DE60104085T2

DE60104085T2 - Faseroptische schalteranordnung

Info

Publication number: DE60104085T2
Application number: DE60104085T
Authority: DE
Inventors: Horton Jonathan JAMES; Nicholas Andrew DAMES
Original assignee: Polatis Ltd
Current assignee: Huber and Suhner Polatis Ltd
Priority date: 2000-01-06
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2021-01-06
Also published as: WO2001050176A1; CA2396540A1; US20060002654A1; CA2396540C; IL150496A0; AU2531901A; DE60104085D1; CN1394289A; CN100520484C; EP1244931A1; ES2228793T3; US20030128912A1; US7106925B2; US7680369B2; DK1244931T3; ATE270440T1; EP1244931B1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Lichtleiterschaltbaugruppe und Steuervorrichtungen, die in der Baugruppe verwendet werden, zur Ablenkung der Strahlung von einem sendenden Leiter, um die Strahlung auf einen ausgewählten empfangenden Leiter zu richten.
Eines der größeren Probleme, mit denen die Erfindung konfrontiert wird, besteht in der Bereitstellung einer schnellen Umschaltung bei geringem Einfügungsverlust (hohe Einkopplungseffizienz und geringes Übersprechen) für eine große Anzahl von Anschlüssen, während eine kompakte Konstruktion entwickelt wird, die einfach hergestellt werden kann. Ein verwandtes Problem besteht in der Erhöhung der Schaltkapazität einer Faseroptikschaltbaugruppe ohne den Kostenfaktor der Erhöhung der physikalischen Größe. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wurden mindestens speziell zur Lösung dieser Probleme konstruiert.
Stand der Technik
Das Dokument DE 197 06 053 A1 (Fraunhofer) offenbart einen optischen Schalter, bei dem eine einzelne Eingangsfaser von einer einzelnen linsenförmigen Linse beabstandet ist, die in vertikaler Richtung bewegt werden kann, um einen Lichtstrahl in einem Winkel abzulenken. Dieser optische Schalter des Stands der Technik umfasst eine Vielzahl von Ausgangsfasern, die von einem einzelnen fokussierenden optischen Bauteil beabstandet sind, das mit einem Prismenstrahl und einer Umleitungsanordnung betrieben wird, um einen ankommenden Strahl statisch auf die Ausgangsfasern umzulenken.
Das Dokument US A4696062 (Labudde Edward V) betrifft ein faseroptisches Schaltsystem und Schaltverfahren. Dieses System des Stands der Technik zeigt einen Schalter mit einer Vielzahl von Eingangs- und Ausgangsfasern. Jede der Vielzahl von Ausgangsfasern ist mit einer einzelnen Eingangs- und Ausgangslinse gekoppelt, die mit Hilfe eines Servomechanismus bewegt werden kann.
Das Dokument US A5135295 (Jen Cheng-Kuei) offenbart eine einzelne Lichtleitfaser, an der piezoelektrische Filme befestigt sind, die sich als Reaktion auf die Spannung, die an die Filme angelegt wird, ausdehnen oder zusammenziehen.
Das Dokument US A4657339 (Fick Franz) zeigt einen faseroptischen Schalter mit einem einzelnen Eingang mit zwei möglichen Ausgängen. Weder am Eingang noch an den Ausgängen sind Kollimatormittel bereitgestellt. Die Eingangsfaser ist an einem Ende an einem Gehäuse befestigt und ist mit einem piezoelektrischen Element plattiert, das, wenn es mit Strom versorgt wird, die Eingangsfaser von einer Position benachbart zur ersten Ausgangsfaser zu einer Position benachbart zur zweiten Ausgangsfaser bewegt.
Zusammenfassung der Erfindung
In ihrem weitesten Gesichtspunkt schafft die vorliegende Erfindung eine Faseroptikschaltbaugruppe, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Folgendes umfasst:

a) eine erste Komponentengruppe, die eine Anzahl von Lichtleitern umfasst und von einer zweiten Komponentengruppe, die eine Anzahl von Lichtleitern umfasst, beabstandet ist;
b) Kollimatormittel, die jedem Lichtleiter entsprechen;
c) Betätigungsmittel, die sich biegen, wenn sie betätigt werden und mit dem Kollimatormittel betriebsfähig verbunden sind, um die Kollimatormittel einzeln zu bewegen und die optische Strahlung abzulenken, so dass sie von einem ausgewählten Leiter in der ersten Gruppe gesendet und von einem ausgewählten Leiter in der zweiten Gruppe empfangen wird.

In einem untergeordneten Gesichtspunkt weisen die Kollimatormittel eine erste und eine zweite Extremität auf und die Betätigungsmittel weisen ein Mittel auf, das in die erste Extremität des Kollimators eingreift, wobei die Kollimatormittel so eingeschränkt sind, dass sich, wenn sich das Betätigungsmittel zum Bewegen des Kollimatormittels in eine Richtung bewegt, die zweite Extremität im Wesentlichen in die entgegengesetzte Richtung bewegt.
In einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt weist die Baugruppe eine Stützkonstruktion auf und die Kollimatormittel sind jeweils mit Hilfe eines Halters an der Stützkonstruktion befestigt, um die Kollimatormittel so einzuschränken, dass sich die Kollimatormittel in einer schaukelnden Bewegung bewegen, wenn sie von dem Betätigungsmittel bewegt werden.
In einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt sind Positionserfassungsmittel bereitgestellt, um die Position mindestens einer der Komponenten der Baugruppe zu erfassen, die von dem Betätigungsmittel be wegt werden, wobei die optische Strahlung von der ersten zur zweiten Gruppe von Kollimatormitteln ohne ein dazwischen angeordnetes Positionserfassungsmittel übertragen wird.
In einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt umfasst die Baugruppe ein Steuersystem, wobei die Positionserfassungsmittel mit Positionserfassungrückführungsmitteln betrieben werden, wodurch die Positionserfassungsrückführungsmittel mindestens ein Rückführungssignal, das das Ausmaß der Ablenkung der bewegten Komponenten der Baugruppe darstellt, in das Steuersystem einspeisen, und das Signal von dem Steuersystem verwendet wird, um sicherzustellen, dass jedes der Kollimatormittel der ersten Gruppe auf jedes ausgewählte Kollimatormittel der zweiten Gruppe gerichtet ist.
In einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt umfasst das Kollimatormittel mindestens eine Linse, die mit dem Ende des Leiters einstückig angeordnet ist oder an diesem befestigt ist, wodurch sich der Leiter und die Linse zusammen bewegen.
In einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt umfasst das Betätigungsmittel zum Bewegen der Kollimatormittel elektrostatische Mittel.
In einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt umfasst das Betätigungsmittel zum Bewegen der Kollimatormittel piezoelektrische Wandlermittel.
In einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt ist das piezoelektrische Wandlermittel ein „Folientyp", wobei Finger einer kammartigen Anordnung von Piezowandlern an Betätigungsmitteln, wie beispielsweise Folienstreifen, befestigt sind, um eine orthogonale Bewegung eines der Lichtleiter und der Kollimatormittel zu erzeugen, wobei die Folien und die Kämme in einer schichtweisen Matrix zusammengesetzt werden können.
In einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt ist das piezoelektrische Wandlermittel ein „Monolithtyp", wobei der Wandler aus piezoelektrischem Material hergestellt ist, einen Körper mit einer Längsachse aufweist und der Körper leitfähige Streifen aufweist, die zu der Längsachse ausgerichtet sind, um jeweilige Abschnitte des Wandlers zu definieren, die jeweilige Querbewegungen in unterschiedlichen radialen Richtungen verursachen, um eine resultierende Bewegung in der zweidimensionalen Ebene senkrecht zu der Längsachse bereitzustellen.
In einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt erfassen die Positionserfassungsmittel Kapazitätsänderungen, um eine Position zu bestimmen, wobei mindestens einer der Leiter eine leitfähige Beschichtung aufweist, die mindestens als eine Kondensatorelektrode wirkt, die sich im Verhältnis zu mindestens einer anderen festen Kondensatorelektrode bewegt, wodurch Positionsinformationen mindestens der Leiter oder der Kollimatormittel bereitgestellt werden.
In einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt erfassen die Positionserfassungsmittel Kapazitätsänderungen, um eine Position zu bestimmen, wobei mindestens eines der Kollimatormittel eine leitfähige Beschichtung aufweist, die mindestens als eine Kondensatorelektrode wirkt und zusammen mit mindestens einer anderen Kondensatorelektrode betrieben wird, die Teil einer benachbarten Stützkonstruktion ist.
In einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt umfasst das Positionserfassungsmittel leitfähige Leiterbahnen, die an Punkten kreuzen, bei denen Paare von leitfähigen Leiterbahnen, die entweder zu einem der einzelnen Leiter oder zu den Kollimatormitteln gehören, dafür ausgelegt sind, Kapazitätsänderungen zu erfassen.
In einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt verwendet das Positionserfassungsmittel ein Diagonaladressierungssystem, wobei ein Signal sequenziell an Diagonale der erfassten Punkte angelegt wird, und Kapazitätsänderungen sequenziell aus jeder Zeile und Spalte abgelesen werden.
In einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt umfasst das Mittel zum Bewegen des Kollimatormittels einen Monolithwandler, der mit mechanischen Hebelmitteln zusammen wirkt, um die Wandlerbewegung zu vergrößern.
In einem weiteren untergeordneten Gesichtspunkt umfasst das Hebelmittel eine Kardanbefestigung, eine elastische Befestigung und eine Verlängerungsstange, die zwischen einem Ende des Körpers des Wandlers und einem Befestigungspunkt am Kardan beabstandet von seiner Drehachse angeordnet sind.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein ähnlicher Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Folientyps einer Vorrichtung zum Bewegen von Lichtleitfasern ist;
2 ein ähnlicher Querschnitt durch einen Monolithtyp ist;
3 eine perspektivische Ansicht ist, die Folienbetätigungsstreifen zeigt (die von Aktuatoren aus piezoelektrischem Material angetrieben werden), die eine Faseroptik stützen;
4 ein Aufriss im Querschnitt durch eine Folientyp-Unterbaugruppe ist;
5 und 6 unterschiedliche perspektivische Ansichten einer 4 Linsen umfassenden Schaltbaugruppe mit 4 Anschlüssen sind, die Piezokämme zeigen, die mit Folienstreifen verbunden sind, um Lichtleitfasern in die Brennpunktebene von Linsen zu bewegen (nur 4 Anschlüsse sind gezeigt, um die Erläuterung zu vereinfachen, da in der Praxis eine Vielzahl von Anschlüssen verwendet würde);
7a–7d perspektivische Ansichten sind, die die Herstellungsschritte eines Monolithaktuators zeigen, und 7e eine Draufsicht ist;
8 eine Gruppe von Monolithaktuatoren und Linsen zeigt;
9 ein schematischer Aufriss durch eine Monolithaktuatorbaugruppe mit einer Linsenanordnung ist (wenn eine hexagonale Anordnung aus Fasern und Aktuator verwendet wird);
10 die Unterbaugruppe aus 9 zeigt, die bei einer Reflektorschaltbaugruppe verwendet wird, bei der Strahlung durch einen halbversilberten Spiegel auf eine CCD-Vorrichtung projiziert wird;
11 die Unterbaugruppe aus 9 zeigt, die bei einer Durchgangsschaltbaugruppe verwendet wird, bei der Strahlung von Sendefasern di rekt auf Empfangsfasern übertragen wird, und 11a und 11b Zeichnungen zur ausführlicheren Erläuterung sind;
12 ein schematischer Querschnitt ist, der eine Kapazitätserfassungsanordnung zeigt;
13a–13b eine andere Ausführungsform der Kapazitätserfassung zeigen;
14 ein schematischer elektronischer Schaltplan ist;
15 ein Diagonalschaltverfahren zeigt, das unten ausführlicher erläutert wird;
16 Fasern mit befestigten und einstückigen Kollimatorlinsen zeigt;
17 Kollimatoranordnungen mit Monolithtypen zeigt;
18 eine Kardanbefestigung für einen Kollimator zeigt;
19 eine alternative Kardanbefestigung zeigt;
20 eine übertriebene Neigungswirkung der Kardanbefestigung und des Kollimators zeigt;
21 eine Einzelheit einer Folienverbindungskonstruktion für eine Kardan- und Übersetzungsbefestigung von Kollimatoren zeigt;
22 eine Anordnung von Piezoröhrenaktuatoren auf einer dreieckigen Anordnung zeigt;
23a und 23b Seitenansichten einer Ausführungsform sind, die eine bewegliche Linse und eine feste Faser verwendet;
24 eine isometrische Ansicht der letzteren Ausführungsform ist, die eine bewegliche Linse und eine feste Faser verwendet;
25 eine Gruppe der Anordnung der Vorrichtungen zeigt, die in 24 gezeigt sind;
26a–26e ein Beispiel für fünf unterschiedliche Folienkonstruktionen in Draufsicht für eine fünfschichtige Folienschaltbaugruppe mit 64 Anschlüssen zeigen;
27 eine perspektivische Ansicht eines Piezokammaktuators ist; 27a eine Einzelheit der elektrischen Anschlüsse zeigt und 27b Anschlusseinzelheiten für den Piezokammaktuator aus 27a zeigt;
28a–28e unterschiedliche Aufrisse in Draufsicht der 5 Schichten der Piezokammanordnungen und Folienanordnungen zeigen;
29 eine Unterbaugruppe (Folientyp) eines Schalters (einschließlich 64 Anschlüsse) zeigt und
30 eine Rückansicht der Schaltunterbaugruppe (Folientyp) zeigt;
31a–31c isometrische Ansichten einer Unterbaugruppe von Monolithaktuatoren sind;
32 und 33 jeweils andere Schaltbaugruppen zeigen und
34 zwei der Baugruppen aus 38 zeigt, die mit beabstandeten Sende- und Empfangsfasergruppen verwendet werden.
1 veranschaulicht schematisch „Folienvorrichtungen", die beispielsweise zur Bewegung von Lichtleitfasern verwendet werden können. In jeder Vorrichtung bilden piezoelektrische Wandlerelemente 1a, 1b; 2a, 2b Gruppen von Fingern einer Kammkonstruktion, die an einem Ende einer Stützeinheit 3 befestigt sind. Die Enden der Finger sind mittels Paaren von kammähnlichen Konstruktionen, die sich an gegenüberliegenden Seiten der entsprechenden Fasern 5a, 5b befinden, an entsprechenden Folien 4a, 4b befestigt. Jede Faser, wie beispielsweise die Faser 5a, ist mit Hilfe eines Klebstoffkügelchens 6a oder, wenn die Faser metallisiert ist, mit Hilfe von Lötkontakten an entsprechenden Foliengruppen 4a befestigt. Die Wandlerelemente aus piezoelektrischem Material 1a, 1b; 2a, 2b biegen sich (parallel) in dieselbe Richtung, um eine „Druck-Zug-Bewegung" auf die entsprechende Faser auszuüben (in einer von zwei orthogonalen Richtungen). Andere Wandlerelemente aus piezoelektrischem Material (nicht gezeigt, die senkrecht zu den vorgenannten Elementen angeordnet sind) biegen sich in ähnlicher Weise, jedoch in eine andere orthogonale Richtung, um auf die entsprechende Faser eine „Druck-Zug-Bewegung" auszuüben. Das Ergebnis stellt der Faser zwei Bewegungsgrade in orthogonalen Richtungen bereit. Entsprechend kann Strahlung, die durch die Faser 5a geleitet wird und aus dem Ende 5a' austritt, in einer x-y-Ebene überallhin abgelenkt werden. Bei der „Strahlung" kann es sich beispielsweise um Laserlicht oder Licht von einer LED handeln, jedoch kann es sich auch um andere Formen von elektromagnetischer Energie handeln.
2 veranschaulicht schematisch einen Monolithtyp, bei dem jedes der Piezoelemente 7a, 7b einen zylindrischen oder stangenförmigen Körper mit einer mittigen Bohrung entlang seiner Längsachse aufweist, in der die Lichtleitfaser 5a, 5b aufgenommen wird. Ein Ende jedes Piezoelements 7a, 7b ist fest an der Stützeinheit 3 befestigt und das freie Ende kann sich als Folge des Biegens des Körpers im Verhältnis zur Längsachse frei bewegen (wie unten erläutert). Die Zeichnung zeigt ebenfalls elektrische Verbindungen 8a, 8b zu den Piezoelementen. Wie bei dem Folientyp wird Strahlung, die das Ende 5a' verlässt, durch Biegen der Faser 5a in der x-y-Ebene abgelenkt.
