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Optischer Schalter
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Schalter bestehend
aus einer feststehenden Halterung für mindestens eine Lichtleitfaser und einem gegenüber
der feststehenden Halterung in seiner Lage veränderbaren Halter für eine andere
Lichtleitfaser, wobei dieser Halter derart zur Halterung angeordnet ist, daß mindestens
in einer Stellung des Halters die Enden der mit den beiden Teilen verbundenen Lichtleitfasern
einander gegenüberliegen.
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Derartige optische Schalter werden üblicherweise als tristabile optische
Schalter ausgebildet, bei denen ein Faserende zwischen zwei benachbarten, gegenüberliegenden
Faserenden hin- und hergeschaltet wird. Dabei wird die Umschaltung zur Zeit auf
unterschiedliche Weise durchgeführt. So ist beispielsweise eine kontinuierliche
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schiebung mit einem elektromechanischen Actuator bekannt.
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Weiterhin ist es bekannt, eine bistabile Umschaltung mit einer geeigneten
Elektro-Megnetvorrichtung vorzunehmen.
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Die erste Methode hat den Nachteil, daß zur Verschiebung ein aufwendiger
Mechanismus benötigt wird, der unter Umständen auch einen relativ hohen Leistungsbedarf
besitzt. Die zweite Methode ist insofern nachteilig, als sie eine relativ aufwendige
mechanische Konstruktion erfordert.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen optischen Schalter
zu schaffen, der einfach und kostengünstig aufgebaut ist und mit kurzen Spannungsimpulsen
angesteuert werden kann und außerdem geeignet ist, drei stabile Lagen vorzusehen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Halter als Biegeelement
ausgebildet ist und aus zwei aufeinander angeordneten, miteinander kraftschlüssig
verbundenen, einseitig gemeinsam eingespannten keramischen Platten besteht, von
denen mindestens eine aus ferroelektrischem Material besteht und die Oberflächen
dieser Platte einen elektrisch leitenden Belag aufweisen. Dabei ist ein wesentliches
Merkmal der Erfindung, daß das erfindungsgemäße Biegeelement nicht in der üblichen
Betriebsart mit elektrisch gepolten Plattenelementen arbeitet, wobei eine Ausbiegung
proportional zur angelegten Spannung erfolgt und um eine bestimmte Auslenkung aufrecht
zu erhalten,es erforderlich ist, dem Element kontinuierlich Spannung zuzuführen.
Der Vorteil der Erfindung liegt
demgegenüber darin, daß praktisch
eine Betätigung des Schalters leistungslos erfolgen kann, da die zur Polarisierung
des ferroelektrischen Keramikelements erforderliche Spannung nur kurzzeitig,4. h.
kurzer als eine Sekunde lang angelegt werden muß, so daß es sich hier um einen Spannungsimpuls
handelt. Erfindungsgemäß werden die beim Polungsvorgang auftretenden hohen Längenänderungen
zum Umschalten verwendet. Es kann demnach nach dem Umschalten die Spannung wieder
entfernt werden, wobei das Biegeelement in der ausgelenkten Stellung verbleibt.
Zum Depolarisieren wird eine Wechselspannung ebenfalls nur kurzzeitig angelegt,
deren Amplitude bis über die Koerzitivfeldstärke ansteigt und die beim Abklingen
eine elektrische Depolarisierung bewerkstelligt.
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Indem eine Platte des erfindungsgemäßen Biegeelementes aus ferroelektrischem
Keramikmaterial und die andere Platte aus einem anderen geeigneten Material besteht,
wird ein bistabiler optischer Schalter geschaffen. Werden beide Platten aus ferroelektrischem
Keramikmaterial hergestellt, entsteht ein tristabiler optischer Schalter.
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Da die Spontanlängenänderung beim Polen der erfindungsgemäß aus ferroelektrischem
Keramikmaterial bestehenden Platten verglichen mit den Längenänderungen,die an bereits
gepolten Platten durch Spannungsbeaufschlagung meßbar sind, um einen Faktor 2 -
5 größer ist, ergibt sich auch eine vergleichsweise große Durchbiegung des erfindungsgemäßen
Biegeelements.
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In den Unteransprüchen 3 bis 10 sind vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben.
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Anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
wird die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 Eine Ansicht eines erfindungsgemäßen tristabilen
optischen Schalters, Fig. 2 - 4 Prinzipansichten des erfindungsgemäßen Biegeelementes
des Schalter gemäß Fig. 1 in den drei unterschiedlichen Lagen mit den zur Erzeugung
erforderlichen elektrischen Spannungsverläufen, Fig. 5 die Darstellung der Feldstärkeverteilung
bei einem erfindungsgemäßen ferroelektromagnetischen Keramikelement.
