DE2841140A1

DE2841140A1 - Schalter fuer lichtleitfasern

Info

Publication number: DE2841140A1
Application number: DE19782841140
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Dr Winzer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1978-09-21
Filing date: 1978-09-21
Publication date: 1980-04-03
Also published as: GB2030319A; FR2437004A1; GB2030319B; FR2437004B1; DE2841140C2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 78 P 7 1 2 0 BRD

Schalter für Lichtleitfasern

Die Erfindung betrifft einen Schalter zum Schließen und öffnen eines optischen Kontaktes zwischen zwei sich fluchtend gegenüberstehenden Lichtleitfaserenden, bei dem wenigstens ein Faserende an einem durch ein Magnetfeld führungsfrei bewegbaren Metallteil gehaltert und zum öffnen des Kontaktes durch Veränderung des Magnetfeldes aus der Fluchtlinie des anderen Faserendes bewegt wird.

Für die optische Nachrichtenübertragung mittels Lichtleitfasern (Lichtwellenleitern) werden Schalter benötigt, die die Übertragung einer Lichtwelle von einer Faser auf eine andere Faser unterbrechen. Zwisehen den Enden zweier Lichtleitfasern wird ein weitgehend verlustfreier Übergang einer Lichtwelle ermöglicht, wenn die Lichtleitfasern planparallele Abschlußflächen haben und sich in geringem Abstand so gegenüberstehen, daß das eine Faserende in der Fluchtlinie des anderen Faserendes liegt, d.h. daß die eine

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Faser praktisch eine Verlängerung der anderen Faser darstellt. Der Kontakt kann geöffnet (unterbrochen) werden, wenn das eine Faserende aus der Fluchtlinie des anderen Faserendes bewegt wird. Dies kann geschehen, indem die Faserenden an entsprechenden. Bauteilen gehaltert werden, die an Gleitflächen entlang mechanisch geführt werden. Ein derartiger Schalter erfordert jedoch eine genaue Justierung der Halterungen und der Gleitflächen und setzt die Bewegung größerer Massen voraus. Dies bedingt einen aufwendigen Aufbau und eine geminderte Betriebssicherheit, da infolge von Verschleißerscheinungen Störungen auftreten können.

In der Zeitschrift "Electronic letters" 12/15 (1975), Seite 388 ist ein Umschalter beschrieben, mit dem der optische Kontakt eines Faserendes mit einem anderen Faserende unterbrochen und auf ein weiteres Faserende umgeschaltet werden kann» Dieser Schalter besteht aus einem Glasröhrchen, in dessen eines Ende zwei gleich lange und im wesentlichen parallele Licht leitfaserenden eingekittet sind«, Am anderen Ende des Glasröhrchens ist die entsprechende Lichtleitfaser, d*ie zwischen den beiden ersten Lichtleitfasern umgeschaltet werden soll, eingekittet, wobei dieses Faserende durch eine Nickelhülse geführt ist. Am Glasröhrchen ist ein Magnet mit veränderlichem Magnetfeld angeordnet, so daß durch Veränderung des äußeren Magnetfeldes das von der Nickelhülse gehalterte Faserende jeweils aus der Fluchtlinie des einen und in die Fluchtlinie des anderen der beiden ersten Faserenden bewegt werden kann.

Bei diesem Schalter ist die Halterung der beweglichen Glasfaser nicht entlang von Gleitflächen mechanisch

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geführt, wodurch sich zwar Verschleißerscheinungen verringern, andererseits ist jedoch die Faser über eine große Strecke nicht gehaltert, so daß die Anordnung stark lage- und erschütterungsempfindlich ist.

Für manche Zwecke, z.B. in Überwachungsgliedern für Lichtwellenleiter, werden jedoch Schalter benötigt, die eine hohe Betriebssicherheit und einen einfachen Aufbau aufweisen. Demgegenüber sind die Anforderungen hinsichtlich der Schaltzeiten, der Nebensprechdämpfung und der Übergangsverluste zwischen den Faserenden bei geschlossenem Kontakt von untergeordneter Bedeutung. Durch die Erfindung soll ein derartiger Schalter zur Verfügung gestellt werden.

