DE19720619C2 - Verfahren zum optischen Schalten und Drehschalter - Google Patents

Abstract

Dynamische Deformation eines Lichtwellenleiters bei den Schaltvorgängen durch die Dreh- oder Translationsbewegungen führt zu seiner Beschädigung und zusätzlichen Lichtverlusten. Das erfindungsgemäße Verfahren und der Drehschalter sollen das Schalten des Lichtes mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit ohne dynamische Deformation des Lichtwellenleiters gewährleisten. DOLLAR A Laut Erfindung wird der Übermittlungslichtwellenleiter als Ganzes ohne Torsions- oder Biegemomente gedreht. Dabei ist eines seiner Enden in der Drehachse und sein anderes Ende entsprechend der Anordnung der optischen Ein- und Ausgänge so angeordnet, daß es jedem optischen Ausgang durch Drehung gegenübergestellt werden kann. Zur Verbindung mehrerer ein- und ausgehenden Lichtwellenleiter weist der Schalter zwei jeweils in einem Drehteil integrierte Übermittlungslichtwellenleiter auf oder enthält einen Übermittlungslichtwellenleiter, der in mehreren Ebenen und um verschiedene Achsen gedreht werden kann. DOLLAR A Anwendungsgebiet: Nachrichten- und optische Meßtechnik, Systeme mit faseroptisch geführten Sensoren, z. B. photoakustische Laserspektroskopie, Fluoreszenz- oder Transmissionsmessungen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum optischen Schalten von übertragenen Lichtsignalen, wobei mindestens zwei eingehende Lichtwellenleiter nacheinander mit mindenstens zwei ausgehenden Lichtwellenleitern gekoppelt werden und das Lichtsignal in beide Richtungen übertragen werden kann.

Mit einem solchen Schalter können die Lichtsignale von mehreren Lichtquellen sequentiell zu mehreren Lichtempfängern übertragen werden.

Anwendungsgebiete der Erfindung sind Nachrichten- und optische Meßtechnik, d. h. optische Messungen im Multiplex-Betrieb, zum Beispiel bei verschiedenen spektroskopischen Techniken wie photoakustische Spektroskopie, Fluoreszenz- oder Transmissionsmessungen. Spezielle Anforderungen dabei sind hohe Effizienz und Reproduzierbarkeit der Lichtsignalübertragung, reproduzierbare Leistungsübertragung, geringe optische Verluste und kurze Umschaltzeiten.

Das Verfahren und die Vorrichtung können insbesondere für die Überwachung von Bioreaktoren an mehreren Meßpunkten angewandt werden, in denen das Licht eines Lasers nacheinander in mehrere an der Reaktorwandung angebrachte faseroptisch geführte photoakustische Sensoren eingekoppelt werden muß. Das erlaubt eine tiefenaufgelöste Messung der Stoffkonzentrationen in verschiedenen Schichttiefen eines Biofilms auf der Innenseite des Reaktors, was die Einschätzung der Abbauleistung der beteiligten Mikroorganismen und des Wachstums des Biofilms ermöglicht.

Es ist allgemein ein Verfahren zum optischen Schalten von übertragenen Lichtsignalen bekannt, bei dem zur Kopplung des Lichtsignals von einem optischen Eingang in einen der mehreren optischen Ausgänge dieses in einen schaltbaren Lichtleiter eingekoppelt wird. Das Einkoppelende des schaltbaren Lichtleiters ist dabei unbeweglich in einem Punkt fixiert, und sein Auskoppelende wird mittels einer Dreh- oder Translationsbewegung dem ausgewählten optischen Ausgang fluchtend gegenübergestellt. Da das Einkoppelende des schaltbaren Lichtleiters unbeweglich an einer Stelle fixiert ist, während sein Auskoppelende in jedem Schaltvorgang gedreht oder verschoben wird, wird die Lage von je zwei Punkten des schaltbaren Lichtleiters (Fig. 2, Fig. 3) zueinander bei den Schaltvorgängen ständig verändert. Dadurch wird der Lichtleiter dynamisch verformt, d. h. gekrümmt oder verdreht.

Der Hauptnachteil dieses Verfahrens und der nach diesem Verfahren arbeitenden Vorrichtungen ist, daß der schaltbare Lichtleiter durch die Dreh- oder Translationsbewegung eines seiner Anschlußenden gegenüber einem Befestigungspunkt bei jedem Schaltvorgang zwischen diesem Befestigungspunkt und dem beweglichen Anschlußende gebogen oder verdreht wird. Auf den Lichtleiter wirken hierbei dynamische Biege- oder Torsionsmomente ein, wodurch er beschädigt werden kann. Eine Deformation des Lichtleiters kann außerdem zusätzliche optische Verluste verursachen, bzw. die Pulsstruktur eines Laserpulses ändern.

Das oben allgemein beschriebene Verfahren ist auf verschiedene Weise veröffentlicht und realisiert.

So ist ein Lichtwellenleiterschalter bekannt (DiCon Fiber Optics, Inc.; Berkeley, USA, CA 94710), bei dem das Auskoppelende des in einem Punkt (zum Beispiel im Eingangsstecker des Schalters) unbeweglich fixierten eingehenden Lichtleiters so auf einem drehbaren Teller befestigt ist, daß es bei der Drehung des Tellers einen Kreisbogen beschreibt (Fig. 2). Dementsprechend sind die Einkoppelenden der zur optischen Kopplung an den eingehenden Lichtleiter vorgesehenen ausgehenden Lichtleiter in einem Kreisbogen fixiert. Durch die Drehung des Tellers kann das schaltbare Auskoppelende des eingehenden Lichtleiters nacheinander den fixierten Einkoppelenden der ausgehenden Lichtleiter zur optischen Kopplung gegenübergestellt werden.

