NL8104122A - Optische schakelaar. - Google Patents

Description

•\ * rg PHN 10.149 1 N.V. Philips' Gloeilainpenfahrieken te Eindhoven.

Optische schakelaar.

De uitvinding heeft betrekking qp een optische schakelaar voor het overdragen van ongepolariseerd licht van een lichtgeleidende ingangs-vezel naar een van verscheidene lichtgeleidende uitgangsvezels via een ingangslenzenstelstel en een uitgangslenzenstelsel, waarmee respectieve-5 lijk de ingangs- en uitgangsvezels optisch zijn gekoppeld, en via ten minste een elektrisch bestuurbaar nematisch kristal, dat onder invloed van een instelbaar elektrisch veld een door het licht af te leggen weg tussen het ingangs- en uitgangslenzenstelsel bepaald, waarbij tussen het ingangslenzenstelstel en het nematische kristal een optische inrichting voor 10 het qpdelen van ongepolariseerd licht in twee bundels lineair gepolari-seerd licht, waarvan de polarisatierichtingen orthogonaal zijn.

Een dergelijke optische schakelaar is bekend uit "implied Optics", vol. 19, no. 17, September 1980 pagina's 2921 - 2925. De gepubli- ceerde optische schakelaar is beperkt tot twee standen. Het van een 15 ingangsvezel afkonstige licht wordt 6f naar een twee 6f naar een derde lichtgeleidende uitgangsvezel geschakeld. Cm van een ingangsvezel afkora-,: stig licht naar vier, acht of meer uitgangsvezels te schakelen zijn dan van de in de publicatie geschreven schakelaar drie, zeven of meer stuks nodig. Dit wordt als nadelig ervaren, daar de genoeirde schakelaars relatief 20 duur zijn.

Het is het doel van de uitvinding cm in een schakelaar te voor-zien, waarmee het licht van een ingangsvezel naar verscheidene uitgangsvezels mogelijk is.

De optische schakelaar volgens de uitvinding heeft daartoe 25 tot kenmerk, dat de optische inrichting een optisch element bevat voor het draaien van van de polarisatierichting van een van de bundels lineair gepolariseerd licht over een hoek van 90° , waama de beide bundels via hetzelfde nematisch kristal warden afgebogen, en dat de uitgangsvezels naast elkaar en achter een enkel uitgangslenzenstelsel zijn 30 gerangschikt. Bij een dergelijke schakelaar wordt het lineair gepolari-seerde licht door het nematisch kristal (afhankelijk van de sterkte van de erop staande stuurspanning) meer of minder sterk afgebogen, waar-door het licht (via het lenzenstelsel) op een van de verscheidene (bij- 8104122 PHN 10.149 2 i > Λ voorbeeld 3 a 8) naast elkaar liggende lichtgeleidende uitgangsvezels wordt gericht.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van een optische schakelaar vol-gens de uitvinding heeft tot kenmerk, dat in een tweede nematische kristal 5 is voorzien, waarbij de richting van het elektrische veld dwars op de richting van het elektrische veld van het eerste kristal is gericht en tussen het eerste en het tweede kristal een optisch element is geplaatst voor het draaien van de polarisatierichting van beide bundels lineair ge-polariseerd licht over een hoek van 90°. Een dergelijke schakelaar heeft 10 het voordeel dat het licht in twee dwars op elkaar staande richtingen is af te buigen (door elk kristal in een richting), waardoor steeds een uit een veelvoud van uitgangsvezels optisch met de ingangsvezel is te koppelen. In feite is de optische schakelaar het elektro-optische equivalent van de mechanische hef-draaischakelaars van de (verouderde) P.T.T.

15 centrales.

De uitvinding zal warden toegelicht aan de hand van in teke-ning weergegeven uitvoeringsvoorheelden, in welke tekening figuur 1 schematisch het principe van de optische schakelaar volgens de uitvinding weergeeft, 20 figuur 2 een eerste uitvoeringsvoorbeeld van een schakelaar volgens de uitvinding weergeeft, figuur 3 een inrichting voor het nagenoeg verliesvrij omzetten van ongepolariseerd licht in gepolariseerd licht toont, en 25 figuur 4a en b een verdere en een voorkeursuitvoeringsvoor- beeld van een optische schakelaar volgens de uitvinding weergeven.

