DE10063734A1 - Optischer Umschalter und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen optischen Umschalter und Verfahren zu dessen Betrieb. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Umschalter mit einer größeren Kanal-Anzahl zu schaffen, welcher zugleich kleine Außenabmessungen und eine erhöhte geometrische Präzision der Relativbewegung der zweiten Lichtleitfaser gegenüber dem Array erster Lichtleitfasern aufweist und somit eine optimierte wahlweise Einkopplung von Licht in bestimmten auszuwählenden Paarungen von Lichtleitfasern ermöglicht. Diese Aufgabe wird bei einem optischen Umschalter mit einem vorzugsweise zweidimensionalen Array einer Anzahl erster Lichtleitfasern, deren Stirnflächen in einer Ebene liegen, welcher die Stirnfläche einer zweiten Lichtleitfaser zwecks optischer Kopplung gegenüberliegt und zu jeder der Stirnflächen der ersten Lichtleitfasern hin bewegbar ist, dadurch gelöst, daß die Stirnfläche(n) (8) der passiven (Licht empfangenden) Lichtleitfaser(n) (2 bzw. 3) von photoelektrischen Empfängern (7) für den Empfang von Licht aus der (den) aktiven (Licht aussendenden) Lichtleitfaser(n) (3 bzw. 2) umgeben ist (sind). Die Erfindung ist insbesondere in der Nachrichtenübertragung mittels Lichtleitfasern sowie in der Meßtechnik mittels optischer Verfahren anwendbar.
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Umschalter mit einem
vorzugsweise zweidimensionalen Array einer Anzahl erster
Lichtleitfasern, deren Stirnflächen in einer Ebene liegen, welcher die
Stirnfläche einer zweiten Lichtleitfaser zwecks optischer Kopplung
gegenüberliegt und zu jeder der Stirnflächen der ersten Lichtleitfasern hin
bewegbar ist. Der Begriff "Optischer Umschalter" wird hier in dem Sinne
verwandt, daß insbesondere mit bestimmten Informationen frequenz-,
amplituden- und/oder impulsmoduliertes Licht entweder aus der zweiten
Lichtleitfaser selektiv in eine der ersten Lichtleitfasern des Arrays
eingekoppelt werden soll oder daß in den ersten Lichtleitfasern des
Arrays ankommendes, beispielsweise mit unterschiedlichen
Informationen moduliertes Licht selektiv von der einzigen zweiten
Lichtleitfaser weitergeleitet werden soll. Wichtige Anwendungsgebiete
solcher optischen Umschalter sind beispielsweise die
Nachrichtenübertragung mittels Licht oder die Auswertung der Meßwerte
von Meßverfahren, welche auf optischen Prinzipien beruhen. Die
Erfindung umfaßt auch Verfahren zum Betrieb solcher optischen
Umschalter.
Bisher sind im wesentlichen optische Umschalter mit einer
eindimensionalen, also zeilenartigen Anordnung der Gruppe erster
Lichtleitfasern bekannt. Die einzelne zweite Lichtleitfaser wird
beispielsweise mittels eines Schrittmotors an dieser Zeile entlang bewegt
(US 5.664.033 A), wobei Anordnungen von bis zu 100 Lichtleitfasern in
einer Zeile bekannt geworden sind. Eine solche Zeile hat naturgemäß
eine sehr große Längenausdehnung, der Stellmotor ist voluminös,
aufwendig und relativ langsam (Schaltzeit etwa 10 ms).
Bei einer anderen bekannt gewordenen technischen Lösung erfolgt die
Stellbewegung mittels Piezoaktoren zwischen zwei durch Anschläge
begrenzten Endlagen (US 6.044.186 A). Damit sollen Schaltzeiten von
3 ms und besser erreichbar sein, was auch plausibel ist, aber die Anzahl
der Kanäle (der ersten Lichtleitfasern), zwischen denen umgeschaltet
werden kann, ist hier bei einer eindimensionalen Anordnung prinzipiell
auf zwei und in einer zweidimensionalen Anordnung prinzipiell auf vier
begrenzt.
Eine höhere Anzahl von Kanälen läßt sich bei diesem Prinzip durch eine
Kaskadenanordnung mehrerer solcher Umschalter realisieren. Dabei
kommt man jedoch infolge der zusätzlich auftretenden Dämpfung sehr
bald an Realisierungsgrenzen, die bei der Umschaltung zwischen etwa
acht bis neun Kanälen liegen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen optischen
Umschalter mit einer größeren Kanal-Anzahl als beim letztgenannten
Stand der Technik zu schaffen, welcher zugleich kleine
Außenabmessungen und eine erhöhte geometrische Präzision der
Relativbewegung der zweiten Lichtleitfaser gegenüber dem Array erster
Lichtleitfasern aufweist und somit eine optimierte wahlweise
Einkopplung von Lieht in bestimmten auszuwählenden Paarungen von
Lichtleitfasern ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der
Patentansprüche 1 6 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind von
den nachgeordneten Ansprüchen erfaßt.
