DE2812910A1

DE2812910A1 - Elektrooptische schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE2812910A1
Application number: DE19782812910
Authority: DE
Inventors: Auria Luigi D; Jean Pierre Huignard
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1977-03-25
Filing date: 1978-03-23
Publication date: 1978-09-28
Also published as: GB1575165A; JPS53119659A; FR2385266A1; US4229071A; FR2385266B1

Description

Elektrooptische Schaltvorrichtung

Die Erfindung betrifft elektrooptische Schaltvorrichtungen, die gestatten, Eingangsschaltungen mit Ausgangsschaltungen über optische Verbindungen, die unter der Einwirkung von äußeren elektrischen Steuersignalen modifizierbar sind, zu verbinden.

Solche Vorrichtungen sind insbesondere in Fernsprech-Selbstwählern verwendbar, in welchen sie vorteilhafterweise die elektromechanischen Schalter, mittels welchen die Teilnehmer miteinander verbindbar sind, ersetzen können. Der Hauptnachteil dieser elektromechanischen Wähler besteht darin, daß sie bewegliche Kontakte aufweisen, die verschleißen und verschmutzen und aufgrund dieser Tatsache eine, lange und kostspielige: Wartung erfordern.

Aus der FR-OS 2 311 k53 ist es bekannt, eine Vorrichtung zu benutzen, die optische Verbindungen enthält, welche dadurch modifizierbar sind, daß mit Hilfe von dünnen Schichten aus magnetischen Materialien gebildete. Beugungsgitter gedreht

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werden. Eine solche Vorrichtung hat verschiedene Nachteile, beispielsweise den, daß die Beugungsschichten eine sehr geringe Lichtleistung haben.

Es kann außerdem ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff hergestellt werden, indem mit lichtemittierenden Fotodioden eine Datenebene beleuchtet wird, die aus einer Matrix von lichtundurchlässigen oder lichtdurchlässigen Punkten besteht, und indem das Bild dieser Punkte auf lichtempfangenden Fotodioden gebildet wird. Dieser Speicher ist in einem Aufsatz {i} beschrieben worden, der von den Erfindern der vorliegenden Erfindung in den "Proceedings of the First European Electro-Optics Markets and Technology Conference", Genf, 13·/15· September 1972, unter dem Titel "Fast-access optical R.O.M. addressed by an L.E.D₀ matrix" veröffentlicht worden ist.

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung, die gestattet, modifizierbare optische Verbindungen zwischen einer Matrix von Lichtsendeschaltungen und einer Matrix von Lichtempfangsschaltungen in einer Weise herzustellen, die der in diesem Speicher angewandten gleicht, in dem aber anstelle einer Datenebene eine Ebene von Elementen benutzt wird, die unter der Einwirkung von äußeren elektrischen Signalen für das benutzte Licht durchlässig gemacht werden können.

Mehrere AusfUhrungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Teilschema einer Vorrichtung nach der

Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer vollständigen Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3 ein Schema einer Ausführungsform einer

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"" D —

Wahleinrichtung, und

die Fig. i\ Teilansichten einer weiteren Ausführungsund 5 form einer in zwei Zuständen dargestellten Wähleinrichtung»

Fig. 1 zeigt eine Teilansicht einer Vorrichtung nach der Erfindung. Diese Ansicht ist auf die Sendeseite einer einzigen Schaltung i und auf die ihr zugeordnete Wahleinrichtung beschränkt worden.

