EP0958520A1 - Schaltanordnung zum schalten und einkoppeln eines lichtbündels in mindestens eine ausgangsfaser - Google Patents

Schaltanordnung zum schalten und einkoppeln eines lichtbündels in mindestens eine ausgangsfaser

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EP0958520A1
EP0958520A1 EP98913546A EP98913546A EP0958520A1 EP 0958520 A1 EP0958520 A1 EP 0958520A1 EP 98913546 A EP98913546 A EP 98913546A EP 98913546 A EP98913546 A EP 98913546A EP 0958520 A1 EP0958520 A1 EP 0958520A1
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EP
European Patent Office
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switching arrangement
arrangement according
optics
output
deflection
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98913546A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen Glöckner
Rolf GÖRING
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP0958520A1 publication Critical patent/EP0958520A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02B6/354—Switching arrangements, i.e. number of input/output ports and interconnection types
    • G02B6/3554—3D constellations, i.e. with switching elements and switched beams located in a volume
    • G02B6/3558—1xN switch, i.e. one input and a selectable single output of N possible outputs

Definitions

  • Switching arrangement for switching and coupling a light bundle into at least one output fiber
  • the invention relates to a switching arrangement for switching and coupling a light beam into at least one output fiber according to the preamble of the main claim.
  • Mono odefaserschalter are important components for optical communications and 'optical metrology.
  • a fiber switch is used to couple light that is emitted from one or more input single-mode fibers into different output single-mode fibers, with an adjusting mechanism ensuring that the light can be switched into the different output channels or fibers.
  • Various configurations are conceivable for the arrangement of the input single-mode fibers and output single-mode fibers, for example with an MxN Fiber switch M input channels switchable into N output channels.
  • US Pat. No. 5,479,541 An improvement is described in US Pat. No. 5,479,541, the same structure being chosen and only each fiber additionally being provided with a collimation lens. It has been shown that the required adjustment tolerances of the output modules, ie the output fibers with collimation optics, are more favorable, which enables more cost-effective production. Otherwise, the disadvantages described above remain.
  • US Pat. No. 5,434,936 discloses a switching arrangement in which the input fiber is connected to a rotating mechanism and the longitudinal fiber axis lies parallel to the rotating axis, but is offset laterally to the rotating axis. The output fibers are arranged in the same way.
  • each output fiber is additionally provided with a permanent magnet, which is intended to ensure that the optimal position of the fibers relative to one another is set and maintained when switching to the corresponding output fiber.
  • the number of output fibers is very limited, essentially due to the actuation mechanism and the greatly increasing manufacturing effort when adding further output fibers.
  • the invention is therefore based on the object of providing a switching arrangement for switching and coupling a light bundle emitted by at least one input fiber into an output fiber of a plurality of output fibers, which ensures a large number of output channels, short switching times and simple and therefore inexpensive installation , where it should also be as compact as possible.
  • the travel ranges required are extremely short and thus enable short switching times (typically 1 ms) and it can be built very simply and compactly.
  • the deflected optical beams are processed in such a way that they can be efficiently coupled into the output fibers by means of deflecting optics and separate focusing optics.
  • the switching arrangement according to the invention forms a microsystem, in which each output fiber has a separate coupling optics, all of which Coupling optics (focusing optics and deflection optics) are at least partially arranged in the array.
  • Coupling optics focusing optics and deflection optics
  • the possibility of using lens and / or fiber arrays with equidistant spacing of the fibers or lenses is made possible by the deflecting optics, which deflect the collimated deflected bundle back into the original direction. Due to the design as a microsystem, the lens defects are so small that no complicated objectives are necessary, but "single lenses" can be used with limited diffraction. According to the invention, all individual lenses in the system have small lateral dimensions (beam deflection and collimation optics, focusing optics).
  • Inexpensive piezo actuators that are commercially available in large variations of the performance features can be used as control elements.
  • a measuring device connected to a processing unit can be provided, which measures the position of the respective deflected beam in relation to the optimal position for coupling into the respective output fiber, and the processing unit generates a control signal for the steep elements. This ensures that the individual positions of the output fibers can be approached with high precision and thus guarantees the stability of the optical parameters in the event of changing environmental conditions, such as temperature and air humidity.
  • arrays of optical and electronic components can be used, which are inexpensive to manufacture and assemble, as well as the large number of Further promote output channels.