Durch die Erfindung wird die zweite Lichtleitfaser über das Array der
ersten Lichtleitfasern vorzugsweise sowohl in x- als auch in y-Richtung
mittels Aktoren, insbesondere piezoelektrische Aktoren, ohne körperliche
Anschläge jeweils über eine oder mehrere der ersten Lichtleitfasern
hinwegbewegt. Die genaue Einstellung über einer bestimmten
Lichtleitfaser aus diesem Array erfolgt über einen Regelkreis, welcher
beispielsweise die Streulichtwerte vergleicht, die aus der zweiten
Lichtleitfaser auf photoelektrische Empfänger an vier Seiten einer ersten
Lichtleitfaser aus dem Array einfallen.
Selbstverständlich ist auch eine Umkehrung dieses Prinzips möglich,
indem Streulicht aus den ersten Lichtleitfasern des Arrays von
photoelektrischen Empfängern, welche rund um die bewegte,
einzustellende zweite Lichtleitfaser herum angeordnet sind,
aufgenommen wird.
Herstellungstechnisch besonders zweckmäßig und präzise ist die
Verwendung eines Arrays aus mindestens zwei identisch ausgebildeten
aufeinanderliegenden Plättchen, in die jeweils parallel zueinander
ausgerichtete spaltförmige Ausnehmungen eingebracht sind, wobei die
spaltförmigen Ausnehmungen des ersten Plättchens und des zweiten
Plättchens zueinander orthogonal ausgerichtet sind und in die dadurch
gebildeten fluchtenden Durchführungen Lichtleitfasern eingebracht und
formschlüssig vergossen sind, wobei die maximal einbringbare Anzahl
von Lichtleitfasern dem Quadratprodukt aus der Anzahl der
spaltförmigen Ausnehmungen eines Plättchens entspricht, wie es in der
schwebenden Patentanmeldung DE 199 25 015.4 beschrieben ist.
Der Raumbedarf der erfindungsgemäßen Lösung ist sehr gering. Eine
Anordnung, wie sie nachfolgend als Ausführungsbeispiel dargestellt wird,
läßt sich durchaus in etwa einem Kubikzentimeter unterbringen. Sowohl
die photoelektrischen Empfänger als auch die erforderlichen Aktoren
lassen sich mit Abmessungen im Submillimeterbereich ausführen und
letztere ermöglichen Verstellbewegungen mit einer Genauigkeit im
Mikrometerbereich.
Die prinzipiell höhere Geschwindigkeit der für die Anwendung der
Erfindung bevorzugten zweidimensionalen Anordnung gegenüber einem
eindimensionalen Array nach dem Stand der Technik ergibt sich aus der
folgenden "worst case"-Betrachtung:
Eindimensionale Anordnung: Schaltzeit ~ Kanalanzahl - 1
Zweidimensionale Anordnung: Schaltzeit ~ (Wurzel aus Kanalanzahl) - 1
Eindimensionale Anordnung: Schaltzeit ~ Kanalanzahl - 1
Zweidimensionale Anordnung: Schaltzeit ~ (Wurzel aus Kanalanzahl) - 1
Da die Aktoren in beiden Koordinatenrichtungen gleichzeitig betätigt
werden können, ist bei der beispielhaften Ausführung mit 16 Kanälen die
zweidimensionale Variante im "worst case" fünfmal schneller als die
eindimensionale.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren gestattet weiterhin auch eine
gleichsam digitale Rückmeldung und Steuerung durch Auswertung des
photoelektrischen umgewandelten "Haupt-Lichtstromes" der auf dem
Weg zum Ziel in Gestalt einer bestimmten ersten Lichtleitfaser
überfahrenen anderen ersten Lichtleitfasern des Arrays.
