DE29517012U1 - Optical switch - Google Patents

Optical switch

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Description

BeschreibungDescription

Die Erfindung betrifft einen optischen Schalter.The invention relates to an optical switch.

Optische Schalter sind unter anderem in den Schriften DE OS 37 42 "553 Licht-, insbesondere Laserstrahlvorrichtung und -Verfahren sowie Laserarbeitsplatzsystem, DE OS 34 39 905 Drehschalter für Lichtwellenleiter und DE OS 40 29 569 Faseroptischer Schalter zu finden.Optical switches can be found, among others, in the documents DE OS 37 42 "553 Light, in particular laser beam device and process and laser workstation system, DE OS 34 39 905 Rotary switch for optical fibers and DE OS 40 29 569 Fiber optic switch.

Diese Anordnungen stellen allerdings nur 1 auf &eegr; - VerknüpfungenHowever, these arrangements only represent 1 to η - connections

Die EP 0 153 243 beinhaltet ebenfalls einen Schalter für Lichtwellenleiter. Dabei wird ein optisches Element, das im Strahlengang zwischen den Enden der Wellenleiter und dem Spiegel angeordnet ist, auf einer geradlinigen Bahn so bewegt, daß der Lichtstrahl im optischen Element abgelenkt, über den Spiegel reflektiert und im optischen Element ein zweites Mal abgelenkt und damit der Lichtstrahl auf den übernächsten Wellenleiter geführt wird.EP 0 153 243 also contains a switch for optical waveguides. In this case, an optical element, which is arranged in the beam path between the ends of the waveguide and the mirror, is moved on a straight path in such a way that the light beam is deflected in the optical element, reflected by the mirror and deflected a second time in the optical element, thus guiding the light beam onto the next waveguide.

Nachteile dieser Anordnung stellen zum einen die bewegte Optik dar und zum anderen können nur Wellenleiter in einem festen Abstand zueinander verbunden werden. Eine freie Auswahl der Form 1 aus &eegr; ist nicht möglich.Disadvantages of this arrangement are, on the one hand, the moving optics and, on the other hand, only waveguides can be connected at a fixed distance from each other. A free selection of form 1 from &eegr; is not possible.

In den Veröffentlichungen DE OS 36 08 135, DE OS 37 16 836, DE OS 40 40 001 und DE OS 42 21 918 werden optische Schalter beschrieben. Dabei kommen jeweils bewegliche Spiegel als Ein-/Ausschalter bei fester Zuordnung der Wellenleiter zum Einsatz. Eine frei wählbare Zuordnung aus einer Vielzahl von Wellenleitern ist nicht möglich.Optical switches are described in publications DE OS 36 08 135, DE OS 37 16 836, DE OS 40 40 001 and DE OS 42 21 918. In each case, movable mirrors are used as on/off switches with a fixed assignment of the waveguides. A freely selectable assignment from a large number of waveguides is not possible.

Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen optischen Schalter zu schaffen, der ein bidirektionales Schalten erlaubt.The invention specified in claim 1 is based on the problem of creating an optical switch that allows bidirectional switching.

Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.This problem is solved with the features listed in claim 1.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein bidirektionales Schalten von Informationen in Form von optischen Signalen möglich ist. Bidirektional beinhaltet dabei die Möglichkeiten 1 auf &eegr;, &eegr; auf 1 oder &eegr; auf n, wobei 1 und &eegr; die Anzahl der Wellenleiter darstellen. Die Wellenleiter werden zum einen in einer ebenen Faserhalterung befestigt, so daß ein Schalten in dieser Ebene möglich ist. Wird der Spiegel dabei nicht durch zwei sondern durch zwei+n Federn positioniert, kann das Schalten von nichtbenachbarten Wellenleitern ohne Überstreichung von nichtausgewählten über einen mäanderförmigen Weg vermieden werden. Diese Anwendung ist besonders für eine Betriebsart von Interesse, wo über den einkoppelnden Wellenleiter ständig gesendet wird und die Empfangsstation die relevanten Informationen ausfiltert.The advantages achieved with the invention are in particular that bidirectional switching of information in the form of optical signals is possible. Bidirectional includes the options 1 to η, η to 1 or η to n, where 1 and η represent the number of waveguides. The waveguides are firstly fastened in a flat fiber holder, so that switching in this plane is possible. If the mirror is positioned not by two but by two+n springs, switching of non-adjacent waveguides without sweeping over non-selected ones via a meandering path can be avoided. This application is of particular interest for an operating mode where transmission is constantly taking place via the coupling waveguide and the receiving station filters out the relevant information.