Dies geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß das Metallteil an einer einseitig gelagerten Ankerzunge befestigt und die mit ihrem Ende am Metallteil gehaltene Lichtleitfaser von der Ankerzunge unterstützt ist.

Vorteilhaft liegt die Ankerzunge bei geschlossenem Kontakt an einem Anschlag an. Es kann auch ein zweiter Anschlag vorgesehen sein, an dem die Ankerzunge bei geöffnetem Kontakt (verändertes Magnetfeld) anliegt.

Die Ankerzunge bildet somit eine Unterstützung für die Lichtleitfaser und setzt Vibrationen der Lichtleitfaser herunter. Durch die Anschläge können definierte öffnungs- und Schließstellungen vorgegeben werden.

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Vorteilhaft ist dabei das andere Faserende vom Anschlag unterstützt. Dies kann dadurch geschehen, daß die beiden Faserenden derart auf die Ankerzunge und den Anschlag aufgekittet oder in anderer Weise befestigt werden, daß sie beim geschlossenen Kontakt in der gewünschten Weise sich fluchtend mit planparallelen Abschlußflächen gegenüberstehen. Die Faserenden können dabei längs der gesamten Länge der Unterstützungen aufgekittet sein, mindestens aber sind ausreichend viele Befestigungspunkte (Unterstützungspunke) vorgesehen, daß die Fasern keine nennenswerte Vibration auf den Unterstützungen mehr ausführen können.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Magnetspule zur Veränderung des Magnetfeldes vorgesehen. Magnetspule, Ankerzunge und Anschlag sind als ein elektromagnetisches Relais ausgebildet.

Zum Aufbau eines Schalters nach der Erfindung können handelsübliche elektromagnetische Relais verwendet werden, ohne daß dabei ein Stromkreis getrennt werden soll, also Anker und Anschlag nicht durch einen Stromfluß elektrisch belastet werden. Eine derartige elektrische Belastung ist nur für solche Fälle vorgesehen, in denen gleichzeitig mit dem optischen Kontakt auch ein elektrischer Kontakt geöffnet bzw. geschlossen werden soll. Ankerzunge und Anschlag dienen im allgemeinen nur dazu, die optisch zu kontaktierenden Faserenden zu unterstützen, wobei die Faserenden derart befestigt sind, daß sie in der einen Endstellung des Schalters, z.B. in der Schließstellung des Relais, mit ihren planparallelen Enden in geringem Abstand fluchtend gegenüberliegen. Bei Ansteuerung

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des äußeren Magnetfeldes wird der Anker bewegt und das daran befestigte Faserende aus der Kontaktstellung ausgeschwenkt. Vorteilhaft können elektromagnetische Relais nach dem Prinzip sogenannter Reed-Kontakte aufgebaut sein, wobei jedoch auf ein Schutzgas verzichtet werden kann, wenn der Kontakt elektrisch nicht belastet wird.

Bei Reed-Relais sind Ankerzunge und Anschlag als Kontaktzungen aus einem magnetischen Material ausgebildet. Häufig ist die eine Kontaktzunge (Anschlag) starr, die andere Kontaktzunge (Ankerzunge) eine an einem Ende eingespannte, vom Magnetfeld entgegen ihrer Rückstellkraft bewegliche Feder. Die beiden Kontaktzungen sind derart an den Kern der Magnetspule angeschlossen, daß durch den magnetischen Fluß bei Erregung der Magnetspule die Federn magnetisiert werden und aneinander anschlagen, wodurch der Kontakt geschlossen wird. Bei Entregung der Magnetspule hebt das bewegliche Federende von dem starren Federende ab, wobei der Hub der Kontaktzunge die Schaltdämpfung (Nebensprechdämpfung) bestimmt, da der Übertritt einer Lichtwelle von einem Faserende ins andere Faserende um so wirksamer unterbunden wird, de größer der Abstand der Fluchtlinien beider Faserenden beim Abheben ist.

