DE60005900T2

DE60005900T2 - Faseroptischer Reflektionstyp-Schalter mit Spiegel

Info

Publication number: DE60005900T2
Application number: DE60005900T
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Matsudo-shi Takahashi
Original assignee: Seikoh Giken Co Ltd
Current assignee: Seikoh Giken Co Ltd
Priority date: 1999-09-07
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2020-09-02
Also published as: CA2317358C; DE60005900D1; JP2001075026A; EP1083453A1; US6477292B1; EP1083453B1; CA2317358A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit einem faseroptischen Übertragungssystem oder dergleichen verwendeten faseroptischen Schalter und insbesondere eine Verbesserung an einem faseroptischen Schalter vom Reflexionsspiegeltyp, der in der Lage ist, einen Reflexionsspiegel in oder aus einem Spalt zwischen einem Paar von gegenüberliegenden mit optischen Fasern ausgestatteten Kollimatorlinsen herein- oder herauszufahren, um faseroptische Schaltungen zu schalten und zu koppeln.
2. Stand der Technik
Ein faseroptischer 2 × 2-Schalter, der unter dem Titel "Efficient electromechanical optical switches" (USP 5, 742,712) offenbart wurde, gehört zu der gleichen Kategorie der vorgenannten faseroptischen Schalter des Reflexionsspiegeltyps. Unter Bezugnahme auf die 10 und 11 wird eine Anordnung des oben erwähnten herkömmlichen faseroptischen 2 × 2-Schalters des Reflexionsspiegeltyps beschrieben. Der Schalter verwendet die Kollimatorlinsen 1 und 2 sowie einen Reflexionsspiegel 3. Als Stablinsen 1 und 2 können SELFOC-Linsen (SFL ist eine Handelsbezeichnung) verwendet werden, die von der Nippon Sheet Glass Co., Ltd. entwickelt und vermarktet wurden und die im Handel erhältlich sind.
10 zeigt den zwischen den Kollimatorlinsen des Schalters eingesetzten Reflexionsspiegel und 11 zeigt einen Zustand, in dem der Reflexionsspiegel aus dem Strahlengang entfernt wurde. Der Schalter ist ein unter Verwendung der Kollimatorlinsen 1 und 2 und des Reflexionsspiegels 3 aufgebauter faseroptischer 2 × 2-Schalter des Reflexionsspiegeltyps. Als Stablinsen 1 und 2 können SELFOC-Linsen (SFL) verwendet werden, die, von der Nippon Sheet Glass Co., Ltd. entwickelt und vermarktet wurden und im Handel erhältlich sind. Die optischen Eigenschaften, technische Informationen und üb liche Anwendungen der SELFOC-Linsen wurden von der Nippon Sheet Glass Co., Ltd. veröffentlicht. Die oben erwähnte Art eines Schalters wurde eingehend in einem optischen Wellenlängen-Demultiplexer/Multiplexer(WDM), einem optischen Splitter, verschiedenen faseroptischen Schaltern, etc. verwendet.
Es wird auf die 10 und 11 Bezug genommen. Die Stablinsen 1 und 2 weisen eine Referenzlänge von 0,25 Pitch auf und sind so einander gegenüber angeordnet, daß ihre optischen Achsen ausgerichtet sind und eine schmaler Spalt zwischen ihren Stirnflächen vorhanden ist. Der Reflexionsspiegel 3 ist so angeordnet, daß er wiederholt im rechten Winkel bezüglich der optischen Achsen in oder aus dem Spalt zwischen den Stablinsen 1 und 2 bewegt werden kann. Die Bezugszeichen F₁, F₂, F₃ und F₄ bezeichnen die in Ferrulen oder (nicht dargestellten) Hülsen liegenden optischen Fasern, die derart angeordnet sind, daß sie symmetrisch, und zwar mit derselben Exzentrizität von den optischen Achsen der Stablinsen 1 und 2, positioniert sind.
10 zeigt den Reflexionsspiegel 3, der zwischen den Stablinsen 1 und 2 eingebracht wurde. In diesem Fall wandelt sich das von der optischen Faser F₁ emittierte Licht mit einem sehr kleinen Modenfeld zu einem parallelen Strahl mit einem durch die Stablinse 1 ausgedehnten Modenfeld und erreicht den Reflexionsspiegel 3. Der parallele Strahl wird von dem Reflexionsspiegel 3 reflektiert und durch die Stablinse 1 in Licht mit einem reduzierten Modenfeld gewandelt, bevor dieses auf die optische Faser F₂ auftrifft.
In ähnlicher Weise wandelt sich von der optischen Faser F₃ emittiertes Licht mit einem sehr kleinen Modenfeld zu einem parallelen Strahl mit einem durch die Stablinse 2 erweiterten Modenfeld und erreicht den Reflexionsspiegel 3. Der parallele Strahl wird von dem Reflexionsspiegel 3 reflektiert und durch die Stablinse 2 in Licht mit einem reduzierten Modenfeld gewandelt, bevor es auf die optische Faser F₄ auftrifft.
11 zeigt den Zustand, in dem der Reflexionsspiegel 3 aus dem Spalt zwischen den Stablinsen 1 und 2 entfernt wurde. In diesem Fall wandelt sich von einer optischen Faser der fa seroptischen Anordnung F, emittiertes Licht mit einem sehr kleinen Modenfeld zu einem parallelen Strahl mit einem durch die Stablinse 1 erweiterten Modenfeld, das in die Stablinse 2 eintritt und diese durchtritt, wobei es zu Licht mit einem reduzierten Modenfeld wird, bevor es in eine optische Faser der faseroptischen Anordnung F₄ eintritt. In ähnlicher Weise wandelt sich von einer optischen Faser der faseroptischen Anordnung F₃ emittiertes Licht mit sehr kleinem Modenfeld zu einem parallelen Strahl mit einem durch die Stablinse 2 erweiterten Modenfeld und tritt dann durch die Stablinse 1, wobei es zu Licht mit einem reduzierten Modenfeld wird, bevor es in eine optische Faser der faseroptischen Anordnung F₂ eintritt. Daher kann eine Schaltung der optischen Faser F₁ abwechselnd mit einer Schaltung der optischen Faser F₂ oder der optischen Faser F₄ gekoppelt werden, indem der Reflexionsspiegel 3 herein- oder herausgefahren wird. In ähnlicher Weise kann eine Schaltung der optischen Faser F₃ abwechselnd mit einer Schaltung der optischen Faser F₂ oder der optischen Faser F₄ gekoppelt werden, indem der Reflexionsspiegel 3 herein- oder herausgefahren wird.