  • Very simple micro-optical components such as microlenses, microlens arrays, prism arrays, which can be produced with comparatively little effort, can be used.
  • the optical functioning of the micro-optical components is diffraction-limited, which enables efficient coupling into the output fibers (losses ⁇ 1 dB).
  • the adjustment paths of the control elements are in the range of a few 10 ⁇ m, so that switching times in the range of
  • the switching arrangement according to the invention is functional in any wavelength ranges, the materials used here having to be adapted to the corresponding wavelength ranges with regard to their properties, such as transparency and refractive index.
  • FIG. 1 is a schematic side view of the switching arrangement according to the invention in different positions of the deflection and collimation optics with respect to the input fiber,
  • FIG. 1 is a perspective view of the embodiment of FIG. 1,
  • Fig. 3 is a view of a plurality of quadrant detectors in one two-dimensional array are arranged
  • FIG 4 shows schematic views for the adjustment possibilities of the input fiber and the deflection and collimation optics relative to one another.
  • a 1 ⁇ N switching arrangement which has an input fiber 2 and a plurality of output fibers 6.
  • the output fibers 6 are arranged two-dimensionally in accordance with FIG. 2 and, forming a two-dimensional array, are mounted and fastened in a holder 11.
  • a lens 1 is arranged in front of the input fiber 2 as a deflection and collimation optics, which lens is arranged in two directions, for example x- and y-direction, in relation to the input fiber 2 via an adjusting element 10, the adjustment directions of which are indicated by the arrows 12 , is movable.
  • the lens is preferably designed as a microlens with a small focal length, for example 1 mm with a diameter of 0.5-1 mm.
  • a detector device 7 for determining the position of the respective deflected beam relative to the optimal coupling position into the output fibers 6 is one Downstream deflection optics 4 and a subsequent focusing optics arrangement 5 are provided, which consists of a plurality of focusing optics assigned to the respective output fiber, both the individual focusing optics and the output fibers in the same lateral Chen distance from each other.
  • the deflecting optics 4 and the focusing optics arrangement 5, as can be seen in FIG. 2, are designed as prism arrays and microlens arrays.
  • the lens array as focusing optics 5 has a numerical aperture adapted to the output fibers.
  • FIG. 3 shows the detector arrangement 7, which has a plurality of quadrant detectors arranged in rows and columns, consisting of four
  • the detector device 7 is connected to a processing unit (not shown) which, depending on the output signals of the respective quadrant detector, generates a control or regulating signal to the actuating element 10 designed as a piezo element. Depending on the control signal, the deflection and collimation optics are adjusted in two directions relative to the input fiber 2.
  • the adjusting element designed as a piezo actuator, the electronic processing unit and the detector arrangement form the adjusting device for the lens 1, which is shown as a “control loop”.
  • the detector arrangement 7 as a measuring device for the position of the beam can be dispensed with and only the processing unit can be provided, so that the actuating device consists of an actuating element and processing unit or a control unit, the processing or control unit being the control signal as a control signal for the actuating element is generated depending on the position of the output fiber and the position of the lens and / or the input fiber.
  • the switching arrangement works as follows.
  • the input single-mode fiber 2 emits a beam 15 at its end.
  • the processing unit (not shown) supplies an actuating signal to the piezo actuator 10, which laterally shifts the lens 1 connected to it relative to the input fiber 2.
  • 1 shows three different beam paths for coupling into three different output fibers 6.
  • the lens 1 serves both as collimation optics and as a beam deflector.
  • the individual deflected and collimated beams 15 are after the route
  • Lens 1 is removed, the detector device 7 is arranged and the bundles can be transformed according to the output channels or output fibers 6 separately.
  • the individual prisms 4a, 4b of the prism array which are designed differently from one another
  • the subsequent lens array 5 with the numerical aperture adapted to the output fibers 6 focuses the individual bundles on the output fibers 6 in each case.
  • the respective quadrant detector of the detector arrangement 7 measures and determines the position of the respective deflected bundle and delivers the measurement signal to the processing unit (not shown). In this unit it is determined whether the measured beam is in an optimal position relative to the respective output fiber 6 and accordingly a control signal for controlling the actuating element is tes 10 generated.
  • the adjusting element 10 adjusts the lens 1 until it deflects the beam in accordance with the optimal position.