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In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen tristabilen
optischen Schalters für Glasfasern, insbesondere für Lichtwellenleiter gezeigt.
Dieser besteht aus einem Biegeelement 1, auf dem eine Lichtleitfaser 2 in einem
Halteblock 3 befestigt ist. Der Halteblock 3 weist eine Nut 4 auf, in der die Lichtleitfaser
klemmend oder durch kleben festgelegt ist. Der Halteblock 3 ist beispielsweise auf
dem Biegeelement am freien Ende aufgeklebt. Mit dem gegenüberliegenden Ende ist
das Biegeelement in einem Wandabschnitt eines Gehäuses 5 eingespannt. Dem Halteblock
3 gegenüberliegend ist im
Gehäuse 5 eine feste Halterung 7 für zwei
nebeneinander liegende Lichtleitfasern 8, g angeordnet. In der gezeigten Stellung
befindet sich der erfindungsgemäße Schalter in der "Null"-Stellung, d. h. es ist
keine Verbindung zwischen der Lichtleitfaser 2 und einer der beiden anderen Fasern
8, 9 hergestellt. Durch Verbiegung des Biegeelements 1 in eine der jeweils gestrichelt
eingezeichneten Stellungen kann nun die Verbindung zwischen den Fasern 2 und 8 bzw.
2 und 9 hergestellt werden, wobei diese Stellungen des Biegeelementes jeweils stabile
Lagen sind. Durch die seitlichen Anschläge 10, die justierbar sind, kann die maximale
Auslenkung des Biegeelementes genau eingestellt werden. Die Anschläge 10 sind hierzu
in dem Gehäuse 5 verstellbar und arretierbar befestigt.
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Erfindungsgemäß besteht das Biegeelement 1 aus zwei nebeneinander
angeordneten Platten 12, 13 9 wie dies in den Fig. 2 bis 4 näher zu erkennen ist.
Diese Platten 12, 13 sind miteinander kraftschlüssig verbunden. Die Aussenflächen
der Platten 12, 13 weisen einen elektrisch leitenden Belag 14, 15 auf, und zwischen
den Platten 12, 13 ist ebenfalls ein elektrisch leitender Belag 16 angeordnet. Die
Platte 13 ist gegenüber der Platte 12 am Einspannende zurückversetzt, so daß dort
der mittlere Belag 16 zur Kontaktierung frei liegt, wodurch eine einfache Anschlußmöglichkeit
geschaffen wird. An die elektrisch leitenden Beläge 14, 15, 16 sind Spannungsquellen
über Anschlüsse 14a, 15a, 16a anschließbar. Die mit den nicht dargestellten Spannungsquellen
erzeugten Spannungsverläufe sind jeweils seitlich neben den Biegeelementen
dargestellt.
Diese einzelnen Spannungsverläufe verursachen die jeweils zugeordnete Lage des Biegeelementes.
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Die Platten 12, 13 des Biegeelementes 1 bestehen aus ferroelektrischem
Keramikmaterial. Hierbei handelt es sich insbesondere um Bariumtitanat, wobei Titan
durch Zinn in einem Anteilsbereich von größer 0-5 %, vorzugsweise von 4 % ersetzt
wird. Hierbei beträgt die Koerzitivfeldstärke bei einem vierprozentigen Zinnanteil
1 bis 2 KV/cm. Auch kann Bleilanthanzirkonattitanat verwendet werden, wobei vorzugsweise
Blei mit 6 % durch Lanthan ersetzt ist und 35 % des Zirkon durch Titan ersetzt ist.
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Hierbei beträgt die Koerzitivfeldstärke 7 KV/cm. Die Dicke der Platten
12, 13 beträgt ca. 200 - 300 #um und die leitenden elektrischen Beläge 14, 15, 16
sind vorzugsweise aufgedampft.
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Der neutrale Zustand, die sogenannte "Null"-Stellung ist in Fig. 2
dargestellt. In dieser Lage sind die Platten 12, 13 gleichmäßig depolarisiert und
somit gleichlang, so daß sich eine gradlinige Ausrichtung der beiden Platten, wie
in Fig. 2 dargestellt, ergibt. Nach Anlegen eines Spannungsimpulses 18, wie in Fig.
