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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Schalter gemäß dem Oberbegriff
des Schutzanspruchs 1.
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Derartige
optische Schalter dienen im einfachsten Fall dazu, eine ankommende
Lichtleitfaser mit einer abgehenden Lichtleitfaser vorübergehend optisch
koppeln zu können.
Dazu müssen
die zu koppelnden Lichtleitfasern sehr genau koaxial stirnseitig zusammengefügt und wieder
getrennt werden können.
Ein solcher Schalter wird oft elektromechanisch durch einen elektromagnetischen
Antrieb betätigt und
weist mechanische Anschläge
auf, die eine genaue Positionierung der Enden der Lichtleitfasern
erzielen.
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So
zeigt bereits die europäische
Patentschrift
EP0644447 einen
optischen Schalter der eingangs erwähnten Art, bei dem eine bewegliche
Lichtleitfaser durch Anschlag an eine zweier V-Nuten einer Positionierstruktur
vor einer von zwei weiteren Lichtleitfasern positioniert wird. Der
elektromechanische Antrieb ist außerhalb des Bereichs der V-Nuten der
Positionierstruktur angeordnet. Er besteht aus einer über die
bewegliche Lichtleitfaser geschobene magnetisierbaren Hülse, feststehenden
Permanentmagneten und einer elektrischen Spule zum Magnetisieren
der Hülse.
Die Ummagnetisierung erlaubt zwei unterschiedliche Zustände, wodurch
mit einer Hülse
zwei Schaltzustände
ermöglicht
werden. Durch Hinzufügen
weiterer, von der Koppelstelle noch weiter entfernter Antriebe,
kann die Anzahl der Schaltzustände
erhöht
werden.
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Ein
anderes Beispiel für
einen optischen Schalter ist in der Patentschrift
US4607910 beschrieben. Dort werden
drei Lichtleitfasern innerhalb des Schalters an drei weiterführende Lichtleitfasern
angekoppelt. Hierzu werden mehrere Federn und ein viele Einzelteile
umfassender Gesamtaufbau benötigt.
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Noch
ein anderes Beispiel eines optischen Schalters ist in der Patentschrift
DE 3839735 angegeben.
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Bei
allen Ausführungsformen
geschieht die Ausrichtung senkrecht zur Faserachse dadurch, dass
die zu koppelnden Lichtleitfasern direkt an eine gemeinsame aus
zwei Flächen
bestehende Positionierstruktur, wie z.B. eine V-Nut, angedrückt werden. Im
Falle der beweglichen Lichtleitfaser geschieht dies dadurch, dass
diese durch einen abseits der Koppelstelle angebrachten mechanischen
oder elektromechanischen Antrieb in die V-Nut eingebogen wird und
sich durch ihre Eigenspannung an diese anschmiegt. Ein Beispiel
für einen
rein mechanischen Antrieb bietet die
GB
2 107 481 , die einen mechanischen Schieber vorsieht.
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Nachteilig
hierbei ist unter anderem, dass die Anordnung des Angriffspunkts
des Antriebs an der beweglichen Lichtleitfaser abseits von der Koppelstelle
zu einer Abhängigkeit
der Positionierung von den durch Chargenabhängigkeiten oder Alterung variablen
Materialeigenschaften der Lichtleitfaser führt. Der geringe Schaltweg
erfordert eine aufwendige, präzise
Positionierung der Magneten. Für
eine höhere
Anzahl von Schaltzuständen
werden mehrere Hülsen
in unterschiedlichem Abstand von der Koppelstelle benötigt. Die
freie bewegliche Faser ist aufgrund der möglichen Bildung von Mikrorissen
bruchgefährdet.
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Ein
anderes Beispiel zeigt die japanische Patentanmeldung
JP10170779 . Sie beschreibt einen
faseroptischen Schalter bei dem mehrere Fasern zu einem Faserbändchen zusammengefasst
sind. Das Ende des Faserbändchens
ist von einem ferromagnetischen Film konstanter Dicke umgeben, welcher im
Magnetfeld einer Spule ausgelenkt wird und mit dem das Faserbändchen an
einem Anschlag gegenüber
einem zweiten gleichartigen Faserbändchen positioniert wird. Nachteilig
ist hierbei, dass die ferromagnetischen Filme mit sehr hoher Qualität hinsichtlich des
Homogenität
und Übereinstimmung
ihrer Dicke gefertigt und entsprechend präzise am Faserbändchen befestigt
werden müssen,
um die erforderliche Positioniergenauigkeit zu gewährleisten.
