DE3877798T2 - Optischer schalter. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Schalter, und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf optische Koppelpunktschalter, die Lichtleitfasern mit D-Querschnitt verwenden.
• Ein optischer Schalter überträgt wahlweise von einem Eingangslichtwellenleiter kommendes Licht an einen Ausgangswellenleiter oder er unterbricht es. Bisher sind verschiedene Vorschläge und Versuche gemacht worden, solche Schalter durch Einfügen eines Materials mit ausgewählt variablen, optischen Eigenschaften zwischen Eingangs- und Ausgangslichtwellenleiter zu schaffen, so daß vom Eingangslichtwellenleiter kommendes Licht selektiv in den Ausgangswellenleiter durch selektive Verändemng der Eigenschaften des Materials eingekoppelt werden kann, und zwar durch Anlegen eines elektrischen Feldes an das Material.
• Ein anderer Lösungsansatz besteht darin, einen Koppelpunktschalter durch Anbringen eines Paares von Lichtleitfasern zu bilden, in der Weise, daß sich die Fasern einander diagonal, jedoch mit leichtem Abstand, überkreuzen. Die Lichtleitfasern werden dabei so gewählt, daß wenn sie aneinandergedrückt werden, ein in der einen Faser durchlaufendes Lichtsignal in die andere Faser eingekoppelt wird, d.h., von der einen Lichtleitfaser in die andere umgeschaltet wird. Beispiele hierzu stellen die Anordnungen dar, die in den Dokumenten Patent Abstracts of Japan Bd. 7, Nr. 168 (P-212)(1313), 23. Juli 1983, (Abstract von JP-A-58 199 304) und Patent Abstracts of Japan Bd. 7, Nr. 196 (P-219)(1314), 26. August 1983 (Abstract von JP-A-58 95 701) beschrieben sind.
• Es ist bekannt, ein elektrostatisches Feld zum Ablenken einer nur an einem Ende abgestützten Lichtleitfaser zu verwenden, so daß das freie Ende in eine bzw. aus einer durch Anstoßen an eine andere Lichtleitfaser erzielte gegenseitige Ausfluchtung bewegt bzw. herausbewegt wird, wobei die Ausfluchtung durch eine V-Nut erzielt wird, in die die Faser abgelenkt wird, wie dies beispielsweise aus dem Dokument GB- 1,598,334 hervorgeht.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Schalter geschaffen, mit einem Eingangs- und einem AusgangslichtwellenIeiter, von denen einer eine Lichtleitfaser ist, die so montiert ist, daß sie eine Querbewegung zum anderen Wellenleiter hin und von diesem fort ausführen kann, und eine Elektrode aufweist, die so angeordnet ist, daß der eine Lichtwellenleiter einem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird, wodurch das Anlegen eines elektrischen Potentials an die Elektrode die Lichtleitfaser veranIaßt, sich in Querrichtung zu bewegen, um eine optische Kopplung mit dem anderen WellenIeiter und somit eine Betätigung des Schalters herbeizuführen oder zu verhindern; dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser 10 einen solchen Querschnitt besitzt, daß sie in der Querrichtung am biegsamsten ist.
• Weil beim Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung die Faser in Richtung der Bewegung in das bzw. aus dem Kupplungsverhältnis mit dem anderen Wellenleiter am biegsamsten ist, ist es weniger wahrscheinlich, daß sie durch das elektrostatische Feld seitlich abgebogen wird wie eine symmetrische Lichtleitfaser, so daß die während der Herstellung geforderten strikten Toleranzen reduziert werden.
• Der Eingangs- und der Ausgangslichtwellenleiter können eine Vorzugsrichtung zueinander einnehmen, so daß der Schalter in den EIN-Zustand voreingestellt ist und dann betätigt und in den AUS-Zustand gedreht wird, wenn ein elektrisches Potential an die Elektroden angelegt wird, um den einen Lichtwellenleiter vom anderen fortzubewegen. Üblicher ist es jedoch, daß der Eingangs- und der AusgangslichtwellenIeiter eine voneinander fort weisende Vorzugsrichtung einnehmen, so daß der Schalter in den AUS-Zustand voreingestellt ist und dann durch Anlegen eines elektrischen Potentials an die Elektrode in den EIN-Zustand gedreht wird, um den Eingangs- und den Ausgangslichtwellenleiter durch Bewegen zum Zusammentreffen zu bringen.
