WO2002019010A1 - Optischer schalter - Google Patents

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WO2002019010A1
WO2002019010A1 PCT/DE2001/003287 DE0103287W WO0219010A1 WO 2002019010 A1 WO2002019010 A1 WO 2002019010A1 DE 0103287 W DE0103287 W DE 0103287W WO 0219010 A1 WO0219010 A1 WO 0219010A1
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optical fiber
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Jens Hossfeld
Michel Neumeier
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
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    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
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    • G02B6/3504—Rotating, tilting or pivoting the waveguides, or with the waveguides describing a curved path
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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
    • G02B6/3556—NxM switch, i.e. regular arrays of switches elements of matrix type constellation
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    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/3564—Mechanical details of the actuation mechanism associated with the moving element or mounting mechanism details
    • G02B6/3568—Mechanical details of the actuation mechanism associated with the moving element or mounting mechanism details characterised by the actuating force
    • G02B6/3572—Magnetic force

Definitions

  • the present invention relates to an optical switch according to the preamble of protection claim 1.
  • optical switches serve to be able to temporarily optically couple an incoming optical fiber with an outgoing optical fiber.
  • the optical fibers to be coupled must be able to be joined together very precisely coaxially on the end face and separated again.
  • Such a switch is often actuated electromechanically by an electromagnetic drive and has mechanical stops which achieve precise positioning of the ends of the optical fibers.
  • the European patent EP0644447 already shows an optical switch of the type mentioned at the outset, in which a movable optical fiber is positioned in front of one of two further optical fibers by abutment on two V-grooves of a positioning structure.
  • the electromechanical drive is arranged outside the area of the V-grooves of the positioning structure. It consists of a magnetizable sleeve pushed over the movable optical fiber, fixed permanent magnets and an electrical coil for magnetizing the sleeve. Magnetic reversal allows two different states, which enables two switching states with one sleeve. The number of switching states can be increased by adding additional drives that are even further away from the coupling point.
  • optical switch Another example of an optical switch is described in US4607910. There three optical fibers are coupled to three further optical fibers within the switch. For this, several springs and an overall structure comprising many individual parts are required.
  • EP0927894A1 Another example of an optical switch is described in EP0927894A1.
  • a movable fiber is positioned in front of one of several fixed fibers by bending and abutment in the grooves of an adjustment structure. For this purpose, apart from the adjustment structure, it is provided with a ferromagnetic material which, by interaction with external electromagnets and permanent magnets, moves the fiber and holds it in the selected groove.
  • the alignment takes place perpendicular to the fiber axis in that the optical fibers to be coupled directly to a common positioning structure consisting of two surfaces, e.g. a V-groove.
  • a common positioning structure consisting of two surfaces
  • e.g. a V-groove In the case of the movable optical fiber, this is done by bending it into the V-groove by means of a mechanical or electromechanical drive attached away from the coupling point and nestling against it due to its inherent tension.
  • GB 2 107481 which provides a mechanical slide, provides an example of a purely mechanical drive.
  • the disadvantage here is, inter alia, that the arrangement of the point of application of the drive on the movable optical fiber apart from the coupling point leads to a dependence of the positioning on the material properties of the optical fiber that are variable due to batch dependencies or aging.
  • the short switching travel requires complex, precise positioning of the magnets.
  • the free moving fiber is at risk of breakage due to the possible formation of microcracks.
  • the present invention is therefore based on the object of providing an optical switching element which is compact and simple in construction, embodiments with different numbers of to be copied. pelting optical fibers and has the precision and reliability necessary for switching optical fibers.
  • This object is achieved on the basis of an optical switch according to the preamble of main claim 1 by its characterizing features. This object is also achieved by an optical switch according to the preamble of main claim 8 by its characterizing features.
  • An advantage of the invention is that the force of the drive is very close to the coupling point, and since the force can be optimally set independently of the properties of the optical fibers, the positioning errors can be kept low.
  • the concept allows configurations with different numbers of fibers to be coupled.
  • a further advantage of the invention results on the one hand that when switching bodies are used, the overall structure of the switch can be made very compact by integrating the permanent magnet into the switching body.
  • the small outer diameter of the permanent magnet allows it to be positioned within a V-groove as a guide structure.
  • Another advantage of the invention is that, on the one hand, there is the possibility of an even more compact design of the optical switch if the magnet is integrated without a switch body.
  • complex interconnections such as lxN switches with a large number of connections N, only one permanent magnet is required per movable optical fiber.
  • the fiber does not strike the adjustment structure directly.
  • the fiber In the area in which the fiber is bent when it is switched, it can be easily protected against environmental influences, for example by coating with metal or by maintaining the plastic jacket. rivers are protected.
  • La shows a longitudinal section of a first optical switch in the form of an Ix2 switch
  • FIG. 1b shows a cross section of a first variant of the first optical switch according to FIG.
  • FIG. 1c shows a cross section of a second variant of the first optical switch according to FIG.
