DE60127667T2

DE60127667T2 - Optischer flüssigkristallschalter mit zuverlässiger steuerung

Info

Publication number: DE60127667T2
Application number: DE60127667T
Authority: DE
Inventors: Bruno Vinouze; Nicole Wolffer; Roger Lever; Philippe Gravey
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2021-06-16
Also published as: US7136548B2; WO2001096938A2; FR2810415B1; US20050018954A1; EP1292858B1; AU2001267674A1; FR2810415A1; WO2001096938A3; DE60127667D1; EP1292858A2

Description

Die Erfindung betrifft die Geräte, die Umschaltungen von optischen Strahlen für Umlenkfunktionen von Transportkanälen durchführen.
Diese Systeme ermöglichen es, die Lichtleitfasern eines Eingangskabels einzeln und unabhängig mit denjenigen eines Ausgangskabels zu verbinden.
Diese Art Einrichtung kann bei optischen Querverbindungs- oder Schalteinrichtungen verwendet werden. Eine andere mögliche Anwendung betrifft die Sicherung der optischen Schleifen eines Transportsystems, wobei das System die Umsteuerung auf der Ebene eines Knotens gewährleistet.
Allgemeiner betreffen diese Einrichtungen alle Gebiete, auf denen das Umlenken von optischen Strahlen notwendig ist.
Die heutigen Querverbindungssysteme verwenden das Prinzip des klassischen elektronischen Umlenkens der Schalter. Am Eingang der Querverbinder werden die optischen Strahlen von Fotodioden in elektrische Signale umgewandelt, dann wird klassisch eine elektronische Umlenkung durchgeführt. Am Ausgang des Querverbinders und in der betrachteten Faser sendet ein Laser einen optischen Strahl auf der richtigen Wellenlänge und mit der richtigen Modulationsfrequenz.
Es gibt andere Systeme, die im freien Raum arbeiten. Die am weitesten entwickelten Einrichtungen bestehen aus mechanischen Elementen, die auf Schrittschaltmotoren montiert sind, die die Fasern einander gegenüber fluchtend ausrichten. Heute ermöglichen diese von der Firma JDS [1] vertriebenen Maschinen die Verbindung von bis zu 32 Fasern. Diese Einrichtungen werden derzeit in den optischen Transportnetzen verwendet.
Ein dritter Typ von Umlenkeinrichtung nutzt die geleitete Ausbreitung auf einem Substrat, und die Umlenkung wird durch Erwärmen einer leitenden Zone durchgeführt. Die Firma NEL verkauft eine Umlenkeinrichtung mit der Kapazität 8×8, hergestellt in thermo-optischer Technologie von Siciliumdioxidleitern auf einem Siliciumsubstrat [2]. Die Firma Akzo-Nobel vertreibt 1×8-Umlenkeinrichtungen, die Leiter aus Polymermaterial auf einem Siliciumsubstrat verwenden [3].
Andere Vorgehensweisen werden im Labor untersucht, insbesondere Systeme, die Flüssigkristallzellen mit doppeltbrechenden Kalzitkristallen verbinden. Diese Systeme verwenden elektrisch angesteuerte Zellen, die den Polarisationszustand des optischen Strahls verändern können. Abhängig von der Polarisation wird der Strahl dann umgeleitet oder nicht [4].
Es wurden Untersuchungen an einem holographischen Ablenkungssystem durchgeführt, das ein photo-thermoplastisches Material verwendet. Beugungsgitter, die in dieses Material optisch eingeschrieben werden, gewährleisten die Ablenkung der optischen Strahlen. Ein System mit der Kapazität 16×16 wurde im Labor hergestellt [5].
Die elektronischen Querverbindersysteme, die die optoelektronische Umwandlung und die elektronische Umlenkung verwenden, sind auf Durchsätze in der Größenordnung von 2,5 Gigabit/s begrenzt, da die elektronischen Bauteile, die die Umschaltung gewährleisten, bezüglich ihrer Betriebsfrequenz beschränkt sind. Selbst wenn die konstanten Verbesserungen, die an den integrierten Schaltungen durchgeführt werden, die Betriebsgrenzen auf immer höhere Frequenzen hinausschieben, werden die Durchsätze, die die Querverbinder hoher Kapazität benötigen, mit dieser Technologie nur sehr schwierig erreicht.
Die mechanischen Umlenkeinrichtungen, die Schrittschaltmotoren verwenden, haben den Vorteil, aufgrund einer großen Ausrichtungspräzision der Fasern die sie durchquerenden optischen Signale wenig zu dämpfen. Dagegen sind diese Systeme langsam, da sie große Verschiebungen erfordern können. Außerdem ist diese Reaktionszeit proportional zur Kapazität des Systems (typischerweise eine Sekunde). Die Verwendung einer Vielzahl von in Bewegung befindlichen mechanischen Bauteilen kann zu Problemen der Abnutzung, der Wiederholbarkeit und somit der Zuverlässigkeit führen. Schließlich sind die Kosten dieser Maschinen derzeit sehr hoch, was natürlich ihre Integration in die Netze einschränkt.
Die Umlenkeinrichtungen mit planaren Technologien werden heute auf Siliciumsubstrat hergestellt, und die Kapazität dieser Systeme wird unter anderen durch die Abmessung der verfügbaren Substrate (oder Wafer) begrenzt. Zu den Umlenkeinrichtungen selbst muss der Raumbedarf der Lichtleiter hinzugefügt werden, die die Verbindungen gewährleisten, der Krümmungsradius der Leiter muss nämlich ausreichend groß sein, um keine optischen Verluste zu erzeugen. Mit den heutigen Substraten scheinen die Kapazitäten auf 16×16 begrenzt zu sein.