In figuur 1 is het principe van een optische schakelaar volgens de uitvinding weergegeven. Door een lichtgeleidende vezel 1 wordt een 30 divergerende bundel 2 ongepolariseerd licht uitgestraald, die door een in-gangslenzenstelsel 3 in een parallele lichtbundel 4 wordt omgezet.

De· bundel 4 ongepolariseerd licht wordt door een optische inrichting 5 ancrezet in een bundel 6 lineair gepolariseerd licht, dat op een elektrisch bestuurbaar nematisch kristal 7 valt. Naargelang de elektrische veld-35 sterkte tussen de elektroden die op het kristal 7 zijn aangebracht zal het lineair gepolariseerde licht meer of minder warden' afgebogen. Naargelang de sterkte (9) en richting (+9 of -$) van afbuiging wordt het licht via een uitgangslenzenstelsel 8 in een van de lichtgeleidende 8104122 > + PHN 10.149 3 vezels 9a, b of c geprojecteerd. Doordat het licht linealr gepolariseerd is, wordt alle licht door het nematisch kristal 7 op identieke wijze afgebogen en wordt een hoge overspraak demping en een hoge schakeleffi-ciency verkregen.

5 In figuur 2 is een eerste uitvoeringsvorm van een optische schakelaar 10 vclgens de uitvinding weergegeven. De schakelaar 10 be vat een houder 11 en een sluitplaat 12, die van op zich bekende bevestigings-middelen 13 voor het bevestigen van evenzo bekende optische connectoren 14 en 14' zijn voorzien. De ingangsconnector 14 bevat een uiteinde 10 van een lichtgeleidende ingangsvezel 15, die tegenover een bollens 16 is geplaats. De uitgangscoonector 14' bevat in een rij verscheidene naast elkaar gerangschikte uiteinden van lichtgeleidende vezels 18a, b,c d en e, die tegenover een bollens 17 zijn geplaatst.

Ben door de lichtgeleidende vezel 15 uitgestraalde bundel 15 ongepolariseerd licht wordt door de lens 16 ongezet in een parallel bundel licht, die op een optische inrichting 19 valt. De inrichting 19 zet de bundel ongepolariseerd licht an in twee parallels bundels lineair gepolariseerd licht met eenzelfde polarisatierichting. De inrichting 19 bevat daartoe twee prisma's 20 en 21, waartussen een depolariserend filter 22 20 is geplaatst. De tussen de prisma's 20 en 21 overblijvende ruimte is met een glasplaatje 23 met eenzelfde brekingindex als de twee prisma's op-gevuld. De van de lens 16 afkcmstige lichtbundel valt op het filter 22 en wordt in twee bundels lineair gepolariseerd licht, waarvan de polari-satierichtingen loodrecht op elkaar staan, opgedeeld. Het door het filter 25 22 gereflecteerde licht reflecteert nogmaals in het prisma 21 en valt dan door een optisch element 24 in de vorm van een plaatje van kristal-lijn kwarts ( X/2 plaatje). Door het element 24 wordt de polarisatie-richting van de lichtbundel over een hoek van 90° gedraaid hierdoor heeft de bundel eenzelfde polarisatie en voortplantingsrichting als de 30 door het filter 22 doorgelaten lichtbundel. De twee lichtbundels gaan door een afbuiginrichting 26 met nematisch kristal, die uit twee glazen platen 27 en 28, nematisch kristalmateriaal 29 en afstand- en elektrodenhouders 30 is opgebouwd. De elektroden zijn langwerpig aan weerszijde van de houders en tpaarsgewijze) ter zijde van de lichtbundels op de elektrodenhouders 35 aangebracht. Elk elektrodenpaar wordt door een onafhankelijke spannings-bron bestuurd. Is het elektrische veld, dat aan weerszijde van de bundels wordt opgewekt, verschillend in sterkte dan ontstaan aan die zijden ver-schillende orientaties van het nematisch kristalmateriaal. Dit heeft tot 8104122 EHN 10.149 . 4 t gevolg dat aan weerszijden van de lichtbundels gebiecfenmet verschillende fcareklngsindices ontstaan, waartussen een continu veranderend (als funatie van de plaats) brekingsindexverloop op gaat treden. De lichtbundels zullen door dit brekingsindexverloop worden afgebogen via een optische 5 inrichting 19' (die identiek is aan inrichting 19) na bundeling en delinearisatie van de polarisatie op de lens 17 vallen en door een van de vezels 18a, b, c of d warden ontvangen. Naargelang de toe- of afname van het verschil in veldsterkte tussen de twee elektrcden paren zullen de lichtbundels over een grotere of kleinere hoek warden afgebogen.

