DE3212576A1 - Optical switch - Google Patents
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Abstract
Description
Optischer SchalterOptical switch
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Schalter bestehend aus einer feststehenden Halterung für mindestens eine Lichtleitfaser und einem gegenüber der feststehenden Halterung in seiner Lage veränderbaren Halter für eine andere Lichtleitfaser, wobei dieser Halter derart zur Halterung angeordnet ist, daß mindestens in einer Stellung des Halters die Enden der mit den beiden Teilen verbundenen Lichtleitfasern einander gegenüberliegen.The present invention relates to an optical switch consisting of from a fixed holder for at least one optical fiber and one opposite the fixed holder in its position changeable holder for another Optical fiber, this holder being arranged for holding that at least in one position of the holder, the ends of the optical fibers connected to the two parts facing each other.
Derartige optische Schalter werden üblicherweise als tristabile optische Schalter ausgebildet, bei denen ein Faserende zwischen zwei benachbarten, gegenüberliegenden Faserenden hin- und hergeschaltet wird. Dabei wird die Umschaltung zur Zeit auf unterschiedliche Weise durchgeführt. So ist beispielsweise eine kontinuierliche Ver- schiebung mit einem elektromechanischen Actuator bekannt.Such optical switches are commonly called tristable optical Switches formed in which a fiber end between two adjacent, opposite Fiber ends is switched back and forth. The switchover is currently on done different ways. For example, is a continuous Ver known shifting with an electromechanical actuator.
Weiterhin ist es bekannt, eine bistabile Umschaltung mit einer geeigneten Elektro-Megnetvorrichtung vorzunehmen.It is also known to use a bistable switch with a suitable one Make electrical megnet device.
Die erste Methode hat den Nachteil, daß zur Verschiebung ein aufwendiger Mechanismus benötigt wird, der unter Umständen auch einen relativ hohen Leistungsbedarf besitzt. Die zweite Methode ist insofern nachteilig, als sie eine relativ aufwendige mechanische Konstruktion erfordert.The first method has the disadvantage that a more complex move Mechanism is required, which may also have a relatively high power requirement owns. The second method is disadvantageous in that it is a relatively cumbersome one requires mechanical construction.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen optischen Schalter zu schaffen, der einfach und kostengünstig aufgebaut ist und mit kurzen Spannungsimpulsen angesteuert werden kann und außerdem geeignet ist, drei stabile Lagen vorzusehen.The invention is now based on the object of an optical switch to create that is simple and inexpensive and with short voltage pulses can be controlled and is also suitable to provide three stable layers.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Halter als Biegeelement ausgebildet ist und aus zwei aufeinander angeordneten, miteinander kraftschlüssig verbundenen, einseitig gemeinsam eingespannten keramischen Platten besteht, von denen mindestens eine aus ferroelektrischem Material besteht und die Oberflächen dieser Platte einen elektrisch leitenden Belag aufweisen. Dabei ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß das erfindungsgemäße Biegeelement nicht in der üblichen Betriebsart mit elektrisch gepolten Plattenelementen arbeitet, wobei eine Ausbiegung proportional zur angelegten Spannung erfolgt und um eine bestimmte Auslenkung aufrecht zu erhalten,es erforderlich ist, dem Element kontinuierlich Spannung zuzuführen. Der Vorteil der Erfindung liegt demgegenüber darin, daß praktisch eine Betätigung des Schalters leistungslos erfolgen kann, da die zur Polarisierung des ferroelektrischen Keramikelements erforderliche Spannung nur kurzzeitig,4. h. kurzer als eine Sekunde lang angelegt werden muß, so daß es sich hier um einen Spannungsimpuls handelt. Erfindungsgemäß werden die beim Polungsvorgang auftretenden hohen Längenänderungen zum Umschalten verwendet. Es kann demnach nach dem Umschalten die Spannung wieder entfernt werden, wobei das Biegeelement in der ausgelenkten Stellung verbleibt. Zum Depolarisieren wird eine Wechselspannung ebenfalls nur kurzzeitig angelegt, deren Amplitude bis über die Koerzitivfeldstärke ansteigt und die beim Abklingen eine elektrische Depolarisierung bewerkstelligt.According to the invention this is achieved in that the holder is used as a bending element is formed and of two superposed, non-positive with each other connected, one-sided jointly clamped ceramic plates consists of at least one of which consists of ferroelectric material and the surfaces this plate have an electrically conductive coating. This is an essential one Feature of the invention that the bending element according to the invention is not in the usual Operating mode works with electrically polarized plate elements, with a deflection occurs proportionally to the applied voltage and upright by a certain deflection to obtain, it is necessary to continuously supply voltage to the element. The advantage of the invention is on the other hand, that practical an actuation of the switch can take place without power, since the polarization of the ferroelectric ceramic element required voltage only briefly, 4. H. must be applied for less than a second, so that this is a voltage pulse acts. According to the invention, the large changes in length occurring during the polarization process used to switch. It can therefore restore the voltage after switching be removed, the flexure remains in the deflected position. For depolarization, an alternating voltage is also only applied briefly, the amplitude of which rises above the coercive field strength and that when it fades away accomplished electrical depolarization.
