WO2000052513A1 - Optische schaltmatrixanordnung - Google Patents

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Definitions

  • Integrable optical switching matrices such as published in SPIE, Conference on Microelectronic Structures and MEMS for Optical Processing IV, Santa Clara, September 1998. Proposed in SPIE, Vol. 3513, use a torsion mirror arrangement. Different input and output fibers can be coupled by means of different mirror positions, the mirrors each being pivoted into the beam path between opposite input and output fibers.
  • optical switching matrix arrangement which is capable of realizing fast switching processes, and which can be manufactured inexpensively with little technological effort.
  • the basic idea of the invention is to start from a switching matrix in which the N input and N output fibers arranged in one plane are each provided with a collimation lens or focusing lens. The light emerging from the input fibers is then collimated and the corresponding switched bundles are focused into the output fibers.
  • transmissively deflecting prisms are brought into the beam path, which direct each of the input bundles onto one of the output fibers.
  • a total of ⁇ prisms are therefore necessary, of which there are always N prisms in the beam path for deflection. The rest are outside the beam path until the corresponding switching operation and are inoperative. To reconfigure the optical connections, 2 ... N prisms are then removed from the beam path and 2 ... N further prisms are switched into the beam path.
  • prisms according to the invention in transmission mode is advantageous because compared to mirrors or reflecting prisms, the adjustment effort is significantly lower and the costs in terms of assembly and manufacture can be minimized.
  • the connection between the prism and the tongue of the respective piezo bender can be made cohesively by soldering or gluing.
  • the piezo bending actuators are activated by applying current-voltage in a manner known per se and need not be explained in more detail here.
  • FIG. 2 shows a representation of a structured piezoelectric actuator with, for example, 16 independently controllable switching tongues.
  • the input fibers 1 are guided onto a first lens array 2.
  • the light emerging from the input fibers 1 is collimated or focused on the output-side, second lens array 3 with respect to the output fibers 4.
  • Input bundle is directed on the radiation side to a corresponding output fiber 4. Then, if necessary in certain applications, there is the possibility that a deflection takes place in such a way that radiation from an input bundle 6 falls onto a plurality of output fibers 4. For multi-channel applications, a stack arrangement of prisms with associated benders can also be implemented.
  • the prisms are deflected perpendicular to the switching plane by a corresponding piezo bender, i.e. a corresponding tongue 9 of the comb structure is assigned.
  • the range of motion or the setting angle of each piezo bender is larger than the diameter of the respective collimated bundle in order to achieve an optimal switching process and is, for example, in the range of essentially 500 ⁇ m.
  • the individual prisms are integral at the top, free end of each tongue of the comb structure, e.g. fixed by soldering or gluing.
  • the comb structure of the piezo actuator can be made in a manner known per se from structured ceramic, taking into account the bending elasticity and the deflection angle of the individual tongues miniaturization of the overall arrangement can be achieved.
  • the switching matrix arrangement according to the invention enables the construction of very compact, inexpensive to manufacture optical switches e.g. for communication or information networks, whereby the less critical optical surfaces of the prisms can reduce assembly and production costs.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Schaltmatrixanordnung, insbesondere für optische Nachrichten- und Informationsnetze auf der Basis von optischen Fasern, wobei eine Anzahl N unterschiedlicher optischer Eingangskanäle in beliebiger Weise mit einer Anzahl N optischer Ausgangskanäle verbindbar ist. Erfindungsgemäß sind an den Überschneidungspunkten der N kollimierten Eingangsbündel und der N kollimierten Ausgangsbündel Prismen in den Strahlengang einbringbar, die gezielt eingangsseitige Strahlung auf eine Ausgangsfaser lenken, wobei die Bewegung der Ablenkprismen durch einen jeweils zugeordneten Piezobiegesteller erfolgt.

Description

Optische Schaltmatrixanordnung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine optische Schaltmatrixanordnung, insbesondere für optische Nachrichten- und Informationsnetze auf der Basis von optischen Fasern, wobei eine Anzahl N unterschiedlicher optischer Eingangskanäle in beliebiger Weise mit einer Anzahl N optischer Ausgangskanäle verbindbar ist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 2.