3 zeigt eine Vergrößerung eines modifizierten „Folientyps" ausführlicher. In diesem Fall liegt jede Folie in Form von Streifen vor, wie beispielsweise 9a, 9b, die sich senkrecht zueinander erstrecken und an einem Ende in einer Anschlussstelle 9c enden, durch die die Faser 5a hindurchläuft und mit Hilfe eines Klebstoffkügelchens 6a oder, wenn die Faser metallisiert ist, mit Hilfe von Lötkontakten befestigt ist. 3 veranschaulicht drei unterschiedliche Anordnungen, d. h. Anordnungen, bei denen die Streifen 9a, 9b an unterschiedlichen Stellen mit der Anschlussstelle 9c verbunden sind (und in einem Fall eine Anordnung, bei der der Streifen 9b durch zwei rechte Winkel gebildet ist, bevor er mit der Anschlussstelle verbunden wird). Die anderen Enden der Streifen sind an den Fingern 2c, 2d einer kammähnlichen Konstruktion aus piezoelektrischem Material befestigt. Diese Finger üben (wie gezeigt) eine Bewegung in jeder von zwei entsprechenden orthogonalen Richtungen x-y auf die Folienstreifen aus, wobei sich der Endabschnitt der jeweiligen Faser 5a in diesen Richtungen bewegt, so dass Licht, das aus den Endflächen 5a', 5b', 5c' austritt, abgelenkt wird.
4 ist ein Querschnitt im Aufriss (um 90° gedreht), der eine Gruppe von Lichtleitfasern 5 zeigt, die durch die Stützkonstruktion 3 hindurchlaufen, wobei jede Faser an entsprechenden Folien 9 befestigt ist, die in einem Folienstapel (nicht ausführlich gezeigt) in separaten Schichten angeordnet sind. Jede der Folien ist mit entsprechenden Fingern einer piezoelektrischen Kammkonstruktion 2e verbunden, die an einer Stützplattenbaugruppe 3a in der Stützkonstruktion befestigt ist. Das Bandkabel 10 ist mit den Piezoaktuatoren verbunden, um Strom zu liefern.
5 und 6 veranschaulichen grafischer, wie die Kammkonstruktionen 2e aus piezoelektrischem Material mit den Folienkonstruktionen 9 verbunden sind, die an entsprechenden Lichtleitfasern 5 befestigt sind, wobei die Enden der Lichtleitfasern veranlasst werden, sich in der Brennpunktebene entsprechender Linsen 12 zu bewegen. 5 und 6 zeigen schematisch eine Konstruktion mit 4 Anschlüssen, die nur vier Linsen aufweist, um die Zeichnung und die Erläuterung zu vereinfachen. Die Baugruppe kann selbstverständlich über „n" Linsenelemente für „n" Fasern in einem Schalter mit „n" Anschlüssen verfügen, wobei „n" die Anzahl der Anschlüsse darstellt, die in der jeweiligen Anwendung erforderlich sind. Die Linsen 12 werden in einem Block 13 gestützt, der ebenfalls Kapazitätspositionierungssensoren stützt (wie unten erläutert).
7 zeigt vier Schritte 7a–7d während der Herstellung eines „Monolithwandlers" aus piezoelektrischem Material. Der erste Schritt 7a veranschaulicht einen Körper 7 aus piezoelektrischem Material mit einer im Allgemeinen zylindrischen Form. Der zweite Schritt zeigt Paare von V-förmigen Sägeausschnitten V1, V2, V3, die Rillen bilden, die eine mittige Säule 14 mit Segmenten mit dreieckigem Querschnitt 15a, 15b, 15c und periphere dünne Säulen 16a, 16b, 16c mit jeweils dreieckigem Querschnitt abgrenzen. Diese Rillen werden daraufhin in Schritt 7c mit einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt 17 gefüllt. Schließlich werden weitere Sägeauschnitte S vorgenommen, wie in 7d gezeigt, um Verbindungen in Form von isolierten leitfähigen Anschlussstellen 18 auf den dreieckigen Seiten der mittigen Säule 14 abzugrenzen. Diese Anschlussstellen sind aufgrund des Spalts 19 (aus piezoelektrischem Material), der von dem jeweiligen Sägeausschnitt S geöffnet wird, entlang der Länge jeder Seitenkante isoliert. Elektrische Eingänge zu jeder dieser Anschlussstellen verursachen, dass sich die mittige Säule 14 biegt und sich die Lichtleitfasern biegen. Die Draufsicht aus 7e zeigt die individuelle Bewegung „d", die von jeder Anschlussstelle 18 ausgeübt wird, wenn sie mit Strom versorgt wird. Durch eine geeignete Stromversorgung dieser Anschlussstellen kann eine resultierende Bewegung zum Bewegen der Säule 14 in den x-y-Achsen erreicht werden. Ein Durchgangsloch 20, das entlang der Längsachse in den Körper aus piezoelektrischem Material gebohrt ist, empfängt die Lichtleitfaser, wie in der schematischen Zeichnung aus 2 gezeigt.
Eine ähnliche Konstruktion kann hergestellt werden, indem (a) die Säule 14 aus piezoelektrischem Material vor dem Brennen geformt wird und (b) die Anschlussstellen 18 durch Beschichtung angebracht werden. Eine solche Säule könnte hohl oder massiv sein und unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen.
8 ist eine perspektivische Ansicht einer Gruppe von Monolithwandlern 7. Jeder dieser Wandler stützt eine entsprechende Lichtleitfaser 5, deren Anschlussende sich in der Brennpunktebene der entsprechenden Linse 12 bewegt. Diese Figur zeigt die Faseranordnung in einer sechseckigen/dreieckigen Anordnung, jedoch können ebenfalls rechteckige Anordnungen verwendet werden.
9 ist ein Querschnitt durch drei Monolithwandler 7, die jeweils auf einer Basisplatte 3 befestigt sind, die Lichtleitfasern 5 stützt. Diese sind mit einer Plattierung 19 an der linken Seite der Platte 3 und als Fasern gezeigt, die sich durch die Wandler 7 erstrecken, die in Enden 7a in der Nähe jeder plan-konvexen Kollimatorlinse 12 einer Linsenanordnung enden. Eine bi-konvexe Linsenanordnung kann ebenfalls verwendet werden. Diese Trennung ist durch den Spalt 21 gezeigt, der so angeordnet ist, dass sich Licht, das von dem Ende jeder Faser abgegeben wird, in der Brennpunktebene der jeweiligen Linse befindet. Die Anschlüsse 20, die Verbindungsdrähte aufweisen, die mit den Wandlern 7 verbunden sind, sind ebenfalls gezeigt.
10 ist eine schematische Ansicht einer Baugruppe, die zur Kalibrierung während der Einrichtung verwendet wird. Sie zeigt Lichtstrahlen 22, die von jeder der Linsen 12 ausgegeben werden, die zuerst (z. B.) durch einen teilweise reflektierenden Spiegel (z. B. einen dielektrischen Mehrschichtstapel oder halbversilbert) 29 geleitet werden, der die Strahlen teilweise zu einer CCD-Vorrichtung 23 überträgt und die Strahlen teilweise reflektiert. Die Position der gerade hindurchgeleiteten Strahlen auf der Oberfläche der CCD-Vorrichtung 23 kann mit der Abwesenheit (oder der Anwesenheit) von Signalen in Beziehung gebracht werden, die zur Stromversorgung der Piezowandler verwendet werden. Ebenso kann die Position eines abgelenkten Strahls von einer Wandlerfaser, der teilweise von dem Spiegel 29 auf eine Empfangsfaser (in demselben Stapel) abgelenkt wird und teilweise auf die Oberfläche der CCD-Vorrichtung 23 auftrifft, mit unmittelbaren Signalen in Beziehung gebracht werden, die zur Stromversorgung der Piezowandler verwendet werden, um unterschiedliche Ablenkungen zu verursachen. Dadurch können die Wandlerantriebssignale abgeleitet werden, um die Endabschnitte der Fasern korrekt auszurichten und zu steuern, so dass die Ausgangsstrahlen an ihren korrekten Zielen ankommen (d. h. die ausgewählten Empfangsfasern in dem Arbeitsschalter). Beispielsweise können Nachschlagtabellen verwendet werden, um die idealen Faserspitzenpositionen an jedem Ende zu speichern, um die erforderlichen Faser-Faser-Kopplungen zu erzeugen (d. h. Querverbindungen zwischen Sende- und Empfangsanschlüssen). Dadurch kann die Baugruppe als Schalter betrieben werden und die Baugruppe würde umkehrbar gemacht werden (d. h. die Sendefasern können die Empfangsfasern sein und umgekehrt).