Indem eine Platte des erfindungsgemäßen Biegeelementes aus ferroelektrischem Keramikmaterial und die andere Platte aus einem anderen geeigneten Material besteht, wird ein bistabiler optischer Schalter geschaffen. Werden beide Platten aus ferroelektrischem Keramikmaterial hergestellt, entsteht ein tristabiler optischer Schalter.By making a plate of the bending element according to the invention made of ferroelectric Ceramic material and the other plate is made of another suitable material, a bistable optical switch is created. Both plates are made of ferroelectric Made of ceramic material, a tristable optical switch is created.
Da die Spontanlängenänderung beim Polen der erfindungsgemäß aus ferroelektrischem Keramikmaterial bestehenden Platten verglichen mit den Längenänderungen,die an bereits gepolten Platten durch Spannungsbeaufschlagung meßbar sind, um einen Faktor 2 - 5 größer ist, ergibt sich auch eine vergleichsweise große Durchbiegung des erfindungsgemäßen Biegeelements.Since the spontaneous change in length during the poling of the ferroelectric Ceramic material compared with the changes in length that were already made to existing plates polarized plates can be measured by applying voltage by a factor of 2 - 5 is larger, there is also a comparatively large deflection of the invention Bending element.
In den Unteransprüchen 3 bis 10 sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.In the dependent claims 3 to 10 are advantageous embodiments of the invention described.
Anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.Based on the embodiment shown in the accompanying drawings the invention is explained in more detail.
Es zeigen Fig. 1 Eine Ansicht eines erfindungsgemäßen tristabilen optischen Schalters, Fig. 2 - 4 Prinzipansichten des erfindungsgemäßen Biegeelementes des Schalter gemäß Fig. 1 in den drei unterschiedlichen Lagen mit den zur Erzeugung erforderlichen elektrischen Spannungsverläufen, Fig. 5 die Darstellung der Feldstärkeverteilung bei einem erfindungsgemäßen ferroelektromagnetischen Keramikelement.1 shows a view of a tristable according to the invention optical switch, FIGS. 2-4 basic views of the bending element according to the invention of the switch according to FIG. 1 in the three different positions with the generation required electrical voltage curves, Fig. 5 shows the field strength distribution in a ferro-electromagnetic ceramic element according to the invention.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen tristabilen optischen Schalters für Glasfasern, insbesondere für Lichtwellenleiter gezeigt. Dieser besteht aus einem Biegeelement 1, auf dem eine Lichtleitfaser 2 in einem Halteblock 3 befestigt ist. Der Halteblock 3 weist eine Nut 4 auf, in der die Lichtleitfaser klemmend oder durch kleben festgelegt ist. Der Halteblock 3 ist beispielsweise auf dem Biegeelement am freien Ende aufgeklebt. Mit dem gegenüberliegenden Ende ist das Biegeelement in einem Wandabschnitt eines Gehäuses 5 eingespannt. Dem Halteblock 3 gegenüberliegend ist im Gehäuse 5 eine feste Halterung 7 für zwei nebeneinander liegende Lichtleitfasern 8, g angeordnet. In der gezeigten Stellung befindet sich der erfindungsgemäße Schalter in der "Null"-Stellung, d. h. es ist keine Verbindung zwischen der Lichtleitfaser 2 und einer der beiden anderen Fasern 8, 9 hergestellt. Durch Verbiegung des Biegeelements 1 in eine der jeweils gestrichelt eingezeichneten Stellungen kann nun die Verbindung zwischen den Fasern 2 und 8 bzw. 2 und 9 hergestellt werden, wobei diese Stellungen des Biegeelementes jeweils stabile Lagen sind. Durch die seitlichen Anschläge 10, die justierbar sind, kann die maximale Auslenkung des Biegeelementes genau eingestellt werden. Die Anschläge 10 sind hierzu in dem Gehäuse 5 verstellbar und arretierbar befestigt.In Fig. 1 is an embodiment of a tristable according to the invention optical switch for glass fibers, in particular for optical waveguides shown. This consists of a bending element 1 on which an optical fiber 2 in one Holding block 3 is attached. The holding block 3 has a groove 4 in which the optical fiber is clamped or fixed by gluing. The holding block 3 is, for example, on glued to the bending element at the free end. With the opposite end is the bending element is clamped in a wall section of a housing 5. The holding block 3 opposite is im Housing 5 a fixed bracket 7 for two adjacent optical fibers 8, g arranged. In the position shown the switch according to the invention is in the "zero" position, i. H. it is no connection between the optical fiber 2 and one of the other two fibers 8, 9 made. By bending the bending element 1 in one of the dashed lines The positions shown in the drawing can now establish the connection between fibers 2 and 8 or 2 and 9 are produced, these positions of the bending element each being stable Layers are. The side stops 10, which are adjustable, allow the maximum Deflection of the bending element can be set precisely. The attacks 10 are for this purpose fastened in the housing 5 adjustable and lockable.