Anordnungen zur Rekonfigurierung von optischen Pfaden in optischen Nachrichten- oder Informationsnetzen auf der' Basis von optischen Fasern sind bekannt. Beispielsweise sei hier auf die Veröffentlichung in SPIE, Vol. 3276, Seite 37 bis 43, Neumeier, Michel et al, "Miniaturized fiber optical switches with non-moving polymeric mirrors for tele- and datacommuni- cation networks fabricated using the LIGA technology" , ver- wiesen.
Bei solchen Anordnungen muß eine Anzahl von N unterschiedlichen optischen Eingangskanälen in beliebiger Weise mit den optischen Ausgangskanälen verbunden werden, wobei in den meisten Fällen dabei alle N Verbindungen parallel nutzbar sein müssen, d.h. eine entsprechende Schaltmatrix muß blockierungsfrei arbeiten.
Bekannte optische Schaltmatrizen mit N optischen Eingangs- und Ausgangsfasern nutzen beispielsweise die Bewegung der optischen Fasern selbst oder es wird eine Bewegung vergleichsweise großer optischer Komponenten im kollimierten Strahlengang zwischen den Faserein- und -ausgängen realisiert. Derartige Schaltmatrizen sind außerordentlich langsam, relativ groß und aufwendig in der Herstellung.
Integrierbare optische Schaltmatrizen, wie beispielsweise in SPIE, Conference on Microelectronic Structures and MEMS for Optical Processing IV, Santa Clara, September 1998, veröf- fentlicht in SPIE, Vol. 3513, vorgeschlagen, greifen auf eine Torsionsspiegelanordnung zurück. Durch unterschiedliche Spiegelstellungen sind verschiedene Eingangs- und Ausgangs- fasern koppelbar, wobei die Spiegel jeweils in den Strahlengang zwischen gegenüberliegenden Ein- und Auskoppelfasern eingeschwenkt werden.
Bekannt sind ebenfalls Schaltmatrizen auf der Basis thermisch beeinflußter optischer Wellenleiterstrukturen in Glas . Hier liegen die Schaltzeiten bereits im vorteilhaften Bereich einiger Millisekunden, allerdings sind die Verluste und das Übersprechen zwischen den Kanälen in einer solchen Matrix sehr groß und es wird zum Halten der Schaltzustände eine relativ große elektrische Leistung benötigt.
Aus der DE 195 00 214 AI ist eine Schaltmatrixanordnung für optische Nachrichten- und Informationsnetze auf der Basis optischer Fasern bekannt, jedoch wird dort mindestens ein Spiegel wahlweise ausgerichtet in den Strahlengang hinein bewegt, so daß der Lichtstrahl durch den Spiegel in Richtung der Eintrittstlache der gewünschten Ausgangsleitung reflektiert werden kann. Das dort genutzte Reflexionsprinzip erfordert bei den Ablenkwinkeln im Bereich von 90° eine außerordentlich hohe Justiergenauigkeit der Anordnung, was herstellungsseitig erhebliche Aufwendungen nach sich zieht.
Gleiches gilt für die Schaltmatrixanordnung gemäß US 5,841,917, welche hinsichtlich einzusetzender optischer Elemente einer Matrix auf Prismen verweist, die am Ende sogenannter Pins befestigt sind und in den Strahlengang eingebracht werden können. Jedem Pin ist ein mechanischer Aktor zugeordnet, der denjenigen ähnelt, welche bei sogenannten Matrixdruckern Verwendung finden.
Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, eine weitergebildete optische Schaltmatrixanordnung anzugeben, die in der Lage ist, schnelle Schaltvorgänge zu realisieren, und welche kostengünstig mit geringem technologischen Aufwand ~~ hergestellt werden kann.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Schaltmatrixanordnung gemäß den Merkmalen nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, von einer Schaltmatrix auszugehen, in der die in einer Ebene angeordneten N Eingangs- und N Ausgangsfasern mit jeweils einer Kollimationslinse bzw. Fokussierlinse versehen sind. Das aus den Eingangsfasern austretende Licht wird dann kollimiert und die entsprechend geschalteten Bündel werden in die Ausgangsfasern fokussiert. Zum Schalten der Lichtwege werden erfindungsgemäß an den Überschneidungs- oder Knotenpunkten der N kollimierten Eingangsbündel und der N kollimierten Ausgangsbundel transmittierend ablenkende Prismen in den Strahlengang gebracht, die jedes der Eingangsbündel auf eine der Ausgangsfasern lenken.
Erfindungsgemäß sind insgesamt somit ^ Prismen nötig, von denen immer N Prismen sich im Strahlengang zur Ablenkung befinden. Die übrigen befinden sich bis zum entsprechenden Schaltvorgang außerhalb des Strahlengangs und sind funktionslos. Zum Rekonfigurieren der optischen Verbindungen werden dann 2...N Prismen aus dem Strahlengang herausgenommen und entsprechend 2...N weitere Prismen in den Strahlengang geschaltet .
Erfindungsgemäß sind weiterhin die Ablenkprismen auf einer Kammstruktur aus Piezobiegestellern angeordnet. Jedem Ablenkprisma ist damit ein Piezobieger zugeordnet. Bevorzugt sind die Prismen mit dem freien beweglichen Ende der Zungen- oder Kammstruktur stoffschlüssig verbunden. Der Bewegungsbereich der Piezobieger ist größer als der Durchmesser des kollimierten Bündels und liegt im Bereich von etwa 500 μm, um einen optimalen Schaltprozeß zu gewährleisten. Die Prismenhöhe selbst ist ebenfalls größer als der erwähnte ~ Durchmesser .
Es hat sich gezeigt, daß der erfindungsgemäße Einsatz von Prismen im Transmissionsbetrieb deshalb von Vorteil ist, da im Vergleich zu Spiegeln oder reflektierenden Prismen der Justageaufwand wesentlich geringer ist und dadurch bezüglich der Montage und Herstellung die Kosten minimiert werden können. Die Verbindung zwischen Prisma und Zunge des jeweiligen Piezobiegestellers kann Stoffschlüssig durch Löten oder Kleben erfolgen.
Die Ansteuerung der Piezobiegesteller erfolgt wie bei Piezo- aktoren durch Strom-Spannungsbeaufschlagung in an sich bekannter Weise und braucht hier nicht näher erläutert zu werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei- spiels und unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine prinzipielle Anordnung von M x N-Faserschaltern" mit eingangs- und ausgangsseitig vorgesehenem Linsen- array und
Fig. 2 eine Darstellung eines strukturierten piezoelektrischen Aktuators mit beispielhaft 16 unabhängig ansteuerbaren Schaltzungen.
Wie der Fig. 1 entnommen werden kann, sind die Eingangsfasern 1 auf ein erstes Linsenarray 2 geführt. Hierbei wird das aus den Eingangsfasern 1 austretende Licht kollimiert bzw. am ausgangsseitigen, zweiten Linsenarray 3 bezüglich der Ausgangsfasern 4 fokussiert.
SUBST1TUTE SHEET (RULE 26) Zum Schalten werden an den Überschneidungspunkten der kolli" mierten Eingangsbündel 6 und der entsprechend kollimierten Ausgangsbundel 7 definiert Umlenk-Mikroprismen 5 in den Strahlengang eingebracht . Die Prismen 5 sind so ausgeführt, daß jedes der
Eingangsbündel strahlungsseitig auf eine entsprechende Ausgangsfaser 4 gelenkt wird. Dann, wenn bei bestimmten Anwendungen notwendig, besteht die Möglichkeit, daß eine Ablenkung derartig erfolgt, daß Strahlung aus einem Eingangsbündel 6 auf mehrere Ausgangsfasern 4 fällt. Für mehrkanalige Anwendungen ist auch eine Stapelanordnung von Prismen mit zugehörigen Biegestellern realisierbar.