  • FIG. 2b shows the position of the poles of the electromagnets in the second switching state of the first optical switch according to FIG.
  • 3a shows a cross-sectional view of a second optical switch in the form of an Ix8 switch
  • 3b is a cross-sectional view in a plane near the coupling point to illustrate the position of the poles in a switching state of the Ix8 switch according to Fig. 3a, 4a shows a longitudinal section in the plane of the optical fibers to illustrate the position of the magnetic poles in a first switching state of a third optical switch in the form of a 2x2 switch,
  • FIG. 4b shows a cross section near the coupling point on the side of the incoming optical fibers to illustrate the position of the magnetic poles in a first switching state of the 2x2 switch according to FIG. 4a
  • 4c shows a cross section near the coupling point on the side of the outgoing optical fibers to illustrate the position of the magnetic poles in a first switching state of the 2x2 switch according to FIG.
  • FIG. 4d shows a cross section near the coupling point on the side of the incoming optical fibers to illustrate the position of the magnetic poles in a second switching state of the 2x2 switch according to FIG. 4a
  • FIG. 4e shows a cross section near the coupling point on the side of the outgoing optical fibers to illustrate the position of the magnetic poles in a second display state of the 2x2 switch according to FIG. 4a
  • FIG. 5a shows a longitudinal section of a first switching body with optical fiber and permanent magnet
  • 5b shows a longitudinal section of a second switching body with optical fiber and permanent magnet
  • 5c shows a longitudinal section of a third switching body with optical fiber and permanent magnet
  • Fig. 5d shows a longitudinal section of a fourth switching body with optical fiber and permanent magnet
  • 5e shows a longitudinal section of a permanent magnet incorporated into the optical fiber.
  • an optical switch in the form of an Ix2 fiber switch comprises a movable optical fiber 1, which is inserted near its end in a holding body 12 and firmly connected to this.
  • the holding body 12 is cylindrical with an almost exactly centered bore as an adjustment structure.
  • the holding body 12 contains a tubular permanent magnet 13 which is fixedly connected to the holding body 12.
  • the holding body 12 and the permanent magnet 13 form the switching body 14.
  • the optical fiber 1 is positioned by abutting the switching body 14 on the positioning structure 41 of the base body 4 such that its end face 11 corresponds to the end face 21 of an optical fiber 2 faces directly and coaxially.
  • the optical fiber 2 is firmly connected to the positioning structure 41 via a receptacle 22.
  • a third optical fiber 3 runs through a further receptacle 32 and is firmly connected to it.
  • the receptacle 32 is fixedly connected to the positioning structure 42 of the base body 4.
  • optical fiber 1 is juxtaposed by the switching body 14 striking the positioning structure 42 of the optical fiber 3.
  • the drive of the optical switch consists of the permanent magnet 13, the electromagnet 5 and the electromagnet 6.
  • the electromagnets 5 and 6 each include the coil 51 and 61 and the cores 52 and 62.
  • both electromagnets are supplied with an electrical pulse.
  • the polarity of the respective pulse is selected so that the permanent magnet of the switching body is separated from the electrical device assigned to the old position. magnets repelled and attracted by the one assigned to the new position.
  • Fig. 2 shows the magnetic poles after the fiber has already switched, ie has been moved to the new position. Since this position is retained even after the device has been switched off, which is due to the fact that the permanent magnet attracts the core of the nearest electromagnet most strongly, the current can be switched off at this moment.
  • Typical voltage pulses of 5 - 20 ms are suitable, with a current of 10 - 500 mA.
  • a rectangular pulse is advantageous from a technical point of view.
  • other pulse shapes can also be selected.
  • Corresponding electronic components for supplying the electromagnets with corresponding current pulses are known in the form of motor drivers. As expected, a controller will be added for this application.
  • FIGS. 1b and 1c show two differently shaped, suitable base bodies 4 for an Ix2 switch in section perpendicular to the movable fiber 1, and the corresponding arrangements of the electromagnets 5 and 6. In both cases, it can be useful for assembly prove to produce the base body 4 in two parts, to assemble the fibers 1, 2 and 3 and only then to join the base body 4 together.
  • the switching takes place through the flow of electrical current through the coils 51 and 61 of the drive 2.
  • 2a and 2b show the position of the magnetic poles of the electromagnets 5 and 6 and the switching body 14 in the two switching states of the switch.
  • the choice of soft magnetic cores leads in particular to a bistable behavior of the optical switch, in which the switching state is maintained even without further current flow.
  • the alignment the magnet parallel to the axis of the optical fibers leads to a particularly compact design of the switch.
  • 3a shows a further optical switch in the form of an Ix8 switch in cross section through the movable fiber.
  • the rest position 19 of the fiber determined by the suspension is shown in dashed lines, which results when the electromagnets 7 do not generate a magnetic field, in particular before the switch is first switched.
  • the Ix8 switch too, multistable switching behavior can be achieved by selecting soft magnetic core materials.