Die Flüssigkristallsysteme, die die Technik der Polarisationsdrehung verwenden, erfordern die Kaskadenanordnung einer großen Anzahl von Zellen und doppeltbrechenden Kristallen, um große Kapazitäten zu erreichen. Dies führt zu hohen Kosten, einem bedeutenden Raumbedarf und möglicherweise zu hohen Verlusten. Außerdem erfordert diese Technik eine große Anzahl von Schaltstufen, um sich von blockierenden Konfigurationen zu befreien.
Es wurde ebenfalls in [6] eine Umlenkeinrichtung von optischen Strahlen vorgeschlagen, die zwei Flüssigkristallzellen aufweist, die je mit eine Reihe von Elektroden versehen sind, um ein Medium mit inhomogenem optischem Index zu erzeugen, mit einer Verteilung, die für eine präzise Umleitung jedes Strahls gewählt wird. Die Vorrichtung dieser Druckschrift erfordert aber Versorgungseinrichtungen der Elektroden, die komplex und mühsam anzuwenden sind.
Es ist das Hauptziel der Erfindung, diesen Nachteil zu beseitigen, d.h. eine Umlenkeinrichtung mit Umleitung durch Flüssigkristallzellen anzugeben, die Steuereinrichtungen aufweist, die ihre Installation erleichtern und ihre Herstellungskosten verringern.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß mit Hilfe einer Umlenkeinrichtung eines optischen Strahls erreicht, wie sie im Anspruch 1 beschrieben ist.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung hervor, die sich auf die beiliegenden Figuren bezieht. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Umlenkeinrichtung;
2 einen Längsschnitt durch einen Abschnitt einer Flüssigkristallzelle der Umlenkeinrichtung aus 1, der mit einem Verlauf in Übereinstimmung gebracht wird, der eine Verteilung von optischen Indices in diesem Zellenabschnitt darstellt, und mit einer Reihe von Beugungsflecken in Übereinstimmung gebracht wird, die am Ausgang dieser Zelle erhalten werden;
3 eine Elektroden-Versorgungsschaltung von Flüssigkristallzellen einer erfindungsgemäßen Umlenkeinrichtung;
4 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Umlenkeinrichtung;
5 die gleiche Umlenkeinrichtung in Perspektive;
6 eine Umleitungskarte der Umlenkeinrichtung aus 5 von vorne gesehen;
7 eine Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die hier beschriebene Vorrichtung ist eine Umlenkeinrichtung von optischen Strahlen mit einer Kapazität von acht Fasern zu acht Fasern, die vollständig in ein konfektioniertes Gehäuse integriert ist und eine Steuerelektronik und eine Ansteuerungssoftware besitzt.
Das Schaltbild der 1 beschreibt die optische Funktionalität der Vorrichtung, angewendet an die Verbindung von fünf der acht Fasern miteinander.
Diese Einrichtung ermöglicht es, mit Hilfe einer Flüssigkristallzelle 200 einen von einer beliebigen Eingangsfaser 110 bis 150 kommenden Strahl umzulenken, und mit Hilfe einer zweiten Zelle 300 die Strahlen an den Eingang von Ausgangsfasern 410 bis 450 umzuleiten. Die Verbindungen erfolgen Faser für Faser, indem mit Hilfe der zwei Ebenen 200 und 300 die optischen Strahlen abgelenkt werden, die sich im freien Raum ausbreiten.
Die Einrichtung führt die Umlenkung von optischen Kanälen durch, und die Rekonfigurationsdauern liegen in der Größenordnung einer hundertstel Millisekunde. Diese Einrichtung ist billig, da sie die Technologie der Flüssigkristallzellen verwendet. Schließlich ermöglicht es diese Technologie, hohe Kapazitäten zu erreichen.
Die Ablenkung wird mit Hilfe von Beugungszellen mit nematischem Flüssigkristall durchgeführt, die Phasengitter erzeugen. Die Beugungsgitter werden erzeugt, indem an Elektroden wie diejenigen, die mit 510 bis 580 bezeichnet und im Einzelnen in 2 dargestellt sind, Wechselspannungen angelegt werden, d.h. Wechselspannungen an den Anschlussklemmen des Flüssigkristalls 600, der in den Zellen enthalten ist.
Die Eingangsfasern 110 bis 150 haben den gleichen Abstand und sind in einer Leiste angeordnet. Ihnen folgen Mikrolinsen 112 bis 152, deren Aufgabe es ist, die optischen Fasern über die ganze Ausbreitungslänge nicht-divergierend zu machen.
Jede Zelle 200 und 300 hat eine Reihe von Zonen, die je einer Faser entsprechen. Diese Zonen werden hier auch "Hologramme" genannt.
Eine erste Ebene von Hologrammen lenkt jeden Strahl in einer ganz präzisen Richtung ab. Dann richtet die zweite Flüssigkristallzelle 300 die Strahlen aus, die anschließend mit Hilfe von vor den Leisten 410 bis 450 positionierten Ausgangs-Mikrolinsen 412 bis 452 in die Ausgangsfasern 400 bis 450 eingespeist werden. Die Fasern, die Linsen und die Hologramme (oder "Zonen") haben den gleichen Abstand und sind präzise zueinander ausgerichtet, um die Verluste zu minimieren ([6]).
