DE4101043C3 - Optischer Schalter - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Schalter mit einer
Überbrückungsposition, in der mindestens ein erster
optischer Eingang mit einem ersten optischen Ausgang
verbunden ist, und mit einer Durchschalte-Position, in der
mindestens der erste optische Eingang mit einem zweiten
optischen Ausgang und ein zweiter optischer Eingang mit dem
ersten optischen Ausgang verbunden ist, wobei zwei
gegeneinander bewegliche Teile verwendet werden oder wobei
ein mit einer Grundplatte verbundenes feststehendes Teil und
ein auf der Grundplatte in einer Öffnung des feststehenden
Teils bewegliches Teil verwendet werden und wobei
Führungsflächen, die das Entstehen einer Bewegung in
unerwünschten Freiheitsgraden verhindern, Anschläge, die die
Bewegung in bevorzugten Lagen beenden, und zur Fixierung der
Lichtwellenleiter und eventuell weiterer optischer oder
elektrooptischen Komponenten Nuten vorgesehen sind, die
durch Ätzen hergestellt sind.
Ein optischer Schalter, der auf dem Prinzip beruht die
Lichtwellenleiter zu bewegen, ist aus der US 46 99 457
bekannt. Die Arbeitsweise des Schalters ähnelt der eines
elektromechanischen Relais. Die Lichtwellenleiter sind
paarweise auf einer Platte befestigt. Von den beiden Platten
ist eine fixiert, die andere beweglich. Im ausgeschalteten
Zustand liegen die beiden Platten nicht in einer Ebene, so
daß nur einer der Eingangslichtwellenleiter relativ zu einem
Ausgangslichtwellenleiter justiert ist. Durch Anlegen eines
Magnetfeldes (eingeschalteter Zustand) wird eine der beiden
Platten bewegt, so daß beide Platten koplanar liegen und
beide Lichtwellenleiterpaare zueinander justiert sind.
Dieses Verfahren setzt voraus, daß die Haltevorrichtungen
für die Lichtwellenleiter auf den Platten mit sehr hoher
Präzision angefertigt werden können und daß die Platten
reproduzierbar gegeneinander bewegt werden können.
Aus der DE 32 06 600 A1 ist ein optischer Schalter für einen
Computerverbund oder dergleichen bekannt (siehe Fig. 27),
dessen Lichtwellenleiter und optische Komponenten in in
Silizium geätzten Nuten befestigt sind. Der optische
Schalter, der ebenfalls zwei Paare von Lichtwellenleitern
enthält, wird betätigt, indem Spiegel, die zwischen den
Lichtwellenleitern angebracht sind, bewegt werden. Dadurch
sind eine Überbrückungs-Position und eine Durchschalte-
Position einnehmbar. Bei diesem Schalter ist es nachteilig,
daß beim Verschieben der Spiegel Ungenauigkeiten auftreten
können, da die Spiegel auf dem Boden einer Keilnut bewegt
werden, deren Seitenwände zwar mit Kristallebenen
zusammenfallen, die mit (111) Ebenen des Silizium
Einkristalls korrespondieren, deren Boden aber nicht mit
solchen Kristallebenen zusammenfällt. Bei der Herstellung
einer solchen Keilnut wird der Boden im Gegensatz zu den
Seitenwänden also keine hohe Genauigkeit an Ebenheit
aufweisen. Es können also beim Umschalten Ungenauigkeiten
auftreten.
Ein weiterer optischer Schalter ist aus der
gattungsbildenden DE 30 12 450 A1 bekannt. Dieser Schalter
weist eine Überbrückungs- und eine Durchschalteposition auf,
sowie ein feststehendes auf einer Grundplatte befestigtes
Teil und ein auf der Grundplatte in einer Öffnung des
feststehenden Teils bewegliches Teil. Anschläge, Führungen
und Nuten zur Fixierung von Lichtwellenleitern sind durch
Ätzen hergestellt. Die Genauigkeit der Strukturen ist nicht
sehr hoch, da sie durch die Genauigkeit der
Herstellungstechnik beschränkt ist.