Die zu übertragenden Signale kommen über die Eingangsverbindung E^ an einer Sträilungsenergiequelle 1o1 an, bei welcher sich bespielsweise um eine lichtemittierende Photodiode handelt. Die von dieser Quelle ausgesandte Strahlung, die vorzugsweise monochromatisch ist, um den Aufbau der in der Vorrichtung benutzten Linsen zu vereinfachen, wix-d durch einen Kondensor Io2 gesammelt, der gestattet, eine Wahlmatrix I03 im wesentlichen gleichmäßig zu beleuchten. Diese auf der Basis von elektrooptischen! Material hergestellte Matrix enthält η Elemente, die unter der Steuerung von äußeren Signalen, welche an zwei Gruppen von η Verbindungen angelegt werden, die eine Matrixadressierung dieser η Elemente festlegen, lichtundurchlässig oder lichtdurchlässig gemacht werden können. In Fig. 1 ist nur ein Teil der Verbindungen X. .,bis X. „und Y- .,bis Y- „dargestellt.Diese Verbindun-χ«! j. £ χι x 9 ι χ · π

gen versorgen jeweils einen lichtdurchlässigen leitenden Streifen, der für die Verbindungen X vertikal und für die Verbindungen Y horizontal ist. Durch Anlegen einer Spannung, die gleich der Hälfte der Steuerspannung ist, an eine Verbindung X und an eine Verbindung Y, also beispielsweise X. und Y., in Figur 1, wird der Kreuzungspunkt dieser Streifen lichtdurchlässig gemacht, was auf dem dunklen Hintergrund der Matrix ein Lichtelement 1o*f festlegt, das aus zeichnerischen Gründen schwarz dargestellt ist.

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Eine Linse 1o5 bildet von der Matrix 1o3 und somit von dem Lichtelement 1o^ ein Bild im Unendlichen. Die Linse 1 o5 ist in einer Linie mit der Matrix 1o3, dem Kondensor 1o2 und der Quelle 1o1 auf einer spezifischen Achse Z. der der Emissionsschaltung i gemeinsamen Elemente angeordnet.

Ein allen Emissionsschaltungen gemeinsames Objekt 106 der Achse Z_n die von der Achse Z. getrennt ist, zu letzterer aber parallel ist, nimmt das von der Linse 1o5 ausgehende Lichtbündel wieder auf und bildet ein Bild des Lichtelementes 10/4 auf einer Photοdiodenmatrix 1o7, die sich in seiner Brennfläche befindet. Die Photodioden befinden sich in den Bildpunkten der verschiedenen Elemente der Matrix 1o3, die sich durch das optische System 1o5 - I06 ergeben» Es gibt daher η Photodioden. In Fig. 1 ist nur die Photodiode I08 dargestellt, die sich in dem Bildpunkt des Elementes I04 befindet. Diese durch die empfangene Strahlung angeregte Photodiode gibt ein Signal über die Ausgangsverbindung

S. abο Dieses Signal ist , unter Berücksichtigung eines

J
Maßstabsfaktors, des Rauschens und der Verzerrung, gleich

dem über die Verbindung E. empfangenen Signal.

Durch Wählen eines anderen Lichtelementes in der Matrix 1o3 mit einer anderen Gruppe von Verbindungen X. - Y. wird über eine andere Ausgangsverbindung S das über die Eingangsverbindung E. empfangene Signal abgegebene Es liegt deshalb ein elektrooptischer Schalter vor, der gestattet, die mit der Eingangsdiode verbundene Schaltung mit einer mit einer der Ausgangsdioden verbundenen Schaltung zu verbinden. Bei Bedarf (beispielsweise Verteilung eines Amtszeichens oder dgl. auf mehrere Teilnehmer) kann diese Eingangsdiode sogar mit mehreren Ausgangsdioden verbunden werden.

Ein solcher Wähler könnte allein benutzt werden und würde dann dieselbe Funktion wie beispielsweise ein Drehwähler erfüllen, wie sie in den alten Selbstwählerämtern

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benutzt werden.

Es ist aber vorzuziehen, einen Verbundwähler zu benutzen, der dann dieselbe Funktion wie die gegenwärtigen Kreuzschienenwähler erfüllen würde, die in den modernen Ämtern benutzt werden.

Zu diesem Zweck kann eine gewisse Anzahl von Moduln zusammen gefaßt werden, die jeweils eine lichtemittierende Diode 1o1, einen Kondensor 1o2, eine Matrix 1o3 und eine Linse 1o5 enthalten.

