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Die
Erfindung betrifft einen optischen Schalter mit einem Schaltantrieb
für ein
optisches Übertragungsglied,
das beweglich zwischen Schnittstellen des Schalters für ein Lichtsignal
angeordnet ist.
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Ein
optischer Schalter ist beispielsweise in der
US 6,124,663 A beschrieben.
Dieser optische Schalter besteht aus einer Grundplatte und einer
gegenüber
der Grundplatte verschiebbaren Schaltplatte. Beide Platten sind
in Siliziumtechnologie hergestellt und weisen jeweils eine Oberfläche auf,
auf der sich optische Lichtwellenleiter befinden, wobei die Oberflächen in
einer Ebene angeordnet sind. Auf der Grundplatte ist weiterhin ein
mikromechanisch hergestellter Schalter (MEMS) vorgesehen, der an
der Schaltplatte angreift und so eine Verschiebung derselben ermöglicht,
so dass durch eine gezielte Parallelverschiebung der Schaltplatte
gegenüber
der Grundplatte jeweils verschiedene der auf der Oberfläche der
Platten befindlichen Lichtwellenleiter fluchtend gegeneinander ausgerichtet
werden können, um
eine Übertragung
des Lichtes zu ermöglichen. Um
die präzise,
fluchtende Ausrichtung der Lichtwellenleiter zu ermöglichen,
ist die Schaltplatte mittels elastischer Elemente mit der Grundplatte
verbunden.
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Ein
anderer optischer Schalter ist in der
US 2001/0017956 A1 beschrieben.
Als Übertragungsglied
für die
optischen Signale im optischen Schalter kommt eine flexible optische
Faser zum Einsatz, welche beispielsweise durch Polymeraktoren bewegt werden
kann. Diese Polymeraktoren sind als Streifen am Umfang der optischen
Faser verteilt, so dass deren Längenänderung
zu einer Verbiegung der optischen Faser im dreidimensionalen Raum
genutzt werden kann. Anstelle einzelner Streifen kann die optische
Faser auch mit einer Umhüllung
als Aktor versehen werden.
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Aus
der
DE 197 04 389
C2 ist es weiterhin bekannt, eine Vielzahl von Stapelaktoren
in einer Reihe auf einem Substrat zu befestigen, so dass diese eine
Verformung des Substrates hervorrufen können. Die einzelnen Stapelaktoren
können
daher in einer wirtschaftlichen Größe hergestellt werden.
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Gemäß der
JP 2003-270560 A und
dem zugehörigen
Abstract ist es bekannt, optische Schalter für die Bildpunkte eines Farbdisplays
zu verwenden. Diese weisen eingangsseitig eine Schnittstelle auf, über die
ein weißes
Signallicht in ein Übertragungsglied
eingespeist werden kann. Das Übertragungsglied
weist einen Polymeraktor auf, der eine Zuordnung des weißen Lichtes
zu unterschiedlichen Schnittstellen für unterschiedliche Farbfilter
ermöglicht.
Auf diesem Wege lässt
sich für
jeden Bildpunkt des Displays eine bestimmte Farbe einstellen. Ausgangsseitig
sind also so viele Schnittstellen vorgesehen, wie Farben dargestellt
werden sollen.
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Weiterhin
ist es gemäß der
JP 5-318373 A und
dem zugehörigen
Abstract bekannt, dass Übertragungsglieder
für optische
Signale auch mit Polymeraktoren versehen werden können, die
bezogen auf die Longituinalausdehnung des Übertragungsgliedes mehrere
Elektrodenbereiche aufweisen, die unabhängig voneinander angesteuert
werden können.
Aufgrund dieser Elektrodenkonfiguration lässt sich eine größere Variabilität hinsichtlich
der Verstellmöglichkeiten
im dreidimensionalen Raum erreichen.
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Die
Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen optischen Schalter mit
einem optischen Übertragungsglied
anzugeben, der einfach in der Herstellung und zuverlässig im
Betrieb ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Schaltantrieb mit einem aus geschichteten Lagen aufgebauten
Polymeraktor ausgestattet ist, wobei das Übertragungsglied aus einer optischen
Lage besteht, die mit den Lagen des Polymeraktors einen gemeinsamen
Schichtverband bildet.
