DE2737499A1 - Faseroptisches schaltungselement - Google Patents

Description

Anmelderin: Stuttgart,den 11.8.1977

Max-Planck-Gesellschaft zur P 77 81 Förderung der Wissenschaften e.V.

Bunsenstraße 10
34 Göttingen

Faseroptisches Schaltungselement

Die Erfindung betrifft ein faseroptisches Schaltungselement mit mindestens einer ersten,in einer definierten Lage angeordneten optischen Faser und mit einer zweiten,in einem Abstand von ihrem freien Ende eingespannten opti sehen Faser,deren freies Ende quer zur Längsachse der fest eingespannten Faser bewegbar und gezielt in eine Stellung bringbar ist,in der zwischen den beiden Fasern eine den Lichtdurchgang vermittelnde Kopplung existiert und aus dieser Ko pplungsstellung gezielt wieder ausrückbar ist.

Ein solches faseroptisches Schaltungselement ist aus ELEC- · TRONICS LETTERS,Juli 1976,Band 12,Nr.15,Seite 388 bekannt.

Das bekannte Schaltungselement ist als faseroptischer Umschalter mit einer beweglichen Eingangssignalfaser und zwei Ausgangssignalfasern ausgebildet,wobei durch geeignet ge steuerte Bewegung des freien Endes der Eingangssignalfaser das durch diese geleitete Licht wahlweise in die eine oder die andere Ausgangssignalfaser einkoppelbar ist.Die Ein gangssignalfaser ist am einen Ende eines Glasröhrchens mit. quadratischem Innenquerschnitt fest eingespannt und ver läuft dort koaxial zur Längsachse des Glasröhrchens.Die beiden Ausgangssignalfasern sind am anderen Ende des Glasröhr-

909808/057$

chens fest eingespannt und verlaufen dort etwas schräg zur Längsachse,sodaß ihre freien Endabschnitte mit einer gewissen Vorspannung in diametral einander gegenüberliegenden Ecken des quadratischen Durchgangskanals des Glasröhrchens gehalten sind und dort parallel zur Längsachse des Durchgangskanals verlaufen. Die freien Einkoppelstirnflächen der Ausgangssignalfasern liegen in ei ner gemeinsamen rechtwinklig zur Längsachse des Glasröhrchens verlaufenden Ebene und der axiale Abstand der Auskoppelstirnfläche der Eingangssignalfaser von dieser Ebene beträgt nur wenige Mikrometer.Die zwischen den jeweiligen Einspannstellen und ihren freien Stirnflächen gemessene Länge der optischen Fasern liegt im Bereich von einem Zentimeter.Etwa in der Mitte zwischen der Einspannstelle und ihrer Endstirnfläche ist die Eingangssignal faser von einer auf ihren Außenmantel aufgebrachten kurzen Nickelhülse umgeben. Durch Anlegen eines bezüglich

... ,,. . -inhomogenen

der Langsachse der Eingangssignalfaser transversal Mägnetfeldes,das etwa in der die Längsachsen der Ausgangs signalfasern enthaltenden Diagonalebene des Glasröhrchens angreift,kann das freie Ende der Eingangssignalfaser so weit ausgelenkt werden,daß es in eine mit der einen oder anderen Ausgangssignalfaser fluchten _ Stellung gelangt und das aus der Eingangssignalfaser austretende Licht in die jeweilige Ausgangssignalfaser einkoppeJbar ist.

909808/0576

-Λ-

Ein Nachteil dieses magnetisch gesteuerten faseroptischen Schaltungselements ist die Notwendigkeit,dem Steuermagneten seine Energie über elektrische Leitungen zuführen zu müssen.Damit entfällt ein wesentlicher potentieller Vorteil faseroptischer Übertragungselemente,nämlich ihre große Unempfindlichkeit gegen elektrische Einstreuungen aller Art, wie sie z.B.in der Nähe elektrisch angetriebener Maschinen oder bein Gewittern auftreten können.Um eine solche Unem -pfindlichkeit voll zu gewährleisten,wäre es wünschenswert, dem Schalter auch das Steuersignal optisch,also ohne elektrisch leitende Verbindungen,zuführen zu können.

Eine bekannte Möglichkeit zur Realisierung eines derartigen optisch gesteuerten Schalters besteht darin,daß man das Spannungs-Ausgangs-Signal eines mit Steuerlicht be -strahlbaren pyroelektrisehen Detektors,der das Steuerlicht absorbiert,als Steuersignal für einen elektrooptischen Modulator verwendet,der in Abhängigkeit von dem Spannungs-Ausgangs-Signal des pyroelektrischen Detektors die Schwingungsebene des als Signallicht verwendeten polarisierten Lichts dreht(Applied Physics Letters,Band 24,Nr,2,Januar 1974). Ein schwerwiegender Nachteil eines solchen Schalters ist es jedoch,daß er nur polarisiertes Licht schalten kann. Mit einem solchen Schalter läßt sich ferner zwar eine Unterbrechung oder Umschaltung eines Signallichtstromes auf zwei Ausgangskanäle erreichen,aber es ist mit einem sol -chen Schalter nicht maglieh,auf mehr als zwei Ausgangs -kanüle umzuschalten.Da der elektrooptische Modulator gegen elektrische Störfelder empfindlich ist,muß für eine hinreichende elektrische Abschirmung Sorge getragen wer -^en,die den Aufbau unter Umständen kompliziert und seinen Raumbedarf vergrößert.Es kommt hinzu,daß die Herstellungs-

909808/0571

technologie elektrooptischer Schalter aufwendig und teuer ist,und daß die Anordnung eines Schalters in einem durch optische Fasern bestimmten Lichtweg eine Vielzahl konstruktiver Probleme aufwirft,die solche Schalter für komplexe faseroptische Schaltungsanordnungen zumindest derzeit un -geeignet erscheinen lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher,ein faseroptisches Schaltungselement der eingangs genannten Art anzugeben,das auch unpolarisiertes Licht schalten kann,ohne magnetische oder elektrische Abschirmeinrichtungen zuverlässig arbeitet,einen kleinen Raumbedarf aufweist,mit verringertem Aufwand und damit billiger herstellbar ist und auch die Möglichkeit der optischen Ansteuerung beinhaltet. *

