterung 103, um sicherzustellen, daß dieser gegenseitige Eingriff aufrechterhalten bleibt und eine Längsverschiebung der Fassung 101 verhindert wird.

Wie in Fig. 1 und 4 dargestellt, ist die Fassung 102 aus zwei Platinen 201 aufgebaut, zwischen denen die Faserreihe 108 liegt. Die beiden Platinen 201 sind wie im Falle der Fassung 101 so gestapelt, daß die Nuten benachbarter Flächen aufeinander ausgerichtet sind, um Faseraufnahmekanäle 301 zu erhalten. Wie dargestellt, sind die Fasern der Reihe 108 genau axial ausgerichtet und befinden sich in im wesentlichen angrenzender Lage zu den Fasern der Reihe 105. Die genaue Ausrichtung erfolgt durch den gegenseitigen Eingriff der Nuten der äußeren Fläche der untersten Platine 201 der Fassung

mit den Paßnuten der unteren Platine 205 der Halterung 103. Diese beiden genuteten Flächen werden in gegenseitige Berührung durch Betätigung des Solenoids 109 gebracht. Alternativ kann der Solenoid 110 betätigt werden, um die Faser der Reihe 108 mit den Fasern der Reihe 104 auszurichten, und zwar durch gegenseitigen Eingriff der genuteten äußeren Fläche der obersten Platine der Fassung 102 mit den Paßnuten in der oberen Platine 205 der Halterung 103. Zur Aufrechterhaltung einer genauen axialen Ausrichtung der Faserreihe 108 gegenüber entweder der Faserreihe 1O4 oder der Faserreihe 105 ist die Differenz zwischen der Tiefe d des Spaltes der Halterung 103 und der Breite w einer Platine 201 wohlüberlegt kleiner gewählt als die Nuthöchstbreite g minus der Spitzenmindestbreite p. Die Halterung 103 wird noch mit einer Deckplatte 308 verschlossen, die in Fig. 3 und 4 gestrichelt dargestellt ist. Die Verwendung einer Deckplatte zusammen mit dem erwähnten Unterschied zwischen Spalttiefe und Plättchenbreite gewährleistet einen selbstzentrierenden und vollständig in Eingriff der äußeren genuteten Flächen der Fassung 102 mit den genuteten Spaltseitenwänden.

Beim Stapeln der Platinen 201 zum Erhalt der Fassung oder 102 entsteht ein Spalt 302 bei den Faseraufnahme-

kanälen 301 zwischen den benachbart gelegenen genuteten Platinenflächen. Die Nutgeometrie ist vorzugsweise so gewählt, daß ein . Spalt 302 zwischen benachbarten Platinen beibehalten wird. Typischerweise ist dieser Spalt etwa 38 Mikrometer. Folglich reiten die Platinen auf der solcherart umhüllten optischen Faser, ohne in gegenseitigen Kontakt zueinander zu kommen. Würde der Spalt 302 eliminiert, dann besteht die Gefahr, daß einige Fasern ein Bewegungsspiel haben werden, was zu Fehlausrichtungen und begleitenden erhöhten Schaltverlusten führt.

Es sind Schalter für optische Fasern eines Durchmessers von 110 Mikrometer aufgebaut worden. Schalter für Multimodenfasern hielten eine optische Signaldämpfung von weniger als 0,2 dB über 250 000 Schaltzyklen bei Ubersprechwerten kleiner als -70 dB. Optische Einzelmodenfasern sind ebenfalls geschaltet worden, und zwar mit einer optischen Signaldämpfung von weniger als 0,5 dB. Bei den Schaltermodellen wurden 0,51 mm dicke Siliciumplatinen benutzt. Die Schalter waren extrem kompakt, da die Platinen 201 und 205 6,3 mm bzw. 12,7 mm waren. Das Silicium wurde einer (anistrop wirkenden) Vorzugsätzung unterworfen, um 0,050 mm tiefe Nuten bei einem Mittenzu-Mitten-Abstand von 0,23 mm zu erzeugen. Der durch

gegenüberstehende Nutenwände gebildete Winkel war etwa 70,5°. Schließlich wurde zur Verringerung von Fresnel-Reflexionen eine Brechungsindexanpaßflüssigkeit während des Zusammenbaues auf die FaserStirnflächen aufgebracht.