Aus der DE 37 28 053 A1 ist ein lösbarer Mehrfach-
Spleißverbinder für Lichtwellenleiter bekannt. Die
besonderen Vorteile, die durch eine reine Flächenführung in
geätztem Silizium erhalten werden können, sind in obiger
Druckschrift angegeben.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen optischen Schalter
anzugeben, der eine Überbrückungs-Position und eine
Durchschalte-Position aufweist und ein sehr genau
reproduzierbares Umschalten ermöglicht, wobei die hohe
Genauigkeit durch ein einfaches Herstellungsverfahren
erreicht wird.
Die Aufgabe wird durch Schalter mit den Merkmalen des
Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des
optischen Schalters sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
In optischen Kommunikationsnetzen mit Lichtwellenleitern
sollen gestörte Teilnehmerstationen überbrückt werden.
Hierzu müssen die über den Eingangslichtwellenleiter
ankommenden Daten an dem gestörten Anschluß vorbeigeleitet
und direkt in einen Ausgangslichtwellenleiter eingekoppelt
werden. Der erfindungsgemäße optische Schalter weist den
Vorteil auf, daß die optische Bypass-Schaltung
(Überbrückungs-Schaltung) mit geringen Verlusten behaftet
ist. Zudem zeichnet sich der optische Schalter durch einen
kompakten Aufbau aus. Beim erfindungsgemäßen optischen
Schalter wird die Technologie der dreidimensionalen
Mikrostrukturierung von Silizium mittels anisotropem Ätzen
eingesetzt, um Halterungen und Positioniereinrichtungen für
Lichtwellenleiter und weitere optische oder elektrooptische
Elemente mit hoher Präzision zu fertigen.
Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der optischen Bypass-
Schaltung,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung zur Realisierung der Bypass-
Schaltung.
Fig. 3 eine Aufsicht auf einen optischen Schalter mit
Schwalbenschwanzführung und beweglichen Lichtwellenleitern,
Fig. 4 einen Schnitt durch einen optischen Schalter mit
Schwalbenschwanzführung und beweglichen Lichtwellenleitern,
Fig. 5 eine Aufsicht auf einen optischen Schalter mit
Schwalbenschwanzführung und beweglichen Lichtwellenleitern
mit integriertem Laser und
Fig. 6 eine Aufsicht auf einen optischen Schalter mit
Schwalbenschwanzführung, festen Lichtwellenleitern und
Spiegeln.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen
Bypass-Schaltung. Im eingeschalteten Zustand (Durchschalte-
Position) wird das über einen Eingangslichtwellenleiter D1
angekommende Licht zu einem Detektor D der Teilnehmerstation
geleitet. Die Daten werden einer elektronischen
Signalverarbeitung S zugeführt, verarbeitet und einem Laser
L aufmoduliert. Vom Laser L wird Licht über einen zweiten
Eingangslichtwellenleiter E2 über den optischen Schalter OS
in einen Ausgangslichtwellenleiter A1 eingekoppelt. Im Falle
einer Störung der Teilnehmerstation soll der
Eingangslichtwellenleiter E1 direkt an den
Ausgangslichtwellenleiter A1 unter Überbrückung von Detektor
und Sender angekoppelt werden (Bypass- oder Überbrückungs-
Position).
Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Realisierung der
Bypass-Schaltung. Der Eingangslichtwellenleiter E1 und der
mit dem Laser L verbundene Eingangslichtwellenleiter E2
liegen in Halterungen auf einem gemeinsamen Teil und sind
somit in ihrer relativen Position fest miteinander
verkoppelt. Ebenso liegt der mit dem Detektor D verbundene
Ausgangslichtwellenleiter A2 und der
Ausgangslichtwellenleiter A1 auf einem gemeinsamen Teil. Das
Teil mit den Eingangslichtwellenleitern E1, E2 ist in einer
Richtung senkrecht zur Lichtausbreitung beweglich, so daß
wahlweise der Eingangslichtwellenleiter E1 mit dem
Ausgangslichtwellenleiter A2 und dem Detektor und der
Laser L über den Eingangslichtwellenleiter E2 mit dem
Ausgangslichtwellenleiter A1 verbunden sind (eingeschalteter
Zustand, Durchschalte-Position) oder der
Eingangslichtwellenleiter E1 direkt mit dem
Ausgangslichtwellenleiter A1 verbunden ist (Bypass-Position,
Überbrückungs-Position).