Die Eingangszonen 210 bis 250 bestehen aus der gleichen Eingangs-Flüssigkristallzelle 200, und die Ausgangszonen 310 bis 350 bestehen aus der gleichen Ausgangs-Flüssigkristallzelle 300, die die aktiven Elemente bilden, die die Ablenkung der Strahlen gewährleisten.
Diese Zellen bestehen aus zwei Glaslamellen 500 mit einem Abstand von einigen Mikron, in den der Flüssigkristall 600 eingefügt ist.
Eine der Glaslamellen ist vollständig mit einer leitenden und transparenten Elektrode 555 bedeckt: Das ist die Gegenelektrode. Die andere Glaslamelle besitzt leitende und transparente Zonen 510 bis 580, die gemäß einem ganz spezifischen Muster eingeätzt sind: Das sind die Elektroden.
Die Elektroden 510 bis 580 haben ein großes Länge/Breite-Verhältnis, sie sind typischerweise einige Mikron breit für eine Länge von einigen Millimetern. Der Raum zwischen den Elektroden, oder Zwischenelektrodenraum, ist sehr kritisch, er beträgt ebenfalls einige Mikron.
Für jede Zone oder Hologramm sind diese Elektroden in großer Zahl nebeneinander angeordnet, um die Gesamtheit eines Strahls zu bedecken, dessen Durchmesser ein bis zwei Millimeter beträgt.
Durch Konstruktion der Zelle ist die Anfangsausrichtung der nematischen Moleküle planar, und ihre große Achse ist parallel zur Länge der Elektroden.
Der einfallende optische Strahl muss linear polarisiert werden, mit seiner Polarisationsachse parallel zur großen Achse der nematischen Moleküle.
Elektrische Wechselspannungen werden hier an die Anschlüsse des Flüssigkristalls zwischen den Elektroden 510 bis 580 und der Gegenelektrode 555 angelegt. Unter der Wirkung der Spannungen lässt die dielektrische Anisotropie des Flüssigkristalls 600 die Moleküle kippen, die ihre große Achse parallel zum elektrischen Feld ausrichten. Das Kippen der Moleküle induziert dann eine Veränderung der Brechungsindices des vom optischen Strahl durchquerten Mediums.
Wenn man an eine Folge von Elektroden 510 bis 580 die gleiche Spannungsänderung anlegt, erzeugt man im Flüssigkristall 600 eine periodische Phasenstruktur. Die Wiederholung dieser Phasenstruktur formt die Periode eines Gitters, das den einfallenden Strahl beugt.
Man kann die Periode des Gitters verändern, indem man die Anzahl von mit der gleichen Spannungsänderung angesteuerten Elektroden erhöht oder verringert. Der Ablenkungswinkel wird durch Veränderung der Periode des Gitters verändert.
Wenn die Spannungen kontinuierlich steigend sind, nimmt die Phase kontinuierlich ab und erzeugt so ein Sägezahngitter oder ein geblaztes Gitter. Der Beugungswirkungsgrad, definiert als das Verhältnis der Lichtenergie eines gebeugten Flecks zu der Energie, die vom Gitter in Abwesenheit einer Spannung übertragen würde, kennzeichnet die Wirksamkeit der Ablenkung. 2 zeigt eine solche Flüssigkristallzelle mit geblaztem Phasenprofil.
Man verwendet einen der gebeugten Flecken als Ausgangsstrahl. Der diesem Fleck entsprechende Beugungswirkungsgrad muss also so hoch wie möglich sein.
In dieser Figur wird einer der Beugungsflecke 710 bis 740 (zum Beispiel der Fleck der Ordnung 1 mit dem Bezugszeichen 710) als abgelenkter Strahl verwendet.
Für eine Spannung Null ist der Index des Mediums hoch (n₀ des Flüssigkristalls), und für eine hohe Spannung ist der Index gering (ne des Flüssigkristalls), und zwischen diesen beiden Extremen sind die Spannungen eingestellt, um ein kontinuierlich abnehmendes lineares Profil zu bilden.
Beugungswirkungsgrade in der Größenordnung von 60 bis 90% werden mit dieser Technik erhalten.
Diese Art von Umlenkeinrichtung besitzt viele Vorteile. Sie ist unabhängig vom Übertragungsdurchsatz und vom Typ des Transportprotokolls, da die optischen Strahlen einfach abgelenkt werden, ohne dass ihr Inhalt verändert wird.
Außerdem ist die Konfiguration des Systems, das vom Typ N zu N ist, strikt nicht-blockierend, d.h. dass einerseits alle Verbindungskonfigurationen möglich sind, und außerdem die Rekonfiguration von zwei Verbindungen die bereits aufgebauten Verbindungen nicht stört.
Andererseits weist das Prinzip der holographischen Ablenkung Verluste auf, die wenig mit der Kapazität des Systems variieren, da die Anzahl von zu durchquerenden optischen Elementen konstant ist, wenn die Kapazität zunimmt, und nur die Beugungswirkungsgrade sich leicht verringern, wenn die Winkel zunehmen. Diese Technik ermöglicht es also, am Ende große Kapazitäten bezüglich der Anzahl von Fasern zu erreichen.
Das hier vorgestellte System ist eine vollständige holographische Umlenkeinrichtung, die es ermöglicht, acht Fasern mit acht Fasern zu verbinden.
