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Die
Erfindung betrifft einen optischen Schalter insbesondere zur Verwendung
in optischen Bussystemen.
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Die
in den letzten Jahrzehnten erreichten Fortschritte in der Faser-
bzw. integrierten Optik haben die Verbreitung optischer Komponenten
in Gegenständen
des täglichen
Lebens wesentlich gefördert.
In allen Bereichen, in denen störungssichere, schnelle
und breitbandige Datenübertragung
notwendig ist, sind optische Komponenten und die sie verbindenden
Bussysteme das Mittel der Wahl.
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Beispielsweise
werden im Automobilbau die störanfälligen und
schweren elektrischen Busse durch optische Systeme zunehmend ersetzt.
Der zunehmende Einsatz von Systemen auf Basis integrierter Optik
generiert in diesem Zusammenhang die Notwendigkeit, in optischen
Bussystemen Möglichkeiten
zu schaffen, neue Busteilnehmer zu integrieren bzw. vorübergehend
nicht benötigte
Busteilnehmer aus dem Bussystem zu entfernen.
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Somit
wird es notwendig, im Bussystem auf der physikalischen Ebene Ein-
und Auskoppelstellen für
Lichtsignale bereitzustellen. Bei herkömmlichen faserbasierten optischen
Bussen ist es üblich,
entlang der Busleitung gewissermaßen auf Vorrat mehrere Steckverbindungen
vorzusehen, die bei Bedarf zur Integration eines neuen Busteilnehmers
geöffnet werden
können;
dabei verursacht das Zuschalten eines neuen Busteilnehmers einen
nicht unerheblichen Aufwand.
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Eine
Alternative hierzu bildet der Einsatz von optischen Umschaltern.
So wird beispielsweise in der
DE 100 00 483 C1 ein faseroptisches Schaltelement beschrieben,
bei dem Umschaltvorgang durch die Bewegung eines Faserendes vorgenommen
wird. Der Schaltvorgang selbst wird in der genannten Schrift durch
einen Elektromagneten ausgelöst.
Der beschriebene Schalter ist ausgesprochen komplex aufgebaut und
somit fertigungstechnisch schwierig herzustellen. Ferner dürfte sich
die mit dem Schaltvorgang hier zwingend verbundene Bewegung von Faserenden
nachteilig auf die Lebensdauer des Schalters und auf die Einfügedämpfung des
Bauelementes insgesamt auswirken.
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In
der
JP 2000-338427 wird
eine weitere mögliche
Bauform für
optische Umschalter vorgestellt. Die Lösung des Problems besteht in
der genannten Schrift darin, dass ein beweglicher Schieber mit zwei
darauf angebrachten alternativen Lichtwegen im Lichtweg des Busses
bewegt wird und somit ein Teilnehmer zu- bzw. abgeschaltet werden
kann. Hierbei ist es jedoch nachteilig, dass ein Lichtein- bzw.
-ausgang des beschriebenen Schaltelementes beim Schalten bewegt
wird und somit eine flexible Ankopplung des Busteilnehmers beispielsweise über ein
bewegliches Faserende notwendig wird, womit die hiermit verbundenen
und bereits oben beschriebenen Verschleiss- und Dämpfungsproblematiken verbunden
sind.
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Die
JP 05 289 004 A und
die
JP 052 49 386 A beschreiben
optische Schalter mit einem Trägerelement,
welches einen stationären
Lichteingang aufweist. Mit dem Trägerelement ist ein Schaltelement einstückig und
schwenkbar verbunden, wobei das Schaltelement bezüglich dem
Trägerelement
zwischen einem ersten und einem zweiten Schaltzustand schwenkbar
ist.
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Die
JP 59 05 3803 A beschreibt
einen optischen Schalter mit schleifenförmigen Schaltwegen.
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Die
JP 59 024 804 A beschreibt
einen optischen integrierten Schaltkreis in einem plattenförmigen Körper.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach herzustellenden,
robusten optischen Schalter mit zu realisieren, der auf einfache
Weise in optischen Bussystemen anwendbar ist. Ferner liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein hochflexibles optisches Bussystem mit
einfach zu- und abschaltbaren Busteilnehmern bereitzustellen.
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Die
oben genannten Aufgaben werden durch einen optischen Schalter mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein optisches Bussystem
mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von beispielhaften Ausbildungen,
die in den 1–4 dargestellt
sind, näher
erläutert.
Die Erfindung ist dabei nicht auf die in den Figuren dargestellten
Ausführungsformen
beschränkt.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
erste Ausgestaltung der Erfindung;
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2a und 2b eine
Schaltleiste zur Fixierung des Schaltelementes in unterschiedlichen Schaltzuständen;
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3 eine
Ausführung
der Erfindung als Umschalter in optischen Bussystemen;
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4 eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung.