Außerdem müssen beide
zu koppelnde Faserbändchen
mit einer Schicht versehen werden, um eine den korrekten Abstand
der Faserkerne von der Anschlagstruktur zu gewährleisten.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches
Schaltelement zu schaffen, das kompakt und einfach aufgebaut ist, Ausführungsformen
mit unterschiedlichen Anzahlen von zu koppelnden Lichtleitfasern
ermöglicht
und die für
das Schalten von Lichtleitfasern notwendige Präzision und Zuverlässigkeit
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einem optischen Schalter laut Oberbegriff
des Hauptanspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
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Ein
Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Krafteinwirkung des Antriebs
sehr nahe bei der Koppelstelle erfolgt und da die Kraft unabhängig von
den Eigenschaften der Lichtleitfasern optimal eingestellt werden
kann, können
die Positionierfehler gering gehalten werden. Das Konzept erlaubt
Ausgestaltungen mit unterschiedlichen Anzahlen zu koppelnder Fasern.
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Als
weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich, dass durch die Integration
des Permanentmagneten in den Mantel der Faser der Gesamtaufbau des Schalters
sehr kompakt gestaltet werden kann. Insbesondere für komplexe
Verschaltungen, wie 1 × N-Schalter
mit großer
Anzahl von Anschlüssen
N, wird lediglich ein Permanentmagnet pro beweglicher Lichtleitfaser
benötigt.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend näher beschrieben, wobei auf
die beigefügten
Zeichnungen bezug genommen wird. Darin zeigen:
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1a einen Längsschnitt
eines ersten optischen Schalters in Form eines 1 × 2-Schalters,
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1b einen Querschnitt einer
ersten Variante des ersten optischen Schalters nach 1a,
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1c einen Querschnitt einer
zweiten Variante des ersten optischen Schalters nach 1a,
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2a die Lage der Pole der
Elektromagneten im ersten Schaltzustand des ersten optischen Schalters
nach 1a,
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2b die Lage der Pole der
Elektromagneten im zweiten Schaltzustand des ersten optischen Schalters
nach 1a,
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3a eine Querschnittansicht
eines zweites optischen Schalters in Form eines 1 × 8-Schalters,
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3b eine Querschnittansicht
in einer Ebene nahe der Koppelstelle zur Verdeutlichung der Lage
der Pole in einem Schaltzustand des 1 × 8-Schalters nach 3a,
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4a einen Längsschnitt
in der Ebene der Lichtleitfasern zur Verdeutlichung der Lage der
Magnetpole in einem ersten Schaltzustand eines dritten optischen
Schalters in Form eines 2 × 2-Schalters,
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4b einen Querschnitt nahe
der Koppelstelle auf der Seite der ankommenden Lichtleitfasern zur
Verdeutlichung der Lage der Magnetpole in einem ersten Schaltzustand
des 2 × 2-Schalters
nach 4a,
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4c einen Querschnitt nahe
der Koppelstelle auf der Seite der abgehenden Lichtleitfasern zur
Verdeutlichung der Lage der Magnetpole in einem ersten Schaltzustand
des 2 × 2-Schalters
nach 4a,
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4d einen Querschnitt nahe
der Koppelungsstelle auf der Seite der ankommenden Lichtleitfasern
zur Verdeutlichung der Lage der Magnetpole in einem zweiten Schaltzustand
des 2 × 2-Schalters nach 4a,
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4e einen Querschnitt nahe
der Koppelungsstelle auf der Seite der abgehenden Lichtleitfasern
zur Verdeutlichung der Lage der Magnetpole in einem zweiten Schaltzustand
des 2 × 2-Schalters nach 4a, und
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5 einen Längsschnitt
eines in die Lichtleitfaser eingearbeiteten Permanentmagneten.