Der oben beschriebene herkömmliche faseroptische 2 × 2-Schalter weist einen einfachen Aufbau auf, wirft jedoch die folgenden Probleme auf:

(1) Die Einfügungsverluste stellen ein Reproduzierbarkeitsproblem dar und sind empfindlich gegenüber äufleren Einflüssen, wie Vibrationen oder Stößen.
(2) Aufgrund von magnetischer Induktion unter dem Einfluß von externen magnetischen Feldern kann es zu Fehlfunktionen kommen.
(3) Es stellt sich ein bauliches Problem bei der Verringerung der Abmessungen eines Schaltungsbausteins auf eine bestimmten Größe, nämlich auf eine Höhe von 8.5 mm oder kleiner, um für eine 12.7 mm (1/2 inch) gedruckte Schaltungsplatine geeignet zu sein.

Das Problem der Einfügungsverluste wird durch uneinheitliche Haltestellungen des Reflexionsspiegels 3 verursacht.
Dieses Problem wird unter Bezugnahme auf 9 ausführlich beschrieben.
Wenn bezüglich einer Ebene mit rechten Winkeln zu einer optischen Achse ZZ ein Winkelfehler σθ des Reflexionsspiegels 3 auftritt, so wird der Reflexionswinkel eines durch die Stablinse 1 von der faseroptischen Anordnung F₁ übertragenen und durch den Reflexionsspiegel 3 reflektierten parallelen Strahls kleiner als –2σθ sein. Dies führt dazu, daß der parallele Strahl zu einem von einer optischen Achse der faseroptischen Anordnung F₂ nach innen dezentrierten Punkt emittiert wird, was zu dem Auftreten eines Einfügungsverlustes führt, der einem verlagerten axialen Zentrum zuzuschreiben ist. In ähnlicher Weise wird ein Reflexionswinkel eines durch die Stablinse 2 von der faseroptischen Anordnung F₃ übertragenen und von dem Reflexionsspiegel 3 reflektierten parallelen Strahls größer sein als +2σθ. Der parallele Strahl wird bei einem Punkt Q emittiert, der von einer optischen Achse der optischen Faser F₂ nach außen dezentriert ist, was zu einem erhöhten Einfügungsverlust führt.
Wird eine Stablinse mit einem Außendurchmesser von 2 mm und 0,25 Pitch verwendet und sind zwei optische Einmodenfasern um 0,0065 mm zu einer optischen Achse der Stablinse versetzt und wird eine Wellenlänge von 1310 nm verwendet, so beträgt gemäß den berechneten Werten der optischer Einfügungsverlust etwa 1 dB (≈ –20%), wenn ein optischer quadratischer Fehler beträgt: σθ = 0,024°. Übrigens ist der quadratische Fehler sehr klein (tan 0,024° ≈ 0,00024); sofern die Änderungen in der mechanischen Stellung beim wiederholten Einfahren des Reflexionsspiegel 3 0,024° übersteigen, werden daher die Schwankungen des optischen Einfügungsverlustes etwa 1 dB (≈ –20%) betragen. Wenn sich der Reflexionsspiegel aufgrund von äußeren Kräften wie Vibrationen oder Stößen bewegt, während der Reflexionsspiegel zwischen den Stablinsen eingebracht ist, dann wird ein ähnlicher optischer Einfügungsverlust Schwankungen von ungefähr 1 dB (≈ –20%) hervorrufen.
Bei dem in der USP 5,742,712 offenbarten optischen Schalter, ist zum Antrieb eines Reflexionsspiegels der Reflexions spiegel auf einem fernen Ende eines Schwenkarms angebracht, der an einem beweglichen Teil eines elektrischen Wipp-Relais angebracht ist. Durch Umschalten der Polarität des an das elektrische Wipp-Relais angelegten Stroms, wird zur Schaltvorgangsausführung eine Reflexionsspiegeloberfläche an dem entfernten Ende des Schwenkarms, der mit dem Reflexionsspiegel ausgestattet ist, in die oder aus dem Spalt zwischen den Stablinsenoberflächen bewegt. Dieser Aufbau, bei dem der Reflexionsspiegel an dem fernen Ende des Schwenkarms angebracht ist, der an dem durch eine sehr kleine magnetische Kraft des elektrischen Wipp-Relais gehaltenen beweglichen Teil angebracht ist, beschränkt die Verringerung der Größe und des Gewichts. Ferner ist anzunehmen, daß der Aufbau und die Justage sehr schwierig sind.
Bezüglich des oben in (1) beschriebenen Nachteils wird angenommen, daß die Reproduzierbarkeit bei der genauen Positionierung des Reflexionsspiegels extrem schlecht ist und das der optische Schalter sehr empfindlich gegenüber äußeren Kräften, einschließlich Vibrationen und Stößen, ist.
Bezüglich des oben in (2) beschriebenen Nachteils dient in dem Fall eines faseroptischen Schalters des Reflexionsspiegeltyps aus einem Patentbeispiel eine kleine elektromagnetische Spule und ein einen Permanentmagnet verwendendes elektrisches Relais als Antriebsquelle für den Reflexionsspiegel. Es wurde berichtet, dass die Möglichkeit besteht, daß ein bewegliches Teil unter Verursachung einer Fehlfunktion bewegt wird, wenn es einem starken äußeren Magnetfeld ausgesetzt ist.
