DE60123275T2

DE60123275T2 - Strahlsteueranordnungen und optische schalter

Info

Publication number: DE60123275T2
Application number: DE60123275T
Authority: DE
Inventors: Nicholas Andrew DAMES
Original assignee: Polatis Ltd
Current assignee: Huber and Suhner Polatis Ltd
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2021-12-05
Also published as: CN1249479C; JP4414650B2; CA2425997C; DE60123275D1; GB2372834A; EP1342123B1; US20040042716A1; WO2002046825A1; IL155448A0; AU2002218416A1; CN1478213A; JP2004515806A; US7095915B2; CA2425997A1; GB0212356D0; ES2272579T3; GB2372834B; ATE340368T1; EP1342123A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Strahlsteuerungseinrichtungen und insbesondere optische Schalter.
Ein Ziel bei aktuellen Kommunikationssystemen besteht darin, Kommunikationsverkehr im Wesentlichen als modulierte optische Strahlung zu übertragen. Darüber hinaus müssen derartige Kommunikationssysteme zunehmend agil sein, nämlich fähig, sich selbst zu rekonfigurieren.
Daher benötigen optische Kommunikationssysteme optische Schaltanordnungen, die gemäß von außen zur Verfügung gestellten Leitweginformationen optische Strahlung zwischen Eingängen und Ausgängen hin und her leiten können.
Es sind bereits mehrere verschiedene Konfigurationen für optische Schaltanordnungen vorgeschlagen worden, darunter auch Anordnungen, bei denen die Eingangsstrahlung zu Strahlen geformt wird, welche dann räumlich an ausgewählte Ausgangsanschlüsse geleitet werden. Die Notwendigkeit, stetig mehr Schaltfähigkeit in Form einer größeren Anzahl von Eingangs- und Ausgangsanschlüssen (Ports) bereitzustellen, hat zu einer Zunahme von Größe, Komplexität, Stromverbrauch sowie Kosten derartiger Anordnungen geführt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einige oder alle dieser Schwierigkeiten zu beheben bzw. zu bessern, insbesondere durch das Bereitstellen einer verbesserten Strahlsteuerungseinrichtung zur Verwendung bei derartigen Anordnungen.
Es sind bereits diverse Vorgehensweisen zum Lenken eines Strahls vorgeschlagen worden. Typische Vorgehensweisen sind dabei unter anderem die Abtastbewegung einer Eingangs-Lichtleitfaser über eine Anordnung von Ausgangs-Fasern hinweg; die Verschiebung einer Lichtleitfaser bezüglich einer Kollimatorlinse zur Veränderung des Winkels des kollimierten Strahls sowie die Verwendung von Mikrospiegeln zum Reflektieren von Strahlen in ausgewählten Winkeln.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass ein kritischer Faktor bei der Bestimmung, ob sich eine große Anzahl von Anschlüssen innerhalb eines gegebenen Schaltervolumens unterbringen lässt, die räumliche Dimension der einzelnen Strahlsteuerungseinrichtungen in den Richtungen senkrecht zur Strahlrichtung ist. Eine praktische Schaltergeometrie hat einander gegenüberliegende zweidimensionale Anordnungen von Eingangs- und Ausgangsanschlüssen, die in der Z-Richtung durch einen Strahlablenkbereich voneinander getrennt sind. Die Packungsdichte für die Anschlüsse wird dann von den X- und Y-Richtungen der Strahlsteuerungseinrichtung eines jeden Anschlusses bestimmt. Leider ist es ein Merkmal zahlreicher Konstruktionen aus dem Stand der Technik, dass eine Erhöhung der Anzahl von Anschlüssen und somit eine Steigerung im Bereich der erforderlichen Strahlablenkung zu einer erheblichen Zunahme der für den Betrieb eines jeden Anschlusses erforderlichen X- und Y-Abständen führt.
Bei einer Anzahl von Telekommunikationsanwendungen sind dem für den Einbau von Schaltern verfügbaren Volumen feste Grenzen gesetzt. Bei anderen Anwendungen wiederum liegen die Vorteile eines kompakten Designs in Einsparungen bei Verwendung und Herstellung.
Bei der vorliegenden Erfindung wird versucht, mit einem neuen Ansatz für die Strahlsteuerung Abhilfe für dieses Problem zu schaffen.
Dementsprechend besteht die in Anspruch 1 definierte vorliegende Erfindung aus einer Strahlsteuerungseinrichtung, welche folgendes umfasst: eine Tragestruktur; einen Kollimator, eine an einer Z-Achse entlang mit dem Kollimator verbundene Lichtleitfaser; wobei der Kollimator bezüglich der Tragestruktur nur zu einer schaukelnden Bewegung um eine oder mehrere Achsen rechtwinklig zur Z-Achse gezwungen wird; sowie ein Betätigungselement, um den Kollimator zur Steuerung eines Strahls in eine schaukelnde Bewegung zu versetzen.
Vorteilhafterweise ist der Kollimator dabei über eine kardanische Aufhängung an der Tragestruktur angebracht.
Es versteht sich, dass sich durch das schaukelnde Bewegen eines an einer kardanischen Aufhängung angebrachten Kollimators große Strahlablenkungswinkel innerhalb ei ner Anordnung erzielen lassen, die in X- und Y-Dimension äußerst kompakt ist.
Eine bei größeren Schaltern auftretende Komplikation besteht darin, dass irgendeine Form einer dynamischen Rückkopplung im allgemeinen erforderlich ist, um sicherzustellen, dass jeder Strahl mit ausreichender Genauigkeit abgelenkt wird, so dass er auch am beabsichtigten Zielanschluss ankommt. Bei einer gängigen Feedbacktechnik wird der modulierte Strahl selbst abgetastet, um zu überprüfen, dass er auch wirklich zwischen den richtigen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen verläuft. Bei derartigen Anordnungen besteht ein Risiko eines Nebensprechens zwischen den Datenströmen und den Signalströmen zur Leitwegsteuerung sowie eines erhöhten Übertragungsverlusts innerhalb des Schalters. Bei einem Versuch zur Überwindung derartiger Probleme ist bereits zuvor vorgeschlagen worden, sekundäre Strahlen am datenmodulierten Strahl entlang oder um diesen herum zu positionieren und diese sekundären Strahlen in Detektoren abzutasten, die neben jedem Ausgangsanschluss oder um diesen herum vorgesehen sind, um ein Feedback bezüglich der Position des Hauptstrahls zu erhalten. Da diese sekundären Strahlen ihrem Wesen nach optisch bleiben, besteht noch immer ein gewisses Risiko von Nebensprechen oder Übertragungsverlust beim Filtern, um eine Frequenztrennung zwischen Haupt- und sekundären Strahlen zu bewirken. Es zeichnet sich ebenfalls ab, dass das Positionieren von sekundären Strahlen neben jedem Hauptstrahl oder um diesen herum eine erhebliche Zunahme der X- und Y-Dimensionen des Schalters bewirken wird (oder die in jedwedem gegebenen Volumen unterzubringende Kapazität des Schalters erheblich verringern wird).
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung wie in Anspruch 1 definiert, diese Schwierigkeiten zu überwinden bzw. zu vermindern.
Dementsprechend besteht ein Merkmal in einer Strahlsteuerungseinrichtung umfassend eine Tragestruktur; einen Kollimator; eine Lichtleitfaser, die entlang einer Z-Achse am Kollimator angebracht ist; wobei der Kollimator zur Bewegung relativ zur Tragestruktur zumindest drehend um eine X-Achse senkrecht zur Z-Achse angebracht ist; ein Betätigungselement zum Bewegen des Kollimators zur Steuerung eines Strahls; und einen Winkelstellungssensor, der ein Signal liefert, das die Ausrichtung des Kollimators um die X-Achse herum angibt, zur Verwendung im Feedback vom Betätigungselement beim Steuern des Strahls.
Das direkte Abtasten der Winkelstellung des Kollimators stellt eine geniale Lösung für das Problem der Bereitstellung eines Feedbacks bezüglich der Position des Strahls dar. Es besteht kein Risiko von optischem Nebensprechen und Abtaststrukturen sind möglich, die in eine hochgradig kompakte XY-Umhüllung passen.
Der Winkelstellungssensor kann interagierende Teile aufweisen, die bezüglich des Kollimators bzw. der Tragestruktur fest angebracht sind. Diese Teile des Positionssensors können elektrisch und/oder magnetisch interagieren, wobei eines der interagierenden Teile zur Erzeugung eines elektrischen oder magnetischen Felds dient, das von dem anderen der interagierenden Teile erfasst wird.
Ein weiteres Merkmal besteht in einer Strahlsteuerungseinrichtung umfassend eine Tragestruktur; einen Kollimator; eine Lichtleitfaser, die mit dem Kollimator entlang der Z-Achse verbunden ist; wobei der Kollimator zur Bewegung relativ zur Tragestruktur zumindest um eine X-Achse herum senkrecht zur Z-Achse angebracht ist; sowie ein Betätigungselement zum Bewegen des Kollimators, um einen Strahl zu steuern; wobei das Betätigungselement einen länglichen Wandler umfasst, beispielsweise einen zylindrischen Körper aus piezoelektrischem Material, der entlang der Z-Achse angeordnet ist.
Praktischerweise verläuft die Faser durch eine axiale Bohrung im Wandler und die Anordnung ist um die Faser herum allgemein symmetrisch.
Dadurch, dass dabei der Wandler entlang der Z-Richtung verläuft und die Anordnung symmetrisch um die Faser herum angeordnet ist, trägt dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung zu einer weiteren Verringerung der XY-Dimensionen und Steigerung der Packungsdichte von Strahlsteuerungseinrichtungen zur Bereitstellung kompakter Schalter mit hoher Kapazität bei.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst das Betätigungselement einen Festkörperwandler, beispielsweise einen Körper aus piezoelektrischem Material. Der Wandler ist vorzugsweise länglich und verläuft in Richtung der Z-Achse, wobei ein vom Kollimator entfernt befindliches Ende des Wandlers in der Tragestruktur befestigt ist, ein sich nahe am Kollimator befindliches Ende des Wandlers durch Anlegen eines Betätigungselement-Treibsignals an den Wandler in den Richtungen der X- und Y-Achsen bewegbar ist. Der Wandler kann hohl sein und koaxial zu einer mittleren Faser verlaufen.
Vorteilhafterweise wirkt der Wandler zwischen der Tragestruktur und der Lichtleitfaser, wobei die Einwirkung der Lichtleitfaser auf den Kollimator zur Bewegung des Kollimators dient. Der Wandler kann über einen Hebel wirken, vorzugsweise in Form eines koaxial zur Lichtleitfaser verlaufenden Hohlzylinders, der entlang der Z-Achse verläuft und einen mechanischen Vorteil von mindestens 2:1 und vorzugsweise mindestens 5:1 bringt. Dieser Betätigungshebel kann schwenkbar in der Tragestruktur angebracht sein, z.B. durch eine kardanische Aufhängung. Bei einer Form dieser Erfindung wirkt das Betätigungselement auf die Lichtleitfaser und die Einwirkung der Lichtleitfaser auf den Kollimator dient zur Bewegung des Kollimators.