Die Fig. 3 und 4 stellen eine mögliche Realisierung einer
Bypass-Schaltung in Silizium-Mikromechanik dar. Ein Wafer
aus einkristallinem Silizium wird von der Rückseite her
durch anisotropes Ätzen vollkommen durchätzt, so daß eine
Durchgangsöffnung mit Seitenwänden entsteht. Die Vorderseite
wird derart strukturiert, daß auf einer Seite der
Durchgangsöffnung eine Vertiefung zur Aufnahme der
beweglichen Lichtwellenleiter E1, E2 entsteht. Diese
Vertiefung V stellt in ihren Abmessungen keine besonderen
Anforderungen an die Genauigkeit des Herstellverfahrens. Auf
der gegenüberliegenden Seite der Durchgangsöffnung D werden
Pyramiden oder V-förmige Gräben G1, G2 zur Halterung von
Kugellinsen K1, K2 und Lichtwellenleitern A1 in den
Siliziumträger geätzt. Mit Hilfe der anisotropen Ätztechnik
können solche Strukturen mit einer Genauigkeit im
Mikrometerbereich hergestellt werden. Es entsteht das Teil
T2. Ebenfalls aus demselben einkristallinen Siliziumwafer
wird ein bewegliches Teil T1, der Schlitten, geätzt, dessen
Seitenwände eine inverse Neigung zu den Seitenwänden der
Durchgangsöffnung D aufweisen und der somit mit einem durch
den Ätzprozeß einstellbaren Spiel in die Durchgangsöffnung D
eingepaßt werden kann. Zur Oberfläche des Teils T2 hin wird
das Teil T1 durch die konische Form der Seitenwände
gehalten. Die Rückseite des Teils T2 wird mit einer
Grundplatte G aus einem zweiten Siliziumwafer abgedeckt, so
daß das Teil T1 auch in dieser Richtung eine definierte
Führung aufweist. Die Grundplatte G kann beispielsweise
durch anodisches Bonden mittels einer gesputterten
Glaszwischenschicht, durch Silizium Direktbonden oder durch
Klebetechnik befestigt werden. Das bewegliche Teil T1 kann
sich somit nur noch in einer Richtung bewegen, die in
Fig. 3 als Bewegungsrichtung mit einem Pfeil gekennzeichnet
ist. Die Vorderseite des Teils T1 wird durch anisotropes
Ätzen mit V-Nuten zur Halterung der beiden Lichtwellenleiter
sowie mit pyramidenförmigen Gräben zur Aufnahme von
Kugellinsen K3, K4 strukturiert. Der
Eingangslichtwellenleiter E1 und der mit dem Laser
verbundene Lichtwellenleiter E2 werden auf dem Teil T2 in V-
Nuten bis zum Rand der Vertiefung V geführt. In dieser
Vertiefung V sind die Lichtwellenleiter lateral frei
beweglich. Beide Lichtwellenleiter E1, E2 werden auf dem
Teil T1 wieder in entsprechenden V-Nuten geführt und enden
vor den pyramidenförmigen Vertiefungen für die Kugellinsen
K3 und K4. Die geätzten Strukturen für die Lichtwellenleiter
und Kugellinsen sind so ausgelegt, daß die
Lichtwellenleiterendflächen in der Brennebene der jeweiligen
Kugellinsen liegen. Das aus den Lichtwellenleitern
austretende Licht wird somit durch die Linsen parallelisiert
und breitet sich als Freiraumstrahlen bis zu den beiden auf
dem Teil T2 liegenden Kugellinsen K1, K2 aus. Die Kugellinse
K1 fokussiert das Licht auf eine mit ihrer aktiven Fläche
senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehende Fotodiode D, die
andere Kugellinse K2 auf den Kern des
Ausgangslichtwellenleiters K1. Bei Verwendung einer
Fotodiode D mit großer aktiver Fläche kann die fokussierende
Kugellinse K1 vor dem Detektor entfallen. Das bewegliche
Teil T1 kann zwischen zwei Anschlägen, die durch die
geätzten Strukturen definiert sind, bewegt werden, so daß
wahlweise der Eingangslichtwellenleiter E1 mit dem Fotodiode
D und der Laser mit dem Ausgangslichtwellenleiter A1 oder
der Eingangslichtwellenleiter E1 direkt mit dem
Ausgangslichtwellenleiter A verbunden werden kann. Da die
Position des beweglichen Teils T1 und damit der beweglichen
Lichtwellenleiter durch die präzise geätzten Strukturen
definiert ist, sind ein Monitor und eine Regelelektronik
hier nicht notwendig.