  • the prism array 4 and the lens array 5 are possible. Of course, they can be arranged separately from each other as individual elements. A further system integration is possible if the prism array 4 and the lens array 5 are mounted on one and the same substrate.
  • the deflection optics 4 can also be designed as a single lens, the focal length of which corresponds to the distance from the beam deflection and collimation optics.
  • the deflection optics it is also conceivable for the deflection optics to be dispensed with, but here the lateral distances between the output fibers differ from one another. There are small additional losses that can be tolerated depending on the application.
  • FIG. 4 shows the adjustment options of the input fiber and the deflection and collimation optics relative to one another.
  • the lens 1 is adjusted two-dimensionally, ie in two directions
  • the input fiber 2 is adjusted in two directions and the lens 1 is fixed
  • the input fiber 2 is in one direction and the lens 1 is adjusted in the other direction
  • FIG. 4d the deflection and collimation optics are realized by two lenses 13 and 14, the one lens 13 being moved in one direction and the other lens 14 in the other direction.
  • the input fiber 2 has a waist diameter of 4 ⁇ m.
  • the individual quadrant detectors enclose a transparent area with a diameter of 450 ⁇ m, so that the width of the detector structures is approximately 20 ⁇ m.
  • the detector elements can consist of silicon.
  • prism structures with angles of 0, ⁇ 1.72 ° and ⁇ 3.43 ° with a refractive index of 1.5 would be necessary.
  • Lens arrays should have a numerical aperture of 0.25 and an aspherical surface shape.
  • the working distance of the fibers from the lens array is approximately 1 mm.
  • the required adjustment range of the piezo actuator is 60 ⁇ m x 60 ⁇ m.
  • the switching times for this adjustment are of the order of 1 ms.
  • the light beam emitted by an input fiber is coupled into one or more output fibers.
  • an input fiber can also be used with a free space bundle, for example from a laser, which is focused with a first optical system in such a way that the focus has similar dimensions and the local position of the radiation emitted by the fiber (in the "pure" fiber switch) Light beam.

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Abstract

Es wird eine Schaltanordnung zum Schalten und Einkoppeln eines von mindestens einem optischen Element wie einer Eingangsfaser (2) abgestrahlten Lichtbündels in mindestens eine Ausgangsfaser einer Mehrzahl von Ausgangsfasern (6) vorgeschlagen. Dem abgestrahlten Lichtbündel bzw. der Eingangsfaser (2) ist eine Strahlablenk- und Kollimationsoptik (1) zugeordnet, die mit einer ein Stellelement (10) aufweisenden Stelleinrichtung verbunden ist. Abhängig von einem Stellsignal verschiebt das Stellelement (10) die Eingangsfaser (2) und die Strahlablenk- und Kollimationsoptik (1) relativ zueinander lateral, derart, dass das kollimierte Strahlenbündel über eine Umlenkoptik (4) und eine Fokussieroptik (5) in die mindestens eine Ausgangsfaser der Mehrzahl von mit Abstand zu der Strahlablenk- und Kollimationsoptik (1) angeordneten Ausgangsfasern (6) einkoppelbar ist.

Description

Schaltanordnung zum Schalten und Einkoppeln eines Lichtbündels in mindestens eine Ausgangsfaser
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanordnung zum Schalten und Einkoppeln eines Lichtbündels in mindestens eine Ausgangsfaser nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs .
Mono odefaserschalter sind wichtige Komponenten für die optische Nachrichtentechnik und' die optische Meßtechnik. Über einen Faserschalter wird Licht, das aus einer oder mehreren Eingangsmonomodefasern abgestrahlt wird, in verschiedene Ausgangsmonomodefasern eingekoppelt, wobei über einen Stellmechanismus sichergestellt wird, daß das Licht in die verschiedenen Ausgangskanäle bzw. -fasern geschaltet werden kann. Dabei sind für die Anordnung der Eingangsmonomodefasern und Ausgangsmonomodefasern verschiedene Konfigu- rationen denkbar, beispielsweise sind bei einem MxN- Faserschalter M Eingangskanäle in N Ausgangskanäle schaltbar.
