DE102016121792B4

DE102016121792B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Übergangs von Licht zwischen Lichtwellenleitern

Info

Publication number: DE102016121792B4
Application number: DE102016121792.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Kollosche; Sebastian Döring; Robert Evert
Original assignee: Individual
Current assignee: Doering Sebastian Dr De; Kollosche Matthias De
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2036-11-15
Also published as: DE102016121792A1

Abstract

Vorrichtung zur Steuerung der Überkopplung von Licht in optischen Telekommunikationssystemen, optischen Sensornetzwerken und/oder Spektroskopiesystemen von mindestens einem ersten auf mindestens einen zweiten Lichtwellenleiter, umfassend mindestens einen ersten Lichtwellenleiter, einen zweiten Lichtwellenleiter, ein Koppelelement und mindestens einen Elastomeraktuator, wobei der Elastomeraktuator von mindestens einem Elastomerfilm mit einer Anordnung von Elektroden gebildet ist, wobei- die Elektroden weich, flexibel und dehnbar ausgebildet sind und/oder als ionische Flüssigkeit ausgestaltet sind und- die Lichtwellenleiter und das Koppelelement ganz oder teilweise auf oder in dem Elastomeraktuator verlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der Überkopplung von Licht in optischen Telekommunikationssystemen, optischen Sensornetzwerken und/oder Spektroskopiesystemen von mindestens einem ersten auf mindestens einen zweiten Lichtwellenleiter, umfassend mindestens einen ersten Lichtwellenleiter, einen zweiten Lichtwellenleiter, ein Koppelelement und mindestens einen Elastomeraktuator.
Das moderne Gesellschafts- und Wirtschaftsleben hängt wesentlich von der schnellen und zuverlässigen Übertragung von Informationen in Datennetzen ab. Es ist bekannt, Methoden der optischen Informationsübertragung in solchen Datennetzen zu verwenden. Diese müssen durch kompaktere Designs von Netzknoten immer weiter optimiert werden, um den steigenden Kapazitätsbedarf an Informationsübertragung zu begegnen. Optische Informationsübertragung umfasst insbesondere die Übermittlung von Informationen mittels Lichtwellenleitern, die häufig faserbasiert ausgestaltet sind. Die zu übertragenden Informationen werden dabei in Form von Licht transportiert.
Auch in weiteren Bereichen, wie sensorische Anwendungen, optical computing oder optischer Spektroskopie, sind hocheffiziente und sensitive Systeme zur Steuerung optischer Signale, wie logic circuits mit single output - multiple input oder Signalmischer, nötig. Für viele dieser Anwendungen besteht die Notwendigkeit, Teile eines Lichtsignals oder ganze Signale aus einem ersten Lichtwellenleiter in mindestens einen zweiten Lichtwellenleiter umzulenken. Um die bestehenden Übertragungswege, wie Datennetze, besonders effizient auszunutzen, ist es wünschenswert, dass in diese Datennetze optische Schalter oder Weichen integriert werden. Diese Elemente ermöglichen es, dass das die Informationen beinhaltende Licht von einem Lichtwellenleiter auf einen anderen Lichtwellenleiter kontrolliert, spektral selektiv, schnell und insbesondere verlustarm übergehen kann. Dies ist nötig, um beispielweise einzelne Informationen oder Datenpakete umzulenken und in eine von der ursprünglichen Richtung abweichende Richtung transportieren zu können.
Etablierte Lösungen basieren beispielsweise auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), thermischen Effekten in Lichtwellenleitern, elektrooptischen Effekten, wie zum Beispiel in LiNbO₃, optischen Effekten, wie zum Beispiel der Mehrphotonenabsorption, oder akustischen Effekten. Diese liefern unterschiedliche Übertragungsergebnisse im Hinblick auf Schaltgeschwindigkeit, optimalen Wellenlängenbereich des übertragenen Lichts, Dämpfung, Übersprechen, Übertragungsverluste und/oder Polarisationserhaltung. Ein mikroelektromechanisches System, mit dem ein optisches Signal von einer Eingangsfaser auf eine oder mehrere Ausgangsfasern umgeleitet werden kann, wird beispielsweise in der US 63 969 75 B1 offenbart. In der US 67 513 69 B1 wird die Verwendung von optischen Schaltern, die auf Spiegelelementen oder Linsen beruhen, um optische Signale umzuleiten, beschrieben.
Mit den im Stand der Technik beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren ist es bisher nicht gelungen, direkte, kontinuierliche Einstellungen optischer Signale bei gleichzeitiger Steuerbarkeit der Wellenlänge derjenigen Lichtsignale zu ermöglichen, welche von einem ersten auf mindestens einen zweiten Lichtwellenleiter übergehen, ohne dass zusätzliche optische Bauelemente zwischen den Lichtwellenleitern erforderlich sind. Beispielsweise ist aus der WO 2007/133433 A2 bekannt, Polymeraktuatoren für steuerbare Linsen oder in ihrer Form veränderliche Prismen im Übergangsbereich zwischen Lichtwellenleitern vorzusehen sein können. Dies geschieht um den Übergang und die gewünschte Ablenkung des Lichts zu steuern.
Nachteilig an solchen zusätzlichen optischen Bauelementen ist es, dass diese die maximal einsetzbare Leistung begrenzen und die Komplexität der Gesamtlösung erhöhen. Des Weiteren führt der Durchgang durch diese zumeist nicht optimal integrierten zusätzlichen optischen Bauelemente zu einem unerwünschten Signalverlust, beziehungsweise einem Verlust an Signalstärke und/oder -qualität. Darüber hinaus führen solche zusätzlichen optischen Bauelemente zu einem arbeitsintensiven Einbau und verursachen einen hohen Kosten- und Justageaufwand bei der Instandhaltung. Die Verwendung von thermisch gesteuerten Systemen wie beispielsweise US6853765B1 oder US5031987A können zudem Probleme beim Schalten in Bezug auf Genauigkeit und Schaltgeschwindigkeit durch thermische Drift zeigen.
Optische Bauelemente mit einem festen Überkopplungsverhältnis von Licht zwischen zwei oder mehr Lichtwellenleitern werden standardmäßig mit sogenannten Fasertapern realisiert. Dabei werden zwei oder mehr einmodige Fasern sehr dicht nebeneinander positioniert und durch starkes Erhitzen und eine gerichtete Ausdehnung entlang der Lichtwellenleiterachse so sehr verdünnt, bis ein Lichtsignal in einem gewünschten Verhältnis von einer ersten auf mindestens eine zweite Faser überkoppelt. Beim Abkühlen der Fasern werden diese miteinander verbunden und der Zustand und das Verhältnis der Lichtüberkopplung in den Fasern fixiert. Er ist damit permanent und unveränderlich.
Eine rein faserbasierte Lösung ohne zusätzliche optische Bauelemente zwischen den Lichtwellenleitern, die sowohl die kontinuierliche Anpassung der Überkopplung als auch der Wellenlänge in einem Bauteil ermöglicht, ist aus dem Stand der Technik bisher nicht bekannt. Des Weiteren besteht ein Bedürfnis, das Licht ausschließlich in den optischen Fasern zu führen. Diesem Bedürfnis entspricht die WO 2007/133433 A2 nicht, da in diesem Dokument Freistrahlaufbauten beschrieben werden.
Die Druckschrift DE 10 2004 011 022 A1 betrifft einen optischen Schalter, der mittels spannungsgesteuerter Polymeraktoren einen Wellenleiter zwischen mehreren optischen Ausgängen schaltet. Dabei werden sowohl Biege- als auch Stapelaktoren offenbart. Die Kopplung des Lichts erfolgt über die Stirnfläche des Wellenleiters, die eine ausreichende Größe (Mehrmodigkeit) aufweisen muss. Das Licht muss dazu zweimal die Grenzfläche Luft-Wellenleiter passieren, was zu bedeutenden Verlusten führt.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, um den Übergang von Licht zwischen Lichtwellenleitern kontinuierlich zu steuern. Dabei sind insbesondere die Menge und die Wellenlänge des übertretenden Lichts einstellbar und die Übertragung erfolgt besonders verlustarm, spektral selektiv, schnell, reversibel und ohne zusätzliche optische Bauelemente zwischen den Lichtwellenleitern.
Erfindungsgemäß ist zur Lösung der Aufgabe eine Vorrichtung zur Steuerung der Überkopplung von Licht in optischen Telekommunikationssystemen, optischen Sensornetzwerken und/oder Spektroskopiesystemen von mindestens einem ersten auf mindestens einen zweiten Lichtwellenleiter vorgesehen, umfassend mindestens einen ersten Lichtwellenleiter, einen zweiten Lichtwellenleiter, ein Koppelelement und mindestens einen Elastomeraktuator, wobei der Elastomeraktuatorvon einem Elastomerfilm mit einer Anordnung von elastischen Elektroden gebildet ist.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrichtung mindestens ein Elektrodenpaar mit entgegengesetzter elektrischer Polung umfasst, wobei der Elastomerfilm durch das Anlegen einer elektrischen Spannung U in einem Nicht-Elektrodenbereich gestaucht und in einem Elektrodenbereich gestreckt wird, und das Elastomer zwischen den Wellenleitern einen Brechungsindex n aufweist, wobei ein Brechungsindexsprung Δn zwischen dem Elastomer und dem Wellenleiter die Ein- und/oder Auskopplung des Lichts zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtwellenleiter ermöglicht. Es ist weiter bevorzugt, dass das Koppelelement im Sinne der Erfindung von einem Elastomer gebildet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, bei der der Elastomeraktuator mindestens einen Elastomerfilm mit mindestens einem Elektrodenpaar mit entgegengesetzter elektrischer Polung umfasst, der Elastomerfilm durch das Anlegen/ einer elektrischen Spannung U an das Elektrodenpaar in einem Nicht-Elektrodenbereich in der Fläche gestaucht und in der Höhe gestreckt und in einem Elektrodenbereich in der Fläche gestreckt und in der Höhe gestaucht wird,
die Lichtwellenleiter auf der Oberfläche oder im Volumen des Elastomeraktuators vorliegen,
das Koppelelement als Fasertaper vorliegt, wobei die Lichtwellenleiter auf einer Strecke auf oder im Elastomeraktuator parallel positioniert sind, ein Elastomer zwischen den Lichtwellenleitern vorliegt und/oder das Elastomer in dem vom optischen System adressierten Wellenlängenbereich optisch transparent ist und einen Brechungsindex n aufweist, der sich vom Brechungsindex der Lichtwellenleiter unterscheidet.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der adressierte Wellenlängenbereich im sichtbaren Spektralbereich liegt und mit den Eigenschaften des optischen Systems korrespondiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur elektro-mechanischen Steuerung der Überkopplung von Licht ohne Freistrahloptik von mindestens einen ersten auf mindestens einen zweiten Lichtwellenleiter unter Verwendung von spannungsgesteuerten Elastomeraktuatoren, umfassend mindestens einen ersten Lichtwellenleiter, einen zweiten Lichtwellenleiter, ein im verwendeten Wellenlängenbereich optisch transparentes Medium mit einem Brechnungsindex n und einem Elastomeraktuator umfassend mindestens einen Elastomerfilm mit einer Anordnung von elastischen Elektroden, wobei der Elastomerfilm mit mindestens einem Elektrodenpaar durch eine elektrische Spannung U einen parallelen Kopplungsabschnitt, welcher auf der Oberfläche oder im Volumen des Elastomerfilms vorliegt und aus mindestens zwei Lichtwellenleitern mit gekoppelten Ausbreitungsmoden in einem passenden Medium besteht, welches das Überwechseln des Lichts von den Wellenleitern in das Medium und umgekehrt erlaubt, und lokal oder global geometrisch verändert und somit zu einer Änderung der Lichtübertragung in Intensität und Wellenlänge zwischen den Wellenleitern führt. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der parallele Kopplungsabschnitt auf der Oberfläche des Elastomerfilms oder im Inneren des Volumens des Elastomerfilms vorliegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen die Lichtwellenleiter in und/oder auf einem elastischen Film eingebettet vor und/oder der Brechnungsindexsprung Δn zwischen dem Brechungsindex der Ummantelung und dem Brechungsindex des Elastomers liegt in einem Bereich von kleiner 0,01 und/oder die Brechungsindizes der Ummantelung und des Elastomers liegen in einem Bereich zwischen 1,4 und 1,6. Es kann jedoch für einige Anwendungen ebenfalls bevorzugt sein, dass der Brechungsindex n in einem Bereich von 1,4 bis 1,6 liegt und/oder der Brechungsindexsprung Δn zwischen dem Brechungsindex der Ummantelung und dem Brechungsindex des Elastomers in einem Bereich von bevorzugt 0,005 bis 0,01 liegt.
