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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Kommunikation mit optischen
Signalen und, genauer gesagt eine Einrichtung zur Vornahme von Schaltungen
optischer Signale.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Telekommunikationen sind ein Gebiet, welches sich in den letzten
zwanzig Jahren rasch entwickelt hat, teilweise angetrieben durch
die sich steigernde Popularität
von Technologien, beispielsweise zellularen Telefonen, Faksimilemaschinen
und Computerkommunikationen, welche das Internet verwenden. Auf
Grund dieser wachsenden neuen Technologien bestand ein ständig zunehmender
Bedarf an Telekommunikationsausrüstung,
welche größere informationsführende Kapazität hat, was
wiederum einen fortschreitend zunehmenden Schwerpunkt auf die Schaffung
von Kommunikationen unter Verwendung von optischen Signalen setzte.
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Faseroptische
Telekommunikationsssyteme großer
Bandbreite werden rund um die Welt entwickelt. Dies schafft ein
Basissystem, welches die wichtigsten Metropolitanbereiche miteinander
koppelt. Wenn gegenwärtig
diese vorhandenen Systeme ein optisches Signal schalten müssen, dann
wandeln sie typischerweise das optische Signal in ein elektrisches
Signal um, führen
das elektrische Schalten des elektrischen Signals aus und verwandeln
dann das resultierende elektrische Signal zurück in ein optisches Signal.
Dies verzögert
in starkem Maße
die Fortleitung von Information durch das System und ist teuer,
da es die Komplexität
des Systems erhöht.
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Um
dieses Problem zu vermeiden, werden Anstrengungen gemacht, optische
Schalter zu entwickeln, welche unmittelbar optische Signale schalten, ohne
dass eine zeitweise Umwandlung in elektrische Signale erfolgt. Technologien,
welche in Betracht gezogen werden, umfassen mikroelektrooptische-mechanische
Schalter, Bubble Jets (Blasenstrahlschalter), Flüssigkristallanordnungen, bewegliche
optisch-mechanische Spiegel oder Prismen, elektrooptische gesteuerte
gekoppelte Wellenleitungen und thermisch gesteuerte gekoppelte Wellenleitungen. Während diese
existierenden Lösungsansätze im Allgemeinen
zufrieden stellend für
die jeweils beabsichtigten Zwecke sind, sind sie nicht zufrieden
stellend in jeder Hinsicht. In gewissem Maße beinhalten diese Lösungen Probleme
wie mangelnde Zuverlässigkeit, hohe
Einfügungs-
oder Übertragungsverluste,
die Schwierigkeit bei der Dimensionierung dieser Schaltungslösungen für größere Abmessungen
und kostspielige Herstellungstechniken. Weiter haben diese existierenden
Lösungsversuche
verhältnismäßig niedrige
Schaltgeschwindigkeiten in der Größenordnung von annähernd einigen
wenigen Millisekunden.
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Die
EP 1 089 095 offenbart ein
Verfahren zur Herstellung eines photonisch aktiven Kristalls, in
welchem Punkte mit unterschiedlichen Indizes periodisch angeordnet
sind. Durch Verwendung einer Mehrzahl von optischen Medien, deren
Brechungsindizes sich durch die Einstrahlung von Licht ändern, können die
Brechungsindizes von zwei Medien aus dem optischen Medium unter
bestimmten Umweltfeldbedingungen gleich oder im Wesentlichen gleich gemacht
werden. Durch Reflektieren der Verteilungsmuster, welche das Licht
unter diesen beiden Bedingungen auf einer gewünschten Kristallstruktur, Gestalt
eines Gitterpunktes und der Periode erfährt, ergibt sich ein optisches
Element, welches in der Lage ist, dynamisch zwischen zwei wesentlich
unterschiedlichen photonischen Strukturen durch Schaltung der äußeren Feldbedingungen
zu schalten.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aus
dem Vorstehenden ergibt sich, dass ein Bedarf bezüglich eines
Verfahrens und einer Einrichtung zur Verarbeitung optischer Signale
entstanden ist, welche mindestens einige der oben beschriebenen
Probleme vermeiden. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird dieser Bedarf durch Vorsehen einer Einrichtung zur Betätigung eines
optischen Schalters befriedigt, welcher einen Eingang für optische Strahlung,
einen Ausgang, welcher von dem Eingang beabstandet ist, und einen
ersten Bereich enthält,
der optisch zwischen dem Eingang und dem Ausgang angeordnet ist.