Es sind eine Reihe von Anordnungen für Faserschalter bekannt, die die Schaltfunktion mit einer Bewegung der Eingangsfaser bezüglich der Ausgangsfasern realisieren. Diese Konzepte nutzen im wesentlichen rein mechanische Prinzipien. Aus der US 4 896 935 ist ein lxN-Faserschalter bekannt, der eine Eingangsfaser aufweist, die in einer Ebene so gedreht wird, daß sie mehrere Ausgangsfasern, die radial angeordnet sind, bedienen kann, wobei in jeder Schaltposition die Eingangs- und die entsprechende Ausgangsfaser nahezu in Kontakt sind, so daß keine optischen Komponenten be- nötigt werden, um hohe Koppeleffizienzen zu garantieren. Die erforderliche Drehbewegung kann durch verschiedene Aktuatoren ermöglicht werden, wobei jedoch die SchaltZeiten zwischen benachbarten Kanälen deutlich geringer sind als zwischen den äußeren Kanälen. Durch die Anordnung aller Fasern nebeneinander in einer Ebene ist die maximal mögliche Zahl der Aus- gangsfasern N beschränkt. Eine Montage erfordert eine schwierige Ausrichtung der einzelnen Fasern.
Eine Verbesserung wird in der US 5 479 541 beschrieben, wobei der gleiche Aufbau gewählt wird und lediglich jede Faser zusätzlich mit einer Kollimationsoptik versehen wird. Es hat sich gezeigt, daß sich die erforderlichen Justiertoleranzen der Ausgangsmodule, d.h. der Ausgangsfasern mit Kollimationsoptik, günstiger gestalten, was eine kostengünstigere Fertigung ermöglicht. Ansonsten bleiben die oben beschriebenen Nachteile vorhanden. In der US 5 434 936 ist eine Schaltanordnung offenbart, bei der die Eingangsfaser mit einem Drehmechanismus verbunden ist und die Faserlängsachse parallel zur Drehachse liegt, aber seitlich zur Drehachse ver- setzt ist. In gleicher Weise sind die Ausgangsfasern angeordnet. Die Schaltfunktion wird über magnetische Kräfte realisiert und jede Ausgangsfaser ist zusätzlich mit einem Permanentmagneten versehen, der sicherstellen soll, daß beim Schalten auf die entspre- chende Ausgangsfaser, die optimale Position der Fasern zueinander eingestellt und gehalten wird. Auch in dieser Anordnung ist die Anzahl der Ausgangsfasern, im wesentlichen durch den Aktuationsmechanismus und den sich stark vergrößernden Fertigungsaufwand beim Hinzufügen von weiteren Ausgangsfasern sehr beschränkt .
Eine weitere Anordnung (US 5 483 608) versucht das Problem der kostengünstigen Montage dadurch zu lösen, daß sich alle Ausgangsfasern in Führungen, zum Beispiel in V-Nuten befinden und die Eingangsfaser beim Schaltvorgang jeweils in die Führung der entsprechenden Ausgangsfaser gebracht und bis auf Anschlag auf die Ausgangsfaser bewegt wird. Die nötige Genauigkeit der verschiedenen Stellbewegungen wird damit stark reduziert. Eine große Anzahl von Ausgangsfasern ist mit dieser Anordnung möglich, aber aufgrund der notwendigen großen Stellwege kann die Schaltung nur sehr langsam erfolgen.
Alle Lösungen nach dem Stand der Technik haben den Nachteil, daß sie nicht gleichzeitig eine große Ausgangskanalzahl N, kleine Schaltzeiten und einfacher und damit kostengünstige Montage garantieren können. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schaltanordnung zum Schalten und Einkoppeln eines von mindestens einer Eingangsfaser abgestrahlten Licht - bündeis in eine Ausgangsfaser einer Mehrzahl von Aus- gangsfasern zu schaffen, die eine große Ausgangskanalzahl, kleine Schaltzeiten und eine einfache und damit kostengünstige Montage gewährleistet, wobei sie zusätzlich möglichst kompakt sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Dadurch, daß dem abgestrahlten Lichtbündel bzw. der Eingangsfaser eine Strahlablenk- und Kollimationsoptik zugeordnet ist und eine vorzugsweise miniaturisierte Stelleinrichtung vorgesehen ist, die die Eingangsfaser und die Strahlablenk- und Kollimationsoptik relativ zueinander lateral verschiebt, derart, daß das kollimierte Strahlenbündel in mindestens eine