Die Erfindung soll anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert
werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine isometrische perspektivische Ansicht einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen
Umschalters und
Fig. 2 eine Stirnseitenansicht der zweiten Lichtleitfaser einer
anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen
Umschalters.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird zunächst eine Ausführungsform der
Erfindung beschrieben, bei welcher ein Array 1 aus 16 ersten
Lichtleitfasern 2 in passiver, d. h. Licht empfangender Funktion in
zweidimensionaler Anordnung besteht. Das Array 1 ist in zweckmäßiger
Weise entsprechend der schwebenden Patentanmeldung DE 199 25 015.4
aufgebaut, indem mindestens zwei identisch ausgebildete
aufeinanderliegende Plättchen 4 und 5, in die jeweils paralell zueinander
ausgerichtete spaltförmige Ausnehmungen 6 eingebracht sind, wobei die
spaltförmigen Ausnehmungen 6 des ersten Plättchen 4 und des zweiten
Plättchens 5 (dessen spaltförmige Ausnehmungen in Fig. 1 nicht sichtbar
sind) zueinander orthogonal ausgerichtet sind und in die dadurch
gebildeten fluchtenden Durchführungen Lichtleitfasern 2 eingebracht und
formschlüssig vergossen sind, wobei die maximal einbringbare Anzahl
von Lichtleitfasern 2 dem Quadratprodukt aus der Anzahl der
spaltförmigen Ausnehmungen 6 eines Plättchens 4 bzw. 5 entspricht.
Selbstverständlich läßt sich die Erfindung auch mit anderen ein- und
insbesondere zweidimensionalen Arrays verwirklichen.
Eine zweite Lichtleitfaser 3 nimmt die aktive Funktion wahr, d. h. sie
sendet bspw. durch nachrichten- oder meßtechnische Anwendungen
moduliertes Licht aus, welches zur weiteren Nutzung bzw. Verarbeitung
in eine bestimmte erste Lichtleilfaser 2 des Arrays I eingekoppelt werden
soll. Dazu kann die zweite Lichtleitfaser 3, wie durch Pfeile angedeutet,
durch nicht dargestellte Piezoaktoren in den beiden
Koordinatenrichtungen x und y bewegt werden. Erfindungswesentlich
sind photoelektrische Empfänger 7, welche die Stirnflächen 8 der ersten,
passiven Lichtleitfasern 2 des Arrays 1 umgeben und zwar vorzugsweise,
wie in Fig. 1 angedeutet, von allen vier Seiten. Die photoelektrischen
Empfänger 7 sind über Leiterbahnen 9 mit nicht dargestellten
Auswertungsschaltungen verbunden, weiche nach dem ersten
erfindungsgemäßen Verfahren eine präzise Positionierung der zweiten
Lichtleitfaser 3 über einer bestimmten ersten Lichtleitfaser 2 des Arrays 1
ermöglichen, indem ein Lage-Regelkreis solange Signale an die
piezoelektrischen Aktoren gibt, bis der von den vier photoelektrischen
Empfängern 7 an den vier Seiten einer ersten Lichtleitfaser 2 empfangene
Lichtstrom von Streulicht aus der zweiten Lichtleitfaser 3 genau gleich
ist.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die photoelektrischen Empfänger
7 nur in der (von rechts beginnend) zweiten Kolonne der Stirnflächen 8
der ersten Lichtleitfasern 2 dargestellt. Desgleichen sind die Leiterbahnen
9 nur bei den photoelektrischen Empfängern 7 für die unterste Stirnfläche
8 in dieser Kolonne dargestellt. Es versteht sich von selbst, daß in der
Realität alle Stirnflächen 8 des Arrays 1 von der gleichen Anordnung
photoelektrischer Empfänger 7 mit Leiterbahnen 9 umgeben sind, um die
Funktion der Anordnung zu gewährleisten.
Nach dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren körnen die Signale der
photoelektrischen Empfänger 7 auch gewissermaßen digital ausgewertet
werden, indem die Durchgänge des "Haupt"-Lichtstromes der ersten
Lichtleitfaser 2 über verschiedenen photoelektrischen Empfängern 7
gezählt und die Zählwerte zunächst zur Grobpositionierung der zweiten
Lichtleitfaser 3 über einer bestimmten ersten Lichtleitfaser 2 des Arrays 1
ausgewertet werden.
Die Fig. 2 dient der Beschreibung einer funktionellen Umkehrung der
bisher beschriebenen Ausführungsform. Das Array 1 der ersten
Lichtleitfasern 2 ist nunmehr aktiv, d. h. einige oder alle dieser
Lichtleitfasern 2 senden ggf. moduliertes Licht aus, welches jeweils aus
einer bestimmten ersten Lichtleitfaser 2 des Arrays 1 in die bewegbare
zweite Lichtleitfaser 3 eingekoppelt werden soll. Das Array 1 trägt
demzufolge keine photoelektrischen Empfänger 7, wie es in Fig. 1
vereinfachend für die meisten der Lichtleitfaser-Stirnflächen 7 dargestellt
ist. Diese sind vielmehr rund um die zweite Lichtleitfaser 3 angeordnet,
welche mit einer entsprechenden verbreiterten Halterung 10 (in Fig. 2 in
Unteransicht dargestellt) in x- und y-Richtung über das Array 1 hinweg
zur ausgewählten ersten Lichtleitfaser 2 geführt wird.