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Gemäß 1a umfaßt ein optischer Schalter in
Form eines 1 × 2-Faserschalters
eine bewegliche Lichtleitfaser 1, die nahe ihrem Ende in
einer Aussparung einen röhrenförmigen Permanentmagneten 13 enthält. Die
Lichtleitfaser 1 wird bei dem in 1a gezeigten Schaltzustand S1 durch Anschlag an
die Positionierstruktur 41 des Grundkörpers 4 so positioniert,
dass ihre Stirnfläche 11 der
Stirnfläche 21 einer
Lichtleitfaser 2 direkt und koaxial gegenübersteht.
Die Lichtleitfaser 2 ist fest mit der Positionierstruktur 41 verbunden.
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Ein
dritte Lichtleitfaser 3 ist fest mit der Positionierstruktur 42 des
Grundkörpers 4 verbunden.
Im Schaltzustand S2 wird Lichtleitfaser 1 durch Anschlag
an die Positionierstruktur 42 der Lichtleitfaser 3 gegenübergestellt.
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Der
Antrieb des optischen Schalters besteht aus dem Permanentmagneten 13,
dem Elektromagneten 5 und dem Elektromagneten 6.
Die Elektromagneten 5 und 6 umfassen jeweils die
Spule 51 und 61 und die Kerne 52 bzw. 62.
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Zum
Umschalten des optischen 1 × 2-Schalters
werden beide Elektromagnete mit einem elektrischen Impuls gespeist.
Dabei wird die Polarität
des jeweiligen Impulses so gewählt,
dass der Permanentmagnet des Schaltkörpers von dem der alten Position zugeordneten
Elektromagneten abgestoßen
und von dem der neuen Position zugeordneten angezogen wird. 2 zeigt die Magnetpole nachdem
die Faser schon geschaltet hat, d.h. in die neue Position bewegt
wurde. Da diese Position auch nach dem Ausschalten erhalten bleibt,
was darauf zurückgeht,
dass der Permanentmagnet den Kern des nächstgelegenen Elektromagneten
am stärksten
anzieht, kann der Strom in diesem Moment abgeschaltet werden.
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Es
sind typisch Spannungsimpulse von 5 – 20 ms geeignet, bei einer
Stromstärke
von 10 – 500 mA.
Bezüglich
der Impulsform ist ein Rechteckimpuls aus technischer Sicht vorteilhaft.
Es können
jedoch auch andere Impulsformen (Sinushalbwelle, Dreieck, o.ä.) gewählt werden.
Entsprechende elektronische Bausteine zur Versorgung der Elektromagneten
mit entsprechenden Strompulsen sind in Form von Motortreibern bekannt.
Für die
vorliegende Anwendung wird erwartungsgemäß noch ein Controller hinzugefügt werden.
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Die 1b und 1c zeigen zwei verschieden geformte,
geeignete Grundkörper 4 für einen
1 × 2-Schalter
im Schnitt senkrecht zur beweglichen Faser 1, sowie die
entsprechenden Anordnungen der Elektromagneten 5 und 6.
In beiden Fällen
kann es sich für
die Montage als nützlich
erweisen, den Grundkörper 4 zweiteilig
herzustellen, die Fasern 1, 2, und 3 zu
montieren und den Grundkörper 4 erst dann
zusammenzufügen.
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Das
Schalten geschieht durch elektrischen Stromfluß durch die Spulen 51 und 61 des
Antriebs 2. Die 2a und 2b zeigen die Lage der magnetischen
Pole der Elektromagneten 5 und 6 sowie des Permanentmagneten 13 in
den beiden Schaltzuständen
des Schalters.
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Die
Wahl von weichmagnetischen Kernen führt insbesondere zu einem bistabilen
Verhalten des optischen Schalters, bei dem der Schaltzustand auch ohne
weiteren Stromfluß erhalten
bleibt. Die Ausrichtung der Magnete parallel zur Achse der Lichtleitfasern
führt zu
einem besonders kompakten Aufbau des Schalters.
