-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Lichtleiter und insbesondere programmierbare
Lichtleiter, die auf Flüssigkristallen
basieren.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Datenkommunikationssysteme,
die auf faseroptischen Einrichtungen basieren, bieten wesentlich
höhere
Bandbreiten als Systeme, die auf elektrischen Systemen basieren.
Unglücklicherweise
haben Vermittlungseinrichtungen (switching devices) zum Vermitteln
(Switching) optischer Signale zwischen einer Eingangsfaser und einer
Vielzahl von Ausgangsfasern mit dieser Entwicklung nicht Schritt gehalten.
Daher werden optische Signale typischerweise zurück in elektrische Signale umgewandelt, bevor
sie vermittelt werden. Daraufhin werden die elektrischen Signale
mittels üblicher
Paketvermittlungstechniken vermittelt und in optische Signale zurückgewandelt,
bevor diese in die Ausgangsfasern eintreten. Die Beschränkungen
elektrischer Vermittlungssysteme verhindern die Realisierung der
vollen Datenbandbreite der Fasern. Dementsprechend wurde ein erheblicher
Forschungsaufwand für
die Entwicklung optischer Vermittlungseinrichtungen getrieben, welche
die Umwandlung von Lichtsignalen zurück in elektrische Signale vermeiden.
-
Ein
vielversprechendes Verfahren zum Vermitteln optischer Signale zwischen
optischen Wegen basiert auf einem Wellenleiter, dessen Lage elektrisch
gesteuert ist. Ein Wellenleiter kann erzeugt werden, indem der Brechungsindex
eines Mediums entlang des Wegs, den das Licht nimmt, derartig geändert wird,
daß der
gewünschte
Weg einen höheren Brechungsindex
als das umgebende Medium hat. Einrichtungen, die auf Flüssigkristallen
basieren, sind besonders vielversprechend, da große Änderungen des
Brechungsindex in einer Flüssigkristallschicht
erzeugt werden können,
indem ein niederfrequentes elektrisches Wechselfeld entlang der
Schicht angelegt wird. Eine einfache Vermittlungseinrichtung kann konstruiert
werden, indem ein Satz Elektroden auf der Oberfläche der Flüssigkristallschicht mit Energie versorgt
wird, während
ein alternativer Satz in einem energielosen Zustand bleibt. Der
Bereich zwischen den mit Energie versorgten Elektroden wird dann
der Wellenleiter, der die Richtung spezifiziert, in die sich das
Lichtsignal in der Flüssigkristallschicht
ausbreitet. Eine solche Einrichtung ist beispielsweise aus der Druckschrift
JP 57-142622 A bekannt.
-
Unglücklicherweise
führen
Lichtleiter, die auf Flüssigkristallen
basieren, nur Licht einer linearen Polarisation. Das Licht mit der
orthogonalen Polarisation erfährt
einen anderen Brechungsindex und wird nicht geführt. Da optische Signale in
solchen Systemen typischerweise zufällig veränderliche Polarisationszustände haben,
können
nicht vorhersehbare Übertragungen
auftreten.
-
Im
allgemeinen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
optisches Vermittlungselement vorzusehen.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches
Vermittlungselement vorzusehen, das mit einem Lichtsignal unabhängig von dem
Polarisationszustand dieses Lichtsignals betrieben werden kann,
ohne Lichtverluste einzuführen, die
inhärent
mit polarisationsabhängigen
Wellenleitern verknüpft
sind.
-
Diese
und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung ergeben sich dem
Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung und
aus den beigefügten
Zeichnungen.
-
Abriß der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung ist ein Lichtleiterelement zum Umleiten (Routing)
eines Lichtsignals zwischen einem Eingangsanschluß und einem
Ausgangsanschluß oder
zum Abblocken der Ausbreitung des Lichtsignals zwischen den Eingangs-
und den Ausgangsanschlüssen,
abhängig
von dem Zustand des Lichtleiterelements. Das Lichtleiterelement
verwendet einen polarisierenden Strahlteiler, um das Eingangslichtsignal
in physikalisch getrennte erste und zweite polarisierte Lichtsignale
zu trennen, wobei das erste Lichtsignal eine Polarisation hat, die
orthogonal zu der des zweiten Lichtsignals ist. Eine erste Polarisations-Dreheinrichtung
dreht die Polarisation des ersten Lichtsignals, so daß die Polarisation des
ersten Lichtsignals parallel zu der des zweiten Lichtsignals ist.