Diese Moduln sind in Fig. 2 durch eine Reihe von rechtekkigen "Parallelepipeds dargestellt, die in einem Baustein 2o1 gestapelt sind, wobei die Kreise auf den Vorderflächen die Ausgangslinsen dieser Moduln darstellen und in diesem Beispiel eine 3*3 - Matrix bilden. Die Achsen Z^ der Moduln sind, wie in Fig. 1, zu der Achse Z_Q parallel. Jeder Modul entspricht einer Eingangsschaltung E. die in Fig. 2 nicht dargestellt ist, und ist mit zwei Verbindungsanordnungen versehen, die ebenfalls nicht dargestellt sind und gestatten, ein Lichtbündel auszuwählen, das die Ausgangslinse des Moduls unter einem veränderlichen Winkel verläßt.

Das Objektiv 1o6 sammelt alle Lichtbündel, die den Baustein 2o1 verlassen, und fokussiert sie auf der Piaotodiodenmatrix 1o7· Diese Photodioden sind durch ihre hintere Fläche dargestellt, welche symbolisch durch einen Kreis dargestellt ist, der in dem quadratischen Liniennetz der Matrix 1o7 angeordnet ist. Sie sind jeweils mit einer Ausgangsschaltung S. versehen, die in Figur 2 nicht dargestellt ist.

In dem üblichen Fall, in welchem man die maximale Dichte der einzelnen Verbindungen erzielen möchte, benutzt man eine Vorrichtung, die ebenso viele Eingangsschaltungen E^

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-S-

wie Ausrangsschaltungen S- enthält, also η . Es wird da-

2 **

her dann η Moduln geben, die jeweils mit zwei Gruppen von η Verbindungen versehen sind, welche die Aufgabe haben, die Auswahl der optischen Schaltungen innerhalb der Vorrichtung zu gewährleisten. Zur Erzielung einer maximalen Kompaktheit der Vorrichtung sind die Moduln sowie die Ausgangsphotodioden dann in einer quadratischen Matrix der Ordnung η angeordnet. Diese Anordnung entspricht dem Beispiel von Fig. 2, wo η = 3 gilt. Durch Adressieren einer Gruppe von passend gewählten Signalen an den Auswahlverbindungen der Moduln kann dann jede Eingangsschaltung mit einer der Ausgangsschaltungen verbunden werden, indem somit η optische Verbindungen im Innern der Vorrichtung realisiert werden. Diese Signale können einfache digitale Signale sein und die Ausschlußbedingungen, die erforderlich sind, um zu vermeiden, daß beispielsweise ein und dieselbe Ausgangsschaltung mit mehreren Eingangsschaltungen verbunden wird, werden in äußeren Steuereinrichtungen mit Hilfe von bekannten digitalen Verknüpfungsschaltungen realisiert.

In besonderen Fällen können unterschiedliche Anzahlen von Eingängen und von Ausgängen benutzt werden.

In Fig. 3 ist eine AusfUhrungsform der V/ahlmatrix 1o3 dargestellt, die senkrecht zu der Achse Z. eine Schicht 3o2 aus elektrooptischen! Material, bespielsweise Gadoliniummolybdat, enthält, die in Sandwichanordnung zwischen zwei gekreuzte Polarisatoren 3o1 und 3o3 eingefügt ist, von denen der Polarisator 3o3 nur teilweise gezeigt ist.

Das Licht, das sich in der Richtung der Achse Z> ausbreitet, durchquert zuerst den Polarisator 3o1, der in der Richtung D₁ orientiert ist, dann die Schicht 3o2, die nur unter der Wirkung eines elektrischen Feldes aktiv ist, und schließlich den Polarisator 3o3, der in der Richtung D₂ orientiert ist. An den Stellen, wo die Schicht 3o2

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- 1ο -

nicht aktiv ist, hindert die Wirkung der gekreuzten Polarisatoren dieses Licht am Durchgang.