In einer weiteren Ausführungsform liegen die Lichtwellenleiter in und/oder auf einem elastischen Film eingebettet vor. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Anlegen einer Spannung auch durch das Variieren einer bereits angelegten Spannung erfolgen kann. Die Beschreibung des Anlegens einer mechanischen und elektrischen Spannung umfasst im Sinne der Erfindung bevorzugt jede Änderung einer Spannung.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrichtung einen Elastomeraktuator zur Spannungssteuerung des Übergangs von Licht von einem ersten auf mindestens einen zweiten Lichtwellenleiter umfasst. Dieser Elastomeraktuator erzeugt vorteilhafterweise durch eine elektrische Spannung geometrische Änderungen zwischen den Wellenleitern. Der hier beschriebene Lichtkoppler verwendet den Überlapp des evaneszenten Feldes des geführten Lichts zwischen dicht nebeneinanderliegenden Lichtwellenleitern, wodurch es zu einer Kopplung der Wellenleiter kommt. Da dieser Effekt unter anderem wesentlich vom Abstand d und der Kopplungslänge L der Lichtwellenleiter abhängt, können durch eine externe Änderung der Geometrie neben der Leistung des übertretenden Lichts auch die Wellenlänge des zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtwellenleiter beeinflusst und gesteuert werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Begriffe Lichtwellenleiter und Wellenleiter synonym verwendet werden. Vorzugsweise wird ein Bereich des Elastomeraktuators, in dem die Elektroden vorliegen, im Sinne der Erfindung als „aktiver Bereich“ oder „Elektrodenbereich“ bezeichnet wird, während der Bereich des Elastomeraktuators ohne Elektroden bevorzugt als „passiver Bereich“ oder „Nicht-Elektrodenbereich“ bezeichnet wird.
Es ist bevorzugt, dass die Lichtwellenleiter auf der Oberfläche des Elastomerfilms fixiert sind. Dabei können diese Wellenleiter sowohl ausschließlich auf derselben Seite des Films fixiert sein als auch auf den einander gegenüberliegen Seiten des Elastomerfilms. Die optische Kopplung erfolgt im letzteren Fall durch den Elastomerfilm. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die Wellenleiter direkt in das Volumen des Elastomerfilms eingebracht sind.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Einbringen durch Einpolymerisierung von ausgewählten Wellenleitern in Elastomerfilme erfolgt. Dabei kann zusätzlich eine Oberflächenbehandlung der Strukturen durchgeführt werden. Es kann für andere Anwendungen auch bevorzugt sein, dass das elektronen-, ionen- oder lichtinduzierte Einschreiben von Wellenleitern in bestehende Elastomerfilme verwendet wird, wobei dies durch z.B. Laserdirektschreiben, Maskenbelichtung oder holografische Belichtung realisiert werden kann, wobei die Lichtleitung durch eine lokale Variation von z.B. Brechungsindex, Dichte, Dipolausrichtung oder einer Kombination dieser erreicht wird.
Der Elastomerfilm der Dicke h ist von beiden Seiten bevorzugt mit elastischen Elektroden versehen. Diese parallelen Elektroden können in ihrer Flächenverteilung vorteilhafterweise beliebig angeordnet werden, um die gewünschte mechanische Deformation in ihrer Raumrichtung zu steuern. Das Anlegen einer elektrischen Spannung U zwischen den elastischen Elektroden führt bevorzugt zu einer elektrostatischen Anziehung zwischen gegenüberliegenden Elektroden. Aufgrund der mechanischen, elektrischen und dielektrischen Eigenschaften führt dies vorteilhafterweise zu einer Deformation des Elastomerfilms, was bevorzugt in eine Dickenänderung, und konsequent in eine Flächenänderung übersetzt werden kann. Dieser Effekt kann zu kontrollierten mechanischen Änderungen beispielsweise Scherung, Rotation, Faltung, Biegung, Kompression und Torsion bzw. Mischungen daraus verwendet werden, Bevorzugterweise werden diese Änderungen bei entsprechender Positionierung der Lichtwellenleiter auf dem Elastomerfilm eine Änderung des Abstands zwischen Lichtwellenleitern bewirken.
Insbesondere erfolgt der Übergang des Lichts in einem Bereich, in dem die Lichtwellenleiter bevorzugt im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wobei zwischen den Lichtwellenleitern keine zusätzlichen optischen Elemente vorliegen. Der Zwischenraum ist bevorzugt mit einem optisch transparenten Medium mit passender Brechzahl oder Strukturierung bzw. Funktionalisierung aufgefüllt. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, wenn der Übergang des Lichts unter Ausnutzung des evaneszenten Feldes unmittelbar von mindestens einem ersten auf mindestens einen zweiten Lichtwellenleiter erfolgt, ohne dass es aufgrund zusätzlicher zwischengeschalteter optischer Elemente zu wesentlichen Signalverlusten kommt. Vorzugsweise werden im Sinne der Erfindung die Lichtwellenleiter selbst durch die Verformung des Elastomers oder des Elastomeraktuators verschoben oder ihre Position zueinander verändert.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann die Länge L des Bereichs, in dem die Wellenleiter im Abstand d parallel laufen, durch das Elektrodendesign des Elastomeraktuators gezielt verändert werden. Dadurch lässt sich die Überkopplung des Lichts von mindestens einem ersten auf mindestens einen zweiten Lichtwellenleiter so beeinflussen, dass das bevorzugte Licht einer bestimmten Wellenlänge vom ersten auf den zweiten Lichtwellenleiter überwechseln kann.
Lichtwellenleiter
Als Lichtwellenleiter eignen sich Lichtleitfasern, planare Lichtwellenleiter, Stegwellenleiter, zweidimensionale photonische Kristalle und/oder ähnliche optische Elemente. Diese können beispielsweise aus Quarzglas, anderen Glasarten oder lichtdurchlässigen Polymeren bestehen. Für die Überkopplung von Licht von einem auf einen anderen Lichtwellenleiter sind solche Lichtwellenleiter bevorzugt, die nur eine einzige Lichtmode (Single Mode Wellenleiter) oder wenige Moden führen. Materialien, die diese Voraussetzungen erfüllen können ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend Acrylglas (PMMA), lichtdurchlässige Polymere und/oder Quarze, ohne darauf beschränkt zu sein. Die Polymere können steif oder auch elastisch ausgebildet sein. Vorteilhafterweise weisen diese bevorzugten Materialien Brechungsindizes zwischen 1,3 und 1,7 im benötigten Spektralbereich auf und die Ausdehnungen der Lichtwellenleiterquerschnitte liegen in einem Bereich von bevorzugt 0,1 µm bis 10 µm.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Lichtwellenleiter ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend lichtleitende Fasern, Stegwellenleiter, photonische Kristalle und/oder Schichtwellenleiter,
die Wellenleiter aus elastischen Materialien bestehen ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Polymere, wie Gummi, Silikone, Gele und/oder Thermoplaste mit Dipolmodifizierung, sowie Flüssigkeiten und Gase,
die Wellenleiter nichtelastische Materialien umfassen ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Quarze und Polymere,
die Wellenleiter fertig prozessiert mit dem Elastomeraktuator verbindbar sind und/oder im Elastomeraktuator oder einer angrenzenden Schicht durch eine
Prozessierung umfassend eine Gruppe von Herstellungsverfahren wie Belichtung, Prägen oder andere Methoden erzeugt werden und/oder
die Herstellungsverfahren der Wellenleiter zu einer Dichtevariation, einer Polarisationsvariation und/oder einer Brechzahlvariation führen.
Des Weiteren können im Sinne der Erfindung auch weiche hochelastische Polymere sogenannte Elastomere mit passenden optischen und mechanischen Eigenschaften als Wellenleiter, mechanisch und/oder optisch prozessiert werden als auch in das Elastomer des Aktuators prozessiert werden. Das Prozessieren kann beispielsweise durch eine lichtinduzierte Strukturierung erfolgen. Für die lichtinduzierte Prozessierung ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sich z.B. der Brechungsindex n, die Dichte, die Dipolausrichtung oder eine Kombination dieser im Elastomer durch selektive Belichtung mit Licht bestimmter Eigenschaften, wie z.B. Wellenlänge, Pulsdauer, Energie, Polarisation, Lichtverteilung ändert und/oder die Elastomere durch Belichtung aushärten/vernetzen/ausbleichen und/oder es durch die Belichtung zu einer Diffusion von lichtempfindlichen Materialien kommt, die dem Elastomer beigemischt oder in Kontakt gebracht worden sind, wodurch vorteilhafterweise die optischen Eigenschaften der Elastomere so verändert werden, dass es zu einer gerichteten Lichtführung kommt.
Die für die Wellenleitung benötigte Änderung der optischen Eigenschaften der Elastomere können auch durch mechanische oder thermische Prozessierung erzielt werden, beispielsweise durch ein lokales Aufheizen mittels Laserlicht oder Prägeverfahren, wie die Nanoimprintlithografie.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist/sind der oder die Lichtwellenleiter in zwei oder mehr Teilbereiche unterteilt,
das optische System wird aus einer Faser und/oder einem planaren Wellenleiter gebildet, wobei die Faser und/oder der planare Wellenleiter auf und/oder neben den Elektrodenbereichen und/oder direkt in und/oder auf der Elektrodenschicht angeordnet vorliegen,
die Wellenleiter liegen auf und/oder im Elastomer angeordnet vor und/oder die Wellenleiter werden von Lichtleitfasern gebildet und/oder durch optische und/oder mechanische Strukturierung im Elastomeraktuator.
Elastomeraktuatoren
Ein „Aktuator“ ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein flexibler Kondensator und dient bevorzugt als ein Antriebselement oder ein Stellelement, das ein elektrisches Spannungssignal in eine geometrische Änderung umsetzt. Neben dem elektrischen Stimulus können auch Druck-, Temperatur-, Feuchteänderungen und Lichtaktivierung verwendet werden. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist es besonders bevorzugt, dass ein elektrisches Spannungssignal in eine mechanische Verformung des Aktuators umgewandelt wird.
Die Verformung des Elastomeraktuators wird in dieser Erfindung bevorzugt durch das Anlegen einer elektrischen Spannung U und dem resultierenden elektrostatischen Druck p auf den Elastomerfilm aus einem geeigneten Elektroaktiven Polymer (EAP) generiert. Andere Einstellparameter wie beispielsweise Temperaturänderungen, Ladungstransport im Elastomer (Ionische EAPs), eine optische Aktivierung (beispielweise die Verwendung der Cis-Trans-Isomerie von Azobenzen) sind ebenfalls denkbar.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dielektrische Elastomer Aktuatoren (DEAs) mit elektrischen Spannungen in einem Bereich von bevorzugt mehreren Volt bis zu mehreren Kilovolt zu betreiben, um die gewünschten Deformationen zu erzeugen. Diese geometrische Änderung kann dabei abhängig von den verwendeten Elastomermaterialien und des Aktuatordesigns bei mehr als 100% liegen. Vorzugsweise wird die zu verwendende elektrische Spannung ausgewählt in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften (mechanisch, elektrisch und dielektrisch), der Konditionierung und/oder der Prozessierung der elektroaktiven Polymere, den mechanischen Eigenschaften der optischen Komponenten und/oder dem gewählten Design des Aktuators.
Es ist im Sinne der Erfindung weiter bevorzugt, dass der Elastomeraktuator ein Schichtsystem aus Elastomerfilmen und Elektroden umfasst, wobei das Schichtsystem bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine Dehnung im Querschnitt und eine Reduzierung der Dicke erfährt. Es ist besonders bevorzugt, dass der Elastomeraktuator ein Schichtsystem aus mindestens zwei Elastomerfilmen und Elektroden umfasst, wobei das Schichtsystem bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine Reduzierung der Dicke erfährt und/oder die Elektroden segmentiert vorliegen.
