DE3533286C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine lichtleitende Schaltkreisein­ heit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer nach der DE-OS 32 01 128 bekannten Schaltkreis­ einheit bestehen sowohl die Lichtumlenkeinrichtung als auch die optische Schalteinrichtung sowie eine Einrichtung zum Erzeugen von akustischen Oberflächen des Substrats aus piezoelektrischem Material. Dieses Material ist verhältnis­ mäßig teuer.

Nach der DE-OS 24 34 443 ist es bekannt, Lichtwellen aus einem ersten Wellenleiter in einen zweiten Wellenleiter zu koppeln, wobei beide Wellenleiter in integrierter Tech­ nik auf einem Substrat aufgebaut sind. Mindestens einer der Wellenleiter besteht aus einem teuren elektrooptischen Kristall.

Nach der US-PS 42 91 939 ist ein optischer Wellenleiter­ schalter auf einem teuren elektrooptischen Substrat bekannt. Durch elektrische Felder quer zu zwei Wellenleitern wird das in den einen Wellenleiter geleitete Licht wahlweise in den anderen Wellenleiter gelenkt.

Nach der DE-OS 24 43 512 ist ein hybrider Wellenleiterkopp­ ler bekannt, bei dem auf einem Substrat zwischen zwei auf dem Substrat aufgebrachten Streifenwellenleitern Lichtum­ lenkeinrichtungen in Form von Prismen angeordnet sind, die ebenfalls auf dem Substrat aufgebracht sind und die von einem aus einem Wellenleiter austretenden und sich zwischen den Wellenleitern und den Prismen frei ausbreitenden Licht­ strahl durchsetzt werden. Zwischen den Prismen ist eine Modulationseinrichtung in Form eines elektrooptischen Kristalls angeordnet, mit welcher der Lichtstrahl modu­ lierbar ist.

Nach der US-PS 43 03 303 ist ein mechanischer Schalter für Licht bekannt, das durch eine optische Faser übertra­ gen wird. Lichtumlenkeinrichtungen aus Prismen sind auf einem Substrat aufgebracht. Eine optische Schalteinrich­ tung aus einem Prisma ist auf einem verschiebbaren Block befestigt. Der Block ist quer zu einem Lichtstrahl gesteu­ ert verschiebbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszubilden, daß die Lichtumlenkeinrichtung und die optische Schalteinrichtung in einem relativ billigen Substrat zu einer Einheit mitein­ ander zu verbinden sind.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Schaltkreiseinheit kann ohne erheblichen Aufwand sehr komplex in Massenproduktion mit verhältnismäßig geringen Kosten hergestellt werden. Eine Lichtleckage tritt bei geeigneter Ausbildung des Schlitzes praktisch nicht auf.

Um die Schaltkreiseinheit in einfacher Weise steuern zu können, ist sie bevorzugt nach Anspruch 2 ausgebildet.

Um eine Interferenz zwischen lichtleitenden Pfaden zu unterbinden, ist bevorzugt eine Ausbildung nach Anspruch 3 vorgesehen.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Aufsicht auf eine erste Aus­ führungsform der lichtleitenden Schaltkreiseinheit.

Fig. 2A zeigt einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 in einer ersten Stellung der optischen Schalteinrichtung.

Fig. 2B zeigt einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 in einer zweiten Stellung der optischen Schalteinrichtung.

Fig. 3 zeigt perspektivisch ein Prismenelement. (Der Pfeil X kennzeichnet die Blickrichtung auf die Fig. 2A und 2B.)

Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungs­ form der lichtleitenden Schaltkreiseinheit.

Fig. 1 zeigt eine lichtleitende Schaltkreiseinheit 100 mit einem lichtleitenden Substrat 1 in Form einer flachen quadratischen Scheibe gleichmäßiger Dicke. Eine in Fig. 1 rechte Seitenfläche 1 a des Substrats 1 dient dem Eintritt von Lichtstrahlen. Eine in Fig. 1 rechte Seitenfläche 1 b des Substrats 1 dient dem Austritt von Lichtstrahlen. Statt­ dessen kann auch eine in Fig. 1 obere Seitenfläche 1 c oder untere Seitenfläche 1 d des Substrats 1 dem Lichteintritt und eine der verbleibenden drei Seitenflächen dem Lichtaus­ tritt dienen.