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Außerdem ist
vorgesehen, dass an beiden Enden einer durch das Übertragungsglied
gebildeten Übertragungsstrecke
mehrere Schnittstellen für
das Lichtsignal vorgesehen sind und das Übertragungsglied mit seinen
beiden Enden jeweils an diese mehreren Schnittstellen herangeführt werden
kann.
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Als
Schnittstelle im Sinne der Erfindung werden die jeweiligen Ein-
bzw. Ausgänge
des Schalters für
das zu übertragende
Licht verstanden. Über
die Eingänge
wird somit das zu übertragende
Licht in die Übertragungsstrecke
eingespeist und über
die Ausgänge
wieder abgegeben. Somit muss der erfindungsgemäße optische Schalter wenigstens
einen Ein- und einen Ausgang für
das zu übertragende Licht
aufweisen, wobei in diesem Fall mit der Übertragungsstrecke ein Schaltzustand
ein und ein Schaltzustand aus erreicht werden kann.
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Als
Polymerlage für
den Polymeraktor können
Elastomere wie z. B. Silikon verwendet werden. Hierdurch lässt sich
ein elektrostatischer Elastomeraktor erzeugen, bei dem die Verformung
der Polymerlage aufgrund der gegenseitigen Anziehung der Elektrodenlagen
bei Vorliegen eines elektrischen Feldes erfolgt. Die Polymerlage
kann jedoch auch aus einem elektroaktiven Polymer wie z. B. PMMA
(Polymethyl Methacrylate) bestehen. Bei elektroaktiven Polymeren
wird die Verformung aufgrund der Anziehung der Elektrodenlagen zusätzlich durch
eine aktive Verformung des elektroaktiven Polymers im elektrischen
Feld unterstützt.
Weitere Materialien für
die Polymerlage können
durch Mischungen der genannten Materialien untereinander oder mit
anderen Materialien erhalten werden.
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Die
Verwendung eines geschichteten Polymeraktors als Schaltantrieb hat
den Vorteil, dass dieser kostengünstig
in großen
Stückzahlen
hergestellt werden kann. Außerdem
ist durch die verhältnismäßig große realisierbare
relative Gestaltänderung von Polymeraktoren
vorteilhaft eine Miniaturisierung des optischen Schalters möglich.
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Zwar
ist der Aufbau von Polymeraktoren beispielsweise aus der
WO 01/91100 A1 bekannt.
Jedoch offenbart dieses Dokument keine Möglichkeit, wie derartige Polymeraktoren
für optische
Schalter verwendet werden könnten.
Bei dem erfindungsgemäßen optischen
Schalter wird der Schaltantrieb nämlich derart mit der Übertragungsstrecke
verbunden, dass aus dem geschichteten Polymeraktor und der als optische
Lage ausgeführten Übertragungsstrecke
ein gemeinsamer Schichtverband entsteht. Hierdurch lässt sich
die durch den Polymeraktor realisierte Gestaltänderung vorteilhaft direkt
auf die Übertragungsstrecke übertragen,
wodurch eine hohe Präzision
des Schaltvorganges auf engstem Raum verwirklicht kann. Durch das
schnelle Ansprechen der Polymeraktoren auf die elektrische Stellgröße ist zudem
vorteilhaft die Realisierung vergleichsweise kurzer Schaltzeiten
möglich.
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Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
optische Lage als Teil des Polymeraktors ausgebildet ist. In diesem
Fall muss zumindest diejenige Polymerlage des Polymeraktors, welche
gleichzeitig die optische Lage bilden soll, aus einem für das zu übertragende
Licht transparenten, elektroaktiven Material bestehen. Bevorzugt
wird für
den Polymeraktor insgesamt ein zur Übertragung des Lichtes geeignetes
Polymer ausgewählt,
so dass vorteilhaft der bevorzugt in großen Stückzahlen hergestellte Polymeraktor
ohne weitere Bearbeitungsschritte (Aufbringen der optischen Lage)
in dem erfindungsgemäßen optischen
Schalter zum Einsatz kommen kann.
