DE3004714C2

DE3004714C2 - Mechanischer, optischer Umschalter

Info

Publication number: DE3004714C2
Application number: DE3004714A
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Aoyama; Kikuo Tokyo Doi; Yohji Yokohama Kanagawa Fujii; Junichiro Yokosuka Kanagawa Minowa
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: Nec Corp Nippon Telegraph And Telephone Corp To
Priority date: 1979-02-08
Filing date: 1980-02-08
Publication date: 1984-01-05
Also published as: DE3004714A1; US4322126A; JPS55105210A; GB2043293B; JPS5740484B2; GB2043293A

Description

2. Mechanischer, optischer Umschalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

g) einen zwischen der ersten und der zweiten Linse (5 bzw. 6) angeordneten ersten Reflektor (29) zum Reflektieren der von der ersten oder zweiten Linse (5 bzw. 6) herrührenden Licht- so strahlen, und

h) einen zwischen der dritten und der vierten Linse (9 bzw. 10) angeordneten zweiten Reflektor (30) zum Reflektieren der von dem ersten Reflektor (29) herrührenden Lichtstrahlen auf die dritte bzw. vierte Linse (9 bzw. 10).

3. Mechanischer, optischer Umschalter, gekennzeichnet durch

60

erste bis vierte optische Fasern (1 bis 4) am Eingang,

b) eine Eingangskoliimatorlinsenanordnung mit ersten bis vierten Linsen (5 bis 8) zum Parallelisieren der ankommenden. Lichtstrahlen,

c) eine hinter der Eingangslinsenanordnung (5 bis 8) angeordnete optische Schaltvorrichtung (13) mit sechs dielektrischen lichtdurchlässigen Bauteilen (13/1 bis 13FJ mit jeweils homogenem Brechungsindex, um die in der einen Schaltstellung die Schaltvorrichtung (13) parallel durchlaufenden Lichtstrahlen in der anderen Schaltstellung zu überkreuzen, wobei die Schaltvorrichtung (13) nach Art eines Rhombus zwei im wesentlichen zueinander parallele Flächen als Ober- bzw. Unterseite sowie jeweils zwei zu diesen senkrechte Eingangs- und Ausgangsflächen zwischen der Ober- und Unterseite aufweist und wobei die Eingangs- und die Ausgangsflächen unter vorgegebenem Winkel zu den parallelen Lichtstrahlen angeordnet sind, um in der zweiten Schaltstellung jeweils einen der parallelen Lichtstrahlen aus den Linsen (5 bis 8) wahlweise abzulenken,

d) eine hinter den lichtdurchlässigen Bauteilen (13/4 bis t3F) angeordnete Ausgangslinsenanordnung mit fünften bis achten Linsen (9 bis 12) zum Fokussieren der parallel gerichteten Lichtstrahlen,

e) fünfte bis achte Fasern (V bis 4') am Ausgang zum wahlweisen Empfang einer der Lichtstrahlen aus der Ausgangslinsenanordnung (9 bis 12) und durch

f) eine mechanische Schalteinrichtung (14/4 bis 14F) zum wahlweisen Einbringen jedes dielektrischen Bauteils (13>4 bis t3F) in vorgegebene Schaltstellungen und zum Herausziehen aus diesen Schaltstellungen.

Die Erfindung betrifft mechanische, optische Umschalter für nachrichtentechnische Systeme und insbesondere zum Umschalten optischer Übertragungswege. - Bei optischen Fernmeldesystemen mit optischen Fasern als Übertragungsmedium, die unter großer öffentlicher Anteilnahme intensiv entwickelt worden sind, sind optische Umschalter oder Weichen zum gegenseitigen Verbinden und Trennen der optischen Übertragungswege unerläßlich.

