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Die Erfindung betrifft eine optische Schaltanordnung mit einer Mehrzahl von Anschlüssen für optische Signale, um über einen oder mehrere Anschlüsse in die Schaltanordnung eintretende optische Signale an auswählbaren anderen Anschlüssen auszugeben. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen optischen Schaltanordnung.
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Aus Paul M. Hagelin et al. ”Scalable Optical Cross-Connect Switch Using Micromachined Mirrors” aus IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol. 12, Nr. 7, Juli 2000, Seiten 882 bis 884 ist eine optische Schaltanordnung zur wahlweisen Verbindung einer Mehrzahl optischer Eingänge und Ausgänge bekannt. Die Anordnung umfasst eine erste und eine zweite Gruppe optischer Fasern, deren Faserenden in einem ersten bzw. zweiten Faserendenfeld angeordnet sind. Ein erstes Feld von Strahlablenkern ist derart angeordnet, dass von einem jeden Faserende der ersten Gruppe optischer Fasern austretende Strahlung im Wesentlichen auf einen einzigen Strahlablenker des ersten Ablenkerfelds trifft. Die Strahlablenker des ersten Ablenkerfelds sind jeweils derart ansteuerbar, dass die auf einen jeden Strahlablenker des ersten Ablenkerfelds treffende Strahlung wahlweise auf einen bestimmten Strahlablenker eines zweiten Ablenkerfelds trifft. Ein jeder Strahlablenker des zweiten Ablenkerfelds ist jeweils einem einzigen Faserende der zweiten Gruppe optischer Fasern zugeordnet und ist derart ansteuerbar, dass von einem Strahlablenker des ersten Ablenkerfelds her auf diesen treffende Strahlung in das ihm zugeordnete Faserende der zweiten Fasergruppe einkoppelbar ist. Durch entsprechende Ansteuerung der Strahlablenker des ersten und des zweiten Ablenkerfelds kann somit eine jede optische Faser der ersten Gruppe wahlweise mit einer jeden optischen Faser der zweiten Gruppe optisch verbunden werden.
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In dem optischen Weg zwischen dem ersten Faserendenfeld und dem ersten Ablenkerfeld ist eine Optik mit zwei Linsen vorgesehen, welche jeweils von sämtlichen von den Faserenden des ersten Faserendenfelds austretenden Strahlen durchsetzt werden. Diese Optik dient dazu, die von den Faserenden austretende Strahlung jeweils zu einem Gauß'schen Strahl zu formen und diesen auf den entsprechenden Strahlablenker des ersten Ablenkerfelds zu richten. Eine entsprechende zweite Optik ist in dem optischen Weg zwischen dem zweiten Ablenkerfeld und dem zweiten Faserendenfeld vorgesehen. Diese dient dazu, die von den Strahlablenkern des zweiten Ablenkerfelds reflektierten Gauß'schen Strahlen in die entsprechenden Faserenden der zweiten Fasergruppe einzukoppeln.
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Ein bei einer solchen Schaltanordnung einsetzbares Feld aus Strahlablenkern weist einen gegebenen Abstand zwischen benachbarten Strahlablenkern, einen maximalen Ablenkwinkel, um den ein jeder Strahlablenker einen auftreffenden Strahl aus einer Ruhelage des Strahlablenkers ablenken kann, und eine gegebene Genauigkeit auf, mit der ein jeder Strahlablenker den Ablenkwinkel für einen auftreffenden Strahl einstellen kann. Die Formung der Gauß'schen Strahlung durch die Optik ist auf die optische Weglänge zwischen den Faserenden der beiden Faserendenfelder und den Abständen zwischen in einem Faserendenfeld benachbarten Faserenden derart abzustimmen, dass von der in ein bestimmtes Faserende einzukoppelnden Strahlung ein möglichst geringer Teil in andere Faserenden eingekoppelt wird, die diesem bestimmten Faserende in dem Feld benachbart angeordnet sind.
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Die oben angeführten Gesichtspunkte limitieren die Zahl der optischen Fasern, die durch die herkömmliche Schaltanordnung miteinander verschaltet werden können.
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US 6,097,859 A offenbart eine optische Schaltanordnung, bei der aus Faserenden austretendes Licht zuerst Mikrolinsen und dann eine erste Objektivlinse durchsetzt, bis es auf ein Beugungsgitter trifft, um danach eine zweite Objektivlinse zu durchsetzen und auf ein Feld von Strahlablenkern zu treffen. Die Objektivlinsen bilden das Feld von Faserenden auf das Feld von Strahlablenkern ab, und die Mikrolinsen sind mit einem Abstand von den Faserenden angeordnet, der kleiner ist als die Brennweite der Mikrolinsen, so dass die Faserenden durch eine virtuelle Abbildung vergrößert auf das Beugungsgitter abgebildet werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Schaltanordnung anzugeben, welche eine Erhöhung der Zahl der wahlweise miteinander verschaltbaren optischen Anschlüsse zulässt oder/und eine Erhöhung der in einem ausgewählten Anschluss einkoppelbaren Strahlungsintensität zulässt oder/und einen kompakteren Aufbau einer Schaltanordnung bei einer gegebenen Zahl optischer Anschlüsse ermöglicht.