Die Umlenkeinrichtung, ihre optische Umlenkmatrix mit Flüssigkristall, und ihre Ansteuerungselektronik sind in ein konfektioniertes Gehäuse integriert, und eine Steuersoftware in einem ausgelagerten PC verwaltet die Verbindungen der Einrichtung. Zunächst wird das optische System und dann die Ansteuerungselektronik und dann die Ansteuerungssoftware beschrieben.
Der aktive optische Teil des Systems besteht aus zwei gleichen Flüssigkristallzellen 200 und 300, die die Ablenkung von Strahlen gewährleisten. Die passive Optik weist Leisten von Eingangs-Lichtleitfasern 110 bis 150 und Ausgangs-Lichtleitfasern 410 bis 450 in 1, Mikrolinsen 112 bis 152 und 412 bis 452 sowie eine Einheit auf, die aus einer Halbwellen-Lamelle 800 und einem doppeltbrechenden Kristall 850 besteht, um die Umlenkeinrichtung für die Polarisation unempfindlich zu machen. Mechanische Bauteile gewährleisten die präzise Positionierung dieser optischen Elemente.
Die Flüssigkristallzellen 200 und 300 wurden ausgehend von elektronischen Schaltungen für flache Bildschirme konzipiert. Diese Schaltungen, mit Cirrus Logic 6840 bezeichnet, sind Spalten-Demultiplexer, die praktisch analoge Spannungen liefern können, die zwischen 0 und 5V liegen.
Diese Schaltungen sind auf flexible Träger montiert, im Englischen "Tape Automated Banding" (TAB) genannt, die je 309 Ausgänge (103 Triaden von Primärfarben rot, grün und blau) haben, Ausgänge, die mit den Elektroden der zugeordneten Zone, d.h. der Zone der Zelle, die einem betrachteten Strahl zugeordnet ist, mit Hilfe eines Klebstoffs mit anisotroper elektrischer Leitfähigkeit verbunden sind.
Die TAB mit den Bezugszeichen 910 bis 980 sind je solchen unterschiedlichen Zonen unter den acht jeder Zelle 200 und 300 zugeordnet.
Am Eingang einer TAB sind etwa zwanzig Verbindungen mit einer peripheren Schaltung verbunden, die Ansteuerungsspannungen verwaltet (Bezugspunkt der Schaltung, Durchlaufrichtung der Spannungen, Ansteuerungsfrequenz usw.). Eine spezifische TAB ist hier also pro optischer Strahl zugeordnet.
Die Umlenkeinrichtung weist für jede Eingangs- oder Ausgangszelle eine Gruppe von 8 TAB auf, die auf einer peripheren Karte verteilt sind, wie es 3 zeigt, wobei jede TAB Steuerspannungen auf den Elektroden einer Eingangszone (auf den Elektroden einer Ausgangszone im Fall der Ausgangskarte) liefert.
Die TAB dienen dazu, ein Signal, das das anzuschließende Paar aus Eingangskanal und Ausgangskanal anzeigt, in Versorgungssignale umzuwandeln, die diesen Elektroden entsprechen, d.h. je eine der acht unterschiedlichen Zonen einer gegebenen Karte anzusteuern, durch die jedes Mal ein optischer Strahl geht.
Da der Abstand der Zonen der Zelle, die je einem Strahl entsprechen, 1,4 mm beträgt, besteht jede aktive Zone aus 309 Elektroden einer Breite von 2,5 μm und einer Länge von 3 mm, der Abstand zwischen den Elektroden beträgt 2 μm.
Für eine optimale Präzision wird eine Anzahl von Elektroden pro Zone zwischen 100 und 500 bevorzugt.
Die Leiter einer Zelle bestehen aus zwei Metallschichten, die zweimal geätzt werden, um die Anzahl von unterbrochenen Leitern (Redundanz) zu reduzieren und auch um die Zugangswiderstände zwischen der TAB und der aktiven Zone zu verringern. Eine Metallschicht auf der Gegenelektrode 555 dient dazu, eine optische Maske zu definieren, bei der nur die Öffnungen das Licht durchlassen.
Abgesehen von den zwei Flüssigkristallzellen 200 und 300, die einander gegenüber positioniert sind, besteht die Umlenkeinrichtung aus einer Einheit von optischen Elementen, die sie von der Polarisation unabhängig macht.
Wie 7 zeigt, hängen in einem optischen Umlenksystem, das rekonfigurierbare Beugungsbauteile (wie zum Beispiel die räumlichen Lichtmodulatoren mit Flüssigkristallen) verwendet, die der Ablenkung jedes optischen Strahls zugeordneten Verluste optischer Leistung vom Wert des Ablenkungswinkels ab.
Diese Abhängigkeit drückt sich durch eine Veränderung der optischen Gesamtverluste des Umlenksystems in Abhängigkeit von den verbundenen Eingängen/Ausgängen aus. Wie nachfolgend erläutert, erlaubt es das vorgeschlagene System aufgrund des Vorhandenseins einer Makrolinse 113 und 413 vor jeder Zelle 200 und 300, gleichmäßige Verluste auf allen möglichen Verbindungen zwischen den Eingängen und Ausgängen des Systems zu erhalten, und dies, ohne auf ein beliebiges Regelsystem der optischen Leistung zurückzugreifen.
Es wird zunächst angemerkt, dass die Schwankungen der Verluste des Systems in Abhängigkeit von den Verbindungen mit denjenigen der Eingangsmodule (Fasern + Mikrolinsen + mögliche Polarisationsverarbeitungsbauteile), der zwei Ablenkungsstufen und der Ausgangsmodule verbunden sind.