Ein erster Wellenleiter, der einen ersten und einen zweiten Zustand
aufweist, verarbeitet das erste Lichtsignal derart, daß der erste
Wellenleiter in dem ersten Zustand das Lichtsignal entlang eines
vorbestimmten Wegs führt,
während
er in einem zweiten Zustand das erste Lichtsignal nicht führt. Ein zweiter
Wellenleiter, der einen ersten und einen zweiten Zustand aufweist,
verarbeitet das zweite Lichtsignal derart, daß der zweite Wellenleiter in
dem ersten Zustand das zweite Lichtsignal entlang eines vorbestimmten
Wegs führt,
während
er in dem zweiten Zustand das zweite Lichtsignal nicht führt. Eine
zweite Polarisationsdreheinrichtung dreht die Polarisation des zweiten
Lichtsignals, so daß die
Polarisation des zweiten Lichtsignals orthogonal zu der des ersten Lichtsignals
ist. Ein polarisierender Strahlkombinierer kombiniert daraufhin
das erste und zweite Lichtsignal und koppelt diese an den Ausgangs-Lichtanschluß. Der erste
und zweite Wellenleiter sind vorzugsweise aus einer Leiterschicht
eines Leitermaterials gebildet, das in Abwesenheit eines elektrischen
Feldes einen ersten Brechungsindex aufweist, und in Anwesenheit eines
elektrischen Feldes einen zweiten Brechungsindex aufweist. Erste
und zweite Elektroden legen das elektrische Feld an einen Abschnitt
der Schicht. Die Elektroden definieren einen Leiterbereich in der Schicht,
die einen Brechungsindex aufweist, der größer als derjenige der Leiterschicht
in Bereichen nahe dem Leiterbereich ist. Das Leitermaterial ist
vorzugsweise ein Flüssigkristall-Medium.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
eine Aufsicht einer Vermittlungseinrichtung 100 nach dem
Stand der Technik zum Vermitteln von Lichtsignalen von einer Eingangsfaser 101 entweder
an Faser 102 oder an Faser 103.
-
2 ist
eine Querschnittsansicht der in 1 dargestellten
Vermittlungsanordnung durch die Schnittlinie 111-112.
-
3 ist
eine Aufsicht eines Lichtvermittlers 300 gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
4 ist
eine Querschnittsansicht des Abschnitts des Vermittlers 300 durch
die Schnittlinie 321-322.
-
5 ist
eine Aufsicht des Vermittlers 400 gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
6 ist
eine Schnittansicht des in 5 dargestellten
Vermittlers 400 durch die Schnittlinie 443-444.
-
7 ist
eine Schnittansicht des in 5 dargestellten
Vermittlers durch die Schnittlinie 441-442.
-
Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
-
Mit
Bezug auf die 1 ist besser verständlich,
wodurch sich die Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben, wobei
die 1 eine Aufsicht einer Vermittlungseinrichtung
(switching device) 100 gemäß dem Stand der Technik darstellt,
die dem Vermitteln (Switching) von Lichtsignalen ausgehend von einem
durch eine Elektrode 105 definierten Eingangs-Wellenleiter an einen
der zwei durch die Elektroden 106 und 107 definierten
Ausgangs-Wellenleiter
dient. Die Elektroden sind auf einer Oberfläche einer Flüssigkristallschicht
angeordnet. Die entsprechenden Elektroden sind auf der anderen Seite
der Flüssigkristallschicht
angeordnet. Die Anordnung der Elektroden ist mit Bezug auf die 2 besser
verständlich,
welche eine Schnittansicht der in 1 dargestellten
Vermittlungsanordnung durch die Schnittlinie 111-112 darstellt.
Der Flüssigkristall-Wellenleiter
arbeitet, indem ein Bereich unter einer mit Energie versorgten Elektrode
erzeugt wird, in dem der Brechungsindex größer als derjenige ist, der
in dem umgebenden Flüssigkristall-Medium
herrscht. An einem Abschnitt einer Flüssigkristallschicht 110 wird
ein Wechselfeld angelegt, um die Orientierung der Flüssigkristall-Moleküle in dem
angelegten Feld zu ändern,
wie mit dem Bezugszeichen 14 dargestellt ist. Dieses Feld
wird durch Anschließen
eines geeigneten Signalerzeugers an die Elektroden 107 und 114 erzeugt.