Bei einem Einsatz übereinanderangeordneter ebener oder sphärisch gewölbter Faserhalterungen ergibt sich eine Matrixanordnung der Wellenleiter zum Spiegel hin. Mit dieser Anordnung kann die Anzahl der zuschaltbaren Wellenleiter pro Spiegel wesentlich gesteigert werden.When flat or spherically curved fiber holders are used one above the other, a matrix arrangement of the waveguides towards the mirror is created. With this arrangement, the number of switchable waveguides per mirror can be significantly increased.

Damit ergeben sich besondere Vorteile in der Regelungstechnik von automatischen Prozeßabläufen und in der Datenvermittlungstechnik .This results in particular advantages in the control technology of automatic process sequences and in data transmission technology.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Schutzansprüchen 2 bis 9 angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in claims 2 to 9.

Eine vorteilhafte räumliche Anordnung der Faserhalterungen und damit verbunden der Enden der Wellenleiter mit daran direkt befestigten optischen Elementen enthält die Weiterbildung nach Schutzanspruch 2.An advantageous spatial arrangement of the fiber holders and the associated ends of the waveguides with optical elements directly attached thereto is contained in the further development according to claim 2.

Verschiedene Möglichkeiten der Aufhängung des oder der Spiegel beschreibt die Weiterbildung nach Schutzanspruch 3. Die Weiterbildung nach Schutzanspruch 4 sichert einen durch die jeweilige Anwendung definierten Abstand zwischen den Enden der Wellenleiter und dem Spiegel.The further development according to claim 3 describes various possibilities for suspending the mirror or mirrors. The further development according to claim 4 ensures a distance defined by the respective application between the ends of the waveguide and the mirror.

Mit der Matrixanordnung von mehreren optischen Schaltern entsprechend des Schutzanspruches 5 können gleichzeitig eine Vielzahl von Informationen auf engstem Raum geschalten werden. Mit der Verbindung der einzelnen Matrixpunkte untereinander können besonders Informationen in Richtung 1 auf &eegr; transportiert werden.With the matrix arrangement of several optical switches according to claim 5, a large amount of information can be switched simultaneously in a very small space. By connecting the individual matrix points to each other, information in particular can be transported in the direction 1 to &eegr;.

Die Weiterbildungen nach den Schutzansprüchen 6 und 7 führen zu einem vereinfachten Aufbau, da die optischen Elemente an den Enden direkt befestigt sind. Eventuell notwendige Justierarbeiten reduzieren sich.The further developments according to claims 6 and 7 lead to a simplified structure, since the optical elements are attached directly to the ends. Any necessary adjustment work is reduced.

Direkte oder indirekte Verstellmöglichkeiten des Spiegels sind in den Schutzansprüchen 8 und 9 aufgeführt.Direct or indirect adjustment options for the mirror are listed in claims 8 and 9.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. They show:

Figur 1 Prinzipieller Grundaufbau einer einfachen Anordnung undFigure 1 Basic structure of a simple arrangement and

Figur 2 Verbindungsmöglichkeit und prinzipieller Aufbau einer Anordnung mit zwei optischen Schaltern.Figure 2 Connection option and basic structure of an arrangement with two optical switches.