• Die eine Lichtleitfaser kann einen elektrisch leitenden Uberzug und ein an sie angelegtes elektrisches Potential aufweisen, so daß sie in Richtung auf die Elektrode gezogen oder von ihr abgestoßen wird. Es wird jedoch vorgezogen, daß der eine Lichtwellenleiter elektrisch völlig nichtleitend ist und der optische Schalter mehr als eine einzelne Elektrode aufweist, um ein ungleichförmiges elektrostatisches Feld zu erzeugen, wobei der eine Lichtwellenleiter veranlaßt wird, sich in den Bereich der höchsten elektrostatischen Felddichte zu bewegen und sich so auf den anderen Wellenleiter zuzubewegen bzw. sich von ihm fortzubewegen, um ein optisches Koppeln zwischen ihnen zu ermöglichen bzw. zu verhindern. In diesem Falle kann der eine Lichtwellenleiter von einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante überzogen sein, beispielsweise einem Polymermaterial wie etwa Polyacrylonitrid, Phenolharz, Elastomere, Zelluloid und Nylon.
• Der optische Schalter kann zwei oder mehr Ausgangswellenleiter aufweisen, wodurch der Schalter durch Bewegen des einen Lichtwellenleiters zwischen den beiden oder mehreren Ausgangswellenleitern in der Lage ist, eine Verbindung zwischen dem Eingangswellenleiter und einem, unter den Ausgangswellenleitern ausgewählten Wellenleiter herzustellen. Der Eingangs- und der Ausgangswellenleiter können mit den Enden aneinanderanstoßen, so daß sie allgemein in einer Flucht liegen, derart, daß der optische Schalter durch genaues Ausfluchten und anstoßendes Koppeln von Eingangs- und AusgangslichtwellenIeiter auf EIN gedreht ist. Wenn die Wellenleiter nicht genau ausgefluchtet sind, sind sie nicht durch Anstoßen gekoppelt, so daß der Schalter auf AUS gedreht ist. Diese Anordnung ist besonders bei einem mehrpoligen Schalter nützlich, der eine Anaahl von Ausgangswellenleitern, die in ihrer Stellung unveränderlich sind, und einen EingangswellenIeiter aufweist, der biegsam und so montiert ist, daß er eine Bewegung ausführen kann, durch die er, in Abhängigkeit von dem an die Elektrode bzw. die Elektroden angelegten elektrischen Potential, in eine ausgefluchtete und anstoßende Kopplungsverbindung mit jedem der Ausgangswellenleiter gelangt. Mit dieser Anordnung können vom Eingangslichtwellenleiter her kommende Lichtsignale, in Abhängigkeit vom angelegten elektrischen Potential, einem unter den verschiedenen Ausgangswellenleitern ausgewählten WellenIeiter zugeführt werden.
• Alternativ können der Eingangs- und der Ausgangslichtwellenleiter durchwegs Seite an Seite angeordnet werden, wobei der Eingangs- und der Ausgangswellenleiter durch gegenseitige Überlappung und durch Inberührungbringen oder zumindest enges Nahebringen der WellenIeiter in ihrem Überlappungsbereich aneinandergekoppelt werden.
• Der eine Lichtwellenieiter kann zweckmäßig aus einer D-Lichtleitfaser bestehen. Eine D-Faser ist eine ummantelte Faser, bei der die Umhüllung an einer Seite des Kerns dickenmäßig beträchtlich reduziert ist, wobei dies durch Abpolieren der Umhüllung auf einer Seite der Faser geschieht, um so der Faser einen D-förmigen Querschnitt zu geben. Wenn die im allgemeinen flachen Seiten zweier D-Lichtleitfasern einander überlappt und eng zusammengeführt werden, kommt es zur Kopplung zwischen den Kernen der beiden Fasern, so daß Licht vom Kern der Eingangsfaser in den Kern der Ausgangsfaser übertragen und fortgepflanzt wird. Eine D-Faser kann auch in Verbindung mit einem ebenen Wellenleiter für beispielsweise ein Lithiumniobatsubstrat verwendet werden. Natürlich können alternativ auch andere Querschnitte verwendet werden, die höchste Flexibilität in den Schaltrichtungen gewährleisten.