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Gemäß einer
Variante der Erfindung ist der Polymeraktor als Biegeaktor ausgeführt. Dies
wird erreicht, indem die Polymerlagen des Polymeraktors mit elektrischen
Feldern unterschiedlicher Feldstärke beaufschlagt
werden können,
wodurch eine unterschiedliche Dehnung in den einzelnen Polymerlagen bewirkt
wird, die eine Biegung des Aktors hervorrufen. Alternativ kann eine
Lage des Polymeraktors auch aus einem nicht elektroaktiven Material
gebildet sein, so dass in dieser Lage keine Verformung stattfindet
und die Verformung der zugehörigen
Polymerlagen des Schichtverbandes die Biegung hervorruft. Ein Biegeaktor
kann vorteilhaft also bereits mit zwei Lagen (zuzüglich eventueller
Elektrodenlagen) hergestellt werden, von denen die eine Lage die
optische Lage zur Übertragung
des Lichtsignals sein kann. Dadurch lassen sich vorteilhaft die
Koppelverluste in den Schnittstelen minimieren.
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Es
ist vorteilhaft, wenn der Biegeaktor mindestens eine Polymerlage
aufweist, bei der zumindest eine von an die Polymerlage angrenzenden Elektrodenlagen
in Richtung der zu erzeugenden Biegelinie in aufeinanderfolgende,
unabhängig
voneinander elektrisch kontaktierbare Elektrodenabschnitte aufgeteilt
ist. Durch eine Aufteilung der Elektrodenlage in einzelne Elektrodenabschnitte
lässt sich
vorteilhaft die Biegelinie des Polymeraktors abschnittsweise beeinflussen.
So lässt
sich beispielsweise durch Vorsehen zweier jeweils sich über die Hälfte der
Biegeaktorlänge
erstreckender Elektrodenabschnitte eine S-förmige Biegelinie des Biegeaktors
erzeugen, wodurch vorteilhaft erreicht wird, dass der stirnseitige
Austritt des Übertragungsgliedes
für das
optische Signal parallel zur Schnittstelle des optischen Schalters
verschoben werden kann. Dadurch lassen sich vorteilhaft die Koppelverluste
in den Schnittstellen minimieren.
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Gemäß einer
anderen Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Polymeraktor
als Stapelaktor ausgebildet ist. Hierbei wird ein Stapel aus mehreren
Polymerlagen gebildet, zwischen denen jeweils Polymerlagen angeordnet
sind, die eine Beaufschlagung der einzelnen Polymerlagen mit einem
elektrischen Feld ermöglichen.
Die Verwendung eines Stapelaktors im optischen Schalter hat den
Vorteil, dass die Bewegung der Übertragungsstrecke
mit einer vergleichsweise hohen Präzision erfolgen kann.
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Es
ist vorteilhaft, wenn der Stapelaktor Polymerlagen aufweist, bei
denen die beiden jeweils an die Polymerlagen angrenzenden Elektrodenlagen
jeweils Paare von sich gegenüberliegenden
Schichtelektroden bilden, deren Fläche kleiner als die der dazwischenliegenden
Polymerlage ist. Die Paare der sich gegenüberliegenden Schichtelektroden
dienen jeweils der Erzeugung eines elektrischen Feldes in der dazwischenliegenden
Polymerlage. Da die Fläche
der Schichtelektroden kleiner als die Polymerlage ist, bildet sich
dieses Feld nur lokal in der Polymerlage aus, so dass auch die Verformung
derselben nur in einem bestimmten Abschnitt bewirkt wird. Hierdurch
lässt sich
der Stapelaktor beispielsweise nur einseitig verformen, so dass
sich ein in erster Näherung
trapezförmiger
Querschnitt der Polymerlagen ergibt. Auf diese Weise kann die optische
Lage, die ein Schichtverband mit dem Polymeraktor bildet, in ihrer
Neigung verändert
werden, wodurch vorteilhaft die Anzahl verschiedener Verschaltungsmöglichkeiten
der Schnittstellen erhöht
wird.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung
beschrieben. Hierbei zeigen
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1, 2, 3 und 4 verschiedene
Ausführungsformen
von optischen Schaltern allgemein im schematischen Schnitt und
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5 ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen optischen
Schalters mit einem Stapelaktor im schematischen Schnitt.
