DE19751169A1

DE19751169A1 - Koppel- und Umschaltelement für Lichtwellenleiter

Info

Publication number: DE19751169A1
Application number: DE1997151169
Authority: DE
Inventors: Karsten Funk; Franz Dr Laermer; Bernhard Elsner; Wilhelm Dr Frey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-11-19
Filing date: 1997-11-19
Publication date: 1999-05-20

Description

Die Erfindung betrifft ein Koppel- und Umschaltele ment für Lichtwellenleiter mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

In der Leitungstechnik mit Lichtwellenleitern sind neben direkten Verbindungen von der Quelle zum Sender oftmals eine oder mehrere Verbindungen der Leitungen notwendig. Bekannt sind hierzu Verbindungselemente, um die Signale in Lichtwellenleitern, wie beispiels weise Glasfasern, möglichst verlust- und dämpfungsarm zu koppeln. Notwendig sind darüber hinaus oftmals auch Verzweigungen und Umschaltelemente für die si gnalführenden Leitungen. Bekannt sind hierzu mehrere mögliche Varianten, wie beispielsweise digital-op tische Schalter oder thermooptische Umschalter. Nach teilig bei allen bisher bekannten Umschaltern sind jedoch unerwünschte Übersprecheigenschaften, das heißt eine ungenügende Signaltrennung der unter schiedlichen Kanäle. Dies macht sich als überlagerte Störungen in den jeweiligen Nachbarkanälen bemerkbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Koppelelement für eine Vielzahl einlaufender und auslaufender signal führender Lichtwellenleiter zu schaffen, das eine möglichst kleine Signalabschwächung und gleichzeitig eine maximale Übersprechdämpfung bietet.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Schaltelement mit den im Patent anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß mittels eines sehr kompakten Bauteils eine exakte Strahlverteilung und -umlenkung von beziehungsweise auf wenigstens zwei, insbesondere einer Vielzahl von Lichtwellenleitern, ermöglicht wird. Die Koppelung kann darüber hinaus weitgehend verlustfrei und ohne störende Übersprecheffekte erfolgen. Die Schalter zur Ablenkung der Lichtstrahlen kommen dabei weitgehend ohne mechanische Teile oder sonstige einem Verschleiß unterliegende Bauteile aus. Im wesentlichen erfolgt das Umschalten durch Austauschen eines Fluides in transparenten Hohlkörpern durch Mikropumpen oder ähn liche druckerzeugende Vorrichtungen. So weist bei spielsweise eine Grenzschicht von Quecksilber und Quarzglas sehr gute Reflexionseigenschaften auf, das heißt, ein hierauf unter schrägem Winkel auftreffen der Lichtstrahl wird weitgehend vollständig reflek tiert beziehungsweise umgelenkt. Wird das Quecksilber durch eine Flüssigkeit wie Ethanol ersetzt, kann die Reflexion an der Grenzschicht von Ethanol und Quarz glas nahezu vollständig ausgeschlossen werden. Ein unter schrägem Winkel auftreffender Lichtstrahl kann unabgelenkt durch einen derart gefüllten transparen ten Hohlkörper hindurchtreten. Durch eine ent sprechende Anordnung einer Vielzahl solcher optischen Koppelmodule in einer Ebene kann eine kompakte und leistungsfähige Koppeleinheit erhalten werden, die eine Vielzahl von eingehenden mit einer gleich oder unterschiedlich großen Zahl ausgehender Lichtwellen leitern, die insbesondere als Schaltmatrix angeordnet sind, koppeln kann. Die Strahlablenkung bei Reflexion an den mit Quecksilber gefüllten Koppelmodulen kann unter spitzen oder flachen Winkeln erfolgen, je nach Lage der reflektierenden Fläche der Koppelmodule. Vorzugsweise wird dieser Reflexionswinkel jedoch 90° betragen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkma len.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltelement zur Koppelung von si gnalführenden Lichtwellenleitern;

Fig. 2a eine Prinzipdarstellung eines einzelnen optischen Koppelmodules bei einer Strahl umlenkung durch Reflexion;

Fig. 2b eine Prinzipdarstellung eines optischen Koppelmodules bei nicht abgelenktem Strahl;

Fig. 3a Strahlenverlauf in einem optischen Kop pelmodul bei Reflexion und Transmission und