Eine Flüssigkristall-Ausrichtungsschicht ist
an der Wand der Kammer angebracht, die verursacht, daß die Kristalle
in Abwesenheit eines elektrischen Feldes ausgerichtet sind, wie
mit dem Bezugszeichen 113 dargestellt ist. Wenn ein elektrisches Feld
angelegt wird, werden die Flüssigkristalle,
die nicht in Kontakt mit den Kristallen an der Wand sind, in die
Richtung des elektrischen Feldes neu ausgerichtet. Wenn das Feld
entfernt wird, orientieren sich die Flüssigkristalle mit denjenigen
Kristallen selbst neu, die in Kontakt mit den Wänden der Kammer sind. Um die
Orientierungsrichtung umzuschalten, wird ein Wechselstromfeld verwendet,
da ein Gleichstromfeld dazu führen
würde,
daß die
Ionen in den Flüssigkristallen
mit der Zeit in die Richtung einer der Elektroden driften würden.
-
Licht,
das eine lineare Polarisation aufweist, die parallel zu der Ausrichtung
der Flüssigkristalle
ist, erfährt
einen wesentlich höheren
Brechungsindex als das Licht, dessen Polarisation orthogonal zu
der Ausrichtung der Flüssigkristalle
ist. Daher wird in der in 2 dargestellten
Anordnung nur Licht einer linearen Polarisation geführt.
-
Die
Erzeugung der Flüssigkristall-Ausrichtungsschicht
ist aus dem Stand der Technik gut bekannt und wird daher hier im
weiteren nicht behandelt. Hinsichtlich der vorliegenden Erfindung
ist es ausreichend, zu bemerken, daß die Wände der Kammer so strukturiert
bzw. texturiert sein können,
daß die
Moleküle
des Flüssigkristalls
an der Wand eine spezielle Orientierung annehmen. Wenn beispielsweise
die Moleküle
vorgesehen sind, eine zur Wandoberfläche parallele Orientierung
anzunehmen, kann die Wandoberfläche
mit einem Material beschichtet sein, das dann durch Reiben texturiert
wird, um kleine Rinnen zu erzeugen. Die Flüssigkristallmoleküle richten
sich selbst in den Rinnen aus, vorausgesetzt, daß das Material derart ausgewählt ist,
daß die
Flüssigkristalle
die Wandoberfläche
benetzen. Wenn ein nicht benetzendes Beschichtungsmaterial verwendet
wird, ordnen sich die Flüssigkristallmoleküle selbst
senkrecht zu der Wand an, um die Wechselwirkungen mit der Wand zu
minimieren.
-
Die
vorliegende Erfindung sieht für
jede Polarisation getrennte umschaltbare (switchable) Wellenleiter
vor. Im folgenden wird auf die 3 und 4 Bezug
genommen. Die 3 ist eine Aufsicht eines Licht-Vermittlers
(light switch) 300 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die 4 ist eine Querschnittsansicht
des Abschnitts des Vermittlers (switch) 300 durch die Linie 321-322.
Der Licht-Vermittler 300 überträgt in einem Zustand Licht zwischen der
Eingangsfaser 301 und der Ausgangsfaser 302 und
blockiert die Übertragung
des Lichts zwischen den Fasern, wenn sich der Vermittler in dem
anderen Zustand befindet. Zunächst
wird das Eingangslichtsignal mittels eines Walk-Off-Kristalls 310 in
zwei polarisierte Lichtstrahlen 308 und 309 mit
orthogonalen Polarisationen getrennt. Zum Zwecke dieser Betrachtung
wird angenommen, daß die
Polarisation des Lichtstrahls 308 senkrecht zur Zeichenebene
ist. Die Polarisation des Lichtstrahls 309 wird mittels
einer Strahl-Dreheinrichtung 312 um 90° gedreht. An diesem Punkt haben
die zwei Lichtstrahlen 308 und 309 die gleiche
Polarisationsrichtung.
-
Die
zwei Lichtstrahlen treten in ein Paar schaltbarer Wellenleiter ein,
beispielsweise in die oben beschriebenen. In dieser Ausführung sind
die Wellenleiter mit einer einzelnen Flüssigkristallschicht 314 ausgebildet.