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Ein
optischer Schalter gemäß 1 weist ein
Gehäuse 11 auf,
in dessen Wänden
Aufnahmen für
Lichtwellenleiter 12 ausgebildet sind. Die Aufnahmen bilden
Durchgänge
in der Wandung des Gehäuses,
so dass die Lichtwellenleiter zu einem Innenraum 13 des
Gehäuses
hin Schnittstellen 14, 14a, 14b, 14c bilden.
Zwischen diesen Schnittstellen ist im Innenraum 13 eine Übertragungsstrecke 15 vorgesehen, über die
hinweg optische Signale zwischen der Schnittstelle 14 und
einer der Schnittstellen 14a, 14b, 14c durch
eine optische Lage 16 als Übertragungsglied übertragen
werden können.
Die optische Lage 16 bildet zusammen mit einem Biegeaktor 17 einen Schichtverband,
wobei der Biegeaktor 17 Elektrodenlagen 18 aufweist,
zwischen denen sich eine Polymerlage 19 befindet. Durch
Verbindung der Elektrodenlagen 18 mit einer Spannungsquelle 20 kann
abhängig
von der anliegenden Spannung U ein elektrisches Feld in der Polymerlage 19 erzeugt
werden, welches zu einer Längung
des Biegeaktors 17 führt. Da
die optische Lage keine Längung
erfährt,
resultiert hieraus eine Biegung des aus der optischen Lage 16 und
der Polymerlage 19 zusammengesetzten Schichtverbandes.
Je nach Biegung des Biegeaktors 17 korrespondiert die optische
Lage 16 jeweils mit einer bestimmten der Schnittstellen 14a, 14b, 14c.
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Die
Ausführungsbeispiele
in den folgenden Figuren zeigen weitere Varianten des optischen Schalters.
Soweit sich zum optischen Schalter gemäß 1 Übereinstimmungen
ergeben, sind diese durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und
werden nicht näher
erläutert.
Erläutert
werden jedoch die sich ergebenden Unterschiede.
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Bei
dem optischen Schalter gemäß 2 ist der
zum Einsatz kommende Biegeaktor 17 durch zwei Polymerlagen 19 gebildet,
von denen die obere gleichzeitig die optische Lage 16 (Übertragungsglied) bildet.
Zwischen den Polymerlagen 19 befindet sich eine Elektrodenlage 18,
die mit einer Erdung 21 verbunden ist. Auf der jeweils
anderen Seite der Polymerlagen 19 sind die Elektrodenlagen
in je zwei Elektrodenabschnitte 22 geteilt, die sich gesehen
in Richtung einer Biegelinie 23 des Biegeaktors über die
erste Hälfte
bzw. über
die zweite Hälfte
der Polymerlagen hin erstrecken. Durch wechselseitiges Anlegen eines
Potentials P1 und P2 in
der in 2 dargestellten Weise an die Elektrodenabschnitte 22 lassen
sich in der ersten Hälfte
und in der zweiten Hälfte
des Biegeaktors 17 jeweils entgegengesetzte Krümmungen erzeugen,
so dass die Biegelinie eine s-förmige
Gestalt annimmt. Hierdurch fluchtet die optische Lage 16 in
ihrer Übertragungsrichtung
für das
Licht genau mit dem Lichtwellenleiter 12 an der Schnittstelle 14a. Durch
Anlegen geeigneter Potentiale P an die Elektrodenabschnitte 22 lässt sich
in gleicher Weise eine fluchtende Ansteuerung der Schnittstellen 14b, 14c erreichen
(nicht dargestellt).