Ein weiteres Merkmal besteht in einer optischen Schalterkomponente mit mehreren Strahlsteuerungsanordnungen – jeweils gemäß einem der nachstehenden Ansprüche – wobei die Strahlsteuerungseinrichtungen eine gemeinsame Tragestruktur haben und vorzugsweise allgemein die Form einer Platte haben, die in einer die Z-Achse enthaltenden Ebene verläuft und ein Paar flacher, paralleler Stapelungsoberflächen hat, welche entlang einer Stapelungsachse senkrecht zur Z-Achse relativ nahe beabstandet sind. Diese plattenartigen Komponenten können dann unter Bildung einer optischen Schalteranordnung gestapelt werden. Die Konstruktion eines Schalters aus meh reren ähnlichen Baugruppen, von denen jede einzelne vor der Endmontage getestet werden kann, vereinfacht den Herstellungsprozess und ermöglicht eine umgehende und einfache Reparatur von Einheiten, die nach Gebrauch defekt werden.
Ein weiteres Merkmal ist ein P mal Q optischer Schalter, der P optische Eingangsanschlüsse umfasst; P gleiche Eingangsstrahlsteuerungseinrichtungen einer beliebigen der oben definierten Formen, wobei jeweils deren Lichtleitfaser mit einem jeweiligen der Eingangsanschlüsse verbunden ist; Q optische Ausgangsanschlüsse; Q gleiche Ausgangsstrahlsteuerungseinrichtungen, wiederum einer beliebigen der oben definierten Formen, wobei jeweils deren Lichtleitfaser mit einem jeweiligen der Ausgangsanschlüsse verbunden ist; einen Lichtweg, über den Strahlen zwischen einem beliebigen der Kollimatoren der Eingangsstrahlsteuerungseinrichtungen und einem beliebigen der Kollimatoren der Ausgangsstrahlsteuerungseinrichtungen übertragen werden; einen Leitweg-Eingangsanschluss und eine Leitweg-Steuerung, die dafür ausgelegt sind, als Reaktion auf Leitweg-Informationen am Leitweg-Eingangsanschluss empfangene Signale Betätigungssignale an die Betätigungselemente ausgewählter Strahlsteuerungseinrichtungen zu legen, um die jeweiligen Strahlen zu steuern, um jedweden ausgewählten Eingangsanschluss mit jedwedem ausgewählten Ausgangsanschluss optisch zu verbinden.
Vorzugsweise sind die Strahlsteuerungseinrichtungen in radialer Formation angeordnet, so dass sich zumindest einige der jeweiligen Strahlen im Ruhezustand an einem zentralen Punkt treffen.
Die Erfindung wird nunmehr lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungsfiguren beschrieben. Es zeigen:
1 ein Diagrammschema von Hauptabschnitten einer optischen Schaltanordnung gemäß der Erfindung;
2 ein Diagrammschema einer in der Anordnung von 1 enthaltenen optischen Schalteinheit;
3 eine Darstellung des Aufbaus einer Eingangsanordnung der Schalteinheit von 2 und 3 unter Verwendung eines Stapels ähnlicher Betätigungselementscheiben;
4 eine Darstellung einer kardanischen Aufhängung für einen Kollimator;
5 ein Diagrammschema einer der Scheiben von 3;
6 ein Diagramm ähnlich dem von 5, das eine modifizierte Scheibe mit einer radialen Anordnung von Betätigungselementen darstellt;
7 ein Diagramm, das die Ausrichtung in Eingangs- und Ausgangsanordnungen der modifizierten Scheibe von 6 zeigt;
8 ein Diagrammschema einer kardanischen Aufhängung zusammen mit ihrem Kollimator und Lichtleitfaser, wie sie zu jedem Betätigungselement des Aufbaus von 3 gehört;
9 eine Darstellung eines aus acht Platten bestehenden kapazitiven Winkelstellungssensors, der um den in 8 gezeigten Kollimator herum konfiguriert ist;
10 ein Diagramm der Winkelstellungssensorschaltung, bei der vier der in 9 gezeigten kapazitiven Platten verwendet werden;
11 eine Darstellung einer Anordnung von mikrohergestellten kardanischen Aufhängungen;
12 eine schematische Darstellung von Stellen von Dehnungsmessern auf jeder der kardanischen Aufhängungen von 11;
13 eine Darstellung eines mikrohergestellten Kollimators zur Verwendung mit den kardanischen Aufhängungen von 11;
14 eine Schemadarstellung einer Elektrodenkonfiguration für das Betätigungselement;
15 eine Schnittansicht der Elektrodenkonfiguration von 14;
16 eine Perspektivansicht einer optischen Schaltkomponente gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
17 eine fragmentarische Ansicht einer Modifikation der Ausführungsform von 16;
18 eine alternative Ausführungsform einer kardanischen Aufhängung mit Lagern;
19 eine alternative Ausführungsform eines Betätigungshebels; und
20 eine Diagrammansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen. Diese zeigt ein Diagrammschema von Hauptabschnitten einer optischen Schaltanordnung, die allgemein die Bezugsziffer 10 trägt. Die Anordnung 10 umfasst ein Steuersystem 20, das über eine interne Schnittstelle 30 an ein Schaltsystem 40 angeschlossen ist. Das Schaltsystem 40 wiederum enthält 1024 optische Eingangsanschlüsse P1 bis P1024, die mit der Bezugsziffer 45 bezeichnet sind, sowie 1024 optische Ausgangsanschlüsse Q1 bis Q1024, die mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet sind. Das Steuersystem 20 ist auch über eine externe Schnittstelle 60 an externe Geräte angeschlossen, zum Beispiel Verwaltungsgeräte eines Telekommunikationssystems, das die Anordnung 10 enthält.
Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse P, Q sind zur Aufnahme von Einmoden-Lichtleitfasern von (nicht dargestellten) externen Geräten ausgelegt.
Es folgt nunmehr eine ausführlichere Beschreibung des Aufbaus des Schaltsystems 40 unter Bezugnahme auf 2.
Das Schaltsystem 40 umfasst eine Eingangsanordnung 100, die optisch mit den Eingangsanschlüssen P1 bis P1024 verbunden ist, sowie eine Ausgangsanordnung 110, die optisch mit den Ausgangsanschlüssen Q1 bis Q1024 verbunden ist. Die Eingangs- und Ausgangsanordnungen 100, 110 sind im Inneren des Schaltsystems 40 angebracht und durch einen Ablenkbereich 120 räumlich voneinander getrennt. Die Anordnungen 100, 110 werden in einem Gehäuse starr gehalten, welches sie in präziser und stabiler gegenseitiger Ausrichtung hält. Einmoden-Lichtleitfasern sind von den Eingangsanschlüssen P1 bis P1024 aus an entsprechende Eingänge der Eingangsanordnung 100 angeschlossen. Entsprechend sind Einmoden-Lichtleitfasern von den Ausgangsanschlüssen Q1 bis Q1024 entsprechender Ausgänge der Ausgangsanordnung 110 aus angeschlossen.
Im Betrieb wird an die Eingangsanschlüsse P eingespeiste optische Strahlung entlang ihrer zugehörigen Lichtleitfasern an entsprechende (in 2 nicht dargestellte) Eingangs-Strahlsteuerungseinrichtungen in der Eingangsanordnung übertragen. Kollimierte Strahlen werden von diesen Strahlsteuerungseinrichtungen in den Ablenkbereich 120 gesteuert. Zum Beispiel ist gezeigt, dass das System 40 derart konfiguriert ist, dass es an den Eingangsanschlüssen P1, P2, P3 und P1024 optische Strahlung empfängt und die Strahlung an die Eingangsanordnung 100 überträgt, von der dann entsprechende kollimierte Strahlen 130, 135, 140 bzw. 145 ausgegeben werden. Die Strahlen 130, 135, 140 und 145 breiten sich so durch den Ablenkbereich 120 hindurch aus, dass sie an den (in 2 nicht dargestellten) Ausgangs-Strahlsteuerungseinrichtungen der Ausgangsanordnung 110 empfangen werden. An diesen Ausgangs-Strahlsteuerungseinrichtungen empfangene Strahlung wird an entsprechende Ausgangsanschlüsse Q1 bis Q1024 geleitet. Zum Beispiel werden die Strahlen 130, 135, 140 und 145 an Betätigungselementen der Ausgangsanordnung 110 empfangen, die mit den Ausgangsanschlüssen Q1, Q1024, Q4 bzw. Q50 verbunden sind. Somit wurde das Schaltsystem 40 von 2 vom Steuersystem 20 derart konfiguriert, dass es optische Verbindungen von den Eingangsanschlüssen P1, P2, P3, P1024 an die Ausgangsanschlüsse Q1024, Q4, Q1 bzw. Q50 herstellt.
Durch Ändern der Steuerungsrichtungen der oben genannten Eingangs- und Ausgangs-Betätigungselemente können andere Lichtwege durch das Schaltsystem 40 erstellt werden. Es versteht sich, dass die Steuerungsrichtungen der Betätigungselemente der Eingangs- und Ausgangsanordnungen 100 bzw. 110 unter Steuerung des Steuersystems 20 als Reaktion auf am Steuersystem 20 von den externen Geräten empfangenen Anweisungen geändert werden können.
Beim Schaltsystem 40 sind die Eingangs- und Ausgangsanordnungen 100 bzw. 110 in einer Größenordnung von 140 mm bis 180 mm voneinander beabstandet. Kollimierte Strahlen einer Strahlung, die sich von der Eingangsanordnung zur Ausgangsanordnung, oder umgekehrt, wenn das System 40 umgekehrt betrieben wird, durch den Ablenkbereich 120 hindurch ausbreitet, haben einen Durchmesser einer Größenordnung von 400 μm bis 800 μm. Es versteht sich anhand von 2, dass das Leiten optischer Strahlung innerhalb des Schaltsystems 40 bidirektional erfolgen kann, und dass die Begriffe „Eingangsanordnung" und „Ausgangsanordnung" im voranstehenden Text lediglich der Klarheit halber bei der Beschreibung von Hardware verwendet werden.
Bei der Erstellung einer optischen Wegeleitung innerhalb des Schaltsystems 40 ist es natürlich extrem wichtig, dass sich innerhalb des Ablenkbereichs 120 ausbreitende Strahlen genau auf die Aufnahmeöffnungen der Ausgangsanordnung 110 hin geleitet werden. Als Folge dessen, dass das Steuersystem 20 die sich im Ablenkbereich 120 ausbreitenden Strahlen nicht direkt abtastet, vertraut die Anordnung 10 zur Bereitstellung zuverlässiger Lichtwege effektiv auf dem Stabilhalten seiner Kalibrierung.
Optische Systeme können zur zusätzlichen Leitung der gesteuerten Strahlen bei deren Durchqueren des Ablenkbereichs 120 in den Bereich 120 eingegliedert werden. In 2 ist zum Beispiel ein Strahl 152 gezeigt, der unter einem Winkel ¬₁ aus der zum Eingangsanschluss P1 gehörigen Strahlsteuerungseinrichtung austritt und sich zu einem optischen Hebel 150 hin ausbreitet, der zur Bildung eines abgelenkten Strahls 154 dient, welcher unter einem Winkel ¬₂ verläuft, wobei der Winkel ¬₂ um ein Verhältnis größer als der Winkel ¬₁ ist, welches dem optischen Hebelwirkungsfaktor des Hebels 150 entspricht. In 2 ist der Strahl so dargestellt, dass er an ein Betätigungselement geleitet wird, welches zum Ausgangsanschluss Q1022 gehört.