In 7 ist die Wirkung der Makrolinsen auf die geometrische Verteilung der Strahlen dargestellt.
Wenn man mehrere Zellen zugeordnete Linsen verwendet, ordnet man vorteilhafterweise die optischen Zentren dieser Linsen auf gegenüber liegenden Seiten des Pfads des Lichts an, so dass die Wirkungen der Linsen sich kompensieren und die von den umleitenden Zellen anzuwendenden Umleitungen nicht zu hoch sind.
Für eine gegebene Verbindung des Eingangs i mit dem Ausgang j und in der achsennahen Annäherung hängt der Ablenkungswinkel am Eingang aufgrund des Vorhandenseins einer konvergierenden Makrolinse vor der Eingangszelle 200 (oder jeder anderen Art von konvergierender Montage, wie zum Beispiel eine Reihe von Linsen auf dem gleichen optischen Pfad) nur vom Ausgang ab (nicht vom betrachteten Eingang). Da nämlich alle Ordnungen 0 von Licht unabhängig vom betrachteten Eingang auf die Achse der Eingangs-Makrolinse fokussiert sind, benötigt man unabhängig vom betrachteten Eingang die gleiche Ablenkung, damit die Ordnung 1 auf einen gegebenen Ausgang umgeleitet wird.
Man kann also die Eingangs-Ablenkungsverluste durch ein Dämpfungsglied mit festgelegter Dämpfungsverteilung vor der Ausgangszelle 300 korrigieren, das in 7 das Bezugszeichen 390 trägt.
In gleicher Weise hängt der Ablenkungswinkel am Ausgang aufgrund des Vorhandenseins einer konvergierenden Makrolinse vor der Ausgangszelle 300 (oder jedes anderen Montagetyps, der im Wesentlichen auf die Eingangszelle konvergiert, wie zum Beispiel eine Reihe von Linsen auf dem gleichen optischen Pfad) nur vom Eingang ab (nicht von dem betrachteten Ausgang).
Man kann also die Ausgangs-Ablenkungsverluste durch ein Dämpfungsglied mit festgelegter Dämpfungsverteilung vor der Eingangszelle 200 korrigieren, das in 7 das Bezugszeichen 290 trägt.
Diese interessante Eigenschaft des Systems, verbunden mit der Verwendung der Makrolinsen, ermöglicht es, die Verluste des Systems (in dB) in folgender Form auszudrücken:
Man kann also die Verluste des Umlenksystems unabhängig von dessen Verbindungskonfiguration vereinheitlichen, indem man Dämpfungsglieder an allen Eingängen und allen Ausgängen des Schalters anordnet. Diese Dämpfungsglieder sind gemäß einer Variante nicht programmierbare Dämpfungsglieder, die noch weniger kosten.
Die vorliegende Vorrichtung verwendet einstellbare Dämpfungsglieder an den Eingängen und Ausgängen, wobei die Voreinstellung der Dämpfungsglieder es erlaubt, einheitliche optische Verluste an allen möglichen Verbindungen zwischen den Eingängen und den Ausgängen des Systems und unabhängig von der Konfiguration dieser Verbindungen zu erhalten. Die Dämpfungsglieder haben also eine festgelegte Dämpfung.
Die Eingangs- [bzw. Ausgangs]-Dämpfungsglieder müssen auf Verlustwerte vom Typ Cste-p_e(i)-p₂(i) [bzw. Cste'-p₁(j)-p_s(j)] voreingestellt werden.
Diese Voreinstellung der Dämpfungsglieder, die nur einmal in der Phase der fluchtenden Ausrichtung des Systems durchgeführt wird, ermöglicht es, die Verluste des Systems von den betrachteten Verbindungen oder von der Konfiguration des Systems unabhängig zu machen.
Wie 4 zeigt, wird die optische Einheit der Umlenkeinrichtung mit Hilfe der folgenden Mittel für die Polarisation des Strahls unempfindlich gemacht.
Am Ausgang jeder Linse 111 befindet sich eine Makrolinse 112, und jeder optische Strahl durchquert anschließend eine Kalzitlamelle 850, die die waagrechten und senkrechten Komponenten der Polarisation trennt.
Beim Durchqueren der Lamelle 850 breitet sich der ordentliche Strahl in der Achse aus, dagegen wird der außerordentliche Strahl am Eingang und am Ausgang umgeleitet, um daraus parallel zum ordentlichen Strahl, aber räumlich davon getrennt, auszutreten.
Eine Halbwellenlamelle 800 lässt dann die Polarisation des ordentlichen Strahls umdrehen, damit sie parallel zu derjenigen des außerordentlichen Strahls und zu Flüssigkristall-Molekülen wird.
Die Rekombination am Ausgang der Ausgangszelle 300 wird mit gleichen optischen Komponenten symmetrisch zum Eingang durchgeführt, damit die optischen Pfade der zwei Strahlen gleich sind. So werden die optischen Verluste aufgrund einer Verwaltung der Polarisationsstreuung vermieden.
Es wurde eine spezifische Elektronik konzipiert, um präzise Spannungen an die Anschlussklemmen jeder Elektrode der Flüssigkristallzellen 200 und 300 anzulegen, indem die Elektroden gestört werden, die in Gruppen von 309 verwaltet werden (pro TAB und pro Kanal, d.h. pro Strahl).