10 De optische inrichting 19 is in een drager 31 bevestigd, die op zijn beurt in een drager 32 is bevestigd. De beide dragers 31 en 32 zijn met de sluitplaat 12 in het huis 11 opgesloten. In de drager 32 zijn de afbuiginrichting 26 en de optische inrichting 19' bevestigd. Terzijde van de A/2 plaat 24 is een glazen vulplaat 25 bevestigd, zodat, indien 15 de platen 24 en 25 tegen de glazen plaat 27 warden geschoven, lichtver-lies ten gevolge van reflecties aan glas/luchtovergangen zijn vermeden.

Het toepassen van de inrichting 19' (na afbuiging van de lichtbundels) am het licht weer niet lineair gepolariseerd te maken is niet noodzakelijk. Het lineair gepolariseerde licht kan ook via een (zeker 20 tweemaal zo) grote lens en een (evenzoveel) dikkere vezel worden verder geleid. Dit kan tot bezwaren leiden in verband met beschikbare (en/of te standariseren) diameters van lichtgeleidende vezels.

In figuur 3 is een verdere optische inrichting 40. voor het na-genoeg verliesvrij omzetten van ongepolariseerd licht in lineair gepola-25 riseerd licht weergegeven. De inrichting 40, bevat een plaat 41 uit kalkspaat, waarvan de optische as 42 een nog nader te beschrijven hoek met een loodrecht op de plaat 41 invallende lichtbundel 45 maakt. De bundel 45 ongepolariseerd licht (aangeduid met · en } , waarbij ° , \ betekent gepolariseerd loodrecht op het vlak van tekening, respectieve-30 lijk in het vlak van tekening) wordt in twee delen gesplitst door de dubbele hreking van licht in de plaat 41* De rechtdoorgaande bundel 46 heeft een polarisatierichting loodrecht op het vlak van tekening, en houdt deze ook na door lopen van een glazen opvulplaat 44. De gebroken lichtbundel 47 heeft een in het vlak van de tekening liggende polarisatie, 35 die na door lopen van een plaatje van kristallijn kwarts 43 ( /1 /2 plaat je) eenzelfde polarisatierichting heeft als lichtbundel 46, zodat het optische element 40 een lichtbundel 45 in bundels 48 lineair gepolariseerd licht heeft ongezet.

8104122 EHN 10.149 5 ^ *

In figuur 4a is een verdere uitvoeringsvorm van een optische schakelaar 50 volgens de uitivnding weergegeven. De schakelaar 50 be vat een huis 51, waarop aan weerszijden op zichzelf bekende bevestigings-middelen 53 zijn gevormd, waarop evenzo bekende optische connectoren 5 55 en 55’ bevestigbaar zijn. De ingangsconnector 55 bevat een ingangs- vezel 57 en een bollens 59. De uitgangsconnector 55' bevat een bollens 61 en een aantal uitgangsvezels 63a, b, c en d (in werkelijkbeid kan dit aantal 16 of iteer bedragen). De schakelaar 50 bevat verder een houder 65, waarin twee nematische kristallen 67 en 73 tussen glasplaten 69, 71 10 en 71, 75. De glasplaat 71 op zichzelf bevat twee glasplaten, waartussen een plaat kristallijn kwarts (^/2 plaatje) is opgesteld. Aan weers-zijden van de afbuiginrichting 67, 69, ...... 75 is een optische in- richting 40 voor het anzetten van ongepolariseerd licht in lineair gepo-lariseerd licht en visa versa aangebracht.