Insbesondere umfasst der Elastomeraktuator einen Stapel bestehend aus einer alternierenden Abfolge aus Elastomerfilmen und Elektroden, wobei das Schichtsystem beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine Dehnung in den planaren Richtungen 1 und/oder 2 und eine Reduzierung der Dicke h, bevorzugt in der Ebene 3, erfährt, was vor allem mit Hinblick auf den Stapelaktuator von Vorteil ist. Im Stapelaktuator können die Elektrodenpaare auch segmentiert über die gestapelten Elastomerfilme des betrachteten Stapels vorliegen. Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass die Elektroden segmentiert vorliegen, wobei die Segmentierung und individuelle Ansteuerung geometrische Veränderungen der Kopplungslänge L ermöglichen. Eine individuelle Ansteuerung der Elektrodensegemente führt dabei vorteilhafterweise zur Einstellung der Überkopplung des Lichts zwischen den verschiedenen Lichtwellenleitern.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, den Elastomeraktuator in zwei Arbeits- bzw. Funktionsmodi zu verwenden. Die zu verwendenden Modi sind der Flächenmode (Mode 1) und der Dickenmode (Mode 2). Im Sinne dieser Erfindung werden bevorzugt beide Modi des Elastomeraktuators adressiert. Es ist im Sinne der Erfindung weiter bevorzugt, elektrische Felder in einer Größenordnung zu verwenden, um unerwünschte elektrische Alterungseffekte zu vermeiden. Es kann beispielsweise eine Feldstärke von 40V/µm verwendet werden, ohne darauf beschränkt zu sein. Es sind auch Anwendungen denkbar, bei denen größere oder kleinere Feldstärken verwendet werden, wobei die Feldstärken insbesondere auch von der Art des verwendeten Polymers seiner Prozessierung und des Aufbaues des Aktuators abhängen.
Es ist bevorzugt, dass freistehende Polymerfilme mit einer bevorzugten Permittivität von größer als 3 und Dicken in einem bevorzugten Bereich von 20 µm verwendet werden. Der Fachmann weiß jedoch, dass die Entwicklung der technischen Prozessierung beispielsweise 3D Druck, Tauchbeschichtung und des Materialdesigns dazu führen wird, dass geringere Dickenbereiche und geringeren Bereiche für die elektrische Spannung durch höhere Permittivität und geringere Steifigkeiten erreicht werden können. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass auch solche Polymerfilme, die in Zukunft zur Verfügung stehen, im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
Der Elastomeraktuator wird bevorzugt von einem flexiblen Kondensator gebildet und besteht vorzugsweise aus einem elektroaktiven Polymer (EAP) zwischen zwei bevorzugt dehnbar ausgebildeten Elektroden. Das Elastomer kann dabei bevorzugt im sowohl mechanisch vorgestreckten, als auch im ungestreckten Zustand vorliegen. Die Elektroden können durch Ionenimplantation, Aufdampfen, Sprühen/ Drucken, Tauchen und/oder Stempeln aufgebracht werden. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere wichtig, dass die Leitfähigkeit der Elektroden bei Deformation erhalten bleibt.
Die in Frage kommenden Materialien für die Elektroden sind bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Gold, Silber, Indiumzinnoxid, Carbon Black (CB), CB-Komposite, Graphen, Hydrogele, ionische Flüssigkeiten, Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon-Nano-Tubes, CNTs), Silber-Nanoröhrchen (Silver Nano-Tubes, S-CNTs), leitfähige Elastomere (PEDOT:PSS). Es können auch einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (single wall carbon nano tubes, SWCNT) und/oder leitfähige-Gele und Polymere verwendet werden. Dabei kann es sich beispielsweise um Polyanilin (PANI) handeln, d.h. um ein Polymer, der im Sinne der Erfindung als organischer Halbleiter eingesetzt werden kann. Diese Elektrodensysteme haben eine geringe Dicke und zeigen vorteilhafterweise eine hohe Leitfähigkeit und behalten diese insbesondere unter Dehnung und Beeinflussen die Mechanik des DEAs nicht nachteilig. Es ist bevorzugt, die Elektroden in Design und Mechanik so einzustellen, dass mechanische Änderungen wie Streckung, Stauchung, Scherung, und/oder Rotation ermöglicht werden und auch eine optische Kopplung durch die Dickenrichtung diese Elektroden möglich ist. Es kann im Sinne der Erfindung ebenfalls bevorzugt sein, transparente Elektrodenmaterialien zu verwenden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Elastomerfilm elektroaktive Polymere, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend Kautschuke, Polyacrylate, Silikone, Thermoplaste, Fluorkautschuke, Fluorelastomere und/oder Gele ohne darauf beschränkt zu sein. Es ist weiter bevorzugt, dass Elektrodenpaare zum Beispiel durch die Verwendung von Masken segmentiert aufgebracht werden und jeweils separat elektrisch ansteuerbar sind. Es ist weiter bevorzugt, dass die parallele Kopplungslänge L zwischen den Wellenleitern variabel ausgebildet ist. Vorteilhaftweise wird die variable Ausgestaltung insbesondere durch das definierte verzögerte Aufladen, aber auch durch die separate Ansteuerbarkeit der Elektrodenpaare ermöglicht. Des Weiteren ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass Elektrodenpaare separat ansteuerbar und/oder aufgrund der Leitfähigkeit und Elektrodengeometrie insbesondere kontinuierlich aufladbar sind.
Es ist weiter bevorzugt, dass die Elektroden ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend Gold, Silber, Carbon Black, Graphen, Carbon Black-Komposite, Indiumzinnoxid, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Silber-Nanoröhrchen, einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder leitfähige Gele und/oder Polymere, welche den Brechzahlsprung Δn ermöglichen, insbesondere Brechzahlsprünge Δn von mindestens 0,01.
Es ist im Sinne der Erfindung weiter bevorzugt, dass ein DEA von einem Film und/oder Elastomerfilm mit eingebrachter Verstreckung gebildet wird, der vorteilhafterweise auf einem Rahmen fixiert und mit Elektrodenpaaren versehen ist, wobei das Anlegen eines externen Stimulus eine Entspannung oder Dehnung in einem passiven und/oder mit Elektroden versehenen Bereich bewirkt. Die Rahmen ermöglichen hierbei insbesondere, den Transport des Elements und die mechanische Verstreckung zu konservieren. Vorteilhafterweise wird durch die mechanische Vorstreckung ein Betrieb bei geringeren Spannung und eine Dehnung des Elektrodenbereichs und die Stauchung des passiven nicht-Elektrodenbereichs ermöglicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Elektrodenpaare separat ansteuerbar. Es ist im Sinne der Erfindung weiter bevorzugt, dass eine Vielzahl von individuell ansteuerbaren Elektroden vorliegt, wobei die gezielte Ansteuerung geeignet ist zur Durchführung von linearen Bewegungen, Schub- und/oder Rotationsbewegungen. Darüber hinaus ist es in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, dass der Wellenkoppler auf einer Oberfläche des Elastomeraktuators fixiert und/oder in oder auf dem Elastomeraktuator passend ausgebildet ist. Dies bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Wellenkoppler und die Oberfläche des Elastomeraktuator miteinander hinsichtlich ihrer Form korrespondieren, beispielsweise indem sie aufeinander abgestimmt sind. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Wellenkoppler auf der Oberfläche des Elastomers befestigt ist oder im Elastomerfilm vorliegt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung koppelt Licht zwischen den Wellenleitern in diesem Bereich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wellenleiter auf einer Oberfläche eines Elastomeraktuator fixiert und/oder in oder auf diesem ausgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen die Wellenleiter im Falle einer Nicht-Kopplung in einem Abstand von bevorzugt größer als 20 µm angeordnet vor und im Falle einer direkten Kopplung in einem Abstand von bevorzugt kleiner als 10 µm.
Es ist insbesondere bevorzugt, dass ein elastisches und elektrisch isolierendes Material mit Brechungsindex n zwischen den Wellenleitern angeordnet vorliegt, wobei das elektrisch isolierende, dielektrische Material ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend ein Glas, ein Gas, eine Flüssigkeit, ein Gel oder ein Elastomer, wobei das elektrisch isolierende Material einen Brechungsindex aufweist, der nicht identisch ist mit dem Brechungsindex des Lichtwellenleiters, wobei der Brechungsindexunterschied in einem Bereich von bevorzugt weniger als 0,1, besonders bevorzugt weniger als 0,01 liegt.
Es ist besonders bevorzugt, dass das Elastomer zwischen den Wellenleitern durch ein anderes elastisches und elektrisch isolierendes, dielektrisches Material mit Brechungsindex n ersetzt ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Lichtwellenleiter von Lichtleitfasern gebildet und/oder durch optische und/oder mechanische Strukturierung im Aktuatorfilm erzeugt. Die mittels optischer oder mechanischer Strukturierung erzeugten Lichtwellenleiter können beispielsweise durch Brechzahl- und/oder Dichtevariationen als planarer, radialsymmetrischer und/oder Stegwellenleiter ausgebildet sein ohne darauf beschränkt zu sein. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, die Lichtwellenleiter als Schicht, Steg und/oder Faser auf und/oder in einem EAP, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Silikone, Gele und/oder Thermoplaste mit Dipolmodifizierung, zu erzeugen. Die Lichtwellenleiter (LWL) werden mittels eines optischen Strukturierungsverfahrens, wie beispielsweise Holografie und der dadurch induzierten periodischen Brechzahl- oder Dichtevariation produziert. Die holographische Strukturierung von diplomodifizierten EAPs kann zur Erzeugung der LWLs als auch zur lokalen Einstellung des elektro-mechanischen Verhaltens des Aktuators Anwendung finden. Die LWLs zeigen dabei ein anderes Dehnungsverhalten unter elektrischen Spannung als die umgebende EAP-Matrix.
Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die LWLs einen radialsymmetrischen Querschnitt, wie beispielsweise lichtleitende Fasern, aufweisen und/oder aus Stegwellenleitern und/oder Schichtwellenleitern gebildet sind. Es ist weiter bevorzugt, dass die Wellenleiter elektroaktive Polymeren umfassen ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Gummi, Silikone, Gele und/oder Thermoplaste mit Dipolmodifizierung und/oder die Wellenleiter nichtelastische Materialien umfassen ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Quarze und/oder Polymere. Es ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, dass die Lichtwellenleiter fertig prozessiert mit dem Elastomeraktuator verbunden und/oder im Elastomeraktuator vorliegen oder in einer angrenzenden Schicht durch eine Prozessierung umfassend eine Gruppe von Herstellungsverfahren wie Belichtung, Prägen oder andere Methoden erzeugt werden und zu einer Dichtevariation, einer Polarisationsvariation und/oder einer Brechzahlvariation führen und aufgrund dieser Modifikationen einer lokale Variation der Permittivität und somit andere elektromechanische Eigenschaften als das umgebene Elastomer aufweist.
Das optische Verfahren ist geeignet um im elektroaktiven Polymer die LWL zu erzeugen, wobei das Verfahren geeignet ist um einen Abstand des ersten und des mindestens zweiten Lichtwellenleiters von beispielsweise 10 oder 20 µm im parallelen Kopplungsbereich zu erzielen um jeweils die Kopplung in einem Zustand U₁ zu ermöglichen oder zu unterbinden und im einen anderen Zustand U₂ gewünscht zu ändern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein elastischer Lichtwellenleiter direkt in dem elektroaktiven Polymer durch Polymerisation erzeugt, wobei dies mittels lokaler thermischer oder optischer Polymerisation oder mittels eines Prägeprozesses realisiert wird. Darüber hinaus ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Wellenkoppler im Elektrodenbereich angeordnet vorliegt.