Die Flächen der Schicht 3o2 tragen Elektroden in Form von Streifen, die auf ein und derselben Fläche parallel und bezüglich der Flächen untereinander gekreuzt sind. In Fig_o sind von diesen Elektroden 3ok und 3o5 nur zwei dargestellt, die mit den äußeren Verbindungen X. und Y. verbunden

" 3-jP ¹J^L sind» Durch Anlegen einer Spannung an diese Verbindungen X· und Y. wird in dem Kreuzungspunkt 3o6 zwischen den Streifen ein elektrische.^- Feld parallel zur Achse Z. erzeugt, das die optischen Eigenschaften des die Schicht 3o2 bildenden Materials örtlich modifiziert. Bei Gadoliniummolybdat und einer Dicke von ungefähr ifoo um dreht sich die Polarisationsebene des die Schicht durchquerenden Lichts um 9o° unter der Einwirkung einer zwischen 1f>o und 3oo V liegenden Spannung,je nach der Qualität des verwendeten Materials. Diese Spannung, obgleich sie groß ist, kann von einer Schaltung geliefert werden, in welcher gegenwärtig verfügbare Transistoren benutzt werden.

Die Elektroden sind für das benutzte Licht durchlässig und sie bestehen beispielsweise aus im Vakuum aufgedampftem Zinkoxid. Aufgrund dieser Tatsache wird die Polarisationsebene des von dem Polarisator 3o1 gelieferten polarisierten Lichts gedreht und wird zu der Richtung des Polarisators 3o3 parallel, der das Licht daher in diesem Punkt nicht mehr blockiert. Es ergibt sich daher in dem Kreuzungspunkt der aktiven Elektroden ein Lichtpunkt, dessen Abmessungen und dessen Form nicht sehr gut bestimmbar sind, da das elektrische Feld außerhalb des Kreuzungspunktes nicht augenblicklich abfällt und da seine Verteilung kompliziert ist. Diese Abmessungen liegen in der Größenordnung von 1oo bis 2oo Jim, sie bestimmen aber den Füllfaktor η , den man experimentell messen kann und der etwa 0,5 beträgt.

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Ein wichtiger Faktor ist der Kontrast zwischen den lichtdurchlässigen Teilen und den nichtlichtdurchlässigen Teilen, Es läßt sich ohne Schwierigkeiten ein Kontrast von C = 1o^ erzielen.

Die Kondensoren und die Linsen können durch Pressen oder Spritzen eines Kunststoffes hergestellt werden, da sie keine sehr großen optischen Qualitäten erfordern und mit monochromatischem Licht arbeiten. Eine vorteilhafte Konstruktionsvariante besteht darin, holographische Linsen zu benutzen, die nach einem in der Druckschrift {1$ dargelegten Verfahren hergestellt sind.

Das Signal/Rausch - Verhältnis auf der Höhe der Empfangsphotodioden wird vor allem durch das Störlicht aufgrund des endlichen Kontraste der Wahlmatrix bestimmt. Eine Photodiode empfängt deshalb das Nutzlicht, das von der Schaltung kommt, mit der die Eingangsverbindung E. verbunden ist, und einen Bruchteil 1/C des durch die η - 1 anderen Schaltungen emittierten Lichts, mit denen sie nicht gekoppelt werden soll.

Die Störleistung P die deshalb empfangen wird, ist daher, wenn P^ die durch die Photodiode empfangene optische Nutzleistung ist, maximal gleich:

P = (n² -1) ^PR ^p TT

und das Signal/Rausch-Verhältnis ist daher gleich: ^PR C

P_p n- - 1

In aan in der Fernsprechtechnik interessanten Fall einer 12 χ 12 - Matrix für einen Kontrast von 1o^ gilt:

P 1 o^J

___J_1_1 __, ^«nee» IV* O

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Dieses Ergebnis ist für eine Analogübertragung zwar mittelmäßig, es gestattet aber vollkommen eine Digitalübertragung.