Erfindungsgemäß besteht das Biegeelement 1 aus zwei nebeneinander angeordneten Platten 12, 13 9 wie dies in den Fig. 2 bis 4 näher zu erkennen ist. Diese Platten 12, 13 sind miteinander kraftschlüssig verbunden. Die Aussenflächen der Platten 12, 13 weisen einen elektrisch leitenden Belag 14, 15 auf, und zwischen den Platten 12, 13 ist ebenfalls ein elektrisch leitender Belag 16 angeordnet. Die Platte 13 ist gegenüber der Platte 12 am Einspannende zurückversetzt, so daß dort der mittlere Belag 16 zur Kontaktierung frei liegt, wodurch eine einfache Anschlußmöglichkeit geschaffen wird. An die elektrisch leitenden Beläge 14, 15, 16 sind Spannungsquellen über Anschlüsse 14a, 15a, 16a anschließbar. Die mit den nicht dargestellten Spannungsquellen erzeugten Spannungsverläufe sind jeweils seitlich neben den Biegeelementen dargestellt. Diese einzelnen Spannungsverläufe verursachen die jeweils zugeordnete Lage des Biegeelementes.According to the invention, the bending element 1 consists of two side by side arranged plates 12, 13 9 as can be seen in more detail in FIGS. These plates 12, 13 are non-positively connected to one another. The outside areas of the plates 12, 13 have an electrically conductive covering 14, 15, and between an electrically conductive covering 16 is also arranged on the plates 12, 13. the Plate 13 is set back from the plate 12 at the clamping end, so that there the middle covering 16 is exposed for contacting, whereby a simple connection option is created. Voltage sources are applied to the electrically conductive coverings 14, 15, 16 Can be connected via connections 14a, 15a, 16a. The one with the voltage sources not shown The generated stress curves are on the side next to the bending elements shown. These individual stress curves cause the respective assigned position of the bending element.
Die Platten 12, 13 des Biegeelementes 1 bestehen aus ferroelektrischem Keramikmaterial. Hierbei handelt es sich insbesondere um Bariumtitanat, wobei Titan durch Zinn in einem Anteilsbereich von größer 0-5 %, vorzugsweise von 4 % ersetzt wird. Hierbei beträgt die Koerzitivfeldstärke bei einem vierprozentigen Zinnanteil 1 bis 2 KV/cm. Auch kann Bleilanthanzirkonattitanat verwendet werden, wobei vorzugsweise Blei mit 6 % durch Lanthan ersetzt ist und 35 % des Zirkon durch Titan ersetzt ist.The plates 12, 13 of the bending element 1 are made of ferroelectric Ceramic material. This is especially barium titanate, with titanium replaced by tin in a proportion of greater than 0-5%, preferably 4% will. The coercive field strength is here with a four percent tin content 1 to 2 KV / cm. Lead lanthanum zirconate titanate can also be used, preferably 6% lead has been replaced by lanthanum and 35% of the zirconium has been replaced by titanium.
