DE4101043C3 - Optischer Schalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Schalter mit einer Überbrückungsposition, in der mindestens ein erster optischer Eingang mit einem ersten optischen Ausgang verbunden ist, und mit einer Durchschalte-Position, in der mindestens der erste optische Eingang mit einem zweiten optischen Ausgang und ein zweiter optischer Eingang mit dem ersten optischen Ausgang verbunden ist, wobei zwei gegeneinander bewegliche Teile verwendet werden oder wobei ein mit einer Grundplatte verbundenes feststehendes Teil und ein auf der Grundplatte in einer Öffnung des feststehenden Teils bewegliches Teil verwendet werden und wobei Führungsflächen, die das Entstehen einer Bewegung in unerwünschten Freiheitsgraden verhindern, Anschläge, die die Bewegung in bevorzugten Lagen beenden, und zur Fixierung der Lichtwellenleiter und eventuell weiterer optischer oder elektrooptischen Komponenten Nuten vorgesehen sind, die durch Ätzen hergestellt sind.

Ein optischer Schalter, der auf dem Prinzip beruht die Lichtwellenleiter zu bewegen, ist aus der US 46 99 457 bekannt. Die Arbeitsweise des Schalters ähnelt der eines elektromechanischen Relais. Die Lichtwellenleiter sind paarweise auf einer Platte befestigt. Von den beiden Platten ist eine fixiert, die andere beweglich. Im ausgeschalteten Zustand liegen die beiden Platten nicht in einer Ebene, so daß nur einer der Eingangslichtwellenleiter relativ zu einem Ausgangslichtwellenleiter justiert ist. Durch Anlegen eines Magnetfeldes (eingeschalteter Zustand) wird eine der beiden Platten bewegt, so daß beide Platten koplanar liegen und beide Lichtwellenleiterpaare zueinander justiert sind. Dieses Verfahren setzt voraus, daß die Haltevorrichtungen für die Lichtwellenleiter auf den Platten mit sehr hoher Präzision angefertigt werden können und daß die Platten reproduzierbar gegeneinander bewegt werden können.

Aus der DE 32 06 600 A1 ist ein optischer Schalter für einen Computerverbund oder dergleichen bekannt (siehe Fig. 27), dessen Lichtwellenleiter und optische Komponenten in in Silizium geätzten Nuten befestigt sind. Der optische Schalter, der ebenfalls zwei Paare von Lichtwellenleitern enthält, wird betätigt, indem Spiegel, die zwischen den Lichtwellenleitern angebracht sind, bewegt werden. Dadurch sind eine Überbrückungs-Position und eine Durchschalte- Position einnehmbar. Bei diesem Schalter ist es nachteilig, daß beim Verschieben der Spiegel Ungenauigkeiten auftreten können, da die Spiegel auf dem Boden einer Keilnut bewegt werden, deren Seitenwände zwar mit Kristallebenen zusammenfallen, die mit (111) Ebenen des Silizium Einkristalls korrespondieren, deren Boden aber nicht mit solchen Kristallebenen zusammenfällt. Bei der Herstellung einer solchen Keilnut wird der Boden im Gegensatz zu den Seitenwänden also keine hohe Genauigkeit an Ebenheit aufweisen. Es können also beim Umschalten Ungenauigkeiten auftreten.

Ein weiterer optischer Schalter ist aus der gattungsbildenden DE 30 12 450 A1 bekannt. Dieser Schalter weist eine Überbrückungs- und eine Durchschalteposition auf, sowie ein feststehendes auf einer Grundplatte befestigtes Teil und ein auf der Grundplatte in einer Öffnung des feststehenden Teils bewegliches Teil. Anschläge, Führungen und Nuten zur Fixierung von Lichtwellenleitern sind durch Ätzen hergestellt. Die Genauigkeit der Strukturen ist nicht sehr hoch, da sie durch die Genauigkeit der Herstellungstechnik beschränkt ist.