Aus dein Aufsatz »Electrically Switched Directional Coupler: Cobra« von M. Papuchon et al. in der Zeitschrift »Applied Physics Letters«, Bd. 27, Nr. 5, S. 289 bis 291, vom 1. September 1975, ist eine elektro-optische Weiche beruhend auf der optischen /ntegrationstechnik bekannt Diese Weiche kann mit hoher Schaltgeschwindigkeit betrieben werden, weist jedoch eine hohe Dämpfung auf, die durch Temperaturänderungen stark beeinflußt wird. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist eine mechanische, optische Weiche mit geringer Dämpfung jedoch relativ niedriger Umschaltgeschwindigkeit bekanntgeworden (vgl. den Aufsatz »Optical Sv/itching System Experiment« von H. Ogiwara et al. in der Zeitschrift »IEEE Transactions on Communications«, Bd. COM-27, Nr. 2, S. 517 bis 521 (Februar 1979), — ein entsprechender Vortrag wurde anläßlich der Veranstaltung »Technical Group Meeting on Switching Engineering of the Institute of Electronic and Communication Engineers of Japan« im Juni 1978 in Tokyo, Japan, gehalten). Da dieser bekannte Schalter ein Ix2-Schalter ist, sind 17 derartige Schalter erforderlich, um ein 4 χ 3-SchaIternetzwerk zusammenzustellen, so daß dieses Schalternetzwerk kompliziert ist und eine große Dämpfung aufweist

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe

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zugrunde, einen mechanischen optischen Umschalter mit geringer Dämpfung zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. Der erfindungsgemäße Umschalter ist einfach aufgebaut und Iwt eine geringe Dämpfung.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigi

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Ausführungsform gemäß F i g. 1,

F i g. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß F i g. 1,

Fig.4 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform,

F i g. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß F i g. 4,

Fig.6 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform und

F i g. 7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß F i g. 6.

Der in F i g. 1 dargestellte optische 2 χ 2-Umschalter weist an seinem Eingang eine erste und eine zweite optische Faser i bzw. 2 auf; eine erste und eine zweite Linse 5 bzw. 6 kollimieren die aus der ersten bzw. aus der zweiten optischen Faser 1 bzw. 2 austretenden Lichtstrahlen zu parallelen Lichtstrahlen; ein dielektrisches Bauteil 13 mit homogenem Brechungsindex ist hinter den beiden Linsen 5 und 6 angeordnet, um die der Ha!.er 18 gleitet, Eiektromagnete 21 und 22 zum Antreiben des Halters 18 sowie ein Paar Anschläge .23 und 24 auf, um eine Bewegung des Halters 18 über die Enden der Nut 19 hinaus zu verhindern. Die Arbeitsweise des Umschalters gemäß Fig. 1 wird im Zusammenhang mit Fig.3 näher erläutert Es sei 1ingenomm<;n, daß die Eiektromagnete 21 und 22 so erregt werden, daß das elektrische Bauteil 13 durch den Elektromagneten 21 angezogen und von dem Elektromagneten 22 abgestoßen wird, d.h. das dielektrische Bauteil 13 befindet sich in der gestrichelten Lage. In diesem Fall werden die von den Fasern 1 und 2. emittierten Lichtstrahlen durch die Linsen 5 bzw. 6 kollimiert, und die so kollimierten Lichtstrahlen werden durch die Linsen 9 bzw. 10 fokussiert und schließlich in die Fasern Γ bzw. 2' gelenkt (vgl. die gestrichelten optischen Wege). Wenn die Eiektromagnete 21 und 22 mit entgegengesetzter magnetischer Polarität erregt werden, so kommt das Bauteil 13 in die durchgezogene

Läge. Die optischen Wege der von den Linsen 5 und « kommenden, kollimierten Lichtstrahlen werden innerhalb des Bauteils 13 umgeschaltet (vgl. die durchgezogenen Linien der optischen Wege in F i g. 3). Durch die so umgeschalteten optischen Wege werden die Lichtstrah-

len mit Hilfe der Linsen 9 und 10 fokussiert und in die Fasern Γ bzw. 2' gelenkt.

