DE19918886A1 - Optische Schaltmatrixanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Schaltmatrixanordnung, insbesondere für optische Nachrichten- und Informationsnetze auf der Basis von optischen Fasern, wobei eine Anzahl N unterschiedlicher optischer Eingangskanäle in beliebiger Weise mit einer Anzahl N optischer Ausgangskanäle verbindbar ist. Erfindungsgemäß sind an den Überschneidungspunkten der N kollimierten Eingangsbündel und der N kollimierten Ausgangsbündel Prismen in den Strahlengang einbringbar, die gezielt eingangsseitige Strahlung auf eine Ausgangsfaser lenken, wobei die Bewegung der Ablenkprismen durch einen jeweils zugeordneten Piezobiegesteller erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Schaltmatrixanordnung, insbesondere für optische Nachrichten- und Informationsnetze auf der Basis von optischen Fasern, wobei eine Anzahl N unter­ schiedlicher optischer Eingangskanäle in beliebiger Weise mit einer Anzahl N optischer Ausgangskanäle verbindbar ist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Anordnungen zur Rekonfigurierung von optischen Pfaden in optischen Nachrichten- oder Informationsnetzen auf der Basis von optischen Fasern sind bekannt. Beispielsweise sei hier auf die Veröffentlichung in SPIE, Vol. 3276, Seite 37 bis 43, Neumeier, Michel et al. "Miniaturized fiber optical switches with non-moving polymeric mirrors for tele- and datacommuni­ cation networks fabricated using the LIGA technology", ver­ wiesen.

Bei solchen Anordnungen muß eine Anzahl von N unterschiedlichen optischen Eingangskanälen in beliebiger Weise mit den optischen Ausgangskanälen verbunden werden, wobei in den meisten Fällen dabei alle N Verbindungen parallel nutzbar sein müssen, d. h. eine entsprechende Schaltmatrix muß blockierungsfrei arbeiten.

Bekannte optische Schaltmatrizen mit N optischen Eingangs- und Ausgangsfasern nutzen beispielsweise die Bewegung der optischen Fasern selbst oder es wird eine Bewegung vergleichsweise großer optischer Komponenten im kollimierten Strahlengang zwischen den Faserein- und -ausgängen realisiert. Derartige Schaltmatrizen sind außerordentlich langsam, relativ groß und aufwendig in der Herstellung.

Integrierbare optische Schaltmatrizen, wie beispielsweise in SPIE, Conference on Microelectronic Structures and MEMS for Optical Processing IV, Santa Clara, September 1998, veröf­ fentlicht in SPIE, Vol. 3513, vorgeschlagen, greifen auf eine Torsionsspiegelanordnung zurück. Durch unterschiedliche Spiegelstellungen sind verschiedene Eingangs- und Ausgangs­ fasern koppelbar, wobei die Spiegel jeweils in den Strahlengang zwischen gegenüberliegenden Ein- und Auskoppelfasern einge­ schwenkt werden.

Bekannt sind ebenfalls Schaltmatrizen auf der Basis thermisch beeinflußter optischer Wellenleiterstrukturen in Glas. Hier liegen die Schaltzeiten bereits im vorteilhaften Bereich einiger Millisekunden, allerdings sind die Verluste und das Übersprechen zwischen den Kanälen in einer solchen Matrix sehr groß und es wird zum Halten der Schaltzustände eine relativ große elektrische Leistung benötigt.

Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, eine weitergebildete optische Schaltmatrixanordnung anzugeben, die in der Lage ist, schnelle Schaltvorgänge zu realisieren, und welche kostengünstig hergestellt werden kann.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Schalt­ matrixanordnung gemäß den Merkmalen nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, von einer Schaltmatrix auszugehen, in der die in einer Ebene angeordneten N Eingangs- und N Ausgangsfasern mit jeweils einer Kollima­ tionslinse bzw. Fokussierlinse versehen sind. Das aus den Eingangsfasern austretende Licht wird dann kollimiert und die entsprechend geschalteten Bündel werden in die Ausgangsfasern fokussiert. Zum Schalten der Lichtwege werden erfindungsgemäß an den Überschneidungspunkten der N kollimierten Eingangsbündel und der N kollimierten Ausgangsbündel Prismen in den Strahlen­ gang gebracht, die jedes der Eingangsbündel auf eine der Aus­ gangsfasern lenken.

Erfindungsgemäß sind insgesamt somit N² Prismen nötig, von denen immer N Prismen sich im Strahlengang zur Ablenkung befinden. Die übrigen befinden sich bis zum entsprechenden Schaltvorgang außerhalb des Strahlengangs und sind funktions­ los. Zum Rekonfigurieren der optischen Verbindungen werden dann 2 . . . N Prismen aus dem Strahlengang herausgenommen und ent­ sprechend 2 . . . N weitere Prismen in den Strahlengang geschaltet.

Erfindungsgemäß sind die Ablenkprismen auf einer Kammstruktur aus Piezobiegestellern angeordnet. Jedem Ablenkprisma ist damit ein Piezobieger zugeordnet. Bevorzugt sind die Prismen mit dem freien beweglichen Ende der Zungen- oder Kammstruktur stoff­ schlüssig verbunden. Der Bewegungsbereich der Piezobieger ist größer als der Durchmesser des kollimierten Bündels und liegt im Bereich von etwa 500 µm, um einen optimalen Schaltprozeß zu gewährleisten. Die Prismenhöhe selbst ist ebenfalls größer als der erwähnte Durchmesser.