Ausgangsfaser der Mehrzahl von mit Abstand zu der Strahlablenk- und Kollimationsoptik angeordneten Ausgangsfasern einkoppelbar ist, kann eine große Anzahl von Ausgangskanälen (typischerweise N = 10-200) , die vorzugsweise zweidimensional angeordnet sind, vorgesehen werden. Die benötigten Stellwege sind extrem gering und ermöglichen damit kurze Schaltzeiten (typischerweise 1 ms) und es kann sehr einfach und kompakt gebaut werden. Über eine Umlenkoptik und separa- ten Fokussieroptiken werden jeweils die abgelenkten optischen Strahlenbündel so aufbereitet, daß sie effizient in die Ausgangsfasern gekoppelt werden können. Insgesamt bildet die erfindungsgemäße Schaltanordnung ein Mikrosystem, bei dem jede Ausgangsfaser eine separate Koppeloptik besitzt, wobei alle die Koppeloptiken (Fokussieroptik und Umlenkoptik) zumindest teilweise im Array angeordnet sind. Die Möglichkeit, Linsen- und/oder Faserarrays mit äquidistantem Abstand der Fasern oder Linsen zu verwenden, wird durch die Umlenkoptik möglich, die das kollimierte abgelenkte Bündel in die ursprüngliche Richtung zurücklenkt . Durch die Ausbildung als Mikrosystem sind die Linsenfehler so klein, daß keine komplizierten Objektive notwendig sind, sondern es kann mit "Ein- zellinsen" beugungsbegrenzt gearbeitet werden. Entsprechend der Erfindung haben alle Einzellinsen im System kleine Lateraldimensionen (Strahlablenk- und Kollimationsoptik, Fokussieroptik) .
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich. Als Stellelemente können kostengünstige und in großen Variationen der Leistungsmerkmale kommerziell verfügbare Piezoaktuatoren verwendet wer- den. Weiterhin kann eine mit einer Verarbeitungseinheit verbundene Meßvorrichtung vorgesehen sein, die die Lage des jeweiligen abgelenkten Strahlenbündels in bezug auf die optimale Position zur Einkopplung in die jeweilige Ausgangsfaser mißt, und wobei die Ver- arbeitungseinheit ein Regelsignal für die Steilelemente erzeugt. Dadurch wird -sichergestellt , daß die einzelnen Positionen der Ausgangsfasern mit hoher Präzision angefahren werden können und garantiert damit die Stabilität der optischen Parameter bei sich verändernden Umweltbedingungen, wie Temperatur, Luft- feuchte. Durch die zweidimensionale Anordnung der Ausgangskanäle bzw. der Ausgangsfasern können Arrays von optischen und elektronischen Komponenten (z.B. Detektoren) Verwendung finden, die die kostengünstige Herstellung und Montage sowie die große Anzahl von Ausgangskanälen weiter fördern. Es können sehr einfache und mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellbare Mikrooptikkomponenten, wie Mikrolinsen, Mikrolinsenarrays, Prismenarrays verwendet werden.
Die optische Funktionsweise der Mikrooptikkomponenten ist beugungsbegrenzt , was eine effiziente Kopplung in die Ausgangsfasern (Verluste < 1 dB) ermöglicht. Die Verstellwege der Stellelemente liegen im Bereich von wenigen 10 μm, so daß Schaltzeiten im Bereich von
1 ms bis unter 100 μm erzielt werden können. Weiterhin sind hohe Kanalisolationen erreichbar (50 dB) . Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Schaltanordnung in beliebigen Wellenlängenbereichen funktions- fähig, wobei hier die verwendeten Materialien hinsichtlich ihrer Eigenschaften, wie Transparenz und Brechzahl, auf die entsprechenden Wellenlängenbereiche anzupassen sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Schaltanordnung in verschiedenen Stellungen der Ablenk- und Kollimationsoptik in bezug auf die Eingangsfaser,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Ansicht auf eine Mehrzahl von Quadrantendetektoren, die in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind, und
Fig. 4 schematische Ansichten für die Ver- Stellmöglichkeiten der Eingangsfaser und der Ablenk- und Kollimationsoptik relativ zueinander.
