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Weiche für Lichtleiter
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Die Erfindung betrifft eine Weiche für Lichtleiter.
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In optischen Nachrichten-Ubertragungsnetzen befinden sich entlang
der Lichtleiter Koppelstellen, um den ankommenden Lichtleistungsfluß zu beeinflussen.
Dabei gibt es als Möglichkeiten der Beeinflussung Verteiler, Abzweige und Schaler,
je nachdem, ob das ankommende Licht möglichst gleichmäßig auf mehrere abgehende
Kanäle verteilt 9 ein bestimmter Bruchteil der Lichtleistung abgezweigt, oder die
gesamte ankommende Lichtleistung wahlweise zwisden z.B.
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zwei Kanälen hin- und hergeschaltet werden sollen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue Weiche anzugeben, die aufgrund
ihrer geringen Größe für optischen Nachrichten-Systeme in integrierter Bauweise
besonders geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Weiche gelöst, die erfindungsgemäß die
Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 aufweist.
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Bei der erfindungsgemäßen Weiche handelt es sich also um eine Polarisationsweiche,
bei der das ankommende Licht in Abhängigkeit von seiner Polarisationsrichtung in
einen von zwei weiterführenden Kanälen eingespeist wird.
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Vorteilhafterweise läßt sich die erfindungsgemäße Weiche sowohl als
schaltbare als auch nicht schaltbare Weiche ausführen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren erläutert.
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Dabei werden anhand der Fig. 1 bis 4 die Eigenschaften nematischer
Flüssigkristalle erläutert, die Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Nematische Flüssigkristalle verhalten sich optisch wie ein einachsiger
Kristall, außerdem zeigen sie unter Einwirkung eines elektrischen Feldes eine Veränderung
ihres Brechungsindexes.
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Gemäß der Fig. 1 läßt sich ein nematischer Flüscigkristall durch ein
Index-Rotations-Ellipsoid beschreiben, dessen Rotationsachse mit der optischen Achse
0 des Flüssigkristalls übereinstimmt. Fällt ein Lichtstrahl senkrecht zu dieser
optischen Achse ein, und ist dieser Lichtstrahl in Richtung der optischen Achse
polarisiert, so gilt für diesen Lichtstrahl der außerordentliche Bredungsindex na.
Ist der Lichtstrahl senkrecht zur optischen Achse polarisiert, so gilt für diesen
Lichtstrahl der ordentliche Brechungsindex nO. In den meisten Fällen weist der Ellispsoid
eine gestreckte Form auf, d.h. der außerordentliche Brechungsindex ist größer als
der ordentliche Brechungsindex, wie es in der Figur dargestellt ist. Fällt Licht
unter einem Winkel 8 gegen die optische Achse auf den nematischen Flüssigkristall
ein, und liegt die Polarisationsrichtung des Lichtes in der durch den Lichtstrahl
und die optische Achse 0 festgelegten Ebene, so hat der Brechungsindex für diesen
Lichtstrahl den Wert na (o) £ na. Ist der Lichtstrahl senkrecht zur optischen Achse
polarisiert, so gilt für ihn wiederum der Brechungsindex nO. Die Größe des Brechungsindexes
ist also von der Orientierung der anisotropen Flüssigkristall-Moleküle bezüglich
der Polarisationsrichtung des Lichtstrahles abhängig.
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Unter Doppelbrechung An (a) versteht man die folgende Differenz: ß
n (e) : = na (0) - nO
Angenähert gilt dabei: n n (0) (na - nO) sinne
Die Doppelbrechung erreicht einen Maximalwert, wenn der Lichtstrahl senkrecht zur
optischen Achse einfällt, d.h. für den Fall 0= 7 /2. In diesem Fall gilt: n n (-rr
/2) = 1 n n, - n0 Bei nematischen Flüssigkristallen wie z.B. p-methoxybenzylidenep-n-bulylanile
(MBBA) ist dieser Wert etwas größer als 0,2; der ordentliche Brechungsindex liegt
bei 1,52 der außerordentliche Brechungsindex bei 1,72.
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Außerdem besitzen gemäß der Fig. 2 die Moleküle des Flüssigkristalls
eine Dipolachse, die zur optischen Achse, d.h. mr Molekülachse um einen Winkel £
geneigt ist.