Diese Wechselspannungen liegen zwischen 0 und 5V Effektivwert, haben eine einstellbare Frequenz von 1 KHz bis 100 KHz. Da es wichtig ist, dass die Phasenrampen so linear wie möglich sind, um die Beugungswirkungsgrade zu optimieren, sind die Schaltungen TAB Cirrus programmiert, um die Nicht-Linearität der Reaktion des Flüssigkristalls ausgehend von der Phase/Spannung-Kennlinie, d.h. Index/Spannung einer gegebenen Zellenzone, zu korrigieren.
So liegt die Präzision der von den TAB gelieferten Spannung in der Größenordnung von 40mV. Die Elektronik ermöglicht es, die Spannungen jeder TAB zu regeln und den Wechselbetrieb der Gegenelektrode zu synchronisieren. Ein in der TAB befindlicher programmierbarer Mikroprozessor gewährleistet diese verschiedenen Funktionen, und jedes Modul ist unabhängig einstellbar, was es ermöglicht, eventuelle Herstellungsunterschiede auf der Ebene der Zelle zu korrigieren.
Indem jedem umzuleitenden Strahl eine Schaltung zugeordnet wird, d.h. eine Schaltung, die die Elektroden einer Zellenzone in Abhängigkeit von Daten versorgen kann, die die Umschaltung der Kanäle angibt, erhält man eine Präzision und eine erhöhte optische Umleitgeschwindigkeit sowie geringere Herstellungskosten.
Diese Vorteile werden beibehalten, wenn man gemäß einer Variante mehrere Schaltungen verwendet, von denen jede einen Teil versorgt, der mehrere Strahlen umleitet, d.h. der mehrere der Zonen zusammenfasst, wobei jeder Teil zu einer bestimmten Schaltung gehört.
So führt jede Schaltung eine spezifische Verarbeitung für ihre eigenen Zonen durch, und indem so die Verarbeitungen der gleichen Zelle aufgeteilt werden, gewinnt man an Verarbeitungszuverlässigkeit und bezüglich der Herstellungskosten.
Wie in den 3, 5 und 6 dargestellt, ist jeder Flüssigkristallbildschirm 200 und 300 hier auf eine Karte mit gedruckter Schaltung 1200 bzw. 1300 montiert, auf die ebenfalls acht Steuerschaltungen gleich den oben vorgestellten Schaltungen 910 bis 980 montiert sind. Jede Karte 1200 und 1300 trägt hier also eine Anzahl von Schaltungen gleich der Anzahl von umzuleitenden Strahlen.
Diese Schaltungen sind um ein die Karte durchquerendes zentrales Fenster verteilt, wobei das Fenster von den Strahlen durchquert und von der betrachteten Flüssigkristallzelle bedeckt wird.
Man erhält so eine einstückige Einheit, die jedes Mal die Zelle und die Reihe von Schaltungen aufweist, die jedes der die gewünschten Umleitungen anzeigende Signal in Versorgungsspannungen der Elektroden der betrachteten Zelle umwandeln.
Die zwei Karten 1200 und 1300 sind also parallel zueinander in Abstand entlang der Bahn der optischen Strahlen angeordnet.
Eine Ansteuerungssoftware ermöglicht es, alle Steuerungen der Umlenkeinrichtung zu verwalten. Das unter LabWindow/CVI (Handelsmarke) entwickelte Programm enthält drei Verwendungsmodi: einen Einstellmodus, einen lokalen Modus oder auch einen automatischen Modus.
Der erste Modus, "Einstellmodus" genannt, wird bei Abstimmung des Geräts vor seiner Installierung verwendet. Er ermöglicht es insbesondere, die Korrektur der Nicht-Linearität des Flüssigkristalls und dann die an jede Elektrode anzulegenden Spannungen für die verschiedenen optischen Verbindungen zu bestimmen.
Es stehen mehrere Optionen zur Verfügung, um diese Spannungen zu erhalten. Das System kann die an das Gitter in Abhängigkeit vom gewünschten Ablenkungswinkel anzulegenden Spannungen berechnen, und dies ist in Abhängigkeit von der Wellenlänge parametrierbar. Es ist ebenfalls möglich, die Ansteuerungsspannungen manuell zu definieren. Schließlich kann man eine Tabelle mit Werten laden, die durch Berechnung in einer Anwendung vom Typ Tabellenkalkulationsprogramm, zum Beispiel dem Tabellenkalkulationsprogramm EXCEL, erhalten werden. Daraus leitet man eine Tabelle von Werten ab, die der Verbindung jeder Eingangsfaser mit jeder Ausgangsfaser entsprechen.
Diese Daten werden also in Form von Excel-Tabellen gespeichert, die die Software auslesen oder erstellen kann. Die Gesamtheit der Verbindungen stellt 64 Tabellen dar. Die optimierten Konfigurationen einer Eingangsfaser i zu einer Ausgangsfaser j werden dann in der Näherungselektronik des Systems gespeichert, d.h. im Speicher jeder TAB.
Der zweite Modus oder "lokale Modus" dient dazu, die Umlenkeinrichtung einfach arbeiten zu lassen, indem die optimierten Konfigurationen aufgerufen werden, die vorher gespeichert wurden. Die Verbindungen erfolgen durch Betätigen der grafischen Steuerungen einer Tabelle mit acht Eingängen und acht Ausgängen. Der Zentralcomputer oder PC, in dem die Software arbeitet, sendet dann Informationen über Kopplungsangaben an die verschiedenen TAB. Diese Steuerungen aktivieren die Konfigurationen im Speicher.