Die Einrichtung sieht folgendes vor:
Schaffen, innerhalb des
ersten Bereiches, einer Mehrzahl von zweiten Bereichen und einen
dritten Bereich, wobei die zweiten Bereiche an beabstandeten Orten
innerhalb des ersten Bereiches vorgesehen sind und der dritte Bereich
einen Brechungsindex hat und ein Teil des ersten Bereiches ist,
welche verschieden von den zweiten Bereichen sind;
Unterteilen
der zweiten Bereiche in erste und zweite Gruppen, welche einander
gegenseitig ausschließen,
wobei die zweiten Bereiche der zweiten Gruppe längs eines Weges angeordnet
sind, welcher sich durch den ersten Bereich von dem Eingang zu dem Ausgang
erstreckt und welcher frei von den zweiten Bereichen der ersten
Gruppe ist; und
selektiven Betreiben des Schalters in ersten
und zweiten Betriebsmoden, wobei in dem ersten Betriebsmodus jeder
der zweiten Bereiche einen Brechungsindex verschieden von dem Brechungsindex des
dritten Bereiches hat, so dass der dritte Bereich und die zweiten
Bereiche zusammenarbeiten, um optische Strahlung mit vorbestimmter
Wellenlänge
an der Ausbreitung innerhalb des ersten Bereiches zu hindern, und
wobei in dem zweiten Betriebsmodus jeder der zweiten Bereiche der
ersten Gruppe einen Brechungsindex hat, der verschieden von dem
Brechungsindex des dritten Bereiches ist, so dass der dritte Bereich
und die zweiten Bereiche der ersten Gruppe zusammenwirken, um eine
Strahlung mit der vorbestimmten Wellenlängen an der Ausbreitung innerhalb
von Teilen des ersten Bereiches außerhalb des genannten Weges
zu hindern, und bei welchem jeder der zweiten Bereiche der zweiten
Gruppe einen Brechungsindex hat, welcher mit Bezug auf den Brechungsindex
des dritten Bereiches so gewählt
ist, dass Strahlung mit der vorbestimmten Wellenlänge für eine Ausbreitung
durch den ersten Bereich längs des
genannten Weges von dem Eingang zu dem Ausgang zugelassen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ein
besseres Verständnis
der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der detaillierten Beschreibung,
welche nun folgt, in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen,
in welchen:
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1 eine
schematische Aufsicht auf einen optischen Schalter gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung ist;
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2 eine
schematische Schnitt-Seitenansicht des optischen Schalters von 1 entsprechend
der Schnittlinie 2-2 von 1 darstellt, wobei schematisch
eine Steuerschaltung für
den optischen Schalter angegeben ist;
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3 eine
schematische Schnitt-Aufsicht längs
der in 2 angedeuteten Schnittlinie 3-3 ist und einen
ersten Betriebsmodus des optischen Schalters darstellt;
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4 eine
schematische Schnitt-Aufsicht ähnlich
wie in 3 ist, jedoch einen zweiten Betriebsmodus des
optischen Schalters verdeutlicht;
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5 eine
schematische Schnitt-Aufsicht ähnlich
den 3 und 4 wiedergibt, jedoch einen dritten
Betriebsmodus des optischen Schalters zeigt;
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6 eine
schematische Schnitt-Aufsicht ähnlich
den 3 bis 5 ist, jedoch einen vierten Betriebsmodus
des optischen Schalters verdeutlicht;
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7 eine
schematische Aufsicht auf einen optischen Schalter zeigt, welcher
eine alternative Ausführungsform
des optischen Schalters gegenüber 1 ist;
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8 eine
schematische Schnitt-Seitenansicht eines optischen Schalters darstellt,
der wiederum eine alternative Ausführungsform des optischen Schalters
gemäß 1 zeigt;
und
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9 eine
schematische Schnitt-Seitenansicht ähnlich von 8 ist,
jedoch einen unterschiedlichen Betriebsmodus des optischen Schalters
gegenüber 8 darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 ist
eine schematische Aufsicht auf einen optischen Schalter 11,
welcher Teil einer Einrichtung 10 ist, welche eine Ausführungsform
der Erfindung darstellt. 2 ist eine schematische Schnitt-Seitenansicht
entsprechend der in 1 gezeigten Linie 2-2, welche
den optischen Schalter 11 darstellt und außerdem schematisch
in unterbrochenen Linien eine Steuerschaltung 12 angibt,
die ein weiterer Teil der Einrichtung 10 ist.
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Der
optische Schalter 11 hat einen Eingang und drei Ausgänge. Im
Einzelnen, und hier sei auf 1 Bezug
genommen, kann optische Strahlung bei 16 an einem Rand
des optischen Schalters 11 eingegeben werden, welcher als
ein Eingang wirkt, und diese optische Strahlung kann nachfolgend
den optischen Schalter 11 an einem von drei Orten verlassen,
welche längs
anderer Ränder
des Schalters angeordnet sind und welche als jeweilige optische Ausgänge dienen,
wie schematisch durch die drei Pfeile 17 bis 19 verdeutlicht
ist.