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Wird nun dieser Flüssigkristall gemäß Fig. 3 zwischen zwei Elektrodenplatten
100, 101 gebracht, so kann durch entsprechende Vorbehandlung der tlektrodenplatten,
z.B. durch Schrägbedampfung mit Magnesiumfluorid (MgF2) oder mit CAS 10-Aufdampfgas,
erreicht werden, daß sich die Moleküle des Flüssigkristalls mit ihren Molekülachsen,
d.h. mit ihren optischen Achsen parallel zur Elektrodenoberfläche ausrichten. Dabei
stimmt die Richtung der Molekülachsen mit der Richtung der Schrägbedampfung überein.
Wird nun an die Elektrodenplatten gemäß Fig. 4 eine Spannung gelegt, so werden die
Moleküle des Flüssigkristalls gedreht, bis die Dipolachse senkrecht zur Oberfläche
der Elektrodenplatten steht. Da der Winkel E im allgemeinen klein ist, sind in diesem
Zustand die Längsachsen der Moleküle etwa senkrecht zur Oberfläche der Elektroden
orientiert.
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In Fig. 5 ist nun ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Weiche
dargestellt. Diese Weiche besitzt ein erstes Elektrodenpaar 1, ein zweites Elektrodenpaar
2 und ein drittes Elektrodenpaar 3. Dabei ergeben die Elektrodenpaare 1 und 2 bei
diesem Ausführungsbeispiel in Draufsicht eine im wesentlichen gerade Bahn, die Elektrodenpaare
1 und 3 ergeben in Draufsicht eine bogenförmige Bahn. Zwischen diesen
Elektroden
liegt nun eine Schicht aus einem nematischen Flüssigkristall.
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An jedes Elektrodenpaar kann eine Spannung angelegt werden, ein typischer
Wert dafür ist 10 V. Liegt eine derartige Spannung an einem Elektrodenpaar so stellen
sich die Moleküle des Flüssigkristalls mit ihren Dipolachsen senkrecht zur Elekt=denoberfläche.
Liegt an einem Elektrodenpaar keine Spannung, so stellen sich die Moleküle des Flüssigkristalls
mit ihren Molekülachsen, d.h. mit ihren optischen Achsen, parallel zur Elektrodenoberfläche
ein, die zur Erzielung dieser homogenen Orientierung der Flüssigkristall-Moleküle
entsprechend vorbehandelt ist.
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In der Figur ist noch ein rechtwinkeliges Koordinatensystem eingezeichnet,
dessen z-Achse mit der Richtung der von dem ersten und dem zweiten Elektrodenpaar
gebildeten Bahn übereinstimmt, und dessen y-Achse senkrecht auf den Elektrodenoberflächen
steht.
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An dem ersten Elektrodenpaar soll nun dauernd eine Spannung liegen,so
daß sich die Moleküle des Flüssigkristalls zwischen diesen Elektroden mit ihren
Dipolachsen senkrecht zur Elektrodenoberfläche einstellen. Für einen einfallenden
Lichtstrahl L der in y-Richtung polarisiert ist, gilt damit zwischen dem ersten
Elektrodenpaar der Brechungsindex n, dessen Wert zwischen den Werten n und na liegt.
Fallen bei den Molekülen die Dipolachsen mit den optischen Achsen überein, d.h.
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ist der Winkel E = O, so gilt n = na.
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Für den Fall, daß am dritten Elektrodenpaar keine Spannung anliegt,
und daß am zweiten Elektrodenpaar eine Spannung angelegt wird, so daß die Dipolachsen
der Moleküle des Flüssigkristalls senkrecht zu den Elektradenoberflächen stehen,
tritt der Lichtstrahl L in den Raum zwischen dem zweiten Elektrodenpaar huber. Wird
stattdessen an das dritte Elektrodenpaar diese Spannung angelegt, und liegt am zweiten
Elektrodenpaar keine Spannung, so ird der Lichtstrahl L in dem Raum zwischen dem
dritten Elektrodenpaar gelenkt. Im letzten Fall
gilt für den einfallenden
Lichtstrahl zwischen dem ersten Elektrodenpaar der Brechungsindex n, zwischen dem
zweiten Elektrodenpaar der Brechungsindex nO. Da n größer als n0 ist, kann der Lichtstrahl
nicht zwischen das zweite Elektrodenpaar gelangen.