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Die Erfindung stellt zur Lösung dieser Aufgabe eine optische Schaltanordnung gemäß dem beiliegenden Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser optischen Schaltanordnung sind in den beiliegenden abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 angegeben. Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Betreiben dieser optischen Schaltanordnung gemäß dem beiliegenden Anspruch 9 bereit.
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Ein jeder Strahlablenker des Strahlablenkerfelds weist einen optisch wirksamen Bereich auf, in dem er auf einen einfallenden Strahl ablenkend wirksam sein kann. Ein jeder Strahlablenker beansprucht in dem Ablenkerfeld jedoch geometrisch eine größere Fläche als die optisch wirksame Fläche des Strahlablenkers, da für den Strahlablenker auch Platz für etwa eine Stellmechanik und eine Haltestruktur vorzusehen ist. Die gesamte optisch wirksame Fläche des Ablenkerfelds ist somit kleiner als die geometrische Fläche des Ablenkerfelds, das heißt ein ”Füllfaktor” des Ablenkerfelds ist kleiner als 1.
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Entsprechend ist auch die optisch wirksame Fläche des Anschlussendenfelds, das heißt die Fläche, aus der Strahlung aus dem Anschlussendenfeld austritt, kleiner als die geometrische Fläche des Anschlussendenfelds, das heißt der Füllfaktor des Anschlussendenfelds ist ebenfalls kleiner als 1 und im Allgemeinen kleiner als der Füllfaktor des Ablenkerfelds. Durch die Zusammenwirkung des Linsenfelds mit dem Objektiv ist es nun möglich, die beiden unterschiedlichen Füllfaktoren optisch aneinander anzupassen und somit eine verbesserte Ausnutzung der optisch wirksamen Flächen sowohl des Anschlussendenfelds als auch des Ablenkerfelds zu erreichen. Ferner kann die Optik noch eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung bereitstellen, um unterschiedliche Abstände der Anschlussenden in dem Anschlussendenfeld und der Strahlablenker in dem Ablenkerfeld aneinander anzupassen.
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Ferner ist es durch die Zusammenwirkung zwischen dem Objektiv und den einzelnen Mikrolinsen möglich, einen Abstand zwischen der Mikrolinse und einer Strahltaille des von der Mikrolinse geformten kollimierten Strahls unabhängig von einem Durchmesser der Mikrolinse einzustellen. Hierdurch kann die Packungsdichte des Anschlussendenfelds hoch gewählt werden, ohne dass der Abstand der Strahltaille von der Mikrolinse unakzeptabel kurz bzw. eine Divergenz des Strahls hinter der Strahltaille unakzeptabel hoch wird.
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Das Linsenfeld ist in der Objektebene des Objektivs angeordnet, und das Ablenkerfeld ist in der Bildebene des Objektivs angeordnet. Es wird somit eine jede Mikrolinse bzw. die aus dieser austretenden Strahlung auf den dieser Mikrolinse zugeordneten Strahlablenker abgebildet. Hierdurch ist die Ausrichtung der von dem Anschlussende emittierten Strahlung auf den diesem Anschlussende zugeordneten Strahlablenker in erhöhtem Maße unabhängig von Fehlern in der Ausrichtung zwischen dem Anschlussende und der diesem zugeordneten Mikrolinse. Solche Fehler in der Ausrichtung können beispielsweise darin bestehen, dass das Anschlussende bezüglich einer optischen Achse der Mikrolinse lateral versetzt ist oder das Anschlussende Strahlung in eine Richtung emittiert, die einen Winkel zu der optischen Achse der Mikrolinse aufweist.
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Die Anordnung des Linsenfelds in der Objektebene des Objektivs ist hierbei sicherlich lediglich eine grobe Anleitung, die exakt nicht zu erfüllen ist, da ja die Mikrolinsen selbst eine Ausdehnung in Richtung der optischen Achse des Objektivs aufweisen. Gleiches gilt für die Anordnung des Ablenkerfelds in der Bildebene. Da das Ablenkerfeld meist geneigt zur optischen Achse des Objektivs angeordnet ist, ergeben sich hierdurch selbstverständlich zumindest für einige Ablenker in dem Ablenkerfeld deutliche Abweichungen aus der Bildebene heraus.
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Vorteilhafterweise kollimiert die Mikrolinse die von dem Anschlussende austretende Strahlung zu einem fokussierten Gauß'schen Strahl mit einer Strahltaille, wobei die Mikrolinse und das Objektiv derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Strahltaille von dem Objektiv weiter entfernt angeordnet ist als die Bildebene oder/und das Ablenkerfeld. Im Hinblick auf eine möglichst hohe optische Ausnutzung des zur Verfügung stehenden optischen Füllfaktors formen die Mikrolinse und das Objektiv die Gauß'schen Strahlen zusammen derart, dass die Strahltaille von der Bildebene des Objektivs oder/und dem Ablenkerfeld einen Abstand aufweist, der etwa einer Rayleigh-Länge ρ des Strahls entspricht. Die Rayleigh-Länge ist hier definiert als
wobei w
0 der Abstand von der Strahlachse an der Strahltaille (”beam waist”) ist, an dem die elektrische Feldstärke gleich
1 / e der Feldstärke auf der Achse ist, und wobei λ die Wellenlänge der Strahlung ist.