3 dargestellt ist, verbiegt sich das Biegeelement 1 in die in Fig. 3 dargestellte
Lage. Hierbei ist die Höhe des Spannungsimpulses derart gewählt, daß die von ihm
erzeugte Feldstärke größer ist als die Koerzitivfeldstärke, wozu auf Fig. 5 verwiesen
wird. Die Spannungsimpulse sollen zumindest deutlich größer als die Koerzitivfeldstärke
sein, müssen also nicht unbedingt genau gleiche Amplituden haben. Die Polarität
der Spannungsimpulse ist unerheblich, da beim Polungsvorgang immer eine Deformation
gleicher Richtung zu beobachten ist. Die Verbiegung des Biegeelemtenes 1 er folgt
deshalb, da die obere Platte 12 durch die Anlegung des Spannungsimpulses 18 bzw.
das Keramikmaterial der Platte polarisiert wird und dabei eine Längenänderung an
der jeweiligen Platte erfolgt, die auch nach Abschalten der Spannung vorhanden bleibt.
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Hierbei kann wiederum auf Fig. 5 verwiesen werden, wobei die Feldstärke
über die Längenänderung in bezug auf die erfindungsgemäßen Plattenelemente aufgetragen
ist.
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Hierbei ist die beim Abschalten des Spannungsimpulses 18 verbleibende
Längenänderung mit g 1 gekennzeichnet.
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Die Koerzitivfeldstärke Ec ist ebenfalls eingetragen.
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Ein Umschalten in die in Fig. 4 dargestellte entgegengesetzte Biegelage
des Biegeelementes 1 ist möglich, indem zunächst wieder die sogenannte "Null"-Stellung
in Fig. 2 eingenommen wird. Dies geschieht durch eine anschwellende und abklingende
Wechselspannung 1S, siehe Fig. 2, deren Amplitude derart gewählt ist, daß die höchste
Spannungsamplitude eine Feldstärke erzeugt, die über der Koerzitivfeldstärke liegt,
siehe Fig. 5. Durch die elektrische Depolarisierung wird die "Null-Stellung erreicht,
und nun kann ein Spannungsimpuls zwischen dem Belag 15 und dem Belag 16 an den Anschlüssen
15a, 16a angelegt werden, wie er mit 20 in Fig. 4 eingezeichnet ist. Dieser Spannungsimpuls
20 führt zu einer Verbie gung des Biegeelementes, siehe Fig. 4, da sich beim Polen
die untere Platte 13 verkürzt. Auch diese Lage ist stabil, da die Längenänderung
der unteren Platte 13 auch nach Abschalten der Spannung weitgehend erhalten bleibt.
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Die vorstehende Funktionsweise setzt folgende Eigenschaften des Materials
des erfindungsgemäßen Biegeelementes 1 voraus. So muß, wie aus Fig. 5 ersichtlich
ist, die Koerzitivfeldstärke Ec des Elementes, d. h. des jeweiligen Plattenelementes
12, 13 , möglichst niedrig sein, um mit möglichst niedrigen Spannungsimpulsen arbeiten
zu können.
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Dabei soll jedoch a lsp bei der jeweils erzeugten Polarisation möglichst
groß sein. Der Unterschied zwischen j l max, das ist die maximale Längenänderung
aufgrund der angelegten Spannung, und a lsp, das ist die verbleibende Längenänderung
beim Abschalten des Spannungsimpulses, soll möglichst gering sein. Die elektrische
Depolarisation soll durch eine kurze Wechselspannung abklingender Amplitude erreichbar
sein.
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Der erfindungsgemäße optische Schalter kann in Meßgeräten der optischen
Nachrichtentechnik angewendet werden, z. B. zur Umschaltung von Quellen verschiedener
Wellenlängen und zur Umschaltung auf Sender verschiedener spektraler Empfindlichkeit.
Auch kann mittels des erfindungsgemäßen Schalters eine Verteilung auf mehrere Anschlußstellen
erfolgen, z. B. die Verteilung auf drei Telefonanschlüsse, von denen jeweils nur
einer benötigt wird. Auch ist die Verwendung des erfindungsgemäßen optischen Schalter
in Verbindung mit Repeatern geeignet, wobei insbesondere an schwer zugängliche Repeater,
z.B.
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in Tiefseeverstärkern gedacht wird, wo eine Senderreserve eingebaut
werden muß, die sich automatisch bei einem Ausfall der Sendequelle einschaltet.
Hierbei kommt insbesondere der erfindungsgemäße Vorteil zum tragen, daß zur Betätigung
des Schalters eine äußerst geringe Leistung erforderlich ist. Zusätzlich kann Block
3 und 4 in einer Wanne, gefüllt mit isolierender Flüssigkeit getaucht sein, vorzugsweise
so, daß der Brechungsindex in der Flüssigkeit dem Brechungsindex der verwendeten
optischen Fasern entspricht.Dadurch können Reflexionsverluste minimiert werden.
Zusätzlich wird der Ausschaltvorgang gedämpft.