Es hat sich gezeigt, daß der erfindungsgemäße Einsatz von Prismen deshalb von Vorteil ist, da im Vergleich zu Spiegeln der Justageaufwand wesentlich geringer ist und dadurch bezüg­ lich der Montage und Herstellung die Kosten minimiert werden können. Die Verbindung zwischen Prisma und Zunge des jeweiligen Piezobiegestellers kann stoffschlüssig durch Löten oder Kleben erfolgen.

Die Ansteuerung der Piezobiegesteller erfolgt wie bei Piezo­ aktoren durch Strom-Spannungsbeaufschlagung in an sich bekannter Weise und braucht hier nicht näher erläutert zu werden.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels und unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Anordnung von M × N-Faserschaltern mit eingangs- und ausgangsseitig vorgesehenem Linsen­ array und

Fig. 2 eine Darstellung eines strukturierten piezoelektrischen Aktuators mit beispielhaft 16 unabhängig ansteuerbaren Schaltzungen.

Wie der Fig. 1 entnommen werden kann, sind die Eingangsfasern auf ein erstes Linsenarray geführt. Hierbei wird das aus den Eingangsfasern austretende Licht kollimiert bzw. am ausgangs­ seitigen, zweiten Linsenarray bezüglich der Ausgangsfasern fokussiert.

Zum Schalten werden an den Überschneidungspunkten der kolli­ mierten Eingangsbündel und der entsprechend kollimierten Ausgangsbündel definiert Prismen in den Strahlengang eingebracht.

Die Prismen sind so ausgeführt, daß jedes der Eingangsbündel strahlungsseitig auf eine entsprechende Ausgangsfaser gelenkt wird. Dann, wenn bei bestimmten Anwendungen notwendig, besteht die Möglichkeit, daß eine Ablenkung derartig erfolgt, daß Strahlung aus einem Eingangsbündel auf mehrere Ausgangsfasern fällt.

Konkret wird die Bewegung der Ablenkprismen, wie in der Fig. 2 prinzipiell dargestellt, durch eine Piezobiegesteller-Anord­ nung, d. h. durch einen piezoelektrischen Aktuator, vorgenommen. Die Ablenkung der Prismen erfolgt senkrecht zur Schaltebene, indem jedem Prisma ein entsprechender Piezobieger, d. h. eine entsprechende Zunge der Kammstruktur, zugeordnet ist. Der Bewegungsbereich bzw. der Stellwinkel jedes Piezobiegers ist dabei größer als der Durchmesser des jeweiligen kollimierten Bündels, um einen optimalen Schaltprozeß zu erreichen, und liegt beispielsweise im Bereich von im wesentlichen 500 µm.

Die Einzelprismen sind am oberen, freien Ende jeder Zunge der Kammstruktur stoffschlüssig, z. B. durch Löten oder Kleben befestigt.

Durch Anlegen einer elektrischen Spannung können einzelne der Zungen oder Zungengruppen des piezoelektrischen Aktuators bewegt werden, wobei diese Bewegung unter Mitnahme des bzw. der jeweiligen Prismen erfolgt, wodurch der Schaltvorgang, d. h. das Umlenken der kollimierten Strahlung erfolgt.

Die Kammstruktur des Piezoaktuators kann in an sich bekannter Weise aus strukturierter Keramik gefertigt sein, wobei unter Beachtung der Biegeelastizität und des Auslenkwinkels der einzelnen Zungen eine Miniaturisierung der Gesamtanordnung erreicht werden kann.

Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Schaltmatrixanordnung den Aufbau sehr kompakter, kostengünstig herstellbarer opti­ scher Schalter z. B. für Nachrichten- oder Informationsnetze, wobei durch die unkritischeren optischen Flächen der Prismen der Montage- und Herstellungsaufwand reduziert werden kann.

Claims (4)

1. Optische Schaltmatrixanordnung, insbesondere für optische Nachrichten- und Informationsnetze auf der Basis von optischen Fasern, wobei eine Anzahl N unterschiedlicher optischer Ein­ gangskanäle in beliebiger Weise mit einer Anzahl N optischer Ausgangskanäle verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Überschneidungspunkten der N kollimierten Eingangsbündel und der N kollimierten Ausgangsbündel Prismen in den Strahlengang einbringbar sind, die gezielt eingangsseitige Strahlung auf eine Ausgangsfaser lenken, wobei die Bewegung der Ablenkprismen durch einen jeweils zugeordneten Piezobiege­ steller erfolgt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsbereich der Piezobieger und die Prismenhöhe größer als der Durchmesser der kollimierten Bündel zur Gewährleistung eines optimalen Schaltprozesses sind.

3. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezobiegesteller eine Kammstruktur aufweisen, wobei an jeder Zunge der Kammstruktur ein Prisma stoffschlüssig befestigt ist.

4. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsbereich oder Hub der Biegesteller im wesentlichen im Bereich von 500 µm liegt.