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Bei einem bevorzugten Aufbau der optischen Schaltanordnung sind auch Anschlussenden der zweiten Gruppe optischer Anschlüsse in einem zweiten Anschlussendenfeld angeordnet, und es ist ferner ein zweites Feld aus einer Mehrzahl von optischen Strahlablenkern vorgesehen. Von den Strahlablenkern ist ein jeder jeweils einem einzigen Anschlussende der zweiten Gruppe optischer Anschlüsse optisch fest zugeordnet und derart ansteuerbar, dass ein von dem ersten Ablenkerfeld her auf diesen Strahlablenker treffender Strahl in das diesem Strahlablenker zugeordnete Anschlussende eingekoppelt wird.
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Hierzu ist vorzugsweise zwischen dem zweiten Ablenkerfeld und dem zweiten Anschlussendenfeld eine zweite Optik vorgesehen, welche ein zweites Linsenfeld aus einer Mehrzahl von Mikrolinsen umfasst, wobei eine jede Mikrolinse des zweiten Linsenfelds vor jeweils einem Anschlussende des zweiten Anschlussendenfelds angeordnet ist, um den von dem Strahlablenker des zweiten Ablenkerfelds kommenden Strahl mit reduzierten Einkoppelverlusten in das Anschlussende einzukoppeln.
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Die zweite Optik umfasst vorzugsweise ferner ein zweites Objektiv mit einer Mehrzahl Objektivlinsen, welche jeweils von sämtlichen in die Anschlussenden der zweiten Anschlussgruppe eingekoppelten Strahlung durchsetzt werden.
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Wie auch bei der ersten Optik ermöglicht es die Zusammenwirkung der Komponenten der zweiten Optik, nämlich der Mikrolinsen und des Objektivs, die optischen Füllfaktoren des zweiten Faserendenfelds und des zweiten Ablenkerfelds aneinander anzupassen.
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Im Hinblick auf eine hohe Packungsdichte bzw. eine hohe Zahl miteinander verschaltbarer optischer Anschlüsse ist es vorteilhaft, dass die Schaltanordnung symmetrisch aufgebaut ist. Es ist dann der Strahlengang zwischen dem ersten Anschlussendenfeld und dem ersten Ablenkerfeld symmetrisch zu dem Strahlengang zwischen dem zweiten Anschlussendenfeld und dem zweiten Ablenkerfeld angeordnet. Auch weisen die erste und die zweite Optik einen zueinander symmetrischen Aufbau auf, und zwar vorzugsweise derart, dass die Strahltaille des von der ersten Optik geformten Strahls in etwa mittig zwischen dem ersten und dem zweiten Ablenkerfeld angeordnet ist.
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Das Objektiv kann sich dadurch auszeichnen, dass Strahlen, die die Objektebene mit Abstand von der optischen Achse und parallel zu dieser durchsetzen, durch das Objektiv in Strahlen überführt werden, die die Bildebene ebenfalls mit Abstand von der optischen Achse, allerdings unter einem Winkel zur optischen Achse hin gerichtet durchsetzen. Objektseitig weist das Objektiv damit einen telezentrischen Strahlengang auf, während es bildseitig einen von einem telezentrischen Strahlengang abgewandelten konvergenten Strahlengang aufweist. Diese Eigenschaft des abgewandelten telezentrischen Strahlengangs soll nachfolgend mit ”hyper-telezentrisch” bezeichnet werden.
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Vorteilhafterweise ist der Winkel, mit dem ein die Objektebene parallel zur optischen Achse durchsetzender Strahl die Bildebene zur optischen Achse hin geneigt durchsetzt umso größer, je größer der Abstand von der optischen Achse ist, mit dem dieser Strahl die Objektebene durchsetzt.
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Weiter bevorzugt schneiden sich sämtliche Strahlen, die die Objektebene mit unterschiedlichen Abständen von der optischen Achse und parallel zu dieser durchsetzen, in im Wesentlichen in etwa einem Punkt, der auf der optischen Achse hinter der Bildebene angeordnet ist.
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Ein möglicher Einsatzbereich des einseitig telezentrischen und anderseitig hypertelezentrischen Objektivs ist in der vorangehend geschilderten Schaltanordnung gegeben. Wird nämlich das Anschlussendenfeld der optischen Schaltanordnung auf der telezentrischen Seite des Objektivs angeordnet, und das Ablenkerfeld auf der hypertelezentrischen Seite des Objektivs angeordnet, so verlaufen von den Anschlussenden her parallel zur optischen Achse in das Objektiv eintretende Strahlen nach dem Objektiv zu der optischen Achse hin. Bei nicht aus ihrer Ruhelage ausgelenkten Strahlablenkern verlaufen diese Strahlen auch nach ihrer Wechselwirkung mit den jeweiligen Strahlablenkern auf die optische Achse zu. Es ist dann möglich, eine weitere als Feld ausgedehnte Komponente der optischen Schaltanordnung welche der zweiten Gruppe von optischen Anschlüssen zugeordnet ist, um die Strahlen in deren Anschlussenden einzukoppeln, in etwa in dem Bereich anzuordnen, in dem die auf die optische Achse zulaufenden Strahlen diese schneiden. Es würden dann bei nicht aus ihrer Ruhelage ausgelenkten Strahlablenkern des ersten Ablenkerfelds sämtliche Strahlen diese zweite ausgedehnte Komponente in deren Zentrum treffen. Ein am Rande des ersten Ablenkerfelds angeordneter Strahlablenker kann somit in sämtliche Richtungen aus seiner Ruhelage ausgelenkt werden, so dass der Strahl dabei auf verschiedene Orte in dem Feld der zweiten Komponente gelenkt wird. Dadurch ist der nutzbare Ablenkbereich von am Rande des ersten Ablenkerfelds angeordneten Ablenkern im Vergleich zu einem Objektiv erhöht, welches auch bildseitig eine telezentrische Eigenschaft aufweist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Schaltanordnung und
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2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Objektivs.