  • 3b shows the position of the magnetic poles in one of the eight excellent switching states in a section through the switch at the location of the south pole of the permanent magnet 13.
  • the invention can generally be applied to switches of the lxN type.
  • 4a shows another optical switch in the form of a 2x2 switch. All four optical fibers 1, 2, 3 and 8 have switching bodies 14, 24, 34 and 84, respectively.
  • 4b shows the position of the optical fibers 1 and 8 in the switching state S1 in a section along the line AA in FIG. 4a.
  • the two optical fibers 1 and 8 are attached to the wall 43 of the base body 4.
  • 1 'and 8' denote the projection of the respective fastening positions in the sectional plane shown.
  • 4c shows the corresponding positions of the fibers 2 and 3 in a section along the line BB from the same viewing direction as in FIG. 4b.
  • the optical fiber 1 is coupled to the optical fiber 2, optical fiber 8 with optical fiber 3.
  • FIGS. 4d and 4e denote the projection of the respective fastening positions into the sectional plane shown.
  • Optical fiber 1 is now coupled to optical fiber 3 and optical fiber 8 to optical fiber 2.
  • the selection of the mounting positions ensures that the optical fibers only move between the positions shown when reversing the polarity.
  • 5a-5e also show different exemplary embodiments for the configuration of the switching bodies on the movable optical fiber 1 with permanent magnet 13 and in some embodiments with holding body 12.
  • the holding body 12 is initially tubular and provided with a precise bore as an adjustment structure.
  • the bore is chamfered in order to facilitate assembly, widens to the side facing away from the end of the optical fiber and encloses the tubular permanent magnet 13 there.
  • holding body 12 and permanent magnet 13 are made in one piece. This has a particularly simple structure.
  • the holding body 12 is made in two parts, and the permanent magnet 13 is located between these parts. This offers the advantage that the holding body 12 and the permanent magnet 13 are of a particularly simple structure.
  • the permanent magnet 13 surrounds the holding body
  • the permanent magnet can either be fixedly connected to the holding body as required or can be movable relative to the holding body with an appropriate play.
  • FIG. 5e An independent solution that does not require a switching body is shown in FIG. 5e.
  • the optical fiber 1 at the location of the permanent magnet 13 has an annular recess, the magnet
  • the optical fiber 13 does not protrude radially beyond the longitudinal profile of the optical fiber 1, ie the permanent magnet lies completely within the outer envelope surface of the end piece of the optical fiber 1.
  • the optical fiber 1 strikes directly against the guide structure 41 of the base body 4.
  • the cutout described can be achieved for optical fibers made of glass, for example by wet-chemical etching in hydrofluoric acid, the regions of the optical fiber which are not to be etched being masked with photoresist.
  • the permanent magnetic material can, for example, be applied galvanically or in the form of a polymer-bound powder by micro injection molding. In the case of comparatively thick optical fibers, for example with a diameter of several 100 ⁇ m, the assembly of prefabricated magnetic half-shells on the optical fiber is also possible.
  • the constriction and the magnet do not have to be manufactured with the same high precision as the jacket of the optical fiber, as long as it is ensured that the magnet does not protrude above the optical fiber.
  • the permanent magnet does not have to be tolerated as closely as the switching body, since it does not serve as a stop. This makes the manufacture of the permanent magnet much easier.
  • low optical losses of the switches can be achieved if the gap between the coupled fibers is as small as possible. This can be done by appropriate geometric design of the switch, or by moving the free ends of the optical fibers axially towards one another after their positioning in the radial direction.
  • index-adapted liquids can reduce the possible mechanical abrasion.

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Abstract

Ein optischer Schalter zum Schalten von Lichtleitfasern mit einem Grundkörper mit Positionierstrukturen, einer ersten Lichtleitfaser, deren im Bereich des Grundkörpers liegendes Ende beweglich ist, mindestens einer weiteren Lichtleitfaser, deren Ende im Bereich des Grundkörpers liegt, und einem elektromagnetischen Antrieb, mit Permanentmagneten und Elektromagneten, wobei sich ein Schaltkörper an dem beweglichen Ende der ersten Lichtleitfaser befindet, derart dass dieses bewegliche Ende in den Schaltkörper fest eingebettet ist, und der Schaltkörper einen Permanentmagneten aufweist, welcher innerhalb der Aussenhüllfläche des Schaltkörpers liegt. Weiterhin einen optischen Schalter mit einem Grundkörper mit Positionierstrukturen, einer ersten Lichtleitfaser, deren im Bereich des Grundkörpers liegendes Ende beweglich ist, mindestens einer weiteren Lichtleitfaser, deren Ende im Bereich des Grundkörpers liegt, und einem elektromagnetischen Antrieb, mit Permanentmagneten und Elektromagneten, wobei sich im Bereich des beweglichen Endes der ersten Lichtleitfaser eine Aussparung befindet, in die zur Bildung des Permanentmagneten permanentmagnetisches Material eingebracht ist, welches innerhalb der Aussenhüllfläche der Lichtleitfaser liegt.