In Fign. 1 und 2 ist eine 1 x N-Schaltanordnung dar- gestellt, die eine Eingangsfaser 2 und eine Mehrzahl von Ausgangsfasern 6 aufweist. Die Ausgangsfasern 6 sind entsprechend Fig. 2 zweidimensional angeordnet und sind, ein zweidimensionales Array bildend, in einem Halter 11 montiert und befestigt. Vor die Ein- gangsfaser 2 ist als Ablenk- und Kollimationsoptik eine Linse 1 angeordnet, die über ein Stellelement 10, dessen Verstellrichtungen durch die Pfeile 12 angedeutet sind, in bezug auf die Eingangsfaser 2 in zwei Richtungen, zum Beispiel x- und y-Richtung, be- wegbar ist. Die Linse ist vorzugsweise als Mikrolinse mit geringer Brennweite, zum Beispiel 1 mm mit einem Durchmesser von 0,5 - 1 mm ausgebildet.
In einer ausreichenden Entfernung 3 von der Linse 1, die so gewählt werden muß, daß die jeweiligen abgelenkten und kollimierten Strahlenbündel räumlich voneinander getrennt sind, ist eine Detektorvorrichtung 7 zum Bestimmen der Lage des jeweiligen abgelenkten Bündels relativ zur optimalen Einkoppelposition in die Ausgangsfasern 6, eine nachgeschaltete Umlenkoptik 4 und eine sich anschließende Fokussieroptikan- ordnung 5 vorgesehen, die aus einer Mehrzahl von der jeweiligen Ausgangsfaser zugeordneten Fokussieropti- ken besteht, wobei sowohl die einzelnen Fokussierop- tiken als auch die Ausgangsfasern im gleichen seitli- chen Abstand zueinander liegen. Die Umlenkoptik 4 und die Fokussieroptikanordnung 5 sind, wie in Fig. 2 zu erkennen ist, als Prismenarray und Mikrolinsenarray ausgebildet. Das Linsenarray als Fokussieroptik 5 weist eine den Ausgangsfasern angepaßte numerische Apertur auf .
In Fig. 3 ist die Detektoranordnung 7 dargestellt, die eine Mehrzahl von in Zeilen und Spalten angeord- neten Quadrantendetektoren aufweist, die aus vier
Einzelelementen 8a,b,c,d besteht. Der von den Einzelsegmenten 8a bis 8d ringförmig umfaßte Mittelbereich 9 ist transparent. Die Detektorvorrichtung 7 ist mit einer nicht dargestellten Verarbeitungseinheit ver- bunden, die abhängig von den Ausgangssignalen des jeweiligen Quadrantendetektors ein Steuer- bzw. Regelsignal an das als Piezoelement ausgebildete Stell- element 10 erzeugt. Abhängig von dem Regelsignal wird die Ablenk- und- Kollimationsoptik relativ zur Ein- gangsfaser 2 in zwei Richtungen verstellt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel bilden das als Pie- zoaktuator ausgebildete Stellelement, die elektronische Verarbeitungseinheit und die Detektoranordnung die Stelleinrichtung für die Linse 1, die als "Regel- kreis" dargestellt ist. In einer anderen Ausführungsform kann auf die Detektoranordnung 7 als Meßvorrichtung der Lage des Strahlenbündels verzichtet werden und lediglich die Verarbeitungseinheit vorgesehen sein, so daß die Stelleinrichtung aus Stellelement und Verarbeitungseinheit bzw. einer Steuereinheit besteht, wobei die Verarbeitungs- bzw. Steuereinheit das Stellsignal als Steuersignal für das Stellelement abhängig von der Lage der Ausgangsfaser und der Lage der Linse und/oder der Eingangsfaser erzeugt. Die Funktionsweise der Schaltanordnung ist wie folgt. Die Eingangsmonomodefaser 2 strahlt an ihrem Ende ein Strahlenbündel 15 ab. Abhängig von der Lage der Aus- gangsfaser 6, in die das Strahlbündel 13 eingekoppelt werden soll, liefert die nicht dargestellte Verarbeitungseinheit ein Stellsignal an den Piezoaktuator 10, der die mit ihm verbundene Linse 1 relativ zu der Eingangsfaser 2 lateral verschiebt. In Fig. 1 sind drei verschiedene Strahlengänge zur Einkoppelung in drei verschiedene Ausgangsfasern 6 dargestellt. Die Linse 1 dient gleichzeitig als Kollimationsoptik und als Strahlablenker . Die einzelnen abgelenkten und kollimierten Strahlenbündel 15 sind nach der Strecke
3 der Freiraumausbreitung räumlich voneinander ge- trennt. In der Ebene, die um die Strecke 3 von der
Linse 1 entfernt ist, ist die Detektorvorrichtung 7 angeordnet und die Bündel können entsprechend den Ausgangskanälen bzw. Ausgangsfasern 6 separat transformiert werden. Die einzelnen unterschiedlich zuein- ander ausgebildeten Prismen 4a, 4b des Prismenarrays
4 bewirken eine Umlenkung des jeweiligen einzelnen Strahlenbündels, derart, daß dieses wieder parallel zur optischen Achse läuft. Das nachfolgende Linsen- array 5 mit der den Ausgangsfasern 6 angepaßten nume- rischen Apertur fokussiert die einzelnen Bündel jeweils auf die Ausgangsfasern 6.