--;. Wie vorstehend erläutert, wird der Lichtstrahl aus der -Faser 1 entweder zur Faser 1' oder zur Faser 2' und der Lichtstrahl der Faser 2 entweder zur Faser 2' oder zur

optischen Wege der parallel gerichteten Lichtstrahlen 30 -Faser Γ gelenkt, wobei dieb davon abhängt, ob das

.... j— ..-:_.-_ ,-. = .__. ^ ._-,. .„.,. Bauteil 13 sich in den optischen Achsen der Linsen 5 und

6 befindet.

; Die zweite Ausführungsform gemäß den F j g. 4 und 5 .ist ein 2 χ 2-Umschalter mit Fassungen 25 bis 28, Fasern J5 .1,2,1' und 2' sowie dreieckigen Spiegeln 29 und 30, die jeweils aus einem dreieckigen Glasstück bestehen, auf dem durch ein Vakuumaufdampfverfahren dielektrische ■Mehrfachschichten aufgebracht sind. Bei dieser zweiten Ausführungsform sind die Eingangs- und Ausgangsfasern 1 bzw. V an der einen Seitenwand des Gehäuses i6 .angeordnet, so daß diese zur Bildung eines optischen "Weges miteinander optisch verbunden werden können. ■Ferner sind die Eingangs- und Ausgangsfasern 2 bzw. 2' an der gegenüberliegenden Seitenwand angeordnet und Bild i h

aus den beiden Linsen 5 und 6 umzuschalten; mittels - einer dritten und einer, vierten Linse 9 bzw. 10 werden die parallel gerichteten Lichtstrahlen nach der?; dielektrischen Bauteil 13 fokussiert; am Ausgang des Umschalters sind eine dritte und eine vierte optische Faser V bzw. 2' vorgesehen, in die die von der dritten bzw. vierten Linse 9 bzw. 10 herrührenden Lichtstrahlen eintreten; schließlich ist ein Antrieb 14 vorgesehen, um das dielektrische Bauteil 13 in den Bereich der axialen Linien der ersten und der zweiten Linse 5 und 6 hineinzubewegen oder aus diesem Bereich herauszuziehen.

Ein Gehäuse 16 besteht aus einem unmagnetischen Material, wie Edelstahl oder Kunstharz. Eingangsfasern

1 und 2 sind an einer seitlichen Gehäusewand 45 zur Bildung eines entsprechenden optischen Weges in vorgesehen und liegen den Ausgangsfasern V und 2' ähnlicher Weise miteinander optisch verbindbar. Der •gegenüber. Durch diese Anordnung werden gerade
optische Wege zwischen den Fasern 1 und «' und
zwischen den Fasern 2 und 2' gebildet. Die stabförmigen
Eingangslinsen 5 uid 6 zum Kollimieren der aus den 50
Fasern 1 bzw. 2 austretenden Lichtstrahlen sind hinter
den Eingangsfasern 1 und 2 angeordnet. Die stabförmigen Ausgangslinsen 9 und 10 zum Fokussieren der
parallel gerichteten Lichtstrahlen, die aus den Eingangslinsen 5 und 6 austreten, sind vor den Ausgangsfasern Γ 55
und 2' vorgesehen. Das dielektrische Bauteil 13 ist
zwischen den Eingangslinssn und den Ausgangslinsen
angeordnet, um die optischen Wege der aus den Linsen
5 und 6 austretenden Lichtstrahlen umzuschalten. Das

Bauteil 13 wird mit Hilfe eines Antriebs 14 in die 60 29 und 30 reflektiert, kehren ihre Richtungen um und opiischen Wege der Linsen 5 und 6 eingeschoben oder -werden durch die Linsen 9 bzw. 10 in die Fasern 1' bzw. aus diesen herausgezogen. Zur Stromversorgung des 2' fokussiert (vgl. die gestrichleten Linien der optischen Antriebs 14 sind Anschlüsse 15 vorgesehen. We^e). Wenn die Eiektromagnete 21 und 22 mit