Den Grundaufbau des optischen Schalters zeigt die Figur 1. Die Enden der Wellenleiter 4 werden in einer FaserhalterungThe basic structure of the optical switch is shown in Figure 1. The ends of the waveguides 4 are held in a fiber holder

• · «a &tgr; · *• · «a &tgr; · *

3 positioniert und befestigt. Die Faserhalterung 3 besitzt dazu Gräben in die die Wellenleiter 4 eingelegt sind. Die Enden der Wellenleiter 4 schließen mit dem Rand der Faserhalterung 3 ab.3 positioned and secured. The fiber holder 3 has grooves into which the waveguides 4 are inserted. The ends of the waveguides 4 end at the edge of the fiber holder 3.

Der Rand der Faserhalterung 3 ist geradlinig und die Gräben strahlenförmig in Richtung des optischen Elements (2) in Form einer Linse zusammenlaufend angeordnet. Die Achsen der Wellenleiter 4 schneiden sich dabei in der Hauptebene der Linse. Diese befindet sich zwischen der Faserhalterung 3 und einem Spiegel 1.The edge of the fiber holder 3 is straight and the grooves are arranged radially converging towards the optical element (2) in the form of a lens. The axes of the waveguides 4 intersect in the main plane of the lens. This is located between the fiber holder 3 and a mirror 1.

Der Spiegel 1 ist als viereckige Drehplatte ausgeführt und besteht als mikromechanisches Bauteil aus Silizium mit polierter Oberfläche. Er wird in einem Rahmen mit zwei Torsionsbändern, deren Symmetrieachse rechtwinklig zur Oberfläche der Faserhalterung 3 steht, gehalten.The mirror 1 is designed as a square rotating plate and is a micromechanical component made of silicon with a polished surface. It is held in a frame with two torsion bands, the axis of symmetry of which is perpendicular to the surface of the fiber holder 3.

Die Bewegung des Spiegels 1 erfolgt über elektrostatische Kräfte, wobei der Spiegel 1 selbst den Aktuator bildet. Dazu wird eine mit elektrischen Leiterbahnen versehene Platte an der den Enden der Wellenleiter 4 gegenüberliegenden Oberfläche des SpiegelsThe movement of the mirror 1 is effected by electrostatic forces, with the mirror 1 itself forming the actuator. For this purpose, a plate provided with electrical conductor tracks is attached to the surface of the mirror opposite the ends of the waveguides 4.

1 angeordnet. Die Leiterbahnen verlaufen dabei parallel zu den vertikalen Kanten des Spiegels 1. Werden die Leiterbahnen mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, erfolgt eine Bewegung des Spiegels 1 durch die sich aufbauenden elektrostatischen Kräfte.1. The conductor tracks run parallel to the vertical edges of the mirror 1. If the conductor tracks are applied with an electrical voltage, the mirror 1 moves due to the electrostatic forces that build up.

Die Figur 1 zeigt weiterhin ein Beispiel für einen Einkoppelstrahl 5, der durch den optischen Schalter auf einen beliebig wählbaren Wellenleiter 4 geleitet wird, damit den Auskoppelstrahl· 6 und somit über die Linse und den Spiegel 1 die Verbindung beider Wellenleiter 4 bildet.Figure 1 also shows an example of an input beam 5, which is guided by the optical switch to an arbitrarily selectable waveguide 4, thereby forming the output beam· 6 and thus the connection between the two waveguides 4 via the lens and the mirror 1.

Ein zweites Ausführungsbeispiel ist prinzipiell in der FigurA second embodiment is shown in principle in the figure

2 dargestellt.2 shown.