Der jeweilige Quadrantendetektor der Detektoranordnung 7 mißt und bestimmt die Lage des jeweiligen ab- gelenkten Bündels und liefert das Meßsignal an die nicht dargestellte Verarbeitungseinheit. In dieser Einheit wird festgestellt, ob das gemessene Strahlenbündel sich in einer optimalen Lage relativ zu der jeweiligen Ausgangsfaser 6 befindet und entsprechend wird ein Regelsignal zur Ansteuerung des Stellelemen- tes 10 erzeugt. Das Stellelement 10 verstellt die Linse 1 solange, bis sie den Strahl entsprechend der optimalen Position ablenkt.
Es sind unterschiedliche Ausbildungen des Prismenar- rays 4 und des Linsenarrays 5 möglich. Selbstverständlich können sie voneinander getrennt als Einzel - elemente angeordnet werden. Eine weitere Systemintegration ist möglich, wenn das Prismenarray 4 und das Linsenarray 5 auf ein und demselben Substrat angebracht sind. Die Umlenkoptik 4 kann auch als Einzel- linse ausgebildet sein, deren Brennweite dem Abstand zur Strahlablenk- und Kollimationsoptik entspricht.
Es ist auch denkbar, daß auf die Umlenkoptik verzichtet wird, wobei hier jedoch .die lateralen Abstände der Ausgangsfasern zueinander unterschiedlich sind. Es treten kleine Zusatzverluste auf, die je nach Anwendung tolerierbar sein können.
In Fig. 4 sind die Verstellmöglichkeiten der Eingangsfaser und der Ablenk- und Kollimationsoptik relativ zueinander dargestellt. In Fig. 4a) wird die Linse 1 zweidimensional, d.h. in zwei Richtungen, verstellt, in Fig. 4b) wird die Eingangsfaser 2 in zwei Richtungen verstellt und die Linse 1 steht fest, in Fig. 4c) wird die Eingangsfaser 2 in eine Richtung und die Linse 1 in die andere Richtung verstellt und Fig. 4d) ist die Ablenk- und Kollimationsoptik durch zwei Linsen 13 und 14 realisiert, wobei die eine Linse 13 in die eine Richtung und die andere Linse 14 in die andere Richtung bewegt werden. Durch die Ausführungen nach Fign. 4c) und 4d) kann eine mechanische Entkopplung der x- und der y-Bewegung bei der Ver- Schiebung erzielt werden. Es folgt nun ein Beispiel für die Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltanordnung .
Es wird ein Wellenlängenbereich von λ = 0,78 μm ge- wählt. Die Eingangsfaser 2 hat einen Taillendurchmesser von 4 μm. Die nachfolgende Ablenk- und Kollimationsoptik weist eine Brennweite von f = 1 mm und eine numerische Apertur von 0,25 auf. Die kollimier- ten Bündel nach der Kollimationsoptik haben einen Taillendurchmesser von etwa 250 μm. Das entspricht einer Rayleighlänge von 6 cm. Wird nun zwischen zwei benachbarten Positionen die Kollimationsoptik um v = 15 μm ausgelenkt, so wird das Bündel um einen Winkel θ = v/f = 15 mrad abgelenkt. In einem Abstand von 3,3 cm nach der Kollimationslinse haben die Zentren der benachbarten Bündel einen Abstand von 500 μm. Dieser ist gleich dem lateralen Abstand (Pitchmaß) der nachfolgenden Optiken. Die einzelnen Quadrantendetektoren umschließen einen transparenten Bereich mit einem Durchmesser von 450 μm, so daß die Breite der Detektorstrukturen etwa 20 μm beträgt. Die Detektorelemente können in diesem Fall aus Silizium bestehen. Für die Realisierung eines 1 x 25-Schalters wären Prismenstrukturen mit Winkeln von 0, ± 1,72° und ± 3,43° bei einer Brechzahl von 1,5 nötig. Die
Linsenarrays sollten eine numerische Apertur von 0,25 und eine asphärische Oberflächenform besitzen. Der Arbeitsabstand der Fasern von dem Linsenarray beträgt etwa 1 mm. Der benötigte Stellbereich des Piezostel- lers ist 60 μm x 60 μm. Die Schaltzeiten für diese Verstellung liegen in der Größenordnung von 1 ms.
