DE3644802A1 - Elektrisch-steuerbarer glasfaser-schalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch-steuerbaren Glasfa­ ser-Schalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Elek­ trisch-steuerbare Glasfaser-Schalter werden in der Regel durch eine mechanische Bewegung zumindest einer der betei­ ligten Glasfasern realisiert. Dabei wird als Antrieb für diese Bewegung ein Elektromagnet eingesetzt. Die Nachteile eines elektromagnetischen Antriebs sind relativ hohe elek­ trische Betriebsleistung und lange Schaltzeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrisch­ steuerbaren Glasfaser-Schalter zu entwickeln, der minimale Betriebsleistung und kurze Schaltzeiten aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil von Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen und der Beschreibung, worin im folgenden einige Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung erörtert werden. Es zeigen

Fig. 1 das Prinzip der Wirkungsweise eines Glasfaserschal­ ters unter Verwendung eines piezoelektrischen Körpers

Fig. 2 das Prinzip der Wirkungsweise eines Glasfaser-Schal­ ters unter Verwendung eines Piezo-Bimorph-Streifens

Fig. 3 eine Detailzeichnung des losen Endes des Piezo- Bimorph-Streifens mit den Anschlägen

Fig. 4 das Blockschaltbild der erfindungsmäßigen Anordnung

Fig. 5 verschiedene Spannungsfunktionen und das dazugehö­ rige optische Signal zur Verdeutlichung einer beson­ ders vorteilhaften Spannungsfunktion.

Bei Körpern aus piezoelektrischen Materialen kann man durch Erzeugen einer entsprechenden elektrischen Material-Feld­ stärke, eine Formänderung (d.h. Längenänderung, Dickenände­ rung etc.) des Körpers erzielen. Bei der erfindungsmäßigen Einrichtung wird die Bewegung der zu schaltenden Glasfasern durch Ausnuzung dieses inversen piezoelektrischen Effektes erzielt.

Ein einfaches Ausführungsbeispiel wird in Fig. 1 erläutert. Die Glasfaser 1 kann durch den piezoelektrischen Körper 8 in der Höhe positioniert werden. Abhängig davon, welche Span­ nung an diesen Körper gelegt wird, kann die Glasfaser 1 wahlweise gegenüber Glasfaser 3 oder Glasfaser 4 positio­ niert werden. Damit wird wahlweise Lichttransmission zwi­ schen Glasfaser 1 und Glasfaser 3 oder Glasfaser 1 und Glasfaser 4 ermöglicht.

Ein anderes Ausführungsbeispiel resultiert aus dem Einsatz eines sog. Piezo-Bimorph-Streifen. Fig. 2 verdeutlicht die Funktionsweise an zwei einseitig fest-eingespannten Streifen 8 und 9. Im oberen Teil der Zeichnung sind die beiden Piezo- Bimorph-Streifen spannungslos dargestellt. Wird z.B. an den Streifen 8 eine Spannung angelegt, verbiegt sich dieser wie im unteren Teil der Zeichnung gezeigt. Das bewegliche Ende dieses Streifens vollzieht demzufolge eine Positionsände­ rung, die äquivalent zu Fig. 1 ausgenutzt werden kann. Der Vorteil von Piezo-Bimorph-Streifen gegenüber piezoelelektri­ schen Körpern besteht darin, daß für gleiche Auslenkungen (Positionsänderungen) kleinere elektrische Spannungen aus­ reichend sind.

Im Detail illustriert Fig. 3 eine entsprechende Anordnung. In diesem Beispiel sind an dem beweglichen Teil 8 zwei Glasfasern 1 und 2 befestigt; an dem starren Teil 9 sind zwei weitere Glasfasern 3 und 4 angebracht. Durch eine entsprechende Konstruktion der Anordnung wurde ein span­ nungsloser Zustand voreingestellt, bei dem eine Lichttrans­ mission in den Glasfasern 1 und 4 erfolgt. Die exakte Posi­ tion des beweglichen Teils 8 kann mit dem Anschlag 10 und der Einstellschraube 12 justiert werden. Wird an das beweg­ liche Teil 8 eine Spannung angelegt, schwingt das Ende gegen den zweiten Anschlag 11. Damit ist eine Lichttransmission in den Glasfaserpaaren 1 und 3 sowie 2 und 4 möglich. Die exakte Position des beweglichen Teils kann in diesem Fall mit dem Anschlag 11 und der zugehörigen Einstellschraube 13 eingestellt werden.

Um das Einschwingverhalten des beweglichen Teils deutlich zu verbessern, ist es erforderlich, die hohe Eigengüte dieses mechanischen Systems zu verringern, d.h. die Bewegungen des Teils zu bedämpfen. Theoretisch könnte man versuchen, das Teil in einer entsprechend viskosen Flüssigkeit zu bewegen; dies würde jedoch zu erheblichen Konstruktionsschwierigkei­ ten des gesamten Schalters führen. Deswegen wurde hier eine andere Lösung gefunden. Die Anschläge 10 und 11 werden zumindest zum Teil aus dauermagnetischem Material ausge­ führt. Denkbar wären z.B. auch beschichtete Magnete. Die Beschichtung könnte den Vorteil haben, die Haltbarkeit der Anschläge gegenüber mechanischer Abnutzung zu verbessern, oder z.B. Geräuschentwicklung zu verringern.