Die oberen Elektroden der Wellenleiter sind mit den Bezugszeichen 315 und 316 dargestellt.
Wenn an diese Elektroden und den entsprechenden unteren Elektroden 323 und 324 ein
Wechselfeld angelegt wird, werden die Lichtstrahlen in der Flüssigkristallschicht
geführt.
Wenn kein solches Feld vorliegt, werden die Lichtstrahlen gestreut
und das Signal geht verloren.
-
Beim
Verlassen des umschaltbaren Wellenleiters wird das Lichtsignal auf
dem Weg 308 von der Polarisations-Dreheinrichtung 317 um
90° gedreht. Die
zwei Lichtstrahlen werden dann in dem Walk-Off-Kristall 318 neu
kombiniert. Es ist zu bemerken, daß die von den zwei getrennten
Polarisationsstrahlen durchlaufenen Wege vorzugsweise gleich sind.
Diese Anord nung verhindert die Einführung von Phasenunterschieden
zwischen den Lichtsignalen. In der Ausführung, die in 3 und 4 dargestellt ist,
wird dies erreicht, indem jeder Strahl um 90° gedreht wird, wodurch jeder
Strahl Wege durchlaufen muß,
in denen der Strahl in einem Walk-Off-Kristall einem „Walk-off" unterworfen wird,
und in dem anderen Kristall keinem Walk-Off unterworfen wird. Daher durchläuft jeder
Strahl einen Weg, der hinsichtlich der Länge und der optischen Materialien
identisch mit dem Weg ist, der von dem anderen Strahl durchlaufen
wird.
-
Die
oben beschriebene Ausführung
der vorliegenden Erfindung verwendet Walk-Off-Kristalle, um einfallendes Licht in
zwei polarisierte Strahlen mit orthogonalen Polarisationen zu trennen.
Es ist jedoch für
den Fachmann anhand der vorangegangenen Betrachtung ersichtlich,
daß für diesen
Zweck andere optische Elemente verwendet werden können, die
einen Strahl in zwei Komponenten mit orthogonalen Polarisationen
aufteilen. Beispielsweise kann zum Trennen des Lichtsignals in zwei
Strahlen ein polarisationsabhängiger
Strahlteiler verwendet werden, der aus einem Material ausgebildet
ist, welches eine Polarisation reflektiert, während die andere durchgelassen
wird.
-
Die
oben beschriebenen Ausführungen
der vorliegenden Erfindung verwenden Strahl-Dreheinrichtungen, die von der Flüssigkristallschicht
getrennt sind. Solche Dreheinrichtungen können mit Halbwellenplatten
vorgesehen werden. Es ist jedoch zu beachten, daß die Strahl-Dreheinrichtungen
implementiert werden können,
indem an dem Eingang und dem Ausgang der Wellenleiter Flüssigkristall-Grenzschichten
verwendet werden. Wenn beispielsweise das Eintrittsfenster des zu
drehenden Strahls eine Orientierungsschicht aufweist, die parallel
zu der Richtung der Polarisation des Eingangslichtstrahls ist, dann
wird zwischen dem Eintrittsfenster und der verbleibenden Flüssigkristallschicht
ein Bereich gradueller Veränderung
der Flüssigkristall-Orientierung erzeugt.
Dieser Bereich dreht den einfallenden Polarisationsvektor des Lichts,
um eine Angleichung mit der gewünschten
Polarisation innerhalb des Wellenleiters zu erreichen. Das gleiche
Verfahren kann verwendet werden, um den Polarisationswinkel des Lichtstrahls
beim Verlassen des Austrittsfensters zu drehen.
-
Die
mit Bezug auf die 3 und 4 beschriebene
Ausführung
der vorliegenden Erfindung verwendet eine einzelne Flüssigkristallschicht,
um beide Lichtwege auszubilden. Jedoch können auch Ausführungen
der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden, in denen schaltbare
Wellenleiter in getrennten Flüssigkristallschichten
vorgesehen sind. Solche Ausführungen sind
insbesondere beim Aufbau von Arrays bzw. Feldern von Umschaltern
(Switches) nützlich.
Im folgenden wird auf die 5 bis 7 Bezug
genommen, die einen Schaltverteiler-Vermittler (cross-connect switch) 400 darstellen. 5 ist
eine Aufsicht auf den Vermittler (Switch) 400. Die 6 und 7 sind
Querschnittsansichten des Vermittlers (Switch) 400 durch
die Linien 443-444 bzw. 441-442.