Die beschriebene Vorrichtung hat folgende Nachteile, die unter anderem durch die kreisförmige Anordnung der Anschlußenden der Lichtleiter verursacht werden:

• - Der Lichtleiter wird durch die Drehung des Tellers immer wieder zwischen seinem beweglichen Auskoppelende und dem Befestigungspunkt bei jedem Schaltvorgang gebogen, das heißt auf den Lichtleiter wirkt ein dynamisches Biegemoment ein, wodurch er deformiert wird.
• - Mit der Zahl der zu koppelnden Lichtleiter sinkt der Krümmungsradius und steigt die Bruchgefahr. Das verursacht einen großen Platzbedarf und führt zu großen Abmessungen der Vorrichtung.
• - Aufgrund kreisförmiger Anordnung kann das auf dem drehbaren Teller befestigte schaltbare Auskoppelende des eingehenden Lichtleiters nicht nah genug an die Einkoppelenden der ausgehenden Lichtleiter positioniert werden, damit es mit dem Teller gedreht werden kann, ohne die Einkoppelenden der ausgehenden Lichtleiter zu berühren. Wegen dieses einzuhaltenden Abstands kann keine optimale Übertragungseffizienz des Lichtes erreicht werden.
• - In der beschriebenen Vorrichtung entsteht bei möglicher ungenauer Positionierung des drehbaren Tellers, die beispielsweise durch einen Positionierungsfehler des Antriebs verursacht werden kann, nicht nur ein Achsenversatz, d. h. eine Verschiebung zwischen den zueinander parallelen optischen Achsen der zu koppelnden Lichtleiter, sondern auch ein sogenannter Kippwinkel, d. h. ein Winkel zwischen den optischen Achsen der zu koppelnden Lichtleiter. Das verursacht große winkelfehlerabhängige optische Verluste in der Verbindungsstelle und senkt die Übertragungseffizienz des Schalters sowie die Reproduzierbarkeit der Signalübertragung ab.
• - Der bei möglicher Positionierungsungenauigkeit des drehbaren Tellers entstehende Achsenversatz und Kippwinkel der zu koppelnden Lichtleiter ist ziemlich groß, denn der Radius des Kreisbogens, auf dem das schaltbare Auskoppelende des eingehenden Lichtleiters geführt wird, muß dem minimal zulässigen Biegeradius des Lichtleiters entsprechen, damit er nicht beschädigt wird. Da dieser nicht zu unterschreitende Radius besonders für die Lichtleiter größeren Durchmessers relativ groß ist, führt sogar ein kleiner Winkelfehler des antreibenden Motors zu einem großen Linearfehler der Positionierung des schaltbaren Lichtleiterendes, das heißt zu einem großen Achsenversatz und einem großen Kippwinkel der zu koppelnden Lichtleiter und damit zu großen optischen Verlusten.

Weiterhin ist ein Schalter für Lichtleiter bekannt (DE 195 37 290 C1), in dem das Auskoppelende des eingehenden Lichtleiters in einem beweglichen Schlitten befestigt ist und mittels des Schlittens zur sequentiellen optischen Kopplung an in einer Steckerleiste fixierte ausgehende Lichtleiter geradlinig entlang geführt wird (Fig. 3). So wird das schaltbare Auskoppelende des eingehenden Lichtleiters den fixierten Einkoppelenden der ausgehenden Lichtleiter nacheinander gegenübergestellt.

Durch diese Anordnung wird eine starke Krümmung des Lichtleiters vermieden. Der eingehende Lichtleiter ist aber in einem Punkt, zum Beispiel im Eingangsstecker der Vorrichtung, fixiert und wird bei der geradlinigen Bewegung des Schlittens bei jedem Schaltvorgang immer wieder zwischen dem Schlitten und diesem Befestigungspunkt gebogen (Fig. 3). Das bedeutet, daß auf den Lichtleiter ein dynamisches Biegemoment wirkt, wodurch er beschädigt werden kann.

Zusammenfassend lassen sich folgende Nachteile des oben beschriebenen Verfahrens und der nach diesem Verfahren funktionierenden Vorrichtungen feststellen:

• - Der schaltbare Lichtleiter ist an irgendeiner Stelle fixiert, während sein Ein- oder Auskoppelende die für den Schalt-Vorgang erforderliche Bewegung ausführt. Da Lichtleiter vor allem mit einem großen Durchmesser nur eine begrenzte Flexibilität aufweisen, wird die geradlinige Bewegung des Schlittens sowie die Drehung des Tellers in der oben beschriebenen Vorrichtung mit der Zeit und zunehmender Materialermüdung eine Beschädigung des schaltbaren Lichtleiters zur Folge haben.
• - In beiden oben beschriebenen Vorrichtungen wirkt auf den Lichtleiter bei Drehung oder Verschiebung seines in einem beweglichen Halteelement befestigten schaltbaren Anschlußendes ein dynamisches Biegemoment, und, damit er nicht sofort beschädigt wird, darf der für den verwendeten Lichtleitertyp minimal zulässige Biegeradius nicht unterschritten werden. Das führt besonders bei großen Durchmessern der Lichtleiter zu einem großen Platzbedarf, d. h. zu großen Abmessungen der Vorrichtung.
• - Wegen der großen Abmessungen des Schalters ist der durch den Antrieb entstehende Positionierungsfehler des schaltbaren Lichtleiterendes groß, was zu einem großen optischen Verlust führt und die Reproduzierbarkeit der Signalübertragung senkt.