In F i g. 2 ist der Antrieb 14 gemäß F i g. 1 vergrößert umgekehrter magnetischer Polarität erregt werden, so dargestellt. Der Antrieb 14 weist einen Halter 18 mit 65 befindet ich das dielektrische Bauteil 13 in der in F i g. 5 einem Permanentmagneten 17 auf. Das dielektrische mit durchgezogenen Strichen eingezeichneten Lage. Bauteil 13 ist an dem Halter befestigt. Der Antrieb 14 Die von den Linsen 5 und 6 kommenden kollimierten weist ferner ein Führungsteil 20 mit einer Nut 19, in der Lichtstrahlen werden durch den Spiegel 29 reflektiert

übrige Aufbau der zweiten Ausführungsform entspricht dem der ersten Ausführungsform, und daher kann eine .weitere Beschreibung entfallen.

Der Umschaltvorgang bei der zweiten Ausführungsform wird im Zusammenhang mit Fig.5 näher erläutert. Es sei angenommen, daß die Eiektromagnete 21 und 22 derart betätigt sind, daß das dielektrische Bauteil 13 von dem Elektromagneten 21 angezogen und von dem Elektromagneten 22 abgestoßen wird (vgl. die gestrichelte Lage des Bauteils 13 in Fig.5). Dabei werden die aus den Fasern 1 und 2 austretenden Lichtstrahlen durch die Linsen 5 bzw. 6 kcliimieri. Die so kollimierten Lichtstrahlen werden durch die Spiegel

und dann innerhalb des Bauteils 13 auf den eingezeichneten optischen Wegen umgeschaltet; die so umgeschalteten Lichtstrahlen werden von dem Spiegel 30 reflektiert und danach durch die Linsen 10 bzw. 9 in die Faser 2' bzw. Γ fokussiert. Dadurch werden die aus den Fasern 1 und 2 austretenden Lichtstrahlen entweder zu den Ausgangsfasern Γ bzw. 2' oder in die Ausgangsfasern 2' bzw. V gelenkt, und zwar in Abhängigkeit davon, ob das dielektrische Bauteil 13 sich zwischen den Spiegeln 29 und 30 befindet.

j. Der in Fig.6 dargestellte 4 x4-Umschalter hat vier fEingangsfasern 1 bis 4 am einen Ende des Gehäuses 16 und vier Ausgangsfasern '.' bis 4' am anderen Ende. Stabförmige Linsen 5 bis 8 und 9 bis 12 sind hinter den ^;Fasern 1 bis 4 bzw. vor den Fasern Γ bis 4' angeordnet

Zwischen den Eingangsfasern 1 bis 4 und den Ausgangsfasern Γ bis 4' sind sechs dielektrische Bauteile 13Λ bis 13F angeordnet, um die optischen iWege der Lichtstrahlen von den Eingangsfasern 1 bis 4 umzuschalten. Die Bauteile 13/4 und 135 schalten die ■optischen Wege der Fasern 1 und 2, die Bauteile 132?und -13F, die optischen Wege der Fasern 3 und 4 und die ^Bauteile 13Cund 13Fdie optischen Wege der Fasern 2 iund 3. Die Bauteile 13/4 bis 13F werden von Antrieben ?14Λ bis 14F angetrieben, die jeweils den gleichen Aufbau wie der Antrieb gemäß F i g. 2 aufweisen.