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Die
Ausführungsform
nach den 1 bis 2 ist für die Verwendung
mit Strahlung konfiguriert, welche eine Wellenlänge von annähernd 1,5 μm hat, welches eine Form von
Strahlung ist, welche im Allgemeinen für optische Kommunikation in
der Telekommunikationsindustne verwendet wird. Die vorliegende Erfindung
ist jedoch für
die Verwendung mit Strahlung in einem weiten Vielfaltsbereich anderer Wellen
geeignet. Weiter ist hier der Schalter 11 von 1 aus
Zweckmäßigkeitsgründen mit
nur einem einzigen Eingang für
die Strahlung 16 und mit drei Ausgängen entsprechend der Strahlung
bei 17 bis 19 beschrieben. Man erkennt jedoch,
dass die Ausgänge
Eingänge
sein könnten
und dass der Eingang als Ausgang verwendet werden könnte. Tatsächlich könnten Übertragungen über den
optischen Schalter 11 bidirektional sein.
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Unter
Bezugnahme auf 2 ist zu erkennen, dass der
optische Schalter 11 ein im Allgemeinen plattenförmiges Teil 26 aufweist,
welches eine ebene Oberseite und eine ebene Unterseite hat, welche
zueinander parallel sind. Das Teil 26 hat annähernd Rechtgestalt
in einer Aufsicht entsprechend der Darstellung des Schalters 11,
wie sie in 1 gezeigt ist. Das Bauteil 26 ist
aus geschmolzenem Quarzglas oder Quarzgut gefertigt, könnte jedoch
alternativ auch aus Einkristall-Silizium, Chalcogenidglas (Kupferverbindungsglas),
Galliumarsenid, oder irgendeinem anderen geeigneten Material gefertigt sein.
Das Material des Bauteils 26 ist charakteristischerweise
durchlässig
gegenüber
Strahlung mit der Wellenlänge
von Interesse, obwohl andere Strukturen innerhalb des Schalters 11 vorhanden
sind, welche das Ausmaß steuern,
in welchem Strahlung von Interesse sich durch das Bauteil 26 ausbreiten
kann oder nicht, wie weiter unten diskutiert wird.
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Eine
nicht dargestellte optische Faser, welche die Eingangsstrahlung 16 führt, kann
an dem Rand des Bauteils 26 in bekannter Weise fest geschmolzen
sein, beispielsweise unter Verwendung eines Laserstrahls. Drei zusätzliche
optische Fasern, welche ebenfalls nicht dargestellt sind, können an den
jeweiligen Orten längs
des Randes des Bauteils 26 fest geschmolzen sein, um jeweils
die Ausgangsstrahlung an den Orten 17 bis 19 aufzunehmen.
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Das
Bauteil 26 hat eine Mehrzahl von zylindrischen Öffnungen,
welche sich vertikal durch das Bauteil erstrecken, von denen zwölf mit den
Bezugszahlen 31 bis 42 bezeichnet sind. Die Öffnungen
sind in einem regelmäßigen periodischen
Muster angeordnet, wobei der Abstand 46 zwischen benachbarten Öffnungen
in jeder Reihe derselbe ist wie der Abstand 47 zwischen
benachbarten Öffnungen
in jeder Spalte. In den Ausführungsformen
nach den 1 und 2 ist der
Abstand bei 46 und 47 annähernd 0,8 bis 1,0 μm und die Öffnungen
haben jeweils einen Durchmesser von annähernd 0,5 μm.
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Die Öffnungen
in jeder Reihe haben in Relation zu den Öffnungen in benachbarten Reihen
einen Versatz 48 in Richtung der Reihe. In entsprechender Weise
haben die Öffnungen
in jeder Spalte mit Bezug auf die Öffnungen in benachbarten Spalten
einen Versatz 49 in der Richtung der Spalten. Die Versätze 48 und 49 sind
gleich und betragen die Hälfte
des Wertes der Abstände 46 oder 47.
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Die Öffnungen
in dem Bauteil 26 können
in irgendeiner geeigneten Weise erzeugt werden. Eine geeignete Technik
ist eines Musterbildung auf der Oberseite des Bauteils 26 unter
Verwendung von Photolithographie, Holographie, Laserbeschreibung oder
Elektronenstrahlbeschreibung, so dass eine Mehrzahl von kreisförmigen Bereichen
mit periodischem Versatzmuster erzeugt wird, wie in 1 gezeigt
ist. Dann kann ein Ätzprozess
an der Oberfläche
des Bauteils 26 durchgeführt werden, um eine jeweilige Öffnung durch
das Bauteil hindurch zu ätzen, wo
der kreisförmige
Bereich jeweils im Muster vorgesehen ist.