Fig. 3b Strahlenverlauf in einem optischen Kop pelmodul mit zusätzlichen Ausgleichs stücken.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines erfin dungsgemäßen Schaltelementes 2 in perspektivischer Ansicht. Auf einer Trägerplatte 4, vorzugsweise ein teilig aus Halbleitermaterial oder dergleichen gefer tigt, befinden sich die Aufnahmen für mehrere (m) einlaufende signalführende Lichtwellenleiter, hier beispielhaft als Glasfasern 10 ausgeführt, sowie hier nicht näher dargestellte gleich oder unterschiedlich viele (n) auslaufende signalführende Lichtwellenlei ter. Zur genauen Lagefestlegung und damit exakten optischen Strahlausrichtung sind die Glasfasern 10 jeweils in parallel zu den Kanten der Trägerplatte 4 verlaufende V-Nuten 14 eingelegt und fixiert, die sich auf der Oberfläche der Trägerplatte 4 befinden und eine konstante Tiefe besitzen. Durch die exakt gleichen Abmessungen aller auf der Trägerplatte 4 aufgebrachten V-Nuten 14 ist der ebene Strahlenver lauf und insbesondere die Signalübertragung von ein gehenden zu den ausgehenden Glasfasern 10 gewährlei stet. Die V-Nuten 14 für ein- und ausgehende Glasfa sern 10 befinden sich rechtwinkelig zueinander. Die Glasfasern 10 sind an ihren Enden jeweils mit Linsen 12 als Fokussiereinrichtungen versehen, die jeweils in Justagenuten 13 auf der Trägerplatte 4 fixiert sind und für eine genaue Bündelung von durch die Glasfasern 10 übertragene Lichtsignale auf optische Koppelmodule 8 sorgen.

Diese jeweils gleichartig aufgebauten optischen Kop pelmodule 8 sind alle auf einer Ebene auf der Ober fläche der Trägerplatte 4 angebracht und bilden eine m × n Matrix zur Verbindung und optischen Koppelung der eingehenden signalführenden Glasfasern 10 mit den ausgehenden Glasfasern. Die optischen Koppelmodule 8 sind jeweils lichtdurchlässig und antireflexbeschich tet. Ihre äußere Kontur ist im wesentlichen quader förmig beziehungsweise würfelförmig, wobei sich die Seitenflächen des Quaders jeweils rechtwinkelig zu den Glasfasern 10 befinden, so daß der Strahlenver lauf senkrecht zu den Außenflächen der optischen Kop pelmodule 8 verläuft. Diese quaderförmigen optischen Koppelmodule 8 sind jeweils mit einer Küvette 11 ver sehen, deren ebene Funktionsseite 9 in einem Winkel von 45° zur Strahlrichtung der von den ein- und aus gehenden Glasfasern geführten Lichtsignale angeordnet ist. Diese Küvetten 11 bilden jeweils einen transpa renten Hohlkörper, beispielsweise aus Quarzglas, der sich mit verschiedenen Medien füllen läßt. Zu diesem Zweck befindet sich an der Unterseite der Träger platte 4 eine Pumpeneinheit 6, die für eine getrennt ansteuerbare Füllung der Küvetten 11 der m × n opti schen Koppelmodule 8 auf der Trägerplatte 4 sorgen kann. Beispielsweise können die Küvetten 11 mit Quecksilber 20 gefüllt sein. In dieser Schaltstellung wird ein einlaufendes Lichtsignal 16 an der Grenzflä che der Quecksilberfüllung und der inneren transpa renten Schicht der Funktionsseite 9 um 90° vollstän dig reflektiert. Das reflektierende Quecksilber 20 kann durch eine Mikropumpe oder durch Applizieren von Druck beziehungsweise Unterdruck mit Hilfe der Pum peneinheit 6 aus dem Strahlengang entfernt werden und durch ein geeignetes transparentes Medium ersetzt werden. Ein solches Medium kann beispielsweise Etha nol 28 (Fig. 2) sein, bei dem Reflexionsverluste an der Grenzfläche zwischen Füllung und Küvette 11 mini mal sind. Auf diese Weise kann ein einkommendes Lichtsignal die Küvette 11 und das optische Koppelmo dul 8 fast verlustfrei und unabgelenkt durchlaufen.