Man kann auch den Wert der empfangenen optischen Nutzleistung berechnen. Wenn T der Durchlaßfaktor des optischen Systems, η der kleinste der Füllfaktoren der Wahlmatrix oder der Photodiodenmatrix und P. die durch die Wahlmatrix empfangene optische Leistung ist, gilt:

P_R = P₁ x T χ I^ χ η

Folgende praktische Zahlenwerte sind erzielt worden: P- = 1,25 mW für eine Lambertsche Quelle von 5 mW und einen Kondensor mit einer numerischen Apertur von o,5 T = 1o%

η = o,5

n = 1ZfZj. für die oben angegebene 12 χ 12 - Matrix.

Unter diesen Bedingungen ergibt sich:

P_r = 1,25 x o,1 x J^ x o,5 = k3k nW.

Unter Berücksichtigung des Signal/Rausch-Verhältnisses, das oben berechnet worden ist, kann deshalb jede Verbindung mehrere hundert Fernsprechkanäle aufnehmen.

Die Wahlmatrix aus elektrooptischen Material ermöglicht niedrige Schaltzeiten in der Größenordnung von einigen Millisekunden, liefert aber dagegen einen Kontrast, der nicht sehr groß ist und daher das Signal/Rausch-Verhältnis auf der Höhe der Empfangsschaltungen begrenzt.

Man kann dann eineeleKtromechanische Wahlmatrix benutzen, die zwei Gruppen von Streifen enthält, welche in ein und derselben . Gruppe untereinander parallel sind und von einer Gruppe zur anderen gekreuzt sind. Diese Streifen sind licht-

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undurchlässig und enthalten Löcher, die demaskiert werden, wenn man sie bewegt, wobei auf diese Weise das Wahlelement materialisiert wird.

In den Figuren k und 5 sind zwei dieser Streifen ifo5 und J|-o6 dargestellt, und zwar in Fig. k in Ruhe und in Fig. 5 aktiviert.

Betätigungselektromagnete ZfOl und l+o2. sind mit den Verbindungen X. und Y. verbunden und können deshalb die Wahlsignale empfangen. Sie können unter der Einwirkung dieser Signale die Polschuhe Zfo3 und l+ok anziehen, die an einem Ende der Streifen Z*o5 und Zfo6 angeordnet sind. Wenn diese Signale aufhören, bringen an dem anderen Ende der Streifen befestigte Rückstellfedern 4o7 und ^08 diese in ihre Ruhestellung zurück.

Die Löcher, wie beispielsweise die Löcher if09 und A-Io, mit denen die Streifen versehen sind, sind ausreichend weit von einander entfernt, damit das Licht nicht an dem Schnittpunkt der Streifen durchgehen kann, wenn die Elektromagnete nicht aktiviert sind (Fig. ^). Unter der Einwirkung dieser Elektromagnete werden die Streifen derart verschoben, daß an ihrer Schnittstelle zwei Löcher übereinander angeordnet sind (Fig. 5), die einen Lichtfleck bilden, dessen Bild auf der Diode gebildet wird, die der so gewählten Ausgangsschaltung entspricht. Der so erhaltene Kontrast ist praktisch unendlich, die Schnelligkeit ist aber geringe

Solche Vermittlungseinrichtungen sind besonders nützlich in Fernsprech-Selbstwählern, insbesondere in den elektronisch gesteuerten, und zwar besonders aufgrund der großen Bit-Menge, die über eine solche optische Verbindung übertragen werden kann.

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Eine AusfUhrungsVariante besteht darin, die lichtemittierenden Dioden durch die Enden von Lichtleitfasern zu ersetzen, welche im übrigen gespeist werden, und die Empfangsphotodioden durch die Enden von Lichtleitfasern,
die auf diese V/eise direkt durch den Wähler erregt werden. Auf diese Weise können auch gemischte Schaltungen mit Sendefaser und Empfangsdiode, oder umgekehrt, realisiert werden.