Der Vermittler 400 leitet Lichtsignale von Eingangsfasern 401 und 402 an
Ausgangsfasern 411, 412 und 419 um bzw.
routet diese.
-
Das
jeweilige Umleiten bzw. Routing hängt von den Spannungen ab,
die an den verschiedenen Elektroden anliegen. Der Vermittler 400 wird
durch zwei Flüssigkristallschichten
mit den Bezugszeichen 421 und 422 ausgebildet.
Die Arbeitsweise des Vermittlers 400 wird anhand dem Umleiten
von Signalen ausgehend von der Eingangsfaser 401 entweder
an die Ausgangsfaser 411 oder an die Ausgangsfaser 419 beschrieben.
Das Umleiten wird durchgeführt,
indem in jeder Flüssigkristallschicht
Wellenleiter erzeugt werden. Wellenleiter werden erzeugt, indem
an Elektroden an der Oberfläche
der Flüssigkristallschichten
Signale angelegt werden. Die Elektrodenstruktur auf der Flüssigkristallschicht 421 ist
in der 5 dargestellt. Die Flüssigkristallschicht 422 hat eine
identische Struktur. Die Flüssigkristallschicht 421 leitet
den Anteil des Lichtsignals mit einer Polarisation um und die Flüssigkristallschicht 422 leitet
den Anteil des Lichtsignals mit der orthogonalen Polarisation um.
Das Eingangslichtsignal wird von einem Walk-Off-Kristall 404 in
zwei orthogonale Komponenten geteilt, der eine der Komponenten an
die Flüssigkristallschicht 421 umleitet
und die andere an die Flüssigkristallschicht 422 umleitet.
Die an die Flüssigkristallschicht 422 umgeleitete
Komponente wird von einer Halbwellenplatte 405 um 90° in einer
Weise gedreht, die analog zu der oben beschriebenen ist.
-
Wenn
das Lichtsignal von der Faser 401 an die Faser 411 umgeleitet
werden soll, wird die Elektrode 409 und die entsprechende
Elektrode auf der Schicht 422 mit Energie versorgt. In
dieser Konfiguration verbleiben die Elektrode 431 und die
entsprechende Elektrode auf der Schicht 422 energielos.
Dadurch werden zwei Wellenleiter erzeugt, jeweils eine in jeder
Schicht, wodurch die Faser 401 mit der Faser 411 verbunden
wird. Die von den zwei Wellenleitern stammenden Signale werden von
dem Walk-Off-Kristall 407 neu kombiniert, nachdem das Signal
in der Schicht 421 von der Halbwellenplatte 406 um
90° gedreht
wurde.
-
Wenn
das von der Faser 401 stammende Lichtsignal an Faser 419 umgeleitet
werden soll, verbleiben die Elektroden 409 und die entsprechende Elektrode
auf der Schicht 422 energie los. In dieser Konfiguration
werden die Elektroden 431, 433, 415 und
die entsprechende Elektrode auf der Schicht 422 mit Energie
versorgt. Dadurch werden zwei Wellenleiter erzeugt, jeweils einer
in jeder Schicht, wodurch die Faser 401 mit der Faser 419 verbunden
wird. Die von den zwei Wellenleitern stammenden Signale werden von
dem Walk-Off-Kristall 417 neu kombiniert, nachdem das Signal
in der Schicht 421 von der Halbwellenplatte 416 um
90° gedreht
wurde.
-
Zwischen
der Eingangsfaser 402 und den Ausgangsfasern 412 und 419 werden
Signale in analoger Weise umgeleitet. Obwohl der Vermittler 400 nur
ein 2 × 1
Schaltverteiler ist, ist für
den Fachmann aus der vorangegangenen Betrachtung ersichtlich, daß die vorliegende
Erfindung verwendet werden kann, um einen allgemeinen N × M Schaltverteiler-Vermittler
(croßconnect
switch) vorzusehen.
-
Aus
der vorausgegangenen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ergeben sich
dem Fachmann zahlreiche Modifikationen der vorliegenden Erfindung.
Dementsprechend soll die vorliegende Erfindung ausschließlich durch
den Umfang der folgenden Ansprüche
beschränkt
sein.