Es kann im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt sein, das Volumen oder eine Oberfläche des Lichtwellenleiters zu modifizieren, sodass eine Ausgestaltung mit beispielsweise Volumengittern oder Oberflächengittern (Surface Relief Gratings, SRG) ermöglicht wird, wodurch vorteilhafterweise weitere optische Modifikationen, wie sie für Bragg Reflektoren (Distributed Bragg Reflectors, DBR) oder für Dünnschichtlaser ermöglicht werden, wobei diese bevorzugt als Distributed Feedback (DFB) Lasers oder Distributed Bragg Reflector (DBR) Laser ausführbar sind. Weiterhin kann es im Sinne der Erfindung bevorzugt sein, dass der Wellenleiter durch Volumengitter oder andere periodische oder aperiodische Brechzahlvariationen moduliert ist, wodurch die optische Überkopplung verbessert oder modifiziert oder um eine weitere Funktionalität erweitert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung außerhalb des Bereichs der Wellenleiterkopplung mindestens ein zusätzliches optisches Element, wobei dieses mindestens eine zusätzliche optische Element bevorzugt ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Gitter und/oder Linsen und vorteilhafterweise zur Überkopplung in zusätzliche optische Systeme dient. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das mindestens eine zusätzliche optische Element elastische Materialien umfasst, die durch ihre Integration in das zusätzliche optische Element eine Verformung eine gewünschte optische Funktionalität unterstützen und/oder erweitern. Es ist besonders bevorzugt, dass die Vorrichtung mindestens ein zusätzliches optisches Element umfasst, das zusätzliche optische Element ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend optische Gitter, Linsen, photonische Kristalle und/oder Dünnschichtlaser, und/oder das zusätzliche optische Element elastischen Materialien umfasst, deren Verformung eine optische Funktionalität unterstützt oder hinzufügt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließen die für die Lichtwellenleiter verwendeten Materialien eine Dotierung, d.h. eine Einmischung von weiteren Materialien, ein, die vorteilhafterweise zur Generierung des wellenleitenden Systems oder zur Erzeugung zusätzlicher optischer Funktionen wie z.B. Fiber Bragg Gratings (FBG) verwendet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist/sind der oder die Lichtwellenleiter in zwei oder mehr Teilbereiche unterteilt und/oder die Wellenleiter werden von einer konventionellen Optik gebildet und umfassend eine Faser und/oder einen planaren Lichtwellenleiter.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass eine Einstellung der Überkopplung durch geometrische Änderungen bewirkt werden kann, wobei diese Änderungen ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend Biegen, Falten, Rollen, Dehnen und/oder Komprimieren, wobei die geometrischen Änderungen durch ein Einstellen des elektrisch steuerbaren Aktuator induzierbar sind. Es ist besonders bevorzugt, dass die die Überkopplung des Lichts steuernden geometrischen Änderungen des Elastomeraktors ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend Biegen, Falten, Rollen, Dehnen und/oder Komprimieren.
Es ist im Sinne der Erfindung weiter bevorzugt, dass die Lichtwellenleiter und der Kopplerbereich im aktiven Bereich und/oder im passiven Bereich des Elastomerfilms auf dessen Oberfläche und/oder in dessen Volumen vorliegen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Schichtdicke des Elastomers, eines Elastomersubstrats und/oder der Elektrode im Nanometer- bis Mikrometer-Bereich liegt. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die Lichtwellenleiter auf einer oder beiden Oberflächen eines Elastomeraktuators und/oder in dessen Volumen vorliegen und/oder eine parallele Wellenleiterlänge L und/oder eine spannungsinduzierte Deformation der Elektroden räumlich zueinander angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Wellenleiter im Elastomerfilm des sowohl im passiven und aktiven Bereich des DEAs als Wellenleitertaper vor, wobei die Durchmesser der ursprünglichen Wellenleiter durch ein kombiniertes Heiz- und Streckverfahren des Gesamtsystems soweit verringert worden sind, dass der geführte Lichtmode örtlich begrenzt in den Wellenleitermantel und darüber hinaus koppeln kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt anstelle des Wellenleitertapers ein Interferenzkoppler vor, beispielsweise ein Multimode Interferenzkoppler (MMI). Dabei wird der monolithische Interferenzkoppler bevorzugt aus einem elastischen Material gebildet. Die Änderung der Geometrie des Elastomeraktuators wird vorzugsweise in eine Änderung der Geometrie des Interferenzkopplers, beispielsweise seine laterale Ausdehnung oder seine Dicke und/oder eine Änderung der optischen Eigenschaften des Interferenzkopplers, wie optische Dichte oder Brechungsindex, übersetzt. Dies führt vorteilhafterweise zu einer Änderung der Lichtausbreitung im Koppler und somit zur Variation der Auskopplung in die angeschlossenen Wellenleiter.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Koppelelement als Interferenzkoppler vor. Es ist im Sinne der Erfindung auch bevorzugt, dass der Interferenzkoppler aus einem elastischen wellenführenden Material besteht.
Als besonders geeignete Untergruppe der elektroaktiven Polymere zur Verwendung als elektromechanische Aktoren haben sich dielektrische Elastomere erwiesen. Diese speichern vorteilhafterweise elektrische Energie und wandeln diese in mechanische Arbeit um. Die isolierenden elektroaktiven Polymere weisen bevorzugt eine geringe mechanische Steifigkeit in einem bevorzugten Bereich von kleiner als 1 MPa, idealerweiser jedoch nicht ausschließlich einer Poissonzahl vvon 0,5, eine geringe Dichte p und Permittivitäten ε_r von beispielsweise Silikonen auf. Diese Materialien können vorteilhafterweise mit etablierten Polymertechniken verarbeitet werden, wodurch die Herstellung der Vorrichtung besonders einfach und ressourcenarm erfolgen kann. Die elektrische Leitfähigkeit der Elektroden gewährleistet vorteilhafterweise eine effiziente Übertragung und Speicherung des elektrischen Potentials auf dem Elastomeraktuator, während die Nachgiebigkeit des Elektrodenmaterials dafür sorgt, dass der Aktor bei der Verformung nicht wesentlich in seiner Bewegung behindert wird. Es ist weiter bevorzugt, dass die Elektroden transparent ausgestaltet sind, wobei für einzelne Anwendungen auch intransparente Elektroden in Frage kommen können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es bevorzugt, wenn der Abstand d zwischen den Lichtwellenleitern im Bereich von wenigen Mikrometern liegt. Besonders bevorzugt ist es, wenn der erste und der zweite Lichtwellenleiter einen Abstand von bevorzugt kleiner 20 µm aufweisen, mehr bevorzugt von kleiner 10 µm und am meisten bevorzugt im Bereich von 1 µm.Eine mikrometergenaue Positionierung der Fasern zueinander erfolgt dabei bevorzugt unter optischer Kontrolle unter Verwendung von mikromechanischen Stellelementen.
Es war vollkommen überraschend, dass solche Koppler so mit einem Elastomeraktuator kombiniert werden können, dass eine elektrisch einstellbare und steuerbare Übertragung von Lichtsignalen ermöglicht wird und auf zusätzliche optische Bauelemente, die notwendigerweise zu Signalverlusten führen, verzichtet werden kann.
Vorteilhafterweise führt die Verwendung von Elastomeraktuatoren in Verbindung mit lichtführenden Elementen, die beispielsweise in Form von Fasern vorliegen können, zu überraschend kompakten, bevorzugt jedoch monolithischen Systemen. Diese vorteilhafte Kombination kann in einer Vielzahl an Design- und Ausführungsmöglichkeiten realisiert werden, welche die Anpassung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an unterschiedliche Anforderungen und ihren Einsatz in unterschiedlichen Anwendungsfeldern erlaubt. Die lichtführenden Strukturen können dabei auch Polymere sein und somit durch ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten, Brechungsindizes und Verarbeitungsprozesse eine noch bessere physikalische Integration von Elastomeraktuator und Lichtleiter ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine besonders kompakte, aber auch überraschenderweise eine vollpolymere Bauweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dadurch erhöht sich vorteilhafterweise die Zahl unterschiedlicher Ausführungsformen und -geometrien in Abhängigkeit von gewünschten Eigenschaften. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Verwendung konventioneller Glas- und/oder Polymerfasern als Lichtwellenleiter weiter möglich bleibt und insoweit für den Anwender keine kostspielige Neuanschaffung und/oder Nachrüstung erforderlich ist.
Darüber hinaus gewährleistet die Verwendung von Silikonen mit geringer Viskoelastizität ein besonders schnelles, nahezu reversibles und kontinuierliches Einstellen der Vorrichtung in einem bevorzugten Frequenzbereich von >1kHz. Ein ähnlich schnelles Schalten der Elastomeraktuator kann auch für Aktuator-Systeme in einem mechanisch instabilen Zustand erzeugt werden. In diesem Zustand kann überraschenderweise durch besonders kleine spannungsgesteuerte Beeinflussungen das mechanische Gleichgewicht des Elastomerfilms verändert werden. Dies bewirkt eine signifikante, mechanische Veränderung durch kleine Spannungsänderungen, was für den durchschnittlichen Fachmann nicht zu erwarten gewesen war.
Beim Übergang von mindestens einem Lichtwellenleiter auf mindestens einen anderen geht im Allgemeinen die Polarisation verloren. Durch die Verwendung eines doppelbrechenden Fasermaterials oder die Beeinflussung des dielektrischen Materials zwischen den Lichtwellenleitern durch externen Stimulus wie beispielsweise Licht kann die Polarisation jedoch erhalten bleiben.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Serien- und/oder Parallelschaltung der elektro-optischen Koppler zur Veränderung der Intensität oder Wellenlänge der Überkopplung.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung der Vorrichtung zur aktiven elektromechanischen Steuerung der Überkopplung ohne Freistrahlführung in Telekommunikationsknoten, Kopplern, Signalknoten, optischen Filtern, optischen Fasern, Fasersensoren und/oder Spektroskopieelementen zur Überwachung von Deformationen und/oder chemischen oder biologischen Monitoring.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung der Vorrichtung, wobei ein hochisolierender Film zwischen den parallelen Elektroden vorliegt, wodurch die Durchschlagswahrscheinlichkeit deutlich verringert, aber auch einen Schichtaufbau des Systems ermöglicht wird.
Ausführungsbeispiele
Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Elastomersubstrat, d.h. ein freistehenden Elastomerfilm und einen optischen Koppler wie einen Fasertaper umfassen. Das Elastomersubstrat kann zum Beispiel aus einem industriellen Silikonfilm (zum Beispiel Elastosil® von Wacker) und/oder einem Poly-Acrylat-Film (zum Beispiel VHB4905/4910/4915/9460/9469/9473 von 3M) gefertigt werden. Der Elastomerfilm kann nach der mechanischen Konditionierung, beispielsweise durch eine mechanische Verstreckung in beide planare Raumrichtungen (1 und 2), vorzugsweise auf einen Rahmen aus beispielsweise Plexiglas (PMMA) fixiert werden. Ein Rahmen eignet sich vorteilhafterweise zum Transport des Gesamtelements und zur Konservierung der mechanischen Verstreckung und ermöglichen die elektrische Kontaktierung der weichen Elektroden. Das so gefertigte Substrat kann beispielsweise eine äußere Kantenlänge von 40 mm x 40 mm aufweisen. Durch Sprühmasken können Elektrodendesigns auf dem Substrat definiert und Kompositelektroden, bestehend aus Carbon Back und einem passenden Elastomer, aufgebracht werden. Es ist dabei bevorzugt, dass die Steifigkeit der Elektrodenschicht die Deformation nicht wesentlich beeinflusst.
Der optische Koppler, der vorzugsweise aus Fasertapern besteht, wird bevorzugt mittels eines Mikromanipulatorarms auf das Elastomersubstrat aufgelegt. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Fasertaper aus Singlemode-Wellenleitern erzeugt werden und im getaperten Bereich abhängig vom Fasermaterial und der verwendeten Lichtwellenlänge einen Gesamtdurchmesser von einigen Mikrometern aufweisen. Für eine Lichtwellenlänge von 630 nm und eine Thorlabsfaser 630HP ergibt sich beispielsweise ein Gesamtdurchmesser von 7,5 µm.