Bei der Verwendung derartiger Reedrelais ist demnach die gesamte Kontaktzunge das vom Magnetfeld bewegbare Metallteil, das durch einseitige Einspannung der Kontaktzunge an der einen Seite gelagert ist. Sofern besondere Federcharakteristiken angestrebt werden, die durch magnetisierbare Werkstoffe nicht erreicht werden können, kann es aber auch vorteilhaft sein, die Ankerzunge aus einem anderen Material herzustellen und nur das bewegliche Kontaktzungenende

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als ein magnetisierbares Metallteil, auf das das Magnetfeld einwirkt. Auch kann es unter Umständen vorteilhaft sein, die Ankerzunge nicht einzuspannen, sondern z.B. mittels eines Gelenkes zu lagern,

Ein derartiger Schalter kann vorteilhaft als Umschalter verwendet werden, um ein bewegliches Faserende wahlweise mit einem von zwei anderen Faserenden in optischen Kontakt zu bringen. Hierzu ist die Ankerzunge mit dem daran gehalterten Faserende zwischen zwei Anschlägen beweglich. Die beiden anderen Faserenden sind derart jeweils an einem der beiden Anschläge befestigt, daß das bewegliche Faserende beim Anschlagen der Ankerzunge an einem der beiden Anschläge jeweils fluchtend in geringem Abstand dem an diesem Anschlag befestigten Faserende gegenübersteht.

Anhand zweier Ausführungsbeispiele und zweier Figuren wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Labormodell eines Ein/ Ausschalters nach der Erfindung.

Dieser Schalter enthält in einem Gehäuse 1, das vorteilhaft aus Plastik besteht und einen leicht montier baren, staub- und wasserdichten Deckel 2 besitzt, eine über eine Steuerleitung 3 angesteuerte Magnetspule 4. Der Nickel-Eisen-Kern 5 dieser Spule trägt die im wesentlichen starre Kontaktzunge (Anschlag) Im Bereich des Magnetflusses der Magnetspule A und ihres Eisenkernes 5 ist eine weitere ferromagnetische Kontaktzunge (Ankerzunge) 7, die z.B. aus der Nickel-Eisen-Legierung Vakuvit hergestellt sein kann, angeordnet. Diese Kontaktzunge 7 ist mit ihrem einen Ende am Gehäuse verankert, das andere freie Ende

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trägt einen Längsschlitz. Dieses geschlitzte Ende 8 ist derart auf die starre Kontaktzunge 6 gerichtet, daß sie an ihrem Ende die Kontaktzunge 6 zwar überlappt, jedoch bei entregter Magnetspule in einem Abstand h, der dem Hub der bewegten Kontaktzunge entspricht, oberhalb der Ebene der Kontaktzunge 6 zu liegen kommt. Bei Erregung der Magnetspule 4 wird die bewegliche Kontaktzunge 7 auf die starre Kontaktzunge 6 zubewegt und schlägt an dieser an.

Diese Teile sind bereits in einem handelsüblichen Reed-Kontakt, z.B. dem Kontakt "SG-Gm-Kontakt C 39209-A 26-A 3ⁿ der Firma Siemens enthalten. Gegenüber diesem handelsüblichen Reed-Kontakt ist lediglich auf die Glasumhüllung und die Schutzgasfüllung verziehtet. Ferner ist bei dem gezeigten Labormodell, um einen größeren Hub zu erreichen, das bewegliche Ende der Kontaktzunge 7 dadurch verlängert, daß die Kontaktzungen auf Glasplättchen 9 und 10, die eine Brücke bilden, aufgekittet sind. Bei anderer Formgebung kann auf die Glasplättchen 9 und 10 verzichtet werden. Auch können die Kontaktzungen innerhalb des Spulenkörpers verlaufen. Der Spulenkörper und gegebenenfalls die starre Zunge 6 können dabei als Schutz bzw. als Gehäuse ausgebildet sein.