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Sieben
Elektroden 51 bis 57 sind auf der Oberseite des
Bauteils 26 vorgesehen. In der angegebenen Ausführungsform
sind die Elektroden 51 bis 57 aus Indium-Zinn-Oxid
(ITO) hergestellt, jedoch gibt es andere geeignete Materialien,
aus denen die Elektroden alternativ hergestellt werden könnten. Die Elektrode 51 überdeckt
die Öffnungen 31 und 32,
die Elektrode 52 überdeckt
die Öffnungen 33 und 34,
die Elektrode 53 überdeckt
die Öffnungen 35 und 36,
die Elektrode 54 überdeckt
die Öffnungen 37 und 38,
die Elektrode 55 überdeckt
die Öffnungen 39 und 40 und die
Elektrode 56 überdeckt
die Öffnungen 41 und 42. Die
verbleibende Elektrode 57 überdeckt sämtliche übrigen Öffnungen in dem Bauteil 26.
Sieben zusätzliche
Elektroden sind auf der Unterseite des Bauteiles 26 in
einer Konfiguration vorgesehen, welche ein Spiegelbild der Elektroden 51 bis 57 ist.
Vier dieser zusätzlichen
Elektroden sind in 2 sichtbar und sind mit den
Bezugszahlen 61 bis 63 und 67 versehen.
Wenngleich die angegebene Ausführungsform sieben
getrennte Elektroden auf der Unterseite des Bauteils 26 aufweist,
ist es alternativ auch möglich, anstelle
hiervon über
im Wesentlichen die gesamte untere Fläche des Bauteils 26 eine
einzige gemeinsame Elektrode zu breiten, so dass jeweilige elektrische Spannungen,
welche an die sieben Elektroden 51 bis 57 auf
der Oberseite gelegt werden, sämtlich Bezug
auf die einzige untere Elektrode haben.
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Jede
der Öffnungen
in dem Bauteil 26 ist mit einem Flüssigkristallmaterial einer
bekannten Art erfüllt,
wie beispielsweise bei 71 in 2 angedeutet ist.
Das Flüssigkristallmaterial
wird in die Öffnungen vor
Anbringung der Elektroden auf dem Bauteil 26 eingeführt, beispielsweise
durch Aufschleudern oder Ablagern des Flüssigkeitskristallmaterials
auf das Bauteil 26. Obwohl die beschriebene Ausführungsform
ein Flüssigkristallmaterial
verwendet, ist es alternativ auch möglich, ein anderes elektrooptisch
aktives Material zu verwenden, beispielsweise ein Chalcogenidglas
oder andere Oxidkristalle und Polymere, welche den Fachleuten auf
diesem Gebiet bekannt sind.
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Wie
in der Technik geläufig ändert ein
Flüssigkristallmaterial
seinen Brechungsindex oder die Dielektrizitätskonstante, wenn eine elektrische
Spannung an es angelegt wird. Das Flüssigkristallmaterial 71 ist
gegenüber
der Strahlung von Interesse durchlässig. Jedoch abhängig von
seinem gegenwärtigen Brechungsindex
kann das Flüssigkristallmaterial
und das Material des Bauteils 26 die Ausbreitung von Strahlung
zulassen oder verhindern, wie nachfolgend im Einzelnen diskutiert
wird.
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Die
Steuerschaltung 12 ist so konfiguriert, dass sie dazu in
der Lage ist, selektiv eine jeweilige Spannung zwischen jedes Paar
von Elektroden anzulegen, welche auf gegenüberliegenden Seiten des Bauteils 26 angeordnet
sind. Wie beispielsweise schematisch durch unterbrochene Linien
in 2 gezeigt ist, kann die Steuerschaltung 12 selektiv
eine Spannung zwischen das Elektrodenpaar anlegen, welches die Elektroden 51 und 61 enthält. In entsprechender
Weise kann die Steuerschaltung 12 selektiv eine Spannung
an das Elektrodenpaar anlegen, welches die Elektroden 52 und 62 enthält. Eine
weitere Spannung kann zwischen das Elektrodenpaar angelegt werden,
welches die Elektroden 53 und 63 enthält und wieder
eine andere Spannung kann an das Elektrodenpaar gelegt werden, welches
die Elektroden 57 und 67 enthält. Diese Spannungen dienen
zur Steuerung des Zustandes des Flüssigkristallmaterials innerhalb
der Öffnungen,
welche sich durch das Bauteil 26 erstrecken, welches wiederum
die Wir kung der Steuerung des Brechungsindex dieses Flüssigkristallmaterials
hat. In dieser Hinsicht hat der optische Schalter 11 nach
den 1 und 2 vier bestimmte Betriebsmoden,
welche jeweils weiter unten gesondert behandelt werden.