Aus der DE 37 28 053 A1 ist ein lösbarer Mehrfach- Spleißverbinder für Lichtwellenleiter bekannt. Die besonderen Vorteile, die durch eine reine Flächenführung in geätztem Silizium erhalten werden können, sind in obiger Druckschrift angegeben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen optischen Schalter anzugeben, der eine Überbrückungs-Position und eine Durchschalte-Position aufweist und ein sehr genau reproduzierbares Umschalten ermöglicht, wobei die hohe Genauigkeit durch ein einfaches Herstellungsverfahren erreicht wird.

Die Aufgabe wird durch Schalter mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des optischen Schalters sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

In optischen Kommunikationsnetzen mit Lichtwellenleitern sollen gestörte Teilnehmerstationen überbrückt werden. Hierzu müssen die über den Eingangslichtwellenleiter ankommenden Daten an dem gestörten Anschluß vorbeigeleitet und direkt in einen Ausgangslichtwellenleiter eingekoppelt werden. Der erfindungsgemäße optische Schalter weist den Vorteil auf, daß die optische Bypass-Schaltung (Überbrückungs-Schaltung) mit geringen Verlusten behaftet ist. Zudem zeichnet sich der optische Schalter durch einen kompakten Aufbau aus. Beim erfindungsgemäßen optischen Schalter wird die Technologie der dreidimensionalen Mikrostrukturierung von Silizium mittels anisotropem Ätzen eingesetzt, um Halterungen und Positioniereinrichtungen für Lichtwellenleiter und weitere optische oder elektrooptische Elemente mit hoher Präzision zu fertigen.

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der optischen Bypass- Schaltung,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung zur Realisierung der Bypass- Schaltung.

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen optischen Schalter mit Schwalbenschwanzführung und beweglichen Lichtwellenleitern,

Fig. 4 einen Schnitt durch einen optischen Schalter mit Schwalbenschwanzführung und beweglichen Lichtwellenleitern,

Fig. 5 eine Aufsicht auf einen optischen Schalter mit Schwalbenschwanzführung und beweglichen Lichtwellenleitern mit integriertem Laser und

Fig. 6 eine Aufsicht auf einen optischen Schalter mit Schwalbenschwanzführung, festen Lichtwellenleitern und Spiegeln.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Bypass-Schaltung. Im eingeschalteten Zustand (Durchschalte- Position) wird das über einen Eingangslichtwellenleiter D1 angekommende Licht zu einem Detektor D der Teilnehmerstation geleitet. Die Daten werden einer elektronischen Signalverarbeitung S zugeführt, verarbeitet und einem Laser L aufmoduliert. Vom Laser L wird Licht über einen zweiten Eingangslichtwellenleiter E2 über den optischen Schalter OS in einen Ausgangslichtwellenleiter A1 eingekoppelt. Im Falle einer Störung der Teilnehmerstation soll der Eingangslichtwellenleiter E1 direkt an den Ausgangslichtwellenleiter A1 unter Überbrückung von Detektor und Sender angekoppelt werden (Bypass- oder Überbrückungs- Position).

Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Realisierung der Bypass-Schaltung. Der Eingangslichtwellenleiter E1 und der mit dem Laser L verbundene Eingangslichtwellenleiter E2 liegen in Halterungen auf einem gemeinsamen Teil und sind somit in ihrer relativen Position fest miteinander verkoppelt. Ebenso liegt der mit dem Detektor D verbundene Ausgangslichtwellenleiter A2 und der Ausgangslichtwellenleiter A1 auf einem gemeinsamen Teil. Das Teil mit den Eingangslichtwellenleitern E1, E2 ist in einer Richtung senkrecht zur Lichtausbreitung beweglich, so daß wahlweise der Eingangslichtwellenleiter E1 mit dem Ausgangslichtwellenleiter A2 und dem Detektor und der Laser L über den Eingangslichtwellenleiter E2 mit dem Ausgangslichtwellenleiter A1 verbunden sind (eingeschalteter Zustand, Durchschalte-Position) oder der Eingangslichtwellenleiter E1 direkt mit dem Ausgangslichtwellenleiter A1 verbunden ist (Bypass-Position, Überbrückungs-Position).