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In 1 ist eine optische Schaltanordnung 1 schematisch dargestellt. Die Schaltanordnung 1 weist eine Eingangsseite 3 und eine Ausgangsseite 5 auf. Die Eingangsseite 3 umfasst eine Mehrzahl optischer Eingangsanschlüsse, um der Schaltanordnung 1 optische Signale zuzuführen. Entsprechend weist die Ausgangsseite 5 eine Mehrzahl von optischen Ausgangsanschlüssen auf, an denen optische Signale von der Schaltanordnung 1 ausgegeben werden. Die Schaltanordnung 1 dient dazu, die Eingangsanschlüsse und die Ausgangsanschlüsse wahlweise paarweise miteinander optisch zu verbinden, so dass ein über einen bestimmten Eingangsanschluss der Schaltanordnung 1 zugeführtes optisches Signal an einem auswählbaren Ausgangsanschluss der Schaltanordnung ausgegeben wird. Vorzugsweise ist die Zahl der Eingangsanschlüsse gleich der Zahl der Ausgangsanschlüsse, und die Schaltanordnung 1 ist ferner derart ausgelegt, dass gleichzeitig eine der Zahl der Eingangs- bzw. Ausgangsanschlüsse entsprechende Anzahl von Verbindungen zwischen der Eingangsseite 3 und der Ausgangsseite 5 bereitgestellt werden kann, wobei ein jeder Eingangsanschluss mit einem jeden Ausgangsanschluss verbindbar ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse durch optische Fasern gebildet, welche die zu- bzw. abgeführten optischen Signale leiten. Die optischen Fasern sind Mono-Mode-Fasern, die die optischen Signale mit Wellenlängen von 1.530 bis 1.570 nm leiten.
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Sowohl auf der Eingangsseite 3 als auch auf der Ausgangsseite 5 sind Enden 7 der optischen Fasern durch eine Halterung 9 derart gehaltert, dass Stirnenden der Fasernenden 7 in einer gemeinsamen Ebene mit Abstand voneinander in einem zweidimensionalen Gitter angeordnet sind. In 1 sind jeweils nur sechs Faserenden 7-1, 7-2, ..., 7-6 in der Papierebene dargestellt. Allerdings sind jeweils noch fünf weitere derartige Ebenen mit jeweils sechs in der 1 nicht dargestellten Faserenden vorgesehen, so dass sowohl die Eingangsseite 3 als auch die Ausgangsseite 5 je 36 optische Anschlüsse aufweisen.
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Abweichend von der dargestellten Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, eine andere Zahl von Anschlüssen auf der Eingangsseite oder/und der Ausgangsseite vorzusehen, wie beispielsweise 16×16 Anschlüsse oder 64×64 Anschlüsse usw.
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Ferner ist es möglich, von der vorangehend beschriebenen Gitterstruktur mit dem Umfang eines gleichseitigen Rechtecks abzuweichen. Der Umfang des Felds der Anschlussenden kann beispielsweise auch hexagonal oder einem Kreisumfang angenähert sein. Die Anordnung der Anschlussenden in einem solchen Feld ist beliebig. Zwei benachbarte Anschlussenden sollen lediglich einen Abstand voneinander aufweisen.
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Sowohl auf der Eingangsseite 3 als auch auf der Ausgangsseite 5 ist mit Abstand von den Stirnflächen der Faserenden 7 ein Feld 11 von Mikrolinsen 11-1, 11-2, ..., 11-6 angeordnet, welches wie die Faserenden 7 von der Halterung 9 getragen wird. Die Mikrolinsen haben jeweils einen Durchmesser von beispielsweise 0,5 mm. Eine Möglichkeit, ein derartiges Feld von Mikrolinsen zu fertigen, ist beispielsweise in Kapitel 4 ”Refractive microoptics” aus ”Microoptics” von S. Sinzinger und J. Jahns, Wiley-VCH, Weinheim, 1999, erläutert.