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,daß die beweglich ausgebildete optische Faser zwischen ihrem freien Ende und der Einspannstelle mit einer bezüglich der Längsachse der optischen Faser einseitig angeordneten,sich in Längsrichtung der Faser erstreckenden und fest an der Faser haftenden,aufheizbaren Ausdehnungsschicht versehen ist,die einen vom thermischen Ausdehnungskoefizienten der optischen Faser verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat,wobei es besonders vorteilhaft ist,wenn die Ausdehnungsschicht durch Absorption elektromagnetischer Strahlung auf heizbar ist und wenn die Ausdehnungsschicht mit einer das Absorptionsvermögen für die zur Aufheizung verwendete Strahlung erhöhenden Absorptionsschicht versehen ist,die ihrer seits auf die eigentliche Ausdehnungsschicht aufgebracht ist. Die Beheizung der Ausdehnungsschicht ist dann besonders einfach steuerbar,weitestgehend unanfällig gegen elektrische oder magnetische Störfelder und man kommt mit sehr geringen Leistungen der zur Steuerung verwendeten Strahlung aus.

909808/0576

2737A99

Wenn im folgenden von Steuerstrahlung oder Steuerlicht die Rede ist,so soll hierunter nicht nur sichtbares Licht ver standen werden sondern auch ultraviolette,inirarote und auch längerwellige elektromagnetische Strahlung bis hin zum Mikrowellenbereich,sofern nur eine hinreichende Aufheizung einer Ausdehnungsschicht damit möglich ist. Das erfindungsgemäße Schaltungselement arbeitet wie folgt:

Es sei angenommen,daß die die Ausdehnungsschicht aufweisende Eingangssignalfaser,solange die Ausdehnungsschicht nicht beleuchtet ist und ihre Temperatur somit gleich der Umge bungstemperatur ist,mit der Ausgangssignalfaser fluchtet,sodaß aus der Endstirnfläche der Eingangssignalfaser austretendes Licht in die Ausgangssignalfaser eingekoppelt wird.Wird nun die Ausdehnungsschicht bestrahlt,so erwärmt sie sich und natürlich auch der die Ausdehnungsschicht tragende Bereich der optischen Faser.Wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Ausdehnungsschicht und optischer Faser

biegt diese sich im Bereich der Ausdehnungsschicht in der Art eines Bimetallstreifens,und ihr freies Ende wird trans-.

versal zur Längsachse der Ausgangssignalfaser ausgelenkt, wobei sich das Faserende weg von dem Material mit dem hö heren Ausdehnungskoefizienten,gewöhnlich dem Absorber, be- wegt.Die von der beweglichen Eingangssignaliaser in die Ausgangssignalfaser übergekoppelte Leistung wird verringert, bis schließlich,wenn "das Faserende hinreichend weit aus - gelenkt l's't', praktisch" keine Lichtleistung mehr in die Aus- signälfaser übergekoppelt wird.Wenn das Steuerlicht wieder ausgeschaltet wird,kühlen sich die Ausdehnungsschicht und die sie tragende Eingangssignalfaser wieder ab und nach einer Zeit,dievon den thermischen und mechanischen Eigenschaft

bewegliche Faser ten tier¹ Eingangssignalfaser abhängt,kehrt die / wieder in ihre Ausgangslage zurück,in der die Eingangs-Lichtleistung wieder in die Ausgangssignalfaser übergekoppelt wird,Es versteht sich,daß das erfindungsgemäße Schaltungselement auch so ausgebildet sein kann',daß der Lichtweg durch die Eingangssignalfaser und die Ausgangssignalfaser dann unterbrochen ist,wenn die Ausdehnungsschicht nicht mit Steuerlicht bestrahlt ist und die Überkopplung der Lichtleistung

909808/0576

dann erfolgt,wenn die Absorptionsschicht mit Steuerlicht bestrahlt und die Eingangssignalfaser dadurch ausgelenkt ist.Mit dem erfindungsgemäßen faseroptischen Schaltungselement durchgeführte systematische Experimente haben ergeben,daß die über die Eingangssignalfaser und die Aus gangssignalfaser übertragene Lichtleistung viele Größenordnungen höher sein kann als die für die Erzielung des Schaltvorganges erforderliche Steuerlicht-Leistung.Das erfindungsgemäße Schaltungselement kann daher als Ver stärker oder optisches Relais benutzt werden. Darüber hinaus hat das erfindungsgemäße Schaltungselement aufgrund seines Aufbaus seiner Wirkungsweise zumindest die folgenden Vorteile:

Die Steuerung der Schaltfunktion mit Steuerlicht ist völlig unempfindlich gegen magnetische oder elektrische Störfelder am Ort des Schaltungselements.Magnetische oder elektrische Abschirmungen können daher entfallen.Es muß nur gewährleistet sein,daß das Steuerlicht nur die jeweils zugeordnete Absorptionsschicht des Schaltungselements be leuchtet,was aber sehr viel leichter zu bewerkstelligen ist als eine Abschirmung gegen elektrische oder magneti sehe Streufelder.Als Steuerlicht kann kohärentes oder nicht kohärentes Licht benutzt werden.Die Schaltfunktion wird auch unabhängig von der Qualität des mit dem Schaltungselement Übertragenen Signallichts erzielt,das polarisiert oder unpolarisiert,kohärent oder inkohärent und innerhalb des mit optischen Fasern übertragenen Spektralbereichs eine beliebige Wellenlänge haben kann.