11 zeigt eine andere Anordnung, die ebenso kalibriert werden kann, die jedoch ebenfalls im Betrieb verwendet werden kann, wobei die Lichtstrahlen 22, die die sendende Kollimatorlinsenbaugruppe 12t verlassen, von einer Empfangslinsenbaugruppe 12r empfangen werden, die das Licht in einer (ähnlichen) Monolithkonstruktion auf entsprechende Lichtleitfasern 5 fokussiert. Die stromversorgenden Signale können hinsichtlich der Lichtstrahlen, die gerade hindurchlaufen und die abgelenkt werden, ebenso kalibriert werden, da die sendenden Strahlen von entsprechenden anderen Fasern empfangen werden. Diese Anordnung ist vollständig „umkehrbar", da die „Sender" die „Empfänger" sein können und umgekehrt.
Unter Bezugnahme auf 11a ist anzumerken, dass:

i. Jede Faser in dem Schalter einer kleinen Kollimatorlinse zugeordnet ist,
ii. Faserspitzen in der Brennpunktebene jeder Linse angeordnet werden,
iii. Ein Gauss'scher Kollimatorstrahl erzeugt wird, wenn eine Faser beleuchtet wird, da Licht in der Brennpunktebene von der Faserspitze abgegeben wird und von der Linse gesammelt und kollimiert wird,
iv. Eine Bewegung jeder Faserspitze in der Brennpunktebene eine effektive Winkelschwingung des kollimierten Strahls zur Folge hat,
v. Durch Symmetrie alle kollimierten Strahlen, die an den Ziellinsen ankommen, auf einen Punkt in der Brennpunktebene der Ziellinsen fokussiert werden;
vi. Wenn eine Faserspitze auf einem Punkt angeordnet wird, der in (v) definiert ist, Licht in die Faser eingekoppelt wird.

Eine Kombination aus (iii) und (vi) ermöglicht eine Faser-Faser-Kopplung. Licht von einer Faser kann durch (iii) in einen gerichteten kollimierten Strahl umgewandelt werden. Durch Bewegen einer beleuchteten Faserspitze (die „Quelle") kann erreicht werden, dass der kollimierte Strahl von seiner zugehörigen Linse auf die Linse, die einer völlig anderen Faser zugeordnet ist (das „Ziel"), gerichtet wird. Durch Bewegen der Zielfaser kann erreicht werden, dass Licht von dem ankommenden kollimierten Strahl gesammelt werden kann und somit ein Faser-Faser-Kopplungszustand eingerichtet wurde. Da das optische System symmetrisch ist, können die Begriffe „Quellfaserspitzen" und „Zielfaserspitzen" austauschbar verwendet werden und in einer gekoppelten Situation kann Licht in beide Richtungen gesendet werden.
Die Kalibrierung würde mit Hilfe folgender Schritte durchgeführt werden:

1. Jede Faser ist in 2D geerdet und für jede Faser werden die Kapazitätswerte zur Rückreflexion ermittelt.
2. Jede Faser wird mit Hilfe der Rückreflexion sequenziell zu den Positionen auf der CCD-Vorrichtung bewegt, um die Bezugspunkte zu kalibrieren.
3. Für jede Faser und zu jeder Faser werden die 2x- und 2y-Durchschnittsspannungen für eine maximale Kopplung optimiert.
4. Mit 128 Fasern (64 an jedem Ende) sind 64 x/y-Kapazitätswerte gespeichert, d. h. 16384 Werte. Diese werden im nicht-flüchtigen Speicher des Schalters gespeichert und als Zielkapazitätswerte für die gewünschten Schaltereinstellungen verwendet.

Diese Schritte betreffen entweder die reflektierende oder eine andere gerade hindurchlaufende Konstruktion.
Unter Bezugnahme auf 11b existiert eine optimale Ruheposition der Faserspitzen, die wichtige Systemvorteile mit sich bringt (einschließlich einer optimalen Kopplungseffizienz).
Ohne eine effektive Ablenkung (d. h. an die Piezoaktuatoren wird keine Spannung angelegt) sollte der kollimierte Strahl von jeder Faserspitze idealerweise in Richtung der Mitte der Ziellinsenanordnung (oder durch Reflexion auf die Mitte der Quellanordnung in einem gefalteten System) weisen. Das Ziel besteht hierbei darin, die erforderliche bipolare Faserspitzenübersetzung (von der Ruheposition) auf etwa die Hälfte der Anordnungsgröße zu minimieren.
Die Positionen der Faserspitzen Z müssen innerhalb der Brennweite der Linsenanordnung liegen, um kollimierte Strahlen von hoher Qualität sicherzustellen. Alle Faserspitzen müssen innerhalb eines Bereichs hinter der Rückfläche des Glassubstrats der Linsenanordnung angeordnet sein, der von der Brennweite der Linsenanordnung definiert wird.
Der Winkel der Fasern im Verhältnis zur Linsenanordnung sollte idealerweise 90° betragen. Jede wesentliche Abweichung von einer rechtwinkligen Geometrie kann eine nachteilige Wirkung auf die Kopplungseffizienz haben und die Skalierbarkeit einschränken.
Um die Position jeder individuellen Lichtleitfaser, ob Folientyp oder Monolithtyp, (zur Korrelation der Ablenkung und der Wandlerantriebssignale) zu erfassen, wird beispielsweise zwischen jedem sich bewegenden Endabschnitt der Faseroptik (die mit einem leitfähigen Material beschichtet ist, um eine bewegliche Elektrode zu bilden) und anderen im Verhältnis festen Elektroden eine Kapazitätskopplung verwendet. Eine Anordnung mit einer solchen beschichteten Faseroptik kann in einer ähnlichen Anordnung von Kapazitätssensoraufnahmeeinheiten ausgerichtet werden. Die Anordnung kann entweder rechteckig oder sechseckig sein, um eine optimale Packungsdichte sicherzustellen. Die Anordnungsgrößen sind auf eine größere Anzahl von Fasern (> 1000) skalierbar, die für zukünftige optische Querverbindungen mit einer hohen Anzahl von Anschlüssen für faseroptische Kommunikationsanwendungen geeignet sind.
Die Position der Lichtleitfaser wird von einem Maß der Kapazitätskopplung zwischen der Faser und den Kapazitätssensorelektroden ermittelt. Da eine Kapazitätsrückführung die Position der Faseroptik im Verhältnis zur Linsenanordnung 12 bestimmt, ist die Kapazitätsrückführungsbefestigungseinheit fest mit der Linsenanordnung verbunden, um einen präzisen Bezug der Fasern auf die Linsenmittelpunkte sicherzustellen. (Bei einer alternativen Ausführungsform werden feste Fasern und eine bewegliche Linse verwendet). Die Kapazitätssensorelektrodenaufnahmeeinheiten können entweder wie in 12 oder wie in 13a und 13b gezeigt geformt sein.
12 zeigt in Draufsicht ein Verfahren, bei dem die Sensoraufnahmeeinheit aus durchgangslochbeschichteten Löchern in einem isolierenden Plattenmaterial 30 gebildet ist. Das isolierende Plattenmaterial kann eine bedruckte Schaltkarte oder ein alternatives isolierendes Material, wie beispielsweise Keramik, sein. Die Sensorlöcher sind in vier isolierte Quadranten segmentiert, die als „Nord", „Süd", „Ost" oder „West" (N, S, O und W) bezeichnet werden. Mit diesen wird unter Verwendung von geeigneten gemusterten elektrischen Leiterbahnen 31N, 31S, 31W, 31O ein elektrischer Kontakt hergestellt. Jede (beschichtete) Lichtleitfaser wird durch die Mitte des Sensorlochs geführt.
13a und 13b zeigen im Querschnitt eine alternative Anordnung, bei der die Kapazitätssensorelektroden N, S, Ound W durch senkrechte Anordnungen von parallelen leitfähigen Leiterbahnen 31N, 31S, 31W, 31O gebildet werden, die eine Anordnung von Löchern schneiden, durch die die Lichtleitfasern 5 hindurchlaufen. Die Kapazitätssensorleiterbahnen zur NS- und OW-Erfassung sind in parallelen Anordnungen angeordnet, wobei die beiden parallelen Anordnungen senkrecht zueinander angeordnet sind. Zur Isolierung sind die NS- und OW-Sensoranordnungen durch Zwischenschichten aus einem isolierenden Matrixmaterial 33 voneinander isoliert. Die Erdungsebenenschichten 32 über und unter jeder Sensorschicht wirken als Abschirmung gegen elektromagnetische Umweltaufnahmen. Es ist zu beachten, dass 13a und 13b nur zwei Schichten von NS- und OW-Sensorleiterbahnen zeigen. Eine bessere Kapazitätsrückführungsempfindlichkeit kann durch Erhöhen der Anzahl der Sensorleiterbahnen (Schichten) erreicht werden.