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Einem jeden Faserende 7 ist eine Mikrolinse 11 zugeordnet, und die Faserenden 7 sind bezüglich der Mikrolinsen 11 derart ausgerichtet, dass sich ein Kern der Fasern im Bereich der Faserenden im Wesentlichen koaxial zu einer optischen Achse der Mikrolinse 11 erstreckt. Der Schaltanordnung 1 eingangsseitig zugeführte Strahlung tritt an den Stirnenden der Faserenden 7 jeweils als divergenter Strahlungskegel 13 aus. Ein Abstand zwischen den Stirnflächen der Faserenden 7 und den Mikrolinsen 11 ist derart gewählt, dass die divergente Strahlung 13, die von einem jeden Faserende 7 emittiert wird, lediglich auf die diesem Faserende zugeordnete Mikrolinse 11 trifft. Eine jede Mikrolinse 11 formt die auf sie treffende divergente Strahlung 13 zu jeweils einem kollimierten Gauß'schen Strahl 15, der parallel zu einer Achse 17 ausgerichtet ist. Die Anordnung der Faserenden 7 und der Mikrolinsen 11 relativ zueinander ist auf der Ausgangsseite 5 genau so ausgelegt wie auf der Eingangsseite 3. Somit formen die Mikrolinsen 11 auf der Ausgangsseite 5 Strahlen 19, die parallel zu einer Achse 17'' verlaufen und auf jeweils eine Mikrolinse 11 treffen, zu konvergenten Strahlenbündeln 21, die jeweils auf das Zentrum einer Stirnfläche der Faserenden 7 auf der Ausgangsseite 5 ausgerichtet sind, um in diese Faserenden eingekoppelt zu werden.
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In 1 ist ferner ein eingangsseitiges Objektiv 23 schematisch durch eine Eingangslinse 25 und einer Ausgangslinse 26 dargestellt. Das Objektiv 23 weist eine optische Achse auf, die mit der Achse 17 zusammenfällt. Die Eingangslinse 25 weist eine solche Ausdehnung auf, dass sämtliche von den Mikrolinsen 11 geformte und parallel zu der Achse 17 sich erstreckende kollimierte Strahlen 15 in diese eintreten. Die in das Objektiv 23 parallel zu der Achse 17 eintretenden Strahlen werden von dem Objektiv in aus diesem austretende Strahlen 27 übertragen. Die Übertragung erfolgt dabei derart, dass von zwei Strahlen, zum Beispiel den Strahlen 15-1 und 15-2, der Strahl 15-1, der mit einem größeren Abstand von der Achse 17 in das Objektiv 23 eintritt als der Strahl 15-2, in den Strahl 27-1 übertragen wird, der von der Achse 17 einen größeren Abstand aufweist als der Strahl 27-2, in den der Strahl 15-2 übertragen wird. Hierbei verlaufen die aus dem Objektiv 23 austretenden Strahlen 27 nicht parallel zu der Achse 17, sondern konvergent auf diese zu. Ein Winkel α, mit dem die Strahlen 27 auf die Achse zu verlaufen, ist umso größer je größer der Abstand des jeweiligen Strahls von der Achse ist. In der 1 ist der Winkel α1 eingezeichnet, mit dem der Strahl 27-1 auf die Achse 17 zu verläuft, und dieser Winkel α1 ist größer als ein Winkel α2, mit dem der Strahl 27-2 auf die Achse zu verläuft.
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Das Objektiv 23 ist bezüglich des Felds aus Mikrolinsen 11 derart angeordnet, dass das Feld Mikrolinsen 11 in einer Objektebene 29 des Objektivs 23 liegt. Damit werden die in der Objektebene 29 des Objektivs 23 angeordneten Mikrolinsen 11 in eine zu der Objektebene 29 konjugierte Bildebene 31 des Objektivs 23 abgebildet.
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Die Übertragung der in das Objektiv 23 eintretenden kollimierten Strahlen 15 in die austretenden Strahlen 27 erfolgt dabei derart, dass sich Zentralstrahlen dieser kollimierten Strahlen idealerweise in einem auf der Achse 17 in Strahlrichtung hinter der Bildebene 31 angeordneten Punkt 33 schneiden. Aufgrund von Ungenauigkeiten in der Fertigung des Objektivs 23 oder Ausrichtungsfehlern des Objektivs 23 bezüglich der Achse 17 und der Mikrolinsen 11 werden sich die Zentralstrahlen in der Praxis nicht genau in dem Punkt 33 treffen. Allerdings sollen die Zentralstrahlen einen Bereich um diesen Punkt 33 durchsetzen. Dies bedeutet auch, dass eine sich quer zu der Achse 17 erstreckende Ebene 35 existiert, die sämtliche Strahlen 27 durchsetzen, und zwar derart, dass alle Strahlen 27, die die Bildebene 31 mit einem Abstand b von der Achse 17 durchsetzen, der kleiner ist als ein Maximalwert, die Ebene 35 mit einem Abstand von der Achse 17 durchsetzen, der kleiner ist als ein Wert c, wobei ein Verhältnis zwischen dem Wert c und dem Maximalwert kleiner ist als 0,5, vorzugsweise kleiner als 0,2 und insbesondere bevorzugt kleiner als 0,1.
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Der Strahlengang durch das Objektiv 23 ist auf Seiten der Objektebene 29 mit den parallel zur Achse 17 und damit der optischen Achse des Objektivs 23 verlaufenden Strahlen ein telezentrischer Strahlengang. Auf Seiten der Bildebene 31 verlaufen die Strahlen nicht parallel zu der Achse 17, sondern konvergent auf diese zu. Damit ist der Strahlengang auf Seiten der Bildebene 31 nicht ein telezentrischer Strahlengang, sonder ein davon abgewandelter Strahlengang, der hier als ”hyper-telezentrisch” bezeichnet wird.