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Genauer
gesagt haben in einem ersten Betriebsmodus die Spannungen, welche
an die jeweiligen Elektrodenpaare gelegt werden, Werte, welche das
Flässigkristallmaterial
in jeder der Öffnungen dazu
veranlassen, einen Brechungsindex anzunehmen, welcher verschieden
von dem Brechungsindex des Materials des Bauteils 26 ist,
und zwar in einer Weise, welche Photonenbandlücken in dem Schalter 11 bewirkt.
In diesem ersten Betriebsmodus dient das periodische Muster der Öffnungen
in dem Bauteil 26 in Zusammenwirkung mit den unterschiedlichen
Brechungsindizes des Bauteils 26 und des Flüssigkristallmaterials
zur Erzeugung einer optischen Konfiguration, welche als Photonenbandlücken-Konfiguration
bekannt ist. Eine Photonenbandlückenkonfiguration
wird manchmal auch als ein photonischer Kristall bezeichnet.
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In
dieser Hinsicht ist festzustellen, dass 3 eine schematische
Schnitt-Aufsicht entsprechend der in 2 angedeuteten
Linie 3-3 ist und den ersten Betriebsmodus repräsentiert. Die Öffnungen
in dem Bauteil 26 sind sämtlich in durchgezogenen Linien
dargestellt, um anzuzeigen, dass das Flüssigkristallmaterial in diesen Öffnungen
einen Brechungsindex hat, der verschieden von dem Brechungsindex
des Materials des Bauteils 26 in einer Weise ist, welche
zu einer Photonenbandlückenkonfiguration
führt.
Optische Strahlung, welche bei 16 dem Eingang des Schalters 11 zugeführt wird,
ist nicht in der Lage, in das Bauteil 26 einzutreten oder wird
auf eine verhältnismäßig kleine
Fläche
im Bereich des Eingangs beschränkt,
etwa wie schematisch durch die unterbrochene Linie bei 81 angedeutet
ist. In der angegebenen Ausführungsform
tritt dieser Betriebsmodus auf, wenn die Spannung, welche durch
die Steuerschaltung 12 an jedes der Elektrodenpaare angelegt
wird, null Volt ist, obwohl man erkennt, dass der Schalter 11 so
konfiguriert werden kann, dass dieser erste Betriebsmodus durch
Anlegung einer anderen Spannung an jedes Elektrodenpaar erzeugt
wird.
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In
einem zweiten Betriebsmodus des Schalters 11, – und hier
sei auf 1 Bezug genommen – legt die
Steuerschaltung 12 eine positive Spannung an das Elektrodenpaar,
welches die Elektrode 51 enthält, und auch an das Elektrodenpaar,
welches die Elektrode 54 enthält (1). Man
betrachte 1. Dies verursacht, dass das
Flüssigkristallmaterial
in den Öffnungen 31 und 32 sowie 37 und 38 sich
in einen Zustand ändert,
in welchem ein unterschiedlicher Brechungsindex herrscht. Bei der
angegebenen Ausführungsform
ist dieser Brechungsindex derselbe wie der Brechungsindex des Bauteils 26,
obwohl es auch irgendein anderer Brechungsindex sein könnte. Folglich
arbeitet das Flüssigkristallmaterial
in den Öffnungen 31 und 32 sowie 37 und 38 nicht
mehr mit dem Material des Bauteils 26 in einer Weise zusammen,
welche eine Photonenbandlückenkonfiguration im
Bereich der Öffnungen 31 und 32 sowie 37 und 38 definiert.
Es wird somit ein Weg durch den optischen Schalter 11 eingerichtet,
wobei die Öffnungen 31 und 32 sowie 37 und 38 auf
diesem Wege liegen.
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In
dieser Hinsicht ist 4 eine schematische Schnitt-Aufsicht ähnlich von 3,
doch zeigt sie diesen zweiten Betriebsmodus. Die Öffnungen 31 und 32 und 37 und 38 sind
in unterbrochenen Linien in 4 dargestellt
und nicht in durchgezogenen Linien, um schematisch deutlich zu machen,
dass die Teile vom Flüssigkristallmaterial
in diesen Öffnungen nun
einen Brechungsindex haben, welcher derselbe wie derjenige des Bauteils 26 ist,
so dass dieses Material der Strahlung als Teil des Bauteiles 26 erscheint.