Die Anordnung aus 12 hat eine größere Kapazitätskopplung zwischen der Faser 5 und den Sensorelektroden zur Folge, während die Anordnung aus 13a und 13b inhärent einfacher herzustellen ist (um jedoch eine ausreichende Kapazitätskopplung zwischen den NS- und OW-Sensorleiterbahnen zu erreichen, ist eine vertikale Anordnung solcher Leiterbahnen erforderlich).
An die leitfähige Beschichtung auf jeder Lichtleitfaser wird eine Wechselspannung, typischerweise mit Audiofrequenz, angelegt. Die resultierende Wechselspannung, die an die Sensorelektroden gekoppelt wird, wird daraufhin mit Hilfe einer geeigneten rauscharmen Verstärkerschaltung erfasst, wie beispielsweise der, die in 14 gezeigt ist (wobei gleiche Komponenten mit gleichen Bezugsnummern bezeichnet sind). Die an den Sensorelektroden erzeugte Wechselspannung ist proportional zur Kapazitätskopplung zwischen der leitfähigen Beschichtung der Sensorelektrode und der Faser. Dies hängt von der örtlichen Entfernung der Faser von der Sensorelektrode ab. Eine Kombination der Informationen der Elektroden 31N, 31S, 31O und 31W gibt daher Informationen über die lokalisierte Position der Faser.
Eine erhöhte Positionsgenauigkeit wird durch Einkopplung der an den N- und S-Sensorelektroden erfassten Spannungen in die beiden Eingänge eines rauscharmen Differenzialverstärkers 35 erreicht. Somit steigt das erfasste Signal der N-Elektrode an, wenn sich die Lichtleitfaser näher zur N-Elektrode bewegt, entsprechend nimmt das erfasste Signal der S-Elektrode ab. Das Differenzial wird an den Verstärker angelegt. Eine entsprechende Anordnung wird für die O-W-Elektroden verwendet.
Um die eindeutigen Positionen einzelner Fasern in großen Anordnungen von optischen Fasern, die erfasst werden sollen, zu ermöglichen, muss ein Wechselstromsignal an jede Faser angelegt werden. Eine derartige Anordnung ist bei einer großen Anzahl von Fasern nicht praktikabel. Daher wird die Verwendung eines Verfahrens bevorzugt, durch das die eindeutigen Positionen von Faseranordnungen erfasst werden können, indem selektiv zwischen diagonalen Reihen dieser Fasern geschaltet wird. Einzelheiten sind in 15 gezeigt. Durch sequenzielles Anlegen von Wechselstrom an die diagonalen Reihen und durch sequenzielles Lesen von Kapazitätsrückführungssignalen von horizontalen Reihen und Spalten kann eine eindeutige Adressierung erreicht werden. Dies wird nun im Folgenden ausführlicher beschrieben. (Dieses diagonale Schalten kann unabhängig, d. h. in anderen Schaltbaugruppen, verwendet werden.)
Ein Wechselstromerregungssignal wird an diagonale Faseranordnungen angelegt (wie in 15 gezeigt). Bei einer Schalteranordnung aus 64 Fasern sind 15 dieser Diagonalen vorhanden, jedoch wird die Anzahl von adressierbaren Diagonalen durch die Verwendung einer vertikalen und horizontalen Anordnung von Kapazitätsrückführungssensorleiterbahnen, die orthogonal angeordnet sind, auf nur 8 verringert. Dies wird unter Bezugnahme auf 15 erläutert, die eine Anordnung aus 64 Elementen zeigt, jedoch ist die folgende Analyse auf jede skalierbare Anordnung anwendbar. In 15 sind die Diagonalen mit A, B, C, D, E, F, G und H, horizontale Reihen mit 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7 bezeichnet, so dass beispielsweise die dritte Faser von oben und die fünfte von links mit C2 bezeichnet ist.
Die diagonale Anordnung A verwendet alle 8 Fasern entlang der Diagonalen. Jedoch verwendet die diagonale Anordnung B 7 dieser Fasern (B0 bis B6), daher ist diese Diagonale mit der Faser B7 (untere linke Ecke) verbunden. Ebenso umfasst die Diagonale C sechs dieser Faserelemente (C0 bis C5) und ist mit den Faserelementen C6 und C7 verbunden. Das Verfahren wird wiederholt, so dass alle Diagonalen 8 Elemente umfassen. (Jedoch kann dieses Verbindungssystem auf jede Anordnungsgröße skaliert werden.) Zum Beispiel würde eine Anordnung aus 256 Fasern, die 16 Reihen und 16 Spalten umfasst, unter Verwendung von 16 Diagonalen verbunden werden. Eine verallgemeinerte Anordnung aus N Fasern enthält daher Quadratwurzel-(N)Diagonale.
Unter Bezugnahme auf die in 15 gezeigte Anordnung aus 64 Fasern sind die 8 Reihen und 8 Spalten der orthogonalen Kondensatorerfassungsleiterbahnen jeweils mit 8 parallelen Differenzialverstärkererfassungsschaltkreisen verbunden, so dass Kapazitäten entlang sämtlicher Reihen und Spalten gleichzeitig erfasst werden; 1 Erfassungschaltkreis pro Reihe und 1 Erfassungschaltkreis pro Spalte. Die Kondensatorleiterbahnen brauchen nicht orthogonal zu verlaufen, es können alternative Winkel verwendet werden, solange sich die Leiterbahnen schneiden. Wenn das Erregungssignal entlang der Diagonalen und an nur eine Diagonale auf einmal angelegt wird, erzeugt nur ein eindeutiges Element in einer Reihe oder Spalte ein Kapazitätsrückführungssignal, wenn es von dem Kapazitätsrückführungsschaltkreis erfasst wird. Daher werden in dem vorliegenden Fall von 64 Elementen für jede diagonale Erregung 8 Kapazitätsrückführungssignale parallel von jeder Reihe und Spalte gelesen. Die Ausgaben sind mit einer 8 Kanal-ADC-Einheit verbunden, eine für die Reihen und eine für die Spalten.
Ebenfalls ist zu beachten, dass bei sehr großen Anordnungen die Zeit zur Erfassung aller Elemente mit dem Kapazitätsrückführungssystem durch die Zeit begrenzt ist, die benötigt wird, um jede Diagonale zu erregen und abzutasten. Eine verbesserte Schaltzeit kann erreicht werden, indem größere Faseranordnungen in Unterabschnitte unterteilt werden, wobei beispielsweise eine Anordnung aus 256 Elementen in 4 kleinere getrennte Ausleseanordnungen unterteilt werden kann. Dieser Lösungsweg kann auf jede Anordnungsgröße skaliert werden.
Um eine weitere Verbesserung bereitzustellen, kann eine Kollimatorlinse an dem Ende der optischen Faser befestigt werden oder damit einstückig sein, um eine breitere Winkelstreuung des austretenden Strahls bereitzustellen. In diesem Fall bewegen sich sowohl die Linse als auch die Faser zusammen, was die Konstruktion vereinfacht und eine schnelle Schaltgeschwindigkeit für eine hohe Anschlussanzahl ermöglicht. Diese Kollimatorlinsen können unabhängig, d. h. mit anderen Schaltbaugruppen, verwendet werden, jedoch sind sie besonders nützlich, wenn sie zusammen mit den oben beschriebenen miniaturisierten "Folientyp"- oder "Monolithtyp"-Wandlern aus piezoelektrischem Material verwendet werden.
Da die Faserend- und Linsenanordnung beide eine Rückreflexion zur Folge haben können (selbst wenn alle Seiten mit dielektrischen Antireflex-Mehrschichtbeschichtungen beschichtet sind), wird ein gewisser Signalverlust verursacht. Des Weiteren hängt die Kopplungseffizienz zwischen den Faserenden und der Kollimatoroptik entscheidend davon ab, dass die Position des Faserendes in der Fokusebene der Linse beibehalten wird. Es kann kollimierte Faseroptik verwendet werden, um dieses Problem zu bewältigen. Einfügungsverluste und Rückreflexion in den optischen Schaltsystemen können bedeutend verringert werden und die Konstruktion kann durch die Verwendung von kollimierten oder einstückigen Linsenfaseroptikenden (16a und 16b) anstelle von Faseroptikend- und Linsenanordnungen vereinfacht werden.