In den oben beschriebenen Beispielen wird das von einer Eingangsfaser abgestrahlte Lichtbündel in eine oder mehrere Ausgangsfasern eingekoppelt. Anstatt eine Eingangsfaser vorzusehen, kann auch mit einem Freiraumbündel zum Beispiel von einem Laser gearbeitet werden, das mit einer ersten Optik derart fokus- siert wird, daß der Fokus ähnliche Dimensionen und die örtliche Lage des von der Faser (in dem "reinen" Faserschalter) abgestrahlten Lichtbündels hat.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltanordnung zum Schalten und Einkoppeln eines von mindestens einem optischen Element abge- strahlten Lichtbündels in mindestens eine Aus- gangsfaser einer Mehrzahl von Ausgangsfasern, wobei dem abgestrahlten Lichtbündel eine Strahlablenk- und Kollimationsoptik (1,13,14) zugeordnet ist und eine Stelleinrichtung (10,7) vorge- sehen ist, die das abgestrahlte Lichtbündel und die Strahlablenk- und Kollimationsoptik (1,13,14) relativ zueinander lateral verschiebt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Strahlablenk- und Kollimationsoptik eine Umlenkoptik (4) nachgeschaltet ist, die das kol- limierte abgelenkte Strahlenbündel in die Richtung parallel zur optischen Achse umlenkt und daß jeder Ausgangsfaser eine Fokussieroptik zugeordnet ist, die das jeweilige Strahlenbündel in die Ausgangsfaser einkoppelt.
2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das das Lichtbündel abstrahlende optische Element eine Eingangsfaser ist.
3. Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die einzelnen Fokus- sieroptiken (5) als auch die Ausgangsfasern (6) im gleichen seitlichen Abstand zueinander lie- gen.
4. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkoptik (4) als Linse ausgebildet ist, deren Brennweite dem Abstand zur Strahlablenk- und Kollimationsoptik entspricht.
5. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkoptik
(4) als Prismenarray und/oder die Fokussieropti- ken (5) als Linsenarray ausgebildet sind.
6. Schaltanordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Prismen- und Linsenarray auf ein und demselben Substrat aufgebracht sind.
7. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrich- tung mindestens ein Stellelement (10) aufweist, das abhängig von einem Stellsignal betätigt wird.
8. Schaltanordnung nach Anspruch- 7, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Stellelement als Piezoaktuator
(10) ausgebildet ist.
9. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrich- tung eine Meßvorrichtung (7) umfaßt, die die
Lage des jeweiligen abgelenkten Strahlenbündels in bezug auf die optimale Position zur Einkopp- lung in die jeweilige Ausgangsfaser (6) mißt und daß eine mit der Meßvorrichtung (7) verbundene Verarbeitungseinheit abhängig von den Meßsignalen das Stellsignal für das mindestens eine Stellelement (10) erzeugt.
10. Schaltanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Meßvorrichtung eine Mehrzahl von mehrere Einzelsegmente aufweisenden Detektoren umfaßt, die vorzugsweise ringförmig mit mittigem transparenten Bereich (9) ausgebildet sind.
11. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet daß die Strahlablenk- und Kollimationsoptik (1) als Mikrolinse ausgebildet ist, die vorzugsweise eine Brennweite von ≤ 1 mm aufweist.
12. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenk- und Kollimationsoptik (1) in bezug auf das abge- strahlte Lichtbündel bzw. die Eingangsfaser (2) in mindestens eine Richtung und/oder das abgestrahlte Lichtbündel bzw. die Eingangsfaser (2) in bezug auf die Ablenk- und Kollimationsoptik (1) in mindestens eine Richtung lateral ver- schiebbar ist.
13. Schaltanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenk- und Kollimationsoptik aus zwei Linsen (13,14) besteht, die je- weils in unterschiedliche Richtungen verschiebbar sind.
14. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsfa- sern zweidimensional im Array montiert sind.
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