Es ist ein Drehschalter für Lichtwellenleiter bekannt (DE 34 39 905 A1), in dem ein drehbares Teil ein totalreflektierendes Dachkant-Prisma enthält, dessen Dachkante einen zum Kreis der ausgehenden Lichtwellenleiter konzentrischen Drehkreis des halben Radius tangiert. Die Eingangsfaser ist dabei in der Drehachse, und die Koppelenden der Ausgangsfasern sind auf einem Kreis mit Zentrum in der Drehachse angeordnet. Der Nachteil des beschriebenen Drehschalters ist dadurch verursacht, daß der aus der Eingangsfaser austretende Lichtstrahl wesentliche Strahldivergenz besitzt. Dieser Strahl wird von dem Prisma zusätzlich aufgeweitet und kann deswegen nur mit einer geringen Effizienz in die Ausgangsfasern eingekoppelt werden.

Es ist weiterhin ein Drehschalter bekannt (DE 38 00 510 A1), in dem ein U-förmig gebogener Lichtleiterabschnitt in einem beweglichen Schaltorgan angebracht ist. Der U- förmig gebogene Lichtleiterabschnitt bildet bei einer Dreh- oder Axialbewegung des Schaltorgans ein Überbrückungsstück zur Verbindung zwischen zwei bestimmten Fasern miteinander. Es ist aber aufgrund der Anordnung und Funktionsweise unmöglich, einen oder mehrere optische Eingänge mit jedem beliebigen von mehreren optischen Ausgängen wahlweise zu verbinden.

Es ist auch ein Schalter für Lichtwellenleiter bekannt (DE 31 27 574 A1), in dem zwischen dem ankommenden und den weitergehenden Lichtwellenleitern ein bewegbarer Träger angebracht ist, in dem die Lichtwellenleiterstücke mit unterschiedlichem Verlauf angeordnet sind. Der Träger enthält mehrere Lichtwellenleiterstücke entsprechend der Anzahl der Ausgangsfasern. Jede Verbindung zwischen der eingehenden und den ausgehenden Glasfasern entsteht durch ein gesondertes Lichtwellenleiterstück. Das bedeutet einen erheblicher Bauaufwand und unterschiedliche Übertragungseffizienz für verschiedene Ausgänge. Es ist mit dem beschriebenen Drehschalter nicht möglich, eine Eingangsfaser über eine Übermittlungsfaser mit jeder beliebigen von mehreren Ausgangsfasern zu verbinden.

Es ist auch ein aus einem Rotor und einem Stator bestehender opto-mechanischer Drehschalter bekannt (DE 34 20 154 A1), in dem eine koaxial am Stator befestigte Eingangsfaser nacheinander mit mehreren radial am Stator befestigten Ausgangsfasern verbunden wird. Der Rotor weist eine Glasfaser auf, bei der ein Ende koaxial und das andere Ende radial zur Rotordrehachse angeordnet ist. Durch diese technische Lösung wird eine mechanische Entlastung der Glasfaser erreicht. Die Nachteile des beschriebenen Drehschalters sind durch die kreisförmige Anordnung der Faserenden verursacht, wie oben beschrieben: bei der Positionierung entstehender Kippwinkel zwischen den optischen Achsen und großer Abstand zwischen den Stirnflächen der zu koppelnden Glasfasern.

Wegen dieser Nachteile können das oben beschriebene Verfahren und die entsprechenden Vorrichtungen (Stand der Technik) keine optimale Effizienz und Reproduzierbarkeit der Lichtleistungsübertragung gewährleisten, was für optische Messungen zu analytischen Zwecken sehr wichtig ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren und die entsprechende Vorrichtung zum optischen Schalten von übertragenen Lichtsignalen zu bieten, welche bei kleinen Abmessungen eine hohe Reproduzierbarkeit und Effizienz der Lichtsignalübertragung, insbesondere reproduzierbare Lichtintensitätsübertragung, hohe Umschaltgeschwindigkeit und kleine optische Verluste gewährleisten und bei denen die Lichtleiter nicht deformiert werden.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 gelöst. Vorteilhafte Varianten und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 5 bis 16 ausgeführt.

Durch diese technische Lösung können die Lichtsignale von einer oder mehreren Lichtquellen sequentiell oder wahlweise in mehrere Lichtempfänger schnell gekoppelt werden. Dabei werden sowohl eine Krümmung als auch die Torsionsbelastung der Lichtleiter völlig vermieden.

Als Übermittlungskanal wird ein Lichtwellenleiter, zum Beispiel eine Glasfaser verwendet. Wichtig ist, daß der eingehende Lichtstrahl bzw. die optische Achse des eingehenden Lichtleiters auf der Drehachse des Übermittlungskanals fluchtend mit dem Einkoppelende des Übermittlungskanals liegt. Dadurch kann das Licht in jeder Drehposition des Drehteils unter gleichen Bedingungen in den Übermittlungskanal eingekoppelt werden. Durch die Einstellung des Neigungswinkels des Auskoppelendes des Übermittlungslichtleiters im Drehteil kann der übertragene Lichtstrahl am Auskoppelende des Übermittlungskanals in beliebige Richtung entsprechend der Anordnung der optischen Ausgänge gerichtet werden.

Der Übermittlungslichtleiter muß gemäß den Patentansprüchen so in einem Drehteil integriert werden, daß in sein Einkoppelende in jeder Drehposition der eingehende Lichtstrahl unter gleichen Bedingungen eingekoppelt wird, während sein Auskoppelende bei der Drehung des Drehteils jedem optischen Ausgang fluchtend gegenübergestellt werden kann.

Das ermöglicht verschiedene Ausführungsformen des Drehteils und dementsprechend der Halteelemente zur Fixierung der eingehenden bzw. ausgehenden Lichtleiter für jede konkrete Anwendung. Das Drehteil 5 kann zum Beispiel als ein zylindrisches (Fig. 1, Fig. 4) oder kegelförmiges Teil, oder als eine dünne Scheibe mit dem eingebauten Übermittlungskanal ausgeführt werden. Als Übermittlungskanal kann dabei z. B. eine Glasfaser benutzt werden.