909808/0576

27374W

Für den Fall,daß die in axialer Richtung gemessene Länge der Ausdehnungsschicht deutlich kleiner ist als die Länge L des seitlich auslenkbaren Abschnitts der Eingangssignal faser ist die Amplitude h der Auslenkung des freien Endes der Eingangssignalfaser in guter Näherung durch die fol gende Beziehung gegeben

2(o£_c -<<_F)lL/d_F

In dieser Formel bedeuten«^ undc/ die thermischen Ausdehnungskoef izienten der Ausdehnung sschicht und der Eingangssignalfaser ,d „ und dF die Dicke bzw.den Durchmes ser der Ausdehnung sschicht und der optischen Faser, E und Ep die Elastizitätmodulen der Ausdehnungsschicht bzw. der optischen Fasern,die Größe IT ist ein querschnittsabhängiger Geometriefaktor, der zwischen 0,15 für eine runde Faser und etwa 0,25 für eine flache Faser variiert und 0 ist die gegenüber der Umgebungstemperatur T_Q eintretende Temperaturerhöhung der Ausdehnungsschicht bei Bestrahlung mit Steuerlicht.

Die Auslenkungsamplitude h in Abhängigkeit von der absorbierten Steuerlichtleistung ist also im wesentlichen der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (c^„-cf ; proportional;die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Schaltungselements ist daher umso größer,je größer diese Differenz ist.Gleichzeitig muß gewährleistet sein,daß die Ausdehnungsschicht gut an der optischen Faser haftet. Besonders vorteilhaft ist es daher,wenn gemäß einer bevor - zugten Ausführungsform der Erfindung die Ausdehnungsschicht als eine metallische Aufdampf schicht mit einem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist.

besonders geeignete Materialien für die Aufdampfschicht, die gut an einer beispielsweise aus Quarz bestehenden,mit Glas,gegebenenfal Is auch mit Kunststoff,dessen Brechungsindex n_Mniedriger ist als der Brechungsindex η des Quarzkern ummantelten optischen Faser haften sind Al und Mn.

909808/0576

Um eine rasche Aufheizung der Ausdehnungsschicht bei kleiner Steuerlichtleistung zu erzielen,ist es auch günstig, wenn die Ausdehnungsschicht auf der dem einfallenden Steuerlicht zugewandten Seite geschwärzt ist,bzw.ihre zusatz liehe Absorptionsschicht auf der dem einfallenden Steu erlicht zugewandten Seite angeordnet ist.

Besonders vorteilhaft ist es,wenn die Ausdehnungsschicht möglichst in unmittelbarer Nähe der Einspannstelle der beweglichen Faser beginnt und sich etwa über 1/8 bis 1/4 der Länge L des freien Abschnitts der beweglichen Faser erstreckt, sodaß sich die Biegung im Bereich der Ausdehnung sschicht mit großer Übersetzung auf die Auslenkung der ausgangssei tigen Endstirnfläche der beweglichen Faser überträgt.

Für eine gute Empfindlichkeit des erfindungsgemäiJen Schaltungselements ist es auch günstig,wenn die Biegeeigenschaften der Ausdehnung sschicht und der Faser in dem Sinne ausgeglichen sind,daß der Ausdruck /"Ed /E d„ etwa gleich 1 ist,(2), sodaß der Nenner in Gleichung (1) nicht größer als 2 wird.

Dies ist bei Verwendung von Al als Ausdehnungsschicht etwa dann der Fall,wenn die Dicke d„ der Ausdehnungs schicht zwischen 1/6 und 1/4 des Durchmessers d der beweglichen optischen Faser beträgt.Die Ausdehnungsschicht darf also nicht zu dünn sein,wobei es ,wenn als Ausdehnungs schicht Aluminium auf einer Quarz- oder Glasfaser verwen det wird,im wesentlichen darauf ankommt,daß d„ ungefähr gleich d„ ist.

Dimensioniert man das erfindungsgemäße faseroptische Schaltungselement gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8,so erhält

909808/0576

man eine günstig hohe Temperaturempfindlichkeit der Faserbewegung von etwa ^«m/^oK,das heißt,es ist eine Temperaturerhöhung um nur etwa 20⁰K notwendigem die Faser um ihren Durchmesser auszulenken.Die hierfür erforderliche Steuerlichtleistung liegt in der Größenordnung von 1//W. In Anbetracht dieser geringen erforderlichen Steuerlichtleistungen ist es ohne weiteres möglich als Steuerlicht quelle eine in unmittelbarer Nähe der Ausdehnung sschicht angeordnete Leuchtdiode (LED) zu verwenden,sodaß der Steuerlichtstrom elektrisch bequem steuerbar ist.Zwar benötigt eine LED zwei Versorgungsspannungsleitungen,jedoch bleibt die elektrische Leitungsführung einfach und die Steuerung ist unempfindlich gegen elektromagnetische Störfelder.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist als Steuerlichtquelle eine entfernt angeordnete Lichtquelle vorgesehen,deren Licht über eine optische Faser zu der Ausdehnungsschicht gelangt.Diese Ausbildung des faseroptischen Schaltungselements hat insbesondere die folgenden wesentlichen Vorteile:die faseroptische Zuführung ist unempfindlich gegen elektromagnetische Störfelder.Führt man die Steuerlichtfaser bis in unmittelbare Njhe der Ausdehnungsschicht bzw.deren Absorptionsschicht und wählt man den Querschnitt der Steuerlichtfaser höchstens gleich der Breite der Ausdehnungsschicht,so läßt sich auf einfache Weise das Problem der Überstrahlung der Ausdehnungsschicht vermeiden und praktisch die gesamte Steuerlichtleistung verlustfrei auf die Ausdehnungsschicht übertragen.Auch in unmittelbarer Nähe des so gesteuerten Schaltungselements ein zweites analog aufgebautes Schaltungselement angeordnet istjla'ßt es sich gut vermeiden,daß die Ausdehnungsschicht des einen Schaltungselements das Steuerlicht für das andere Schaltungselement "sieht". Man kann

909808/0576

-tr auch den Querschnitt der Steuerlichtfaser entsprechend der bestrahlten Fläche der Ausdehnungsschicht wählen, daß die gesamte Ausdehnungsschicht gleichzeitig bestrahlt werden kann.Die auftreffende Steuerlichtleistung kann dann optimal über die gesamte angestrahlte Fläche der Ausdehnungsschicht verteilt werden.

Bei optischen Fasern,bei denen der Kern von einem Mantel mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist,der die Ausdehnungssschicht trägt,wird das Steuerlicht über eine im wesentlichen transversal zur Längsachse der optischen Faser verlaufende Steuersignalfaser zugeführt,die sepa rat von der Eingangssignalfaser eingespannt ist.