Bezüglich des oben in (3) beschriebenen Nachteils wird die Verringerung der Abmessungen durch das Bereitstellen einer erforderlichen Antriebskraft durch die elektromagnetische Spule und das einen Permanentmagneten verwendende elektrische Relais beschränkt. Daher ist es von dem Gesichtspunkt der Konstruktion aus schwierig, die Einrichtung in einem Gehäuse mit einer Höhe von 8,5 mm oder weniger unterzubringen. Übrigens wird in dem vorangegangenen Patentbeispiel erwähnt, daß die Höhe des Gehäuses des faseroptischen Schalters des Reflexionsspiegeltyps 20 mm beträgt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen faseroptischen Schalter des Reflexionsspiegeltyps zur Verfügung zu stellen, der die oben beschriebenen Probleme mit den herkömmlichen faseroptischen Schaltern des Reflexionsspiegeltyps löst. Genauer gesagt soll der erfindungsgemäße faseroptische Schalter des Reflexionsspiegeltyps:

(1) kleinere Einfügungsverluste aufweisen, eine konstantere Reproduzierbarkeit bereitstellen und äußeren Kräften, wie Vibrationen oder Stößen, standhalten;
(2) die Möglichkeiten einer durch äußere magnetische Induktion verursachten Fehlfunktion minimieren; und
(3) auf einer 12,7 mm (1/2 inch) gedruckten Platine montierbar sein, wobei die Höhe eines Gehäuses 8,5 mm oder weniger beträgt.

Mit anderen Worten ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen faseroptischen Schalter des Reflexionsspiegeltyps zur Verfügung zu stellen, der die drei oben aufgelisteten Erfordernisse erfüllt.
Dies wird erreicht durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Daher wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein faseroptischer 2 × 2-Schalter des Reflexionsspiegeltyps zur Verfügung gestellt mit einer ersten Kollimatorlinsenanordnung C₁, die ein Paar von symmetrisch bezüglich einer optischen Achse einer Linse angeordneten optischen Fasern F₁ und F₂ aufweist, mit einer zweiten Kollimatorlinsenanordnung C₂, die ein Paar von symmetrisch bezüglich einer optischen Achse einer Linse angeordneten optischen Fasern F₃ und F₄ aufweist, mit einem Ausrichtungsblock B, in dem die erste und zweite Kollimatorlinsenanordnung einander gegenüberliegend mit ausgerichteten optischen Achsen angeordnet und derart gehalten sind, daß die optische Faser F₁ und die optische Faser F₄ optisch gekoppelt sind und die optische Faser F₂ und die optische Faser F₃ optisch gekoppelt sind, mit einer Reflexionsspiegelanordnung, gebildet durch eine drehbar in einer parallel zu einer optischen Achse der Linse in dem Ausrichtungsblock verlaufen den Wellenöffnung angeordnete Reflexionsspiegelwelle, einen auf der Reflexionsspiegelwelle derart vorgesehenen Reflexionsspiegel, daß der Reflexionsspiegel sich zwischen einer ersten Stellung, in der der Reflexionsspiegel das Licht von den optischen Fasern zu Brennflächen der Linsen unter rechten Winkeln zu den optischen Achsen der Linsen reflektiert, und einer zweiten Stellung, in der der Reflexionsspiegel bewirkt, daß das Licht von den optischen Fasern direkt in die Brennflächen der Linsen eintritt, bewegen kann, und mit Festlegungsmitteln zum Festlegen einer Stellung des Reflexionsspiegels in der ersten Stellung durch Verwendung des Ausrichtungsblocks als Referenz und mit Antriebsmitteln zum Bewegen des Reflexionsspiegels.
Jede der ersten und zweiten Kollimatorlinsenanordnungen wird aus einem Paar von optischen Fasern, einer Ferrule zum Halten der optischen Fasern und einer mit den optischen Fasern und einem Ende der Ferrule gekoppelten Stablinse mit einem Pitch von etwa 0,25 gebildet.
Die Antriebsmittel verwenden einen Mikro-Motor, wobei ein mit der Reflexionsspiegelanordnung zu verbindener Teil an einem Ende einer Drehwelle angeordnet ist.
Der Reflexionsspiegel enthält ein Material wie z. B. Edelstahl, und beide Oberflächen des Metalls sind mit einer Ti-N-Beschichtung einer Härte von MHv 1800 oder mehr versehen und durch Sputtern oder chemisches Beschichten mit einem Film hoher Reflektivität, wie z. B. Gold (Au) oder Platin (Pt), versehen.
Ein Permanentmagnet in der Nähe oder im Kontakt mit der Drehwelle des Reflexionsspiegels ist in den Ausrichtungsblock eingelassen, um an einem Ende eines Drehwinkels des Reflexionsspiegels einen Selbsthaltemechanismus bereitzustellen.
Zu diesem Zweck wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein faseroptischer 1 × 2-Schalter des Reflexionsspiegeltyps zur Verfügung gestellt, mit einer ersten Kollimatorlinsenanordnung C₁, in der ein Paar von optischen Fasern F1 und F₂ bezüglich einer optischen Achse einer Linse parallel und symmetrisch angeordnet sind, wobei zwischen diesen ein vorgegebener Abstand d eingehalten wird, und mit einer zweiten Kollimatorlinsenanordnung C₂, in der eine einzelne optische Faser F₄ parallel zu einer optischen Achse einer Linse mit einem Abstand d/2 von der optischen Achse angeordnet ist, mit einem Ausrichtungsblock B, in dem die erste und zweite Kollimatorlinsenanordnung mit ihren optischen Achsen ausgerichtet gegenüberliegen und derart gehalten werden, daß die optische Faser F₁ und die optische Faser F₄ optisch gekoppelt sind, mit einer Reflexionsspiegelanordnung, gebildet durch eine Reflexionsspiegelwelle, die drehbar in einer in dem Ausrichtungsblock und parallel zu einer optischen Achse der Linse angeordneten Wellenöffnung montiert ist, durch einen auf der Reflexionsspiegelwelle derart angeordneten Reflexionsspiegel, daß er zwischen einer ersten Stellung, in der der Reflexionsspiegel Licht von den optischen Fasern Brennflächen der Linsen in rechten Winkeln zu den optischen Achsen der Linsen reflektiert, und einer zweiten Stellung, in der der Reflexionsspiegel bewirkt, daß das Licht von den optischen Faser direkt in die Brennflächen der Linsen eintritt, bewegt werden kann, und mit Festlegungsmittel zum Festlegen einer Stellung des Reflexionsspiegels in der ersten Stellung durch Verwenden des Ausrichtungsblocks als Referenz und mit Antriebsmitteln zum Bewegen des Reflexionsspiegels.