Laut der Erfindung können nicht nur die direkt von einer Lichtquelle, zum Beispiel von einem Laser, ausgehenden Lichtsignale direkt auf verschiedene Lichtempfänger, wie zum Beispiel offene spektrometrische Meßkanäle, nacheinander gerichtet werden, sondern auch die eingehenden und die ausgehenden Lichtleiter, über die übertragene Lichtsignale geleitet werden, sequentiell miteinander gekoppelt werden.

Für konkrete Anwendungen können für die bessere Kopplung des Lichts bei Übergängen zwischen verschiedenen Lichtkanälen vor dem Einkoppelende und nach dem Auskoppelende des Übermittlungskanals die entsprechenden Linsen angeordnet werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende technische Lösung hat folgende Vorteile:

• - Möglichkeit zum schnellen Schalten einer großen Zahl optischer Ein- und Ausgänge bei kleinen Abmessungen der Vorrichtung.
• - Die Lichtwellenleiter werden völlig torsions- und biegeentlastet. Sowohl die eingehenden, als auch die ausgehenden Lichtleiter werden nicht bewegt und nicht deformiert, d. h. sie werden weder gebogen, noch gedreht, noch verdreht. Auf die Lichtleiter wirken keine dynamischen, insbesondere keine Biege- oder Torsionsmomente.
• - Die Schaltvorgänge führen zu keinerlei mechanischer Belastung der geschalteten Lichtleiter, weil sie in ihrer Ruhelage bleiben. Der Übermittlungskanal, z. B. ein Übermittlungslichtleiter, wird nur als Ganzes gedreht, deshalb bleibt die Lage von je zwei Punkten des Übermittlungslichtleiters zueinander bei Schaltvorgängen unverändert. Das bedeutet, daß die Schaltvorgänge auch auf den Übermittlungslichtleiter in keiner Weise Kräfte bzw. Momente ausüben.
• - Es wurde ein neuer Freiheitsgrad eingeführt, während die herkömmlichen Verfahren und darauf basierenden Vorrichtungen auf eine zweidimensionale Betrachtung reduziert werden konnten. Durch diese technische Lösung können die Lichtleiter bei einem viel kompakteren Aufbau der ganzen Vorrichtung mechanisch entlastet werden.
• - Aufgrund der oben beschriebenen Konstruktion konnte eine wesentliche Reduktion des Platzbedarfes erreicht werden. Beispielsweise beträgt für die Ausführung nach Fig. 4 für die verwendeten Glasfasern mit einem Durchmesser von 550 µm mit dem minimal zulässigen Biegeradius von 94 mm der Radius des Kreises, auf dem das Auskoppelende des Übermittlungslichtleiters gedreht wird, nur 6 mm. Deshalb reicht ein Durchmesser von 20 mm des Drehteils 5 und dementsprechend auch derjenige der festen Teile 1 und 2 zur Fixierung der eingehenden bzw. ausgehenden Lichtleiter bei zwölf oder mehreren ausgehenden Lichtleitern aus.
• - Hohe Umschaltgeschwindigkeit aufgrund kleiner Abmessungen, und die Möglichkeit einer ganzen Umdrehung des antreibenden Motors.
• - Hohe Positionierungsgenauigkeit des Drehteils und dadurch bessere Reproduzierbarkeit der Lichtleistungsübertragung. Der bei möglicher ungenauer Positionierung der Achse des antreibendes Motors entstehende Achsenversatz der zu koppelnden Lichtleiter ist prinzipiell geringer als beim oben beschriebenenen Stand der Technik, weil der Durchmesser des Kreises, auf dem das Auskoppelende des im Drehteil integrierten Übermittlungskanals gedreht wird, kleiner ist. Deswegen verursacht der gleiche Winkelfehler des antreibenden Motors einen kleineren Linearfehler der Positionierung des Auskoppelendes des Übermittlungskanals. Das heißt, daß der möglicherweise entstehende Achsenversatz der zu koppelnden Lichtleiter und der entsprechende Verlust der Lichtleistung wesentlich geringer sind. Das reduziert den Übertragungsfehler und steigert die Reproduzierbarkeit der Signalübertragung.
• - Kleinere optische Verluste und bessere Übertragungseffizienz des Lichtsignals.

In den Drehschaltern (Fig. 1, Fig. 4, Fig. 6) bleibt das Auskoppelende des im Drehteil befestigten Übermittlungslichtleiter bei der Drehung des Drehteils immer parallel zu den Einkoppelenden der im festen Teil fixierten ausgehenden Lichtleiter. Deswegen können die miteinander zu koppelnden Lichtleiter sehr nah beieinander positioniert werden. Das reduziert die optischen Verluste und steigert die Übertragungseffizienz des optischen Schalters.

• - Da für die Ausführung entsprechend Fig. 1, Fig. 4, Fig. 6 die Enden aller Kontaktlichtleiter in einer Ebene, parallel zum Ende der Übermittlungsfaser, fixiert sind, kann auch bei einem möglichen Positionierungsfehler des Drehteils kein Kippwinkel und deshalb auch keine entsprechenden Verluste der Lichtleistung entstehen.
• - Die beiden festen Teile 1 und 2 können als Eingangs- bzw. Ausgangsstecker des Schalters benutzt werden, das heißt, daß sie gleichzeitig die optische Kopplung und die Torsionsentlastung der eingehenden und der ausgehenden Lichtleiter verwirklichen, während bei den oben beschriebenen technischen Lösungen (Stand der Technik) praktisch noch mindestens ein zusätzlicher Stecker, z. B. für einen eingehenden Lichtleiter, notwendig ist, was zusätzliche optische Verluste verursacht. Dies verringert im Vergleich zum Stand der Technik die entstehenden optischen Verluste und steigert die Übertragungseffizienz.

Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.

Fig. 1 zeigt perspektivisch schematisiert ein Ausführungsbeispiel eines Drehschalters mit zylinderförmigen festen Teilen 1 und 2 zur Fixierung des eingehenden (3) und der ausgehenden (4) Lichtleiter und mit einem zylindrischen Drehteil 5.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen die Vorrichtungen laut des oben beschriebenen Stands der Technik.

Fig. 4 zeigt eine Frontansicht der Vorrichtung nach Fig. 1 im Zusammenbau, mit einem Ausführungsbeispiel des zylindrischen Drehteils.

Fig. 5 zeigt eine Aufbaumöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 4 mit einem kugelförmigen in zwei Ebenen gelagerten Drehteil, wodurch das übertragene Lichtsignal von mehreren optischen Eingängen sequentiell an mehrere optische Ausgänge gekoppelt werden kann.

Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung entsprechend Fig. 1 und 4, modifiziert für die Anwendung für mehrere (n) eingehende und mehrere (m) ausgehende Lichtleiter.

Fig. 7 zeigt einen Drehschalter für mehrere (n) eingehende und mehrere (m) ausgehende Lichtleiter mit der dünnen Scheibe als Drehteil.

Fig. 8 zeigt ein Beispiel der Anwendung des Verfahrens und der Verwendung der Vorrichtung für spektroskopische Messungen im Multiplex-Betrieb am Beispiel der Überwachung einer Kläranlage mit faseroptisch geführten photoakustischen Sensoren.

Der Drehschalter nach Fig. 1 und Fig. 4 weist zwei entlang einer gemeinsame zentralen der Mittelachse angeordnete feste Teile 1 und 2 zur Fixierung der eingehenden (3) bzw. der ausgehenden Lichtleiter (4), sowie ein zwischen den beiden festen Teilen angeordnetes und um die zentrale Mittelachse drehbares Drehteil 5 auf, in dem ein Übermittlungslichtleiter 6 integriert ist. Der eingehende Lichtleiter 3 ist im ersten festen Teil 1 entlang der gemeinsamen zentralen Mittelachse befestigt. Die ausgehenden Lichtleiter 4 sind im zweiten festen Teil 2 so befestigt, daß ihre Einkoppelenden auf einem Kreis mit Zentrum auf der Mittelachse angeordnet sind. Der Übermittlungslichtleiter 6 ist im Drehteil 5 integriert, so daß er gemeinsam mit dem Drehteil um die zentrale Mittelachse gedreht werden kann. Der Übermittlungslichtleiter, zum Beispiel eine optische Faser, ist im Drehteil 5, beispielsweise in einer Rille oder in einem eingefrästen Schlitz (Fig. 4), verlegt und befestigt, so daß sein Einkoppelende mit dem Auskoppelende des im ersten festen Teil 1 befestigten eingehenden Lichtleiters 3 ihm gegenüber fluchtend auf der gemeinsamen zentralen Mittelachse liegt und auch bei der Drehung zusammen mit dem ganzen Übermittlungslichtleiter an derselben Stelle, d. h. fluchtend mit dem Auskoppelende des eingehenden Lichtleiters, bleibt. Eine solche Anordnung bildet eine spezielle Verbindungsstelle zwischen dem eingehenden Lichtleiter und dem Übermittlungslichtleiter. Diese Verbindungsstelle ermöglicht die Einkopplung des zu übertragenden Lichtsignals in den Übermittlungslichtleiter in jeder Drehposition des Drehteils unter gleichen Bedingungen bei völliger mechanischer Entlastung der Lichtleiter. Das Auskoppelende des Übermittlungslichtleiters muß dabei so im Drehteil angeordnet werden, daß es bei der Drehung des Drehteils dem Einkoppelende jedes optischen Ausgangs bzw. jedes ausgehenden Lichtwellenleiters fluchtend gegenübergestellt werden kann. Die optischen Ausgänge bzw. die Einkoppelenden der ausgehenden Lichtleiter sind dementsprechend auf einem senkrecht zur zentralen Mittelachse liegenden Kreis mit dem Zentrum an dieser Achse angeordnet.

Die optische Kopplung des zu übertragenden Lichtsignals in den ausgewählten optischen Ausgang oder die Kopplung des eingehenden Lichtleiters mit dem ausgewählten ausgehenden Lichtleiter erfolgt über den im Drehteil integrierten Übermittlungskanal durch ein Gegenüberstellen des Auskoppelendes des Übermittlungskanals mit dem ausgewählten optischen Ausgang bzw. dem Einkoppelende des entprechenden ausgehenden Lichtleiters mittels der Drehung des Drehteils.

Dabei wird der Übermittlungslichtleiter in den Schaltvorgängen nicht dynamisch deformiert, das heißt, auf ihn wirken keine dynamischen Biege- oder Torsionsmomente, da er nur als Ganzes um die zentrale Mittelachse gedreht wird und die Lage je zweier Punkte des Übermittlungslichtleiters zueinander in Schaltvorgängen unverändert bleibt.

Die geometrische Größe und der Typ des verwendeten Übermittlungslichtleiters sowie die Abmessungen des Drehteils und der ganzen Vorrichtung hängen von dem verwendeten Typ der zu koppelnden Lichtleiter ab. Zum Beispiel, darf, falls als Lichtleiter optische Fasern verwendet werden, bei Verlegung und Befestigung der Übermittlungsfaser der minimal zulässige Biegeradius nicht unterschritten werden. Für die beste Kopplung des Lichtes kann als Übermittlungsfaser eine optische Faser gleichen Typs wie die eingehende und ausgehende Faser, insbesondere vom gleichen Durchmesser, genommen werden.