• Typischerweise wird, wenn zwei Lichtleitfasern verwendet werden, die andere Lichtleitfaser über ihre gesamte Länge abgestützt, so daß ihre Position im Raum fixiert ist, während die eine Faser nur an einem Ende oder an beiden Enden abgestützt wird, so daß sie sich im Raum frei bewegen kann bzw. in Kontakt mit der anderen Faser gelangt bzw. diesen Kontakt aufgibt. Beide Fasern können nur an ihren Enden abgestützt sein, aber dann soll es vorzugsweise einen mechanischen Spannungsunterschied zwischen ihnen geben, so daß, wenn sie beide durch das elektrostatische Feld beeinflußt werden, eine Relativbewegung zwischen den beiden Fasern hervorgerufen wird, die sie im wesentlichen miteinander in Berührung bringt. D-förmige Fasern weisen in der die flache Seite und die Achse der Faser enthaltenden Ebene ein Biegemoment auf, das sich wegen des nicht kreisförmigen Querschnittes vom Biegemoment innerhalb derjenigen Ebene unterscheidet, die senkrecht zur flachen Seite verläuft und ebenfalls die Achse der Faser enthält. Dies bedeutet, daß die Faser biegsamer ist, wenn sie sich in der Ebene senkrecht zu ihrer flachen Seite verbiegt, während sie weniger biegsam ist, wenn sie sich in der Ebene ihrer flachen Seite verbiegt. Daher behält die Faser, wenn sie für die vom elektrostatischen Feld verursachte Bewegung zum Biegen der Faser in der zu ihrer flachen Seite senkrecht verlaufenden Ebene angebracht wird, ihre Stellung in Querrichtung zu ihrer Bewegungsrichtung bei, was eine nützliche Eigenschaft bei der Herstellung eines in der Praxis verwendbaren optischen Schalters ist. Dieses Merkmal kann auch durch Anordnen der Lichtleitfasern entlang einer gekrümmten Bahn genutzt werden, wodurch erreicht wird, daß die Fasern gegenseitig mit ihren einander gegenüberstehenden flachen Seiten richtig orientiert sind.
• Vorzugsweise werden mehrere Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung in Form eines Koppelpunktfeldes zusammengestellt. Bei dieser Anordnung kann jeder Eingang des Koppelpunktfeldes über eine Anzahl von Eingangswellenieitern an eine Anzahl von optischen Schaltern gekoppelt werden, wobei deren Ausgangsfasern jeweils an einen getrennten Ausgang des Koppelpunktfeldes geführt werden. In diesem Falle soll jedoch dafür gesorgt werden, daß jeder Eingangslichtwellenleiter alle und jeden anderen der Ausgangslichtwellenieiter überlappt, wobei getrennte Elektroden an jedem Kreuzungspunkt angeordnet sind, so daß durch Anlegen eines elektrischen Potentials an die einem Kreuzungspunkt zugewiesenen Elektroden der durch diesen besonderen Kreuzungspunkt gebildete optische Schalter betätigt wird.
• Vorzugsweise werden die Elektroden in Form einer fingerförmig ineinandergreifenden Anordnung getrennter Elektroden ausgebildet, wobei elektrische Potentiale unterschiedlicher Polarität an benachbarte Elektroden der Anordnung angelegt werden. Bei dieser Anordnung hat irgendeine auf dem Lichtwellenleiter befindliche Ladung keinen Nettoeffekt auf die Bewegung des Wellenleiters. Die Bewegung ist einzig eine Funktion der Nichtgleichförmigkeit des elektrostatischen Feldes, das aufgrund der Wechselwirkung der auf der Oberfläche des Lichtwellenleiters induzierten Ladungen mit dem nichtgleichförmigen Feld eine Translationskraft erzeugt, die die Lichtleitfaser in Richtung auf den Bereich mit der höchsten Felddichte bewegt. Vorzugsweise besitzen die Elektroden keine scharfen Kanten, um die Wirkung von Ladungen zu reduzieren, die von den Elektroden auf die Lichtwellenieiter gesprülit werden. Aus diesem Grunde können die Elektroden in jedem Feld als Kugeln ausgebildet werden, deren Durchmesser so optimiert sind, daß der geforderte Grad an Ungleichförmigkeit des elektrostatischen Feldes und minimalstes Sprühen von Ladungen erreicht wird. Sie können aber auch als längliche Elektroden ausgebildet werden, die im allgemeinen parallel zu den Fasern ausgerichtet sind und einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Kanten besitzen.
• Spezielle Beispiele eines optischen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.
• Fig. 1 stellt eine vergrößerte Draufsicht auf die Geometrie eines Koppelpunktes zwischen zwei D-Fasern dar, wobei der Winkel zwischen den Fasern stark übertrieben ist; und
• Fig. 2 stellt eine Draufsicht auf einen Teil einer optischen Koppelpunktschalteranordnung mit D-Fasern dar.
