DE19918886B4 - Optische Schaltmatrixanordnung - Google Patents

Abstract

Optische Schaltmatrixanordnung, insbesondere für optische Nachrichten- und Informationsnetze auf der Basis von optischen Fasern, wobei eine Anzahl M unterschiedlicher optischer Eingangskanäle in beliebiger Weise mit einer Anzahl N optischer Ausgangskanäle verbindbar ist, wobei an den Überschneidungspunkten der M kollimierten Eingangsbündel und der N kollimierten Ausgangsbündel Strahlumlenkungselemente in den Strahlengang einbringbar sind, die Strahlung eines Eingangskanals auf mindestens eine Ausgangsfaser lenken, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlumlenkungselemente Ablenkprismen dienen, die an jeweils einem von mehreren Piezobiegestellern befestigt sind, wobei die mehreren Piezobiegesteller in einer Kammstruktur zusammengefasst sind und die Ablenkprismen an den freien Enden der jeweils zugeordneten Zungen dieser Kammstruktur befestigt sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine optische Schaltmatrixanordnung, insbesondere für optische Nachrichten- und Informationsnetze auf der Basis von optischen Fasern, wobei eine Anzahl unterschiedlicher 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 datacommunication networks fabricated using the LIGA technology", verwiesen.
• 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 Micorelectronic Structures and MEMS for Optical Processing IV, Santa Clara, September 1998, veröffentlicht in, SPIE, Vol. 3513, vorgeschlagen, greifen auf eine Torsionsspiegelanordnung zurück. Durch unterschiedliche Spiegeleinstellungen sind verschiedene Eingangs- und Ausgangsfasern koppelbar, wobei die Spiegel jeweils in den Strahlengang zwischen gegenüberliegenden Ein- und Auskoppelfasern eingeschwenkt werden.
• Aus der DE 195 00 214 A1 ist eine Vorrichtung zum Umschalten von optischen Signalleitungen bekannt. Um Lichtstrahlen von Eingangsfasern auf beliebige Ausgangsfasern umzulenken, sind in einer Schaltmatrix zahlreiche Umlenkspiegel angeordnet. Diese Umlenkspiegel befinden sich im Ruhezustand unterhalb einer Ebene, in welcher sich die Strahlachsen der Eingangsfasern und der Ausgangsfasern kreuzen. Um eine Umlenkung des Strahls von der gewählten Eingangsfaser auf eine gewünschte Ausgangsfaser zu erzielen, muss jeweils ein Umlenkspiegel in den Strahlengang eingebracht werden. Für die Bewegung der Spiegel können piezoelektrische Elemente genutzt werden, wenn der Hubweg hinreichend klein gehalten wird.
• Der DE 196,46 710 A1 kann eine optische Ablenkvorrichtung mit einem piezoelektrischen Antriebs- oder Stellelement entnommen werden. Das Antriebs- oder Stellelement weist Schwinger und Schwingerhalter auf, die so ausgebildet sind, dass die Stirnflächen eine Kippbewegung um einen vorgegebenen Winkel ausführen oder nahezu reine Translantionsbewegungen ermög lichen. Auf mindestens einer der Stirnflächen der Schwingerhalter ist ein strahlablenkendes optisches Element, z.B. ein Spiegel oder ein Prisma, angeordnet bzw. die entsprechende Stirnfläche selbst kann strahlablenkende optische Eigenschaften aufweisen.
• Die US 5,341,917 beinhaltet einen Pin-Grid-Aktuator, der auch in Matrixdruckern Verwendung finden kann. Im geschalteten Zustand bewegt jeweils ein Aktuatorarm jeweils einen Pin bis zu einer ausgefahrenen Position, in der ein am Ende des Pins angebrachtes optisches Element das einfallende optische Bündel unterbricht.
• 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 Schaltmatrixanordnung 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 Eingags- und N Ausgangsfasern mit jeweils einer Kollimationslinse 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 Strahlengang gebracht, die jedes der Eingangsbündel auf eine der Ausgangsfasern 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 funktionslos. Zum Rekonfigurieren der optischen Verbindungen werden dann 2...N Prismen aus dem Strahlengang herausgenommen und entsprechend 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 stoffschlüssig 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 bezüglich 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 Piezoaktoren durch Strom-Spannungsbeaufschlagung in an sich bekannter Weise und braucht hier nicht näher erläutert zu werden.
• Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
• Hierbei zeigen:
• 1 eine prinzipielle Anordnung von M × N-Faserschaltern mit eingangs- und ausgangsseitig vorgesehenem Linsenarray und
• 2 eine Darstellung eines strukturierten piezoelektrischen Aktuators mit beispielhaft 16 unabhängig ansteuerbaren Schaltzungen.
• Wie der 1 entnommen werden kann, sind die Eingangsfasern auf ein erstes Linsenarray geführt. Hierbei wird das aus den Eingangsfasern austretende Licht kollimiert bzw. am ausgangsseitigen, zweiten Linsenarray bezüglich der Ausgangsfasern fokussiert.
• Zum Schalten werden an den Überschneidungspunkten der kollimierten 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 2 prinzipiell dargestellt, durch eine Piezobiegesteller-Anordnung, 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 optischer 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 M unterschiedlicher optischer Eingangskanäle in beliebiger Weise mit einer Anzahl N optischer Ausgangskanäle verbindbar ist, wobei an den Überschneidungspunkten der M kollimierten Eingangsbündel und der N kollimierten Ausgangsbündel Strahlumlenkungselemente in den Strahlengang einbringbar sind, die Strahlung eines Eingangskanals auf mindestens eine Ausgangsfaser lenken, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlumlenkungselemente Ablenkprismen dienen, die an jeweils einem von mehreren Piezobiegestellern befestigt sind, wobei die mehreren Piezobiegesteller in einer Kammstruktur zusammengefasst sind und die Ablenkprismen an den freien Enden der jeweils zugeordneten Zungen dieser Kammstruktur befestigt sind.
2. Optische Schaltmatrixanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsbereich der Piezobiegesteller und die Prismenhöhe größer als der Durchmesser der kollimierten Bündel zur Gewährleistung eines optimalen Schaltprozesses sind.
3. Optische Schaltmatrixanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkprismen stoffschlüssig an der jeweils zugeordneten Zunge der Kammstruktur befestigt sind.
4. Optische Schaltmatrixanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsbereich oder Hub der Piezobiegesteller im wesentlichen im Bereich von 500 μm liegt.