Dazu wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein faseroptischer 1 × 1-Schalter des Reflexionsspiegeltyps zur Verfügung gestellt, aufweisend einen faseroptischen Schalter des Reflexionsspiegeltyps mit einer aus einem Paar symmetrisch bezüglich einer optischen Achse einer Linse angeordneten optischen Fasern gebildeten Kollimatorlinsenanordnung, und mit einem bei einer fokalen Stellung der Linse angeordneten Reflexionsspiegel, der zwischen einer ersten Stellung zur Herstellung einer Verbindung von einer optischen Faser zu einer anderen optischen Faser und einer zweiten Stellung bewegbar ist, in der der Reflexionsspiegel aus der fokalen Stellung zurückgezogen ist, mit einem die Kollimatorlinsenanordnung und den Reflexionsspiegel haltenden Ausrichtungsblock, mit einer Reflexionsspiegelanordnung, gebildet durch eine Reflexionsspiegel welle, die drehbar in einer in dem Block und parallel zu der optischen Achse der Linse angeordneten Wellenöffnung montiert ist, durch einen auf der Reflexionsspiegelwelle angeordneten Reflexionsspiegel, der unter rechten Winkeln zu den optischen Achse der Linsen zu den abbildenden Flächen der optischen Fasern ausgefahren oder von diesen eingefahren wird, und mit Festlegungsmitteln zur Festlegung der Stellung des Reflexionsspiegels bei der ersten Stellung auf Grundlage des Ausrichtungsblocks und mit Antriebsmittel zum Bewegen des Reflexionsspiegels.
Die Festlegungsmittel werden durch eine Ebene gebildet, die unter rechten Winkeln zu einer optischen Achse der auf dem Ausrichtungsblock montierten Linse gebildet ist und durch einen Reflexionsspiegel oder einen Flansch, der sich in Gleitkontakt mit der Ebene dreht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Draufsicht, die eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen 2 × 2-Schalters des Reflexionsspiegeltyps zeigt, wobei die optischen Fasern F₁ und F₂ miteinander in Verbindung stehen und F3 und F₄ miteinander in Verbindung stehen.
2 zeigt einen Zustand einer Ausführungsform, in dem die optischen Fasern F₁ und F₄ miteinander in Verbindung stehen und F₂ und F₃ miteinander in Verbindung stehen.
3 zeigt eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen 1 × 1-Schalters des Reflexionsspiegeltyps, wobei die optischen Fasern F₁ und F₂ in Verbindung stehen.
4 zeigt einen Zustand, in dem die optischen Fasern F₁ und F₂ nicht in Verbindung stehen.
5 zeigt eine geschnittene Draufsicht der Ausführungsform des erfindungsgemäßen faseroptischen 2 × 2-Schalters des Reflexionsspiegeltyps, wobei die optischen Fasern F₁ und F₂ miteinander in Verbindung stehen und F3 und F₄ miteinander in Verbindung stehen.
6 zeigt die oben erwähnte Ausführungsform in einer geschnittenen Seitenansicht im Betrieb, wobei die optischen Fasern F₁ und F₂ miteinander in Verbindung stehen und F3 und F₄ miteinander in Verbindung stehen.
7 zeigt die oben erwähnte Ausführungsform in einer geschnittenen Seitenansicht im Betrieb, wobei die optischen Fasern F₁ und F₄ miteinander in Verbindung stehen und F₂ und F₃ miteinander in Verbindung stehen.
8 zeigt eine geschnittene Draufsicht eines Ausrichtungsblocks, wie er in der oben erwähnten Ausführungsform verwendet wird, und eine an dem Block angebrachte Reflexionsspiegelanordnung.
9 zeigt eine schematische Darstellung, die die Einflüsse einer Neigung eines Reflexionsspiegels der Reflexionsspiegelanordnung veranschaulicht.
10 zeigt eine schematische Darstellung, die einen herkömmlichen faseroptischen Schalter des Reflexionsspiegeltyps darstellt.
11 zeigt eine schematische Darstellung, die einen anderen Betriebszustands des herkömmlichen faseroptischen Schalters des Reflexionsspiegeltyps veranschaulicht.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung wird zuerst eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen 2 × 2-Schalters des Reflexionsspiegeltyps beschrieben. Der erfindungsgemäfle faseroptische Schalter des Reflexionsspiegeltyps kann auch, wie später beschrieben wird, in 1 × 2- und 1 × 1-Version enthalten sein.
1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen 2 × 2-Schalters des Reflexionsspiegeltyps in schematischer Draufsicht, wobei die optischen Fasern F₁ und F₂ miteinander in Verbindung stehen und F₃ und F₄ miteinander in Verbindung stehen. 2 zeigt einen Zustand, in dem bei der Ausführungsform die optischen Fasern F₁ und F₄ miteinander in Verbindung stehen und F₂ und F₃ miteinander in Verbindung stehen. Die optischen Fasern F₁ und F₂ sind mit einer ersten Kol limatorlinse symmetrisch bezüglich einer ihrer optischen Achsen gekoppelt und bilden eine erste Kollimatorlinsenanordnung C₁. Die optischen Fasern F₃ und F₄ sind mit einer zweiten Kollimatorlinse bezüglich einer ihrer optischen Achsen symmetrisch gekoppelt und bilden eine zweite Kollimatorlinsenanordnung C₂. Diese Kollimatorlinsenanordnungen C₁ und C₂ werden von einem Ausrichtungsblock B gehalten, wobei ihre optischen Achsen ausgerichtet sind. Eine Reflexionsspiegelanordnung MA ist drehbar auf dem Ausrichtungsblock B angeordnet und wird durch Antriebsmittel (Motor) MO angetrieben.
3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen 1 × 1-Schalters des Reflexionsspiegeltyps in schematischer Draufsicht, wobei die optischen Fasern F₁ und F₂ in Verbindung stehen. 4 zeigt einen Zustand, in dem die optischen Fasern F₁ und F₂ nicht in Verbindung stehen. Der Zustand entspricht strukturell einem Zustand, in dem die Kollimatorlinsenanordnung C₂ aus der oben erwähnten Ausführungsform entfernt wurde.