Das lichtleitende Substrat 1 besteht aus einem Acrylharz oder einem Polycarbonat.

Gegenüber der Seitenfläche 1 a sind drei Leuchtdioden 2 a, 2 b, 2 c angeordnet. Die von diesen Leuchtdioden 2 a bis 2 c emittierten Lichtstrahlen werden durch nicht dargestellte Kollimatorlinsen in parallele Strahlen umgewandelt, die rechtwinklig auf die Seitenfläche 1 a auftreffen.

Gegenüber der Seitenfläche 1 b sind sieben Fotodioden 3 a bis 3 g angeordnet.

Zwischen den Leuchtdioden 2 a bis 2 c und den Fotoelementen 3 a bis 3 g verlaufen in dem Substrat 1 lichtleitende Pfade 4 a bis 4 h.

Zwischen den Leuchtdioden 2 a bis 2 c und der Seitenfläche 1 a und zwischen der Seitenfläche 1 b und den Fotodioden 3 a bis 3 g können lichtleitende Fasern vorgesehen sein.

In dem Substrat 1 befinden sich Schlitze 5 a bis 5g vorbe­ stimmter Breite 1 und optische Schaltelemente 6 a bis 6 e. Die Schlitze 5 a bis 5 g sind als Luftspalte ausgebildet und verlaufen jeweils unter einem Winkel von 45° in bezug zu den lichtleitenden Pfaden 4 a bis 4 h, so daß sie Licht­ strahlen auf den lichtleitenden Pfaden 4 a bis 4 h um 90° umlenken. Die jeweilige Umlenkung ist eine Totalreflektion, da der Brechungsindex des Substrats 1 ausreichend größer ist als der Brechungsindex von Luft. Die Winkel der Schlitze 5 a bis 5 g in bezug zu den lichtleitenden Pfaden 4 a bis 4 h können auch von 45° abweichen, sofern sie nur eine To­ talreflektion bewirken. Die Schlitze 5 a bis 5 b können mit einem spiegelnden Belag, insbesondere einem Silberfilm, versehen sein, um ihr Reflektionsvermögen zu vergrößern.

Entsprechend den Fig. 2A und 2B weist nach dem Beispiel des optischen Schaltelements 6 d jedes optische Schaltelement 6 a bis 6 e ein gestuftes Prismenelement 8 auf, das in ein rechtwinklig durch das Substrat 1 hindurchgehendes Loch 7 eingesetzt ist.

Das Prismenelement 8 ist oben und unten mit je einem Flansch 9 bzw. 10 versehen. Zwischen dem oberen Flansch 9 und der Oberseite des lichtleitenden Substrats 1 ist eine Schraubendruckfeder 11 angeordnet, die das Prismenelement 8 in Fig. 2A nach aufwärts drückt. Auf dem Flansch 9 sitzt ein abwärts betätigbarer Drücker 12 mit einem aufwärts ragenden Vorsprung 12 a.

Fig. 3 zeigt, daß das Prismenelement 8 die Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds hat, in das eine Stufe zur Bildung eines oberen Abschnitts 8 a mit einer rechtwink­ lig dreieckigen Prismenform und eines unteren Abschnitts 8 b mit einer viereckigen Prismenform geschnitten ist.

Wenn ein Lichtstrahl von der Leuchtdiode 2 c normal auf die in Fig. 3 rückwärtige Seitenfläche des rechtwinklig drei­ eckigen oberen Abschnitts 8 a trifft, wird er von der Basis­ fläche 8 c dieses Abschnitts 8 a um 90° umgelenkt und tritt aus der Seitenfläche 8 e des Abschnitts 8 a in normaler Rich­ tung A, d. h. in Richtung zum Schlitz 5 g in Fig. 1 aus. Wenn der Lichtstrahl normal auf die entsprechende Seiten­ fläche des unteren Abschnitts 8 b trifft, tritt er unab­ gelenkt aus der gegenüberliegenden Seitenfläche 8 d in nor­ maler Richtung B, d.h. in Richtung zum Schlitz 5 c in Fig. 1 aus. Der obere Abschnitt 8 a bewirkt also eine Umlenkung des Lichtstrahls und der untere Abschnitt 8 b einen gerad­ linigen Durchlaß des Lichtstrahls.