Die Fig. 3 und 4 stellen eine mögliche Realisierung einer Bypass-Schaltung in Silizium-Mikromechanik dar. Ein Wafer aus einkristallinem Silizium wird von der Rückseite her durch anisotropes Ätzen vollkommen durchätzt, so daß eine Durchgangsöffnung mit Seitenwänden entsteht. Die Vorderseite wird derart strukturiert, daß auf einer Seite der Durchgangsöffnung eine Vertiefung zur Aufnahme der beweglichen Lichtwellenleiter E1, E2 entsteht. Diese Vertiefung V stellt in ihren Abmessungen keine besonderen Anforderungen an die Genauigkeit des Herstellverfahrens. Auf der gegenüberliegenden Seite der Durchgangsöffnung D werden Pyramiden oder V-förmige Gräben G1, G2 zur Halterung von Kugellinsen K1, K2 und Lichtwellenleitern A1 in den Siliziumträger geätzt. Mit Hilfe der anisotropen Ätztechnik können solche Strukturen mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich hergestellt werden. Es entsteht das Teil T2. Ebenfalls aus demselben einkristallinen Siliziumwafer wird ein bewegliches Teil T1, der Schlitten, geätzt, dessen Seitenwände eine inverse Neigung zu den Seitenwänden der Durchgangsöffnung D aufweisen und der somit mit einem durch den Ätzprozeß einstellbaren Spiel in die Durchgangsöffnung D eingepaßt werden kann. Zur Oberfläche des Teils T2 hin wird das Teil T1 durch die konische Form der Seitenwände gehalten. Die Rückseite des Teils T2 wird mit einer Grundplatte G aus einem zweiten Siliziumwafer abgedeckt, so daß das Teil T1 auch in dieser Richtung eine definierte Führung aufweist. Die Grundplatte G kann beispielsweise durch anodisches Bonden mittels einer gesputterten Glaszwischenschicht, durch Silizium Direktbonden oder durch Klebetechnik befestigt werden. Das bewegliche Teil T1 kann sich somit nur noch in einer Richtung bewegen, die in Fig. 3 als Bewegungsrichtung mit einem Pfeil gekennzeichnet ist. Die Vorderseite des Teils T1 wird durch anisotropes Ätzen mit V-Nuten zur Halterung der beiden Lichtwellenleiter sowie mit pyramidenförmigen Gräben zur Aufnahme von Kugellinsen K3, K4 strukturiert. Der Eingangslichtwellenleiter E1 und der mit dem Laser verbundene Lichtwellenleiter E2 werden auf dem Teil T2 in V- Nuten bis zum Rand der Vertiefung V geführt. In dieser Vertiefung V sind die Lichtwellenleiter lateral frei beweglich. Beide Lichtwellenleiter E1, E2 werden auf dem Teil T1 wieder in entsprechenden V-Nuten geführt und enden vor den pyramidenförmigen Vertiefungen für die Kugellinsen K3 und K4. Die geätzten Strukturen für die Lichtwellenleiter und Kugellinsen sind so ausgelegt, daß die Lichtwellenleiterendflächen in der Brennebene der jeweiligen Kugellinsen liegen. Das aus den Lichtwellenleitern austretende Licht wird somit durch die Linsen parallelisiert und breitet sich als Freiraumstrahlen bis zu den beiden auf dem Teil T2 liegenden Kugellinsen K1, K2 aus. Die Kugellinse K1 fokussiert das Licht auf eine mit ihrer aktiven Fläche senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehende Fotodiode D, die andere Kugellinse K2 auf den Kern des Ausgangslichtwellenleiters K1. Bei Verwendung einer Fotodiode D mit großer aktiver Fläche kann die fokussierende Kugellinse K1 vor dem Detektor entfallen. Das bewegliche Teil T1 kann zwischen zwei Anschlägen, die durch die geätzten Strukturen definiert sind, bewegt werden, so daß wahlweise der Eingangslichtwellenleiter E1 mit dem Fotodiode D und der Laser mit dem Ausgangslichtwellenleiter A1 oder der Eingangslichtwellenleiter E1 direkt mit dem Ausgangslichtwellenleiter A verbunden werden kann. Da die Position des beweglichen Teils T1 und damit der beweglichen Lichtwellenleiter durch die präzise geätzten Strukturen definiert ist, sind ein Monitor und eine Regelelektronik hier nicht notwendig.