Ein Einbauen des Hebels 150 ist dahingehend vorteilhaft, als dass zur Eingangsanordnung 100 gehörige Betätigungselemente – für eine bestimmte physikalische Geometrie – über einen kleineren Bereich von Winkeln abgelenkte Strahlen benötigen, um in der Lage zu sein, Strahlung an einen beliebigen ausgewählten Ausgangsanschluss Q zu leiten. Somit ist es eine Anforderung an die Anordnung 10, dass sie in der Lage sein soll, Strahlen in ihr auf einen äußerst hohen Genauigkeitsgrad einer Größenordnung von 0,010° über einen Ablenkungsbereich einer Größenordnung von +/–5° zu steuern, wobei dies einen Überschussverlust von 0,05 dB pro Achse darstellt.
Es wird nunmehr der Aufbau der Eingangsanordnung 100 unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Es versteht sich, dass die Ausgangsanordnung 110 im Wesentlichen ähnlich der Eingangsanordnung 100 aufgebaut ist.
Die Anordnung 100 umfasst zweiunddreißig optische Schaltkomponenten 200.1 bis 200.32, wobei jede Komponente zweiunddreißig gleiche Strahlsteuerungseinrichtungen in einer gemeinsamen Tragestruktur umfasst. Diese Komponenten 200 liegen in Form von allgemein flachen „Scheiben" mit flachen, parallelen Stapelungsoberflächen vor. Bei der Eingangsanordnung 100 sind die zweiunddreißig Scheiben 200 in Form einer 2-dimensionalen (2-D) Anordnung gestapelt, wie es unter der Bezugsziffer 205 gezeigt ist.
Las Aufbauen der Eingangsanordnung 100, und ebenso der Ausgangsanordnung 110, in Form eines Stapels von Scheiben ist dahingehend vorteilhaft, als dass jede der Scheiben vor dem Zusammenbau mit den anderen individuell aufgebaut und getestet werden kann. Darüber hinaus kann bei Ausfall einer der Scheiben der Stapel 205 auseinandergenommen werden und eine oder mehrere fehlerhafte Scheibe(n) können schnell und einfach ausgewechselt werden.
Dabei ist jede Scheibe 200 vorzugsweise derart konstruiert, dass sie über ein Band aus zweiunddreißig Lichtleitfasern, zum Beispiel ein Band 208, an seine entsprechenden Eingangsanschlüsse P angeschlossen ist. Jedes Band 208 ist vorzugsweise an einem hinteren Ende seiner zugehörigen Scheibe 200 angeschlossen. Ebenso werden bei jeder Scheibe 200 vorzugsweise die zugehörigen elektrischen Verbindungen über ein zugehöriges elektrisches Bandkabel 210 übertragen. Die Bandkabel sind vorzugsweise in Richtungen mit den Scheiben 200 verbunden, die im Wesentlichen senkrecht zu derjenigen der Bänder von Lichtleitfasern verlaufen, um ein Stapeln der Scheiben 200 zu erleichtern. Vorzugsweise sind die elektrischen Bandkabel zum Anschluss an abwechselnden Seiten angeordnet, um ein Stapeln der Scheiben 200 zu erleichtern.
Im Betrieb empfangen die Scheiben 200 eine optische Strahlung von ihren jeweiligen Eingangsanschlüssen P und strahlen die Strahlung in Form gesteuerter kolli mierter Strahlen ab, zum Beispiel der kollimierten Strahlen 215, 218.
Anhand der obigen Ausführungen versteht es sich, dass die Scheiben 200 im Wesentlichen ähnlich sind, nicht nur hinsichtlich der Eingangsanordnung 100, sondern auch hinsichtlich der Ausgangsanordnung 110. Dies ermöglicht Einsparungen bei Herstellung und Wartung.
Vor der ausführlichen Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise einer jeden Scheibe 200 und der darin enthaltenen Strahlsteuerungseinrichtungen kann es hilfreich sein, ein Schlüsselmerkmal dieser Ausführungsform allgemeiner zu erläutern. Dabei wird auf 4 Bezug genommen.
Eine Lichtleitfaser 38 ist mit einem Kollimator 40 verbunden dargestellt. Der Kollimator 40 kann eine breite Vielzahl von Formen annehmen und kann auf vielerlei unterschiedliche Weisen mit der Faser verbunden sein, die für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich sind. In der Tat sind Lichtleitfasern mit integriertem Kollimator im Handel erhältlich. Der Kollimator kann gebildet werden, indem das Ende der Faser selbst zu einer Linse geformt wird.
Ein äußerst wichtiger Vorteil integrierter Faser-/Kollimator-Kombinationen besteht in stark verringerten Lichtverlusten im Vergleich zu Anordnungen, bei denen Faser und Kollimator getrennt sind, und insbesondere solchen Anordnungen, bei denen die Strahlsteuerung auf einer relativen Verschiebung von Faser und Kollimator basiert.
Das in 4 gezeigte Schlüsselmerkmal besteht in der Anbringung des Kollimators 40 in einer kardanischen Aufhängung 42. Diese kardanische Anbringung (die in der Figur in Diagrammform dargestellt ist) ermöglicht eine Schaukelbewegung des Kollimators um die X- und Y-Achsen, die senkrecht zur Z-Achse verlaufen, welche die Strahlformungsachse des Kollimators darstellt. Eine Translationsbewegung des Kollimators wird effektiv beschränkt.
Durch Anbringung des Kollimators 40 in einer Art kardanischer Aufhängung 42, durch die sich der Kollimator 40 um seinen Mittelpunkt wie in 5 gezeigt drehen kann, und durch Steuern des Strahls durch winkliges Schwingen des Kollimators am Ende der Lichtleitfaser lassen sich wichtige Vorteile erzielen. Das Arbeitsvolumen um jede Faser herum wird im Vergleich zu Anordnungen aus dem Stand der Technik erheblich verringert, bei denen das Ende der Faser in Translation bewegt wird. Die erzielbare physikalische Strahlablenkung hält einem Vergleich mit derjenigen, die mit Techniken aus dem Stand der Technik erzielt wird, bei denen der Kollimator bezüglich der Faser bewegt wird, gut Stand. Die Lichtverluste, die bei Anordnungen inhärent auftreten, bei denen Faser und Kollimator getrennt sind, werden hingegen bei diesem Merkmal der vorliegenden Erfindung vermieden.
Nun wieder zurück zur Beschreibung der Scheiben 200, wobei auf die 5 Bezug genommen wird, die die Scheibe 200.1 ausführlicher zeigt. Diese umfasst ein Gehäuse 300, das die Tragestruktur für eine parallele Anordnung von zweiunddreißig Strahlsteuerungseinrichtungen bildet, zum Beispiel derjenigen mit der Bezugsziffer 305. Die Strahlsteuerungseinrichtung 305 umfasst ein längliches Betätigungselement 310, das an der Z-Achse entlang verläuft. Das Betätigungselement 310 ist an seinem ersten Ende starr im Gehäuse 300 angebracht und kann sich an seinem zweiten Ende relativ zum Gehäuse frei bewegen. Ein stumpfkonischer Hebel 320 verläuft starr vom zweiten Ende des Betätigungselements weg. Das Betätigungselement 310 ist ein Laminat, das einen Stapel von Schichten aus piezoelektrischem Material umfasst, der mit Elektrodenschichten durchsetzt ist. Die Schichten aus piezoelektrischem Material umfassen vorzugsweise ein PZT-Keramikmaterial, das derart polarisiert ist, dass sich durch das Anlegen geeigneter Betätigungssignale an die Elektrodenschichten das Betätigungselement 310 in X- und Y-Richtung wie in 5 gezeigt durchbiegt. Die Elektrodenschichten können aus Silber, Aluminium oder im Idealfall Platin sein, was eine höhere Brenntemperatur ermöglicht, wenngleich selbstverständlich auch andere Materialien möglich sind. Die Elektrodenschichten sind abwechselnd parallel verbunden, so dass gemäßigte Vorspannungen (üblicherweise +/–45 Volt) ausreichen, die über die Elektroden an die piezoelektrischen Schichten (über das in 1 gezeigte Steuersystem 20) angelegt werden, um die erforderlichen elektrischen Felder zu erzeugen. Die Konstruktion derartiger piezoelektrischer Laminate ist aus diversen anderen Gebieten wohlbekannt.
Das zweite Ende des Betätigungselements 310, welches im Wesentlichen nicht eingespannt ist, ist beim Verbiegen des Elements 310 frei beweglich. Das Betätigungselement 310 hat vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt und eine Länge im Bereich von 20 mm bis 40 mm, vorzugsweise 25 mm bis 30 mm, und hat eine Seitenbreite einer Größenordnung von 1,8 mm. Noch bevorzugter hat das Betätigungselement 310 einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt. Das Betätigungselement 310 ist mit einer axialen Bohrung zur Aufnahme einer Lichtleitfaser 315 versehen.
Der Betätigungselementhebel 320 ist ebenfalls hohl, wiederum zur Aufnahme der Lichtleitfaser. Die hohle, zulaufende Form des Betätigungselementhebels 320, sein Herstellmaterial (zum Beispiel Kohlenstofffaser) und die Materialstärke sind so gewählt, dass sich eine hohe Steifigkeit sowie möglichst wenig Masse ergeben, damit deren Biegeschwingungs-Eigenfrequenz möglichst hoch wird, nämlich deren Eigenmodenfrequenz erster Ordnung. Der Betätigungselementhebel 320 hat vorzugsweise eine Länge im Bereich von 25 mm bis 75 mm, obwohl eine Länge von im Wesentlichen 60 mm noch bevorzugter ist.
Jede Strahlsteuerungseinrichtung der Scheibe 200 ist mit einer zugehörigen Lichtleitfaser versehen, um einen optischen Anschluss des Betätigungselements mit dem zugehörigen Kollimator zu koppeln. Zum Beispiel trägt das Betätigungselement 305 die Lichtleitfaser 315, die an ihrem ersten Ende mit einem optischen Anschluss P_n verbunden ist, der zum Betätigungselement 305 gehört, wobei n eine ganze Zahl ist, und an ihrem zweiten Ende mit einem Kollimator 340 verbunden ist. Die Faser 315 wird entlang der axialen Bohrung des Betätigungselements 310 und durch einen hohlen mittleren Bereich des Betätigungselements 320 geleitet. Die Faser 315 ver läuft über den Betätigungselementhebel 320 hinaus in einen freiliegenden Bereich 350 der Größenordnung von im Wesentlichen 2 mm, bevor sie schließlich an einem ersten Ende eines rohrförmigen Kollimators 340 endet. Die Faser 315 ist vorzugsweise durch Schmelzschweißen am Kollimator 340 angebracht; als Alternative zum Schmelzschweißen kann im Wesentlichen optisch transparenter, mit ultravioletter (UV) Strahlung aushärtbarer Kleber zum Verbinden der Faser 315 mit dem Kollimator 340 verwendet werden.
Bei der Faser 315 handelt es sich vorzugsweise um eine Einmoden-Lichtleitfaser (z.B. SMF-28 von der Fa. Corning) mit einem Außendurchmesser – einschließlich ihrer Primärbeschichtung aus Acryl – von im Wesentlichen 250 μm (10 μm Kern, 125 μm Durchmesser Glasumhüllung). Alternativ kann auch eine dünnere Polyamidbeschichtung (Lucent) verwendet werden, wodurch sich ein Außendurchmesser von 160 μm ergibt, was den Vorteil hat, dass die Steifigkeit der Faser weniger temperaturabhängig ist und ein. kleineres Loch im Betätigungselement benötigt, wenn dieser Ansatz zum Einsatz kommt. Noch besser ist eine diamantbeschichtete Faser (3M Inc.) mit einem Außendurchmesser von 127 μm und äußerst stabilen mechanischen Eigenschaften. Es versteht sich daher, dass ein einziges ununterbrochenes Stück einer Lichtleitfaser den zum Betätigungselement 305 gehörigen optischen Anschluss P_n mit dem Kollimator 340 des Betätigungselements 305 verbindet; die Verwendung eines derartigen ununterbrochenen Stücks ist zur Minimierung eines optischen Einfügungsverlusts wichtig.