15 Via de lichtgeleidende vezel 57 en de lens 59 ingestraald licht, wordt door inrichting 40 cmgezet in bundels lineair gepolariseerd licht, die door het eerste nematische kristal 67 in een eerste richting warden afgebogen (indien de door de aan weerszijden van de lichtbundels opge-stelde electroden paren opgewekte veldsterkten van elkaar verschillen). De 20 het kristal 67 gepasseerde lichtbundels gaan door het/i. /2 plaatje (71), waardoor de polarisatie ervan over een hoek van 90° wordt gedraaid.

Het licht doorloopt daama het tweede kristal 73, waarvan de electroden (en dus de veldsterkten en het daanree opgewekte brekingsindexverloop) dwars op de electroden van het eerste kristal 67 zijn gericht. Het licht 25 wordt nu in een tweede richting afgebogen,die dwars qp de eerste af-tuiginrichting is gericht. Na doorlopen van de tweede inrichting 40 wordt het dan weer ongepolariseerde licht via de lens 61 door een van de lichtgeleidende vezels 63a, b, c of d ontvangen. De lichtgeleidende vezels 63a, b, c en d zijn op een op zichzelf bekende wijze in haxagonale 30 stapeling of in carre naast elkaar gerangschikt in de connector 55'.

De kopvlakken van de vezels 63a, b, c en d vormen een twee dimensionaal vlak, waarop via de lens 61 het licht wordt geprojecteerd. Op welke plaats van het vlak het licht is gericht (met andere woorden welke vezel ontvangt het licht) hangt af van de afbuigingen van het licht in de 35 kristallen 67 en 73.

In figuur 4b is een voorkeursuitvoeringsvorm van een optische schakelaar 80 volgens de uitvinding weergegeven. Het huis 81 van de schakelaar 80 is slechts aan een zijde van bevestigingsmiddelen 83 voor het 8104122

# "V

PHN 10.149 6 bevestigen van een optische connector 85 voorzien. De optische connector 85 bevat een lens 89, een ingangsvezel 87c, die door een twee diiren-sionale stapeling van uitgangsvezels 87a, b, d en e is omgeven. Het aantal afgebeelde uitgangsvezels 87a, b, d en e is slechts klein ten 5 opzichte van het aantal vezels in werkelijkheid (bijvoorbeeld 18 in hexagonale stapeling of 24 in carre, waarbij de ingangsvezel 87c centraal in de stapeling is opgenaten). Het via de inganasvezel 87c en. de lens 89 in het huis 81 ingestraald licht valt op de optische inrichting 40, die het licht in twee bundels lineair gepolariseerd licht oinzet. De twee licht-10 bundels warden door de in een houder 91 bevestigde afbuiginrichting, die nagenoeg identiek is aan de afbuiginrichting van de optische schake-laar 50 uit figuur 4a, in twee richtingen afgebogen. De afbuiginrichting bevat daartoe twee nematische kristallen 95 en 99, die respectievelijk tussen de glasplaten 93 en 97, 97 en 101 zijn opgesloten. De glasplaat 15 97 is een uit twee verdere glazen platen en een \ /2 plaat sarrengesteld. voor het draaien van de polarisatierichting van het licht over een hoek van 90°.

De buitenzijde 103 van glasplaat 101 is verspiegeld,v/aardoor het licht, dat door de twee kristallen 95 en 99 is afgebogen, wordt 20 gereflecteerd. Het licht doorloopt nu de afbuiginrichting nog eenmaal en wordt nog eens afgebogen, voordat het in ongepolariseerde toestand (door het passeren van inrichting 40) via lens 89 door een van de uitgangsvezels 87a, b, d of e. wordt ontvangen. Indien geen van beide krisgallen 95 en 99 is ingeschakeld, kan de bundel licht na reflectie op de ver-25 spiegelde buitenzijde 103 weer "ontvangen" worden door de ingangsvezel, zodat geen enkele uitgangsvezel 87a, b, d of e licht ontvangt. De schake-laar 80 heeft dus een "uit"-stand.