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Im Bereich der Bildebene 31 ist ein Feld aus mehreren Strahlablenkern in Form von Mikrospiegeln 37 angeordnet, welche jeweils eine Ruhelage aufweisen und aus dieser Ruhelage auslenkbar sind. In ihrer Ruhelage liegen die Spiegelflächen der Mikrospiegel in einer Ebene 39, welche bezüglich der orthogonal zu der Achse 17 sich erstreckenden Bildebene 31 um einen Winkel 0 von etwa 23° geneigt ist und die Bildebene 31 und die Achse 17 in einem gemeinsamen Punkt schneidet. Die Mikrospiegel 37 sind in der Ebene 39 derart angeordnet, dass ein jeder Strahl 27 auf einen einzigen diesem Strahl zugeordneten Mikrospiegel 37 trifft. Damit ist die Zahl der Mikrospiegel 37 gleich der Zahl der optischen Eingänge 7.
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Die Spiegelfläche der Mikrospiegel hat einen Durchmesser von beispielsweise 1,5 mm. Die Spiegelflächen sind um zwei zueinander orthogonale Achsen aus ihrer Ruhelage heraus verschwenkbar. Derartige Mikrospiegelfelder werden auch als MEMS bezeichnet.
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In der 1 sind die Mikrospiegel 37-2, 37-3, ..., 37-6 in ihrer Ruhelage dargestellt. Lediglich der Spiegel 37-1 ist um einen Winkel β1 aus der Ruhelage ausgelenkt.
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Durch das Feld Mikrospiegel 37 wird der Strahlengang hinter dem Objektiv 23 gefaltet, so dass sich die optische Achse 17 des Strahlengangs hinter der Ebene 39 nicht geradlinig fortsetzt, sondern sich in der in 1 mit 17' bezeichneten optischen Achse fortsetzt, die zu der optischen Achse 17 einen Winkel von 20 einschließt.
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Parallel zu der Ebene 39 und mit Abstand von dieser erstreckt sich eine weitere Ebene 41, in welcher wiederum Spiegelflächen einer Mehrzahl von Mikrospiegeln 43 angeordnet sind, wenn diese sich in ihrem unausgelenkten Zustand befinden. Das Feld der Mikrospiegel 43 wird von der optischen Achse 17' zentral durchsetzt. Ein Abstand zwischen den Ebenen 39 und 41 ist so bemessen, dass er gleich dem Abstand zwischen der Bildebene 31 und dem Punkt 33 ist, an dem sich idealerweise die Zentralstrahlen sämtlicher Strahlen 27 treffen würden, wenn sie das Feld der Mikrospiegel 37 geradlinig durchsetzen würden. Damit würden sämtliche Strahlen 27 nach einer Reflexion an den unausgelenkten Mikrospiegeln 37 auf das Zentrum des Felds aus den Mikrospiegeln 43 treffen. Die Mikrospiegel 37 sind allerdings derart auslenkbar, dass sie die Strahlen 27 auf einen auswählbaren Mikrospiegel 43 in der Ebene 41 reflektieren können. In der 1 ist der Winkel β1, um den der Mikrospiegel 37-1 ausgelenkt ist, so bemessen, dass der auf den Mikrospiegel 37-1 treffende Strahl 27-1 auf den Mikrospiegel 43-1 in der Ebene 41 trifft. Da sich aufgrund der hyper-telezentrischen Eigenschaft des Objektivs 23 sämtliche Strahlen 27, die von den unausgelenkten Spiegeln 37 reflektiert werden, im Zentrum des Feldes der Spiegel 43 treffen, kann ein jeder der Spiegel 37 den auf ihn treffenden Strahl 27 wahlweise auf einen jeden der Spiegel 43 richten, wobei die hierzu notwendige maximale Auslenkung für jeden Spiegel 37 gleich ist, und zwar unabhängig davon, ob er im Zentrum des Feldes der Spiegel 37 oder an dessen Rand angeordnet ist. Es ergibt sich somit eine im Wesentlichen optimale Ausnutzung des dynamischen Stellbereichs für sämtliche Mikrospiegel 37.