• Um eine optische Kopplung zwischen zwei D-Fasern 1 und 2 zu erzielen, sollte bei einer typischen Standardfaser mit Fernmeldequalität, die einen Hüllendurchmesser von 125 um, einen Kerndurchmesser von 8 um und einen Brechungsindexunterschied zwischen Kern und Hülle von 0,004 besitzt, die Überlappung eine axiale Ausdehnung von rund 5 mm aufweisen. Diese Bedingung führt zu einem Winkel A zwischen den Fasern von rund 0,2º und einem Abstand zwischen den Kernen von rund 0,5 um. Falls der Abstand zwischen den Kernen auf rund 10 um vergrößert wird, tritt zwischen den Fasern im wesentlichen keinen Kopplung auf. Diese Kernüberlappung führt zu einer Faserüberlappung von rund 75 mm. Die genannten Basisparameter bilden einen mechanisch betätigten Koppelpunkt zwischen zwei D-Fasern und führen zu einer für die Praxis geeigneten Gestaltung eines Koppelpunktschalters, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Die Verwendung einer Lichtleitfaser, die in der Kopplungsrichtung höchst flexibel ist, bedeutet, daß die kritische Abmessung der Kernüberlappungslänge während des Schaltens zuverlässiger beibehalten wird.
• Fig. 2 ist insofern vereinfacht worden, als der besseren Übersicht halber die Faserkerne nicht dargestellt wurden und nur eine einzelne Faser 10 sowie zwei Ausgangsfasern 11 und 12 dargestellt sind. In der Praxis würde jedoch üblicherweise eine gleiche Anzahl von Eingangs- und Ausgangsfasern vorgesehen sein, typischerweise zehn von jeder Sorte. Die Fasern 10, 11 und 12 sind an Faserabstützpunkten 13 verankert, die in axialer Richtung der Fasern in einem Abstand von etwa der doppelten Faserüberlappungslänge und somit typischerweise um 150 mm voneinander getrennt sind. Die Eingangsfasern 10 ruhen auf einer (nicht dargestellten) Stütze, so daß sie in Position gehalten werden. Die Fasern 11 und 12 sind lediglich auf den Stützpunkten 13 befestigt und gegenüber den Fasern 10 auf Abstand gehalten, so daß sie sich unter dem Einfluß eines elektrostatischen Feldes frei bewegen können. Eine Gruppe von Elektroden 14 ist um jeden Kreuzungspunkt angeordnet. In jeder Gruppe sind abwechselnde Elektroden an elektrische Potentialquellen entgegengesetzter Polarität angeschlossen. Die Elektrodengruppe 14 erzeugt ein hochgradig ungleichförmiges elektrostatisches Feld, das am Koppelpunkt entsteht. Das ganze Bauelement wird in ein Öl zur Anpassung der Brechzahl getaucht, wobei das Öl eine nahezu gleiche Brechzahl wie die Fasern besitzt. Dies gewährleistet eine gute optische Kopplung zwischen den Fasern 10 und 11 und 12, wenn sie aneinanderbewegt werden. Die Niederfrequenz-Dielektrizitätskonstante des Fluids (Öl oder ein anderes geeignetes Fluid) sollte niedrig sein, da der Effekt vom Unterschied der Dielektrizitätskonstanten der beweglichen Faser und des umgebenden Fluids abhängt. In diesem Falle wird die Faser vorzugsweise in Richtung der Elektroden gezogen. Alternativ kann das Fluid, im Vergleich zur beweglichen Faser, eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen, so daß die Wirkung des elektrostatischen Feldes darin besteht, vorzugsweise das Fluid zur Elektrode hin zu ziehen und so die Faser zu verschieben.
• Es kann von Vorteil sein, an die Elektroden eine Wechselspannung mit einer Frequenz anzulegen, die größer als die mechanische Resonanzfrequenz der Faser ist, um die Wirkung von Streuladungen auf die Faser und im dielektrischen Fluid im wesentlichen zu eliminieren.
• Wenn im Betrieb Licht, das auf der Eingangsfaser 10 erscheint, beispielsweise an die Ausgangsfaser 11 angekoppelt werden soll, werden an die den Kreuzungspunkt dieser beiden Fasern umgebenden Elektroden 14 elektrische Potentiale angelegt, die die Faser 11 mit der Faser 10 in Berührung bringen, so daß Licht von der Faser 10 in die Faser 11 eingekoppelt wird. In gleicher Weise werden, wenn die Eingangsfaser 10 mit der Ausgangsfaser 12 verbunden werden soll, an die Elektroden 14 um den Kreuzungspunkt zwischen den Fasern 10 und 12 elektrische Potentiale angelegt, die die Faser 12 mit der Faser 10 in Berührung bringen und wiederum die Fasern so miteinander verbinden, daß Licht von der Faser 10 in die Faser 12 übertragen wird.