Das Teil T1 wird aus demselben Siliziumwafer geätzt wie das
Teil T2, damit beide Komponenten die gleiche Dicke
aufweisen. Eine Höhenjustierung der Lichtwellenleiter auf
dem Teil T1 und dem Teil T2 ist damit gewährleistet. Da das
Teil T1 auf großen Flächen gleitet, kann zur Verminderung
der Gleitreibung eine reibungsmindernde Dünnschicht
aufgesputtert werden. Für den Antrieb des beweglichen Teils
T1 kann eine Vielzahl von Möglichkeiten in Betracht gezogen
werden. Der Antrieb kann zum Beispiel durch Verwendung eines
Relais, rein elektromechanisch oder mit Hilfe einer
Formgedächtnislegierung erfolgen. Der Stößel für ein Relais
kann dabei auf einfache Weise durch Ankleben an den
Schlitten befestigt werden. Der Schlitten kann aber auch
eine geätzte Struktur zur Befestigung des Antriebselements
tragen. In allen Fällen befindet sich der Gegenpunkt des
Antriebs auf der Grundplatte G oder einer zusätzlichen
Halterung, die die gesamte Anordnung trägt. Der Einsatz
eines Relais stellt sicher, daß nur im eingeschalteten
Zustand der Laser und die Fotodiode angekoppelt werden. Bei
Stromausfall bewegt das Relais das Teil 1 zum
entgegengesetzten Anschlag und der Eingangslichtwellenleiter
E1 ist mit dem Ausgangslichtwellenleiter E2 verbunden. Bei
Einsatz eines elektromagnetischen Antriebs besteht keine
starre Verbindung zwischen dem Teil T1 und der Grundplatte
G. Auf dem Teil T1 wird eine Masse aus magnetischem Material
und auf der Grundplatte G ein kleiner Elektromagnet
befestigt. Im eingeschalteten Zustand bewegt das Magnetfeld
somit das Teil T1 zu einer der beiden Anschlagspositionen.
Ein Formgedächtnismetallantrieb muß elektrisch beheizt
werden, so daß die Legierung im eingeschalteten Zustand eine
Austenitstruktur annimmt, die so geformt wurde, daß der
Antriebshebel das Teil 1 zu einem der Anschläge bewegt. Bei
Stromausfall kühlt sich die Anordnung ab nimmt die leicht
verformbare Martensitstruktur an. Bei Verwendung eines
elektromagnetischen oder Formgedächtnismetallantriebs muß im
ausgeschalteten Zustand das Teil T1 durch eine zusätzliche
passive Komponente (zum Beispiel Federkraft) zu dem
entgegengesetzten Anschlag bewegt werden.
In einer weiteren Ausbaustufe der Anordnung kann die
Laserdiode L auf dem Teil T2 hybrid integriert werden. Das
Laserlicht wird dann über eine mikromechanisch positionierte
Kugellinse K5 in ein kurzes Lichtwellenleiterstück E2
eingekoppelt, daß wie der Eingangslichtwellenleiter E1 zum
beweglichen Teil T1 geführt wird (Fig. 5).