Zu den Betätigungselementen der Scheibe 200 gehörige Kollimatoren sind in einer linearen Anordnung 360 angeordnet, wobei jeder Kollimator im Gehäuse 300 von einer zugehörigen kardanischen Aufhängung 365 getragen wird, die die in 4 grob dargestellte Form hat. Somit werden die Kollimatoren von den kardanischen Aufhängungen derart festgehalten, dass sie in senkrechten Achsen X und Y schwingen, um den austretenden Strahl zu steuern, wobei die kardanischen Aufhängungen im Wesentlichen eine seitliche Translationsbewegung der Kollimatoren verhindern und auch nur diejenige geringe Z-Bewegung zulassen, die zum Ausgleich thermischer Längenänderungen zwischen der Basis (300) und der Anordnung aus Betätigungselement/Hebel (310/320) und einer Verkürzung zweiten Grades der Verbindung zwischen Betätigungselementhebel und Kollimator bei größeren Ablenkwinkeln erforderlich ist.
Im Betrieb bewegt sich beim Verbiegen des aus PZT-Material bestehenden Betätigungselements 310 dessen freies Ende, und somit auch der Betätigungselementhebel 320, in der XY-Ebene. Diese durch den mechanischen Vorteil des Hebels verstärkte Bewegung wird über den kurzen Bereich 350 freiliegender Faser zwischen dem engen Ende des Hebels und dem Kollimator an den Kollimator weitergeleitet. Auf diese Weise wird der Kollimator im genauen erforderlichen Winkelmaß um die X- und Y-Schwenkachsen herum geschaukelt.
Es versteht sich, dass beim Strahlsteuerungsprozess das Betätigungselement auf die Faser einwirkt, wobei die Faser dann wiederum auf den Kollimator einwirkt. Dieser Ansatz bietet mehrere Vorteile. Zunächst wird die axia le Symmetrie des Betätigungselements und des Betätigungselementhebels beibehalten, die beide koaxial und zylindrisch um die Z-Achse der Faser und des Kollimators herum verlaufen. Durch diese Symmetrie wird die erforderliche Struktur auf die raumsparendste Weise für eine zweidimensionale Strahlenanordnung verteilt. Eine Symmetrie ist auch äußerst nützlich bei der Eliminierung der Resonanzen und Harmonischen, die sich bei dicht gepackten mechanischen Teilen, die mit hohen Frequenzen erregt werden, problematisch auswirken können. Ein weiterer Vorteil der Verwendung der Faser als „Treibverbindung" mit dem Kollimator besteht darin, dass alle Einflüsse auf das kritische dynamische Verhalten des Kollimators eliminiert werden, mit Ausnahme dier kardanischen Aufhängung, die ausdrücklich zu diesem Zweck konstruiert wurde, und der Faser selbst.
Es versteht sich, dass die Faser 315 im freiliegenden Bereich 350 gebogen wird, wenn der Kollimator 340 in von den Achsen abweichenden Richtungen gesteuert wird.
Es wird nunmehr der Betrieb der Scheibe 200.1 kurz zusammengefasst.
Von (nicht dargestellten) externen Geräten eingehende optische Strahlung wird an den diversen Eingangsanschlüssen (beispielsweise P_n) empfangen und über die zugehörige Faser an den entsprechenden Kollimator 340 geführt, von dem sie als im Wesentlichen kollimierter Strahl 370 ausgegeben wird. Betätigungssignale vom Steuersystem 20 werden an das Betätigungselement 310 gelegt, damit sich dieses durchbiegt, wobei sich aufgrund des Betätigungselementhebels 320 eine mechanische Verstärkung eines solchen Durchbiegens von mindestens 2:1 und vorzugsweise 5:1 ergibt. Durch diesen Biegevorgang biegt sich auch die Faser 315 im freiliegenden Bereich 350, wodurch sich wiederum der Kollimator 340 innerhalb seiner kardanischen Aufhängung 365 schräg stellt. Somit werden durch das Durchbiegen des Betätigungselements 310 und seines zugehörigen Abstandshalterelements 320 entsprechende Veränderungen der Steuerungsrichtung des Strahls 370 vermittelt.
Wie weiter unten beschrieben wird, können Teile einer jeden Scheibe 200 in Form von mikromaterialbearbeiteten Siliziumkomponenten implementiert werden, wobei derartige Komponenten auf dem technischen Gebiet der Erfindung auch als MEM-Komponenten bezeichnet werden. Obwohl der Betätigungshebel 320 voranstehend als aus Kohlenstofffasermaterial hergestellt beschrieben wurde, kann er zum Beispiel alternativ auch aus mikromaterialbearbeitetem Silizium oder mikromaterialbearbeitetem Diamant hergestellt sein. Einkristall-Silizium ist ein starkes leichtes Material, das fast perfekte elastische Eigenschaften hat und nicht für eine Kaltverfestigung empfänglich ist, aufgrund der Tatsache, dass darin keine Korngrenzen enthalten sind. Die Mikroherstellung des Betätigungselementhebels 320 ist weiter unten beschrieben.
Ebenso können die kardanischen Aufhängungen in der Anordnung 360 entsprechend in einem Materialsystem auf Siliziumbasis mikrohergestellt werden, zum Beispiel aus Siliziumnitrid oder aus Diamantsubstraten. Die Mikroherstellung der kardanischen Aufhängungen 365 ist weiter unten beschrieben.
Die Betätigungselemente 310 in der Scheibe 200 können als individuelle Teile hergestellt und in die Scheibe 200 eingefügt werden. Alternativ können die Betätigungselemente der Scheibe 200 als unitäre kammartige Anordnung hergestellt werden.
Es wird nunmehr auf 6 Bezug genommen, in der eine modifizierte Version der Scheibe 200 gezeigt ist, wobei die Komponententeile die selben Bezugsziffern wie in 5 tragen, jedoch mit Strichindexen. Bei der modifizierten Scheibe 300' sind die Betätigungselemente 310' nicht parallel zueinander, sondern in radialer Anordnung angeordnet. Wie es in Diagrammform in 7 gezeigt ist, sind dabei die Längsachsen der Betätigungselemente in jeder Scheibe 200' der Eingangsanordnung im Wesentlichen auf das mittlere Betätigungselement der gegenüberliegenden Scheibe 200' in der Ausgangsanordnung 110' gerichtet.
Bei dieser Modifikation zielen die Kollimatoren in ihrem Betrieb nichtabgelenkte Strahlung auf eine Mittelfaser einer gegenüberliegenden Anordnung. Eine derartige Konfiguration minimiert das Erfordernis einer zusätzlichen Ablenkung von optischen Systemen im Ablenkbereich 120'. Ein weiterer Vorteil der modifizierten Struktur ist, dass ein kleinerer Bereich einer Winkelbewegung am Kollimator zum Steuern eines Strahls von jedwedem möglichen Eingang an jedweden möglichen Ausgng ausreicht.
Bei der modifizierten Scheibe 200' können die Betätigungselemente noch als unitäre Kammstruktur hergestellt werden, wobei dann mehrere winklige Schrankweiten zur Bildung der radialen Anordnung von Betätigungselementen erforderlich sind.
Eine bevorzugte Form für die kardanische Aufhängung, die jeden Kollimator 340 (oder 340') trägt, wird nunmehr unter besonderer Bezugnahme auf die 8 beschrieben.
8 zeigt einen Kollimator 340, der an seinem mittleren Bereich an seiner zugehörigen kardanischen Aufhängung 550 angebracht ist. Der Kollimator 340 ist ein Gradienten-Lichtleitteil von größtenteils zylindrischer Form (oder aus Planglas mit auf das Ende aufgeschliffener Brechungslinse), an dessen erstem Ende im Betrieb ein kollimierter Strahl austritt, und an dessen zweitem Ende die Faser 315 schmelzangeschweißt ist (beispielsweise von der Firma Lightpath Inc. aus Albuquerque zu beziehen). Erforderlichenfalls kann eine Zugentlastung an der Schmelzschweißstelle vorgesehen werden; eine solche Zugentlastung kann einen am zweiten Ende des Kollimators 340 und der Faser 315 angebrachten Wulstrand aus Klebstoff umfassen, zum Beispiel aus UV-aushärtbarem, größtenteils transparenten Kleber optischer Güte, wie er von der Fa. Norland Inc., USA, erhältlich ist, oder das zweite Ende des Kollimators 340 kann teilweise vertieft sein, um mehr mechanischen Halt für die Faser 315 zu bieten.
Bei der kardanischen Aufhängung 550 handelt es sich um eine flache metallische Struktur, die unter Verwendung photolithografischer und galvanischer Metallüberzugs-Techniken gebildet wurde. Vorzugsweise besteht die kar danische Aufhängung 550 aus Nickel. Die kardanische Aufhängung umfasst einen mittleren, im Wesentlichen quadratisch geformten ebenen Bereich 560 mit einem Rundloch in der Mitte zur Aufnahme des Kollimators 340. An einem Rand des Bereichs 560 ragen zwei Ausläufer 562a, 562b von gegenüberliegenden Ecken weg, wobei die Ausläufer 562a, 562b im Wesentlichen in der selben Ebene wie der mittlere Bereich 560 liegen. Der mittlere Bereich 560 und die Ausläufer 562a, 562b haben nominell eine Stärke in einem Bereich von 60 μm bis 140 μm, obwohl sie vorzugsweise im Wesentlichen 100 μm dick sein sollten. Wie es gezeigt ist, sind an den Ausläufern 562a, 562b ein erstes und ein zweites Biegeelement 570a bzw. 570b angebracht. Die Biegeelemente 570a, 570b haben vorzugsweise eine Stärke in einem Bereich von 10 μm bis 30 μm, bevorzugter im Wesentlichen 20 μm, und ihre Breite liegt in einem Bereich von 80 μm bis 300 μm und beträgt bevorzugter im Wesentlichen 200 μm. Das erste und das zweite Biegeelement 570a, 570b haben jeweils im Wesentlichen eine Länge einer Größenordnung von 1,5 mm. Darüber hinaus verlaufen die Biegeelemente 570a, 570b vorzugsweise parallel und in der Ebene des mittleren Bereichs 560. Die von den Ausläufern 562a, 562b weiter weg liegenden Enden der Biegeelemente 570a, 570b sind mit einem hohlen, rechteckigen Rahmen 580 verbunden, der die Elemente 570, die Ausläufer 562 und den mittleren Bereich 560 in sich aufnimmt. Der Rahmen 580 liegt nominell in der selben Ebene wie der mittlere Bereich 560. Der Rahmen 580 hat vorzugsweise eine Stärke im Bereich von 60 μm bis 140 μm, bevorzugter 100 μm, und die Breite seines Rahmenrands liegt nominell im Bereich von 100 μm bis 300 μm und beträgt noch bevorzugter im Wesentlichen 200 μm. An einem Umfangsrand des Rahmens 580, wobei der Umfangsrand des Rahmens 580 nominell senkrecht zum oben genannten Umfangsrand des mittleren Bereichs 560 ist, befinden sich zwei Ausläufer 582a, 582b an gegenüberliegenden Ecken des Randes. Die Ausläufer 582a, 582b verlaufen nominell in der selben Ebene wie der mittlere Bereich 560. Von den Ausläufern 582a, 582b weg verlaufen ein drittes und ein viertes Biegeelement 590a bzw. 590b, die jeweils an ihren von den Ausläufern 582a, 582b weiter weg liegenden Enden mit einem mechanischen Masseplattenbereich 600 verbunden sind. Der Masseplattenbereich 600 und die Biegeelemente 590a, 590b liegen nominell in der selben Ebene wie der mittlere Bereich 560. Das dritte und das vierte Biegeelement 590a, 590b haben zugehörige Längsachsen, die senkrecht zu denjenigen des ersten bzw. zweiten Biegeelements 570a, 570b verlaufen. Die Biegeelemente 590a, 590b sind vorzugsweise die gleichen wie die Elemente 570a und 570b.