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Claims

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Patentanwälte

Dipl -Ing Dipl.-Chem. Oipil Iruj

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

THOMSON - CSF 22. März 1978

173t Bd. Haussmann
7500B Paris / Frankreich

Unser Zeichen; T 3077

Patentansprüche

Elektrooptische Schaltvorrichtung, mitteLs v/elcher auf optischem Wege wenigstens eine lichtemittierende Schaltung mit wenigstens einer Schaltung einer Gruppe von lichtempfangenden Schaltungen, die in einer Matrix angeordnet sind, verbunden werden kann,gekennzeichnet durch wenigstens eine Gruppe von Wahlelementen, deren Anzahl gleich der der Empfangsschaltungen ist und die die von der lichtemittierenden Schaltung ausgesandte Strahlung empfangen und in einer Matrix angeordnet sind, welche ein Abbild der Matrix der lichtempfangenden Schaltungen ist, wobei diese Matrix mit zwei Gruppen von Verbindungen versehen ist, die gestatten, für jedes Element eine Adresse zu definieren, und wobei jedes Element in der Lage ist, die empfangene Strahlung unter der Steuerung von an diese Verbindungen angelegten äußeren Signalen durchzulassen, und durch Einrichtungen, die gestatten, das Bild der Matrix von 7/ahlelementen auf der Matrix von lichtempfangenden Schaltungen zu bilden, indem die durchgelassene Strahlung durch jedes V/ahle Lernent auf die lichtempfangende Schaltung, die diesem Element entspricht, fokussiert wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet> daß die Matrix der Wahlelemente eine dünne Schicht aus einem elektrooptischen Material aufweist, die gestattet,

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die Polarisationsebene der sie durchquerenden Strahlung zu drehen, wobei diese Schicht zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren angeordnet ist, daß die Schicht auf ihren beiden Flächen jeweils eine Gruppe von lichtdurchlässigen Elektroden in Form von Streifen aufweist, wobei die Elektroden ein und derselben Fläche parallel zueinander und in bezug auf die Elektroden der anderen Fläche gekreuzt sind, und wobei die Elektroden ein und derselben Gruppe mit den Verbindungen ein und derselben Gruppe von Verbindungen verbunden sind und jeder Kreuziingf-ipunkt von zv/ei Elektroden ein Wähle lenient festlegt,
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix von Wahlelementen zwei Gruppen von Streifen enthält, die mit Durchgangslöchern versehen sind, welche längs der Streifen in einer Linie angeordnet sind, und Einrichtungen, die gestatten, diese Streifen parallel zu sich selbst unter der Steuerung von Steuersignalen zu bewegen, wobei die Streifen ein und derselben Gruppe zueinander parallel und in bezug auf die Streifen der anderen Gruppe gekreuzt sind und wobei die Löcher derart angeordnet sind, daß sie in dem Kreuzungspunkt von zwei bewegten Streifen in Deckung kommen und dort ein IVahlelement materialisieren_e
Zf. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrooptische Material Gadoliniummolybdat 1st»
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Kondensor, der gestattet, die von der lichtemittierenden Schaltung ausgesandte Strahlung auf der Anordnung von IVahlelementen zu konzentrieren.
6· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierende Schaltung nine lichtemittierende Photodiode ist.

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7. Vorrichtung nach einem der Anprüche 1 bjs 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierende Schaltung eine Lichtleitfaser ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfangenden Schaltungen Photodioden sind.
9o Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfangenden Schaltungen Lichtleitfasern sind.
10. Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 9> gekennzeichnet durch eine Gruppe von lichtemittierenden Schaltungen und durch eine gleiche Anzahl von Gruppen von Wahlelementen, die diesen lichtemittierenden Schaltungen zugeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die Fok ussierungseinrichtungen eine Gruppe von Linsen enthalten, die jeder Gruppe von Wahlelementen zugeordnet sind, und ein einziges Objektiv, das die von diesen Linsen ausgehenden Lichtbündel wieder aufnimmt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurcli gekennzeichnet, daß die Linsen holographische Linsen sind.

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