Kollimierte Faseroptik 40 ist kommerziell verfügbar, sie umfasst eine Kollimatorlinse 40a, die an dem Einmodenfaseroptikendabschnitt 5 befestigt ist.
Eine einstückig mit Linsen 41 versehene Faseroptik kann ebenfalls anstelle eines Kollimators 40 bei allen der hier erörterten vorliegenden Anwendungen verwendet werden. Eine einstückige Linsenfaseroptik wird gebildet, indem das Faseroptikende derart behandelt wird, dass es eine Mikrolinse bildet (einstückige Linsenfaseroptiksysteme sind gegenwärtig bei einigen Herstellern von Faseroptiksystemen erhältlich). Der Vorteil, den diese beiden Technologien bei der vorliegenden Schaltanwendung bieten, besteht darin, dass das Licht, das von dem Faseroptikende ausstrahlt, kollimiert und parallel ist, ohne dass zusätzliche getrennte optische Komponenten, wie beispielsweise Linsenanordnungen, enthalten sind.
Eine einstückige Linsenfaseroptik kann ebenfalls hergestellt werden, indem eine geeignete Linse an das Faserende zementiert wird. In allen Fällen können beschichtete oder unbeschichtete Komponenten verwendet werden. Kollimatorbasierte N × N-Faserschalter (d. h. eine Anzahl von N Eingangsanschlüssen und eine Anzahl von N Ausgangsanschlüssen) weisen den Vorteil eines niedrigen Einfügungsverlustes, einer hervorrangenden Übersprechleistung und einer hervorragenden Polarisationsunabhängigkeit auf.
Alternativ können Faseroptikschaltungen erreicht werden, bei denen kollimierte oder einstückige Faseroptikenden in die N × N-Schaltmatrix eingebaut sind, wodurch die Linsenanordnung 12 ausgeschlossen wird, die in den oben beschriebenen alternativen Schaltstrukturen verwendet wird.
Wenn (wie oben beschrieben) eine Kapazitätsrückführung verwendet wird, um die Position des Kollimators zu bestimmen, wird die äußere Fläche des Kollimators metallisiert oder mit einer Beschichtung aus einem leitenden Dünnfilm überzogen.
Die Verbindung mit dem Kollimator kann unter Verwendung von metallisierten Fasern hergestellt werden und Kapazitätsrückführung kann verwendet werden, um die Kapazität zwischen der äußeren Fläche des Kollimators anstatt der metallisierten Faseroptik zu messen. Wenn jedoch einstückige Linsenoptik verwendet wird, wird eine Kapazitätskopplung verwendet, um die Kapazität zwischen der Sensor-Schaltkarte und der metallisierten Faser zu messen.
17 zeigt schematisch, wie die Kollimatorlinse oder die einstückige Linse am Faseroptikende in einen monolithischen faseroptischen Piezoschalter integriert werden kann. Dies ist eine vereinfachte Lösung, bei der die Linsenanordnung 12 durch die Kollimatorlinse 40 oder die einstückige Linse 41 ersetzt wird. Obwohl dies in 17 nicht gezeigt ist, ist es möglich, die Faserlänge zwischen der Oberseite des monolithischen Piezoaktuators und dem Kollimator zu vergrößern.
Um eine größere Winkelschwenkung der Kollimatoroptik am Ende der Faseroptik zu erzielen, kann sie mit einer Kardanbefestigung 42 befestigt werden, die ermöglicht, dass sich der Kollimator 40 um seinen Mittelpunkt dreht, wie in 18–20 gezeigt, um eine Bewegung in der x- und y-Achse 43 bereitzustellen. Vorzugsweise wird eine flexible Verbindung verwendet, die den Kollimator, wie beispielsweise in 19 und 21 gezeigt, mit dem Verlängerungsarm des Piezoaktuators verbindet. Sowohl die Kardanverbindung als auch die flexible Verbindung kann mit Hilfe einer Vielzahl von Mitteln hergestellt werden, einschließlich einer gemusterten Folie. 21 zeigt, wie die Verwendung von Folien, die mit Kardananordnungen verbunden sind, verwendet werden kann, um das faseroptische Ende der Kollimatorlinse oder der einstückigen Linse zu neigen. In diesem Fall kann die Kardananordnung ebenfalls unter Verwendung einer gemusterten Folienkonstruktion hergestellt werden.
19 und 20 zeigen eine Variante des Kollimatorbefestigungsprinzips, bei der ein sich verjüngendes Stück 44 eine Verlängerung der Piezoröhre 8 bildet. Das Verlängerungsstück 44 stellt einen mechanischen Vorteil bereit, d. h. es stellt eine größere XY-Bewegung der Kollimatorbasis bereit als sie nur durch die Piezoröhrenabtastvorrichtung bereitgestellt wird. Das Verlängerungsstück bietet daher einen mechanischen Vorteil hinsichtlich der Bewegung des Piezoaktuators. (Der Ausgangsstrahl ist in 19 mit 45 bezeichnet.) Die Verlängerungsstange 44 des Piezoaktuators verjüngt sich, um die Resonanzfrequenz des mechanischen Systems zu verringern.
Ein Hauptmerkmal dieser Konstruktion besteht darin, dass die Verlängerungsstange 44, verglichen mit einem nicht verlängerten Piezoaktuator allein, eine zusätzliche seitliche Bewegung in der X-Y-Ebene (senkrecht zur Faserachse) der Basis des Kollimators bereitstellt. Der Vorteil davon besteht darin, dass der Kollimatorstrahl für eine gegebene Piezobewegung über einen großen Winkelbereich geschwenkt werden kann. Dies ist wichtig, da dies einen viel größeren adressierbaren Bereich für den resultierenden Strahl bereitstellt, der von dem Kollimator ausgeht, und dadurch die Konstruktion viel größerer Schalteranordnungen (d. h. größerer N × N-Schaltergrößen – höhere Anschlusszahlen) ermöglicht wird.
Bei dem monolithischen Typ wird die optische Faser durch die Mitte der Piezoröhrenabtastvorrichtung geführt. Die vollständige Einheit wird für eine N × N-Schaltereinheit N mal kopiert (22) – es ist zu beachten, dass 22 nur die Piezoaktuatoren zeigt –, wobei die Anordnung entwe der eine quadratische oder sechseckige/dreieckige Auslegung aufweisen kann.
Einzelne Piezoaktuatoren werden durch Formen, Brennen und/oder nachfolgendes Sägen des monolithischen Piezomaterials gebildet, gefolgt von Mustern mit elektrischen Kontakten.
20 zeigt (in übertriebener schematischer Form) die Verschiebung der Faseraktuatorbaugruppe. Die Faseroptik ist in dieser Zeichnung nicht gezeigt – sie verläuft durch die Mitte des Piezoröhrenaktuators 8.
Die Kollimatorkardanbefestigung und die flexible Befestigung des Kollimators könnten auf eine Reihe von Arten hergestellt werden, wobei eine Art und Weise in gemusterten Folien besteht. 21 zeigt ein mögliches Herstellungsverfahren für die Kardanbefestigung. Alternativ kann eine gewundene Folienanordnung zur Herstellung der flexiblen Befestigung verwendet werden.