Die Biegeelemente 570a, 570b, 590a, 590b sind dünner als sie breit sind und widerstehen somit im Wesentlichen einer seitlichen Translationsbewegung des mittleren Bereichs 560 bezüglich der mechanischen Masseplatte 600, wenn der Kollimator 340 aufgrund der Translationsbewegung der Faser 315 gesteuert wird. Die Biegeelemente 570a, 570b, 590a, 590b biegen sich ohne Weiteres in Richtung der Z-Achse, wie es in 8 gezeigt ist. Das erste und das zweite Biegeelement 570a, 570b biegen sich in Z-Richtung, um eine Drehung des Kollimators 340 in X-Richtung zu ermöglichen. Das dritte und das vierte Biegeelement 590a, 590b biegen sich in Z-Richtung, um wie gezeigt eine Drehung des Kollimators 340 in Y-Richtung zu ermöglichen. Die Mittelpunkte der Biegeelemente liegen im Idealfall auf den durch den Mittelpunkt des Kollimators verlaufenden X- und Y-Achsen.
Obwohl beschrieben wurde, dass die kardanische Aufhängung 550 aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht, ist sie für bestimmte Anwendungen vorzugsweise aus einem Einkristallmaterial, beispielsweise Silizium, oder Siliziumnitrid mikromaterialbearbeitet. Diese Werkstoffe haben im Vergleich zu Metallen bessere mechanische Eigenschaften und Stabilität. Ein derartige verbesserte Stabilität ergibt sich aufgrund der Tatsache, dass Korngrenzen in Einkristall-Silizium und -Siliziumnitrid im Wesentlichen nicht vorhanden sind. Es können auch andere Werkstoffe zur Herstellung der kardanischen Aufhängung 550 verwendet werden, zum Beispiel Siliziumkarbid oder sogar Einkristall-Diamant. Eine mikromaterialbearbeitete Version der kardanischen Aufhängung 550 ist nachstehend ausführlicher beschrieben.
Es versteht sich, dass kollimierte Strahlen im Inneren des Schaltsystems 40 mit äußerster Präzision gesteuert werden müssen, üblicherweise mit einer Richtgenauigkeit einer Größenordnung von 0.01° in einem 1024 mal 1024 kompakten optischen Schalter. Darüber hinaus muss diese Genauigkeit üblicherweise über längere Zeitperioden hinweg sowie auch bei erheblichen Umgebungsschwankungen aufrechterhalten werden, was nicht alles von der Umhüllung des Schalters und seiner Anbringung ausgeschlossen werden kann.
Die Verwendung – gemäß diverser Merkmalen dieser Erfindung – eines Festkörperwandlers, einer um die Faser herum radial symmetrischen Betätigungselementanordnung, eines schaukelnden Kollimators und einer kardanischen Aufhängung, die durch Biegen oder Verbiegen arbeitet, tragen allesamt zu einer im Wesentlichen erhöhten Genauigkeit, Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber Drift bei. Eine periodische Neukalibrierung der zur Ausrichtung eines bestimmten Kollimators in der Eingangsanordnung mit einem bestimmten Kollimator in der Ausgangsanordnung erforderlichen Betätigungssignale kann dabei hilfreich sein. Bei den schwierigsten Anwendungen wird jedoch wahrscheinlich immer eine Art von dynamischem Feedback im Strahlsteuerungsprozess erforderlich sein.
Eine äußerst zuverlässige Angabe einer kollimierten Strahlrichtung ist die Winkelausrichtung eines Kollimators, zum Beispiel durch das Überwachen einer Winkelausrichtung des Kollimators 340 relativ zum Gehäuse 300. Dies hat den wichtigen Vorteil, dass kein Abtasten des Strahls selbst erforderlich ist, und auch keine sekundären Strahlen, die die Ausrichtung der primären Strahlen für ein Positionsfeedback verfolgen. Diese Ansätze aus dem Stand der Technik bringen zwar eine hohe Genauigkeit, birgen aber auch das Risiko einer Dämpfung oder Kontamination der primären Strahlen in sich, wenn keine komplizierten und raumaufwändigen Konstruktionsmerkmale in den Lichtwegen enthalten sind.
Daher kommen bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Rückkopplungsschleifen zur Verbesserung der Steuerungsgenauigkeit kollimierter Strahlen innerhalb des Schaltsystems 40 zum Einsatz, die Informationen von den momentanen Winkelstellungen der Kollimatoren dazu verwenden, die zur Bewirkung einer gewünschten Strahl ablenkung erforderlichen Betätigungssignale abzuleiten. Eine Winkelausrichtung der Kollimatoren kann unter Verwendung einer Vielzahl von Arten von Sensoren sensorisch erfasst werden. Eine kapazitive sensorische Erfassung ist dabei besonders bevorzugt, da sie folgende sensorische Erfassungsmerkmale hat:

(a) im Wesentlichen temperatur-unveränderlich, vorausgesetzt, dass eine Dimensionsstabilität beibehalten wird und Erregersignale hinsichtlich Amplitude und Frequenz konstant gehalten werden; und
(b) Multiplex-Fähigkeit, zur Vereinfachung der elektrischen Verbindungen.

Ein kapazitiver Sensor und seine zugehörige sensorische Erfassungsschaltung zum Bestimmen der Winkelstellung des Kollimators 340 wie in 8 gezeigt werden nunmehr unter Bezugnahme auf die 10 und 11 beschrieben. 9 zeigt den Kollimator 340 mit seiner zugehörigen kardanischen Aufhängung 550, vier kapazitive Platten mit den Bezugsziffern „a1", „b1", „c1", „d1", die im Wesentlichen mit gleichem Abstand symmetrisch um ein axiales Ende des Kollimators 340 herum angeordnet sind, sowie vier weitere kapazitive Platten mit den Bezugsziffern „a2", „b2", „c2", „d2", die im Wesentlichen in gleichem Abstand symmetrisch um das andere axiale Ende des Kollimators herum angeordnet sind.
Da die beiden Gruppen „1" und „2" kapazitiver Platten identisch sind, ist nachstehend lediglich eine davon beschrieben.
Die Platten „a1" und „b1" verlaufen parallel, wobei der Kollimator 340 im Wesentlichen unter gleichem Abstand zwischen diesen eingefügt ist, wie es gezeigt ist. Ebenso verlaufen die Platten „c1" und „d1" parallel, wobei der Kollimator 340 im Wesentlichen unter gleichem Abstand zwischen diesen positioniert ist. Die Platten „c1", „d1" sind rechtwinklig zu den Platten „a1", „b1" angebracht. Die Platten „a1", „b1" sind so angeordnet, dass sie eine Bewegung des entsprechenden Endes des Kollimators 340 in der X-Richtung wie in 9 gezeigt sensorisch erfassen. Die Platten „c1", „d1" sind so angeordnet, dass sie eine Bewegung des Endes des Kollimators 340 in der Y-Richtung wie gezeigt sensorisch erfassen.
Durch Verwendung sowohl der Gruppe „1" als auch der Gruppe „2" kapazitiver Platten kann eine Bestimmung der XY-Position beider Enden des Kollimators und daher des vom Kollimator begrenzten Winkels zu sowohl der X- als auch der Y-Achse durchgeführt werden. Die Positionsbestimmung kann entweder für beide Enden unabhängig erfolgen, was eine Überprüfung der Integrität der kardanischen Aufhängung ergibt; oder einfacher durch Querverbinden der Elektroden-Gruppe 1 und 2 (d.h. c2 mit d1, d2 mit c1, b2 mit a1 und a2 mit b1). Bei einer alternativen Anordnung verlässt man sich darauf, dass die kardanische Aufhängung den Kollimator zu einer strengen Drehung um die X- und die Y-Achse zwingt (ohne Translationsbewegung innerhalb der erforderlichen Messgenauigkeit) und der vom Kollimator begrenzte Winkel sowohl zur X- als auch zur Y-Achse von einer Bestimmung der XY-Position nur eines Endes des Kollimators abgeleitet wird.
Eine Kapazität C, die sich zwischen dem Kollimator 340 und jeder der kapazitären Platten entwickelt, lässt sich in etwa aus der Gleichung 1 berechnen: C = ⌈0⌈r Aeff/d Gleichung 1wobei
⌈₀ = absolute elektrische Feldkonstante (8,854 × 10^–12 F/m);
⌈_r = relative elektrische Feldkonstante des Mediums zwischen der Platte und dem Kollimator 340 (nämlich Luft oder Trockenstickstoff, ⌈_r = 1,00);
A_eff = eine effektive, sich ergebende Kopplungsfläche, (in etwa gleich der Hälfte der Fläche der Plattenoberfläche, die zum Kollimator 340 hin gerichtet ist); und
d = ein Spaltabstand zwischen der Platte und dem Kollimator 340.
Bei einer Ausführungsform sind die Platten „a1" und „b1" durch Ladungsverstärker an einen nicht-invertierenden bzw. einen invertierenden Eingang eines (nicht dargestellten) ersten Differentialverstärkers angeschlossen, der ein entsprechendes Ausgangssignal V_X liefert. Ebenso sind die Platten „c1" und „d1" über Ladungsverstärker an einen nicht-invertierenden und einen invertierenden Eingang eines zweiten Differentialverstärkers angeschlossen, um ein entsprechendes Ausgangssignal V_Y zu erhalten.
Der Kollimator 340 ist mit einem Elektrodenüberzug versehen. Dabei kann es sich um eine metallische Umhüllung handeln, die Teil des Kollimatoraufbaus bildet, oder es kann sich um eine zweckbestimmte Elektrodenanordnung handeln. Eine Verbindung 610 wird bequem über die kardanische Aufhängung 550 zu dieser Kollimatorelektrode hergestellt, und der Kollimator wird – bei einer Ausführungsform – mit einer sinusförmigen Erregung mit einer Amplitude V_E erregt. Somit lassen sich die Signale V_X und V_Y aus den Gleichungen 2 und 3 be stimmen: VX = (VE⌈0⌈rAeff/Cf)[(da – db)/(dadb)] Gleichung 2 VY = (VE⌈0⌈rAeff/Cf)[(dc – dd)/(dcdd)] Gleichung 3wobei
d_a = ein Abstand vom Kollimator 340 zur Platte „a1";
d_b = ein Abstand vom Kollimator 340 zur Platte „b1";
d_c = ein Abstand vom Kollimator 340 zur Platte „c1"; und
d_d = ein Abstand vom Kollimator 340 zur Platte „d1".