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Der Strahlengang in der Schaltanordnung 1 wird durch die Mikrospiegel 43 wiederum gefaltet, so dass die optische Achse 17' an der Ebene 41 ebenfalls um einen Winkel 2θ gespiegelt wird und sich von dieser ausgehend in der Achse 17'' fortsetzt. Das Feld der auf der Ausgangsseite 5 angeordneten Mikrolinsen 11 ist bezüglich der Achse 17'' zentriert. Zwischen dem Feld der ausgangsseitigen Mikrolinsen 11 und dem Feld aus den Mikrospiegeln 43 ist ein weiteres Objektiv 45 angeordnet, welches schematisch mit einer Eingangslinse 47 und einer Ausgangslinse 48 dargestellt ist. Das Objektiv 45 ist symmetrisch zu dem Objektiv 23 aufgebaut und weist auf seiner Eingangsseite, das heißt auf Seiten der Mikrospiegel 43, einen hyper-telezentrischen Strahlengang und auf seiner Aussangsseite, das heißt auf Seiten der ausgangsseitigen Mikrolinsen 11, einen telezentrischen Strahlengang auf. Eine optische Achse des Objektivs 45 fällt mit der Achse 17'' zusammen, und das Objektiv 45 ist bezüglich des Feldes aus den Mikrospiegeln 43 derart angeordnet, dass eine orthogonal zu der optischen Achse 17'' des Objektivs 45 sich erstreckende Objektebene 49 des Objektivs 45 die Ebene 41 und die Achse 17'' in einem gemeinsamen Punkt schneidet. Eine Bildebene 51 des Objektivs 45 ist in der Ebene des Feldes der ausgangsseitigen Mikrolinsen 11 angeordnet. Somit bildet das Objektiv 45 wenigstens die Mikrospiegel 43-3 und 43-4, welche zentral in dem Feld der Mikrospiegel 43 angeordnet sind, im Wesentlichen genau auf die zentral in dem Mikroslinsenfeld angeordneten Mikrolinsen 11-3 und 11-4 ab. Jedoch werden auch die weiter am Rand des Mikrospiegelfelds angeordneten Mikrospiegel 43-1, 43-2, 43-5 und 43-6 mit für die Zwecke der Schaltanordnung 1 ausreichender Qualität auf die diesen zugeordneten Mikrolinsen 11-1, 11-2, 11-5 und 11-6 abgebildet. Der Mikrospiegel 43-1, auf den der durch den um den Winkel β1 ausgelenkten Mikrospiegel 37-1 abgelenkte Strahl 27-1 gerichtet ist, ist um einen solchen Winkel γ1 aus seiner Ruhelage derart ausgelenkt, dass der Strahl 27-1 nach weiterer Reflexion an dem Mikrospiegel 43-1 von dem Objektiv 45 auf die Mikrolinse 11-1 auf der Ausgangsseite 5 abgebildet wird, so dass dieser Strahl durch die Mikrolinse 11-1 in das Faserende 7-1 eingekoppelt wird.
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Durch entsprechende Auslenkung der Mikrospiegel 37 um Winkel β und der Mikrospiegel 43 um den Winkel γ ist es somit möglich, ein jedes Faserende 7 der Ausgangsseite 5 mit einem jeden Faserende 7 der Eingangsseite 3 wahlweise mit einem jeden Faserende 7 der Ausgangsseite 5 optisch miteinander zu verbinden.
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Der Strahlengang der optischen Schaltanordnung
1 ist bezüglich einer Symmetrieebene
53 symmetrisch angeordnet. Deshalb liegt auch eine Strahltaille der zusammen durch die eingangsseitigen Mikrolinsen
11 und das Objektiv
23 geformten Strahlen
27 vorzugsweise in dieser Symmetrieebene
53. Im Hinblick auf eine möglichst hohe erreichbare Packungsdichte der Mikrospiegel
37 in der Ebene
39 und der Mikrolinsen
11 in der Ebene
29 (und entsprechend der Mikrospiegel
43 in der Ebene
41 und der ausgangsseitigen Mikrolinsen
11 in der Ebene
51) ist ein Abstand zwischen der Ebene
53 und dem Zentrum der Mikrospiegel
37 in der Ebene
39 (bzw. entsprechend ein Abstand zwischen der Ebene
53 und dem Zentrum der Mikrospiegel
43 in der Ebene
41) so gewählt, dass dieser Abstand der Rayleigh-Länge ρ
der Strahlen
27-1 entspricht.
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In
2 ist das Linsensystem des in
1 lediglich schematisch dargestellten Objektivs
23 im Detail gezeigt. Das Linsensystem umfasst zehn Linsen L1 bis L10, wobei die Linse L1 die nahe der Objektebene
29 angeordnete Eingangslinse und die Linse L10 die nahe der Bildebene
31 angeordnete Ausgangslinse des Objektivs
23 ist. Die optischen Daten des Linsensystems sind aus der nachfolgenden Tabelle ersichtlich:
| Linse | Glas
(SCHOTT) | Nr . | Radius | Vertex |
| L1 | SF6 | 1 | –92.22442 | 5.336440 |
| 2 | –28.66917 | 6.355512 |
| L2 | LF5 | 3 | 12.19359 | 3.000000 |
| 4 | 9.80573 | 19.168068 |
| L3 | SF15 | 5 | 9.32217 | 3.589104 |
| 6 | 21.33200 | 10.470970 |
| L4 | SF6 | 7 | –4.63515 | 3.0000000 |
| 8 | –7.30013 | 46.734561 |
| L5 | NKZFS2 | 9 | –45.14837 | 3.000000 |
| 10 | 406.49247 | 3.470860 |
| L6 | SF6 | 11 | –1008.91050 | 19.558325 |
| 12 | –44.23512 | 86.649925 |
| L7 | NKZSF2 | 13 | –61.80716 | 3.000000 |
| 14 | 523.41010 | 6.178510 |
| L8 | NPK51 | 15 | –389.12001 | 13.968172 |
| 16 | –107.41400 | 0.100000 |
| L9 | NPK51 | 17 | –807.10116 | 16.025323 |
| 18 | –128.32609 | 0.100000 |
| L10 | NPK51 | 19 | 335.51768 | 20.890051 |
| 20 | –193.15244 | 310.000000 |
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Spalte 1 der Tabelle 1 enthält die Bezeichnung der jeweiligen Linse, Spalte 2 die Bezeichnung des Linsenmaterials nach der Terminologie der Firma SCHOTT als Hersteller des Linsenmaterials, Spalte 3 eine fortlaufende Nummerierung der brechenden Flächen der Linsen, Spalte 4 die Vertexabstände zwischen den Linsenflächen und Spalte 5 die Krümmungsradien der Linsenflächen.