Grundlage bilden mehrere optische Schalter entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel, die vorzugsweise in Form einer Matrix angeordnet sind. Dazu werden in einer SiliziumplatteThe basis is formed by several optical switches according to the first embodiment, which are preferably arranged in the form of a matrix. For this purpose,

entsprechend der Anzahl zu realisierender Schalter jeweils an zwei Torsionsbändern aufgehängte Spiegel 1 hergestellt. Die Siliziumplatte dient dabei zugleich als Rahmen und als leicht handzuhabendes Montageelement. Mit der Realisierung von Führungen ist eine Positionierung im Montageprozeß der optischen Schalter gegeben. Auf einer zweiten Platte aus Silizium werden die Leiterbahnen integriert. Diese werden dabei einzeln an die Außenkanten geführt, so daß eine unabhängige Ansteuerung und damit verbunden eine unabhängige Bewegung der einzelnen Spiegel 1 gegeben ist. Diese Platte wird an der den Enden der Wellenleiter 4 gegenüberliegenden Oberfläche des Spiegels 1 plaziert.
Die Anordnung der Faserhalterungen 3 und der optischen ElementeMirrors 1 are produced, each suspended from two torsion bands, depending on the number of switches to be implemented. The silicon plate serves both as a frame and as an easy-to-handle assembly element. The implementation of guides provides positioning in the assembly process of the optical switches. The conductor tracks are integrated on a second silicon plate. These are guided individually to the outer edges, so that the individual mirrors 1 are independently controlled and thus move independently. This plate is placed on the surface of the mirror 1 opposite the ends of the waveguides 4.
The arrangement of the fiber holders 3 and the optical elements

2 in Form von Linsen entspicht der Anzahl und der Position2 in the form of lenses corresponds to the number and position

der Spiegel 1. Die Gestaltung der Gräben in den Faserhalterungenthe mirror 1. The design of the trenches in the fiber holders

3 und die Plazierung der Linsen im Strahlengang erfolgt in gleicher Weise, wie diese im ersten Ausführungsbeispiel aufgeführt ist.3 and the placement of the lenses in the beam path is carried out in the same way as in the first embodiment.

Für die Gewährleistung einer Verbindung 1 auf &eegr; oder &eegr; auf 1 besteht mindestens eine direkte Kopplung zwischen den einzelnen optischen Schaltern.To ensure a connection 1 to &eegr; or &eegr; to 1, there is at least a direct coupling between the individual optical switches.

In einem dritten Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche der Faserhalterung 3 nicht eben sondern sphärisch gewölbt ausgebildet. Die Wölbung ist in Richtung des Spiegels 1 geneigt. Mehrere derartige Faserhalterungen 3 ergeben einen Kreisring. Erfolgt eine Montage mehrerer derartiger Faserhalterungen 3 übereinander, wobei die Radien nach außen größer werden und bei gleichzeitig kreisförmig ausgebildeten Kanten der Faserhalterung 3 zum Spiegel 1 so ergibt sich eine Anordnung einer regelmäßig ausgehöhlten Halbkugel. Die Plazierung des Spiegels 1 erfolgt dabei im Schnittpunkt der optischen Achsen der Wellenleiter 4. Die optischen Elemente 2 befinden sich in Form von Wellenleiter-Gradientenindexlinsen jeweils an den Enden der Wellenleiter 4 selbst.In a third embodiment, the surface of the fiber holder 3 is not flat but spherically curved. The curvature is inclined in the direction of the mirror 1. Several such fiber holders 3 form a circular ring. If several such fiber holders 3 are mounted one above the other, with the radii becoming larger towards the outside and with circular edges of the fiber holder 3 to the mirror 1, the result is an arrangement of a regularly hollowed-out hemisphere. The mirror 1 is placed at the intersection point of the optical axes of the waveguides 4. The optical elements 2 are in the form of waveguide gradient index lenses at the ends of the waveguides 4 themselves.

Der Spiegel 1 ist als Drehplatte ausgebildet und mit mindestens drei mäanderförmig ausgebildeten Federn in einem Rahmen befestigt Damit ist das Schwenken um zwei in einer Ebene liegende Achsen gegeben.The mirror 1 is designed as a rotating plate and is attached to a frame with at least three meander-shaped springs. This allows it to pivot around two axes lying in one plane.