Das Teil T1 wird aus demselben Siliziumwafer geätzt wie das Teil T2, damit beide Komponenten die gleiche Dicke aufweisen. Eine Höhenjustierung der Lichtwellenleiter auf dem Teil T1 und dem Teil T2 ist damit gewährleistet. Da das Teil T1 auf großen Flächen gleitet, kann zur Verminderung der Gleitreibung eine reibungsmindernde Dünnschicht aufgesputtert werden. Für den Antrieb des beweglichen Teils T1 kann eine Vielzahl von Möglichkeiten in Betracht gezogen werden. Der Antrieb kann zum Beispiel durch Verwendung eines Relais, rein elektromechanisch oder mit Hilfe einer Formgedächtnislegierung erfolgen. Der Stößel für ein Relais kann dabei auf einfache Weise durch Ankleben an den Schlitten befestigt werden. Der Schlitten kann aber auch eine geätzte Struktur zur Befestigung des Antriebselements tragen. In allen Fällen befindet sich der Gegenpunkt des Antriebs auf der Grundplatte G oder einer zusätzlichen Halterung, die die gesamte Anordnung trägt. Der Einsatz eines Relais stellt sicher, daß nur im eingeschalteten Zustand der Laser und die Fotodiode angekoppelt werden. Bei Stromausfall bewegt das Relais das Teil 1 zum entgegengesetzten Anschlag und der Eingangslichtwellenleiter E1 ist mit dem Ausgangslichtwellenleiter E2 verbunden. Bei Einsatz eines elektromagnetischen Antriebs besteht keine starre Verbindung zwischen dem Teil T1 und der Grundplatte G. Auf dem Teil T1 wird eine Masse aus magnetischem Material und auf der Grundplatte G ein kleiner Elektromagnet befestigt. Im eingeschalteten Zustand bewegt das Magnetfeld somit das Teil T1 zu einer der beiden Anschlagspositionen. Ein Formgedächtnismetallantrieb muß elektrisch beheizt werden, so daß die Legierung im eingeschalteten Zustand eine Austenitstruktur annimmt, die so geformt wurde, daß der Antriebshebel das Teil 1 zu einem der Anschläge bewegt. Bei Stromausfall kühlt sich die Anordnung ab nimmt die leicht verformbare Martensitstruktur an. Bei Verwendung eines elektromagnetischen oder Formgedächtnismetallantriebs muß im ausgeschalteten Zustand das Teil T1 durch eine zusätzliche passive Komponente (zum Beispiel Federkraft) zu dem entgegengesetzten Anschlag bewegt werden.

In einer weiteren Ausbaustufe der Anordnung kann die Laserdiode L auf dem Teil T2 hybrid integriert werden. Das Laserlicht wird dann über eine mikromechanisch positionierte Kugellinse K5 in ein kurzes Lichtwellenleiterstück E2 eingekoppelt, daß wie der Eingangslichtwellenleiter E1 zum beweglichen Teil T1 geführt wird (Fig. 5).