Konkret wird die Bewegung der Ablenkprismen 5 , wie in der Fig. 2 prinzipiell dargestellt, durch eine Piezobiegesteller- Anordnung 8, d.h. durch einen piezoelektrischen Aktuator, vorgenommen. Die Ablenkung der Prismen erfolgt senkrecht zur Schaltebene, indem jedem Prisma ein entsprechender Piezobieger, d.h. eine entsprechende Zunge 9 der Kammstruktur, zugeordnet ist. Der Bewegungsbereich bzw. der Stellwinkel jedes Piezobiegers ist dabei größer als der Durchmesser des jeweiligen kollimierten Bündels, um einen optimalen Schaltprozeß zu erreichen, und liegt beispielsweise im Bereich von im wesentlichen 500 μm.
Die Einzelprismen sind am oberen, freien Ende jeder Zunge der Kammstruktur Stoffschlüssig, z.B. durch Löten oder Kleben befestigt .
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung können einzelne der Zungen oder Zungengruppen des piezoelektrischen Aktuators bewegt werden, wobei diese Bewegung unter Mitnahme des bzw. der jeweiligen Prismen erfolgt, wodurch der Schaltvorgang, d.h. das Umlenken der kollimierten Strahlung erfolgt.
Die Kammstruktur des Piezoaktuators kann in an sich bekannter Weise aus strukturierter Keramik gefertigt sein, wobei unter Beachtung der Biegeelastizität und des Auslenkwinkels der einzelnen Zungen eine Miniaturisierung der Gesamtanordnung ~~ erreicht werden kann.
Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Schaltmatrixanordnung den Aufbau sehr kompakter, kostengünstig herstellbarer optischer Schalter z.B. für Nachrichten- oder Informationsnetze, wobei durch die unkritischeren optischen Flächen der Prismen der Montage- und Herstellungsaufwand reduziert werden kann.
SUBST1TUTE SHEET (RULE 26) Bezugszeichenliste
1 Eingangsfasern 2 erstes Linsenarray
3 zweites Linsenarray
4 Ausgangsfasern
5 Umlenk-Mikroprismen
6 optisches Eingangsbündel 7 optisches Ausgangsbundel
8 Piezobiegesteller-Anordnung
9 Zunge

Claims

Patentansprüche
1. Optische Schaltmatrixanordnung, insbesondere für optische Nachrichten- und Informationsnetze auf der Basis von optischen Fasern, wobei eine Anzahl N unterschiedlicher optischer Eingangskanäle in beliebiger Weise mit einer Anzahl
N optischer Ausgangskanäle verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß daß an den Überschneidungspunkten der N kollimierten Eingangsbündel und der N kollimierten Ausgangsbundel transmittierend ablenkende Prismen in den Strahlengang einbringbar sind, die gezielt eingangsseitige Strahlung auf eine Ausgangsfaser lenken, wobei die Bewegung der Ablenkprismen durch einen jeweils zugeordneten Piezobiegesteller erfolgt.
2. Optische Schaltmatrixanordnung, insbesondere für optische Nachrichten- und Informationsnetze auf der Basis von optischen Fasern, wobei eine Anzahl N unterschiedlicher optischer Eingangskanäle in beliebiger Weise mit einer Anzahl N optischer Ausgangskanäle verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß daß an den Überschneidungspunkten der N kollimierten Eingangsbündel und der N kollimierten Ausgangsbundel, Prismen in den Strahlengang einbringbar sind, die gezielt eingangsseitige Strahlung auf eine Ausgangsfaser lenken, wobei die Bewegung der Ablenkprismen durch einen jeweils zugeordneten Piezobiegesteller einer Kammstruktur erfolgt .
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß daß der Bewegungsbereich der Piezobieger und die Prismenhöhe größer als der Durchmesser der kollimierten Bündel zur Gewährleistung eines optimalen Schaltprozesses sind.
. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Piezobiegesteller eine Kammstruktur aufweisen, wobei an jeder Zunge der Kammstruktur ein Prisma Stoffschlüssig befestigt ist.
5. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsbereich oder Hub der Biegesteller im wesentlichen im Bereich von 500 μm liegt.
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