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In
der in 1 dargestellten ersten vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung besteht der Schalter aus einem Trägerelement 1 mit einem
damit beweglich insbesondere schwenkbar verbundenen Schaltelement 2.
Das zu schaltende Lichtsignal tritt in das Trägerelement 1 über den
Lichteingang 3 ein und wird anschließend über die Öffnung 7 durch den
Einschnitt 5 in das Schaltelement 2 übergekoppelt.
Das Schaltelement 2 weist zwei unterschiedliche Lichtwege 4a und 4b auf,
deren Eingänge
durch verschwenken des Schaltelementes gegenüber der Lichtaustrittsöffnung 7 positionierbar
sind, und die jeweils unterschiedliche Schaltzustände repräsentieren.
Das Lichtsignal verläßt den Schalter
je nach Schaltzustand über
einen der Lichtausgänge 8 oder 9.
Das Verschwenken des Schaltelementes 2 gegenüber dem
Trägerkörper 1 erfolgt
im wesentlichen im Bereich der Achse 6. Vorteilhaft ist
hier ganz besonders der einfache Aufbau des optischen Schalters.
Er kann schnell, einfach und kostengünstig in einem Stück beispielsweise
durch Spritzgußverfahren
hergestellt werden.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin,
dass der Lichtübergang
innerhalb des Schalters vom Träger- auf
das Schaltelement ausschließlich freioptisch
erfolgt. Damit entfällt
die Notwendigkeit des Anbringens von flexiblen Faserenden vollständig; die
damit verbundene Justage-, Lebensdauer- bzw. Dämpfungsproblematik tritt bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nicht auf. Ferner wird kein Lichteingang- bzw. Lichtausgang des
Schalters entlang der Ausbreitungsrichtungs des Signales bewegt,
so dass die Kapselung und Verbindung des Schalters mit anderen optischen
Komponenten wesentlich vereinfacht ist.
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Um
die Verschwenkbarkeit des Schaltelementes 2 gegenüber dem
Trägerelement 1 zu
gewährleisten,
hat es sich bewährt,
das Schaltelement 2 mittels einer drehbaren Lagerung um
eine Achse mit dem Trägerelement 1 zu
verbinden. Damit wird eine geringe mechanische Belastung sowie eine
lange Lebensdauer des Schalters sichergestellt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, die schwenkbare Verbindung zwischen dem Schaltelement 2 und dem
Trägerelement 1 durch
eine biegsame Verbindung zu realisieren. So ist es beispielsweise
möglich, für die Verbindung
zwischen Trägerelement
und Schaltelement ein leicht plastisch verformbares Material zu
verwenden.
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Darüber hinaus
ist es von Vorteil, über
die Verwendung eines rückstellenden
Elementes wie beispielsweise eine Feder sicherzustellen, dass das Schaltelement
in einer definierten Position gehalten bzw. in die gewünschte Position überführt wird.
Diese Position kann beispielsweise zwischen den beiden Schaltzuständen liegen;
damit wäre
eine Sperrwirkung des Schalters gegeben. Ebenso ist es vorteilhaft,
das rückstellende
Element so auszulegen, dass das Schaltelement hierdurch in einem
der beiden Schaltzustände
als Defaultzustand gehalten oder in diesen überführt wird.
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Eine
wesentliche Vereinfachung des Schalters besteht darin, die biegsame
Verbindung selbst elastisch zu gestalten und somit eine Rückstellkraft
in eine definierte Position sicherzu stellen. Beispielsweise kann
für die
Verbindungsstelle ein elastisches Material gewählt werden; wesentlich einfacher
ist die Herstellung des Schalters in einem Stück wie in der 1 ersichtlich.
Hierbei werden die elastischen Eigenschaften des verwendeten Materials
des Trägers und
Schaltelementes in vorteilhafter Weise ausgenutzt; besonders geeignet
und fertigungstechnisch gut beherrscht ist die Herstellung des Schalters
aus Plexiglas, das für
die geforderte Rückstellwirkung völlig ausreichende
Elastizität
aufweist. Dabei kann die Materialstärke als Mittel zur Festlegung
der elastischen Eigenschaften in vorteilhafter Weise gewählt werden.
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Für eine optimale
Justage des Schaltelementes in einzelnen Schaltzuständen ist
es ferner vorteilhaft, ein bevorzugt als steckbares Element ausgebildetes
Fixierelement 20 auf Trägerelement und
Schaltelement aufzustecken. In 2a und 2b ist
ein beispielhaftes Fixierelement dargestellt. Es weist an zweien
seiner Längsseiten
zwei Nuten 21 und 22 auf, die beim Aufstecken
auf das Träger-
und Schaltelement aufgrund ihrer unterschiedlichen jeweiligen geometrischen
Gestaltung das Schaltelement jeweils definiert relativ zum Trägerelement
positionieren. Damit wird die Positionierung der korrespondierenden
Lichtein- und Lichtaustrittsflächen
in Träger-
und Schaltelement optimiert und der Schalter wird mechanisch gegen
Vibration gesichert.