Description

Optischer Schalter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Schalter gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.
Derartige optische Schalter dienen im einfachsten Fall dazu, eine ankommende Lichtleitfaser mit einer abgehenden Lichtleitfaser vorübergehend optisch koppeln zu können. Dazu müssen die zu koppelnden Lichtleitfasern sehr genau koaxial stirnseitig zusammengefügt und wieder getrennt werden können. Ein solcher Schalter wird oft elekt- romechanisch durch einen elektromagnetischen Antrieb betätigt und weist mechanische Anschläge auf, die eine genaue Positionierung der Enden der Lichtleitfasern erzielen.
So zeigt bereits die europäische Patentschrift EP0644447 einen optischen Schalter der eingangs erwähnten Art, bei dem eine bewegliche Lichtleitfaser durch Anschlag an eine zweier V-Nuten einer Positionierstruktur vor einer von zwei weiteren Lichtleitfasern positioniert wird. Der elektromechanische Antrieb ist außerhalb des Bereichs der V-Nuten der Positionierstruktur angeordnet. Er besteht aus einer über die bewegliche Lichtleitfaser geschobene magnetisierbaren Hülse, feststehenden Permanentmagneten und einer elektrischen Spule zum Magnetisieren der Hülse. Die Ummagnetisierung erlaubt zwei unter- schiedliche Zustände, wodurch mit einer Hülse zwei Schaltzustände ermöglicht werden. Durch Hinzufügen weiterer, von der Koppelstelle noch weiter entfernter Antriebe, kann die Anzahl der Schaltzustände erhöht werden.
Ein anderes Beispiel für einen optischen Schalter ist in der Patentschrift US4607910 beschrieben. Dort werden drei Lichtleitfasern innerhalb des Schalters an drei weiterführende Lichtleitfasern angekoppelt. Hierzu werden mehrere Federn und ein viele Einzelteile umfassender Gesamtaufbau benötigt. Ein weiteres Beispiel für einen optischen Schalter ist in EP0927894A1 beschrieben. Eine beweglichen Faser wird durch Einbiegen und Anschlag in Nuten einer Justagestruktur vor einer von mehreren fixen Fasern positioniert. Hierzu ist sie abseits der Justagestruktur mit ei- nem ferromagnetischem Material versehen, welches durch Interaktion mit externen Elektromagneten und Permanentmagneten die Faser bewegt und in der ausgewählten Nut hält.
Noch ein anderes Beispiel eines optischen Schalters ist in der Patent- schrift DE 3839735 angegeben.
Bei allen Ausführungsformen geschieht die Ausrichtung senkrecht zur Faserachse dadurch, dass die zu koppelnden Lichtleitfasern direkt an eine gemeinsame aus zwei Flächen bestehende Positionierstruktur, wie z.B. eine V-Nut, angedrückt werden. Im Falle der beweglichen Lichtleitfaser geschieht dies dadurch, dass diese durch einen abseits der Koppelstelle angebrachten mechanischen oder elektromechanischen Antrieb in die V-Nut eingebogen wird und sich durch ihre Eigenspannung an diese anschmiegt. Ein Beispiel für einen rein mechanischen Antrieb bietet die GB 2 107481, die einen mechanischen Schieber vorsieht.
Nachteilig hierbei ist unter anderem, dass die Anordnung des Angriffspunkts des Antriebs an der beweglichen Lichtleitfaser abseits von der Koppelstelle zu einer Abhängigkeit der Positionierung von den durch Chargenabhängigkeiten oder Alterung variablen Materialeigenschaften der Lichtleitfaser führt. Im Falle elektromagnetischer Antriebe erfordert der geringe Schaltweg eine aufwendige, präzise Positionierung der Magneten. Die freie bewegte Faser ist aufgrund der mög- liehen Bildung von Mikrorissen bruchgefährdet.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches Schaltelement zu schaffen, das kompakt und einfach aufgebaut ist, Ausführungsformen mit unterschiedlichen Anzahlen von zu kop- pelnden Lichtleitfasern ermöglicht und die für das Schalten von Lichtleitfasern notwendige Präzision und Zuverlässigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem optischen Schalter laut O- berbegriff des Hauptanspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Diese Aufgabe wird auch gelöst durch einen optischen Schalter nach dem Oberbegriff des Hauptanspruch 8 durch dessen kennzeichnende Merkmale.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Krafteinwirkung des Antriebs sehr nahe bei der Koppelstelle erfolgt und da die Kraft unabhängig von den Eigenschaften der Lichtleitfasern optimal eingestellt werden kann, können die Positionierfehler gering gehalten werden. Das Konzept erlaubt Ausgestaltungen mit unterschiedlichen Anzahlen zu koppelnder Fasern.