Ist also das optische Schaltelement 6 d in der in Fig. 2A gezeigten Position, verläuft der Lichtstrahl von der Leucht­ diode 2 c aus gerade durch das optische Schaltelement 6 d. Ist der obere Abschnitt 8 a nach unten gedrückt, wird der Lichtstrahl rechtwinklig umgelenkt. Demgemäß verläuft der Lichtstrahl wahlweise in Richtung B oder A der Fig. 3, d. h. wahlweise auf einem der lichtleitenden Pfade 4 h oder 4 d, die zu den zugeordneten Schlitzen 5 c oder 5 g führen. Die Funktion der optischen Schaltelemente 6 a bis 6 c und 6 e entspricht derjenigen des optischen Schaltelements 6 d. Nur bildet eine der Seitenfläche 8 e in Fig. 3 entsprechende Seitenfläche des optischen Schaltelements 6 e eine Lichtein­ trittsfläche.

Das Prismenelement 8 kann außer dem oberen Abschnitt 8 a und dem unteren Abschnitt 8 b noch einen dritten Abschnitt aufweisen, der den Lichtstrahl unterbricht. Ein derart modifiziertes optisches Schaltelement 6 b kann beispiels­ weise als Steuerschalter für einen Ventilator eines Fahr­ gastraums verwendet werden.

Bei der lichtleitenden Schaltkreiseinheit 100 verlaufen die lichtleitenden Pfade 4 a bis 4 h unsichtbar in Abhängigkeit von der Anordnung der optischen Schaltelemente 6 a bis 6 e und der Schlitze 5 a bis 5 g.

Nach Fig. 1 treffen die von den drei Leuchtdioden 2 a bis 2 c ausgehenden Lichtstrahlen auf die Seitenfläche 1 a, verlaufen dann auf den lichtleitenden Pfaden 4 a bis 4 h und können schließlich aus der Seitenfläche 1 b als sieben optische Signale S 1 bis S 7 repräsentierende Lichtstrahlen austreten und auf die Fotodioden 3 a bis 3 g treffen. Die optischen Signale S 1 bis S 7 haben dabei die Signalzustände "Ein" oder "Aus".

Der Lichtstrahl der Leuchtdiode 2 a kann z. B. die Schalt­ elemente 6 a und 6 b geradlinig zum Schaltelement 6 c durch­ setzen, so daß er von den Pfaden 4 c und 4 d abgehalten wird und dadurch das Signal S 6 im Zustand "Aus" gehalten wird. Wird das Schaltelement 6 c in seine Umlenkposition gebracht, nimmt das Signal S 1 den Zustand "Aus" und das Signal S 2 den Zustand "Ein" an. Hingegen nehmen die Signale S 1 und S 2 den Zustand "Ein" bzw. "Aus" ein, wenn das Schaltelement 6 c in seine Geradeausposition gesetzt wird. Die Zustände der Signale S 3, S 4 und jene der Signale S 5, S 7 hängen von der Position der Schaltelemente 6 e und 6 d ab.

Die lichtleitenden Pfade 4 a bis 4 h sind so angelegt, daß sie parallel oder rechtwinklig zueinander verlaufen. Bei­ spielsweise verläuft der Pfad 4 g parallel zum Pfad 4 h und der Pfad 4 e rechtwinklig zum Pfad 4 d. Lichtleitende Pfade, die einander benachbart sind oder einander queren, sind so ausgebildet, daß sie frei von optischer Inter­ ferenz sind. Zur besonderen Sicherung des langen Pfads 4 d′ vor Interferenz sind beidseitig des Pfads 4 d′ Schlitze 5 h, 5 i vorgesehen.

Das Substrat 1 kann mit den Löchern 7 und den Schlitzen 5 a bis 5 g einstückig in einer Form gegossen werden, was für eine Massenproduktion günstig ist.

Statt der Leuchtdioden 2 a, 2 b, 2 c können Lichtquellen ver­ wendet werden, die Lichtstrahlen verschiedener, voneinander getrennter Wellenlänge emittieren. In dem unteren Abschnitt 8 b des Prismenelements 8 kann dann eine reflektierende Platte eingelegt sein, die nur Lichtstrahlen einer vorbe­ stimmten Wellenlänge reflektiert. Die lichtleitende Schalt­ kreiseinheit 100 kann so als ein optisches Multiplex-Signal­ übertragungssystem für unterschiedliche Wellenlängen aus­ gebildet werden.