Vorzugsweise werden die Fasern bei der Herstellung des optischen Kopplers mit einer Halte- und Kontrolleinrichtung hinreichend eng nebeneinander positioniert und nach dem Verjüngungsprozess des Wellenleiters, wie es beispielsweise durch die Herstellung eines Fasertapers geschieht, auf dem Elastomersubstrat fixiert. Dazu kann beispielsweise eine DOW CORNING® SE 1740-Schicht mit einer bevorzugten Dicke von 200 µm und weniger verwendet werden, wobei das verwendete Silikon insbesondere ausreichend transparent im sichtbaren bzw. im verwendeten Spektralbereich ist.
Das zu übertragende Licht kann beispielsweise mit einer Laserdiode erzeugt werden und eine Wellenlänge von 650 nm aufweisen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, Licht im sichtbaren und infraroten Spektralbereich, d.h. zwischen 400 nm und 1600 nm, zu verwenden. Der Bereich der Telekommunikationsanwendungen im Bereich von bevorzugt über 1000 nm kann durch die Verwendung von Spezialmaterialien, vorzugsweise auch Polymermaterialien mit geringer Absorption in diesem Spektralbereich, erschlossen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens einer der Lichtwellenleiter so angeordnet, dass eine Abstandsänderung Δd in einem Bereich von bevorzugt 0,1 bis 10 µm, mehr bevorzugt von 0,1 bis 5 µm und am meisten bevorzugt von 0,1 bis 1 µm erfolgt.
Elektromechanische Funktionsmodi des einstellbaren Kopplers
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, den Abstand d zwischen den Lichtwellenleitern durch die Wahl der elektrischen Spannung U auf den Abstand d* einzustellen und/oder zu regulieren. Dazu können vorteilhafterweise mehrere Funktionsmodi verwendet werden.
In Mode 1 werden die Lichtwellenleiter bevorzugt auf einem Elastomeraktuator räumlich voneinander getrennt angeordnet. Der Abstand d zwischen den Lichtwellenleitern ist so gewählt, (vgl. 2- 200 und 3) dass eine Spannung U₂ > U₁ genügt, um einen kritischen Abstand d_Schwelle zu unterschreiten. Erst nach dem Unterschreiten des kritischen Abstands d_Schwelle kommt es zu einem signifikanten Lichtübergang zwischen den Fasern.
In Mode 2 (vgl. 2 - 205 und 4) ist der Abstand d der Lichtwellenleiter beim Aufbringen auf den Elastomeraktuator so gewählt, dass bereits in diesem Zustand ein signifikanter Anteil des Lichts zwischen den Lichtwellenleiter überkoppelt. Durch das Anlegen einer Spannung U₂ > U₁ kommt es zum Überschreiten des kritischen Abstands d_Schwelle, so dass kein Licht mehr überkoppelt.
Modus 3 verbindet den Modi 1 und 2 und ermöglicht vorteilhafterweise eine besonders komplexe Steuerung der Geometrie der Lichtwellenleiter. Dies wird vorteilhafterweise durch eine komplexe Elektrodengeometrie und eine separate Ansteuerung der Elektroden ermöglicht. Die gewählten Designs sind besonders vorteilhaft, weil gerade elektrische Größen einfach für den durchschnittlichen Fachmann handhabbar sind.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Menge M beziehungsweise die Intensität / des Lichts, das von einem ersten Lichtwellenleiter auf einen zweiten Lichtwellenleiter übergeht, abhängig vom Abstand d zwischen den Lichtwellenleitern ist. Somit wird durch die Erfindung eine Möglichkeit geschaffen, mittels der einzustellenden elektrischen Spannung U die wellenlängenabhängige Überkopplung von Licht zwischen zwei Lichtwellenleitern zu regulieren.
Dies stellt insofern eine Abkehr vom Stand der Technik dar, als dass bisher davon ausgegangen worden ist, dass dafür zusätzliche optische Bauelemente zwischen den Lichtwellenleitern, beispielsweise Linsen oder Prismen, erforderlich seien. Die Erfindung ermöglicht es vorteilhafterweise, ein durchstimmbares, monolithisches optisches Dämpfungsglied in einer Lichtübertragungsstrecke vorzusehen. Darüber hinaus werden durch die nicht ausschließlich bevorzugte faserbasierte Lösung der Erfindung überraschend hohe Schaltgeschwindigkeiten zwischen den Lichtwellenleitern eine kontinuierliche Einstellung mit hoher Reversibilität erreicht und die bei konventionellen technischen Lösungen üblichen Signalverluste oder Ungenauigkeiten wesentlich reduziert.
Funktionsweise Lichtkopplung
Bei der vorliegenden Erfindung wird das evaneszente Feld des Lichts im ersten Lichtwellenleiter ausgenutzt, um die Überkopplung des Lichts vom ersten auf einen zweiten Lichtwellenleiter zu erreichen. Mit dem Begriff des „evaneszenten Feldes“ werden im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt diejenigen Anteile des Lichts bezeichnet, die außerhalb des Lichtwellenleiters vorliegen. Dort breitet sich das Licht nicht mehr bevorzugt in der Richtung des Lichtwellenleiters aus und klingt exponentiell ab. Vorteilhafterweise ermöglicht das evaneszente Feld, dass Licht von einem ersten Lichtwellenleiter auf einen zweiten Lichtwellenleiter übertreten kann, wenn diese Leiter einen hinreichend kleinen Abstand d zueinander aufweisen. Der Abstand, ab dem von größeren Abständen kommend, dieser Übergang möglich ist, wird im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt als Schwellenabstand d_Schwelle bezeichnet.
Für die Überkopplung muss neben der geometrischen Bedingung eines Schwellenabstandes d_Schwelle auch ein Brechzahlunterschied Δn zwischen der lichtleitenden Schicht n₁ und der Mantelschicht n₂ eingestellt sein, damit ein ausreichend großer Anteil des Lichts als evaneszentes Feld geführt wird und somit zwischen den Lichtwellenleitern überkoppeln kann. Ist der Brechungsindexunterschied Δn zu klein, verlässt zu viel Licht den ersten Lichtwellenleiter und verliert sich im Mantelmaterial, ohne auf den zweiten Lichtwellenleiter überzukoppeln. Ist der Brechungsindexunterschied Δn zu groß, verlässt zu wenig Licht den ersten Lichtwellenleiter und es findet keine oder nur eine sehr kleine Überkopplung statt. Der benötigte Brechzahlunterschied hängt von mehreren Faktoren, wie zum Beispiel der Wellenlänge und/oder den Krümmungen im Lichtwellenleiter, aber auch von der Rauigkeit der lichtführenden Schicht ab. Der Unterschied Δn zwischen den Brechzahlen liegt vorzugsweise in einem Bereich von kleiner als 0,1.
Es ist im Sinne der Erfindung weiter bevorzugt, dass ein zumindest elastisches Medium mit Brechungsindex n zwischen den Wellenleitern angeordnet vorliegt. Bevorzugte Elastomere, insbesondere elektroaktive Polymere mit vorzugsweise hoher optischer Transparenz zeichnen sich durch die folgenden Brechzahlen aus:

• VHB4905/VHB4910, Brechzahl n = 1,4735
• PDMS Sylgard184, Brechzahl n = 1,414
• Elastosil® Wacker, Brechzahl n = 1,415
• SE 1740, Brechzahl n = 1,407

Die Brechzahl der jeweiligen Materialien wurde mit einem Ellipsometer bei einer Wellenlänge von 633 nm bestimmt. Elastomermaterialien eignen sich für eine gezielte chemische, physikalische und/oder mechanische Modifikation zur Einstellung der Brechzahl bzw. des Brechzahlsprungs. Dies kann durch z.B. den Einbau von Nanopartikeln, Dipolen oder Variation der Prozessierung d.h. Variation der A- und/oder B-Komponente eines Silikons erfolgen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Überkopplung von Licht von mindestens einem ersten Wellenleiter auf mindestens einen zweiten Wellenleiter. Es kann im Sinne der Erfindung bevorzugt sein, dass die Lichtwellenleiter Lichtwellenleiter im Sinne der vorliegenden Erfindung sind, es kann allerdings ebenso bevorzugt sein, dass in dem Verfahren davon abweichende Lichtwellenleiter verwendet werden.
Die Erläuterungen zu den einzelnen Begriffen gelten analog zu den hinsichtlich der Vorrichtung gemachten Ausführungen, auf die an dieser Stelle verwiesen wird.
Es ist insbesondere bevorzugt, dass das Verfahren zur Steuerung eines Übergangs von Licht von einem ersten auf einen zweiten Lichtwellenleiter die folgenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellung von mindestens zwei Lichtwellenleitern, die räumlich voneinander getrennt angeordnet auf einem Elastomeraktuator und/oder innerhalb eines Elastomeraktuators vorliegen und einen Abstand d einschließen,
b) Bereitstellung von Licht in einem ersten Lichtwellenleiter, wobei das Licht von dem ersten auf einen zweiten Lichtwellenleiter übergeht, wenn der Abstand d zwischen den Lichtwellenleitern einen Schwellenabstand d_Schwelle unterschreitet,
c) Bereitstellung einer elektrischen Spannung U, die mittels elastischer Elektroden, die auf einem Elastomerfilm angeordnet vorliegen, auf diesen übertragen werden, wodurch eine geometrische Verformung der mindestens einen Elastomerelektrode bewirkt wird, die den Abstand d zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtwellenleiter verändert und wodurch die Menge M des zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtwellenleiter übertretenden Lichts einstellbar wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist es bevorzugt, dass die elektrisch induzierte Änderung der Geometrie eines Elastomeraktuators zur Änderung des Abstands zwischen mindestens zwei Wellenleitern genutzt wird.
Es ist weiter bevorzugt, dass die Änderung des Abstands zwischen den Wellenleitern zu einer Erhöhung oder zu einer Reduzierung des überkoppelnden Lichts führt und/oder dass die Änderung der Länge der Strecke, auf der die Lichtwellenleiter parallel laufen, zu einer Änderung der spektralen Überkopplebedingung führt und die Wellenlängenselektivität der Überkopplung dadurch steuerbar ist.
Die Präparation der Wellenleiter umfasst bevorzugt

• optische Fasern aus Glas und/oder Polymer
• Stegwellenleiter in z.B. Photolacken
• Wellenleiter, die durch Präge- und/oder Abformprozesse hergestellt sind
• Wellenleiter, die durch Variation des Brechungsindex, der Dichte oder der Doppelbrechung des Elastomerfilms oder einer anderen transparenten Schicht mittels optischer Belichtung hergestellt sind.

Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass Lichtwellenleiter mechanisch durch Prozessierungstechniken beispielsweise Präge-, Abform-, Schicht- und Belichtungsprozesse erzeugt werden können. Die so entstehenden Oberflächenstrukturen werden dann beispielsweise mittels Rakeln, Schleuder- oder Tauchbeschichtung befüllt und formen vorteilhafterweise durch einen Brechzahlsprung An einen Lichtwellenleiter.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Positionierung der Lichtwellenleiter durch beispielsweise Kompression, Dehnung und/oder Scherung gesteuert durch Elastomeraktuatoren erfolgt. Diese geometrischen Veränderungen führen vorteilhafterweise zur Einstellung der Überkopplung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung einen Koppler welcher durch externe Stimuli eine Änderung in der Kopplung zwischen den Wellenleitern erfährt. Das System ist bevorzugt also Sensor für kleinste geometrische Änderungen durch externe Einflüsse geeignet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die vorzugsweise als Dickenmode mit eingebetteten Wellenleiter bezeichnet ist, wird vorgesehen, dass der Raum zwischen den mindestens zwei Lichtwellenleitern mit einem Material gefüllt wird, wobei das elektrisch isolierende Material ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend ein Glas, ein Gas, eine Flüssigkeit, ein Gel, oder ein Elastomer, wobei das Elastomer einen Brechungsindex aufweist, der nicht identisch ist mit dem Brechungsindex des Elastomeraktuators. Die Anpassung des Brechungsindexsprungs zwischen Wellenleiter und Elastomer kann die Überkoppeleigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich deutlich verbessern.