Als weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich auf der einen Seite, dass bei Verwendung von Schaltkörpern durch die Integration des Permanentmagneten in den Schaltkörper der Gesamtaufbau des Schalters sehr kompakt gestaltet werden kann. Der geringe Außendurchmesser des Permanentmagneten erlaubt es dabei, ihn innerhalb einer V-Nut als Führungsstruktur zu positionieren.
Als weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich auf der einen Seite, dass bei einer integrierten Anordnung des Magneten ohne Schaltkörper die Möglichkeit eines noch kompakteren Aufbaus des optischen Schalters besteht. Insbesondere für komplexe Verschaltungen, wie lxN-Schalter mit großer Anzahl von Anschlüssen N, wird lediglich ein Permanentmagnet pro beweglicher Lichtleitfaser benötigt.
Im erfindungsgemäßen Schalter schlägt die Faser nicht direkt an die Justagestruktur an. Im Bereich, in dem die Faser beim Schalten gebogen wird, kann sie in einfacher Weise z.B. durch Beschichtung mit Metall oder durch Beibehaltung des Kunststoffmantels, gegen Umweltein- flüsse geschützt werden. Enge Toleranzen für Durchmesser oder Exzentrizität dieses Schutzmantels bestehen dabei, im Gegensatz zu den oben beschriebenen bekannten Schaltern nicht. Die Gefahr der Materialermüdung oder des Faserbruchs ist erfindungsgemäßen Schalter so- mit wesentlich geringer.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend näher beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen wird. Darin zeigen:
Fig. la einen Längsschnitt eines ersten optischen Schalters in Form eines Ix2-Schalters,
Fig. lb einen Querschnitt einer ersten Variante des ersten optischen Schalters nach Fig. la,
Fig. lc einen Querschnitt einer zweiten Variante des ersten optischen Schalters nach Fig. la,
Fig. 2a die Lage der Pole der Elektromagneten im ersten Schaltzustand des ersten optischen Schalters nach Fig. la,
Fig. 2b die Lage der Pole der Elektromagneten im zweiten Schaltzustand des ersten optischen Schalters nach Fig. la,
Fig. 3a eine Querschnittansicht eines zweites optischen Schalters in Form eines Ix8-Schalters,
Fig. 3b eine Querschnittansicht in einer Ebene nahe der Koppelstelle zur Verdeutlichung der Lage der Pole in einem Schaltzustand des Ix8-Schalters nach Fig. 3a, Fig. 4a einen Längsschnitt in der Ebene der Lichtleitfasern zur Verdeutlichung der Lage der Magnetpole in einem ersten Schaltzustand eines dritten optischen Schalters in Form eines 2x2-Schalters,
Fig. 4b einen Querschnitt nahe der Koppelstelle auf der Seite der ankommenden Lichtleitfasern zur Verdeutlichung der Lage der Magnetpole in einem ersten Schaltzustand des 2x2-Schalters nach Fig. 4a,
Fig. 4c einen Querschnitt nahe der Koppelstelle auf der Seite der abgehenden Lichtleitfasern zur Verdeutlichung der Lage der Magnetpole in einem ersten Schaltzustand des 2x2-Schalters nach Fig.4a,
Fig. 4d einen Querschnitt nahe der Koppelungsstelle auf der Seite der ankommenden Lichtleitfasern zur Verdeutlichung der Lage der Magnetpole in einem zweiten Schaltzustand .des 2x2-Schalters nach Fig. 4a,
Fig. 4e einen Querschnitt nahe der Koppelungsstelle auf der Seite der abgehenden Lichtleitfasern zur Verdeutlichung der Lage der Magnetpole in einem zweiten Schaitzustand des 2x2-Schalters nach Fig. 4a,
Fig. 5a einen Längsschnitt eines ersten Schaltkörpers mit Lichtleitfaser und Permanentmagnet,
Fig. 5b einen Längsschnitt eines zweiten Schaltkörpers mit Lichtleitfaser und Permanentmagnet,
Fig. 5c einen Längsschnitt eines dritten Schaltkörpers mit Lichtleitfa- ser und Permanentmagnet,
Fig. 5d einen Längsschnitt eines vierten Schaltkörpers mit Lichtleitfaser und Permanentmagnet, und Fig. 5e einen Längsschnitt eines in die Lichtleitfaser eingearbeiteten Permanentmagneten.
Gemäß Fig. la umfaßt ein optischer Schalter in Form eines Ix2-Faserschalters eine bewegliche Lichtleitfaser 1, die nahe ihrem Ende in einen Haltekörper 12 eingesteckt und fest mit diesem verbunden ist. Der Haltekörper 12 ist zylindrisch ausgeführt mit einer ge- fasten, exakt zentrischen Bohrung als Justagestruktur. Weiterhin enthält der Haltekörper 12 einen röhrenförmigen Permanentmagneten 13, welcher fest mit dem Haltekörper 12 verbunden ist. Zusammen bilden Haltekörper 12 und Permanentmagnet 13 den Schaltkörper 14. Die Lichtleitfaser 1 wird bei dem in Fig. la gezeigten Schaltzustand Sl durch Anschlag des Schaltkörpers 14 an die Positionierstruktur 41 des Grundkörpers 4 so positioniert, dass ihre Stirnfläche 11 der Stirnflä- ehe 21 einer Lichtleitfaser 2 direkt und koaxial gegenübersteht. Die Lichtleitfaser 2 ist über eine Aufnahme 22 fest mit der Positionierstruktur 41 verbunden.