Claims (15)

1. Optischer Schalter, mit einem Eingangs- und einem Ausgangslichtwellenleiter (10, 11), von denen einer eine Lichtleitfaser (10) ist, die so montiert ist, daß sie eine Querbewegung zum anderen Wellenleiter (11) hin und von diesem fort ausführen kann; und mit einer Elektrode (14), die so angeordnet ist, daß der eine Lichtwellenieiter (10) einem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird, wodurch das Anlegen eines elektrischen Potentials an die Elektrode (14) die Lichtleitfaser (10) veranlaßt, sich in Querrichtung zu bewegen, um eine optische Kopplung mit dem anderen Wellenleiter (11) und somit eine Betätigung des Schalters herbeizuführen oder zu verhindern; dadurch gekennzeichnet, daß

die Lichtleitfaser (10) einen solchen Querschnitt besitzt, daß sie in der Querrichtung am biegsamsten ist.

2. Optischer Schalter nach Anspruch 1, bei dem der Eingangs- und der Ausgangslichtwellenleiter (10, 11) so angeordnet sind, daß sie sich entlang längsgerichteter Abschnitte der Wellenleiter (10, 11) überlappen, wobei die Wellenleiter (10, 11) in ihrem Überlappungsbereich in Kontakt, oder mindestens in unmittelbare Nähe zueinander gebracht werden, um die optische Kopplung zwischen den Wellenleitern (10, 11) zu bewirken.