Es wird im wesentlichen auf die zugehörigen Zeichnungen Bezugnehmend, werden die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen faseroptischen Schalters des Reflexionsspiegeltyps nun ausführlicher beschrieben. 5 zeigt eine teilgeschnittene Draufsicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen 2 × 2-Schalters des Reflexionsspiegeltyps; 6 zeigt eine teilgeschnittene Seitenansicht der Ausführungsform in einem bestimmten Betriebsmodus; 7 zeigt die oben erwähnte Ausführungsform in einer geschnittenen Seitenansicht in einem anderen Betriebsmodus; und
8 zeigt einen an dem Ausrichtungsblock 4 befestigten Reflexionsspiegel 9 in einer geschnittenen Aufsicht.
In dem Ausrichtungsblock 4 sind Öffnungen 7 und 8 angeordnet, die koaxial in einer horizontalen Richtung oder ZZ-Richtung einer optischen Achse zur Halterung der Stablinsen 5 und 6 gebildet sind. Ferner ist in dem Ausrichtungsblock 4 eine horizontale Aufnahmeöffnung 11 für eine Drehwelle 10 eines Reflexionsspiegels 9 gebildet. Parallele Ausrichtungsreferenzebenen oder XY-Ebenen 13 und 14 zum Führen des Reflexionsspiegels 9 und eines Flansches 12 in engem Kontakt in einer vertikalen Richtung oder in rechten Winkeln zu der ZZ-Richtung der optischen Achse sind senkrecht zu der Aufnahmeöffnung 11 der Drehwelle 10 des Reflexionsspiegels 9 angeordnet. Der Ausrichtungsblock 4 ist ferner mit einer Drehwinkelbegrenzenden Oberfläche 15 für den Reflexionsspiegel 9 und einer Öffnung 17 zum Einlassen eines Permanentmagneten 16 versehen, so daß dieser in Kontakt mit der Drehwelle 10 steht, um kleine Bewegungen des Reflexionsspiegels 9 zu verhindern.
Die optischen Fasern F₁ und F₂ sind in einer ersten Ferrule 18 angeordnet, so daß sie symmetrisch bezüglich einer Zentralachse der Ferrule angeordnet sind. Eine Stirnfläche der Ferrule 18 ist zu einer Stirnfläche der Stablinse 5 zentriert und die Stirnflächen sind mit einem optischen Klebstoff verbunden, um die erste Kollimatorlinsenanordnung C₁ zu bilden. In ähnlicher Weise sind die optischen Fasern F₃ und F₄ in einer zweiten Ferrule 19 befestigt, so daß sie symmetrisch bezüglich eine Zentralachse der Ferrule angeordnet sind. Eine Stirnfläche der Ferrule 19 ist zu einer Stirnfläche der Stablinse 6 zentriert und die Stirnflächen sind mit einem optischen Klebstoff verbunden, um die zweite Kollimatorlinsenanordnung C₂ zu bilden.
Der Reflexionsspiegel 9 und der Flansch 12 sind durch Laserpunktschweißen oder Löten an der Drehwelle 10 befestigt. Der Motor 20 ist ein DC-Mikromotor mit einem Außendurchmesser von 7 mm, der über eine Versorgungsleitung 25 mit elektrischer Energie versorgt wird. Eine Hülse 22 ist mit einem exzentrischen Stift 21 versehen und mit einer Drehwelle 23 des Motors 20 verbunden. Der exzentrische Stift 21 greift in eine Aussparung 24 in dem Reflexionsspiegel 9 ein. Zur Erhöhung der Haltbarkeit und Reflektivität wird als Material für den Reflexionsspiegel 9 Edelstahl oder ein ähnliches Metall verwendet. Die beiden Oberflächen des Reflexionsspiegels 9 sind mit einer Ti-N-Beschichtung mit einer Härte von MHv 1800 oder mehr versehen, und zu Spiegeloberflächen mit einer Oberflächenrauhigkeit von etwa 5 nm poliert. Ferner sind die polierten Oberflächen durch Sputtern oder chemisches Beschichten mit einem Film hoher Reflektivität versehen, wie z. B. aus Gold (Au) oder Platin (Pt).
8 zeigt eine Darstellung des strukturellen Aufbaus eines Reflexionsspiegels 9 von dem in den 5 bis 7 gezeigten erfindungsgemäßen faseroptischen Schalter des Reflexionsspiegeltyps, wobei der Reflexionsspiegel 9 zuvor auf dem Ausrichtungsblock 4 befestigt wurde.
Wie bereits erwähnt, ist der optische Einfügungsverlust des faseroptischen Schalters des Reflexionsspiegeltyps, bei zwischen den Oberflächen der Stablinsen eingesetztem Reflexionsspiegel 9, stark von der quadrierten Genauigkeit einer Oberfläche des Reflexionsspiegels 9 bezüglich der optischen ZZ-Achse der Stablinsen 5 und 6 abhängig. Eine Lösung dieses Problems ist eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Als Lösung ist der faseroptische Schalter des Reflexionsspiegeltyps mit einer Halteeinrichtung versehen, um den Reflexionsspiegel 9 in rechten Winkeln zu der optischen Achse ZZ zu schwenken. Als Haltemechanismus sind 2 Ausrichtungsreferenzebenen 13 und 14 parallel zu dem rechten Winkel einer optischen Achse (XY) auf dem Ausrichtungsblock 4 angeordnet, wie in 8 gezeigt wird.
Der Ausrichtungsblock 4 ist mit Präzisions-Arbeitsmaschinen gefertigt, so daß ein quadrierter Fehler der Genauigkeit und der Fehler der Genauigkeit der Parallelität der Ausrichtungsreferenzebenen 13 und 14 bezüglich der Befestigungsöffnungen 7 und 8 auf 0,001 mm oder weniger pro 5 mm Länge begrenzt werden kann. Dieser Wert entspricht, durch einen Winkel ausdrückt, tan 0,011°. Ein berechneter Wert der optischen Einfügungsverluste wird in diesem Fall, unter den bereits erwähnten Bedingungen, etwa 0,053 dB oder weniger betragen. Auch wenn andere hinzukommende Fehler berücksichtigt werden, ist es möglich, einen faseroptischen Schalter des Reflexionsspiegeltyps für eine Einmodenfaser mit einem maximalen optischen Einfügungsverlust von 1.0 dB zu fertigen.