Ein dritte Lichtleitfaser 3 verläuft durch eine weitere Aufnahme 32 hindurch und ist fest mit dieser verbunden. Die Aufnahme 32 ist fest mit der Positionierstruktur 42 des Grundkörpers 4 verbunden. Im Schaltzustand S2 wird Lichtleitfaser 1 durch Anschlag des Schaltkörpers 14 an die Positionierstruktur 42 der Lichtleitfaser 3 gegenübergestellt.
Der Antrieb des optischen Schalters besteht aus dem Permanentmagneten 13, dem Elektromagneten 5 und dem Elektromagneten 6. Die Elektromagneten 5 und 6 umfassen jeweils die Spule 51 und 61 und die Kerne 52 bzw. 62.
Zum Umschalten des optischen Ix2-Schalters werden beide Elektro- magnete mit einem elektrischen Impuls gespeist. Dabei wird die Polarität des jeweiligen Impulses so gewählt, dass der Permanentmagnet des Schaltkörpers von dem der alten Position zugeordneten Elektro- magneten abgestoßen und von dem der neuen Position zugeordneten angezogen wird. Fig. 2 zeigt die Magnetpole nachdem die Faser schon geschaltet hat, d.h. in die neue Position bewegt wurde. Da diese Position auch nach dem Ausschalten erhalten bleibt, was darauf zurück- geht, dass der Permanentmagnet den Kern des nächstgelegenen Elektromagneten am stärksten anzieht, kann der Strom in diesem Moment abgeschaltet werden.
Es sind typisch Spannungsimpulse von 5 - 20 ms geeignet, bei einer Stromstärke von 10 - 500 mA. Bezüglich der Impulsform ist ein Rechteckimpuls aus technischer Sicht vorteilhaft. Es können jedoch auch andere Impulsformen (Sinushalbwelle, Dreieck, o.a.) gewählt werden. Entsprechende elektronische Bausteine zur Versorgung der Elektromagneten mit entsprechenden Strompulsen sind in Form von Motor- treibern bekannt. Für die vorliegende Anwendung wird erwartungsgemäß noch ein Controller hinzugefügt werden.
Die Fig. lb und lc zeigen zwei verschieden geformte, geeignete Grundkörper 4 für einen Ix2-Schalter im Schnitt senkrecht zur beweg- liehen Faser 1, sowie die entsprechenden Anordnungen der Elektromagneten 5 und 6. In beiden Fällen kann es sich für die Montage als nützlich erweisen, den Grundkörper 4 zweiteilig herzustellen, die Fasern 1, 2, und 3 zu montieren und den Grundkörper 4 erst dann zusammenzufügen.
Das Schalten geschieht durch elektrischen Stromfluß durch die Spulen 51 und 61 des Antriebs 2 . Die Fig. 2a und 2b zeigen die Lage der magnetischen Pole der Elektromagneten 5 und 6 sowie des Schaltkörpers 14 in den beiden Schaltzuständen des Schalters.
Die Wahl von weichmagnetischen Kernen führt insbesondere zu einem bistabilen Verhalten des optischen Schalters, bei dem der Schaltzustand auch ohne weiteren Stromfluß erhalten bleibt. Die Ausrichtung der Magnete parallel zur Achse der Lichtleitfasern führt zu einem besonders kompakten Aufbau des Schalters.
Einen weiteren optischen Schalter in Form eines Ix8-Schalters zeigt Fig. 3a im Querschnitt durch die bewegliche Faser. Gestrichelt ist dabei die durch die Aufhängung bestimmte Ruhelage 19 der Faser gezeigt, die sich ergibt, wenn die Elektromagnete 7 kein magnetisches Feld erzeugen, insbesondere also vor dem ersten Schalten des Schalters. Auch im Falle des Ix8-Schalters lässt sich durch Wahl weichmag- netischer Kernmaterialien ein multistabiles Schaltverhalten erreichen. Die Lage der magnetischen Pole in einem der acht ausgezeichneten Schaltzustände zeigt Fig. 3b in einem Schnitt durch den Schalter am Ort des Südpols des Permanentmagneten 13. Die Erfindung lässt sich allgemein auf Schalter des Typs lxN anwenden.