Sieht man jedoch gemäß einer Ausführungsform der Erfindung für die Zuführung des Steuerlichts eine mehrschichtige optische Faser mit einem vom Signallicht führenden Querschnittsbereich optisch isolierten Steuerlicht führenden Querschnittsbereich vor,wobei man die Ausdehnungsschicht auf den äußeren Steuerlicht führenden Bereich aufbringt,so kann das Steuerlicht durch diesen Querschnittsbereich geleitet werden.Man vermeidet so eine zusätzliche Steuerlichtfaser und erhält eine besonders kompakte Bauweise.Für eine solche Isolation ■ lassen sich auch die unterschiedlichen Lichtverteilungen von hohen und niedrigen Moden im Faserkern ausnutzen.Eine derartige Faser kann in geeigneter Weise auch in Planar technik mit der entsprechenden Anzahl übereinander angeordneter ebener Schichten ausgebildet sein.Eine verwandte Möglichkeit ist auch die Benutzung einer Doppelfaser,bestehend aus zwei parallel nebeneinander liegenden,mechanisch fest miteinander verbundenen,aber optisch voneinander isolierten Fasern als Eingangssignalfaser.Die eine der Fasern führt dann das Signal-Licht und ist in Bezug auf die Ausgangsfaser justiert,während die andere Faser der Doppelfaser der Ausdehnungsschicht das Signallicht zuführt.

909808/057$

Da die Stellung bzw.Auslenkung der beweglichen Faser auch von der Umgebungstemperatur abhängig ist,sind die beschriebenen Schaltungselemente empfindlich gegenüber Schwankungen der Umgebungstemperatur T^.Durch die Merkmale der Ansprüche 12 und 13 wird der Einfluß der Umgebungstemperatur mit einfachen Mitteln in erster Näherung ausgeschaltet und das Schaltungselement spricht nur noch auf Temperaturunterschiede zwischen den Ausdehnungsschichten der Eingangs - bzw.der Ausgangssignalfaser an.Es ver steht sich,daß bei solchen differentiell arbeitenden Schaltungselementen entweder die eine oder die andere oder auch beide Absorptionsschichten zur Steuerung ausgenutzt werden können.

Andererseits können die beschriebenen faseroptischen Schaltungselemente,wenn sie nicht mit einer, zwei ten, den Einfluß der Umgebungstemperatur kompensierenden Ausdehnungsscht versehen sind,zur Erfassung der Umgebungstemperatur benutzt werden.Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen,daß die durch die Änderung der Umgebungstemperatur bedingte Ab-oder Zunahme eines durch das Schaltungselement fließenden Lichtstromes gemessen wird,wobei man den Temperaturverlauf kon tinuierlich verfolgen kann.Selbstverständlich ist es auch möglich,ein solches Schaltungselement als Schwellenwert schalter zu betreiben,durch den beispielsweise ein Alarmsignal ausgelöst wird,wenn sich die Umgebungstemperatur über einen bestimmten Schwellenwert erhöht und dadurch der Lichtstrom unterbrochen wird.Es versteht sich,daß dem Fachmann noch zahlreiche weitere unmittelbar ersichtliche An Wendungsmöglichkeiten zur Verfugung stehen.

Mit dem erfindungsgemäßen Schalungselement lassen sich mit geringem konstruktivem Aufwand auf engstem Raum auch komplexere faseroptische Schaltungen realisieren,deren Funktion in einem durch ihre mechanischen Eigenschaften bedingtem Frequenzbereich derjenigen komplexer elektro nischer Schaltungen analog ist:

909808/0576

Durch die Merkmale der Ansprüche 14 und 15 ist eine Ausgestaltung der Erfindung angegeben,mit der ein Eingangssignalpfad auf mehrere Ausgangssignalpfade umschaltbar ist

Insbesondere dann, wenn im Bereich des Bewegungshubes der beweglichen Faser mehrere Ausgangssignalfasern angeordnet sind,ist es für die zuverlässige Funktion des Schaltungselements günstig,wenn gemäß dem Merkmal des Anspruchs 16 eine die Position der Ausgangssignalfaser bzw.Faser de finierende und gleichzeitig das freie Ende der bewegli chen Faser innerhalb ihres Auslenkhubes führende Anschlagvorrichtung vorgesehen ist,die gemäß dem Merkmal des An spruchs 7 in vorteilhafter Weise auch 5o ausgestaltet sein kann,daß sie zumindest in Endstellungen des Bewegungshubes der beweglichen Faser diese in möglichst gut fluchtender Anordnung mit ihrer dort zugeordneten Ausgangssignalfaser hält,sodaß in· diesen Endstellungen eine optimale Über kopplung des Signallichtes über den Koppelspalt möglich
ist.

Durch die Merkmale des Anspruchs 18 erreicht man mittels der in Längsrichtung gegeneinander versetzten und einander gegenüber angeordneten Ausdehnungsschichten,daß man
die Faser von zwei Seiten her unabhängig ansteuern kann. Eine solche Anordnung der Ausdehnungsschichten ist dann
besonders günstig,wenn die Eingangssignalfaser symmetrisch bezüglich zweier oder mehrerer Ausgangssignalfasern an gordnet ist,damit der Auslenkhub in jeweils einer Rieh tung nicht zu groß sein muß.Außerdem kann man durch Be strahlung der einen Ausdehnungsschicht eine durch Be strahlung der anderen Ausdehnungsschicht erzielte Durchbiegung wieder kompensieren.

909808/0576

Sind bei einem solchen Schaltungselement auch zusätzlich die Merkmale des Anspruchs 19 verwirklicht,so hat es die Eigenschaften eines astabilen Multivibrators,dessen Umschaltperiodendauer im wesentlichen durch die mechanischen und thermischen Eigenschaften der beweglichen Faser be stimmt ist.Hierbei erforderliche Abzweigkopplungen haben die Funktion,von dem die Ausgangsfasern durchsetzenden Signallicht einen Bruchteil abzuzweigen und in eine zu einer der Ausdehnungsschichten rückführenden optischen Faser einzukoppeln.Sie können mit Spiegeln,tei!durchlässigen Spiegeln,Strahlenteilern oder dgl.oder auch selbst als faseroptische Elemente realisiert sein.