Die Reproduzierbarkeit des Quadrats der Genauigkeit einer Oberfläche des Reflexionsspiegels 9 bezüglich der optischen ZZ-Achse der Stablinsen 5 und 6 bei zwischen den Stirnflächen der Stablinsen 5 und 6 eingesetztem Reflexionsspiegel 9 muß in jedem Falle sichergestellt werden. Aus diesem Grund wird die Reflexionsspiegelanordnung gemäß der unten beschriebenen Prozedur aufgebaut.

1) Die Drehwelle 10 wird in die Aufnahmeöffnung des Reflexionsspiegels 9 eingeführt und von einem Ende der Ausrichtungsreferenzebene 13 in die in dem Ausrichtungsblock gebildete Öffnung 11 eingeführt. Dann wird die Ausrichtung derart durchgeführt, daß sich ein Ende des Reflexionsspiegels 9 an den Befestigungsöffnungen 7 und 8 der Stablinsen befindet, und der Reflexionsspiegel 9 wird integral mit der Drehwelle 10 durch Laserpunktschweißen oder Löten verbunden, während der Reflexionsspiegel 9 in engen Kontakt gegen die Ausrichtungsreferenzebene 13 gedrückt wird.
2) Während sich der Reflexionsspiegel 9 in engem Kontakt mit der Ausrichtungsreferenzebene 13 befindet, wird als nächstes der Flansch 12 auf die Drehwelle 10 gesetzt, und der Flansch 12 wird integral durch Laserpunktschweißen oder Löten mit der Drehwelle 10 verbunden, während der Flansch 12 in engen Kontakt gegen die Ausrichtungsreferenzebene 14 auf der gegenüberliegenden Seite gedrückt wird. Die Reflexionsspiegelanordnung und der Ausrichtungsblock 4 werden zuerst gemäß der obigen Prozedur zu einem Stück zusammengesetzt, dann werden die Kollimatorlinsenanordnungen C₁ und C₂ in die Befestigungsöffnungen 7 und 8 eingeführt, um den Aufbau fertigzustellen.

Ein Antriebsmechanismus der Ausführungsform wird nun beschrieben. Wie bereits erwähnt, ist die Hülse 22 mit einem exzentrischen Stift 21 versehen, der mit der Drehwelle 23 des Motors 20 verbunden ist, und die Spiegelanordnung wird angetrieben, wenn der Motor 20 läuft. Ein DC-Mikromotor 20 mit einer magnetisch geschlossenen Schaltung und einem Außendurchmesser von 7 mm oder weniger wird bei dieser Ausführungsform als Motor 20 verwendet. Die Verwendung des Motors 20 als Antriebsquelle für den Reflexionsspiegel 9 minimiert die Möglichkeit einer durch äußere magnetische Induktion verursachten Fehlfunktion, die bei herkömmlichen Baugruppen Probleme verursachte. Da der Motor 20, wie bereits erwähnt, klein ist, kann die Höhe einer gesamten Baugruppe auf 8,5 mm oder weniger verringert werden. Daher kann ein der Ausführungsform entsprechender Schalter als faseroptischer Schalter des Reflexionsspiegeltyps verwendet werden, um auf einer 12,7 mm (1/2 Inch) gedruckten Platine montiert zu werden.
Nun wird ein Bremsmechanismus für die Spiegelanordnung der Ausführungsform beschrieben. Die Spiegelanordnung ist einer Bremskraft ausgesetzt, die durch Reibung zwischen einem Kommutator und einer Bürste des DC-Mikromotors 20 erzeugt wird. In dieser Ausführungsform weist die Drehwelle 10 der Spiegelanordnung ferner einen Permanentmagneten 16 auf, der in rechten Winkeln zu der Welle 10 angeordnet ist, um eine anziehende Kraft auf die Drehwelle 10 des Reflexionsspiegels 9 auszuüben. Der Motor 20 wird aktiviert, um die Welle um einen vorgegebenen Winkel zu drehen, dann wird darauf die anziehende Kraft ausgeübt, um das Auftreten von unnötigen Sprüngen oder dergleichen zu vermeiden. Mit anderen Worten stellt die Ausnutzung der anziehenden Kraft des Permanentmagneten einen verriegelnden oder einen selbsthaltenden faseroptischen Schalter des Reflexionsspiegeltyps bereit, der keine ständige Stromversorgung benötigt.
Obwohl es nicht dargestellt ist, stellt der Bremsmechanismus die gleichen Vorteile zur Verfügung, wenn der Permanentmagnet axial parallel um die Drehwelle 10 des Reflexionsspiegels 9 herum eingelassen ist und der Flansch 12 aus einem magnetischen Material gebildet ist, und verwendet wird, um den Flansch zur Ausübung einer Bremskraft anzuziehen.
Der Betrieb der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen faseroptischen 2 × 2-Schalters des Reflexionsspiegeltyps, der entsprechend der obigen Ausführungen zusammengesetzt und konfiguriert wurde, wird nun beschrieben.
6 zeigt einen Zustand, in dem der Mikromotor 20 im Uhrzeigersinn um a Grad gedreht wurde, bis der exzentrische Stift 21 mit der den Schwenkwinkel begrenzenden Oberfläche 15 in Kontakt kommt und anhält, und der Reflexionsspiegel 9 zwischen den Oberflächen der Stablinsen 5 und 6 eingeführt wurde. In diesem Fall können von den optischen Fasern F₁ und F₃ ausge hende Strahlen von dem Reflexionsspiegel 9 reflektiert werden, so daß sie in die optischen Fasern F₂ und F₄ eintreten.
7 zeigt ein Zustand, in dem der Mikromotor 20 um einen Winkel von a Grad gegen den Uhrzeigersinn gedreht wurde, bis der exzentrische Stift 21 in Kontakt mit der den Schwenkwinkel begrenzenden Oberfläche 15 kommt und anhält und der Reflexionsspiegel 9 zwischen den Oberflächen der Stablinsen 5 und 6 entfernt wurde. In diesem Fall treten die ausgehenden Strahlen von den optischen Fasern F₁ und F₃ direkt in die optischen Fasern F₄ und F₂ ein, da der Reflexionsspiegel 9 zwischen den Stablinsen 5 und 6 entfernt wurde.