Anwendungsbeispiele für die Erfindung:

• Schaltbares Wellenlängenmultiplexing/-demultiplexing in der Telekommunikation zur Erhöhung der Datenraten
• In wellenlängenanhängigen spektroskopischen Anwendungen
• Einstellbare optische Filter
• Optischen Sensoren
- o Dehnungssensoren
- o Temperatursensoren
- o Chemische und biologischen Sensoren.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine elektrische Einstellung der Überkopplung zwischen den Wellenleitern durch Flächen- und Dickenaktuation ermöglicht werden kann. Insbesondere wird eine Freistrahlführung vermieden und eine wellenlängenabhängige Überkopplung zwischen den Lichtwellenleitern gewährleistet. Dies wird vorteilhafterweise durch die Verwendung von Elastomerfilmen mit mehreren elektro-mechanischen Wellenkopplern erreicht. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, die Elektroden zur Einstellung der parallelen Kopplungslänge zu strukturieren. Es ist im Sinne der Erfindung darüber hinaus bevorzugt, dass eingeschriebene Lichtwellenleiterstrukturen ein anderes elektro-mechanisches Verhalten als die umgebende EAP-Matrix aufweisen, was vorteilhaft für die Einstellung der parallelen Kopplungslänge sein kann und beispielsweise weitere Aktuatordesigns ermöglicht.
Die Erfindung umfasst in einem weiteren Aspekt ein Element zur Steuerung der Überkopplung von Licht von mindestens einem ersten auf mindestens einen zweiten Lichtwellenleiter, umfassend mindestens einen ersten Lichtwellenleiter, einen zweiten Lichtwellenleiter, ein Elastomer und mindestens einen Elastomeraktuator, wobei die zur Überkopplung des Lichts verwendeten Wellenleiter als Fasertaper vorliegen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung münden die zur Überkopplung des Lichts verwendeten Wellenleiter im Bereich der Lichtkopplung in einen Interferenzkoppler, wobei der Interferenzkoppler ein elastisches wellenführendes Material umfasst.
Es ist des Weiteren bevorzugt, dass das Verfahren zur Steuerung der Überkopplung von Licht von mindestens einem ersten Wellenleiter auf mindestens einen zweiten Wellenleiter dadurch gekennzeichnet ist, dass die induzierte Geometrieänderung eines Elastomeraktuators zur Änderung der Geometrie d.h. der lateralen Ausdehnung, Dicke oder Krümmung eines Interferenzkopplers, genutzt wird. Es kann ebenfalls bevorzugt sein, dass die elektrisch induzierte Änderung der Geometrie eines Elastomeraktuators zur Änderung der optischen Eigenschaften, wie Brechungsindex und/oder optische Dichte eines Interferenzkopplers genutzt wird und/oder die Änderung der Geometrie und/oder der optischen Eigenschaften des Interferenzkopplers zu einer Erhöhung oder zu einer Reduzierung des überkoppelnden Lichts führt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispielfiguren näher beschrieben.
1 zeigt eine bevorzugte Umsetzung eines Aktuatordesigns bestehend aus einem vorgespannten Elastomer mit elastischen Elektroden und einem Faserkoppler zur aktiven Einstellung der Überkopplung durch die Vergrößerung der Spannung von U₁ auf U₂ . Abbildung B zeigt beispielhaft eine Darstellung der Überkopplung in einem Taperbereich durch Variation des Abstandes d. Die Änderung in der Überkopplung wird durch den elektrostatischen Druck im Elektrodenbereich aufgrund der Spannung U₂ >U₁ erzeugt. Der Druck bewirkt eine Flächendehnung des Elektrodenbereichs und eine lokale Reduzierung des Abstands d zwischen den Wellenleitern im Koppler bis die Bedingung zur Kopplung d<d_Schwelle erfüllt ist.
Neben der allgemeinen Funktionsweise, die in 1 beschrieben ist, sind in den 2 bis 14 verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, die sich in ihrer Funktionalität unterscheiden, aber alle auf demselben Prinzip dieser Erfindung beruhen.
2 zeigt die allgemeine Funktionsweise des Funktionsmode 1. Die mechanische Vorspannung der Elastomere ermöglicht hierbei vorteilhafterweise die Reduzierung der elektrischen Spannung im Vergleich zu ungestreckten Filmen und führt parallel zu einer höheren Verformung des Elastomers. In einem gewählten Designbeispiel besteht der Elastomeraktuator beispielsweise aus einem vorgestreckten freistehenden Elastomerfilm, der eine oder mehrere auf der Ober- und Unterseite aufgebrachte flexible Elektrodenpaare aufweist. Durch das Anlegen eines elektrischen Potentials U zwischen ausgewählten Elektrodenpaaren kommt es zu einer elektrostatischen Anziehung der gegenüberliegenden weichen Elektroden. Die Ausdehnung des aktiven Bereichs wird in eine entsprechende Verringerung des passiven Bereichs begleitet. Die Lichtwellenleiter und der koppelnde Bereich sind auf dem Aktuator positioniert um eine gewünschte Funktionalität zu erzielen, d.h. den Abstand zwischen den Lichtwellenleitern passend einzustellen.
Insbesondere zeigt 200: Mode 1, 205: Mode 2 und 210: Mode 3 - Komplexmode (Mode 1 + Mode 2). Die Pfeile in der Abbildung geben die durch die elektrische Spannung induzierten Geometrieänderungen bzw. die Bewegungsrichtungen an. 200 zeigt Mode 1. In diesem Anwendungsbeispiel des Mode 1 ist es bevorzugt, wenn die Koppelbereiche der mindestens zwei Lichtwellenleiter zwischen zwei Elektrodenbereichen liegen und die Lage der Lichtwellenleiter zueinander, d.h. ihr Abstand d, von der Verformung der Elektrodenbereiche und somit von der elektrischen Spannung U abhängt. In dem Ausgangsabstand liegen die Wellenleiter so weit auseinander, dass kein Licht von einem auf den anderen Lichtwellenleiter übertreten kann, es gilt d > d_Schwelle. Die Spannungserhöhung von U₁ auf U2 führt bevorzugt zur Reduzierung des Abstandes d zwischen den Lichtwellenleitern und somit zur Überkopplung da d_Schwelle erreicht wird. Eine Reduzierung der Spannung auf U₁ bewirkt eine reversible mechanische Änderung.
205 zeigt den Mode 2 als erwünschte Änderung der Überkopplung durch das Anlegen einer elektrischen Spannung. Die Wellenleiter werden im koppelnden Bereich bevorzugt durch die Flächendehnung der Elektrode auseinandergezogen. Dies führt vorteilhafterweise zu der Erhöhung des Abstandes d > d_Schwelle und unterbindet somit die Überkopplung bei einer Erhöhung der elektrischen Spannung von U₁ auf U₂ . Eine Reduzierung der Spannung von U₂ auf U₁ bewirkt eine reversible mechanische Änderung.
210 zeigt Mode 3, ein Design unter Verwendung des Mode 1 und des Mode 2. Im Mode 3 kann es bevorzugt sein, eine Vielzahl von individuell ansteuerbaren Elektroden zu verwenden, wenn die Lichtwellenleiter zwischen oder auf mehreren Elektroden angeordnet vorliegen. Das Elektrodendesign kann in diesem Anwendungsbeispiel vorteilhafterweise so ausgewählt sein, dass eine elektrische Spannung U₂ > U₁ , die an dem Elastomeraktuator anliegt, vorzugsweise entweder zu einer Vergrößerung oder einer Verkleinerung des Abstands d zwischen den Lichtwellenleitern führt. Es ist beabsichtigt, dass dadurch der im Zustand U₁ initial vorhandenem Übergang von Licht zwischen den LWLs vorteilhafterweise frei eingestellt, d.h. insbesondere erhöht, verringert oder ausgeschaltet werden kann.
Der Elastomeraktuator verwendet mehrere unabhängig ansteuerbare Elektrodenelemente, welche vorzugsweise nebeneinander/hintereinander angeordnet vorliegen. Dadurch kann beispielsweise die Länge L einer Strecke, entlang derer die Lichtwellenleiter parallel zueinander verlaufen, eingestellt werden, indem zum Beispiel die Anzahl der einzelnen gesteuerten Elastomeraktuatorelemente verändert wird, was die Überkopplung wellenlängenselektiv macht und einen Filtereffekt generiert. Des Weiteren kann dieser Effekt auch für eine flächige Elektrode mit hohem elektrischen Widerstand und somit einer verzögerten elektrischen Aufladung erzeugt werden.
3 zeigt den Funktionsmode 2 und die bevorzugte Ausführungsform der Elektrodenposition unter Verwendung des Dickenmodes des DEAs wobei 3 A einen Schnitt durch Aktuator und Faser, 3 B und C eine Aufsicht zeigen. Die Stapelaktuatoren bestehend bevorzugt aus einer alternierenden Abfolge aus EAP-Filmen und Elektroden. Die mindestens zwei Lichtwellenleiter sind bevorzugt auf der Oberfläche des Aktors nebeneinander und/oder im Volumen nebeneinander und/oder übereinander fixiert. Insbesondere wird in diesem Beispiel die Überkopplungen bei einer Spannung U₁ ermöglicht, wobei ab einer Spannung U₂> U₁ eine Kopplung bevorzugt nicht mehr gegeben ist oder vermindert erfolgt, d.h. es wird abhängig von der Position des Kopplers auf oder im Elastomeraktuator, dem Elektrodendesign und der elektrischen Ansteuerung global 3A als auch lokal 3B die Bedingung d>d_Schwelle durch eine Spannungserhöhung erfüllt.
Dabei erfahren die Elektrodenbereiche mit U₂>U₁ eine Änderung der Querschnittsflächen von A₁ auf A₂ . Diese Änderung der Querschnittsfläche führt im betrachteten Bereich zur Vergrößerung des Abstands d zwischen den koppelnden Wellenleitern. Die Segmentierung der Elektroden im Stapel (3 C) und die Möglichkeit zur separaten elektrischen Ansteuerung der Elektroden kann auch zur Einstellung der Kopplungslänge L benutzt werden, die eine Änderung der überkoppelnden Wellenlänge ermöglicht.
4 mit 400 und 405 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Anwendung des Dickenmodes des Aktuators. 400 zeigt die Umsetzung der Erfindung mit mindestens einem fixierten, insbesondere statischen, und mindeste einem positionierbaren Wellenleiter. Hier wird der Wellenleiter auf der Stirnseite des Aktuators mit einem gegenüberliegenden fixierten Wellenleiter gezeigt. Das Anlegen bzw. erhöhen einer elektrischen Spannung von U₁ auf U₂ führt zur Verringerung der Höhe H des Stapelaktuators und konsequent zur Vergrößerung des Abstand d zwischen den parallelen Wellenleitern im Kopplungsbereich bis die Bedingung d<d_Schwelle erfüllt wird.
405 zeigt das bevorzugte Design gemäß der Erfindung und ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Dickenmode des Aktuators mit der Möglichkeit zur Redundanz gegen Ausfall eines Aktuators. Diese Redundanz in Funktionalität wird durch Stapelaktuatoren hier in Serienanordnung erzielt und kann aber auch in Parallelanordnung ermöglicht werden. Das Element wird aus der gewünschten Anzahl von einander gegenüberliegenden Aktuatoren gefertigt und mit den Wellenleitern auf der Oberfläche versehen. Der Abstand d und somit die Überkopplung zwischen den Wellenleitern wird über die Variation der elektrischen Spannung U und somit der Höhe H des Stapelaktuators eingestellt.
5 mit 500 und 505 zeigt Funktionsmode 2 und eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Dickenmode mit der Möglichkeit zur Redundanz gegen Ausfall eines Aktuators. Diese Redundanz in Funktionalität wird durch eine Unterteilung der Elektrodenelemente und durch Verwendung von einander gegenüberliegenden Stapelaktuatoren erzielt.