Der oben erwähnte
Weg durch den optischen Schalter 11 ist durch ein Paar
von L-förmigen unterbrochenen
Linien 86 und 87 angedeutet, wobei der Weg der
Bereich zwischen diesen beiden unterbrochenen Linien ist. Die optische
Strahlung, welche bei 16 in den Eingang des Schalters 11 eingegeben wird,
breitet sich längs
dieses Weges aus und tritt durch den ersten Ausgang des Schalters 11 aus,
wie durch den Pfeil 17 angedeutet ist. Obwohl die Strahlung
effektiv um eine rechtwinklige Ecke im Bereich der Öffnung 32 laufen
muss, zwingt die Natur der Photonenbandlückenkonfiguration, welche außerhalb
des Weges 86-87 herrscht, die Strahlung wirkungsmäßig, um
diese Ecke herum zu laufen, wobei kein merkbarer Verlust auftritt.
Tatsächlich
könnte
der Weg so gestaltet sein, dass er eine Ecke enthält, die mehr
als 90° beträgt und die
Strahlung würde
effektiv ohne merklichen Verlust auch um diese Ecke herumlaufen,
was auf der Natur der umgebenden Photonenbandlückenkonfiguration beruht. Der
Schalter 11 ist somit praktisch verlustfrei.
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Wie
oben bemerkt ändert
sich, wenn eine geeignete Aktivierungsspannung an das Flüssigkristallmaterial
in der angegebenen Ausführungsform
gelegt wird, dieses Material zu einem Brechungsindex, welcher derselbe
wie der Brechungsindex des Materials des Bauteils 26 ist.
Es wäre
jedoch möglich, dass
das Flüssigkristallmaterial
auf eine Aktivierungsspannung durch Änderung zu einem Brechungsindex
reagiert, welcher verschieden von dem Brechungsindex des Materials
des Bauteils 26 ist, solange diese beiden unterschiedlichen
Brechungsindizes die Ausbreitung von Strahlung längs des Weges gestatten, ohne
dass eine Photonenbandlückenkonfiguration
innerhalb des Weges geschaffen wird.
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In
einem dritten Betriebsmodus des Schalters 11, – und hier
sei auf 1 Bezug genommen –, wird
eine Spannung von null Volt an jedes Elektrodenpaar angelegt, welches
eine der Elektroden 53, 54, 56 und 57 enthält. Eine
positive Betätigungsspannung
wird an jedes der Elektrodenpaare angelegt, welches eine der Elektroden 51, 52 und 55 enthält. Dies
hat zum Ergebnis, dass das Flüssigkristallmaterial
in jeder der Öffnungen 31 bis 34 und 39 bis 40 einen
Zustand annimmt, in welchem sein Brechungsindex derselbe wie der
Brechungsindex des Materials des Bauteiles 26 ist.
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5 ist
eine schematische Schnitt-Aufsicht ähnlich den 3 und 4,
zeigt jedoch den genannten dritten Betriebsmodus. Ein Weg von dem Eingang
zu dem zweiten Ausgang ist schematisch durch zwei L-förmige unterbrochene
Linien 91 und 92 angedeutet, wobei der Weg zwischen
diesen Figuren gelegen ist und wobei die Öffnungen 31 bis 34 sowie 39 und 40 sämtlich längs dieses
Weges gelegen sind. Optische Strahlung, welche bei 16 in
den Eingang des Schalters 11 eingegeben wird, breitet sich längs dieses
Weges aus und tritt aus dem Schalter 11 an dem zweiten
Ausgang aus, wie durch den Pfeil 18 angezeigt ist.
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In
einem vierten Betriebsmodus des Schalters 11, – und hier
sei wieder auf 1 Bezug genommen –, liefert
die Steuerschaltung 12 ein Potential von null Volt an jedes
der Elektrodenpaare, welche eine der Elektroden 54, 55 und 57 enthalten. Eine
positive Betätigungsspannung
wird an jedes Elektrodenpaar gelegt, welches eine der Elektroden 51, 52, 53 und 56 enthält. Dies
bewirkt, dass sich das Flüssigkristallmaterial
in jeder der Öffnungen 31 bis 36 sowie 41 und 42 in
einen Zustand ändert,
in welchem es denselben Brechungsindex wie das Material des Bauteiles 26 hat. 6 ist
eine schematische Schnitt-Aufsicht ähnlich den 3 bis 5,
wobei jedoch der genannte vierte Betriebsmodus dargestellt ist. 6 enthält zwei
L-förmige
unterbrochene Linien 96 und 97, welche einen Weg
begrenzen, der sich von dem Eingang zu dem dritten Ausgang erstreckt,
wobei die Öffnungen 31 bis 36 sowie 41 und 42 sämtlich längs dieses
Weges gelegen sind. Optische Strahlung, welche bei 16 in
den Eingang eingegeben wird, breitet sich längs dieses Weges aus und tritt
aus dem optischen Schalter 11 an des dritten Ausgang aus,
wie durch den Pfeil 19 angezeigt ist.