Beispielhaft ist in der Fig. 1 ein einkommendes Lichtsignal 16 in Form eines Strahls eingezeichnet, der an einem der optischen Koppelmodule 8 um 90° um gelenkt wird und ein ausfallendes Lichtsignal 22 bil det. Dieses Lichtsignal 22 läuft innerhalb einer hier nicht näher dargestellten Glasfaser. Die übrigen, in Fig. 1 eingezeichneten optischen Koppelmodule 8, beziehungsweise deren Küvetten 11, sollen hier bei spielhaft mit Ethanol gefüllt sein. Dadurch würden übrige einfallende Lichtsignale unabgelenkt in Rich tung des ausfallenden Signals 24, hier beispielhaft eingezeichnet, die optischen Koppelmodule 8 durchlau fen können. Durch die Hintereinander- und Neben einanderanordnung der m × n optischen Koppelmodule 8 entsteht eine Schaltmatrix, die ein einlaufendes Lichtsignal 16 entweder unabgelenkt in der gleichen Richtung weitergeben kann. Es ist aber auch eine 90° Umlenkung des Lichtsignals in eine der n ausgehenden Glasfasern möglich. Weiterhin ist mit dieser Konfigu ration eine Umlenkung von mehreren eingehenden Licht signalen in nur einen ausgehenden Lichtwellenleiter möglich, was einer Summierung der eingehenden Signale entspricht.

Fig. 2a zeigt eine beispielhafte Küvette 11, die mit Quecksilber 20 und Ethanol 28 gefüllt ist. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Da sich beide Flüssigkeiten 20, 28 nicht vermischen, wird eine Grenzschicht 29 zwischen diesen ausgebildet. Die Küvette 11 aus antireflexbeschichtetem Quarzglas 26 ist als Hohlkörper ausgeführt und besitzt glatte Sei tenwände. Insbesondere die einkommenden Strahlen 16, 23 hindurchlassende oder reflektierende Funktionsflä che 9 ist glatt und antireflexbeschichtet ausgeführt. Die Füllung aus Quecksilber 20 und Ethanol 28 ist innerhalb der hohlen Küvette 11 derart verschiebbar, daß dadurch das Reflexionsverhalten des optischen Koppelmodules 8 völlig verändert werden kann. In der in Fig. 2a gezeigten Darstellung wird ein in einem Winkel von 45° auf die Funktionsfläche 9 auftreffen des Lichtsignal 16 an der inneren Grenzschicht zwi schen dem Quarzglas 26 der als Hohlkörper ausgebilde ten Küvette 11 und dem darin befindlichen Quecksilber 20 vollständig reflektiert und um 90° umgelenkt, was durch das eingezeichnete ausfallende Lichtsignal 22 verdeutlicht wird. Das Quecksilber 20 kann durch ge eignete Pumpeneinrichtungen aus dem optischen Koppel modul teilweise abgesaugt werden, wodurch das im oberen Teil der Küvette 11 befindliche Ethanol 28 den dadurch freiwerdenden Hohlraum ausfüllt und das Bre chungsverhalten der Grenzschicht zwischen dem Quarz glas 26 und der in der Küvette befindlichen Flüssig keit für einfallendes Licht verändert wird. Das Nach strömen des Ethanols 28 in das freiwerdende Volumen kann beispielsweise durch eine unter Druck stehende Gasblase erreicht werden, die ihr Volumen je nach veränderlichem Druck in der Küvette variieren kann. Wird das Quecksilber 20 in die Küvette 11 zurückge pumpt, wird das Gas wieder komprimiert und das Etha nol 28 in den oberen Teil des Volumens zurückge drückt.

In der in Fig. 2a und 2b gezeigten Ausführungsform wird dieser Druckausgleich durch eine am oberen Ende der Küvette 11 befindliche flexible Dichtung 30 er zielt. Diese flexible Dichtung 30 wird bei erhöhtem Druck in der Küvette 11 nach außen verformt und stellt so den erforderlichen Hohlraum für das durch das Quecksilber 20 nach oben gedrückte Ethanol 28 zur Verfügung.

