Monomodefaserschalter sind wichtige Komponenten für die optische Nachrichtentechnik und'die optische Meß- technik. Über einen Faserschalter wird Licht, das aus einer oder mehreren Eingangsmonomodefasern abge- strahlt wird, in verschiedene Ausgangsmonomodefasern eingekoppelt, wobei aber einen Stellmechanismus si- chergestellt wird, daß das Licht in die verschiedenen Ausgangskanäle bzw.-fasern geschaltet werden kann.

Dabei sind für die Anordnung der Eingangsmonomodefa- sern 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 reali- sieren. 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 Ein- gangs-und die entsprechende Ausgangsfaser nahezu in Kontakt sind, so daß keine optischen Komponenten be- nötigt werden, um hohe Koppeleffizienzen zu garantie- ren. Die erforderliche Drehbewegung kann durch ver- schiedene Aktuatoren ermöglicht werden, wobei jedoch die Schaltzeiten zwischen benachbarten Kanälen deut- lich 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 beschrie- ben, wobei der gleiche Aufbau gewählt wird und ledig- lich jede Faser zusätzlich mit einer Kollimationsop- tik versehen wird. Es hat sich gezeigt, daß sich die erforderlichen Justiertoleranzen der Ausgangsmodule, d. h. der Ausgangsfasern mit Kollimationsoptik, gün- stiger gestalten, was eine kostengünstigere Fertigung ermöglicht. Ansonsten bleiben die oben beschriebenen Nachteile vorhanden.

In der US 5 434 936 ist eine Schaltanordnung offen- bart, bei der die Eingangsfaser mit einem Drehmecha- nismus 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 zusätz- lich mit einem Permanentmagneten versehen, der si- cherstellen soll, daß beim Schalten auf die entspre- chende Ausgangsfaser, die optimale Position der Fa- sern zueinander eingestellt und gehalten wird. Auch in dieser Anordnung ist die Anzahl der Ausgangsfa- sern, im wesentlichen durch den Aktuationsmechanismus und den sich stark vergrößernden Fertigungsaufwand beim Hinzufügen von weiteren Ausgangsfasern sehr be- schränkt.

Eine weitere Anordnung (US 5 483 608) versucht das Problem der kostengünstigen Montage dadurch zu lösen, daß sich alle Ausgangsfasern in Führungen, zum Bei- spiel in V-Nuten befinden und die Eingangsfaser beim Schaltvorgang jeweils in die Führung der entsprechen- den 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 not- wendigen 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 Aus- gangskanalzahl 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- bündels in eine Ausgangsfaser einer Mehrzahl von Aus- gangsfasern zu schaffen, die eine große Ausgangska- nalzahl, kleine Schaltzeiten und eine einfache und damit kostengünstige Montage gewährleistet, wobei sie zusätzlich möglichst kompakt sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn- zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch, daß dem abgestrahlten Lichtbündel bzw. der Eingangsfaser eine Strahlablenk-und Kollimationsop- tik zugeordnet ist und eine vorzugsweise miniaturi- sierte Stelleinrichtung vorgesehen ist, die die Ein- gangsfaser und die Strahlablenk-und Kollimationsop- tik relativ zueinander lateral verschiebt, derart, daß das kollimierte Strahlenbündel in mindestens eine Ausgangsfaser der Mehrzahl von mit Abstand zu der Strahlablenk-und Kollimationsoptik angeordneten Aus- gangsfasern einkoppelbar ist, kann eine große Anzahl von Ausgangskanälen (typischerweise N = 10-200), die vorzugsweise zweidimensional angeordnet sind, vorge- sehen werden. Die benötigten Stellwege sind extrem gering und ermöglichen damit kurze Schaltzeiten (ty- pischerweise 1 ms) und es kann sehr einfach und kom- pakt gebaut werden. Über eine Umlenkoptik und separa- ten Fokussieroptiken werden jeweils die abgelenkten optischen Strahlenbündel so aufbereitet, daß sie ef- fizient in die Ausgangsfasern gekoppelt werden kön- nen. Insgesamt bildet die erfindungsgemäße Schaltan- ordnung ein Mikrosystem, bei dem jede Ausgangsfaser eine separate Koppeloptik besitzt, wobei alle die

Koppeloptiken (Fokussieroptik und Umlenkoptik) zumin- dest teilweise im Array angeordnet sind. Die Möglich- keit, 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 zu- rücklenkt. 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. Ent- sprechend der Erfindung haben alle Einzellinsen im System kleine Lateraldimensionen (Strahlablenk-und Kollimationsoptik, Fokussieroptik).