Durch das Gehäuse 1 und entsprechende Stecker 11 werden die beiden zu kontaktierenden Lichtleitfasern 12 und 13 geführt. Während das Ende der Lichtleitfaser 12 unmittelbar auf die starre Kontaktzunge 6 aufgekittet ist, ist die zunächst auf der beweglichen Kontaktzunge 7 laufende Faser 13 durch den als Führungsnut dienenden Längsschlitz am geschlitzten Ende 8 geführt und von QuerStegen 14 und 15 in einen derartigen Verlauf gebracht, daß dieses Faserende im geöffneten Zustand des Kontaktes um die Hubhöhe

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gegenüber der Fluchtlinie 16 der Faser 12 versetzt ist, aber beim Schließen des Kontaktes, d.h. wenn das bewegliche, geschlitzte Kontaktzungenende 8 auf der Kontaktzunge 6 anschlägt, in die Fluchtlinie hineinbewegt wird. Die Abschlußflächen der Faserenden sind dabei so ausgebildet, daß sie in dieser geschlossenen Stellung planparallel zueinander verlaufen und nur einen geringen Abstand d voneinander haben. Auch der Anschlag 6 kann vorteilhaft eine längsgerichtete Führungsnut zur Aufnahme des Faserendes 12 tragen. Diese Führungsnute können bei einer Serienfertigung vorteilhaft photolithographisch in Dickfilmtechnik hergestellt werden.

Das dargestellte Labormodell wies einen Abstand d von etwa 10 /U und einen Hub h von etwa 150 /um auf. Als Lichtleitfasern wurden Gradientenindexfasern mit einem Außendurchmesser von 130 /u und einer numerischen Apertur von etwa 0,15 verwendet, es sind aber auch Stufenindexfasern geeignet. Zur Befestigung der Fasern auf den Kontaktzungen wurde ein Cyanolit-Kleber verwendet. Die Nebensprechdämpfung (Schaltdämpfung) des Schalters betrug während 10 000 Schaltzyklen 39,2 dB. Da der verwendete Kleber eine gewisse Lichtstreuung an den Faserenden bewirkt, jedoch im Lauf der Dauerversuchs an den Faserenden abgetragen wurde, verbesserte sich die Nebensprechdämpfung im Verlauf der Versuche. Der Übergangsverlust am Spalt d betrug beim ersten Versuchsschalter dieses Types 8,7 dB, konnte jedoch durch sorgfältige Justierung der Fasern auf 0,5 dB verbessert werden.

Die Dauer des Einschaltvorgangs betrug bei diesem Schalter etwa 20 ms. Nach dieser Einschaltzeit sind die beim prellenden Einschalten zunächst noch gegen-

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einander bewegten Faserenden in Ruhe, es kommt zu keinen weiteren Fluktuationen der Lichtübertragung. Soweit Fluktuationen festgestellt wurden, konnten diese auf mechanische Vibrationen der außerhalb des Schalters liegenden Faserabschnitte und auf Intensitatsschwankungen des eingestrahlten Lichtes zurückgeführt werden.

Obwohl Nebensprechdämpfung und Einschaltzeit durch weitere Optimierung des Schalters noch verbessert werden können, sind bereits diese Versuchsergebnisse für die Anwendung in vielen Fällen, z.B. in Überwachungsgliedern, ausreichend.