Natürlich können mehrere dieser Schalter in einer Matrix angeordnet werden, wobei die Anzahl der Verteiler gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel wesentlich erhöht wird.Of course, several of these switches can be arranged in a matrix, whereby the number of distributors is significantly increased compared to the second embodiment.

Ein viertes Ausführungsbeispiel besteht aus einer Anordnung einer ebenen Faserhalterung 3 und einem optischen Element 2 entsprechend des ersten Ausführungsbeispiels und eines Spiegels 1, wie er im dritten Ausführungsbeispiel zum Einsatz kommt. Damit ist es möglich, eine Überstreichung von nicht ausgewählten und benachbarten Wellenleitern 4 zu vermeiden. Der reflektierte Lichtstrahl wird dabei mäanderförmig über oder unter den nichtausgewählten benachbarten Wellenleitern 4 geführt.A fourth embodiment consists of an arrangement of a flat fiber holder 3 and an optical element 2 corresponding to the first embodiment and a mirror 1 as used in the third embodiment. This makes it possible to avoid sweeping over non-selected and neighboring waveguides 4. The reflected light beam is guided in a meandering manner over or under the non-selected neighboring waveguides 4.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch unterschiedliche Möglichkeiten des Antriebes für den Spiegel 1. Der Spiegel 1 ist dabei zum einen selbst Bestandteil des Antriebes und zum anderen erfolgt ein Antrieb durch einen separaten Mechanismus. Im ersten Fall ist ein Betrieb als elektrostatischer Aktuator entsprechend der Ausführungsbeispiele eins bis vier oder als magnetisch betätigter Aktuator gegeben. Im zweiten Fall erfolgt die Positionierung durch eine direkte Ankopplung von translatorischen Antrieben in Form von piezoelektrischen, magnetischen oder elektrostatischen Verstellantrieben.Further embodiments result from different options for driving the mirror 1. The mirror 1 is itself a component of the drive and is also driven by a separate mechanism. In the first case, operation is provided as an electrostatic actuator according to the embodiments one to four or as a magnetically operated actuator. In the second case, positioning is carried out by directly coupling translatory drives in the form of piezoelectric, magnetic or electrostatic adjustment drives.

Die Anzahl der Antriebe richtet sich nach der Anzahl der zu realisierenden Drehachsen. Durch eine Überlagerung der Antriebsrichtungen ist eine Minimierung der Anzahl der Antriebe möglich. Weiterhin richtet sich die Anzahl nach den Bewegungsrichtungen in die diese Antriebe wirken.The number of drives depends on the number of rotary axes to be implemented. By superimposing the drive directions, it is possible to minimize the number of drives. The number also depends on the directions of movement in which these drives act.

Für den Spiegel 1, der mit zwei Torsionsbändern in einem Rahmen befestigt ist, wird damit nur ein in zwei Richtungen wirkender Antrieb benötigt.For mirror 1, which is attached to a frame with two torsion bands, only one drive acting in two directions is required.

Claims (9)