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Bei dem bislang beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt also am ersten
Elektrodenpaar immer eine Spannung, dabei wird diese Spannung zusätzlich entweder
auf das zweite oder auf das dritte Elektrodenpaar geschaltet, damit wird ein in
y-Richtung polarisierter einfallender Lichtstrahl L entweder entlang einer geraden
Bahn, d.h. zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenpaar, oder entlang einer
bogenförmigen Bahn, d.h. zwischen dem ersten und dem dritten Elektrodenpaar entlanggeführt.
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Als Material für die Elektroden kann z.B. transparentes Zinnoxid verwendet
werden. Da dieses Material einen Brechungsindex von etwa 2 hat, der also deutlich
größer ist als der Brechungsindex der Flüssigkristalle, wird ein Lichtstrahl an
der Grenzfläche des Flüssigkristalls mit der Elektrode nicht reflektiert, d.h. der
Lichtstrahl wird in y-Richtung nicht geführt. Um eine Führung in y-Richtung zu erreichen,
muß auf den Elektroden noch ein Film mit gegenüber dem Flüssigkristall geringerem
Brechungsindex aufgebracht werden.
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Die Dicke dieses Films muß größenordnungsmäßig mindestens gleich der
Wellenlänge des zu führenden Lichtes entsprechen.
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Ein geeignetes Material ist beispielsweise Magnesiumfluorid, dieses
Material hat einen Brechungsindex von 1,38, oder ein CAS 10-Glas, welches einen
Brechungsindex von 1,46 aufweist.
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Damit die Moleküle des Flüssigkristalls vor Anlegen einer Spannung
an ein Elektrodenpaar mit ihren optischen Achsen parallel zur Elektrodenoberfläche
ausgerichtet sind, muß zumindest eine Elektrode eines jedes Elektrodenpaares beispielsweise
mit Magnesiumfluorid oder CAS 10 schräg bedampft sein, dabei ist es möglich, die
jeweils oben liegende Elektrode eines Elektrodenpaares von außen zu bedampfen.
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Bei dem ether beschriebenen Beispiel wurde davon ausgegangen, daß
der einfallende Lichtstrahl L in y-Richtung polarisiert ist. Solche Verhältnisse
mit einer festen Polarisation liegen z.B. bei einer entsprechend angeregten FlUssigkern-Lichtleitfaser
vor, bei der auf geraden Stücken die Polarisation praktisch unverändert erhalten
bleibt.
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Wird die Weiche an gewöhnliche Lichtleitfasern aus Glas angeschlossen,
so läßt sich eine Schalterwirkung nur unter Einbuße von mindestens 50 % der einfallenden
Lichtleistung erzielen. Denn vorEintritt des Lichtstrahles in den Flüssigkristall
muß das in der Lichtleitfaser völlig unpolarisierte Licht erst in y-Richtung polarisiert
werden, was nur mit einem derartigen Verlust möglich ist.
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Bei Verbindung der Weiche mit Multimode-Fasern muß die Flüssigkristall-Schicht
eine solche Dicke d aufweisen, daß die durch die Lichtleitfaser geführten Moden
auch innerhalb der Weiche geführt werden können.
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Beim Anschluß der Weiche an Multimode-Fasern handelt es sich bei dem
in den Flüssigkristall eintretenden Lichtstrahl um Meridionalstrahlen, jedoch sind
diese Strahlen teilweise gegenüber der optischen Achse des Lichtleiters etwas geneigt,
etwa zwischen 0 und 60. Dies bedingt, daß die Krümmung der bogenförmigen Bahn, die
durch das erste und das dritte Elektrodenpaar gebildet wird, etwas geringer zu wählen
ist als für den Fall, daß alle Strahlen (Moden) die gleiche Richtung haben wie die
optische Achse des Wellenleiters.
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Hat der Lichtstrahl L eine Polarisation, die von der y-Richtung abweicht,
dann ist auf den Lichtstrahl nicht mehr eine so große Differenz der Brechungsindices
wirksam, wenn die Moleküle der Flüssigkzistalle durch Anlegen einer Spannung an
ein Elektrodenpaar umorientiert werden.