500 zeigt einen Ausschnitt der Umsetzung zur Einstellung der Überkopplung zwischen Wellenleitern wobei die Elektroden entlang der Faserrichtung des Wellenleiters angeordnet vorliegen. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Mischung und/oder Schaltung von Licht aus verschiedenen Lichtwellenleitern oder Lichtanteilen erreicht werden kann. Es ist dabei der Anwendungsfall der Erfindung gezeigt, bei dem mindestens zwei Lichtwellenleiter im Kopplungsbereich in einer Ausgangssituation sich so dicht gegenüberliegen, dass nahezu das gesamte Lichtsignal von einem Lichtwellenleiter auf den anderen Lichtwellenleiter übergeht (d < d_Schwelle). Die Lichtwellenleiter sind im überkoppelnden Zustand präpariert und auf den Oberflächen der Stapelaktuatoren fixiert. Im überkoppelnden Fall liegt eine elektrische Spannung U₁ an. Das Design ermöglicht, dass eine elektrische Spannung U₂ >U₁, die an ausgewählten Elastomeraktuator anliegen so gewählt wird, dass eine Ansteuerung zur Verformung von Elastomeraktuatoren im Kopplungsbreiche L führt. Die graduelle Einstellung der Überkopplung durch die Einstellung in den überkoppelnden Bereichen der Wellenleiter kann durch das Elektrodendesign in den Stapelaktuatoren, welche in Reihen- oder Parallelanordnung erzielt werden. In diesem Anwendungsbeispiel werden mehrere Koppler in Reihe geschaltet bzw. separate Elektrodenbereiche auf den Elastomerschichten prozessiert. Eine Vergrößerung des Abstandes d zwischen den Lichtwellenleitern im koppelnden Bereich führt vorzugsweise zur Verringerung der Menge M des übertretenden Lichts oder dazu, dass der Übertritt vollständig unterbunden werden kann, wenn der Abstand d zwischen den Lichtwellenleitern den Schwellenabstand d_Schwelle überschreitet. Durch die Einstellung einer Spannung U₂ > U₁ und selektiven Ansteuerung von Stapelaktuatoren kann demnach der Lichtübergang nicht nur kontinuierlich reguliert, sondern vorteilhafterweise auch binär ein- oder ausgeschaltet werden. Die Möglichkeit zur individuellen Ansteuerung kann für die Einstellung der parallelen Kopplungslänge verwendet werden. Das System fungiert somit als wellenlängenabhängiger Filter.
505 zeigt mindestens zwei Stapelaktuatoren in einem starren Rahmen, wobei der Zwischenraum mit beispielweise einem Gel und mindestens zwei Wellenleitern ausgefüllt ist. Das Gel oder Gas besitzt den Brechungsindex n, welcher die Überkopplung zwischen den Wellenleitern bei d_Schwelle ermöglicht. Es ist der Anwendungsfall denkbar, bei dem mindestens ein Wellenleiter an der Außenkannte des mindestens einen Stapelaktuators angebracht ist und mindestens ein weiterer entlang eines anderen Stapelaktuators vorliegt. Das Anlegen bzw. erhöhen einer elektrischen Spannung von U₁ auf U₂ an mindestens einen Aktuator vergrößert bevorzugt die Querschnittsflache A des Stapelaktuators und verringert die Höhe h konsequent. Es wird bevorzug der Abstand d zwischen den parallelen Wellenleitern im Kopplungbereich reduziert bis die Bedingung d < d_Schwelle erfüllt ist.
6 mit 600 und 605 zeigt eine bevorzugte Anwendung des Dickenmodes des Aktuators mit eingebetteten Lichtwellenleitern. Diese Wellenleiter werden erfindungsgemäß nebeneinander und/oder übereinander vollständig in ein Elastomer eingebettet oder werden in diesem erzeugt. Dieses Design ist insofern vorteilhaft, als dass die stufenweise polymertypische Prozessierung (beispielsweise Rolle-zu-Rolle, Tauchbeschichtungen, Drucken) aller Komponenten ermöglicht und ein besonders kompaktes Element generiert. Des Weiteren kann in dieser bevorzugten Ausführungsform auf eine Vorspannung des Elastomers verzichtet werden. Die Ausbildung der optischen Strukturen kann auch durch eine optische Strukturierung erfolgen d.h. durch eine ortsaufgelöste Belichtung, beispielsweise in einem holografischen Aufbau, durch eine Maske und/oder mittels eines positionierbaren Lasers. Dabei können sich durch die Verwendung von zum Beispiel UV-Licht ortsaufgelöst der Brechungsindex und/oder die Dichte des Materials ändern. Außerdem können auch Diffusionsprozesse angeregt werden, die zu einer örtlichen Variation der Materialzusammensetzung führen.
600 zeigt, eine Umsetzung bei der eine spannungsinduzierte Flächendehnung vorteilhafterweise den Abstand d zwischen koppelnden Wellenleiter, welche im Volumen eingebetteten sind einstellen kann und somit die Überkopplung unterbindet beziehungsweise die parallele Kopplungslänge L moduliert.
605 zeigt eine bevorzugte Verwendung von transparenten Elektroden, beispielsweise einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (single walled carbon nano tubes, SWCNT) oder Gelen die vorteilhafterweise eine elektrisch gesteuerte Deformation und somit die Verringerung der Elektrodendicke ermöglicht. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass ab einer Dicke d < d_Schwelle beide Wellenleiter durch die transparente Elektrode koppeln. Es ist weiter bevorzugt, dass die Trennschicht zwischen den Wellenleitern einen gewünschten Brechzahlsprung bereitstellt.
7 mit 700, 705, 710, 715, 720 zeigt eine bevorzugte Anwendung des Dehnungsmodes mit mindestens einem fixierten Wellenleiter und mindestens einem positionierbaren Wellenleiter. Der statische Wellenleiter kann auf dem Rahmen fixiert sein, so dass dieser vorteilhafterweise nicht anfällig für eine elektromechanische Deformation ist. Der Aktuator verwendet bevorzugt Elastomerfilme welche einen eingebrachten und konservierten Stress verwenden.
700 zeigt ein bei U₁ nicht koppelndes System. Das gewählte Elektrodendesign ermöglicht es bei einer Spannung U₂>U₁ den Abstand d zwischen dem flexiblen und statischen Wellenleiter auf d_Schwelle zu reduzieren. Desweiteren kann die selektive Ansteuerung der Elektroden verwendet werden, um die parallele Kopplungslänge L einzustellen.
705 zeigt ein bei U₁ koppelndes System. Das gewählte Elektrodendesign ermöglicht es bei einer Spannung U₂ >U₁ den Abstand d zwischen dem flexiblen und statischen Wellenleiter auf d > d_Schwelle zu vergrößern. Die selektive Ansteuerung der Elektroden kann verwendet werden um die parallele Kopplungslänge L zu modifizieren.
710 und 715 zeigen eine Umsetzung mit Positionierung der mindestens zwei Wellenleiter, gegenüber einer fixierten Faser. Das gezeigte Design und die Elektrodenanordnung können unter Spannungsvariation überraschenderweise als Weiche fungieren. Das System wechselt durch die Veränderung von U₁ auf U₂ an den entsprechenden Elektroden die Kopplung zwischen einer ersten flexiblen und dem statischen Wellenleiter auf den zweiten flexiblen Wellenleiter und den statischen Wellenleiter. Desweiteren kann durch die selektive Ansteuerung die parallele Kopplungslänge L eingestellt werden. Es erfolgt somit eine wellenlängenabhängige Kopplung bzw. Filterung.
720 zeigt eine Umsetzung zur Einstellung der Überkopplung und der parallelen Koppplungslänge L von mindestens zwei positionierbaren Wellenleitern, gegenüber einer fixierten Faser. Die optische Kopplung zwischen den Wellenleitern erfolgt für den Zustand U₁ des Systems. Bei einer passenden Spannung U2 > U₁ an den Elektroden unterhalb des fixierten Wellenleiter erfolgt eine Verringerung der parallelen Kopplungslänge L und passend die Verlagerung der Wellenlänge der Überkopplung. Die Ansteuerung der äußeren Elektroden führt zur Erhöhung der Kopplungslänge L.
8 mit 800 zeigt eine bevorzugte Anwendung des Dehnungsmodes, wobei mindestens zwei Wellenleiter auf dem Elastomer und/oder den Elektroden aufliegen. Für die Einstellung des Abstands d zwischen den Wellenleitern können die Elektroden separat angesteuert werden können. Die Einstellung der parallelen Kopplungslänge L erfolgt maßgeblich durch die äußeren Elektrodenbereiche. Die Elektrodensegmente unterhalb der Wellenleiter vergrößern den Abstand d bis eine Überkopplung nicht mehr erfolgt. Die Pfeile zeigen die spannungsinduzierten Geometrieänderungen der Elektroden und die Bewegung der Wellenleiter an.
9 mit 900, 905 zeigt verschiedene bevorzugte Umsetzungen der Erfindung, wobei der Elastomerfilm einpolymerisierte oder eingeschriebene Wellenleiter und koppelnde Abschnitte trägt und den Flächen- und Dickenmode des Aktuators verwendet. Die Einstellung der Überkopplung (Funktionsmode 1/2/3) wird durch die Elektrodendesigns und die Position der Fasern auf oder im Aktuator ermöglicht. Die Segmentierung der Elektroden dient auch zur Einstellung der parallelen Kopplungslänge L und somit zur wellenlängenselektiven Filterung bei der Überkopplung.
900 zeigt ein bei U₁ nicht koppelndes System. Die Wellenleiter im Elastomerfilm haben einen Abstand d>d_Schwelle. Bei einer Spannung U₂>U₁ ermöglicht das Elektrodendesign den Abstand d zwischen dem Wellenleiter auf d<d_Schwelle zu reduzieren. Des Weiteren kann die selektive Ansteuerung der Elektroden verwendet werden um die parallele Kopplungslänge L zu vergrößern.
905 zeigt ein im Zustand U₁ koppelndes System. Die Wellenleiter im Elastomerfilm haben dazu einen Abstand d<d_Schwelle. Bei einer Spannung U₂>U₁ ermöglicht das Elektrodendesign den Abstand d zwischen dem flexiblen und statischen Wellenleiter auf d>d_Schwelle zu erhöhen. Dies geschieht durch die Vergrößerung des äußeren Elektrodenbereichs und der konsequenten Verkleinerung des passiven Bereichs. Desweiteren kann die selektive Ansteuerung der parallelen Elektrodenelemente im Kopplungsbereich der Wellenleiter verwendet werden um die parallele Kopplungslänge L zu modifizieren und die Überkopplung einzustellen.
10 mit 1000, 1005 und 1010 zeigen Querschnitte von bevorzugten Anwendung des Dickenmodes mit mindestens zwei Lichtwellenleitern. Diese Wellenleiter werden erfindungsgemäß nebeneinander und/oder übereinander in einem Elastomer beziehungsweise auch in dem Elektrodenmaterial eingebettet oder in diesem erzeugt. Die im Querschnitt gezeigten Elektroden können beliebig lang in der horizontalen fortgeführt werden.
1000 zeigt ein bei U₁ durch den Elastomerfilm koppelndes System. Die Wellenleiter befinden sich auf beiden Seiten des Elastomerfilm und haben einen Abstand d<d_Schwelle. Bei einer Spannung U₂>U₁ ermöglicht die Flächendehnung des aktiven Bereichs und die Reduzierung der Fläche im passiven Bereich. Diese Reduzierung führt konsequent zur Zunahme der Dicke in diesem Bereich und somit zur Unterbindung der Überkopplung, da d>d_Schwelle erreicht wird.
1005 zeigt ein bei U₁ nicht durch den Elastomerfilm koppelndes System. Die Wellenleiter sind auf dem Elastomerfilm positioniert und im Elektrodenmaterial eingebettet. Der Abstand der Wellenleiter d kann durch die Dicke des Elastomerfilms gegeben sein und erfüllt die Bedingung d>d_Schwelle. Bei einer Spannung U₂>U₁ führt die Flächendehnung des aktiven Bereichs zur Reduzierung der Dicke, bis die Bedingung d<d_Schwelle erfüllt ist und somit die Überkopplung erfolgt.