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah- men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse- rungen möglich. Als Stellelemente können kostengün- stige und in großen Variationen der Leistungsmerkmale kommerziell verfügbare Piezoaktuatoren verwendet wer- den. Weiterhin kann eine mit einer Verarbeitungsein- heit 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 Stellele- mente 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 ein- fache und mit vergleichsweise geringem Aufwand her- stellbare 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 ym, so daß Schaltzeiten im Bereich von 1 ms bis unter 100 ym erzielt werden können. Weiter- hin sind hohe Kanalisolationen erreichbar (50 dB).

Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Schaltanord- nung in beliebigen Wellenlängenbereichen funktions- fähig, wobei hier die verwendeten Materialien hin- sichtlich ihrer Eigenschaften, wie Transparenz und Brechzahl, auf die entsprechenden Wellenlängenberei- che anzupassen sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich- nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be- schreibung 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 Aus- führungsbeispiels 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 aber 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 abge- lenkten und kollimierten Strahlenbündel räumlich von- einander getrennt sind, ist eine Detektorvorrichtung 7 zum Bestimmen der Lage des jeweiligen abgelenkten Bündels relativ zur optimalen Einkoppelposition in die Ausgangsfasern 6, eine nachgeschaltete Umlenkop- tik 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 Einzel- segmenten 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. Re- gelsignal 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 elektroni- sche Verarbeitungseinheit und die Detektoranordnung die Stelleinrichtung für die Linse 1, die als"Regel- kreis"dargestellt ist. In einer anderen Ausführungs- form kann auf die Detektoranordnung 7 als Meßvorrich- tung 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 Verarbei- tungseinheit 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 trans- formiert 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 je- weils auf die Ausgangsfasern 6.

Der jeweilige Quadrantendetektor der Detektoranord- nung 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 Strahlen- bündel 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. Selbstver- ständlich können sie voneinander getrennt als Einzel- elemente angeordnet werden. Eine weitere Systeminte- gration ist möglich, wenn das Prismenarray 4 und das Linsenarray 5 auf ein und demselben Substrat ange- bracht 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 verzich- tet wird, wobei hier jedoch die lateralen Abstände der Ausgangsfasern zueinander unterschiedlich sind.

Es treten kleine Zusatzverluste auf, die je nach An- wendung tolerierbar sein können.

In Fig. 4 sind die Verstellmöglichkeiten der Ein- gangsfaser und der Ablenk-und Kollimationsoptik re- lativ 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 Lin- se 13 in die eine Richtung und die andere Linse 14 in die andere Richtung bewegt werden. Durch die Ausfüh- rungen 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 X = 0,78 ym ge- wählt. Die Eingangsfaser 2 hat einen Taillendurchmes- ser von 4 ym. Die nachfolgende Ablenk-und Kollima- tionsoptik 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 ym. Das entspricht einer Rayleighlänge von 6 cm. Wird nun zwischen zwei benachbarten Positionen die Kollimationsoptik um v = 15 ym ausgelenkt, so wird das Bündel um einen Winkel 0 = v/f = 15 mrad abgelenkt. In einem Abstand von 3,3 cm nach der Kollimationslinse haben die Zen- tren der benachbarten Bündel einen Abstand von 500 ym. Dieser ist gleich dem lateralen Abstand (Pitchmaß) der nachfolgenden Optiken. Die einzelnen Quadrantendetektoren umschließen einen transparenten Bereich mit einem Durchmesser von 450 ym, so daß die Breite der Detektorstrukturen etwa 20 Hm beträgt. Die Detektorelemente können in diesem Fall aus Silizium bestehen. Für die Realisierung eines 1 x 25-Schalters wären Prismenstrukturen mit Winkeln von 0, 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 Um x 60 Um. 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 gearbei- tet 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.