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In diesem Fall kann eine 10096ige Schalterwirkung der Weiche nur erreicht
werden, wenn die gebogene Bahn, die durch das erste und dritte Elektrodenpaar gebildet
wird, einen sehr
großen Krümmungsradius aufweist.
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Unter der Voraussetzung, daß der Lichtstrahl L so polarisiert ist,
daß die ausnutzbare Brechzahldifferenz in der Größenordnung von 0,2 liegt, kann
der Krümmungsradius im Millimeter-Bereich liegen. Dabei wird durch die starke Krümmung
nur eine geringe Erhöhung der Lichtverluste hervorgerufen.
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In abgewandelter Form läßt sich die Weiche auch als schaltbare Polarisationsweiche
für TE- und TM-Moden verwenden. In diesem Falle wird immer gleichzeitig an das erste
und an das dritte Elektrodenpaar eine Spannung oder keine Spannung angelegt. Für
den Fall, daß leine Spannung anliegt, sollen die optischen Achsen der Moleküle auf
den Krümmungsmittelpunkt M gerichtet sein, dies kann z.B. dadurch erreicht werden,
daß die bereits beschriebene Scrägbedampfung aus der Richtung des Krümmungsmittelpunktes
M erfolgt.
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Liegt nun am ersten und am dritten Elektrodenpaar keine Spannung an,
so geht der TE-Modus größtenteils geradeaus weiter, d.h. dieser Modus läuft zwischen
dem ersten und zweiten Elektrodenpaar hindurch. Der TM-Modus wird zwischen das dritte
Elektrodenpaar abgebogen. Die Polarisationsrichtungen der beiden Moden sind in dem
Koordinatenkreuz in Fig. 5 eingetragen. Wird an das erste und an das dritte Elektrodenpaar
eine Spannung angelegt, so wird der TE-Modus geradeaus geführt, der TM-Modus wird
abgebogen. Für den jeweils geradeaus weiterlaufenden Modus treten jedoch, im Gegensatz
zum oben beschriebenen Schalter, am Abzweigzum dritten Elektrodenpaar geringe Verluste
auf.
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Die Weiche läßt sich auch als nicht schaltbare Polarisationsweiche
verwenden. In diesem Falle kann auf eine Schrägbedampfung der Elektroden vollständig
verzichtet werden. In diesem Falle liegt am ersten und am dritten Elektrodenpaar
dauernd eine Spannung, am zweiten Elektrodenpaar liegt keine Spannung. Zwischen
den spannungsführenden Elektroden -sind die Moleküle des Flüssigkristalls mit ihren
optischen Achsen nahezu senkrecht zur Elektrodenoberfläche gerichtet.
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Zwischen dem zweiten Elektrodenpaar sind die Richtungen der optischen
Achsen der Moleküle. statistisch verteilt. Für den TM-Modus gilt dann ein Brechungsindex,
der zwischen den Werten n0 und n nahe bei na liegt. Dieser Modus wird zwischen das
a dritte Elektrodenpaar abgebogen. Für den TE-Modus gilt dann ein Brechungsindex,
der in der Nähe von n0 liegt, dieser für den Wert TE-Modus wirksame Brechungsindex
ist kleiner als der Brechungsindex für den TM-Modus. Damit geht der TE-Modus größtenteils
geradeaus weiter Zweckmäßigerweise werden die erfindungsgemäßen Weichen wie sie
anhand der Fig. 5 beschrieben wurden, in Gräben entsprechender Breite und Höhe eingebettet.
Damit ist gewährleistet, daß der Flüssigkristall nicht auslaufen kann. Um einwandfreie
Wellenleitung zu erzielen, insbesondere wenn die Weiche an einen zweidimensionalen
Wellenleiter, wie z.B.
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an Lichtleitfasern angeschlossen ist, muß der Brechungsindex des Materials,
aus dem der Graben gefertigt ist, geringer als n0 sein. Diese Gräben lassen sich
leicht photolithographisch in lichtempfindlichen Folien: die auf einem Substrat
angeordnet sind, herstellen. Derartige Folien bestehen z.B. aus einem Ristocetin-Material
(Riston-Folie).
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5 Patentansprüche 5 Figuren
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