1010 zeigt den Anwendungsfall eines komplexen Systems bestehend aus einer beliebigen Kombination von 1000 und 1005. Die mindestens zwei Wellenleiter können dabei im Elektrodenbereich als auch im passiven Bereich angeordnet vorliegen. Der Abstand der Wellenleiter d kann durch die Dicke des Elastomerfilms gegeben sein und erfüllt im Elektrodenbereich die Bedingung d>d_Schwelle. Bei einer Spannung U₂ >U₁ ist es beabsichtigt, dass die Flächendehnung des aktiven Elektrodenbereichs zur Reduzierung der Dicke führt, bis die Bedingung d<d_Schwelle erfüllt ist und somit die Überkopplung erfolgt. Im passiven Bereich des Films sind wie in 1100 koppelnde Wellenleiter bevorzugt. Die Kopplung kann mit einer Spannung U₂ an den angrenzenden Elektrodenbereichen gesteuert werden.
11 mit 1100, 1105, 1110 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Stapel umfassend eine Elektrode (6) mit mindestens einem Lichtwellenleiter (2), einen Elastomerfilm (1) mit mindestens einem weiteren Lichtwellenleiter (2) auf einer flexiblen elektrisch hochisolierenden Schicht (9) und einer Gegenelektrode (6). Die verwendeten Wellenleiter werden entweder im Elastomer einpolymerisiert, aufgeprägt oder eingeschrieben und ermöglichen ein monolithisches Design des spannungsgesteuerten optischen Elements. Dieser Aufbau hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da sich die Wahrscheinlichkeit eines elektrischen Durchschlags in dieser Ausführungsform der Erfindung durch die hochisolierende Schicht zwischen den Elektroden deutlich reduzieren lässt. Der elektrostatische Druck entlang der Dickenrichtung bewirkt vorteilhafterweise eine Reduzierung der Dicke im Elektrodenbereich und die Verdrängung des weichen elektroaktiven Polymers (EAP) und somit eine lokale Zunahme der Dicke im passiven Bereich.
1100 zeigt eine Anordnung von mindestens zwei Wellenleitern, welche im Zustand U₁ nicht durch eine Elastomerfilm koppeln. Die Wellenleiter erfüllen somit die Bedingung d>d_Schwelle. Der elektrostatische Druck aufgrund der Vergrößerung der Spannung U₁ auf U₂ erzeugt eine Flächendehnung des Elektrodenbereichs und eine lokale Reduzierung des Abstands d zwischen den Wellenleitern bis die Bedingung zur Kopplung d<d_Schwelle erfüllt ist. Die geometrische Verdrängung des Elastomers führt somit bevorzugt zur Verringerung des Abstandes und zur Überkopplung zwischen den Wellenleitern.
1105 zeigt ein Design mit mindestens zwei Wellenleitern, welche im Zustand U₁ durch einen Elastomerfilm koppeln. Die Wellenleiter erfüllen somit die Bedingung d<d_Schwelle. Die Wellenleiter sind auf beiden Seiten des Films mit einer Dicke d aufgebracht und zwischen oder neben Elektrodenbereichen positioniert. Der elektrostatische Druck aufgrund der Spannung U₂>U₁ erzeugt eine Flächendehnung des Elektrodenbereichs und somit eine lokale Zunahme des Abstands d zwischen den Wellenleitern bis die Bedingung zur Kopplung d>d_Schwelle erfüllt ist.
1110 zeigt den Anwendungsfall eines komplexen Systems bestehend aus einer beliebigen Kombination von 1100 und 1105 mit mindestens zwei sich gegenüberliegenden Wellenleitern. Die mindestens zwei Wellenleiter können dabei im Elektrodenbereich als auch im passiven Bereich positioniert sein. Der Abstand der Wellenleiter d kann durch die Dicke des Elastomerfilms gegeben sein und erfüllt im Elektrodenbereich die Bedingung d>d_Schwelle und im passiven Bereich d<d_Schwelle. Die Erhöhung der Spannung von U₁ auf U₂ an ausgewählten Elektroden führt zur Flächendehnung des aktivierten Elektrodenbereichs, wodurch sich die Dicke und damit der Wellenleiterabstand reduziert, bis die Koppelbedingung d<d_Schwelle zwischen den Wellenleitern erfüllt ist. Im passiven Bereich des Films sind wie in 1105 koppelnde Wellenleiter bevorzugt. Die Überkopplung kann mit einer Spannungserhöhung von U₁ auf U₂ an angrenzenden Elektrodenbereichen gesteuert werden. Dabei führt die elektrischen Spannung U₂ zur Erhöhung des Abstandes d durch die Kompression des passiven Elements, also des Nicht-Elektrodenbereichs. Beide Elementdesigns können vorteilhafterweise beliebig kombiniert werden, um eine Überkopplung und paralleler Kopplungslänge L wellenlängenabhängig zu gestalten.
12 zeigt den Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wonach eine besonders einfache Gestaltung von komplexen Schaltprozessen ohne Freistrahlführung ermöglicht wird. Es handelt sich hierbei um mindestens zwei Wellenleiter, welche vollständig in einen vorgstreckten oder einen ungestreckten Elastomerfilm polymerisiert oder anderweitig eingebracht sind. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass ein Stapel bestehend aus segmentierten Elektroden (6), einem Elastomerfilm (1) mit eingebrachten parallelen nichtkoppelnden Wellenleiterelementen (2), einem hoch-isolierenden Polymerfilm (9) und einer flächigen Elektrode (6) präpariert wird. Die Elektroden auf der Oberseite können sowohl schrittweise als auch vollständig aktiviert werden, wodurch diese die Kopplung entweder lokal und somit die Kopplungslänge L oder global und somit den Abstand d der Wellenleiter verändern. Die Ausführungsform kann somit zur internen Einstellung der parallelen Kopplungslänge L verwendet werden und somit als wellenlängenabhängiges Filtersystem agieren.
Bezugszeichenliste

1: elastischer Film
2: Wellenleiter (beispielsweise Fasern aus PMMA oder andere geeigneten Materialien) werden für den Transport des Lichts verwendet, wobei bevorzugt mindestens ein Wellenleiter mit dem Elastomerfilm direkt verbunden ist
3: getaperter Bereich, dient bevorzugt zur Überkopplung von mindestens einem Wellenleiter auf mindestens einen weiteren Wellenleiter mit Abstand d zueinander, welche durch Variation der elektrischen Spannung verkleinert oder vergrößert wird, um eine optische Kopplung zu ermöglichen oder zu unterbinden
4: Elastomermaterial mit definiertem Brechnungsindex n im getaperten Bereich zur Etablierung des Indexsprungs zwischen den getaperten Wellenleitern
5: Rahmen zur Konservierung der mechanischen Verstreckung, Kontaktierung der weichen Elektroden und/oder Transport des Elastomerfilms
6: bevorzugt flexible, bevorzugt flächige Elastomerelektroden, die vorzugsweise aus leitfähigen Kompositmaterialien, Polymeren, Gelen und/oder dünnen Metalllagen bestehen, welche unter Variation der elektrischen Spannung gestreckt oder gestaucht werden können
7: Laserdiode
8: Detektor
9: isolierender Polymerfilm
U1, U2: elektrische Spannung, wobei U₁< U₂
/: Eingangsintensität
I*: übergekoppelte Intensität
M: Menge des überkoppelnden Lichts mit Spannung U₁
M*: Menge des überkoppelnden Lichts mit Spannung U₂
S1: Länge des Elektrodenbereichs mit Spannung U₁
S2: Länge des Elektrodenbereichs mit Spannung U₂
h1: Schichtdicke des Elastomers bei Spannung U₁ im passiven Bereich des Films, wobei der Elastomer entweder vorgespannt oder nicht vorgespannt vorliegen kann
h2: Schichtdicke des Elastomers bei Spannung U₂ im passiven Bereich des Films, wobei der Elastomer entweder vorgespannt oder nicht verstreckt vorliegen kann
H1: Höhe des Stapelaktors bei Spannung U₁
H2: Höhe des Stapelaktors bei Spannung U₂
L1: Länge des überkoppelnden Bereiches bei Spannung U₁ , wobei L beziehungsweise L* die parallele Kopplungslänge mit oder ohne elektrische Spannung ist
L2: Länge des überkoppelnden Bereiches bei Spannung U₂
d1: Abstand der Wellenleiter mit Spannung U₁
d2: Abstand der Wellenleiter mit Spannung U₂
A1: Querschnittsfläche des Elektrodenbereichs bei Spannung U₁
A2: Querschnittsfläche des Elektrodenbereichs bei Spannung U₂

Claims

Vorrichtung zur Steuerung der Überkopplung von Licht in optischen Telekommunikationssystemen, optischen Sensornetzwerken und/oder Spektroskopiesystemen von mindestens einem ersten auf mindestens einen zweiten Lichtwellenleiter, umfassend mindestens einen ersten Lichtwellenleiter, einen zweiten Lichtwellenleiter, ein Koppelelement und mindestens einen Elastomeraktuator, wobei der Elastomeraktuator von mindestens einem Elastomerfilm mit einer Anordnung von Elektroden gebildet ist, wobei - die Elektroden weich, flexibel und dehnbar ausgebildet sind und/oder als ionische Flüssigkeit ausgestaltet sind und - die Lichtwellenleiter und das Koppelelement ganz oder teilweise auf oder in dem Elastomeraktuator verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Elastomer zwischen den Lichtwellenleitern vorliegt, wobei das Elastomer in einem von einem optischen System adressierten Wellenlängenbereich optisch transparent ist und einen Brechungsindex n aufweist, der sich von einem Brechungsindex der Lichtwellenleiter unterscheidet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement als Interferenzkoppler oder als Taper ausgestaltet ist, wobei der Taper ein elastisches und für die Lichtleitung transparentes Material umfasst.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Material für die Elektroden ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Gold, Silber, Carbon Black, Graphen, Carbon Black-Komposite, Indiumzinnoxid, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Silber-Nanoröhrchen, einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder leitfähige Gele und Polymere, wobei die Materialien der Elektroden den Brechungsindexsprung Δn ermöglichen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens ein zusätzliches optisches Element umfasst, wobei das zusätzliche optische Element ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend optische Gitter, Linsen, photonische Kristalle und/oder Dünnschichtlaser und das zusätzliche optische Element elastische Materialien umfasst.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomeraktuator ein Schichtsystem aus mindestens zwei Elastomerfilmen und Elektroden umfasst, wobei das Schichtsystem bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine Änderung der Geometrie erfährt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter durch optische, chemische und/oder mechanische Strukturierung im Elastomeraktuator erzeugt werden, wobei der Elastomerfilm Teil des Elastomeraktuators ist, und/oder die Lichtwellenleiter ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend lichtleitende Fasern, Stegwellenleiter, photonische Kristalle, Schichtwellenleiter und/oder Flüssigkeiten und Gase, wobei die Lichtwellenleiter, die aus elastischen Materialien bestehen, ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend Polymere wie Gummi, Silikone, Gele und/oder Thermoplaste mit Dipolmodifizierung und die Lichtwellenleiter, die nichtelastische Materialien umfassen, ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend Quarze und Polymere.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer zwischen den Lichtwellenleitern durch ein anderes, dielektrisches Material mit Brechungsindex n ersetzt ist, wobei das dielektrische Material ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend ein Gas, eine Flüssigkeit, ein Gel oder ein elastisches Polymer und wobei das dielektrische Material einen Brechungsindex aufweist, der nicht identisch ist mit dem Brechungsindex des Elastomeraktuators.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomeraktuator über mehr als ein Elektrodenpaar verfügt, wobei diese Elektrodenpaare separat ansteuerbar und/oder lokal aufladbar sind.
Verfahren zur Steuerung der Überkopplung von Licht von mindestens einem ersten Lichtwellenleiter auf mindestens einen zweiten Lichtwellenleiter unter Verwendung der Vorrichtung aus einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch induzierte Änderung der Geometrie des Elastomeraktuators zur Änderung eines Abstands zwischen mindestens einem der ersten und einem der zweiten Lichtwellenleiter genutzt wird, wobei das Verfahren die Bereitstellung einer elektrischen Spannung U umfasst, die mittels der Elektroden, die auf dem Elastomerfilm angeordnet vorliegen, auf den Elastomerfilm übertragen werden, wodurch eine geometrische Verformung mindestens einer der Elektroden bewirkt wird, die den Abstand d zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtwellenleiter verändert und wodurch die Menge M des zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtwellenleiter übertretenden Lichts einstellbar wird.