23 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Aktuators des monolithischen Typs aus piezoelektrischem Material. In diesem Fall wird die Faseroptik 5 (in rechtem Winkel gebogen gezeigt) fest in einem Befestigungsblock 52 gehalten, der ebenfalls elektronische Verbindungen und Kapazitätssensorelektroden stützt (die jeweils zu der festen Faser und der sich bewegenden Linse gehören). Diese erfassen eine Verschiebung der Linse und stellen (wie oben beschrieben) ein Rückführungssteuersignal bereit. Die Linse 50 wird durch eine Linsenbefestigung 51 gestützt, die über einen Verbindungshebel 53 mit einem Aktuator des monolithischen Typs aus piezoelektrischem Material verbunden ist. Die isometrische Ansicht aus 24 zeigt ein Abstandsloch 54, das Bewegungsfreiheit ermöglicht. 25 zeigt eine Vielzahl dieser Aktuatoren, die auf einer festen Stützplatte montiert sind, sowie eine Schaltkarte 55 zur Bereitstellung von Antriebsverbindungen. Wie beispielsweise in 23a gezeigt, endet die Verlängerungsstange 7 in einem verjüngten Abschnitt 53 und einem zylindrischen, stangenförmigen Abschnitt 57, der mit dem Linsenhalter 51 verbunden ist (siehe ebenfalls 24). Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, da die Kollimatorlinse 50 eine leitende Beschichtung aufweisen kann, um als Kondensatorelektrode zu wirken, und im Verhältnis zu dem festen Befestigungsblock 52 in angemessener Weise angeordnet ist, wobei auf dem Befestigungsblock 52 eine andere Kondensatorelektrode (z. B. in gegenüberliegendem Verhältnis) bereitgestellt sein kann, um Rückführungsinformationen bezüglich der Position als Folge von Kapazitätsveränderungen bereitzustellen. Zudem ermöglicht diese Anordnung, dass die Komponenten praxisgerecht auf einer Kapazitätserfassungsstützkonstruktion mit einer schichtweisen Form, wie die unter Bezugnahme auf 13a und 13b beschriebene, angeordnet sind. Dies wird ebenfalls aus den in 29 und 31–34 gezeigten Unterbaugruppen deutlicher, bei denen das Kapazitätserfassungssystem flache leitende Leiterbahnen umfasst, die in einer schichtweisen Form in einer Stützstruktur oder einem Stützblock zusammengebaut sind, der praktischerweise andere Komponenten der Schaltbaugruppe stützen kann. Dies stellt den Vorteil einer Kapazitätserfassung mit einer sowohl kompakten als auch widerstandsfähigen Konstruktion bereit, wodurch die Herstellung erleichtert wird.
26a–26e sind Draufsichten eines Beispiels von Folienkonstruktionen für eine Folienschaltbaugruppe mit 64 Anschlüssen. Diese sind in Schichten isoliert voneinander in der Unterbaugruppe von optischen Faserbündeln angeordnet.
27 ist eine perspektivische Ansicht einer piezoelektrischen Kammkonstruktion 2 für eine folienartige Schalterkonstruktion, die Säge ausschnitte 60 zeigt, die einzelne Aktuatoren 1 trennt, und die ebenfalls metallisierte Kontakte 61, 62, 63 zeigt. 27a zeigt, wie die Finger der Kammkonstruktion 2 mit jeweiligen leitenden Leiterbahnen eines flachen elastischen Anschlusses 2' verbunden sind. Der Piezokamm umfasst äußere Schichten, die eine entsprechende gemeinsame +V- und –V-Ebene bilden, und eine innere Schicht, die eine V-Steuerebene bildet.
Unter Bezugnahme auf 27b ist schematisch ein bevorzugter Vorspannungsantrieb zur Verbesserung der Lebensdauer der Piezoelemente veranschaulicht. Dies umfasst im Wesentlichen, niemals eine Hälfte von Piezobimorphen derart anzutreiben, dass sie auf andere Weise depolarisiert werden könnten. Ein Vorspannungsantrieb verlängert demgemäß die Lebensdauer der Vorrichtung. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass die Anzahl der elektrischen Verbindungen mit Piezokämmen drastisch verringert werden kann. Die oberen Elektroden für alle Elemente des Kamms werden im Wesentlichen gemeinsam benutzt, die unteren Elektroden für alle Elemente des Kamms werden ebenfalls gemeinsam benutzt, und nur die mittleren Elektroden der Elemente benötigen eine unabhängige Steuerung. Daher sind für einen Kamm mit 8 Bimorphen nur 8 + 2 (10) anstatt 8 + 8 + 8 (24) elektrische Verbindungen vorhanden.
28a–28e zeigen Draufsichten auf jede Schicht von Piezokammanordnungen und Folienanordnungen, wie beispielsweise die in 26a–26e gezeigten. Diese sind zu einer Schaltbaugruppe, wie in 29 und 30 gezeigt, zusammengebaut. 29 zeigt einen 5-Folien-Stapel 64, Piezokämme 2 in einer Stützplatte 65, mit der elektrische Verbindungen durch ein Bandkabel 66 hergestellt sind, wobei die Komponenten in einer Stützkonstruktion 67 montiert sind. Eine optische Faseranordnung 5 verläuft mittig durch die Konstruktion 67, wie ebenfalls in der Rückansicht aus 30 gezeigt.
31a und 31a sind ausgeschnittene perspektivische Ansichten einer Schaltanordnung der monolithischen Art, bei der Piezoaktuatoren 70 der Art einer monolithischen Röhre metallisierte Faseroptik 71 ablenken, die in Kollimatoren 72 (oder benachbart zu diesen) endet, die in einer Kapazitätssensorrückführungsschaltkarte 73 montiert sind; wobei mechanische Hebelwirkung (wie die in 20 gezeigte) durch die Verlängerungshebel 74 ausgeübt wird (wobei eine vergrößerte Ansicht in 31c gezeigt ist).
32 und 33 zeigen folienartige Unterbaugruppen in einer späteren Phase der Fertigstellung und 34 zeigt zwei der Unterbaugruppen, die einander über einen Zwischenraum hinweg gegenüberliegen, in dem die Strahlen projiziert werden.
Anhang A
Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines piezoelektrischen Wandlers des monolithischen Typs ist unten ausführlicher beschrieben, alle elektrischen Verbindungen zum Steuern der Fasern sind zu Kontaktflecken an der Kante der Keramik ausgestülpt und drei Verbindungen werden jeweils mit Spannung versorgt, um sie anzutreiben.
Erster Schritt: Die Verbindungen sind auf einer Keramikbasis ausgelegt. Zweischichtmetallisierung, hinaus zur Anordnung von Kontaktflecken um die Kante herum.
Zweiter Schritt: ein Niedertemperaturkeramikgitter mit grobem Muster wird gedruckt und gebrannt.
Dritter Schritt: Löcher in dem Muster werden beschichtet und mit darunterliegenden Verbindungen verbunden.
Vierter Schritt: Eine Piezoscheibe einer Güteklasse, die für Tintenstrahldruckköpfe oder Ähnliches verwendet wird und für Diamantsägen geeignet ist, wird unter Verwendung einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt mit der Keramikbasis verbunden.
Fünfter Schritt: Löcher werden hindurchgebohrt (um Faserkern freizulegen)
Sechster Schritt: Erster sechseckiger Sägeschneidschritt (7)
Siebter Schritt: Die Seiten der Säulen werden beschichtet oder tief bedampft. Faserlöcher sowie die Rückseite des Keramikelements werden zur Verwendung als Erdungsverbindung mit den Faserlöchern ebenfalls beschichtet oder bedampft. Die Spitzen der Säulen werden nach Bedarf entmetallisiert.
Achter Schritt: Das Piezoelement wird unter Öl polarisiert, wodurch eine radiale Polarisation in den Säulen erzeugt wird.
Neunter Schritt: Die zweite Gruppe des Sechsecksägevorgangs erzeugt die endgültigen Säulen (7). Benötigt einen weiteren Schneidvorgang, um Metalldicke zu verringern, falls beschichtet und nicht bedampft. Drahtverbindungen oder Lötflecken zu elektrischen Anschlüssen.
Zehnter Schritt: Faserkerne (die Enden sind bereits präpariert) werden bei über flachem und positionierendem Gitter angeordneter Vorrichtung hin durchgeführt. In jede Faser UV-härtendes Epoxid einführen und aussetzen.
Elfter Schritt: Mikrolinsenanordnung befestigen und fokussieren.
Zwölfter Schritt: Rückseite an Rückseite mit passender Anordnung oder mit passendem Spiegel zusammensetzen. Faserenden mit Anschlüssen verbinden.
Die Anzahl von Fasern, die in der sechseckigen Anordnung bei gegebener Faser erreichbar sind, kann um das n-fache der Punkttrennung vom Mittelpunkt gebogen werden und beträgt n(n = 1)*3 + 1. D. h. eine Ablenkungsfähigkeit von +/–10 Punktgrößen bietet Zugriff auf 334 Punkte – 1 nicht blockierender 334 × 334-Schalter. Zur Verwirklichung dieser Leistung muss die korrekte Pfadlänge verwendet werden.
Die Qualität der Linsenanordnung ist für die Erzielung beugungsbeschränkter Gauss'scher Strahlen, die zur Leistungsmaximierung benötigt werden, von Bedeutung. Wenn eine große nummerische Öffnung und ein kleines Sichtfeld verwendet werden, erzeugt eine einzelne Oberflächenparabolform, die aus mehrschichtigem abgeschiedenem Siliciumdioxid aufgebaut wird, das daraufhin aufgeschmolzen wird, hervorragende Ergebnisse.