In Fig. 2 sind schematisch die Kontaktzungenenden und die daran befestigten Faserenden bei einem als Umschalter ausgebildeten Schalter dargestellt. Das eine Schalterende trägt an seiner Oberseite einen Anschlag 21 aus unmagnetischem Metall, z.B. Messing, und an der Unterseite einen entsprechenden Anschlag aus ferromagnetischem Metall, z.B. Eisen-Nickel. In einer Längsnut 23 dieser Kontaktzunge 20 sind die beiden durch ein Abstandsstück 24 voneinander getrennten Faserenden 25, 26 derart geführt, daß ihre Enden parallel und in gleicher Länge in den Zwischenraum zwischen den beiden Anschlägen hineinragen.

In diesen Zwischenraum ragt von der entgegengesetzten Seite das Ende einer beweglichen, ferromagnetischen Kontaktzunge 27 hinein, auf der ein Lichtleitfaserende 28 befestigt ist. Die Kontaktzunge 27 und der Anschlag 22 werden wieder dem Magnetfeld einer nicht dargestellten Magnetspule ausgesetzt, wodurch die bewegliche Zunge 27 derart bewegt werden kann, daß sie bei entregter Magnetspule mit einem auf ihrer

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Oberseite angesetzten Steg 29 an dem festen Anschlag 21 derart anschlägt, daß das Faserende 28 in die Fluchtlinie der Faser 25 zu liegen kommt. Bei erregter Magnetspule dagegen liegt die Kontaktzunge am unteren Anschlag 22 auf und das Faserende 28 kommt in die Fluchtlinie des anderen Faserendes 26 zu liegen.

Dadurch ist es möglich, die Lichtleitfaser 28 wahlweise mit der Lichtleitfaser 25 oder der Lichtleitfaser 26 in optischen Kontakt zu bringen.

9 Patentansprüche
2 Figuren

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Patentansprüche

i1 J Schalter zum öffnen und Schließen eines optischen Kontaktes zwischen zwei sich fluchtend gegenüberstehenden Lichtleitfasern, bei dem wenigstens ein Faserende von einem durch ein Magnetfeld berührungsfrei bewegbaren Metallteil gehalten wird und zum öffnen des Kontaktes durch Veränderung des Magnetfeldes aus der Fluchtlinie des anderen Faserendes bewegt wird, dadurch gekennzeich net, daß das Metallteil an einer einseitig gelagerten Ankerzunge befestigt und die mit ihrem Ende am Metallteil gehaltene Lichtleitfaser von der Ankerzunge unterstützt ist.
2. Schalter nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß die Ankerzunge bei geschlossenem Kontakt an einem Anschlag anliegt.
3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß Ankerzunge und Metallteil als ein Bauteil ausgebildet sind.
4. Schalter nach Anspruch 3» dadurch g e kennzeichnet, daß eine Magnetspule zur Veränderung des Magnetfeldes vorgesehen ist und Magnetspule, Ankerzunge und Anschlag als elektromagnetisches Relais ausgebildet sind.
5. Schalter nach Anspruch 2, dadurch g e kennzeichnet , daß das der Ankerzunge gegenüberstehende Faserende vom Anschlag unterstützt ist.

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6. Schalter nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet , daß Ankerzunge und Anschlag als Kontaktzungen ausgebildet sind.
7. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Verwendung als Umschalter, um das eine Faserende wahlweise mit einem von zwei anderen Faserenden in optischen Kontakt zu bringen, dadurch gekennzeichnet , daß die Ankerzunge mit dem einen Faserende zwischen zwei Anschlägen beweglich ist und daß die beiden anderen Faserenden derart an jeweils einem der beiden Anschläge befestigt sind, daß das bewegliche Faserende beim Anliegen der Ankerzunge an einem der beiden Anschläge jeweils fluchtend dem an diesem Anschlag befestigten Faserende gegenübersteht.
8. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Faserenden in Führungsnuten ihrer Unterstützungen (Ankerzunge, Metallteil, gegebenenfalls Anschläge) fixiert sind.

9· Schalter nach Anspruch 9, dadurch g e kennzeichnet, daß die Führungsnuten in planarer Dickfilmtechnik photolithographisch hergestellt sind.

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