Am beweglichen Teil befinden sich die den magnetischen Kreis schließenden Metallplättchen 14 und 15. Schwingt das Teil 8 z.B. gegen Anschlag 11, dann wird infolge des sich schlies­ senden magnetischen Kreises, bestehend aus dem Metallplätt­ chen 15 und dem Anschlag 11, eine magnetische Kraft auf das bewegliche Teil 8 ausgeübt, die zu einem schnellen Abklingen der Bewegung an Anschlag 11 führt. Dadurch wird Prellen (Reflexionen) des beweglichen Teils an diesem Anschlag stark reduziert.

In Fig. 4 ist das Blockschaltbild eines solchen elektrisch­ steuerbaren Glasfaser-Schalters angegeben. Die Anzahl und Konfiguration der Glasfasern entspricht den Anforderungen sog. Bypass-Relais. Es sind beliebige andere Ausführungen mit einer anderen Anzahl von Glasfasern am festen und/oder bewegten Teil ableitbar.

Die Bewegung der Glasfasern wird durch einen Piezo-Bimorph­ Streifen 8 erreicht, der mit einer Spannungsfunktion 7 be­ trieben wird. Diese Spannungsfunktion wird mittels eines z.B. in das Schaltergehäuse integrierten, verlustarmen Span­ nungswandlers 8 erzeugt. Dieser setzt das typischerweise Niederspannungssignal 5, (z.B. 5 V) in eine geeignete Span­ nungsfunktion 7 um. Fig. 5 zeigt ein typisches Eingangs­ spannungssignal 5 verschiedene mögliche Piezo-Spannungsfunk­ tionen 7 und den Verlauf der optischen Transmission in einem der Glasfaserpaare 1 und 3 oder 2 und 4. In Beispiel a) ist die aus der sprungförmigen Eingangsspannung 5 gewonnene Piezo-Spannung ebenfalls sprungförmig. Die optische Trans­ mission erreicht sehr allmählich ihren optimalen Endwert. Durch Erhöhung der Piezo-Spannungsfunktion (Beispiel b)) läßt sich der Verlauf der optischen Transmission drastisch verbessern. Jedoch wird man nach einigen Tagen Betrieb fest­ stellen, daß sich die elektromechanischen Eigenschaften des Piezo-Bimorph-Streifens stark verändert haben, da dieser aufgrund der hohen Dauerbetriebsspannung ständig eine Kraft auf den Anschlag ausübt, und somit mit der Zeit "kriecht".

Um den Piezo-Bimorph-Streifen stationär in der Position am Anschlag zu halten, ist nur die niedrigere Spannung aus Beispiel a) erforderlich. In diesem Fall ruht der Streifen "nur angelehnt" an dem Anschlag. Die Eigenschaften des pie­ zoelektrischen Materials ändern sich nicht. Um einen optima­ len Verlauf der Transmission zu erzielen, ist es daher sinnvoll, im Schaltaugenblick eine höhere Piezo-Spannung vorzusehen, als nachdem der Streifen seine stationäre Posi­ tion erreicht hat. Beispiel c) erläutert diesen Fall. Eine Ansteuerung mit Verlauf c) hat außerdem den Vorteil, daß die Leistungsaufnahme des gesamten Relais weiter minimiert wird. An Prototypen gemäß Fig. 2 bis 5 wurden Betriebsleistungen von nur 15 mW (5 V/ 3 mA) bei Schaltzeiten von 3 ms gemes­ sen. Damit ermöglichen elektrisch-schaltbare Glasfaser- Schalter auf der Basis von piezoelektrischen Materialien problemlose Ansteuerung durch digitale integrierte Schaltun­ gen und bieten sich für den Einsatz in optischen Datennetzen an.

Claims (4)

1. Verfahren und Anordnung zum elektrisch steuerbaren Schalten des Lichtes einer Glasfaser in eine oder mehrere weitere Glasfasern, die auf einem festen und einem bewegli­ chen Teil angebracht sind, wobei das bewegliche Teil so bewegt werden kann, daß eine im wesentlichen dämpfungslose Lichtübertragung zwischen einer Glasfaser des beweglichen Teils und der Glasfaser des festen Teils erfolgen kann, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die Bewegung resultiert aus dem Ausnutzen des inversen piezoelektrischen Effektes infolge der Verwendung eines pie­ zoelektrischen Materials, das mit unterschiedlichen elektri­ schen Feldstärken betrieben wird,
• b) um die Endpositionen des bewegten Teils zu fixieren, sind einstellbare, im festen Teil verankerte, Anschläge vorgese­ hen,
• c) diese Anschläge bestehen zumindest teilweise aus dauerma­ gnetischem Material, das mit einem entsprechenden Gegenstück am beweglichen Teil einen magnetischen Kreis bildet und somit die Bewegung des beweglichen Teils beeinflußt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder eine Vielzahl von Glasfasern am festen und beweglichen Teil befestigt sind, so daß stets mindestens ein Paar Glasfasern aus je einer belie­ bigen Faser des festen und beweglichen Teils existiert, das Licht weiterleiten kann.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material mit einer Spannungsfunktion betrieben wird, die am Ende des Schaltvorgangs eine absolut kleinere Spannung aufweist, als während des Schaltvorgangs.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der Feldstär­ ken benötigten Spannungen durch Spannungswandlung mit einem verlustarmen Spannungswandler aus einer Niederspannung ge­ wonnen werden, so daß das gesamte Relais nur einen Nieder­ spannungs-Steuereingang besitzt.