Hierbei beträgt die Koerzitivfeldstärke 7 KV/cm. Die Dicke der Platten 12, 13 beträgt ca. 200 - 300 #um und die leitenden elektrischen Beläge 14, 15, 16 sind vorzugsweise aufgedampft.The coercive field strength is 7 KV / cm. The thickness of the panels 12, 13 is approx. 200 - 300 #um and the conductive electrical coverings 14, 15, 16 are preferably vapor-deposited.
Der neutrale Zustand, die sogenannte "Null"-Stellung ist in Fig. 2 dargestellt. In dieser Lage sind die Platten 12, 13 gleichmäßig depolarisiert und somit gleichlang, so daß sich eine gradlinige Ausrichtung der beiden Platten, wie in Fig. 2 dargestellt, ergibt. Nach Anlegen eines Spannungsimpulses 18, wie in Fig. 3 dargestellt ist, verbiegt sich das Biegeelement 1 in die in Fig. 3 dargestellte Lage. Hierbei ist die Höhe des Spannungsimpulses derart gewählt, daß die von ihm erzeugte Feldstärke größer ist als die Koerzitivfeldstärke, wozu auf Fig. 5 verwiesen wird. Die Spannungsimpulse sollen zumindest deutlich größer als die Koerzitivfeldstärke sein, müssen also nicht unbedingt genau gleiche Amplituden haben. Die Polarität der Spannungsimpulse ist unerheblich, da beim Polungsvorgang immer eine Deformation gleicher Richtung zu beobachten ist. Die Verbiegung des Biegeelemtenes 1 er folgt deshalb, da die obere Platte 12 durch die Anlegung des Spannungsimpulses 18 bzw. das Keramikmaterial der Platte polarisiert wird und dabei eine Längenänderung an der jeweiligen Platte erfolgt, die auch nach Abschalten der Spannung vorhanden bleibt.The neutral state, the so-called "zero" position, is shown in FIG. 2 shown. In this position, the plates 12, 13 are evenly depolarized and thus the same length, so that a straight alignment of the two plates, such as shown in Fig. 2, results. After applying a voltage pulse 18, as shown in Fig. 3, the bending element 1 bends into that shown in FIG Location. Here, the height of the voltage pulse is chosen so that that of it The field strength generated is greater than the coercive field strength, for which reference is made to FIG. 5 will. The voltage pulses should at least be significantly greater than the coercive field strength do not necessarily have to have exactly the same amplitudes. The polarity the voltage impulses are insignificant, as there is always a deformation during the polarization process can be observed in the same direction. The bending of the bending element 1 he follows because the upper plate 12 is caused by the application of the voltage pulse 18 or the ceramic material of the plate is polarized and thereby a change in length of the respective plate, which remains present even after the voltage has been switched off.
Hierbei kann wiederum auf Fig. 5 verwiesen werden, wobei die Feldstärke über die Längenänderung in bezug auf die erfindungsgemäßen Plattenelemente aufgetragen ist.Here again reference can be made to FIG. 5, with the field strength Plotted over the change in length in relation to the plate elements according to the invention is.
Hierbei ist die beim Abschalten des Spannungsimpulses 18 verbleibende Längenänderung mit g 1 gekennzeichnet.Here is the remaining 18 when the voltage pulse is switched off Change in length marked with g 1.
Die Koerzitivfeldstärke Ec ist ebenfalls eingetragen.The coercive field strength Ec is also entered.
Ein Umschalten in die in Fig. 4 dargestellte entgegengesetzte Biegelage des Biegeelementes 1 ist möglich, indem zunächst wieder die sogenannte "Null"-Stellung in Fig. 2 eingenommen wird. Dies geschieht durch eine anschwellende und abklingende Wechselspannung 1S, siehe Fig. 2, deren Amplitude derart gewählt ist, daß die höchste Spannungsamplitude eine Feldstärke erzeugt, die über der Koerzitivfeldstärke liegt, siehe Fig. 5. Durch die elektrische Depolarisierung wird die "Null-Stellung erreicht, und nun kann ein Spannungsimpuls zwischen dem Belag 15 und dem Belag 16 an den Anschlüssen 15a, 16a angelegt werden, wie er mit 20 in Fig. 4 eingezeichnet ist. Dieser Spannungsimpuls 20 führt zu einer Verbie gung des Biegeelementes, siehe Fig. 4, da sich beim Polen die untere Platte 13 verkürzt. Auch diese Lage ist stabil, da die Längenänderung der unteren Platte 13 auch nach Abschalten der Spannung weitgehend erhalten bleibt.Switching to the opposite bending position shown in FIG. 4 of the bending element 1 is possible by first returning to the so-called "zero" position in Fig. 2 is taken. It does this by swelling and decaying AC voltage 1S, see FIG. 2, the amplitude of which is chosen such that the highest Voltage amplitude generates a field strength that is above the coercive field strength, see Fig. 5. The "zero position" is reached by the electrical depolarization, and now a voltage pulse can be applied between the lining 15 and the lining 16 at the connections 15a, 16a are applied, as indicated by 20 in FIG. This voltage pulse 20 leads to a deformation of the bending element, see Fig. 4, since when the poles the lower plate 13 is shortened. This position is also stable because of the change in length the lower plate 13 is largely retained even after switching off the voltage.