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Der
optische Schalter gemäß 3 weist
zusätzlich
zu den drei Schnittstellen 14a, 14b, 14c am einen
Ende der Übertragungsstrecke 15 drei
weitere optische Schnittstellen 14d, 14e, 14f am
anderen Ende auf, wobei mittels der optischen Lage 16 als Übertragungsglied
eine frei kombinierbare Verbindung zwischen jeweils den Schnittstellen 14a, 14b, 14c und 14d, 14e, 14f hergestellt
werden kann. Zu diesem Zweck ist der Biegeaktor 17 in einer
Zwischenwand 24 im Innenraum 13 festgelegt, wobei
die Zwischenwand 24 die Übertragungsstrecke 15 in zwei
gleichlange Abschnitte unterteilt. Der Biegeaktor besteht in beiden
Abschnitten aus zwei Polymerlagen 19, zwischen denen die
optische Lage 16 verläuft.
Zwischen der optischen Lage 16 und den Polymerlagen 19 sind
Elektrodenlagen 18 angeordnet, die mit der Erdung 21 verbunden
sind. Jeweils zu beiden Seiten der Zwischenwand 24 sind
die Polymerlagen 19 weiterhin mit einer abschließenden Elektrodenlage 18 versehen,
wobei das Anlegen eines Potentials P an jeweils eine dieser Lagen
zu einer Verbiegung des Biegeaktors 17 und damit auch der
optischen Lage 16 führt.
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Bei
dem optischen Schalter gemäß 4 ist auf
einer Bodenfläche 25 des
Innenraumes 13 ein Stapelaktor 26 befestigt. Die
Bodenfläche 25 erstreckt
sich zwischen den Wänden
mit den Schnittstellen 14, 14a, 14b, 14c,
so dass die oberste Polymerlage 19 des Stapelaktors als
optische Lage 16 zum Einsatz kommen kann. Der Stapelaktor 26 weist zwischen
den Polymerlagen 16 jeweils in der Mitte und auf der Seite
der Schnittstellen 14a, 14b, 14c Schichtelektroden 27 auf,
die als Teilflächen
aus Elektrodenlagen gebildet wurden (nicht dargestellt). Daher besitzen
die Schichtelektroden 27 eine kleine re Fläche als
die Polymerlagen 19, wobei durch Anlegen eines geeigneten
Potentials mittels der Spannungsquellen 20 eine asymmetrische
Verformung des Stapelaktors möglich
wird (die Schichtelektroden 27 in der Mitte der Polymerlagen
werden mit einem geringerem Potential beaufschlagt als die Schichtelektroden 27 am
Rand der Polymerlagen). Mit anderen Worten bleibt die Stapelhöhe auf der
Seite der Schnittstelle 14 immer gleich hoch, während durch Variationen
der Stapelhöhe
auf der Seite der Schnittstellen 14a, 14b, 14c die
optische Lage 16 zwischen diesen Schnittstellen bewegt
werden kann.
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Bei
dem optischen Schalter gemäß 5 ist der
Stapelaktor 26 mit einer gesonderten optischen Lage 16 als Übertragungsglied
versehen, welche selbst keine elektroaktiven Eigenschaften aufweist. Neben
den optischen Schnittstellen 14a, 14b, 14c auf
der einen Seite der Übertragungsstrecke 15 sind auch
auf der anderen Seite der Übertragungsstrecke 15 die
drei optischen Schnittstellen 14d, 14e, 14f angeordnet.
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Der
Stapelaktor ist in der Position dargestellt, in der keine der Schichtelektroden 27 mit
einem Potential beaufschlagt ist. Werden die Schichtelektroden 27 durch
die Spannungsquellen 20 jeweils mit einem gleich hohen
Potential beaufschlagt, so lässt sich
hierdurch die optische Lage 16 parallel verschieben, so
dass jeweils eine optische Verbindung zwischen den Schnittstellen 14d und 14a, 14e und 14b oder 14f und 14c möglich ist.
Durch die Beaufschlagung der Spannungsquellen 20 mit unterschiedlichen Potentialen
lässt sich
jedoch der Stapelaktor 26 auch asymmetrisch verformen,
so dass sich beispielsweise eine Verformung gemäß 4 ergibt.
Daher lassen sich zwischen den Schnittstellen 14a, 14b, 14c und 14d, 14e, 14f auch
diagonale Verbindungen herstellen.