Da das Erregersignal ein im Wesentlichen sinusförmiges Signal ist, zum Beispiel ein Sinussignal mit einer Frequenz in einem Bereich von 20 kHz bis 100 kHz, bevorzugter im Wesentlichen 50 kHz, sind die Ausgangssignale V_X, V_Y ebenfalls Sinussignale mit einer Frequenz ähnlich derjenigen des Erregersignals.
Es ergibt sich aus dem Studium der Gleichungen 2 und 3, dass V_X und V_Y im Wesentlichen null Amplitude haben, wenn der Kollimator 340 unter jeweils gleichem Abstand von den Platten „a1", „b1", „c1", „d1" angeordnet ist.
Für geringe Ablenkungen des Kollimators 340 von der Achse weg aus einer mittleren Stellung ergibt sich aus den Gleichungen 2 und 3, dass ein in etwa lineares sensorisches Erfassen der Position des Kollimators 340 erzielbar ist. Für größere Ablenkungen wird der Sensor zwar nichtlinear, aber dennoch vollkommen nutzbar, da sich die gemessenen Spannungen noch auf gekoppelte Positionen abbilden.
Im Betrieb empfängt das Steuersystem 20 Leitweg-Anweisungen von einem externen Gerät und greift auf eine gespeicherte Kalibrierungs-Nachschlagetabelle zu, in der zu verbindenden optischen Anschlüssen Kollimatoren-Steuerungswinkel zugeordnet werden und somit gewünschte Werte von V_X und V_Y für jedes der Betätigungselemente der Anordnung 10, die den zu verbindenden Anschlüssen zugeordnet sind. Das Steuersystem 20 betätigt dann seine Betätigungselemente 310, bis gewünschte Werte für V_X, V_Y für die Betätigungselemente erzielt werden. Dieser iterative Prozess kann von vorläufigen X- und Y-Betätigungssignalen ausgehen, die jedem gewünschten Kollimatorwinkel im Kalibrierungsprozess zugeordnet sind.
Es wird nunmehr ein alternatives sowie bevorzugtes sensorisches Erfassungsverfahren unter Bezugnahme auf die 10 beschrieben, wobei wiederum eine oder beide Gruppen der in 9 gezeigten kapazitiven Platten verwendet werden.
Bei dieser Anordnung werden die Platten a, b, c und d erregt und ein Messsignal von der Kollimatorelektrode durch den Anschluss 610 abgenommen. Dabei können eine einzige Gruppe von Elektroden oder zwei über Kreuz verbundene Gruppen auf jeder Seite der kardanischen Aufhängung auf die weiter oben beschriebene Art verwendet werden. Vier Plattenerregungssignale mit Rechteckwellen werden wie in 10 gezeigt erzeugt. Die Signale I und Q sind dabei um 90° phasenverschoben, und ihre jeweiligen invertierten Formen sind ebenfalls verfügbar. Diese Signale werden an die Platten angelegt, und zwar nicht direkt, sondern über eine verbundene Schaltanordnung 620 und eine Gruppe von D-Flipflops 630. Die Schaltanordnung hat zwei Zustände: einen ersten Zustand, bei dem die vier verschiedenen Treibersignale an die D-Eingänge der jeweiligen Fliflops angelegt werden, und einen zweiten, d.h. einen Kalibrierungszustand, bei dem das einzelne Treibersignal I an alle vier Flipflops geleitet wird. Die von den Flipflops durchgeführte Umtaktung dient dazu, die Phasengenauigkeit zwischen den I- und Q-Signalen zu erhöhen, vorzugsweise auf innerhalb 10^–4 Radian. Die Flipflops werden mit 4f getaktet, wobei f für die Erregerfrequenz steht.
Das Kollimatorsignal wird über den Anschluss 610 und eine einfache Verstärkungsstufe 630 an einen Präzisions- (vorzugsweise 12 Bit) A-D-Wandler geleitet. Der digitale Ausgang wird dann zur Analyse an einen digitalen Signalprozessor (DSP) geleitet. Es ist ein wichtiges Merkmal dieser Schaltung, dass der A-D-Wandler und die Flipflops von den selben Erdungs- und Spannungsreferenzschienen aus betrieben werden. Es ist ebenfalls wichtig, dass die Flipflopausgänge sehr niedrige Impedanz haben und von Schiene zu Schiene betrieben werden.
Der DSP erzeugt ein Signal, dabei entsprechen die realen und imaginären Komponenten jeweils der X- bzw. der Y-Stellung: S = Mittel[(1 – 3) + i(2 – 4)] Gleichung 4wobei 1, 2, 3 und 4 aufeinanderfolgende Zeitabtastwerte darstellen und das Mittel über jedwedes geeignete Intervall hinweg gebildet wird.
Dieses Signal wird sowohl während des „Mess"- als auch des „Kalibrierungs"-Zustands der Schalteranordnung 620 erzeugt und die Werte werden dann verglichen, um einen Positionswert zu erhalten: Position = Smessung/Skalibrierung Gleichung 5
Diese Technik bietet eine exzellente Stabilität gegen Schwankungen der Verstärkerempfindlichkeit, Änderungen im dielektrischen Verhalten und Spannungsdrift.
Eine selbstüberprüfende oder selbstkalibrierende Fähigkeit kann über zusätzliche „Blind"-Kollimatoren bereitgestellt werden, die mit den beschriebenen sensorischen Erfassungsanordnungen identische Erfassungsanordnungen haben, aber in vordefinierten Winkelausrichtungen innerhalb des Gehäuses starr fixiert sind.
Es folgt nunmehr eine Beschreibung eines modifizierten Aufbaus einer kardanischen Aufhängung.
11 zeigt eine Darstellung einer linearen Anordnung von kardanischen Aufhängungen 550, die unter Verwendung einer mikromaterialverarbeitenden Technologie hergestellt wurden (MEMs), wobei die Anordnung allgemein mit 900 bezeichnet ist. Die Biegeelemente 570a, 570b, 590a, 590b der kardanischen Aufhängung 550 sind im Wesentlichen aus Siliziumnitrid hergestellt, wohingegen mit diesen verbundene Bereiche aus einer Kombination aus Siliziumnitrid und Silizium-Hauptmasseschichten bestehen. Die kardanische Aufhängung 550 in der Anordnung 900 hat vorzugsweise im Wesentlichen ähnliche Dimensionen wie die kardanische Aufhängung 550 von 8. Der mittlere Bereich 560 weist eine plankonvexe Linse 910 auf, die durch Epitaxialwachstum geformt wurde, um einen in die Anordnung 900 integrierten Kollimator zu bilden. Alternativ kann der mittlere Abschnitt 560 von 11 ein mikromaterialbearbeitetes Rundloch anstelle der Linse 910 zur Aufnahme der weiter oben beschriebenen zylindrischen Kollimatorform aufweisen.
Die Herstellung der Anordnung 900 umfasst folgende Schritte:

(a) Bereitstellen eines Siliziumwafersubstrats;
(b) Bilden oder Aufbringen einer Schicht aus Siliziumnitrid auf das Substrat durch Dampfphasenabscheidung;
(c) selektives Wegätzen des Siliziumsubstrats in der Nähe der Stellen, wo die Biegeelemente 570a, 570b, 590a, 590b gebildet werden sollen, und
(d) Abgrenzen von leeren Bereichen, um den Rahmen 580, die Biegeelemente 570a, 570b, 590a, 590b und den mittleren Bereich 560 der kardanischen Aufhängung zu definieren und frei zu machen, wobei eine derartige Einzeichnung vorzugsweise den Einsatz von reaktivem Ionenätzen unter Verwendung eines magnetisch eingeschlossenen Plasmas involviert, das eine verbesserte Ätzanisotropie ergibt.

Sollen Kollimatorlinsenstrukturen integral in der Anordnung 900 eingeformt werden, dann wird ein weiterer Aufbringungsschritt zwischen den oben genannten Schritten (b) und (c) zur Bildung derartiger Linsenstrukturen eingefügt.
Zu den Herstellungsschritten (a) bis (d) gehören noch photolithografische Schritte, Schritte zur Aufbringung eines Schutzlacks, Schritte zum Entwickeln des Schutzlacks sowie Schritte zur Bildung einer Schablonenmaske, die auf dem technischen Gebiet der Halbleiterherstellung wohlbekannt sind. Die Mikroherstellung der Anordnung 900 kann auch bei anderen Materialsystemen durchgeführt werden, zum Beispiel bei Einkristall-Diamanten.
Wird die kardanische Aufhängung 550 mikromaterialbearbeitet, dann ermöglicht eine derartige Mikromaterialbearbeitung die Einfügung von Dehnungsmessern zur Erfassung einer Dehnung in den Biegeelementen 570a, 570b, 590a, 590b. Eine derartige sensorische Erfassung durch Dehnungsmesser kann entweder zusätzlich zur oder anstelle einer kapazitiven Positionserfassung wie in 10 gezeigt erfolgen. Die Dehnungsmesser bestehen dabei vorzugsweise aus epitaxial aufgewachsenem dotierten Polysilizium, das einen Messfaktor einer Größenordnung von 3 liefern kann, oder aus epitaxial aufgewachsenem dotierten Einkristall-Silizium, das Messfaktoren haben kann, die sich bei bestimmten kristallografischen Ausrichtungen einer Anzahl von mehreren Hundert nähern können.
Im Betrieb können die Dehnungsmesser dazu verwendet werden:

(a) die Steuerungsrichtung der zu den kardanischen Aufhängungen in der Anordnung 900 gehörenden Kollimatoren zu erfassen; und/oder
(b) die Z-Achsen-Verschiebung der kardanischen Aufhängung 550 zu erfassen und somit vor einem potenziellen bevorstehenden Versagen der kardanischen Aufhängung zu warnen, wenn eine übermäßige Bewegung in der Z-Achse auftritt; und/oder
(c) über eine Rückkopplungsschleife die ebenfalls mit einer Betätigung in Z-Achsenrichtung ausgestatteten Betätigungselemente zu betätigen und dadurch die Translation des Kollimators in Z-Achsenrichtung aktiv auf Null zu verringern.

12 zeigt die kardanische Aufhängung 550 in mikromaterialbearbeiteter Form komplett mit ihren Dehnungsmessern. Das dritte und das vierte Biegeelement 590a, 590b weisen über ihre Länge hinweg Dehnungsmesser 920 bzw. 930 auf. Ebenso weisen das erste und das zweite Biegeelement 570a, 570b über ihre Länge hinweg Dehnungsmesser 940 bzw. 950 auf. Auf dem Rahmen 580 sind ein erster und ein zweiter Kompensationsmesser 960, 970 vorgesehen, die eine Temperaturerfassung ermöglichen, um die Dehnungsmesser 920 bis 950 bezüglich einer Änderung des Widerstands mit der Temperatur zu kompensieren. Erforderlichenfalls können die Messer 920 bis 970 in einer Konfiguration nach Art einer Wheatstonebrücke elektrisch miteinander verbunden sein; alternativ können die Messer 920 bis 970 individuell verbunden sein und somit individuell vom Steuersystem 20 abgefragt werden. Elektrische Verbindungen werden erforderlichenfalls von den Dehnungsmessern über die Biegeelemente hinweg übertragen, wie es in 18 gezeigt ist. Die elektrischen Verbindungen werden schlussendlich an Kontaktpads an Umfangsrändern der Anordnung 900 geleitet. Sind die Messer 920 bis 950 im Wesentlichen so lang wie ihre zugehörigen Biegeelemente, dann erfassen sie im Prinzip im Betrieb das Biegen ihrer Biegeelemente und somit eine Winkelsteuerungsrichtung ihres zugehörigen Kollimators. Im umgekehrten Fall, d.h. wenn die Messer 920 bis 950 erheblich kürzer als ihre entsprechenden Biegeelemente ausgeführt sind, dann können sie zur Erzeugung eines Messsignals verwendet werden, das sowohl für die Bewegung in Z-Achsen-Richtung des Kollimators als auch für den Steuerungswinkel des Kollimators empfindlich ist.