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
optischen Schalters ist in Fig. 6 dargestellt. Mit dem Teil
T1 werden dabei nicht Lichtwellenleiter bewegt, sondern auf
dem Teil T1 ist ein Spiegel SP befestigt. Das Licht aus dem
Eingangslichtwellenleiter E1 und aus dem
Eingangslichtwellenleiter E2, der vom Laser kommt wird als
Freiraumstrahlung auf den Spiegel SP umgelenkt. Der Spiegel
SP ist auf dem beweglichen Teil T1 befestigt und kann durch
Verschiebung so positioniert werden, daß an einem Anschlag
eine Überbrückungs-Position erreicht ist und am anderen
Anschlag eine Durchgangs-Position erreicht ist.
Der erfindungsgemäße Aufbau zeichnet sich durch eine
kompakte Bauweise, einen beweglichen Schlitten (Teil T1) und
das Schalten optischer Informationen zwischen verschiedenen
Lichtwellenleitern aus. Alle Komponenten können durch
mikromechanische Strukturierung von einkristallinem Silizium
mit hoher Präzision befestigt werden. Die absolute
Reproduzierbarkeit der Ätzstrukturen ist für die
Justiergenauigkeit der Fasern unkritisch, da die
Ätzstrukturen so ausgelegt sind, daß die einzelnen
Komponenten des Aufbaus durch Selbstjustage mit hoher
Präzision relativ zueinander positioniert werden. Bei
Spannungsausfall tritt automatisch die Bypassfunktion in
Kraft. Das Wiedereintreten der Funktionsfähigkeit kann durch
eine Monitoreinrichtung geprüft werden.
Diese ist für den Einsatz des Schalters in lokalen Netzen
von wesentlicher Bedeutung. Zu diesem Zweck können auf das
Teil 2 drei Ausgangslichtwellenleiter angebracht werden. Der
zusätzliche Ausgangslichtwellenleiter führt zu einer
Monitorfotodiode. Im eingeschalteten Zustand liegt der
Eingang dieses Ausgangslichtwellenleiters A2 frei. Im Falle
einer Störung (Bypass-Schaltung) wird dieser
Ausgangslichtwellenleiter mit dem Eingangslichtwellenleiter
E2 der zur Laserdiode führt gepaart, so daß durch die
Monitorfotodiode der Betriebszustand des Lasers geprüft
werden kann.
Neben der bisherigen Funktion des optischen Schalters eine
Bypass-Schaltung zu realisieren, kann der hier beschriebene
optische Schalter auch informationstragendes Licht zwischen
einem oder mehreren Eingangslichtwellenleitern und
verschiedenen Ausgangslichtwellenleitern schalten und so zu
Verzweigungsaufgaben in optischen Nachrichtennetzen
eingesetzt werden.
Claims (3)
1. Optischer Schalter mit einer Überbrückungs-Position, in
der mindestens ein erster optischer Eingang mit einem ersten
optischen Ausgang verbunden ist, und mit einer Durchschalte-
Position, in der mindestens der erste optische Eingang mit
einem zweiten optischen Ausgang und ein zweiter optischer
Eingang mit dem ersten optischen Ausgang verbunden ist,
wobei ein mit einer Grundplatte verbundenes feststehendes
Teil und ein auf der Grundplatte in einer Öffnung des
feststehenden Teils bewegliches Teil verwendet werden und
wobei Führungsflächen, die das Entstehen einer Bewegung in
unerwünschten Freiheitsgraden verhindern, Anschläge, die die
Bewegung in bevorzugten Lagen beenden, und zur Fixierung der
Lichtwellenleiter und eventuell weiterer optischer oder
elektrooptischer Komponenten Nuten vorgesehen sind, die
durch Ätzen hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß
die Öffnung im feststehenden Teil durch anisotropes Ätzen
derart hergestellt ist, daß sie geneigte Seitenflächen
aufweisen und sich zur Grundplatte hin erweitert, und daß
das bewegliche Teil eine dementsprechende, komplimentäre,
durch anisotropes Ätzen hergestellte Form aufweist.
2. Optischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Verminderung der Gleitreibung eine
dünne Schicht auf den Führungsflächen aufgebracht ist.
3. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten zur Fixierung der
Lichtwellenleiter und eventuell weiterer optischer oder
elektrooptischer Komponenten durch anisotropes Ätzen
hergestellt sind.
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