Verläuft die Längsachse der beweglichen optischen Faser in einem Ausgangszustand zwischen den Achsen der fest ein gespannten Ausgangs-Signalfasern,wobei sich der Quer schnitt der beweglichen Faser mit den Querschnitten der Ausgangs-Signalfasern etwas überlappt,so wird die Kippschwingung aus dem Rauschen heraus angefacht,wobei zu nächst nicht definiert ist,welcher der beiden möglichen Signalpfade zunächst geöffnet wird.Durch die Merkmale des Anspruchs 20 ist jedoch auf einfache Weise die Möglich keit vorgesehen,einem in der genannten Weise als astabiler Multivibrator ausgebildeten faseroptischen Schaltungselement lichtgesteuert einen bestimmten Ausgangszustand aufzuprägen,sowie die Kippschwingung in einer definierten Endstellung der beweglichen Faser auszuschalten. Auch das faseroptische Schaltungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 21 hat die Eigenschaft eines astabilen Multivibrators mit definiertem Ausgangszustand,der besonders einfach aufgebaut ist,da nur eine Rückführungsfaser benötigt wird.

909808/0576

D)₁

Durch die Merkmale der Ansprüche 22 bzw.23 sind faserop tische Schaltungselemente mit den Eigenschaften bistabi ler Multivibratoren angegeben,die mittels über Steuerlichtfasern zu den Ausdehnungsschichten der Eingangssignalfaser bzw.-fasern geleiteter Steuerlichtimpulse ausreichender Leistung triggerbar sind.

Durch die Merkmale des Anspruchs 24 ist eine für die meisten der vorbeschriebenen Schaltungselemente mit mehr als einer Ausgangssignalfaser günstige Anordnung der Ausgangssignalfasern angegeben.

Wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Ausdehnungsschicht direkt auf einem Abschnitt
des Signallicht führenden Teils der beweglichen Faser
angeordnet ist,dann wird die Auslenkung der Faser durch das Signallicht selbst beeinflußt.Eine solche Anordnung kann als Sicherheitsschalter benutzt werden,der für den Fall,daß die Signallichtleistung zu groß ist,den Signallichtstrom unterbricht.Es versteht sich,daß dann ,wenn
die Ausdehnungsschicht mit Signallicht bestrahlt wird,
eine gegebenenfalls zusätzliche,das Absorptionsvermögen verbessernde Absorptionsschicht zweckmäßig zwischen dem Signallicht führenden Teil der Faser und der Ausdehnungsschicht angeordnet ist.

Die einseitig eingespannten beweglichen Fasern der verschie-

909808/0576

-ZS

denen faseroptischen Schaltungselemente haben durch ihre Materialeigenschaften und ihre geometrischen Abmessungen bestimmte Eigenfrequenzen,die im gesamten Tonfrequenzbereich liegen können.Diese Eigenfrequenzen können beispielsweise durch periodische Bestrahlung der Ausdehnung.sschicht(en) der beseglichen Faser angeregt werden.Da man die Resonanzeigenschaften der erfindungsgemäßen faseroptischen Schaltungselemente durch deren Dimensionierung in weiten Grenzen variieren kann,ist es möglich,schmalbandige,abgestimmte Filter im gesamten Tonfrequenzbereich zu realiesieren.

Durch die Merkmale des Anspruchs 26 is* ein faseroptisches Schaltungselement angegeben,das als sefbsterregter opti -scher Oszillator wirkt,wenn an seiner feststehenden Faser eine genügend hohe Lichtleistung eingekoppelt wird.

Bei einer Anordnung eines solchen Schaltungselements gemäß den Merkmalen des Anspruchs 27 kann die Resonanz-Bandbreite als Maß für den in der Umgebung des faseroptischen Schaltungselements herrschenden Druck genommen werden.Es lassen sich auf diese Weise einfache und sehr betriebssichere Druckmeßgeräte bauen,die an meßtechnisch schwer zugänglichen Stellen einer Vorrichtung untergebracht werden können.In der genannten Weise aufgebaute optische Resonatoren lassen sich ohne weiteres mit einer Güte Q von etwa 1000 herstellen.Da ihre Resonanzfrequenz von der Fasermasse abhängt,lassen sich durch Bestiimung der Resonanzfrequenz auch die Massen bzw. Schichtdicken auf der optischen Faser kondensierter Niederschläge oder aufgedampfter Schichten bestimmen. Bei der genannten Güte Q lassen sich somit Massenänderungen von nur

—4 10 der Fasermasse aus der resultierenden Frequenzänderung nachweisen,d.h.Massenänderungen in der Größenordnung von 10~ g oder Schichtdicken in der Größenordnung einiger Atomlagen auf der Faser.

909808/057$

Bei einer gemäß Anspruch 28 elektrisch beheizbaren Ausdehnungsschicht kann diese selbst als Heizwiderstand ausgenutzt sein.

Durch die Merkmale des Anspruchs 29 ist eine vorteilhafte meßtechnische Einsatzmöglichkeit eines faseroptischen Schaltungselementes angegeben.Hierbei kann das faseroptische Schaltungselement einerseits so mit einem anderen mechanischen Resonator verbunden sein,daß es mit dessen Frequenz mitschwingt oder auch selbst als Resonator mit von der zu messenden Größe abhängenden Resonanzfrequenz ausgebildet sein,wie es im Anspruch 30 angegeben ist.

Durch die Merkmale des Anspruchs 31 läßt sich auf einfache Weise eine Variation der effektiven Biegesteifigkeit der beweglichen optischen Faser au/ magnetischem Wege erzielen.Die Anordnung kann als Meßsonde für die magnetische Feldstärken-Komponente parallel zur Faser angesetzt werden.Durch Einbringen einer solchen Sonde in eine Spule kann die Stärke des in der Spule fließenden Stromes über die Änderung der Resonanzfrequenz der Faser gemessen werden.Wenn sich die Meßgröße in eine zusätzlich zur Biegesteifigkeit der Faser wirkende ortsabhängige Kraft transformieren läßt,sodaß die Resonanzfrequenz der Faser ein Maß für die angelegte Kraft wird, so hat man gleichsam eine digitale Meßmethode und ver meidet die bei analogen Meßmethoden auftretenden Stabilisierungsprobleme.