1
Array
2
erste Lichtleitfaser
3
zweite Lichtleitfaser
4
erstes Plättchen
5
zweites Plättchen
6
spaltförmige Ausnehmung
7
photoelektrischer Empfänger
8
Stirnfläche einer Lichtleitfaser
9
Leiterbahn
10
Halterung
Claims (7)
1. Optischer Umschalter mit einem vorzugsweise zweidimensionalen
Array einer Anzahl erster Lichtleitfasern, deren Stirnflächen in einer
Ebene liegen, welcher die Stirnfläche einer zweiten Lichtleitfaser
zwecks optischer Kopplung gegenüberliegt und zu jeder der
Stirnflächen der ersten Lichtleitfasern hin bewegbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stirnfläche(n) (8) der passiven (Licht
empfangenden) Lichtleitfaser(n) (2 bzw. 3) von photoelektrischen
Empfängern (7) für den Empfang von Licht aus der (den) aktiven
(Licht aussendenden) Lichtleitfaser(n) (3 bzw. 2) umgeben ist (sind).
2. Optischer Umschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die ersten Lichtleitfasern (2) die passiven Lichtleitfasern sind und die
zweite Lichtleitfaser (3) die aktive Lichtleitfaser ist.
3. Optischer Umschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die ersten Lichtleitfasern (2) die aktiven Lichtleitfasern sind und die
zweite Lichtleitfaser (3) die passive Lichtleitfaser ist.
4. Optischer Umschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lichtleitfaser (3) mittels
piezoelektrischer Aktoren bewegbar ist.
5. Optischer Umschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Lichtleitfasern (2) in einem
zweidimensionalen Array (1) von einem Halte- und Positioniermittel
aufgenommen sind, welches durch mindestens zwei identisch
ausgebildete aufeinanderliegende Plättchen (4, 5) gebildet ist, in die
jeweils parallel zueinander ausgerichtete spaltförmige Ausnehmungen
(6) eingebracht sind, wobei die spaltförmigen Ausnehmungen (6) des
ersten Plättchen (4) und des zweiten Plättchens (5) zueinander
orthogonal ausgerichtet sind und in die dadurch gebildeten fluchtenden
Durchführungen die Lichtleitfasern (2) eingebracht und formschlüssig
vergossen sind, wobei die maximal einbringbare Anzahl von
Lichtleitfasern (2) dem Quadratprodukt aus der Anzahl der
spaltförmigen Ausnehmungen (6) eines Plättchens (4, 5) entspricht.
6. Verfahren zum Betrieb eines optischen Umschalters nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Streulicht einer
aktiven Lichtleitfaser (3 bzw. 2) von photoelektrischen Empfängern (7)
aufgenommen und zur Zentrierung der Achse der aktiven Lichtleitfaser
(3 bzw. 2) in bezug auf die Achse einer passiven Lichtleitfaser (2 bzw.
3) ausgewertet wird.
7. Verfahren zum Betrieb eines optischen Umschalters nach einem der
Ansprüche 1 bis 5 gegebenenfalls in Verbindung mit dem Verfahren
nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Licht einer oder
mehrerer aktiven Lichtleitfaser(n) (3 bzw. 2) von photoelektrischen
Empfängern (7) aufgenommen und durch Zählung der bei der
Bewegung zu einer bestimmten ersten Lichtleitfaser (2) überfahrenen
erster Lichtleitfasern (2) des Arrays (1) ausgewertet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000163734 DE10063734C2 (de) | 2000-12-18 | 2000-12-18 | Optischer Umschalter und Verfahren zu dessen Betrieb |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE10063734A1 true DE10063734A1 (de) | 2002-07-11 |
DE10063734C2 DE10063734C2 (de) | 2002-10-31 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2000163734 Expired - Fee Related DE10063734C2 (de) | 2000-12-18 | 2000-12-18 | Optischer Umschalter und Verfahren zu dessen Betrieb |
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DE (1) | DE10063734C2 (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2004029685A1 (en) * | 2002-09-27 | 2004-04-08 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Optical element, method for manufacturing such an element and a method for aligning a light beam and such an element |
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- 2000-12-18 DE DE2000163734 patent/DE10063734C2/de not_active Expired - Fee Related
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CN100422780C (zh) * | 2002-09-27 | 2008-10-01 | 皇家飞利浦电子股份有限公司 | 光学元件、制造这种光学元件的方法、以及对齐光束与这种光学元件的方法 |
Also Published As
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---|---|
DE10063734C2 (de) | 2002-10-31 |
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