Erforderlichenfalls können Kombinationen aus kürzeren und längeren Dehnungsmessern in der in 11 dargestellten mikromaterialbearbeiteten kardanischen Aufhängung 550 vorgesehen werden und ihre Signale gemischt werden, um eine Z-Achsen-Erfassung und Kollimatorwinkelinformationen unabhängig voneinander zu ermöglichen.
Eine Mikroherstellung von Kollimatoren in der mikrohergestellten kardanischen Aufhängung von 11 und 12 ist als Querschnittsansicht in 13 gezeigt. Die Faser 315 im freiliegenden Bereich 350 ist an der Stelle 905 an eine erste Stirnfläche eines Blocks aus im Wesentlichen optisch transparentem Glas 1000 schmelzangeschweißt, wobei der Block 1000 auch eine zweite Stirnfläche hat, die im Wesentlichen parallel zur ersten Stirnfläche ist. Während des Zusammenfügens der Anordnung 900 wird eine zweite Stirnfläche des Blocks 1000, zum Beispiel unter Verwendung eines UV-aushärtenden, im Wesentlichen transparenten optischen Klebers, mit einer Unterseite des mittleren Bereichs 560 verbunden. An einer oberen Fläche des mittleren Bereichs 560 von 13 ist epitaxial die plankonvexe Linse 910 ausgebildet. Erforderlichenfalls kann die Linse einem Laser- oder Ionenfräsen unterzogen werden, um ihre optischen Eigenschaften zurechtzuformen, so dass die Linse 910 in der Lage ist, einen präzisen kollimierten Strahl zu bilden.
Es wird nunmehr unter Bezugnahme auf 14 ein Beispiel einer piezoelektrischen Betätigungselementanordnung beschrieben.
14 zeigt ein zylindrisches piezoelektrisches Betätigungselement 310 mit quadratischem Querschnitt und mit einer axialen Bohrung (wiederum mit quadratischem Querschnitt) zur Aufnahme der Lichtleitfaser 315. Innerhalb des Körpers aus piezoelektrischem Material angeordnete Elektroden sind in Diagrammform in 14 gezeigt. Vier Elektroden sind mit NACH OBEN, NACH UNTEN, NACH LINKS und NACH RECHTS bezeichnet. Wird nur NACH OBEN stimuliert, dann zieht sich der obere Teil des Betätigungselements gemäß 14 zusammen und das gesamte Betätigungselement biegt sich zum sich zusammenziehenden Teil hin, wodurch die Faserstellung noch oben bewegt wird, an der X-Achse entlang. Entsprechendes gilt für jede der Elektroden NACH UNTEN, NACH LINKS und NACH RECHTS in ihrer jeweiligen Richtung. Die Elektroden werden durch die Eingänge NO, NL, NR und NU in 14 stimuliert, die jeweils den Elektroden NACH OBEN, NACH LINKS, NACH RECHTS und NACH UNTEN entsprechen. Zur leichteren Organisation der Elektronik sind die Elektrodeneingänge alle auf der selben Seite des Betätigungselements positioniert. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind vier Elektroden vorhanden, die das piezokeramische Betätigungselement stimulieren. In diesem Fall verlaufen die Elektroden über die gesamte Länge des Betätigungselements hinweg; alternativ können die Elektroden auch nur einen Abschnitt des Betätigungselements stimulieren.
Ein spezifischer und bevorzugter monolithisch-artiger Wandler aus einem piezokeramischen Block ist in 15 dargestellt; dieser kann durch Legen von Schichten aus piezokeramischen Material mit integrierten Elektroden hergestellt werden.
Es versteht sich, dass zum Oberteil des Betätigungselementaufbaus hin (wie in der Figur zu sehen) verschachtelte Elektrodenschichten A und B vorhanden sind, die über die Breite des Blocks hinweg verlaufen. Zum Boden des Blocks hin sind ähnliche Elektrodenschichten E und B vorhanden. Nach entsprechender Erdung aller B-Schichten bewirkt das Anlegen einer Spannung an entweder A oder E eine Bewegung nach oben bzw. nach unten. Bei diesem Schema sind die Treiberspannungen einpolig und die Polarisation ist parallel zum angelegten Feld ausgerichtet, so dass das piezoelektrische Material im Kontraktionsmodus reagiert.
Im mittleren Bereich des Blocks sind verschachtelte Elektrodenschichten C und D vorhanden. Die D-Schichten verlaufen über die Breite des Blocks hinweg, während die C-Elektroden in links und rechts unterteilt sind. Ein Anlegen einer Spannung an die passende Gruppe von C-Elektroden bewirkt eine Ablenkung nach links oder nach rechts.
Es wird nunmehr auf 16 Bezug genommen, die eine optische Schaltkomponente gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Ausführungsform stützt sich auf die bereits oben beschriebenen spezifischen Elemente und Merkmale.
16 zeigt eine Trageplatte 1700, in die vier radial zusammenlaufende Schlitze 1702 geschnitten sind, von denen jeder eine Strahlsteuerungseinrichtung in sich aufnimmt, die allgemein mit der Bezugsziffer 1704 bezeichnet ist. Die eigentlichen Lichtleitfasern sind in 16 nicht dargestellt, aber ihre Position ist anhand der Strahlwege erkennbar, die in jeweiligen Punktlinien 1706 gezeigt sind.
Längliche piezoelektrische Betätigungselemente 1708 sind in den jeweiligen Schlitzen positioniert, wobei sie an einem Ende über Klemmen 1710 an der Trageplatte festgeklemmt sind. Im Bereich dieser Klemmen ist zu sehen, dass die piezoelektrischen Betätigungselemente An schlüsse zur externen Verbindung mit den internen Betätigungselektroden aufweisen.
Vfreien Ende eines jeden piezoelektrischen Betätigungselementes 1708 verläuft ein kreisförmiger, hohler zylindrischer Hebel 1712, der länger ist als das Betätigungselement selbst. Der Außendurchmesser des Hebels verläuft abgestuft in Bereichen ausgehend von einem relativ großen Durchmesser in der Nähe des Betätigungselements bis hin zu einem relativ kleinen Durchmesser an seinem freien Ende. Der Hebel kann aus einer breiten Vielzahl von Metallen oder Verbundwerkstoffen gefertigt sein.
An den von den Klemmen 1710 entfernt liegenden Enden der Schlitze 1702 sind U-förmige Kanäle 1718 positioniert, die eine starre Befestigung für die jeweiligen kardanischen Aufhängungen 1720 ermöglichen. Diese kardanischen Aufhängungen 1720 und die zugehörigen Kollimatoren 1722 können jede der oben beschriebenen Formen haben.
Eine Erfassungsstange 1724 ist über Stäbe 1726 von der Trageplatte 1700 beabstandet und weist eine Reihe von Öffnungen 1728 auf, in denen die freien Enden der jeweiligen Kollimatoren 1722 aufgenommen werden. Um jede Öffnung 1728 herum sind die kapazitiven Erfassungsplatten a, b, c und d von 9 positioniert.
Eine Modifikation des Aufbaus von 16 ist in Diagrammform in 17 gezeigt. Der Zweck dieser Modifikation besteht darin, die Widerstandsfähigkeit des Auf baus gegenüber mechanischen Erschütterungen oder Vibrationen zu verbessern.
Bei dieser Modifikation ist das Betätigungselement 1708' wiederum starr mit einem Ende an der schematisch unter 1700' gezeigten Trageplatte festgeklemmt. Die Lichtleitfaser 1705 verläuft wiederum durch das Betätigungselement 1708' und den Hebel 1712' hindurch an eine Anordnung aus Kollimator und kardanischer Aufhängung 1720'/1722', die unverändert ist. Der Hebel 1712' ist jedoch nicht am Betätigungselement gelagert, sondern stattdessen an der Trageplatte 1700' über eine kardanische Aufhängung 1750. Diese neue kardanische Aufhängung kann aus praktischen Gründen die selbe Form wie die kardanische Aufhängung 1720 des Kollimators haben, wobei die Maße des Biegeelements auf 400 μm verbreitert, auf 600 μm verkürzt und der Rahmen 580 geeigneterweise versteift wurde(n).
Im Betrieb wird die Biegebewegung des freien Ende des Betätigungselements 1708' über die Faser 1705 an das zugewandte Ende des Hebels 1712' übertragen. Die nicht-unterstützte Faserlänge dieser Biegung beträgt 0,5 mm bis 1,5 mm, im Idealfall 0,6 mm. Das dem Kollimator zugewandte Ende des Hebels bewegt sich dann natürlich in entgegengesetzte Richtungen, wodurch die Bewegung durch den mechanischen Vorteil des Hebels vergrößert wird – bei diesem Beispiel ungefähr 4:1.
Bei einem externen Impuls in X- oder Y-Richtung ist der Hebel 1712' erheblich widerstandsfähiger gegenüber unerwünschter Bewegung als die zuvor beschriebene einseitig eingespannte Anordnung. Unter Verwendung der bevor zugten beschriebenen Maße in der ersten Reihenfolge wird in der Tat die Trägheitskraft, die dazu neigt, das betätigungselementseitige Ende nach unten zu bewegen, durch die Kraft ausgeglichen, die dazu neigt, das kollimatorseitige Ende des Hebels (1712') nach unten zu bewegen (bei Berücksichtigung der Betätigungsverstärkung von –4:1). Dieses Gleichgewicht lässt sich feineinstellen, indem zwischen der kardanischen Aufhängung 1750 und dem kollimatorseitigen Ende des Betätigungselements 1712' hinzugefügte Masse entsprechend eingestellt wird.
Der Hebel 1712' (und in der Tat der Hebel 1712) können aus rostfreiem Stahlrohr (beispielsweise einem 1,25 mm Rohr mit einer Wandstärke von 0,2 mm) gebildet sein oder unter Verwendung einer breiten Vielzahl von Techniken, einschließlich dem Mikromaterialbearbeiten, konstruiert werden.
Obwohl es bequem ist, die Faser zur Übertragung einer Bewegung zwischen dem Betätigungselement und dem Hebel zu verwenden, ist auch eine alternative Biege- oder anderweitige Verbindung möglich.
Bei den voranstehenden Ausführungsformen wird im allgemeinen eine Form der kardanischen Aufhängung verwendet, bei der die gewünschte XY-Schaukelbewegung des Kollimators durch eine Biege- oder Verbiegebewegung von Elementen erzielt wird, die vorzugsweise in einer integralen Plattenstruktur ausgebildet sind. Es wird davon ausgegangen, dass diese Art der kardanischen Aufhängung mehrere Vorteile bietet, insbesondere hinsichtlich der langfristigen Zuverlässigkeit. Alternative Anordnungen zur Anbringung des Kollimators sind jedoch ebenfalls möglich.