Die vorstehende Funktionsweise setzt folgende Eigenschaften des Materials des erfindungsgemäßen Biegeelementes 1 voraus. So muß, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, die Koerzitivfeldstärke Ec des Elementes, d. h. des jeweiligen Plattenelementes 12, 13 , möglichst niedrig sein, um mit möglichst niedrigen Spannungsimpulsen arbeiten zu können.The above functionality implies the following properties of the material of the bending element 1 according to the invention ahead. So must, as can be seen from FIG is the coercive force Ec of the element, i.e. H. of the respective plate element 12, 13, be as low as possible in order to work with the lowest possible voltage pulses to be able to.
Dabei soll jedoch a lsp bei der jeweils erzeugten Polarisation möglichst groß sein. Der Unterschied zwischen j l max, das ist die maximale Längenänderung aufgrund der angelegten Spannung, und a lsp, das ist die verbleibende Längenänderung beim Abschalten des Spannungsimpulses, soll möglichst gering sein. Die elektrische Depolarisation soll durch eine kurze Wechselspannung abklingender Amplitude erreichbar sein.In this case, however, a lsp should be as possible for the polarization generated in each case be great. The difference between j l max, that is the maximum change in length due to the applied voltage, and a lsp, that is the remaining change in length when switching off the voltage pulse, should be as low as possible. The electric Depolarization should be achieved by a short alternating voltage with a decaying amplitude be.
Der erfindungsgemäße optische Schalter kann in Meßgeräten der optischen Nachrichtentechnik angewendet werden, z. B. zur Umschaltung von Quellen verschiedener Wellenlängen und zur Umschaltung auf Sender verschiedener spektraler Empfindlichkeit. Auch kann mittels des erfindungsgemäßen Schalters eine Verteilung auf mehrere Anschlußstellen erfolgen, z. B. die Verteilung auf drei Telefonanschlüsse, von denen jeweils nur einer benötigt wird. Auch ist die Verwendung des erfindungsgemäßen optischen Schalter in Verbindung mit Repeatern geeignet, wobei insbesondere an schwer zugängliche Repeater, z.B.The inventive optical switch can be used in measuring devices of the optical Telecommunications are applied, e.g. B. to switch sources from different sources Wavelengths and for switching to transmitters of different spectral sensitivity. The switch according to the invention can also be used to distribute to a number of connection points take place, e.g. B. the distribution on three telephone lines, each of which only one is needed. Also is the use of the optical switch according to the invention suitable in conjunction with repeaters, especially those that are difficult to access, e.g.
in Tiefseeverstärkern gedacht wird, wo eine Senderreserve eingebaut werden muß, die sich automatisch bei einem Ausfall der Sendequelle einschaltet. Hierbei kommt insbesondere der erfindungsgemäße Vorteil zum tragen, daß zur Betätigung des Schalters eine äußerst geringe Leistung erforderlich ist. Zusätzlich kann Block 3 und 4 in einer Wanne, gefüllt mit isolierender Flüssigkeit getaucht sein, vorzugsweise so, daß der Brechungsindex in der Flüssigkeit dem Brechungsindex der verwendeten optischen Fasern entspricht.Dadurch können Reflexionsverluste minimiert werden. Zusätzlich wird der Ausschaltvorgang gedämpft.is thought of in deep-sea amplifiers, where a transmitter reserve is built in which switches on automatically in the event of a failure of the transmission source. In this case, the advantage according to the invention comes into play that the actuation extremely low power is required of the switch. In addition, Block 3 and 4 be immersed in a tub filled with insulating liquid, preferably so that the refractive index in the liquid matches the refractive index of the one used optical fibers, which means that reflection losses can be minimized. In addition, the switch-off process is dampened.
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