Das erste feste Teil (Fig. 1, Fig. 4) kann z. B. als Zylinder mit einer axial durchgehenden Bohrung ausgeführt werden, in der das Auskoppelende des eingehenden Lichtleiters befestigt ist. Das zweite feste Teil 2 kann ebenfalls als zylindrisches Teil ausgeführt werden und enthält die auf einem konzentrischen Kreis angeordneten durchgehenden Bohrungen, in denen die ausgehenden Lichtleiter befestigt sind, wobei die Anzahl der Bohrungen der Anzahl der ausgehenden Lichtleiter entspricht. Beide feste Teile 1 und 2 dienen gleichzeitig für die Torsionsentlastung der eingehenden und ausgehenden Lichtleiter und als Eingangs- bzw. Ausgangsstecker des optischen Schalters. Das zwischen den beiden festen Teilen 1 und 2 angeordnete Drehteil 5 kann auch als Zylinder mit einer Rille oder einem eingefrästen Schlitz entsprechender Form (Fig. 4), in dem die Übermittlungsfaser befestigt ist, hergestellt werden.

Das Drehteil kann von einem Schrittmotor, z. B. mit einem Schritt 1,8°, angetrieben werden. Der Motor kann vorteilsweise auch auf der zentralen Mittelachse angeordnet werden, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, so daß das Drehteil auf die Motorwelle aufgesetzt ist. Zu diesem Zweck kann im zweiten festen Teil eine axiale durchgehende Bohrung vorgesehen werden.

Für die bessere Positionierung des Drehteils und Vermeidung der dabei entstehenden optischen Verluste infolge möglicher Ungenauigkeit des Schrittmotors kann das Drehteil 5 (Fig. 1, Fig. 4) und dementsprechend das zweite feste Teil 2 für Fixierung der ausgehenden Lichtleiter mit einer Einrastkonstruktion versehen werden. Eine solche Konstruktion kann, zum Beispiel eine gefederte Kugel enthalten, die im Drehteil 5 in einer zur Mittelachse parallelen Bohrung untergebracht ist. Dazu müssen auf der Stirnfläche des zweiten festen Teils 2 sphärische Vertiefungen an entsprechenden Stellen vorgesehen sein, so daß auch bei möglicher Positionierungsungenauigkeit (z. B. beim Winkelfehler) des Schrittmotors die vorspringende Kugel des Drehteils in die entsprechende Vertiefung des festen Teils 2 einrastet. Dadurch werden auch bei möglicher ungenauer Positionierung der Motorachse die Anschlußenden der zu koppelnden Lichtleiter genau fluchtend einander gegenüber positioniert und der Achsenversatz und damit einhergehende optische Verluste vermieden.

Wie es in der Zusammenbauzeichnung (Fig. 4) gezeigt ist, können die festen Teile 1 und 2 zur Fixierung der eingehenden bzw. ausgehenden Lichtleiter jeweils in einem Stützaufbau 7 und 8 befestigt werden. Das Drehteil 5 muß in einem anderen Stützaufbau 9 mit Kugellagern 13 und 14 um die zentrale Mittelachse drehbar gelagert werden. Zur Justierung der Vorrichtung kann der Stützaufbau 8 des festen Teils 2 zur Fixierung der ausgehenden Lichtleiter durch die zwei Führungsschienen 10 entlang der zentralen Mittelachse verschiebbar sein. In den Stützaufbauten 8 und 9 des festen Teils 2 bzw. des Drehteils 5 kann dabei eine parallel zur zentralen Mittelachse angeordnete mikrometrische Stellschraube 11 vorgesehen werden, bei deren Drehung der Abstand zwischen dem Stützaufbau 9 des Drehteils 5 und dem verschiebbaren Stützaufbau 8 des festen Teils 2 eingestellt werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist umkehrbar. Das heißt, daß das Licht in beide Richtungen übertragen werden kann. Die Bezeichnungen "eingehende" und "ausgehende Lichtleiter" wurden nur für die Erläuterungen der Funktionsweise des Verfahrens und der Vorrichtung benutzt.

Bei der Weiterbildung der Konstruktion durch den Einsatz zweier, symmetrisch zueinander angeordneter Drehteile, in denen jeweils ein Übermittlungslichtleiter integriert ist, (Fig. 6) und durch die Ausführung des ersten festen Teils 1 gleichartig mit dem zweiten festen Teil 2 kann die Vorrichtung auch für die Lichtsignalübertragung von mehreren (n) eingehenden zu mehreren (m) ausgehenden Lichtleitern verwendet werden.

Die Einrichtung kann auch so weitergebildet werden, daß sie bei mehreren optischen Ein- und Ausgängen nur einen in einem Drehteil integrierten Übermittlungskanal enthält (Fig. 5). Damit das Lichtsignal von einem der mehreren optischen Eingänge sequentiell an mehrere optische Ausgänge gekoppelt werden kann, muß der in einem Drehteil integrierte Übermittlungskanal entsprechend der Anordnung der zu koppelnden optischen Ein- und Ausgänge in verschiedenen Ebenen gedreht werden. Zum Beispiel enthält die in Fig. 5 vorgestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalters zwei in zueinander senkrechten Ebenen angeordnete Gruppen von optischen Ein- und Ausgängen und einen im Drehteil integrierten Übermittlungskanal. Als Übermittlungskanal kann zum Beispiel ein Lichtwellenleiter benutzt werden. Der Übermittlungslichtleiter (Fig. 5) ist im Drehteil entsprechend der Anordnung der optischen Ein- und Ausgänge verlegt und befestigt. Das Drehteil ist kugelförmig ausgeführt und muß so gelagert werden, daß es in zwei oder mehreren Ebenen entsprechend der Anordnung der optischen Ein- und Ausgänge von einem oder zwei Motoren mit entsprechenden Antrieben gedreht werden kann.