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Einen
weiteren optischen Schalter in Form eines 1 × 8-Schalters zeigt 3a im Querschnitt durch
die bewegliche Faser. Gestrichelt ist dabei die durch die Aufhängung bestimmte
Ruhelage 19 der Faser gezeigt, die sich ergibt, wenn die
Elektromagnete 7 kein magnetisches Feld erzeugen, insbesondere
also vor dem ersten Schalten des Schalters. Auch im Falle des 1 × 8-Schalters
lässt sich
durch Wahl weichmagnetischer Kernmaterialien ein multistabiles Schaltverhalten
erreichen. Die Lage der magnetischen Pole in einem der acht ausgezeichneten Schaltzustände zeigt 3b in einem Schnitt durch den
Schalter am Ort des Südpols
des Permanentmagneten 13. Die Erfindung lässt sich
allgemein auf Schalter des Typs 1 × N anwenden.
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Einen
weiteren optischen Schalter in Form eines 2 × 2-Schalters zeigt 4a. Alle vier Lichtleitfasern 1, 2, 3 und 8 weisen
Permanentmagneten 13, 23, 33 bzw. 83 auf. 4b zeigt die Lage der Lichtleitfasern 1 und 8 im
Schaltzustand S1 in einem Schnitt entlang der Linie A-A in 4a. Die beiden Lichtleitfasern 1 und 8 sind
an der Wand 43 des Grundkörpers 4 befestigt. 1' und 8' bezeichnen die Projektion
der jeweiligen Befestigungspositionen in die gezeigte Schnittebene. 4c zeigt die entsprechenden
Positionen der Fasern 2 und 3 in einem Schnitt
entlang der Linie B-B aus der gleichen Blickrichtung wie in 4b. Die Lichtleitfaser 1 ist
im Schaltzustand S1 mit den Lichtleitfaser 2 gekoppelt, Lichtleitfaser 8 mit
Lichtleitfaser 3. 2' und 3' bezeichnen
die Projektion der jeweiligen Befestigungspositionen in die gezeigte
Schnittebene. Durch entgegengesetzte Ansteuerung der Elektromagneten 7 ergeben
sich im Schaltzustand S2 die in 4d und 4e gezeigten Positionen.
Nun ist Lichtleitfaser 1 mit Lichtleitfaser 3 und
Licht leitfaser 8 mit Lichtleitfaser 2 gekoppelt.
Die Wahl der Befestigungspositionen stellt sicher, dass die Lichtleitfasern
sich beim Umpolen nur zwischen den gezeigten Positionen bewegen.
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Die
beschriebene Aussparung lässt
sich für Lichtleitfasern
aus Glas z.B. durch nasschemisches Ätzen in Flusssäure erzielen,
wobei die nicht zu ätzenden
Regionen der Lichtleitfaser mit Fotolack maskiert werden. Das permanentmagnetische
Material kann z.B. galvanisch aufgebracht werden oder in Form eines
polymergebundener Pulvers durch Mikrospritzguss. Im Falle von vergleichsweise
dicken Lichtleitfasern, etwa mit einem Durchmesser von mehreren
100 μm,
ist auch die Montage von vorgefertigten Magnethalbschalen an die
Lichtleitfaser möglich.
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Da
die Lichtleitfaser über
ihren Mantel positioniert wird, müssen die Einschnürung und
der Magnet nicht mit der gleichen hohen Präzision wie der Mantel der Lichtleitfaser
gefertigt werden, solange gewährleistet
ist, dass der Magnet die Lichtleitfaser nicht überragt.
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Für alle gezeigten
Ausführungsbeispiele
gilt, daß geringe
optische Verluste der Schalter sich dann erzielen lassen, wenn der
Spalt zwischen den gekoppelten Fasern möglichst klein ist. Dies kann
durch entsprechende geometrische Auslegung des Schalters geschehen,
oder auch dadurch, dass die freien Enden der Lichtleitfasern nach
ihrer Positionierung in radialer Richtung axial aufeinander zubewegt
werden. Durch das Befüllen
des Grundkörpers
mit indexangepassten Flüssigkeiten
oder das Aufbringen von Antireflexschichten lassen sich die optischen
Eigenschaften hinsichtlich Verlusten und Rückreflexion verbessern. Darüber hinaus
können
indexangepasste Flüssigkeiten
den möglichen
mechanischen Abrieb vermindern. Durch Einbringen mehrerer Lichtleitfasern
in die Haltestrukturen, z.B. in Form eines Faserbändchens,
ist ein gleichzeitiges Schalten von Lichtleitfasergruppen auf Lichtleitfasergruppen
möglich.