Het is gebleken dat de optische inrichtingen 40 in de optische schakelaar 50 en 80 niet perse noodzakelijk zijn.Worden bijvoorbeeld 30 in figuur-4a (schakelaar 50) de inrichtingen 40 weggelaten, dan kan slechts net ongepolariseerde licht in een richting worden afgebogen. Slechts een polarisatierichting wordt in het eerste kristal afgebogen en na draaiing van de polarisatie over een hoek van 90° (~X/2 plaat 71) zal het in de andere richting gepolariseerd licht in dezelfde richting worden 35 afgebogen. Met twee kristallen is dus een afbulging in den dimensie mogelijk, mits in beide kristallen dezelfde elektrbden opbouw, veldsterkte en dus hetzelfde barekingsindexver loop tonen.

Een afbuiging van een ongepolariseerde lichtbundel in twee 8104122 ΓΗΝ 10.149 7 loodrecht op elkaar staande richtingen is mogelijk indien elk van de twee kristallen van vier elektroden paren is voorzien. Een eerste elektroden paar van het eerste kristal buigt de licht met een eerste polarisatierichting af in de x richting. Het tweede elektroden paar 5 van het eerste kristal buigt licht met een tweede polarisatierichting dwars op de eerste genoemde richting af in de y-richting. Na verlaten van het eerste kristal wordt de polarisatie van het licht door het X /2 plaatje over een hoek van 90° verdraaid. Het licht net een tweede polarisatierichting wordt na draaiing over een hoek van 90° door toedoen van 10 het eerste elektroden paar van het tweede kristal eveneens in de x-richting afgebogen, terwijl het licht met de eerste polarisatierichting na draaiing ervan over een hoek van 90° door het tweede elektroden paar in het tweede kristal in de y-richting wordt afgebogen. Het is dus moge-lijk dat met twee nematische kristallen ongepolariseerd licht in twee 15 loodrecht op elkaar staande richtingen af te buigen. Opgemerkt wordt dat de gectnetrische opstelling van de eerste, en ook van de tweede elektroden paren in het eerste en het tweede kristal identiek is evenals de elektrische stuurspanningen erop.

20 25 30 8104122 35

Claims (4)

1. Optische schakelaar voor bet overdragen van ongepolariseerd licht van een lichtgeleidende ingangsvezel naar een van verscheidene lichtgeleidende uitgangsvezels via een ingangs lenzenstelsel eneen uit-gangslenzenstelsel, waarmee respectievelijk ingangs- en uitgangsvezels 5 qptisch zijn gekoppeld, en via ten minste een electrisch fcestuurbaar nematisch kristal, dat onder invloed van een instelbaar electrisch veld een door het licht af te leggen weg tussen het ingangs- en uitgangslenzen-stelsel bepaalt, waarbij tussen het ingangslenzenstelsel en het nematisch kristal een optische inrichting voor het opdelen van ongepolariseerd 10 licht in twee bundels lineair gepolariseerd licht, waarvan de polarisa-tierichting orthogonaal zijn, met het kenmerk, dat de optische inrichting een optisch element bevat voor het draaien van de polar isatie-richting van een van de bundels lineair gepolariseerd licht over een hoek van 90°, en alle uitgangsvezels naast elkaar en achter een efikel uitgangs- 15 lenzenstelsel zijn gerangschikt.

2. Optische schakelaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat in een tweede nematisch kristal is voorzien, waarbij de veldrichting van het electrisch veld loodrecht op de veldrichting van het electrisch veld vanheteerste kristal is gericht en tussen het eerste en tweede kristal 20 een optisch element is geplaatstvoor het draaien van de polarisatie-richting van het lineair gepolariseerde licht over een hoek van 90°.

3. Optische schakelaar volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het ingangslenzenstelsel en het uitgangslenzenstelsel eenzelfde lenzenstelsel zijn, waarbij de in- en uitgangsvezels in een enkele stapeling 25 naast elkaar zijn gerangschikt en achter het verst van het lenzenstelsel verwijderde kristal een spiegel is geplaatst.

4. Optische schakelaar volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat het depolariserend element een vlakke plaat kalkspaat is, en het optische element een vlakke plaat uit kristallijn kwarts is, waarbij 30 de voortplantingsrichting van het licht dwars op de vlakke plaat kalkspaat is gericht en de optische as een hoek van de vlakke plaat maakt, welke hoek door de arctangens van het quotient van de buitengewone en de gewone brekingsindex is bepaald. 8104122 35