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Schalters ist in Fig. 6 dargestellt. Mit dem Teil T1 werden dabei nicht Lichtwellenleiter bewegt, sondern auf dem Teil T1 ist ein Spiegel SP befestigt. Das Licht aus dem Eingangslichtwellenleiter E1 und aus dem Eingangslichtwellenleiter E2, der vom Laser kommt wird als Freiraumstrahlung auf den Spiegel SP umgelenkt. Der Spiegel SP ist auf dem beweglichen Teil T1 befestigt und kann durch Verschiebung so positioniert werden, daß an einem Anschlag eine Überbrückungs-Position erreicht ist und am anderen Anschlag eine Durchgangs-Position erreicht ist.

Der erfindungsgemäße Aufbau zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise, einen beweglichen Schlitten (Teil T1) und das Schalten optischer Informationen zwischen verschiedenen Lichtwellenleitern aus. Alle Komponenten können durch mikromechanische Strukturierung von einkristallinem Silizium mit hoher Präzision befestigt werden. Die absolute Reproduzierbarkeit der Ätzstrukturen ist für die Justiergenauigkeit der Fasern unkritisch, da die Ätzstrukturen so ausgelegt sind, daß die einzelnen Komponenten des Aufbaus durch Selbstjustage mit hoher Präzision relativ zueinander positioniert werden. Bei Spannungsausfall tritt automatisch die Bypassfunktion in Kraft. Das Wiedereintreten der Funktionsfähigkeit kann durch eine Monitoreinrichtung geprüft werden.

Diese ist für den Einsatz des Schalters in lokalen Netzen von wesentlicher Bedeutung. Zu diesem Zweck können auf das Teil 2 drei Ausgangslichtwellenleiter angebracht werden. Der zusätzliche Ausgangslichtwellenleiter führt zu einer Monitorfotodiode. Im eingeschalteten Zustand liegt der Eingang dieses Ausgangslichtwellenleiters A2 frei. Im Falle einer Störung (Bypass-Schaltung) wird dieser Ausgangslichtwellenleiter mit dem Eingangslichtwellenleiter E2 der zur Laserdiode führt gepaart, so daß durch die Monitorfotodiode der Betriebszustand des Lasers geprüft werden kann.

Neben der bisherigen Funktion des optischen Schalters eine Bypass-Schaltung zu realisieren, kann der hier beschriebene optische Schalter auch informationstragendes Licht zwischen einem oder mehreren Eingangslichtwellenleitern und verschiedenen Ausgangslichtwellenleitern schalten und so zu Verzweigungsaufgaben in optischen Nachrichtennetzen eingesetzt werden.

Claims (3)

1. Optischer Schalter mit einer Überbrückungs-Position, in der mindestens ein erster optischer Eingang mit einem ersten optischen Ausgang verbunden ist, und mit einer Durchschalte- Position, in der mindestens der erste optische Eingang mit einem zweiten optischen Ausgang und ein zweiter optischer Eingang mit dem ersten optischen Ausgang verbunden ist, wobei ein mit einer Grundplatte verbundenes feststehendes Teil und ein auf der Grundplatte in einer Öffnung des feststehenden Teils bewegliches Teil verwendet werden und wobei Führungsflächen, die das Entstehen einer Bewegung in unerwünschten Freiheitsgraden verhindern, Anschläge, die die Bewegung in bevorzugten Lagen beenden, und zur Fixierung der Lichtwellenleiter und eventuell weiterer optischer oder elektrooptischer Komponenten Nuten vorgesehen sind, die durch Ätzen hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung im feststehenden Teil durch anisotropes Ätzen derart hergestellt ist, daß sie geneigte Seitenflächen aufweisen und sich zur Grundplatte hin erweitert, und daß das bewegliche Teil eine dementsprechende, komplimentäre, durch anisotropes Ätzen hergestellte Form aufweist.

2. Optischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung der Gleitreibung eine dünne Schicht auf den Führungsflächen aufgebracht ist.

3. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten zur Fixierung der Lichtwellenleiter und eventuell weiterer optischer oder elektrooptischer Komponenten durch anisotropes Ätzen hergestellt sind.