Die Fassungen 101 und 102 sind zwar unter Verwendung von drei bzw. zwei Platinen aufgebaut worden, es versteht sich aber, daß die Fassungsgröße einstellbar ist. Beispielsweise können die Anzahl der Platinen und die Anzahl Nuten in jeder Platine so eingestellt werden, daß eine Anpassung an eine sich ändernde Anzahl Faserreihen ebenso auch an eine sich ändernde Anzahl optischer Fasern in jeder Reihe erhalten wird. Darüberhinaus ist die Herstellung jeder Fassung nicht beschränkt auf das Stapeln von Platinen. Beispielsweise könnten Präzisionsöffnungen in einen Metall- oder Kunststoffblock, der zwei genutete parallele Außenflächen besitzt, niedergebracht werden. In ähnlicher Weise können die Platinen 205 entfallen, wenn deren Nuten direkt in die Halterung 103 eingearbeitet werden.

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Claims

BLUMBACH · WESER -BERGiEN · KRATZER ZWIRNER - HOFFMANN PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Patentconsult Radeckestraße43 8000München60 Telefon(089)883603/883604 Telex05-212313 Telegramme Patentconsuli Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telelon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult Western Electric Company, Incorporated New York, N.Y., USA Young 4 Patentansprüche

1. Optischer Faserschalter,
^ gekennzeichnet durch

- eine erste und eine zweite Fassung (101 bzw. 102) mit je einer Anzahl durchlaufender Faseraufnahmekanäle (301), wobei

- jede Fassung zwei parallele Außenflächen mit einer Anzahl hierin eingearbeiteter Nuten (204) gleichförmigen Querschnitts aufweist und

- der senkrechte Abstand zwischen den Außenflächen der ersten Fassung (101) größer ist als der senkrechte Abstand zwischen den Außenflächen der zweiten Fassung (102),

- erste (104, 105) und zweite (108) Gruppen optischer Fasern, die in den Faseraufnahmekanälen der ersten bzw. zweiten Fassung angeordnet sind,

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoflmann DIpl.-Ing. Wiesbaden: P.G. Blumbach DIpl.-Ing. · P. Bergen Prof.Dr. jur.DIpl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

eine Halterungsanordnung (103, 106, 205) mit einem Spalt, der mit genuteten (208) und parallelen .Seitenwänden als das Eingriffsgegenstück für die genuteten Fassungsaußenflächen versehen ist, wobei

- die erste Fassung in dem Spalt durch einen gegenseitigen Eingriff ihrer genuteten Fassungsaußenflächen mit den genuteten Spaltseitenwänden fixiert angeordnet ist und

- die zweite Fassung in dem Spalt benachbart der ersten Fassung so angeordnet ist, daß die ersten und zweiten Gruppen optischer Fasern parallel zueinander sind, und

Mittel (109, 110) zum Verschieben der zweiten Fassung im wesentlichen senkrecht zu den Fassungsaußenflächen in eine von zwei Positionen,

- in denen je eine vorbestimmte Anzahl Fasern in den ersten und zweiten Gruppen miteinander ausgerichtet sind und

- jede Position durch den gegenseitigen Eingriff einer ihrer genuteten Fassungsaußenflächen mit einer genuteten Spaltseitenwand genau bestimmt ist.

2. Schalter nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch

Mittel (115) zum Halten der ersten und zweiten Fassung in gegenseitig anliegender Lage.

3. Schalter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß

- die erste und zweite Fassung aus m bzw. η gestapelten Platinen (201) aufgebaut sind, wobei m und η
ganze Zahlen größer als Zwei und m größer als η
ist,

- jede Platine zwei parallele Flächen (202, 203) besitzt und

- jede Fläche eine Anzahl im Abstand liegender paralleler Nuten (204) besitzt, die mit den Nuten einer benachbarten Platinenfläche zur Bildung der Faseraufnahmekanäle (301) ausgerichtet sind.