Die Antwortzeit wird durch die Resonanzfrequenz der Säulen plus Faser eingestellt. Je kürzer und dicker desto besser (dies ist eine entgegengesetzte Anforderung zur Maximierung der Bewegung). Es ist vorteilhaft, wenn die Säule zur Spitze hin leichter wird.
Die Ablenkung wird unter Verwendung dieses radial gepolten Systems erreicht, wobei radiale Polungen und Spannungen zwischen drei Seiten und dem Mittelpunkt angelegt werden. Durch Verwendung einer Schermodusablenkung wird eine erneute Polarisierung vermieden (kann durch die Dicke vorpolarisiert werden), ergibt jedoch eine wesentlich geringere Ablenkung. Eine maximale Ablenkung wird mit Hilfe eines mehrschichtigen Stapels, der durch die Dicke hindurch polarisiert ist, erreicht, jedoch sind hierzu mehrere Schichten erforderlich.
Durch Verwendung eines teilweise durchlässigen Spiegels und einer CCD-Vorrichtung an der Stelle, an der das andere Faserpaket angeordnet würde, wird die Ausrichtung des einzelnen Pakets mit einer Spiegelkonfiguration erleichtert. Dies kann, falls bei dieser Konfiguration gewünscht, prozessgekoppelt oder einfach als Einrichtungshilfe für die Elektronik verwendet werden, um die korrekten Antriebsspannungen für alle Positionen aller Fasern zu ermitteln.

Claims

Faseroptikschaltbaugruppe, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Folgendes umfasst: (a) eine erste Kompenentengruppe, die eine Anzahl von Lichtleitern (5) umfasst, die von einer zweiten Kompenentengruppe, die eine Anzahl von Lichtleitern (5) umfasst, beabstandet ist; (b) Kollimatormittel (12t; 40; 41; 50), die jedem Lichtleiter entsprechen; (c) Betätigungsmittel (1a, 1b; 2a; 2c; 2d; 2e; 4a; 4b; 9a; 9c; 9; 7; 7a; 7b; 8; 44; 55), die sich biegen, wenn sie betätigt werden, und betriebsfähig mit dem Kollimatormittel verbunden sind, um die Kollimatormittel einzeln zu bewegen und die optische Strahlung abzulenken, so dass sie von einem ausgewählten Leiter in der ersten Gruppe gesendet und von einem ausgewählten Leiter in der zweiten Gruppe empfangen wird.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Kollimatormittel eine erste und eine zweite Extremität aufweisen und die Betätigungsmittel ein Mittel (44) aufweisen, die in die erste Extremität des Kollimators eingreifen, wobei die Kollimatormittel so eingeschränkt sind, dass, wenn sich das Betätigungsmittel zum Bewegen des Kollimatormittels in eine Richtung bewegt, sich die zweite Extremität im Wesentlichen in die entgegengesetzte Richtung bewegt.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Baugruppe eine Stützkonstruktion aufweist und die Kollimatormittel jeweils mit Hilfe eines Halters (42) an der Stützkonstruktion befestigt sind, um die Kollimatormittel so einzuschränken, dass sich die Kollimatormittel in einer schaukelnden Bewegung bewegen, wenn sie von dem Betätigungsmittel betätigt werden.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei Positionserfassungsmittel (13; 31N; 31S; 31W; 31E) bereitgestellt sind, um die Position mindestens einer der Kompenenten der Baugruppe zu erfassen, die von dem Betätigungsmittel bewegt werden, wobei die optische Strahlung von der ersten zur zweiten Gruppe von Kollimatormitteln ohne dazwischen angeordnete Positionserfassungsmittel übertragen wird.
Baugruppe nach Anspruch 4, die des Weiteren ein Steuersystem umfasst, wobei die Positionserfassungsmittel mit Positionserfassungsrückführungsmitteln betrieben werden, wodurch die Positionserfassungsrückführungsmittel mindestens ein Rückführungssignal, das das Ausmaß der Ablenkung der bewegten Kompenenten der Baugruppe darstellt, in das Steuersystem einspeist, und das Signal von dem Steuersystem verwendet wird, um sicherzustellen, dass jedes der Kollimatormittel der ersten Gruppe auf jedes ausgewählte Kollimatormittel der zweiten Gruppe gerichtet ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei das Kollimatormittel mindestens ein Linsenintegral (40a; 41) umfasst, das mit dem Ende des Leiters angeordnet oder an diesem befestigt ist, wodurch sich der Leiter und die Linse zusammen bewegen.
Baugruppe nach Anspruch 1, bei der das Betätigungsmittel zum Bewegen der Kollimatormittel elektrostatische Mittel umfasst.
Baugruppe nach Anspruch 1, bei der das Betätigungsmittel zum Bewegen der Kollimatormittel piezoelektrische Wandlermittel (1a, 1b; 2b; 2c; 2d; 2e; 7; 7a; 7b; 8) umfasst.
Baugruppe nach Anspruch 8, bei der das piezoelektrische Wandlermittel ein „Folientyp" ist, wobei Finger einer kammartigen Anordnung (2) von Piezowandlern (1a; 1b; 2a; 2b; 2c; 2d; 2e) an Betätigungsmitteln, wie beispielsweise Folienstreifen (4a; 4b; 9a; 9b; 9c; 9) befestigt sind, um eine orthogonale Bewegung eines der Lichtleiter (5a; 5a; 5b) und der Kollimatormittel zu erzeugen, wobei die Folien und die Kämme in einer schichtweisen Matrix zusammengesetzt werden können.
Baugruppe nach Anspruch 8, wobei das piezoelektrische Wandlermittel ein „Monolithtyp" ist, der Wandler aus piezoelektrischem Material hergestellt ist, einen Körper mit einer Längsachse aufweist und der Körper leitfähige Streifen aufweist, die zu der Längsachse ausgerichtet sind, um jeweilige Abschnitte des Wandlers. zu definieren, die jeweilige Querbewegungen in unterschiedlichen radialen Richtungen verursachen, um eine resultierende Bewegung in der zweidimensionalen Ebene senkrecht zu der Längsachse bereitzustellen.
Baugruppe nach Anspruch 4, wobei die Positionserfassungsmittel (13) Kapazitätsänderungen erfassen, um eine Position zu bestimmen; mindestens einer der Leiter eine leitfähige Beschichtung aufweist, die mindestens als eine Kondensatorelektrode wirkt, die sich im Verhältnis zu mindestens einer anderen festen Kondensatorelektrode bewegt, wodurch Positionsinformationen mindestens eines der Leiter und der Kollimatormittel bereitgestellt werden.
Baugruppe nach Anspruch 4, wobei die Positionserfassungsmittel Kapazitätsänderungen erfassen, um eine Position zu bestimmen; mindestens eines der Kollimatormittel eine leitfähige Beschichtung aufweist, die mindestens als eine Kondensatorelektrode wirkt und zusammen mit mindestens einer anderen Kondensatorelektrode betrieben wird, die Teil einer benachbarten Stützkonstruktion ist.
Baugruppe nach Anspruch 4, wobei das Positionserfassungsmittel leitfähige Spuren (31N; 31S; 31W; 31E) umfasst, die an Punkten kreuzen, bei denen Paare von leitfähigen Spuren, die zu einem der einzelnen Leiter (5) und den Kollimatormitteln gehören, dafür ausgelegt sind, Kapazitätsänderungen zu erfassen.
Baugruppe nach Anspruch 4, wobei das Positionserfassungsmittel ein Diagonaladressierungssystem verwendet, wobei ein Signal sequenziell an Diagonalen der erfassten Punkte angelegt wird, und Kapazitätsänderungen sequenziell aus jeder Zeile und Spalte abgelesen werden.
Baugruppe nach Anspruch 1, bei der das Mittel zum Bewegen des Kollimatormittels einen Monolithwandler umfasst, der mit mechanischen Hebelmitteln (44; 7) zusammen wirkt, um die Wandlerbewegung zu vergrößern.
Baugruppe nach Anspruch 15, bei der das Hebelmittel eine Kardanbefestigung (42), eine elastische Befestigung und eine Verlängerungsstange (44; 7) umfasst, die zwischen einem Ende des Körpers des Wandlers und einem Befestigungspunkt am Kardan beabstandet von seiner Drehachse angeordnet sind.