Einen weiteren optischen Schalter in Form eines 2x2-Schalters zeigt Fig. 4a. Alle vier Lichtleitfasern 1, 2, 3 und 8 weisen Schaltkörper 14, 24, 34 bzw. 84 auf. Fig. 4b zeigt die Lage der Lichtleitfasern 1 und 8 im Schaltzustand Sl in einem Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 4a. Die beiden Lichtleitfasern 1 und 8 sind an der Wand 43 des Grundkörpers 4 befestigt. 1' und 8' bezeichnen die Projektion der jeweiligen Befestigungspositionen in die gezeigte Schnittebene. Fig.4c zeigt die entsprechenden Positionen der Fasern 2 und 3 in einem Schnitt entlang der Linie B-B aus der gleichen Blickrichtung wie in Fig. 4b. Die Lichtleitfaser 1 ist im Schaltzustand Sl mit den Lichtleitfaser 2 gekoppelt, Lichtleitfaser 8 mit Lichtleitfaser 3. 2' und 3' bezeichnen die Projektion der jeweiligen Befestigungspositionen in die gezeigte Schnittebene. Durch entgegengesetzte Ansteuerung der Elektromagneten 7 ergeben sich im Schaltzustand S2 die in Fig. 4d und 4e gezeigten Po- sitionen. Nun ist Lichtleitfaser 1 mit Lichtleitfaser 3 und Lichtleitfaser 8 mit Lichtleitfaser 2 gekoppelt. Die Wahl der Befestigungspositionen stellt sicher, dass die Lichtleitfasern sich beim Umpolen nur zwischen den gezeigten Positionen bewegen. Weiterhin zeigen die Fig. 5a -- 5e verschiedene Ausführungsbeispiele für die Ausgestaltung der Schaltkörper an der beweglichen Lichtleitfaser 1 mit Permanentmagnet 13 und bei einigen Ausführungsformen mit Haltekörper 12.
Gemäß Fig. 5a ist der Haltekörper 12 zunächst röhrenförmig ausgeführt und mit einer präzisen Bohrung als Justagestruktur versehen. Die Bohrung ist gefast ausgeführt, um die Montage zu erleichtern, erweitert sich zu der dem Ende der Lichtleitfaser abgewandten Seite und umschließt dort den röhrenförmigen Permanentmagneten 13.
Gemäß Fig. 5b sind Haltekörper 12 und Permanentmagnet 13 einstückig ausgeführt. Dies hat einen besonders einfachen Aufbau zur Folge.
Gemäß Fig. 5c ist der Haltekörper 12 zweiteilig ausgeführt, und der Permanentmagnet 13 befindet sich zwischen diesen Teilen. Dies bietet den Vorteil, dass Haltekörper 12 und Permanentmagnet 13 von besonders einfacher Struktur sind.
Gemäß Fig. 5d umschließt der Permanentmagnet 13 den Haltekörper
12 in einer Rille ohne ihn jedoch radial zu überragen.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 5a, 5c und 5d kann der Permanentmagnet nach Bedarf entweder fest mit dem Haltekörper verbunden sein oder mit einem angemessenen Spiel gegenüber diesem beweglich sein.
Eine unabhängige Lösung, die gänzlich ohne Schaltkörper auskommt, ist in Fig. 5e gezeigt. Hierbei weist die Lichtleitfaser 1 am Orte des Permanentmagneten 13 eine ringförmige Aussparung auf, Der Magnet
13 ragt radial nicht über das Längsprofil der Lichtleitfaser 1 hinaus, d.h. der Permanentmagnet liegt vollständig innerhalb der Außenhüll- fläche des Endstücks der Lichtleitfaser 1. Die Lichtleitfaser 1 schlägt direkt an die Führungsstruktur 41 des Grundkörpers 4 an. Die beschriebene Aussparung lässt sich für Lichtleitfasern aus Glas z.B. durch nasschemisches Ätzen in Flusssäure erzielen, wobei die nicht zu ätzenden Regionen der Lichtleitfaser mit Fotolack maskiert werden. Das permanentmagnetische Material kann z.B. galvanisch aufgebracht werden oder in Form eines polymergebundener Pulvers durch Mikrospritzguss. Im Falle von vergleichsweise dicken Lichtleitfasern, etwa mit einem Durchmesser von mehreren 100 μm, ist auch die Montage von vorgefertigten Magnethalbschalen an die Lichtleitfaser möglich.
Da die Lichtleitfaser über ihren Mantel positioniert wird, müssen die Einschnürung und der Magnet nicht mit der gleichen hohen Präzision wie der Mantel der Lichtleitfaser gefertigt werden, solange gewährleistet ist, dass der Magnet die Lichtleitfaser nicht überragt.
Der Permanentmagnet muss in den Ausführungsformen gemäß der Fig. 5a, 5c, 5d, und 5e nicht so eng toleriert werden, wie der Schaltkörper, da er nicht als Anschlag dient. Hierdurch wird die Herstellung des Permanentmagneten wesentlich erleichtert.