Durch Beaufschlagung des hohlen Innenraumes der Küvette 11 mit Unterdruck, hier dargestellt in Fig. 2b, verformt sich diese flexible Dichtung nach innen und verringert das Gesamtvolumen der Küvette 11 ent sprechend dem nach unten abgesaugten Teilvolumen an Quecksilber 20. Hierdurch ist die Küvette 11 groß teils mit Ethanol 28 ausgefüllt und sorgt für eine unabgelenkte Transmission von einfallenden Lichtsi gnalen 23, die in gleicher Strahlrichtung wieder aus treten können, hier dargestellt durch den Pfeil 24.

Fig. 3a zeigt in einer Ansicht von oben nochmals beispielhaft den Strahlenverlauf einkommender Licht signale 16, 23, die an der Funktionsfläche 9 der Küvette 11 entweder vollständig reflektiert werden, 22, oder ungehindert durch die Küvette 11 und das optische Koppelmodul 8 hindurchtreten und ein austre tendes Lichtsignal 24 bilden.

Fig. 3b zeigt eine weitere Variante, bei der Strah lenversatz durch die Mehrfachbrechung des hindurch tretenden Lichtsignals 24 durch an der Küvette 11 angebrachten Ausgleichstücke 32 ausgeglichen wird. Nach dem Durchtritt durch die Küvette 11, die in die sem Fall mit Ethanol gefüllt ist, und dem Durchlaufen eines Ausgleichstückes 32 liegt das austretende Lichtsignal 24 wieder genau auf der Achse des einlau fenden Lichtsignals 23.

Claims

1. Optisches Schaltelement, insbesondere zur opti schen Koppelung von wenigstens zwei Lichtwellenlei tern, dadurch gekennzeichnet, daß im Schnittpunkt der optischen Achsen der wenigstens zwei zu koppelnden Lichtwellenleiter jeweils ein optisches Koppelmodul (8) angeordnet ist, das jeweils zwei Schaltstellungen besitzt und ankommende Lichtsignale wenigstens eines Lichtwellenleiters (16, 23) auf einen wenigstens zweiten Lichtwellenleiter umlenkt oder passieren läßt.

2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden Schaltstellungen der opti schen Koppelmodule (8) durch austauschbare Füllungen eines transparenten Hohlkörpers (26) mit jeweils unterschiedlichen Reflexionseigenschaften darstellbar sind.

3. Schaltelement nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die optischen Koppelmodule (8) für eine erste Schaltstellung mit einem Fluid füllbar sind, das einfallende Lichtsignale (16) vollständig reflek tiert.

4. Schaltelement nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die optischen Koppelmodule (8) für eine zweite Schaltstellung mit einem Fluid füllbar sind, das einfallende Lichtsignale (23) unabgelenkt durch treten läßt.

5. Schaltelement nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß als reflektierendes Fluid Quecksilber (20) verwendet wird.

6. Schaltelement nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß als nichtreflektierendes Fluid Ethanol (28) verwendet wird.

7. Schaltelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die transparen ten Hohlkörper (26) der optischen Koppelmodule (8) aus Quarzglas bestehen.

8. Schaltelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die transparen ten Hohlkörper (26) der optischen Koppelmodule (8) mit einer Anti-Reflex-Beschichtung versehen sind.

9. Schaltelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den transparenten Hohlkörper des optischen Koppelmodules (8) bringbaren Fluide (20, 28) mittels Mikropumpen (6) austauschbar sind.

10. Schaltelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in die transparenten Hohlkörper (26) der optischen Koppelmo dule (8) bringbaren Fluide mittels Überdruck bezie hungsweise Unterdruck austauschbar sind.

11. Schaltelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltele ment (2) bei m eingehenden und n ausgehenden signal führenden Glasfasern (10) m × n in einer Schaltmatrix angeordnete optische Koppelmodule (8) aufweist.

12. Schaltelement nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die m × n optischen Koppelmodule (8) auf einem gemeinsamen Trägerbauteil integriert sind.

13. Schaltelement nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die optischen Koppelmodule (8) zusammen mit den Führungen (14) für die signalführenden Glas fasern (10) für ein- und auslaufende Lichtstrahlen (1 6, 22, 23, 24) und Aufnahmen (13) für Linsen (12) monolithisch auf einem Halbleiterbauteil (4) inte griert sind.