Die dritte Ausführungsform wird im Zusammenhang mit Fig.7 und Tabelle I näher erläutert. In Tabelle I bedeutet »1« in dem Abschnitt »Position der dielektrischen Bauteile«, daß das betreffende dielektrische Bauteil 13Λ bis 13Fsich in den optischen Wegen zweier vorgegebener Eingangsfasern befindet (in Fig.7 befinden sich die mit durchgezogener Linie eingezeichneten dielektrischen Bauteile alle in der »!«-Position), während »0« den Fall kennzeichnet, bei dem das

Tabelle II

jeweilige dielektrische Bauteil sich außerhalb der optischen Wege befindet (in F ί g. 7 sind alle gestrichelt eingezeichneten dielektrischen Bauteile in der »Opposition). Ferner zeigt der Abschnitt »Anschluß« in Tabelle I die Beziehung zwischen den Eingangsfasern 1 bis 4 und den Ausgangsfasern 1' bis 4'. Da beispielsweise im Schaltzustand A die Bauteile 13/4 bis 13F sich alle außerhalb der optischen Wege der Eingangsfasern 1 bis 4 befinden (siehe gestrichelte Positionen der Bauteile in F i g. 7), gelangen die aus den Eingangsfasern 1 bis 4 austretenden Lichtstrahlen unmittelbar in die Ausgangsfasern V bis 4'. Im Schaltzustand X sind alle Bauteile 13.4 bis 13F entsprechend der Darstellung in F i g. 7 mit den durchgezogenen Linien angeordnet, so daß der optische Weg des Lichtstrahls aus der Faser 1 zunächst durch das Bauteil 13/4 in den optischen Weg der Faser 2, dann durch das Bauteil 13C in den optischen Weg der Faser 3 und schließlich durch das Bauteil t3E in den optischen Weg der Faser 4 abgelenkt wird und in die Ausgangsfaser 4' eintritt. In ähnlicher Weise tritt der von der Faser 2 herrührende Lichtstrahl in die Ausgangsfaser 3', der Lichtstrahl aus der Faser 3 in die Faser 2' und der Lichtstrahl aus der Faser 4 in die Faser rein.

Dadurch werden die Eingangsfasern 1 bis 4 mit den Ausgangsfasern Γ bis 4' in Abhängigkeit von der Kombination der Bauteile 13/4 bis 13F verbunden. Die Positionen der Bauteile 13/4 bis 13F können in Abhängigkeit von der magnetischen Polarisation der Elektromagneten in den Antrieben 14/4 bis 14F geändert werden.

Durch Messungen wurden die nachstehenden Parameter der optischen Schalter gemäß den F i g. 4 bis 6 ermittelt:

Schalterart

2 X 2-Schalter
(Fig. D

2 X 2-Schalter
(Fig. 4)

4X4-Schalter
(Fig. 6)

Einfügungsdämpfung	1,2 dB	1,5 dB	0,3 bis 1,3 dB
Übersprechen	<-55 dB	<-55 dB	<-55dB
Umschaltdauer	9 msec	9 msec	26 msec

Es wurden folgende Materialien und physikalische Abmessungen der in den Schaltern verwendeten Komponenten berücksichtigt: Gradienten-Stablinsen für die Linsen 5 bis 12 (5, 6, 9 und 10) des 4 χ 4-Umschalters (des 2 χ 2-Umschalters der F i g. 1 und 4) mit jeweils 8 mm (2 mm) Länge und 2 mm (1,8 mm) Durchmesser; für die Fasern 1 bis 4 und Γ bis 4' wurden Gradientenfasern mit 60 μΐη Kerndurchmesser und 0,21 numerischer Apertur verwendet; als nicht dargestellte Lichtquelle wurde eine lichtemittierende Diode mit 0,85 μιτι Wellenlänge eingesetzt; die Treiberspannung und der Treiberstrom der Elektromagneten

Tabelle I

21 und 22 betrug 48 V (12 V) bzw. 88 mA (60 mA); der Brechungsindex der dielektrischen Bauteile 13Λ bis i3F betrug 1,52; der Abstand zwischen der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche betrug 6 mm. Die in Klammern gesetzten Abmessungen beziehen sich auf die 2 χ 2-Umschalter gemäß den F i g. 1 bis 4.

In der Tabelle II ist die Umschaltdaüer der Zeitraum vom Einsetzen des Treiberstroms bis die Intensität des Lichtstrahls von 100% auf 10% abgeschwächt ist oder der Zeitraum für die Zunahme der Lichtintensität von 0 bis 90%.