Für alle gezeigten Ausführungsbeispiele gilt, daß geringe optische Verluste der Schalter sich dann erzielen lassen, wenn der Spalt zwischen den gekoppelten Fasern möglichst klein ist. Dies kann durch entsprechende geometrische Auslegung des Schalters geschehen, oder auch dadurch, dass die freien Enden der Lichtleitfasern nach ihrer Positionierung in radialer Richtung axial aufeinander zubewegt werden. Durch das Befüllen des Grundkörpers mit indexangepassten Flüssigkeiten oder das Aufbringen von Antireflexschichten lassen sich die optischen Eigenschaften hinsichtlich Verlusten und Rückreflexion verbes- sern. Darüber hinaus können indexangepasste Flüssigkeiten den möglichen mechanischen Abrieb vermindern. Durch Einbringen mehrerer Lichtleitfasern in die Haltestrukturen, z.B. in Form eines Faserbänd- chens, ist ein gleichzeitiges Schalten von Lichtleitfasergruppen auf Lichtleitfasergruppen möglich.

Claims

Patentansprüche:
1. Optischer Schalter zum Schalten von Lichtleitfasern aufweisend ei- nen Grundkörper (4) mit mindestens einer Positionierstruktur (41), mit mindestens einer ersten Lichtleitfaser (1), deren im Bereich des Grundkörpers (4) liegendes Ende (11) beweglich ist, und einer oder mehreren weiteren Lichtleitfasern (2, 3), deren Enden (21) im Bereich des Grundkörpers liegen, und einem elektromagnetischen Antrieb, aufweisend einen Permanentmagneten (13) und mindestens einen E- lektromagneten (5, 6, 7), dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Schaltkörper (14) an dem beweglichen Ende (11) jeder der ersten Lichtleitfasern (1) befindet, wobei die bewegliche Enden (11) der ersten Lichtleitfasern (1) zumin- dest abschnittsweise in den Schaltkörper (14) fest eingebettet sind, dass der Schaltkörper (14) einen Permanentmagneten (13) aufweist, dass der Permanentmagnet (13) innerhalb der Außenhüllfläche des Schaltkörpers (14) liegt, und dass sich jede der ersten Lichtleitfasern (1) durch Anschlag des Schaltkörpers (14) an eine Positionierstruktur (41) vor einer der weiteren Lichtleitfasern (2,3) positionieren läßt.
2. Optischer Schalter nach ein der Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkörper (14) Justagestruk- turen enthält, die eine präzise Positionierung des beweglichen Endes der Lichtleitfaser (1) ermöglichen.
3. Optischer Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (13) röhrenförmig ist, sich vollständig innerhalb des röhrenförmigen Teils (12) des Schaltkörpers (14) befindet und dass die Lichtleitfaser (1) mit dem beweglichen Ende durch die Öffnung in der Mitte des Permanentmagneten (13) hindurch verläuft.
4. Optischer Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkörper (14) als einstückiger Permanentmagnet (13) ausgebildet ist.
5. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkörper (14) mehrteilig ist und der Permanentmagnet (13) zwischen diesen Teilen (12) angeordnet ist.
6. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zu dem Schaltkörper (14) gehörende Permanentmagnet (13) mehrteilig ausgeführt ist.
7. Optischer Schalter zum Schalten von Lichtleitfasern aufweisend einen Grundkörper (4) mit mindestens einer Positionierstruktur (41), mit mindestens einer ersten Lichtleitfaser (1), deren im Bereich des
Grundkörpers (4) liegendes Ende (11) beweglich ist, und einer oder mehreren weiteren Lichtleitfasern (2, 3), deren Enden (21) im Bereich des Grundkörpers liegen, und einem elektromagnetischen Antrieb, aufweisend mindestens einen Permanentmagneten (13) und mindes- tens einen Elektromagneten (5, 6, 7), dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bereich des beweglichen Endes (11) der ersten Lichtleitfaser (1) eine Aussparung (15) befindet, in die zur Bildung des Permanentmagneten permanentmagnetisches Material (13) eingebracht ist, dass dieses permanentmagnetische Ma- terial (13) innerhalb der Außenhüllfläche des Endabschnitts (11) der Lichtleitfaser (1) liegt, und dass sich die Lichtleitfaser (1) durch Anschlag des Schaltkörpers (14) an eine Positionierstruktur (41) vor einer der weiteren Lichtleitfasern (2,3) positionieren läßt..
8. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auch das Ende einer weiteren Lichtleitfaser (2, 3) beweglich und mittels eines elektromagnetischen Antriebs auslenkbar ist.
9. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (13) in Richtung der Achse der Lichtleitfaser (1) mit dem beweglichen Ende (11) magnetisiert ist.
10. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (4) mehrere, kreisförmig angeordnete Positionierstrukturen (41, 42) enthält und nahe bei jeder dieser Positionierstrukturen (41, 42) der Pol eines Elektromagneten (7) des elektromagnetischen Antriebs angeordnet ist.
11. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder Positionierstruktur (41, 42) ein Elektromagnet (5, 6, 7) angeordnet ist, dessen durch die Pole de- finierte Achse parallel zur magnetischen Achse des Permanentmagneten (13) liegt.
12. Optischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektromagnet (5, 6) einen weichmagnetischen Kern (51, 61) hat.
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