Daher kann die optische Schalt-Operation zum abwechselnden Schalten der Schaltung mit optischer Faser F₁ zwischen der Schaltung mit optischer Faser und der Schaltung mit optischer Faser F₄ durchgeführt werden, indem der Reflexionsspiegel 9 in den Spalt zwischen den Stablinsen 5 und 6 eingeführt oder aus diesem entfernt wird. In ähnlicher Weise kann eine optische Schaltoperation der 2 × 2-Schaltung zum Schalten der Schaltung mit optischer Faser F₃ zwischen der Schaltung mit optischer Faser F₃ und der Schaltung mit optischer Faser F₂ ausgeführt werden.
Wird die optische Faser F₃ nicht verwendet, kann ein faseroptischer 1 × 2-Schalter des Reflexionsspiegeltyps gemäß 3 gebildet werden.
In der ersten Kollimatorlinsenanordnung C₁ ist ein Paar von optischen Fasern F₁ und F₂ parallel, symmetrisch bezüglich einer optischen Achse der Linse angeordnet, wobei dazwischen ein vorgegebener Abstand d eingehalten wird. In der zweiten Kollimatorlinsenanordnung C₂ ist eine einzige optische Faser F₄ parallel zu einer optischen Achse der Linse angeordnet, wobei ein Abstand d/2 von der optischen Achse eingehalten wird. In dem Ausrichtungsblock sind die erste und zweite Kollimatorlinsenanordnungen mit ausgerichteten optischen Achsen gegenüberliegend angeordnet und so gehalten, daß die optische Faser F₁ und die optische Faser F₄ optisch gekoppelt sind.
Eine Reflexionsspiegelanordnung MA setzt sich zusammen aus: einer drehbar in einer Wellenöffnung angeordneten Refle xionsspiegelwelle, wobei die Wellenöffnung parallel zu einer optischen Achse der Linse in dem Ausrichtungsblock B angeordnet ist; einem auf der Reflexionsspiegelwelle derart angeordneten Reflexionsspiegel, daß der Reflexionsspiegel zwischen einer ersten Stellung, in der der Reflexionsspiegel Licht von den optischen Fasern auf Brennflächen der Linsen bei rechten winkeln zu den optischen Achsen der Linsen reflektiert, und einer zweiten Stellung bewegbar ist, in der der Reflexionsspiegel bewirkt, daß das Licht von den optischen Fasern direkt in die Brennflächen der Linsen eintritt; und Führungsmitteln zur Festlegung einer rechtwinkligen Ausrichtung des Reflexionsspiegels in der ersten Stellung, durch Verwendung des Ausrichtungsblocks als Referenz. Die Reflexionsspiegelanordnung MA wird durch Antriebsmittel angetrieben.
Wenn der Reflexionsspiegel 9 zwischen den Stablinsen 5 und 6 eingebracht ist, wird das von der optischen Faser F₁ emittierte Licht in die optische Faser F₂ eintreten, während das Licht in die optische Faser F₄ eintritt, falls sich der Reflexionsspiegel 9 nicht zwischen den Stablinsen 5 und 6 befindet. Daher ermöglicht das Herein- oder Herausbewegen des Reflexionsspiegels 9 in oder aus dem Spalt zwischen den Stablinsen 5 und 6 die Durchführung der optischen Schaltoperation der 1 × 2-Schaltung zum Schalten der Schaltung mit optischer Faser F₁ zwischen der Schaltung mit optischer Faser F₂ und der Schaltung mit optischer Faser F₄.
Wird die Kollimatorlinsenanordnung C₂ nicht verwendet, so kann ein optischer Schalter einer 1 × 1-Schaltung zur Kopplung oder Entkopplung der Schaltung mit optischer Faser F₁ an oder von der optischen Faser F₂ gemäß 4 konfiguriert werden. Die Kollimatorlinsenanordnung C₁ ist aus einem Paar der optischen Fasern F₁ und F₂ gebildet, die symmetrisch bezüglich der optischen Achsen der Linse angeordnet sind. Der Reflexionsspiegel ist in einer fokalen Stellung der Linse eingesetzt und wird zwischen einer ersten Stellung, zur Herstellung einer Verbindung von einer optischen Faser zu einer anderen optischen Faser, und einer zweiten Stellung, in der der Reflexionsspiegel aus der fokalen Position eingefahren ist, bewegt.
Der Ausrichtungsblock B trägt die Kollimatorlinsenanordnung C₁ und die Reflexionsspiegelanordnung MA.
Ein Festlegungsmittel enthält die Ausrichtungsreferenzebenen 13 und 14 auf dem Ausrichtungsblock B. Die Reflexionsspiegelanordnung MA ist drehbar an dem Ausrichtungsblock B befestigt. Die die Welle 10 aufnehmende Wellenöffnung 11 der Reflexionsspiegelanordnung MA verläuft parallel zu der optischen Achse der Linsen 5 und 6. Durch die Festlegungsmittel wird die Oberflächenebene des Reflexionsspiegels 9 im rechten Winkel gegen die optische Achse in der ersten Stellung gehalten.
Es ist offensichtlich, daß der wie oben beschrieben aufgebaute Haltemechanismus des Reflexionsspiegels des erfindungsgemäßen faseroptischen Schalters des Reflexionsspiegeltyps verringerte Einfügungsverluste, eine konstante Reproduzierbarkeit und Wiederstandsfähigkeit gegen Einflüsse von äußeren Kräften, wie Vibrationen und Stößen, aufweist. Ferner wird der DC-Mikromotor 20 mit einem Augendurchmesser von 7 mm oder weniger und mit einer magnetisch abgeschlossenen Schaltung verwendet, um die Antriebsquelle für den Reflexionsspiegel 9 zur Verfügung zu stellen, die die Möglichkeit einer durch äußere magnetische Induktionen verursachten Fehlfunktion minimiert. Zusätzlich kann die Höhe des Gehäuses auf 8,5 mm oder weniger verringert werden, was es möglich macht, einen faseroptischen Schalter des Reflexionsspiegeltyps herzustellen, der auf einer 12,7 mm (1/2 Inch) gedruckten Platine montiert werden kann.