Die lichtleitende Schaltkreiseinheit 200 nach Fig. 4 weist ein dreidimensionales, in Seitenansicht kanalartig ausge­ bildetes Substrat 201 mit drei flachen Abschnitten 201 a, 201 b, 201 c unterschiedlicher Höhenlage auf. Die flachen Ab­ schnitte 201 a, 201 b, 201 c enthalten optische Schaltelemente 206 und nicht dargestellte Schlitze, wie jene der ersten Aus­ führungsform. Zwei obere Abschnitte 201 a und 201 c sind mit einem unteren Abschnitt 201 b durch vertikal verlaufende Abschnitte 201 d zum Leiten von Licht zwischen den Abschnit­ ten 201 a, 201 b, 201 c verbunden. Durch diese Struktur der Schaltkreiseinheit 200 erhält man eine erhöhte Flexibilität für die Auswahl und Anordnung der Betätigungseinrichtungen der Schaltelemente 206 entsprechend dem verfügbaren Raum.

In ihrer einfachsten Ausbildung weist die lichtleitende Schaltkreiseinheit neben lichtleitenden Pfaden

  • i) eine Anordnung mit einem einzigen optischen Schalt­ element und einem einzigen optischen Schaltelement für eine einzige Lichtquelle auf, oder
  • ii) eine Anordnung mit zwei optischen Schaltelementen auf, von denen jedes einer von zwei Lichtquellen zu­ geordnet ist.

Beispielsweise entspricht eine Anordnung nach i) einer An­ ordnung mit allein dem lichtemittierenden Element 2 a, dem Schaltelement 6 c und dem Schlitz 5 b, die zusammenwirken, um die optischen Signale S 1, S 2 den Lichtempfangselementen 3 a, 3 b zuzuführen. Eine Anordnung nach ii) entspricht einer Anordnung mit allein den Schaltelementen 6 c und 6 d, die den lichtemittierenden Elementen 2 a und 2 c zugeordnet sind, um die optischen Signale S 1, S 5 den Lichtempfangsele­ menten 3 a, 3 e zuzuführen; der Lichtstrahl aus dem licht­ emittierenden Element 2 c verläuft dabei geradlinig zum Lichtempfangselement 3 e, wenn das Schaltelement 6 d in die Geradeausposition gesetzt ist. Die Schlitze 5 c, 5 e sind hierbei überflüssig, so daß der Lichtstrahl des Signals S 5 und das Lichtempfangselement 3 e an die Stelle des Licht­ strahls des Signals S 3 bzw. des Lichtempfangselements 3 c zu setzen sind.

Claims (3)

1. Lichtleitende Schaltkreiseinheit (100; 200) mit einem Substrat (1; 201), das eine Lichteintrittsfläche (1 a), eine Lichtaustrittsfläche (1 b) und wenigstens einen von der Lichteintrittsfläche (1 a) bis zur Lichtaustrittsfläche (1 b) ganz im Inneren des Substrats (1; 201) verlaufenden und sich verzweigenden, lichtleitenden Pfad (4 a bis 4 h) auf­ weist, mit wenigstens einer Lichtumlenkeinrichtung (5 a bis 5 g), die in dem wenigstens einen lichtleitenden Pfad (4 a bis 4 h) angeordnet ist, und mit wenigstens einer an den Ver­ zweigungsstellen des lichtleitenden Pfades (4 a bis 4 h) an­ gebrachten, optischen Schalteinrichtung (6 a bis 6 e), dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtumlenkeinrichtung (5 a bis 5 g) als Schlitz in dem Substrat (1; 201) ausgebildet ist.
2. Schaltkreiseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die optische Schalteinrichtung (6 a bis 6 e) ein verschiebbares Prismenelement (8) aufweist, das wahlweise mit einem die Lichtrichtung nicht ändernden Abschnitt (8 b) und einem die Lichtrichtung umlenkenden Abschnitt (8 a) in dem lichtleitenden Pfad (4 a bis 4 h) positionier­ bar ist.
3. Schaltkreiseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen in dem Substrat (1) längsseits eines der lichtleitenden Pfade (4 d′) ausgebildeten Schlitz (5 h, 5 i).
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