Schaltzustand	Anschluß	2	3	4	Position	der dielektrischen	nc	Bauteile	13 ß	IiF
	1	2'	3'	4'	13 A	135	0	130	0	0
A	Y	r	4'	3'	0	0	0	0	0	0
B	Y			0	1	0

Fortsetzung

C D E F G H Ί

Q R S Γ U V W X

Schaltzustand ' Anschluß *

Position der dielektrischen Bauteile 13 A XhB' 13 C 130

13£

13 F

T	3'	2'	4'	0	0	1	0	0	0
r	3'	4'	2'	0	1	1	0	0	0
ν	4'	2'	3'	0	0	1	0	1	0
r	4'	3'	2'	0	0	1	0	1	1
V	r	3'	4'	1	P	.0		0	0
*2' ■*	1'	■. ;⁴'	3'	1	'-P '■"■/''■	P	0	1	0
i	3'	1'	4'	0	P		, i	0	0
2'	3'	^:-4'	Ϊ'	0	ί	i	1	0	0
2'		■v	3'	0	0	1	1	1	0
2'	■'V	*iß'*	. r	0	1	1	1	1	0
3'	1'	.:. 2'	A'	1	0	.1	ο	P	,0
3'	1'	>·'' 4' ■	2'	1	1	,1	. ρ	0	0
3'	2'	1'		1	0	*■ X*	-i	0	0
3'	2'	4'	■■ -i'	1	1		1	0	P
3'	4'	i'	i'	■©	0	i	• ι	1	1
3'	4'	;2'	1'	0	1	1	1	. 1	1
4'	1'	•2'	3'	1	0	1	0	1	0
4'	1'	3'	2'	1	1	1	0	1	0
4'	2'	1'	3'	1	0	ί	1	1	0
4'	2'	3'	1'	1	1	1	1	1	0
4'	3'	1'	2'	.1	0	1	1	1	1
4'	3'	2'	V	1	1	1	1	1	1
			Hierzu	4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mechanischer, optischer Umschalter, gekennzeichnet durch

a) eine erste und eine zweite optische Faser (1 bzw. 2) am Eingang zum Einkoppeln von ankommenden Lichtstrahlen in den Umschalter,

b) eine Eingangslinsenanordnung mit einer ersten und einer zweiten Kollimatorlinse (5 bzw. 6) zum Parallelisieren der ankommenden Lichtstrahlen,

c) eine hinter der Eingangslinsenanordnung (5,6) angeordnete, optische Schaltvorrichtung (13) mit homogenem Brechungsindex, um die in der einen Schaltstellung die Schaltvorrichtung (13) parallel durchlaufenden Lichtstrahlen in der anderen Schaltstellung zu überkreuzen,

wobei die Schaltvorrichtung (13) nach Art eines -Rhombus zwei im wesentlichen zueinander parallele Flächen als Ober- bzw. Unterseite sowie jeweils zwei zu diesem senkrechte Eingangs- und Ausgangsflächen zwischen der ' Ober- und Unterseite aufweist und wobei die Eingangs- und die Ausgangsflächen unter vorgegebenem Winkel zu den parallelen Lichtstrahlen angeordnet sind, um in der zweiten Schaltstellung jeweils einen der parallelen Lichtstrahlen abzulenken.

d) eine Ausgangslinsenanordnung mit einer dritten und einer vierten Linse (9 bzw. 10) hinter der Schaltvorrichtung (13), um die aus dieser austretenden, parallel gerichteten Lichtstrahlen zu fokussieren,

e) am Ausgang angeordnete dritte und vierte optische Fasern (V bzw. 2'), denen jeweils die Lichtstrahlen von der Ausgangslinsenanordnung (9 bzw. 10) zugeführt werden, und

f) eine mechanische Schalteinrichtung (14) zum wahlweisen Einbringen der Schaltvorrichtung (13) in eine der beiden Schaltstellungen.