Ein Beispiel einer alternativen Kollimatoranbringung ist in 18 gezeigt. Darin umfasst eine allgemein mit 1200 bezeichnete Anbringung ein Gehäuse 1210, das drei Saphirkugellager 1220 enthält, die in entsprechenden, im Gehäuse 1210 ausgebildeten Löchern gehalten werden. Die Lager haben vorzugsweise jeweils einen Durchmesser im Bereich von 150 μm bis 500 μm, noch bevorzugter im Wesentlichen 200 μm. Die Lager sind wie gezeigt gleichmäßig um den Kollimator 340 herum beabstandet und werden leicht an eine äußere, im Wesentlichen zylindrische Oberfläche des Kollimators 1230 zusammen- bzw. angedrückt gehalten. Das Gehäuse 1210 ist leicht nachgiebig, nämlich elastisch verformbar, um eine derartige Kompression zu ermöglichen. Bei Anlegen einer Betätigungskraft über die Faser 1240 kann sich der Kollimator innerhalb der Anbringung 1200 schräg stellen. Darüber hinaus wird der Kollimator 340 verschiebbar zwischen den Kugellagern 1220 gehalten. Im Betrieb gleitet der Kollimator 1230 leicht in der Z-Achse bezüglich des Lagers, um größere Neigewinkel zu erhalten, wobei ein solches Gleiten ohne Weiteres von der Aufhängung 1220 aufgenommen wird und keine wesentliche Änderung ihrer Merkmale bewirkt.
Erforderlichenfalls kann das Gehäuse 1210 erweitert werden, um kapazitive Sensorplatten zum Erfassen einer Winkelneigung des Kollimators 340 zu tragen; dabei können entweder aus vier Platten oder aus sechs Platten bestehende kapazitive Erfassungsanordnungen wie in 9 gezeigt verwendet werden.
Während davon ausgegangen wird, dass die Verwendung eines koaxial zur Lichtleitfaser verlaufenden Betätigungselementhebels mehrere wichtige Vorteile mit sich bringt, die sich auf die Erhaltung einer axialen Symmetrie wie oben erläutert beziehen, sind auch alternative Anordnungen möglich.
Eine derartige Alternative wird nunmehr unter Bezugnahme auf 19 beschrieben.
19 zeigt eine Detailvergrößerung eines in einer kardanischen Aufhängung angebrachten Kollimators 2000, welche schematisch durch Biegeelemente 2002 und 2004 dargestellt ist. Dabei ist der Kollimator 2000 wie zuvor direkt mit der Lichtleitfaser 2006 verbunden.
Bei dieser Anordnung ist der Betätigungshebel in Form eines zulaufenden Elements 2008 über einen Biegeverbindungsstreifen 2010 direkt mit dem Kollimator 2000 verbunden. Der Betätigungselementhebel kann starr mit dem Betätigungselement verbunden sein oder in der Tragestruktur geschwenkt werden, wie es unter Bezugnahme auf vorherige Ausführungsformen beschrieben wurde.
Bei der Anordnung von 19 erfolgt dann ein Schaukeln des Kollimators als unmittelbare Folge der Bewegung des Betätigungselements anstelle über eine dazwischenliegende Lichtleitfaser.
Die Verwendung einer kardanischen Aufhängung oder anderer Mittel zum Bewirken eines Schaukelns des Kollimators in X- und Y-Richtung ohne Translation in diesen X- und Y-Richtungen und mit nur minimaler oder keiner Translation in der Z-Richtung wurde bereits ausführlich beschrieben und die Vorteile hervorgehoben. Bei einigen Anwendungen reicht eine eindimensionale Strahlablenkung aus, und die kardanische Aufhängung muss dann lediglich um die X-Achse herum schaukeln. Bei einigen weniger anspruchsvollen Anwendungen ist es angemessen, eine Kollimatoraufhängung ohne kardanische Aufhängung zu verwenden, die jedoch noch einige der anderen Vorteile der diversen Merkmale dieser Erfindung mit sich bringt.
Eine solche Anordnung ist in 20 gezeigt.
20 zeigt eine Trageplatte 2100 mit Öffnungen, die jeweils ein zylindrisches piezoelektrisches Betätigungselement 2102 in sich aufnehmen. Dabei sind die Betätigungselemente hohl und verlaufen koaxial zu den mittleren Lichtleitfasern 2104. Jede Lichtleitfaser endet in einem Kollimator und 20 zeigt bequem alternative Formen eines Kollimators, die beide mit jedweder der Ausführungsformen dieser Erfindung verwendet werden können. Dabei hat ein Kollimator 2106 die bereits zuvor beschriebene Form einer Kollimatorlinse, die separat von der Faser gebildet wird und auf eine Weise mit der Faser verbunden wird, durch die Übertragungsverluste minimiert werden. Der andere Kollimator 2108 hat die Form einer Linse, die einstückig mit der Faser gebildet wurde, durch entsprechendes Formen oder Behandlung der Faserspitze.
Die Betätigungselemente 2100 können die zuvor beschriebene Form annehmen, wobei das Anlegen von Betätigungssignalen ein Biegen des Betätigungselements und eine Bewegung in der X, Y-Richtung des nicht-unterstützten Endes des Betätigungselements bewirkt und dadurch des Kollimators 2106 oder 2108. Anschlüsse zur Verbindung mit den piezoelektrischen Elektroden sind unter der Bezugsziffer 2110 gezeigt.
Kapazitive oder andere Positionserfassungsanordnungen wie oben beschrieben können innerhalb der Konstruktion von 20 verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Erfassungsschiene wie die in 16 gezeigte um die Kollimatoren 2106 oder 2108 herum positioniert werden.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Beispielen beschrieben und eine breite Vielzahl von weiteren Modifikationen sind möglich, ohne vom Umfang der nachstehenden Ansprüche abzugehen. Es wurden mehrere verschiedene Merkmale beschrieben und bestimmte Kombinationen dieser Merkmale als Beispiele angegeben. Andere Kombinationen dieser Merkmale sind ebenfalls sinnvoll und alle Kombinationen sind ausdrücklich hierin offenbart.
Nützliche Informationen bezüglich der Herstellung und Verwendung bestimmter hierin offenbarter Ausführungsformen finden sich in der WO 01/50176, auf die hiermit verwiesen wird.
Obwohl hierin diverse Formen von Winkelpositionssensoren als Beispiele beschrieben wurden, gibt es natürlich zahlreiche Alternativen. Wenngleich die Verwendung einer Kollimatorelektrode und Erfassungsplatten beschrieben wurde, so gibt es dennoch andere Anordnungen interagierender Teile, die bezüglich des Kollimators bzw. der Tragestruktur fest angeordnet sind. Somit kann die Kollimatorelektrode am Umfang entlang abgegrenzt oder an einem Element bereitgestellt werden, das bezüglich des Kollimators fest angeordnet ist.
Die jeweiligen Teile des Positionssensors können auch magnetisch anstelle von elektrisch miteinander interagieren; somit kann eines der interagierenden Teile ein Magnetfeld erzeugen, das vom anderen der interagierenden Teile erfasst wird. Vorzugsweise erfasst mindestens eine an jedem Kollimator gelagerte Spule ein Magnetfeld, das von zwei oder drei Spulenpaaren erzeugt wird, die der gesamten Schaltanordnung gemein sind.
Eine weitere Modifikation betrifft das dynamische Springen oder Prellen, das oben im Zusammenhang mit dem Betätigungshebel beschrieben wurde, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen oder mechanischen Erschütterungen zu verbessern. Bei einigen Anwendungen besteht kein Erfordernis für einen Betätigungshebel, und das Betätigungselement wird direkt an den Kollimator angeschlossen, möglicherweise über die Lichtleitfaser selbst. Bei einer derartigen Anordnung lässt sich ein ähnlicher dynamischer Springeffekt erzielen, indem der Kollimator bezüglich der kardanischen Aufhängung nach vorne bewegt wird, so dass eine größere Länge des Kollimators außerhalb der Kollimatorebene liegt. Auf diese Weise gleicht das Trägheitsmoment dieses Abschnitts eines Kollimators, der „außerhalb" des Kollimators liegt, dasjenige des Abschnitts des Kollimators aus, der „innerhalb" des Kollimators liegt, und stellt gleichzeitig eine effektive Verbindung zum Betätigungselement her.

Claims

Strahlsteuerungseinrichtung, umfassend eine Tragestruktur (300, 310', 500, 1700, 1700'); ein allgemein entlang der optischen Achse ausfahrendes optisches Element (315, 350, 340, 350', 340', 1705, 1722, 1722', 1230, 2000, 2006); ein Betätigungselement (310, 310', 1708, 1708'), das mit dem optischen Element verbunden ist, um die Bewegung von dem Betätigungselement auf das optische Element zu übertragen, wobei das Betätigungselement so angepasst ist, dass es sich verbiegt, wenn es betätigt wird, um das optische Element zu verschieben, und zwar so, dass das optische Element zum Schaukeln in einer Richtung im Wesentlichen In der X- und Y-Ebene rechtwinklig zur optischen Achse gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung außerdem Betätigungselement Verbindungsmittel (360, 360', 365, 550, 1720, 1722', 1210, 1220, 1200, 2009, 2002) umfasst, die sich zwischen dem optischen Element und der Tragestruktur befinden, und dass das ausgefahrene optische Element mit dem Betätigungselement und den Verbindungsmitteln als ein Hebel (320, 320', 1712, 1712', 1750, 1720', 2008, 2010) agieren; wodurch bei einer Verschiebung des Betätigungselements die Bewegung des optischen Elements relativ zur Bewegung des Betätigungselements verstärkt und umgekehrt wird.
Strahlsteuerungseinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Betätigungselement (310) ein Laminat aus verschachtelten Lagen aus Elektrodenplatten und piezoelektrischem Material enthält; wobei das Betätigungselement allgemein in der Z-Richtung ausfährt und innerhalb eines Querschnitts der X- und Y-Achse eine erste Region von Elektrodenplatten aufweist, die bei Ihrer Erregung Ablenkungen in einer ersten Y-Richtung bewirkt; eine zweite Region von Elektrodenplatten, die bei ihrer Erregung Ablenkungen in einer zweiten Y-Richtung bewirkt, und eine oder mehrere weitere Regionen von Elektrodenplatten, die bei ihrer Erregung Ablenkungen In X-Richtungen bewirken.
Strahlsteuerungseinrichtung gemäß jedem der beiden vorherigen Ansprüche, wobei das optische Element ein Kollimator (340) ist und die Einrichtung des Weiteren einen Positionssensor einschließt, der ein Signal liefert, das Auskunft über die Ausrichtung des Kollimators gibt und durch das Betätigungselement als Feedback bei der Steuerung des Strahls verwendet wird.
Strahlsteuerungseinrichtung gemäß jedem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verbindungs mittel eine kardanische Aufhängung (550, 1720, 1720', 2002, 2009) einschließen, deren einzelne Teile aufeinander einwirken, um zur Schaukelbewegung des optischen Elements beizutragen.
Strahlsteuerungseinrichtung gemäß jedem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verbindungsmittel eine kardanische Aufhängung (550) einschließen, deren einzelne Teile als Teil eines Positionssensors aufeinander einwirken.
Strahlsteuerungseinrichtung gemäß jedem der vorherigen Ansprüche, wobei das Betätigungselement über ein kegelstumpfförmiges Element (320, 320', 2008) mit dem optischen Element verbunden ist.
Strahlsteuerungseinrichtung gemäß jedem der vorherigen Ansprüche, wobei das Betätigungselement auf eine optische Faser einwirkt und die Aktion der optischen Faser (350, 350') der Verschiebung eines Kollimators dient.