Das Drehteil 5 kann über einen elektronisch angesteuerten Schrittmotor angetrieben werden. Für die beste Positionierung kann die Vorrichtung mit einem Winkelkodierer versehen werden.

Für die bessere Positionierungsgenauigkeit des Übermittlungskanals kann in der Vorrichtung eine Positionierungssteuerung des Drehteils und eine Regelungsschaltung mit einem geschlossenen Regelkreis, z. B. mit einer Lichtschranke, vorgesehen werden.

Das vorgeschlagene Verfahren und der entsprechende Drehschalter können für optische, z. B. spektroskopische Messungen im Multiplex-Betrieb angewandt werden, beispielsweise zur photoakustischen Laserspektroskopie für die Überwachung eines Bioreaktors einer Kläranlage mit faseroptisch geführten photoakustischen Sensoren (Fig. 8).

Claims (16)

1. Verfahren zum optischen Schalten, bei dem mindestens zwei eingehende Lichtwellenleiter nacheinander beliebig mit mindestens zwei ausgehenden Lichtwellenleitern verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Licht von einem der mehreren eingehenden Lichtwellenleitern zu einem der mehreren ausgehenden Lichtwellenleiter über zwei unabhängig voneinander um die gemeinsame Drehachse drehbare Übermittlungslichtwellenleiter übertragen wird, die jeweils in einem Drehteil integriert sind, wobei
• - das Auskoppelende des ersten Übermittlungslichtwellenleiters und das Einkoppelende des zweiten Übermittlungslichtwellenleiters fluchtend einander gegenüber in der gemeinsamen Drehachse angeordnet sind,
• - die Enden der ein- und ausgehenden Lichtwellenleiter in zueinander senkrechten, parallelen oder unter einem bestimmten Winkel geneigten Ebenen angeordnet sind,
• - zur Kopplung des Lichtes von einem der eingehenden Lichtwellenleiter der erste Übermittlungslichtwellenleiter als Ganzes um die gemeinsame Drehachse gedreht wird, so daß sein Einkoppelende dem Auskoppelende des ausgewählten eingehenden Lichtwellenleiters fluchtend gegenübergestellt wird,
• - die Kopplung des Lichts zwischen den beiden Übermittlungslichtwellenleitern über eine spezielle in der gemeinsamen Drehachse angeordnete Verbindungsstelle erfolgt, in der das Auskoppelende des ersten Übermittlungslichtwellenleiters und das Einkoppelende des zweiten Übermittlungslichtwellenleiters fluchtend einander gegenüber liegen und unabhängig voneinander um die gemeinsame Drehachse gedreht werden können,
• - zur Kopplung des Lichtes in einen der ausgehenden Lichtwellenleiter der zweite Übermittlungslichtwellenleiter als Ganzes um die gemeinsame Drehachse gedreht wird, so daß sein Auskoppelende dem Einkoppelende des entsprechenden ausgehenden Lichtwellenleiters fluchtend gegenübergestellt wird.

2. Verfahren zum optischen Schalten (Fig. 5), bei dem das Licht von mehreren eingehenden Lichtwellenleitern nacheinander beliebig an mehrere ausgehende Lichtwellenleiter gekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Enden der eingehenden und ausgehenden Lichtwellenleiter in zueinander senkrechten oder unter einem bestimmten Winkel geneigten Ebenen angeordnet sind,
• - das Licht von einem der mehreren eingehenden Lichtwellenleiter zu einem der mehreren ausgehenden Lichtwellenleiter über einen um zwei oder mehrere verschiedene Achsen in verschiedenen Ebenen entsprechend der Anordnung der zu koppelnden optischen Ein- und Ausgänge drehbaren Übermittlungslichtwellenleiter übertragen wird, der in einem Drehteil integriert ist,
• - zur Verbindung eines der eingehenden mit einem der ausgehenden Lichtwellenleiter der Übermittlungslichtwellenleiter als Ganzes um die erste Drehachse gedreht wird, so daß sein Auskoppelende dem Einkoppelende des entsprechenden ausgehenden Lichtwellenleiters fluchtend gegenübergestellt wird, während sein Einkoppelende in der ersten Drehachse fluchtend mit dem eingehenden Lichtstrahl liegt,
• - zur Verbindung eines der ausgehenden mit einem der eingehenden Lichtwellenleiter der Übermittlungslichtwellenleiter als Ganzes um die entsprechende andere Drehachse gedreht wird, so daß sein Einkoppelende dem Koppelende des ausgewählten eingehenden Lichtwellenleiters fluchtend gegenübergestellt wird, während sein Auskoppelende in dieser zweiten Drehachse liegt.

3. Drehschalter für Lichtwellenleiter (Fig. 6, Fig. 7), bei dem mehrere eingehende mit mehreren ausgehenden Lichtwellenleitern nacheinander verbunden werden können und die Enden der ausgehenden Lichtwellenleiter in einem Kreis in einem festen Teil angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• - er noch mindestens ein festes Teil aufweist, in dem die eingehenden Lichtwellenleiter fixiert sind,
• - die Enden der eingehenden Lichtwellenleiter in einem Kreis mit dem Zentrum in der Drehachse angeordnet sind,
• - die Enden der eingehenden und der ausgehenden Lichtwellenleiter in verschiedenen Ebenen angeordnet sind,
• - zur Verbindung der zu koppelnden Lichtwellenleiter zwischen den beiden festen Teilen zwei unabhängig voneinander um die gemeinsame Drehachse drehbare Drehteile angeordnet sind, in denen jeweils ein Übermittlungslichtwellenleiter integriert ist, wobei
• - das Auskoppelende des ersten Übermittlungslichtwellenleiters und das Einkoppelende des zweiten Übermittlungslichtwellenleiters fluchtend einander gegenüber in der gemeinsamen Drehachse angeordnet sind,
• - das Einkoppelende des ersten Übermittlungslichtwellenleiters im ersten Drehteil so angeordnet ist, daß es mit jedem der eingehenden Lichwellenleiterenden in jeweiliger Drehposition fluchtet, und
• - das Auskoppelende des zweiten Übermittlungslichtwellenleiters im zweiten Drehteil so angeordnet ist, daß es mit jedem der ausgehenden Lichwellenleiter in jeweiliger Drehposition fluchtet.