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Es
sei auf die 1 und 2 Bezug
genommen. Die Öffnungen
in dem Bauteil 26, welche dem Paar von Elektroden 51 und 61 zugeordnet
sind, wurden hier als Flüssigkristallmaterial
enthaltend beschrieben, welches durch eine Spannung gesteuert wird,
die an das Paar von Elektroden 51 und 61 gelegt
wird. Wie aber aus der vorhergehenden Diskussion deutlich wird,
hat das Flüssigkristallmaterial
in diesen Öffnungen
denselben Zustand und Brechungsindex in jedem der vier Betriebszustände des Schalters 11.
Es wäre
daher auch möglich,
die Elektroden 51 und 61 wegzulassen und das Flüssigkristallmaterial
in den zugehörigen Öffnungen
durch ein Material zu ersetzen, welches nicht elektrisch gesteuert
wird und welches einen unveränderlichen Brechungsindex
hat, der in diesen Öffnungen
benötigt
wird.
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7 ist
eine schematische Aufsicht ähnlich 1,
zeigt jedoch einen optischen Schalter 111, welcher eine
alternative Ausführungsform
des Schalters 11 von 1 ist. Einander
entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszahlen versehen. Der
primäre
Unterschied besteht darin, dass die Elektrodenkonfiguration, welche
für den
Schalter 11 verwendet ist, durch eine unterschiedliche
Elektrodenkonfiguration ersetzt ist. Insbe sondere ist eine Anzahl
von kleinen kreisförmigen
Elektroden auf der Oberseite des Bauteiles 26 vorgesehen,
wobei vier dieser Elektroden durch die Bezugszahlen 121 bis 124 identifiziert sind.
Jede der kreisförmigen
Elektroden ist nur einer der Öffnungen
durch das Bauteil 26 hindurch zugeordnet. Eine Anzahl weiterer
kreisförmiger
Elektroden ist in ähnlicher
Weise auf der Unterseite des Bauteiles 26 vorgesehen. In
dem optischen Schalter 111 kann die zugehörige Steuerschaltung
(welche in 7 nicht gezeigt ist) das Flüssigkristallmaterial
in der Öffnung
unabhängig
von dem Flüssigkristallmaterial
in sämtlichen
anderen Öffnungen
steuern. Daher hat die Steuerschaltung einen hohen Grad von Flexibilität zur Leitung
von Strahlung durch den Schalter 111 auf irgendeinem von
vielen unterschiedlichen Wegen. Der Schalter 111 gestattet
somit die Verwirklichung eines 1xN-Schalters in einer verhältnismäßig kompakten
Größe für irgendeinen
praktischen Wert von N.
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8 ist
eine schematische Schnitt-Seitenansicht entsprechend im wesentlichen 2,
welche jedoch einen optischen Schalter 211 zeigt, welcher eine
alternative Ausführungsform
des optischen Schalters 11 nach den 1 und 2 ist.
Der hauptsächliche
Unterschied besteht darin, dass in 8 Änderungen
an dem Brechungsindex des Materials in den Öffnungen des Bauteils 26 mechanisch oder
hydraulisch und nicht durch elektrische Steuerung der Flüssigkristalle
erreicht werden.
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Genauer
ausgeführt
besitzt das Bauteil 26 eine Öffnung 213, welche
eine der Öffnungen
ist, für welche
der Brechungsindex derselbe bei sämtlichen Betriebsmoden sein
kann. Demgemäß ist diese Öffnung mit
einem Feststoff 214 erfüllt,
welcher einen geeigneten Brechungsindex hat, der von dem Brechungsindex
des Bauteiles 26 verschieden ist, so dass diese Brechungsindizes
zusammenwirken, um eine Photonenbandlückenkonfiguration in dem Bereich
der Öffnung 213 zu
erzeugen.
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Ein
Gehäuse 216 ist
auf die Oberseite des Bauteiles 26 gesetzt und enthält eine
Luftkammer 217, welche in Strömungsmittelverbindung mit jeder der Öffnungen
in dem Bauteil 26 ist, für welche unterschiedliche Brechungsindizes
für unterschiedliche Betriebsmoden
verwendet werden, einschließlich
der Öffnungen 31 bis 36.