Durch die Merkmale des Anspruchs 32 ist angegeben,wie sich die Resonanzfrequenz eines faseroptischen Schaltungselements durch eine geeignet variierbare elektrische Spannung verändern läßt.

Abschnitte der elektrischen Leitungen zum Anlegen der Spannung können dann gemäß dem Merkmal des Anspruchs 33 auch als Ausdehnung sschicht ausgenutzt werden.

909808/057·

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbei spiele anhand der Zeichnung.Es zeigt:

Fig.l Ein erfinduigsgemäßes faseroptisches Schaltungselement mit einer durch Beleuchtung einer Ausdehnungsschicht auslenkbaren Eingangssignalfaser,

Fig.2 die Eingangssignalfaser im Schnitt längs der Linie II - II der Fig.l,

Fig.3au.b: der Fig.2 entsprechende Schnittdarstellungen

weitere^,mit einer Ausdehnungsschicht versehe ner optischer Fasern,

Fig.4 ein als Umschaltrelais benutzbares faseroptisches Schaltungselement mit einer Führungsvorrichtung für die bewegliche optische Faser,

Fig.5 die Führungsvorrichtung gemäß Fig.4,teilweise im Schnitt längs der Linie V-V der Fig.4,

Fig.6 eine Anordnung zur Kompensation von Einflüssen der Umgebungstemperatur auf den Lichtdurchgang durch die optischen Fasern,

Fig.7 Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Schaltungs- + elementes mit den Eigenschaften eines astabilen fa Fig.8 seroptischen Multivibrators,

Fig.9 Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schaltungs-

+ elementes mit den Eigenschaften eines bistabilen Fig.10 Multivibrators.

Fig.11 Sin faseroptisches Schaltungselement mit den Eigenschaften eines selbst erregten Oszillators,

909808/057«

273749S

Fig.12 das Schaltungselement gemäß Fig.10 mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Biegesteifigkeit der beweglichen optischen Faser mittels einer elektrischen Gleichspannung.uwä-

In den Figg.l - 12 sind gleiche oder funktionsgleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

909808/0576

Ein in der Fig.l dargestelltes faseroptisches Schaltungselement 1 umfaßt eine kohärentes oder inkohärentes Licht leitende optische Eingangssignalfaser 2 und eine Ausgangssignalfaser 3,deren freie Endstirnflächen 4 bzw.6 durch einen Koppelspalt 7 in Längsrichtung der beiden optischen Fasern 2 und 3 voneinander abgesetzt sind.Die Eingangs signalfaser 2 ist im Abstand L von ihrer freien Endstirnfläche 4 fest in einer Wand 8 eines in seinen Einzelhei ten nicht dargestellten Gehäuses eingespannt.Sie kann beispielsweise in eine Bohrung der Wand 8 eingekittet sein. Auch die Ausgangssignalfaser 3 ist fest in eine Wand 9 dieses Gehäuses eingespannt.Die Eingangssignalfaser 2 und die Ausgangssignalfaser 3 haben in üblicher Weise jeweils einen Kern 11 mit relativ hohem Brechungsindex n, und einen den Kern 11 konzentrisch umschließenden Mantel 12 mit einem niedrigeren Brechungsindex η .Die Eingangssignalfaser 2 und die Ausgangssignalfaser 3 haben denselben kreisrunden Querschnitt mit dem Außendurchmesser d„.Typische Wert· dee Durchmessers d,. sind 10-150^a m.Der Abstand L der freien Stirnfläche 4 der Eingangssignalfaser 2 von ihrer Einspannstelle in der Wand 8 beträgt etwa 0,2-2cm.Die Spaltweite g zwischen den Endstirnflächen 4 und 6 der beiden op_T tischen Fasern 2 und 3 liegt in praktischen Fällen in der Größenordnung des Faserdurchmessersd,,, jedoch ist es insbesondere bei relativ großen Faserdicken zweckmäßig,die Spaltweite g kleiner zu wählen,um einen Lichtverlust im Bereich des Koppelspaltes 7 so weit wie möglich zu unterdrücken.

909808/0576

In unmittelbarer Nähe der Wand 8,in der die Eingangsignalfaser 2 eingespannt ist,ist auf den den Quarz-oder Glaskern umschließenden Mantel 12 einseitig eine vor zugsweise durch Absorption elektromagnetischer Strahlung aufheizbare Ausdehnungsschicht 13 aufgebracht,die sich über eine Länge 1 erstreckt,die etwa 1/10 bis 1/4 der Länge L des freien Abschnittes der Eingangssignalfaser beträgt.Die Ausdehnungsschicht 13 ist als eine fest am Fasermantel 12 haftende Aufdampfschicht ausgebildet und besteht aus einem Material,beispielsweise einem Metall, das einen möglichst hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat.Besonders günstig sind Al und Mn,es sind aber nahezu alle anderen Metalle sowie verschiedene Gläser und Keramiken als Material für die Ausdehnungsschicht geeignet.Wichtig ist nur,daß sich gut an der optischen Faser haftende Ausdehnungsschichten mit hinreichend hohem bzw.vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Faser verschiedenem thermischem Ausdehnungskoeffizienten und gutem Absorptionsvermögen erzielem lassen.