4. Drehschalter für Lichtwellenleiter (Fig. 5), bei dem mehrere eingehende mit mehreren ausgehenden Lichtwellenleitern nacheinander verbunden werden können, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Drehteil als eine spezielle Konstruktion ausgebildet und so gelagert ist, daß es in mehreren verschiedenen Ebenen, um verschiedene Drehachsen gedreht werden kann,
• - im Drehteil ein Übermittlungslichtwellenleiter integriert und so angeordnet ist, daß seine Ein- und Auskoppelenden in entsprechenden Drehachsen positioniert werden können,
• - die Enden der eingehenden und ausgehenden Lichtwellenleiter in ihren Halterungen jeweils in einem Kreis radial, senkrecht zur entsprechenden Drehachse angeordnet sind.

5. Drehschalter für Lichtwellenleiter (Fig. 5) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß das Drehteil eine kugelförmige Geometrie besitzt (Fig. 5) und so gelagert ist, daß es um zwei zueinander senkrechte Drehachsen gedreht werden kann,

• - die Enden der eingehenden und der ausgehenden Lichtwellenleiter in zwei zueinander senkrechten Ebenen angeordnet sind.

6. Drehschalter (Fig. 6, Fig. 7) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehteil als ein zylindrisches Teil mit einer Möglichkeit zur Befestigung des Übermittlungslichtwellenleiters ausgebildet ist, so daß das Einkoppelende des Übermittlungslichtwellenleiters in der Drehachse an einer der Stirnflächen und sein Auskoppelende an der gegenüberliegenden Stirnfläche in einem gewissen Abstand zur Drehachse parallel zu ihr angeordnet ist.

7. Drehschalter (Fig. 6, Fig. 7) nach einem der Ansprüche 3 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß das feste Teil für die eingehenden oder die ausgehenden Lichtwellenleiter als ein zylindrisches Teil ausgeführt ist, in dem auf einem Kreis mit dem Zentrum in der Mittelachse die achsenparallelen, durchgehenden Bohrungen zur Fixierung der Lichtwellenleiter angeordnet sind, wobei der Radius des Kreises dem Abstand zwischen der Drehachse und der optischen Achse des entsprechenden Koppelendes des im jeweiligen Drehteil integrierten Übermittlungslichtwellenleiters gleich ist.

8. Drehschalter nach Anspruch 3 (Fig. 7) dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Drehteile als ein zylindrisches Teil ausgebildet ist, in dem ein Übermittlungslichtleiter so integriert ist, daß eines seiner Enden in der Drehachse an einer der Stirnflächen und sein anderes Ende radial, senkrecht zur Drehachse angeordnet ist.

9. Drehschalter nach einem der Ansprüche 3 und 8 (Fig. 7) dadurch gekennzeichnet, daß die festen Teile für die Fixierung der ein- oder ausgehenden Lichtwellenleiter als ein zylindrisches Teil mit mehreren radialen durchgehenden Bohrungen zur Fixierung der Lichtwellenleiter und einer axialer Bohrung ausgeführt ist, derer Durchmesser dem Durchmesser des jeweiligen Drehteils nach Anspruch 8 entspricht.

10. Drehschalter nach einem der Ansprüche 3 und 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß

• - die festen Teile zur Fixierung der eingehenden und ausgehenden Lichtwellenleiter jeweils in einem Stützaufbau befestigt sind,
• - die Drehteile jeweils in einem anderen Stützaufbau gelagert sind,
• - zur Justierung der Vorrichtung die Stützaufbauten der festen Teile zur Fixierung der eingehenden und ausgehenden Lichtwellenleiter durch die zwei Führungsschienen entlang der Drehachse verschiebbar sind und
• - in den Stützaufbauten der festen Teile für ein- und ausgehende Lichtwellenleiter und in entsprechenden Drehteilen jeweils eine parallel zur Drehachse angeordnete mikrometrische Stellschraube vorhanden ist, bei deren Drehung der Abstand zwischen dem Stützaufbau des Drehteils und dem verschiebbaren Stützaufbau des entsprechenden festen Teils eingestellt werden kann.

11. Drehschalter (Fig. 6, 7) nach einem der Ansprüche 3 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Drehteile über einen oder zwei elektronisch angesteuerte Schrittmotore angetrieben sind.

12. Drehschalter nach einem der Ansprüche 3 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß für genauere Positionierung die Drehteile und die entsprechenden Halterungen zur Fixierung der ein- oder ausgehenden Lichtwellenleiter jeweils mit einer Einrastkonstruktion versehen sind.

13. Drehschalter nach einem der Ansprüche 3 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß für die bessere Positionierung dieser mit einem Winkelkodierer versehen ist.

14. Drehschalter nach einem der Ansprüche 3 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß in diesem eine Regelungsschaltung für die Positionierungssteuerung der Drehteile mit einem geschlossenen Regelkreis vorgesehen ist.

15. Verwendung des Verfahrens zum optischen Schalten gemäß den Ansprüchen 1 und 2 und des Drehschalters für Lichtwellenleiter gemäß den Ansprüchen 3 und 4 für optische Messungen im Schaltbetrieb.

16. Verwendung nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren und der Drehschalter zur photoakustischen Laserspektroskopie für die Überwachung von Biofilmreaktoren mit faseroptisch geführten photoakustischen Sensoren verwendet wird.