Der "automatische" Modus ermöglicht es, diese Einrichtung in einer vollständigen Umschaltkette mit anderen davor und dahinter liegenden Geräten zu verwenden. Die Einheit der TAB wird dann über eine Karte GIPB und einen Bus IEEE ausgehend von einem vom lokalen Steuer-PC unterschiedlichen Zentralcomputer gesteuert. Die Steuerungen IEEE aktivieren die optimierten Konfigurationen, die im Einstellmodus gespeichert wurden.
Man kann eine Verbindungsbilanz ausgehend von verschiedenen Faktoren ziehen:
Im Gegenteil zu denjenigen der Brechungslinsen haben sich die Leistungen der Leisten von holographischen Linsen auf mehreren Phasenebenen als kompatibel mit den Kriterien der relativen Positionierungspräzision des Zentrums der Linsen erwiesen. Die hier verwendeten Leisten von Mikrolinsen werden an der Universität Herriot Watt in Edinburg hergestellt, sie haben 4 Phasenebenen und sind antireflexbehandelt. Das Verhältnis zwischen der Leistung des übertragenen Strahls und derjenigen des einfallenden Strahls liegt zwischen 70 und 75%, wobei der Rest des Lichts in gebeugten Strahlen außerhalb des Systems verloren wird.
Die Übertragung der Zellen von Flüssigkristallen, die auch antireflexbehandelt sind, wird von der Übertragung des ITO begrenzt. Es wurden Übertragungen zwischen 85 und 90% gemessen.
Andererseits wird nur ein Teil des Lichts in die gewünschte Richtung umgeleitet. Das Verhältnis zwischen der Leistung des übertragenen Nutzstrahls und der übertragenen Gesamtleistung wird Beugungswirkungsgrad genannt. Dieser Wirkungsgrad schwankt praktisch linear zwischen 98% für einen Umleitwinkel nahe 0 und 50% für eine Umleitung von 5°.
Der minimale Umleitwinkel beträgt 0,22°, und der maximale Winkel beträgt 2,7°, die jeweiligen Wirkungsgrade betragen 96% und 70%.
Man erwartet also, dass die globale Übertragung der Einheit der zwei Zellen von 0,85² × 0,7² = 35% bis 0,85² × 0,96² = 66% schwankt. In der vorliegenden Ausführungsform ist keine Korrektur vorgesehen, um die Übertragungen auszugleichen. Da aber der Umleitwinkel des Eingangshologramms nur von der Nummer des Ausgangs abhängt und umgekehrt, wobei diese Einzelabhängigkeit um so genauer ist, wenn man die vorher beschriebenen Makrolinsen 114 und 414 verwendet, wird jedoch gemäß einer Variante die Übertragung des Systems ausgeglichen, indem jedem Eingang und jedem Ausgang optische Dichten hinzugefügt werden.
Die nachfolgende Tabelle zeigt die Übertragung der Gesamtheit der zwei Ebenen von Hologrammen für alle möglichen Verbindungen an.
Natürlich sind die hier bezüglich einer Umlenkeinrichtung mit Umleitung in einer Ebene beschriebenen Anordnungen ebenfalls vorteilhaft im Fall einer Umlenkeinrichtung mit zweidimensionaler Umleitung.

[1] JDS Handelsunterlagen
[2] 8×8 Optical Matrix Switch, NEL, NTT Electrics Technology Corp. Handelsunterlagen
[3] www.beambox.com
[4] Transparent optical cross-bar switch using liquid crystal optical light modulator arrays, K. Noguchi, ECCO'97, Edinburg
[5] Holographic switching between single mode fibres: evaluation of a 16×16× demonstrator and perspectives, L. Bonnel & P. Gravey, Photonic in switching, Sendai, Japan 1996
[6] N. Wolfer, B. Vinouze and P. Gravey, Optics Communications, 160 (1999) S.42–46

Claims

Umlenkeinrichtung für optische Strahlen, die aufweist: – mehrere optische Eingangskanäle (110, ..., 150), die in der Lage sind, einen optischen Strahl zu übertragen; – mehrere optische Ausgangskanäle (410, ..., 450); – eine erste Flüssigkristallzelle (200), die einen von einem der Eingangskanäle (110, ..., 150) kommenden optischen Strahl umleiten kann; – eine zweite Flüssigkristallzelle (300), die einen von der ersten Flüssigkristallzelle (200) kommenden und für einen der Ausgangskanäle (410, ..., 450) bestimmten optischen Strahl umleiten kann; wobei die beiden Flüssigkristallzellen (200, 300) je eine Reihe von Elektroden (510, ..., 580) aufweisen, wobei jede der Elektroden Flüssigkristalle (600) ausrichten kann, wenn sie einer Speisespannung ausgesetzt ist, wobei die Elektroden (510, 580) in Zonen (210, ..., 250, 310, ..., 350) verteilt sind, wobei jede Zone einem einzigen optischen Eingangskanal (110, ..., 150) oder einem einzigen optischen Ausgangskanal (410, ..., 450) entspricht, wobei die Umlenkeinrichtung außerdem Mittel (910, 980) aufweist, um die Elektroden (510, 580) mit ausgewählten Spannungen zu speisen, dadurch gekennzeichnet, dass – die zwei Flüssigkristallzellen (200, 300) auf zwei getrennte Karten (1200, 1300) montiert sind, wobei jede der Zellen (200, 300) auf einer Karte angeordnet ist, indem sie eine durchgehende Öffnung der Karte (1200, 1300) überdeckt, – die Mittel zum Speisen der Elektroden darin bestehen, dass jede der Flüssigkristallzellen (200, 300) mehrere getrennte elektronische Schaltungen (910, ..., 980) aufweist, die um die Öffnung herum verteilt montiert sind, wobei jede (910) dieser elektronischen Schaltungen (910, 980) einer anderen Zone (210) der Zelle (200, 300) zugeordnet und in der Lage ist, ein Steuersignal, das einen Kanal (410) anzeigt, der mit dem dieser Zone (210) entsprechenden Kanal (110) zu koppeln ist, in Speisesignale der Elektroden (510, 580) dieser Zone (210) umzuwandeln.
Umlenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede elektronische Schaltung (910, ..., 980) einen Speicher umfasst, in dem Sätze von Werten von Elektrodenspannungen gespeichert sind, wobei jeder Satz einer Umleitung des die zugeordnete Zone durchquerenden Strahls entspricht, wenn die Elektroden der Zone mit diesen Spannungen gespeist werden.
Umlenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede elektronische Schaltung (910, ..., 980) in der Lage ist, Wechselspannungen an den Elektroden (210, ..., 250, 310, ..., 350) der Zone zu liefern, mit der sie verbunden ist.
Umlenkeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede einem Kanal (110, ..., 150, 410, ..., 450) zugeordnete Zone (210, ..., 250, 310, ..., 350) eine Anzahl von Elektroden (510, ..., 580) aufweist, die zwischen 100 und 500 liegt.
Umlenkeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der elektronischen Schaltungen (910, ..., 980) programmiert ist, um eine Nicht-Linearität der Brechungszahl/Speisespannung-Antwort der Flüssigkristalle der zugeordneten Zone (210, ..., 250, 310, ..., 350) zu korrigieren.
Umlenkeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel aufweist, um optische Dichten vor einer der zwei Flüssigkristallzellen (200, 300) hinzuzufügen, mit einer Verteilung, die geeignet ist, Übertragungs-Inhomogenitäten zu kompensieren, die von Eingangskanal/Ausgangskanal-Paaren abhängen.
Umlenkeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist – vor der ersten Flüssigkristallzelle (200), Mittel (850), um eine waagrechte Polarisationskomponente von einer senkrechten Polarisationskomponente eines optischen Strahls zu trennen, der von einem optischen Eingangskanal übertragen wird, und Mittel (800), um eine dieser Komponenten in ihre lotrechte Komponente umzuwandeln; – und, symmetrisch hinter der zweiten Flüssigkristallzelle (300), Mittel (800), um eine der beiden Komponenten in ihre lotrechte Komponente umzuwandeln, und Mittel (850), um zwei Komponenten des optischen Strahls zu kombinieren, der für einen optischen Ausgangskanal bestimmt ist.
Umlenkeinrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (850) zur Trennung der vorderen Komponente eine Bahnabweichung zwischen den zwei Komponenten vor der ersten Flüssigkristallzelle (200) induzieren, und dass die Mittel zur Kombination der zwei Komponenten vorgesehen sind, um diese Bahnabweichung zu kompensieren.
Umlenkeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Flüssigkristallzelle (200, 300) Elektroden (510, 580) aufweist, die je von zwei Metallschichten gebildet werden, die zweimal geätzt sind.
Umlenkeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: – eine konvergierende optische Baueinheit (113), die in Überdeckung der ersten Flüssigkristallzelle (200) angeordnet ist und deren Brennpunkt, der im Verhältnis zur Bahn des Lichts in der Umlenkeinrichtung definiert ist, sich in der Nähe der Ebene der zweiten Flüssigkristallzelle (300) befindet, – Mittel (390), die mehrere unterschiedliche optische Dämpfungen erzeugen, die an die verschiedenen Ausgangskanäle angewendet werden, die der zweiten Flüssigkristallzelle (300) benachbart sind, wobei diese Dämpfungen in Abhängigkeit von diesen verschiedenen Kanälen verteilt sind, wobei jede Dämpfung eines betrachteten Ausgangskanals als nicht von dem Eingangskanal abhängig angesehen wird, der momentan dem betrachteten Ausgangskanal optisch zugeordnet ist.
Umlenkeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Flüssigkristallzelle (300) ebenfalls mit einer konvergierenden optischen Baueinheit (413) versehen ist, deren Brennpunkt sich in der Nähe der ersten Flüssigkristallzelle (200) befindet, und dass die erste Flüssigkristallzelle (200) mit Mitteln (290) versehen ist, die mehrere unterschiedliche optische Dämpfungen erzeugen, die an die verschiedenen Eingangskanäle angewendet werden, die dieser ersten Flüssigkristallzelle (200) benachbart sind, wobei diese Dämpfungen in Abhängigkeit von diesen verschiedenen Kanälen verteilt sind, wobei jede Dämpfung eines betrachteten Eingangskanals nicht von dem Ausgangskanal abhängt, der momentan dem betrachteten Eingangskanal optisch zugeordnet ist.
Umlenkeinrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die oder eine der konvergierenden optischen Baueinheiten (113, 413) aus einer konvergierenden Linse besteht/bestehen, die eine Zelle (200, 300) überdeckt und deren Brennpunkt sich in der Nähe der entgegengesetzten Zelle befindet.