Ferner machen es die Ausnutzung der Reibungskraft zwischen den Kommutator und der Bürste des DC-Mikromotors 20 und die anziehende Kraft des Permanentmagneten 16, die auf die Drehwelle 10 des Reflexionsspiegel 9 wirkt, möglich, einen verriegelnden oder selbsthaltenden faseroptischen Schalter des Reflexionsspiegeltyps zu realisieren, der keine ständige Energieversorgung erfordert.

Claims

Ein faseroptischer Schalter des Reflexionsspiegeltyps, mit einer Kollimatorlinsenanordnung (C₁), einer Reflexionsspiegelanordnung (MA) zum Verbinden und Unterbrechen von optischen Signalen, einem Ausrichtungsblock (B,4) zum Halten der Kollimatorlinsenanordnung (C₁) und der Reflexionsspiegelanordnung (MA), Antriebsmitteln zum Bewegen der Reflexionsspiegelanordnung (MA) zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung und Festlegungsmitteln zum Festlegen der Stellungen der Reflexionsspiegelanordnung (MA); wobei die Kollimatorlinsenanordnung (C₁) eine Stablinse (5) mit einem Pitch von 0,25, eine erste optische Faser (F₁) und eine zweite optische Faser (F₂) aufweist, wobei die optischen Fasern mit einem Ende der Linsen (5) symmetrisch und bezüglich der optischen Achse (Z-Z) der Linse parallel optisch verbunden sind; und wobei die Reflexionsspiegelanordnung (MA) eine Reflexionsspiegelwelle (10) aufweist, die drehbar in einer in dem Block (B,4) und parallel zu der optischen Achse (Z-Z) der Linse (5) angeordneten Wellenöffnung (11) montiert ist, wobei ein Reflexionsspiegel (9) auf der Reflexionsspiegelwelle angeordnet und zwischen einer ausgefahrenen ersten Stellung und einer eingefahrenen zweiten Stellung bezüglich der Oberfläche der anderen Seite der Linse (5) derart bewegbar ist, daß das von der Linse ausgehende Licht einer der optischen Fasern in die Linse reflektiert und zu der anderen optischen Faser geleitet wird, wenn sich der Reflexionsspiegel (9) in der ersten Stellung befindet.
Der faseroptische Schalter des Reflexionsspiegeltyps gemäß Anspruch 1, ferner eine zweite Kollimatorlinsenanordnung (C₂) aufweisend; wobei die erste optische Faser (F₁) und die zweite optische Faser (F₂) optisch mit dem einem Ende der jeweiligen Linse (5) verbunden sind, wobei sich dazwischen ein Abstand d befindet; wobei die zweite Kollimatorlinsenanordnung (C₂) eine Stablinse (6) des Rastermaßes 0,25 aufweist, wobei eine vierte optische Faser (F₄) mit einem Ende der Linse (6), parallel zu der optischen Achse (Z-Z) der Linse (6) mit einem Abstand d/2 von der optischen Achse, optisch verbunden ist; wobei in dem Ausrichtungsblock (B,4) die erste und zweite Kollimatorlinsenanordnung (C₁, C₂) mit ihren optischen Achsen (Z-Z) ausgerichtet gegenüberliegen und derart gehalten sind, daß die erste optische Faser (F₁) und die vierte optische Faser (F₄) optisch koppelbar sind; so daß die erste und die vierte optische Faser (F1, F₄) optisch gekoppelt sind, während sich der Reflexionsspiegel (9) der Reflexionsspiegelanordnung (MA) in der zweiten Stellung befindet.
Der faseroptische Schalter des Reflexionsspiegeltyps gemäß Anspruch 2, wobei die zweite Kollimatorlinsenanordnung (C₂) eine dritte optische Faser (F₃) aufweist, wobei die dritte und die vierte optische Faser (F₃) und (F₄) bezüglich der optischen Achse (Z-Z) der jeweiligen Linse (6) symmetrisch angeordnet sind; und wobei die erste und die zweite Kollimatorlinsenanordnung (C₁, C₂) derart in dem Ausrichtungsblock (B,4) gehalten sind, daß die zweite und die dritte optische Faser (F₂, F₃) optisch koppelbar sind; so daß, die zweite und dritte optische Faser (F₂, F₃) optisch gekoppelt sind, während sich der Reflexionsspiegel (9) in der zweiten Stellung befindet.
Der faseroptische Schalter des Reflexionsspiegeltyps gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Antriebsmittel einen Mikromotor (MO, 20) verwendet, und wobei an einem Ende einer Drehwelle (13) des Motors ein mit der Reflexionsspiegelanordnung (MA) zu verbindender Abschnitt bereitgestellt ist.
Der faseroptische Schalter des Reflexionsspiegeltyps gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Reflexionsspiegel (9) ein metallisches Material, wie z. B. Edelstahl enthält und beide Oberflächen des Metalls mit einer Ti-N-Beschichtung der Härte MHv 1800 oder mehr versehen und durch Sputtern oder chemische Beschichtung mit einem Film einer hohen Reflektivität beschichtet sind, wie z. B. mit Gold oder Platin.
Der faseroptische Schalter des Reflexionsspiegeltyps gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem Ausrichtungsblock (B, 4) ein Permanentmagnet (16) nahe bei oder im Kontakt mit der Drehwelle (10) des Reflexionsspiegels (9) eingelassen ist, um an einem Ende eines Drehwinkels des Reflexionsspiegels einen Selbsthaltemechanismus bereitzustellen.
Der faseroptische Schalter des Reflexionsspiegeltyps nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Festlegungsmittel durch eine Ebene (13, 14), die in rechten Winkeln zu der optischen Achse (Z-Z) der auf dem Ausrichtungsblock (B,4) befestigten Linse(n) gebildet ist, und den sich in Gleitkontakt zu der Ebene drehenden Reflexionsspiegel (9) oder Flansch (12) gebildet sind.