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Der Abstand zwischen der Objektebene und der ersten objektseitigen Linsenfläche beträgt 0,5 mm und der Abstand zwischen der Bildebene und der ersten ausgangsseitigen Linsenfläche beträgt 310 mm.
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In dem vorangehend erläuterten Ausführungsbeispiel sind als Strahlablenker Mikrospiegel eingesetzt, die mechanisch aus einer Ruhelage auslenkbar sind. Es ist jedoch auch denkbar, andere Arten von Strahlablenkern einzusetzen. Ein Beispiel hierfür sind elektrooptisch arbeitende Strahlablenker, wie sie in der unter dem Aktenzeichen
DE 101 02 723.0 ebenfalls anhängigen Anmeldung der Anmelderin beschrieben sind und welche ebenfalls in Reflexion arbeiten.
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Ein weiteres Beispiel sind Strahlablenker, wie sie in
US 3,787,111 offenbart sind, die in Transmission arbeiten. Weitere Möglichkeiten für Strahlablenker einschließlich der sogenannten MEMS sind beispielsweise in ”Photonic Switches: Fast, but Functional?” von Daniel C. McCarthy aus PHOTONICS SPECTRA, Seiten 140 bis 150, März 2001, erläutert.
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In der vorangehend beschriebenen Ausführungsform sind ferner sämtliche optische Eingangsanschlüsse auf einer Seite der Schaltanordnung und sämtliche ausgangsseitige Anschlüsse auf der anderen Seite der Schaltanordnung vorgesehen. Es ist jedoch ebenfalls möglich, auf einer jeden Seite der Schaltanordnung jeweils eine Gruppe von Eingangsanschlüssen und eine Gruppe von Ausgangsanschlüssen vorzusehen, welche durch Betätigung der Strahlablenker mit den entsprechenden Ausgangs- bzw. Eingangsanschlüssen der jeweils anderen Seite verbindbar sind.
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Es ist auch möglich, die Schaltanordnung bidirektional zu betreiben. Es ist dann ein bestimmter Anschluss nicht lediglich als Eingang oder Ausgang vorgesehen, vielmehr kann jeder Anschluss je nach Bedarf als Eingangs- oder Ausgangsanschluss fungieren, das heißt Signale der Schaltanordnung zuführen oder Signale von dieser ausgeben.
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Ferner ist es ebenfalls möglich den in 1 dargestellten Aufbau abzuwandeln und das Feld der Mikrospiegel 43, das Objektiv 45 und die auf der Seite 5 angeordneten Mikrolinsen samt Anschlüssen 7 wegzulassen und dafür in der Ebene 53 einen Planspiegel anzuordnen. Es ist dann möglich, einen jeden der Anschlüsse 7 auf der Seite 3 der verbleibenden optischen Anordnung mit einem beliebigen anderen Anschluss auf der Seite 3 optisch zu verbinden.
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Ferner ist es denkbar, die ausgangsseitigen Faserenden etwa in der Ebene 41 anzuordnen, so dass die Spiegel 37 die Strahlen 27 direkt auf die in der Ebene 41 angeordneten Faserenden richten. Hierbei entstehen sicherlich Einkoppelverluste, welche aber in bestimmten Anwendungsfällen in Kauf genommen werden können. Diese Einkoppelverluste können gegebenenfalls dadurch reduziert werden, dass vor dem Feld der im Bereich der Ebene 41 angeordneten Faserenden wiederum ein Feld von Mikrolinsen angeordnet ist, wobei zu einem jeden Faserende eine Mikrolinse vorgesehen ist.
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Aus 1 ist ersichtlich, dass die Ebene 39 der Ablenker 37 geneigt zu der Bildebene 31 des Objektivs angeordnet ist. Somit werden jedenfalls die am Rande des Linsenfeldes angeordneten Mikrolinsen 11-1 und 11-6 etwas ungenau auf die diesen Mikrolinsen zugeordneten Mikrospiegel 37-1 und 37-6 abgebildet. Im Allgemeinen ist eine solche ungenaue Abbildung in der Praxis ausreichend. Es ist auch jedoch auch denkbar, das Objektiv 23 derart auszulegen, dass dessen Bildebene zu der optischen Achse 17 des Objektivs geneigt angeordnet ist, um eine bessere Übereinstimmung mit der zur optischen Achse geneigten Ebene der Strahlablenker zu erreichen. Derartige Objektive sind bekannt und realisieren eine ”Scheinpflug-Anordnung”.