909808/057$

Bei dem in der Fig.l dargestellten Schaltungselement 1 ist die Ausdehnungsschicht an der Unerseite der Eingangssignalfaser 2 angeordnet und umschließt,wie aus Fig.2 und in Verbindung mit einer etwas anders aufgebauten opti sehen Faser mit rundem Querschnitt aus Fig.3a ersichtlich ist,mit sichelförmigem Querschnitt,den unteren,nahezu 180° umfassenden Mantelbereich der Eingangssignalfaser 2.Der Bereich mit der größten Dicke d-, der Ausdehnungsschicht liegt somit genau unterhalb der Längsachse 14 der Ein gangssignalfaser 2.Wird die Ausdehnungsschicht 13 von unten her mit Steuerlicht ausreichend hoher Leistung be leuchtet,so wird sie durch Absorption des Steuerlichts über die Umgebungstemperatur T aufgeheizt,wobei sie sich im Bereich der Ausdehnungsschicht 13 in der Art eines Bimetallstreifens durchbiegt.Um die Steuerlichtleistung zur Aufheizung der Ausdehnungsschicht 13 möglichst quantitativ ausnutzen zu können,ist auf die Ausdehnungsschicht zusätzlich eine dünne Absorptionsschicht 15 aufgebracht, die für das verwendete Steuerlicht ein besonders hohes Absorptionsvermögen besitzt.Diese Absorptionsschicht 15 ist jeweils an derjenigen Seite der Ausdehnungsschicht angeordnet,auf die das Steuerlicht auf trifft.Bei der in der Fig.2 dargestellten optischen Faser ist dies die Aussenseite,während es bei der in Fig.3a dargestellten optischen Faser die der Steuerlicht führenden Mantelschicht38 zugewandte Innenseite der Ausdehnungsschicht 13 ist.Der Ausdruck Ausdehnungsschicht soll im folgenden stets auch die Möglichkeit mit beinhalten,daß eine zusätzliche Absorptionsschicht vorgesehen ist.

Solange die Ausdehnungsschicht 13 nicht mit Steuerlicht bestrahlt ist und die Umgebungstemperatur T

909808/0576

innerhalb)/ bestimmter Grenzen liegt,fluchten die Längsachsen 14 und 16 der Eingangssignalfaser 2 bzw.der Ausgangs signalfaser 3 und an der freien Endstirnfläche 4 der Eingangssignalfaser 2 austretendes Signallicht wird über den Kop pelspalt 7 mit dem geringst möglichen Verlust an der End Stirnfläche 6 in die Ausgangssignalfaser 3 übergekoppelt. Wird nun die Ausdehnungsschicht 13 mit Steuerlicht bestrahlt, so wird,wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient der Ausdehnung sschicht größer ist als derjenige der Eingangssignalfaser 2.deren freier Endabschnitt 17 in Richtung des Pfeils 18 nach oben ausgdekt,wobei die genaue Ausrichtung der Eingangssignalfaser 2 und der Ausgangssignalfaser 3 gestört und die im Bereich des Kuppelspaltes 7 übergekoppelte Lichtleistung entsprechend verringert wird.Wird das Steuerlicht ausgeschaltet,so kühlt die Eingangssignalfa ser 2 wieder ab und kehrt nach einer Zeit,die von den thermischen und mechanischen Eigenschaften der Eingangssignalfaser 2 abhängt,wieder in ihre Ausgangslage zurück,in der der Signallichtstrom wieder vollkommen übergekoppelt wird. Während die Über die Eingangssignalfaser 2 und die Ausgangs signalfaser 3 übertragbare Lichtleistung bei mindestens 10 - 100 mW liegt,betrügt die Steuerlichtleistung,die bei dem Schaltungselement 1 gemäß Fig.l erforderlich 1st,um das freie Ende 7 der Eingangssignalfaser 2 um eine Hubhöhe h auszulenken,die mindestens gleich dem Durchmesser d„ der Ausgangssignalfaser 3 ist,sodaß der Signallichtstrom durch das Schaltungselement 1 vollkommen unterbrochen ist, nur etwa 1 - 100 W.Man hat also die Möglichkeit,mit Steuerlicht sehr geringer Leistung einen Lichtstrom zu steuern, dessen Leistung mehrere Größenordnungen höher ist.Im Be - trieb kann man also bei genügend langsam veränderlichem Steuerlicht eine proportionale Licht-Verstärkung um mehre-

909808/0576

- 2Ö -

re Größenordnungen erreichen.Das Schaltungselement 1 kann daher in faser-optischen Regelsystemen ähnliche Aufgaben erfüllen wie Transistoren in elektrischen Regelkreisen.

In Anbetracht der geringen erforderlichen Steuerlichtleistung ist als Steuerlichtquelle,wie schematisch in* Fig. 1 dargestellt,eine Lumineszensdiode 19 verwendbar,die in unmittelbarer Nähe der Ausdehnungsschicht 13 angeordnet ist. Die Lichtemission einer solchen Diode 19 ist von einem entfernten Ort aus durch Variation ihrer Betriebsspannung bequem steuerbar,was in Fig.l durch einen Schalter 21,über den die Diode 19 an eine VersorgungsspannungsquelIe 22 angeschlossen ist,symbolisch dargestellt ist.

Im Unterschied zu dem Achaltungselement 1 gemäß Fig.l wird bei dem Schaltungselement 24 gemäß Fig.4 das Steuerlicht über eine Steuerlichtfaser 23 zu der Ausdehnungsschicht geleitet.Über die Steuerlichtfaser 23 lassen sich größere Steuerlichtleistungen übertragen und auch größere Auslen kungshUbe des freien Endes 7 der Eingangssignalfaser 2 erreichen.Die Steuersignalfaser 23 hat einen an die Fläche der Ausdehnungsschicht 13 angepaßten flach-rechteckförmigen Querschnitt und ist so angeordnet,daß nahezu die ge samte Fläche der Ausdehnungsschicht gleichzeitig bestrahlbar ist,ohne daß die Ausdehnungsschicht überstrahlt wird. Die Anordnung ist so getroffen,daß die Eingangssignalfa ser 2,wenn ihre Ausdehnungsschicht 13 bestrahlt ist,die Tendenz hat,sich in der durch den Pfeil 26 der Fig.5 markierten vertikalen Ebene zu verbiegen.Innerhalb des maximalen Auslenkhubes h der Eingangssignalfaser 2 sind drei parallel zueinander verlaufende Ausgangssignalfasern 27, 2Θ und 29 vorgesehen,wobei der vertikale Abstand jeweils benachbarter Längsachsen 31,32 bzw.33 nur wenig größer ist