3. Optischer Schalter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die eine Lichtleitfaser nur in einer einzelnen Position abgestützt ist.

4. Optischer Schalter nach einem beliebigen Anspruch 1 bis 3, bei dem die eine Lichtleitfaser durch Stützen an zwei Positionen abgestützt ist.

5. Optischer Schalter nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem der andere WellenIeiter eine Lichtleitfaser ist, die so abgestützt ist, daß sie eine Querbewegung zur anderen Lichtleitfaser hin und von dieser fort ausführen kann.

6. Optischer Schalter nach Anspruch 5, bei dem der eine und der andere Lichtwellenleiter eine voneinander fortweisende Vorzugsrichtung aufweisen, so daß der Schalter in den AUS-Zustand voreingestellt ist und dann durch Anlegen eines elektrischen Potentials an die Elektrode in den EIN-Zustand gedreht wird, um die Fasern durch Bewegen in Querrichtung zum Zusammentreffen zu bringen.

7. Optischer Schalter gemäß einem beliebigen Anspruch 1 bis 4, bei dem der andere Lichtwellenleiter über seine Länge abgestützt ist, so daß seine Position im Raum fixiert ist.

8. Optischer Schalter nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem der eine Lichtwellenleiter elektrisch völlig nichtleitend ist und der optische Schalter mehr als eine einzelne Elektrode aufweist, um ein ungleichförmiges elektrostatisches Feld zu erzeugen, wobei der eine Lichtwellenleiter veranlaßt wird, sich in den Bereich der höchsten elektrostatischen Felddichte zu bewegen und sich so auf den anderen Wellenleiter zuzubewegen bzw. sich von ihm fortzubewegen, um ein optisches Koppeln zwischen ihnen herbeizuführen bzw. zu verhindern.

9. Optischer Schalter nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, der zwei oder mehr Ausgangswellenleiter umfaßt, und bei dem der Schalter durch Bewegen des einen Lichtwellenleiters zwischen den beiden oder mehreren Ausgangswellenleitern in der Lage ist, eine Verbindung zwischen dem Eingangswellenleiter und einem, unter den Ausgangswellenleitern ausgewählten Wellenleiter herzustellen

10. Optischer Schalter nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Elektroden durch eine fingerartig ineinandergreifende Anordnung getrennter Elektroden gebildet sind und elektrische Potentiale unterschiedlicher Polarität an benachbarte Elektroden der Anordnung angelegt werden.

11. Optischer Schalter nach Anspruch 10, bei dem die Elektroden abgerundete Kanten besitzen, um die Wirkung der von den Elektroden auf den LichtwellenIeiter gesprühten Ladungen zu verringern.

12. Optischer Schalter nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem das elektrische Potential mit einer Frequenz wechselt, die größer als die Resonanzfrequenz der Faser ist.

25 13. Optischer Schalter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Lichtwellenleiter (10, 11) Lichtleitfasern mit einem D-förmigen Querschnitt sind.

14. Koppelpunktanordnung, die eine Anzahl von Schaltern gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch aufweist.

15. Koppelpunktanordnung nach Anspruch 14, bei der jeder Eingangslichtwellenleiter alle und jeden Ausgangslichtwellenleiter überlappt, wobei an jedem Kreuzungspunkt getrennte Elektroden angeordnet sind, so daß durch Anlegen eines elektrischen Potentiais an die einem Kreuzungspunkt zugeordneten Elektroden der durch diesen besonderen Kreuzungspunkt gebildete optische Schalter betätigt wird.