Drei Ge häuse 231 bis 233 sind an
die Unterseite des Bauteils 26 gesetzt und haben eine jeweilige
Kammer 236 bis 238. Ein jeweiliger Kolben 241 bis 243 ist
beweglich in jedem der Gehäuse 231 bis 233 geführt, um
darin die Größe der zugehörigen Kammer 236 bis 238 zu ändern. Die Kolben 241 bis 243 können unabhängig voneinander durch
geeignete Steuermechanismen bewegt werden. Die Öffnungen 31 und 32 haben
Verbindung mit der Kammer 236 über jeweilige Strömungsmittelkanäle, von
denen einer bei 246 dargestellt ist. In entsprechender
Weise haben die Öffnungen 33 und 34 Verbindung
mit der Kammer 237 über
jeweilige Strömungsmittelkanäle, und
die Öffnungen 35 und 36 haben
Verbindung mit der Kammer 238 wiederum über jeweilige Strömungsmittelkanäle. Die
Kammern 236 bis 238 enthalten jeweils eine Menge
eines Strömungsmittels 251 bis 253,
welches bezüglich
seines Brechungsindex ausgewählt
ist.
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Wie
oben erwähnt
können
die Kolben 241 bis 243 sämtlich unabhängig gesteuert
werden. Aus Gründen
der Vereinfachung sind sie jedoch alle in angehobener Position in 8 eingezeichnet,
in welcher die Größen der
Kammern 236 bis 238 effektiv in einer Weise vermindert
sind, welche Strömungsmittel nach
aufwärts
durch die Strömungskanäle und in
die Öffnungen 31 bis 36 hineintreibt,
während
die Luft, welche sich innerhalb der Öffnungen befunden hat, nach
aufwärts
in das Gehäuse 231 gedrückt wird. Das
Strömungsmittel,
welches in diese Öffnungen bewegt
worden ist, hat einen Brechungsindex, welcher derselbe ist, wie
der Brechungsindex des Materials des Bauteils 26, so dass
eine Photonenbandlückenkonfiguration
in dem Bereich jeder der Öffnungen 31 bis 36 verhindert
wird. Folglich breitet sich Strahlung durch das Bauteil 26 längs eines
Weges aus, welcher den genannten Öffnungen zugeordnet ist.
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9 zeigt
einen anderen Betriebsmodus des Schalters 211, bei welchem
jeder der Koben 241 bis 243 nach abwärts bewegt
worden ist, um die effektive Größe jeder
der Kammern 236 bis 238 zu erhöhen, was wiederum bewirkt,
dass das Strömungsmittel
aus den Öffnungen 31 bis 36 herausfließt und durch
Luft aus der Luftkammer 217 im Gehäuse 216 ersetzt wird.
Diese Luft hat einen Brechungsindex, welcher verschieden von dem
Brechungsindex des Materials des Bauteiles 26 ist, so dass
eine Photonenbandlückenkonfiguration
in dem Bereich jeder der Öffnungen 31 bis 36 erzeugt
wird, was die Ausbreitung der Strahlung von Interesse in den Bereich der
genannten Öffnungen
verhindert.
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Die
vorliegende Erfindung bewirkt eine Anzahl von technischen Vorteilen.
Ein solcher technischer Vorteil ist die Fähigkeit, die Schaltung eines
optischen Signals ohne Umwandlung des optischen Signals in ein elektrisches
Signal, danach die notwendige Schaltung unter Verwendung des elektrischen Signals
und dann die Rückumwandlung
des geschalteten elektrische Signales in ein optisches Signal, zu bewirken.
Dies hat zum Ergebnis, dass das optische Schalten rasch und billig
und mit sehr hohen Datenraten bewirkt werden kann. Ein einziger
Strom optischer Daten kann wirkungsmäßig in Echtzeit aufgeteilt
werden, wobei jeweilige Segmente zu unterschiedlichen Bestimmungsorten
geführt
werden können.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass der optische Schalter gemäß der vorliegenden
Erfindung keine wesentlichen Einfügungsverluste oder Übertragungsverluste
hat. Er kann in großem
Umfang leicht und billig gefertigt werden, hat eine hohe Zuverlässigkeit
und kann leicht so bemessen werden, dass er für vielerlei unterschiedliche
Anwendungen passend ist. Mit Bezug auf die Ausführungsform, bei welcher das Material
in den Öffnungen
tatsächlich
geändert
wird, besteht ein Vorteil darin, dass der Grad der Änderung des
Brechungsindex größer sein
kann, als dies der Fall wäre,
wenn der Brechungsindex eines einzigen Materials verändert wird,
beispielsweise unter elektrischer Steuerung.
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Während verschiedene
ausgewählte
Ausführungsformen
dargestellt und im Einzelnen beschrieben wurden, versteht es sich,
dass vielerlei Substitutionen und Änderungen durchgeführt werden könnten, ohne
dass von dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abgewichen
wird, wie er in den anliegenden Ansprüchen definiert ist.