SchutzanSprücheProtection claims 1. Optischer Schalter, gekennzeichnet dadurch, daß sich im Strahlengang zwischen den Enden von Wellenleitern (4) und einem vorzugsweise in mikromechanischer Ausführung und mindestens „ in einer Achse drehbaren und als Platte ausgebildeten Spiegels (1) mindestens ein optisches Element (2) befindet, daß die Wellenleiter (4) in parallelen oder nichtparallelen Grabenführungen mindestens einer ebenen und/oder mindestens einer sphärisch gewölbten Faserhaiterung (3), so angeordnet sind, daß sich die Achsen der Wellenleiter (4) in der Hauptebene des optischen Elements (2) schneiden und daß der Spiegel (1) selbst Bestandteil eines Antriebes oder mit einem Antrieb verbunden ist.1. Optical switch, characterized in that at least one optical element (2) is located in the beam path between the ends of waveguides (4) and a mirror (1) that is preferably of micromechanical design and can be rotated at least in one axis and is designed as a plate, that the waveguides (4) are arranged in parallel or non-parallel groove guides of at least one flat and/or at least one spherically curved fiber holder (3) in such a way that the axes of the waveguides (4) intersect in the main plane of the optical element (2) and that the mirror (1) itself is part of a drive or is connected to a drive. 2. Optischer Schalter insbesondere nach Schutzanspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß zum einen mehrere vorzugsweise sphärisch gewölbte Faserhalterungen (3) als Kugeloberflächensegmente so angeordnet sind, daß eine geschlossene Kreisringfläche mit geneigter Oberfläche vorhanden ist, und zum anderen mehrere Kugeloberflächensegmente mit steigenden Radien übereinander befestigt sind, so daß sich die Achsen der Wellenleiter (4) mit den integrierten optischen Elementen (2) im Mittelpunkt des Spiegels (1) schneiden, der über mindestens drei Federn in einem ihm umgebenden Rahmen aufgehängt ist.2. Optical switch in particular according to claim 1, characterized in that, on the one hand, several preferably spherically curved fiber holders (3) are arranged as spherical surface segments so that a closed circular ring surface with an inclined surface is present, and, on the other hand, several spherical surface segments with increasing radii are attached one above the other so that the axes of the waveguides (4) intersect with the integrated optical elements (2) in the center of the mirror (1), which is suspended in a frame surrounding it via at least three springs. 3. Optischer Schalter nach den Schutzansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der oder die Spiegel (1) mit Torsionsbalken oder mäanderförmig ausgebildeten Federn in einem Rahmen aufgehängt sind.3. Optical switch according to claims 1 or 2, characterized in that the mirror or mirrors (1) are suspended in a frame using torsion bars or meander-shaped springs. •W W W Wi W »· W -WW VW » W V •WW W Wi W »· W -WW VW » WV 4. Optischer Schalter nach den Schutzansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die die Enden der Wellenleiter (4) verbindende Linie in horizontaler, vertikaler oder horizontaler und vertikaler Richtung zum Spiegel (1) geradlinig oder bogenförmig verläuft.4. Optical switch according to claims 1 or 2, characterized in that the line connecting the ends of the waveguides (4) runs in a straight line or arc in the horizontal, vertical or horizontal and vertical direction to the mirror (1). 5. Optischer Schalter nach den Schutzansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere optische Schalter matrixförmig angeordnet sind und daß dabei jeweils mindestens eine optische Verbindung (7) zwischen den einzelnen optischen Schaltern besteht. 5. Optical switch according to claims 1 or 2, characterized in that several optical switches are arranged in a matrix and that there is at least one optical connection (7) between the individual optical switches. 6. Optischer Schalter nach den Schutzansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß optische Elemente (2) jeweils an den Enden der Wellenleiter (4) angeordnet sind.6. Optical switch according to claims 1 or 2, characterized in that optical elements (2) are arranged at the ends of the waveguides (4). 7. Optischer Schalter nach Schutzanspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß an den Enden der Wellenleiter (4) Gradientenindexlinsen angeordnet sind.7. Optical switch according to claim 6, characterized in that gradient index lenses are arranged at the ends of the waveguides (4). 8. Optischer Schalter nach den Schutzansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Spiegel (1) als elektrostatischer oder magnetisch betätigter Aktuator ausgebildet ist.8. Optical switch according to claims 1 or 2, characterized in that the mirror (1) is designed as an electrostatic or magnetically actuated actuator. 9. Optischer Schalter nach den Schutzansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Spiegel (1) vorzugsweise mit einem Antrieb fest verbunden ist.9. Optical switch according to claims 1 or 2, characterized in that the mirror (1) is preferably firmly connected to a drive.
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