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Ebenso
ist es für
eine definierte Positionierung des Schaltelementes in unterschiedlichen
Positionen denkbar, für
das Schaltelement bzw. den Verbindungsbereich zwischen Schaltelement
und Trägerelement
ein sogenanntes Memory-Metall zu verwenden. Dabei handelt es sich üblicherweise
um ein Metall aus der Familie der NiTi-Legierungen. Bestimmte entsprechend
behandelte Strukturen aus derartigen Legierungen nehmen aufgrund
des sogenannten "Zweiwegeeffektes" oberhalb einer bestimmten
Temperatur die eine und unterhalb dieser Temperatur die andere Form
an. Die Herstellung der biegsamen Verbindung aus dem beschriebenen
Material gestattet die Einstellung ei nes definierten Schaltzustandes des
Schalters allein durch eine Temperaturänderung.
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Für eine einfache
Herstellung des erfindungsgemäßen Schalters
ist es beispielsweise von Vorteil, die beiden unterschiedlichen
Lichtwege auf dem Schaltelement bei einer wie in 1 dargestellten
flächigen
Ausgestaltung des Schaltelementes auf den beiden gegenüberliegenden
Flächen
des Schaltelementes anzubringen. Somit genügt es für die Herstellung des Schaltelementes
vollkommen, die beiden unterschiedlichen Lichtwege auf den leicht
zugänglichen
Ober- bzw. Unterseiten des schaltelementes anzubringen.
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Die
Lichtwege im Schaltelement lassen sich auf besonders einfache Weise
durch das Auf- oder Einbringen von Glas- oder Kunststofffasern realisieren.
Hierbei kann die Faser beispielsweise in eine vorbereitete Nut auf
der Oberfläche
des Schaltelementes eingeklebt oder eingeschmolzen werden. Durch
die Verwendung der Glas- bzw. auch Kunststofffasern wird eine dämpfungsarme
Lichtausbreitung auf dem Schaltelement gewährleistet und der Einfluss äußerer Störungen minimiert.
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Selbstverständlich können die
Lichtwege auch durch ein Einschreibeverfahren direkt in das Material
des Schaltelementes eingeschrieben werden.
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Ein
hierzu besonders geeignetes Verfahren ist in der
DE 197 32 506 A1 vorgestellt.
Bei dem hier genannten Verfahren wird eine inkohärente UV-Lichtquelle, z. B.
eine Quecksilberdampflampe verwendet. Die Lichtquelle wird in ein
auf einem Träger
aufgebrachten, flüssigen,
UV-empfindlichem Material partiell abgebildet. Der beschichtete
Träger
und das Bild der Lichtquelle werden in der Weise relativ zueinander
bewegt, daß die
belichtete Spur des Bildes in dem beschichteten Trägermaterial
den Wellenleiter ergibt. Das Material der lichtempfindlichen Schicht wird
durch die Belichtung ausgehärtet.
Nach erfolgter Belichtung wird das nicht ausgehärtete Material entfernt.
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Diese
Technik ermöglicht
eine ausgesprochen einfache Strukturierung der für den Schalter benötigten Lichtwege
und bietet somit das Potential für die
kostengünstige
Herstellung von Großserien
des erfindungsgemäßen optischen
Schalters.
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Eine
für den
Einsatz in optischen Bussystemen ausgewählte besonders geeignete Bauform
des Schalters als Umschalter wird anhand 3 nachfolgend
beschrieben:
Das Träger-
und Schaltelement des Schalters ist hierbei aus einem Stück im wesentlichen
aus einer rechteckigen Platte beispielsweise aus Plexiglas gefertigt.
Das Schaltelement 32 ist dadurch realisiert, dass in der
Platte im wesentlichen senkrecht zu einer Kante zwei parallele Einschnitte 35a und 35b vorgesehen
sind. Damit bildet der zungenförmige
Raum zwischen den beiden Einschnitten 35a und 35b das Schaltelement 32.
Das Schaltelement 32 wird dabei durch das u-förmige Trägerelement 39 umschlossen. In
der so gewonnenen Schalterstruktur befinden sich Kanäle in verschiedenen
Ebenen zur Aufnahme von Glasfasern zur Lichtleitung. Der Schalter
ist über
die außenliegenden
Enden der Faserstücke 31a und 31b mit
der nicht dargestellten Busleitung verbunden. Erfindungsgemäß tritt
das Licht über
das Faserstück 31a in
den Schalter ein und erreicht über
den Einschnitt 35a den Eingang ins Schaltelement 32.
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Zwei
Schaltzustände
sind nun denkbar:
- 1. Busleitung kurzgeschlossen:
Der an den optischen Schalter angeschlossene Teilnehmer ist nicht
im Bussystem integriert:
Das Schaltelement 32 befindet
sich in einer Position, in der der Ausgang des Faserstückes 31a gegenüber dem
Eingang des Faserstückes 38 liegt
und in dieses freistrahlend verlustarm eingekoppelt wird. Damit
wird das Licht im wesentlichen auf einem geraden Weg durch das Schaltelement 32 geführt und
erreicht auf dessen anderem Ende mittels einer weiteren Freistrahlstrecke über den Ein schnitt 35b das
Faserstück 31b,
durch das es den Schalter verläßt und wieder
in die Busleitung eingekoppelt wird.
- 2. Busleitung nicht kurzgeschlossen: Der an den optischen Schalter
angeschlossene Teilnehmer ist im Bussystem integriert:
Dazu
ist das Schaltelement 32 in der Weise positioniert, dass
das in den Schalter über
das Faserstück 31a eintretende
Lichtsignal im Schaltelement 32 freistrahlend in das Faserstück 37 eingekoppelt
wird und den Schalter über
den Lichtausgang 34 verlässt. Mit dem Lichtausgang 34 ist
typischerweise (beispielsweise über
eine in der Figur nicht dargestellte Steckverbindung) der optische
Eingang eines ebenfalls nicht dargestellten Busteilnehmers verbunden.
Die
den Busteilnehmer über
dessen optischen Ausgang verlassenden Signale werden über den Lichteingang 33 wieder
in den Schalter eingekoppelt und über das Faserstück 36,
den Einschnitt 35b und das Faserstück 31b wieder in die
Busleitung eingekoppelt.
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Hierbei
bietet die in 3 dargestellte gekreuzte Anordnung
der Lichtwege 36 und 37 im Schaltelement 32 den
besonderen Vorteil, dass damit bei den für eine Minimierung der Dämpfung notwendigen
großen
Krümmungsradien
der Lichtwege dennoch eine kompakte Bauweise des Schalters ermöglicht wird.
Um eine Störung
der Lichtausbreitung im Kreuzungsbereich der beiden Lichtwege 36 und 37 zu
vermeiden, ist es vorteilhaft, die Lichtwege in unterschiedlichen
Ebenen des Schaltelementes 32 anzuordnen.
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Die
in 3 dargestellte Ausbildung des optischen Schalters
erweist sich als sehr robust und langzeitstabil, da die Lichteingänge 31, 33 und
die Lichtausgänge 32, 34 ortsfest,
unbeweglich auf dem u-förmigen
Träger 39 des
Schalters angeordnet sind und die an die Lichteingänge 31a, 33 und
Lichtausgänge 31b, 34 angeschlossenen
optischen Verbindungselemente keine mechanische Verschiebung und
damit keiner mechani schen Belastung unterzogen sind. Die mit einer
mechanischen Bewegung verbundenen Ermüdungserscheinungen und Veränderungen
der optischen Übertragungseigenschaften insbesondere
einer Erhöhung
der Dämpfung
ist hier nicht zu befürchten.
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In 4 ist
ein weiteres Beispiel eines optischen Schalters entsprechend der 1 dargestellt, wobei
dieser zwei optische Lichtausgänge 48, 49 aufweist,
welche sich den beiden alternativen Lichtwegen 44a, 44b anschließen. Die
beiden Lichtwege 44a, 44b werden abhängig von
der Stellung des Schaltelementes 42 mit Licht beaufschlagt.
Das Schaltelement 42 wird zur Umschaltung zwischen den
beiden Schaltzuständen
um die Achse 46 verschwenkt. Dabei wird das über den
Lichteingang 43 von außen
zugeführte
Licht über
den Lichtweg 47 an den Einschnitt 45 geleitet
und dort freistrahlend in die beiden alternativen Lichtwege 44a, 44b eingekoppelt.
Diese Ausbildung des erfindungsgemäßen optischen Schalters erweist
sich als technisch einfach und kostengünstig herzustellen, insbesondere
wenn der Träger 41 und
das Schaltelement 42 einstückig hergestellt wurden. Durch
die Anordnung des Lichteinganges 43 und der Lichtausgänge 48, 49 in
nicht beweglichen, ortsfesten Position des Schalters gelingt es
eine Beeinträchtigung
der optischen Übertragungseigenschaften
des Lichtschalters durch Materialermüdung im Bereich der Lichteingänge bzw.
-ausgänge
zu vermeiden. Hierdurch ist ein robuster und langzeitstabiler Schalter
gegeben.