909808/0576

- .34 -

als der Durchmesser d_p der bei diesem Schaltungselement verwendeten optischen Fasern.Solange die Ausdehnungsschicht der Eingangssignalfaser 2 nicht bestrahlt ist,fluchtet ihre Längsachse exakt mit der Längsachse 31 der untersten Aus gangssignalfaser 37.Die Längsachsen 37,32 und 33 liegen in einer gemeinsamen,in der Fig.5 gestrichelt eingezeichneten Ebene 34.Ein Pfeil 26,dessen Richtung mit dieser Ebene einen spitzen Winkel von wenigen Winkelgraden einschließt markiert die Richtung der Kraft,die die bewegliche Fa ser 2 bei sich erwärmender Ausdehnungsschicht 13 auslenkt. Ein plattenförmiges Anschlagteil 37,das den Koppelspalt 7 zwischen der Eingangssignalfaser 2 und den Ausgangssignalfasern 27,28 und 29 überquert definiert· durch eine Führungsfläche 36 die Auslenkbahn der beweglichen Faser 2 und ist auch mit oberen und unteren Endanschlägen 35 versehen,die Endstellungen optimaler Kopplung zwischen der Eingangssignalfaser und mindestens den randständigen Ausgangssignalfasern 27 und 29 definieren.Mit dem Schaltungselement gemäß Fig.4 läßt sich eine Umschaltung des Signallichtes auf drei Ausgangaeignalpfade steuern.Je nachdem,wie groß der maxi - male Auslenkhub h der Eingangssignalfaser 2 ist,können gegebenenfalls auch noch mehr Ausgangssignalfasern und ent sprechend mehr Signalpfade vorgesehen sein.

Bei den anhand der Figg.1,2,4 und 5 beschriebenen faseroptischen Schaltungselementen sind das Signal- und das Steuer-Licht optische völlig voneinander getrennt.Wenn jedoch die Eingangssignalfaser den im Querschnitt in der Fig.3a dargestellten Aufbau hat,mit einer die den Kern 11 umschließen-

909808/0576

- 22 -

den Mantelschicht 12 mit niedrigem Brechungsindex konzentrisch umschließenden äußeren Mantelschicht 38,die wieder einen höheren Brechungsindex hat,und an ihrer Außenseite einseitig mit der Ausdehnung sschicht 13 versehen ist,dann kann das Steuerlicht auch koaxial zur Längsachse 14 der Eingangssignalfaser 2 zugeführt werden.Der Aufbau eines mit einer solchen Eingangssignalfaser versehenen Schal tungselements wird erheblich einfacher,da sich die für die Halterung einer in transversaler Richtung herangeführten optischen Faser erforderlichen Vorrichtungen vermeiden lassen.Die optische Faser mit dem Aufbau gemäß Fig.3a i_st insbesondere für einen im folgenden noch zu beschreibenden faseroptischen Oszillator geeignet.

Eine Alternative zur koaxialen Anordnung gemäß Fig.3a ist der in der Fig.3b dargestellte schichtförmige Aufbau einer optischen Faser.Hier entspricht die rechteckige Faser 11 dem Kern 11 der runden Fasern 2.Die Schicht mit diedrigerem Brechungsindex entspricht dem Mantel;sie isoliert optisch die Signallicht führende Faser 11 von dem das Steuerlicht führenden Querschnittsbereich 38,der wieder einen höheren Brechungsindex besitzt.Das Licht absorbierende Material 13 mit höherem thermischem Ausdehnungskoeffizienten spielt dieselbe Rolle wie bei der Ausführung mit runder Faser.Der Vorteil der rechteckigen Anordnung gemäß Fig.3b besteht darin,daß sie sich durch Methoden der MikrofabrikationiLithographiejÄtztechnikenHn planarer Bauweise sehr wirtschaftlich herstellen läßt.

909808/0576

Da bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen die Durchbiegung der mit der /Ausdehnung sschicht 13 versehenen optischen Faser 2 stets auch von der Umgebungstemperatur T., abhängig ist,sind diese Anordnungen empfindlich gegen Schwankungen der Umgebungstemperatur.Sie sollten daher bei möglichst konstanter Umgebungstemperatur betrieben werden.Der störende Einfluß schwankender Umgebungstemperaturen J aßt sich aber sowohl bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen als
auch bei den meisten der im folgenden noch zu beschreibenden Ausführungsbeispielen durch eine anhand der Fig.6 er läuterte Maßnahme weitestgehend vermeiden:bildet man den
faseroptischen Teil des Schaltungselements gemäß Fig.l symmetrisch zur Mittelebene des Koppelspaltes 7 aus,sodaß die
bei unbestrahlter Ausdehnungsschicht 13 der Eingangssignalfaser 2 miteinander fluchtenden einseitig eingespannten Abschnitte der Eingangssignalfaser 2 und der Ausgangssignal - faser 3 die gleiche Länge L haben und versieht man auch die Ausgangssignalfaser 3 mit einer Ausdehnungsschicht 39,die

909808/0576

- »23 -

auf derselben Seite angeordnet ist wie die Ausdehnungsschicht 13 der Eingangssignalfaser 2,wobei auch die beiden Ausdehnungsschichten 13 und 39 symmetrisch zur Mittelebene 41 des Koppelspaltes 7 angeordnet und ausgebildet sind,so werden die Eingangssignalfaser 2 und die Ausgangssignalfaser 3 bei Änderungen der Umgebungstempera tür T_n um dieselbe Strecke und in derselben Richtung ausgelenkt, sodaß ihre freien Endstirnflächen 4 bzw.6 einan der gegenüberliegend angeordnet bleiben,sofqrn nicht die eine oder die andere Ausdehnungsschicht 13 bzw.39 mit Steuerlicht bestrahlt wird.Das Schaltungjelement gemäß Fig. 6 kann als ein differentiell arbeitendes Relais benutzt werden, das entweder durch Bestrahlung dir einen oder der anderen Ausdehnungsschicht 13 bzw.39 steuerbar ist.Selbstverständlich ist es dann auch gleichgültig,welche der beiden optischen Fasern 2 oder 3 als Eingangs-bzw.Ausgangs signalfaser ausgenutzt wird.

Das in Fig.7 dargestellte faseroptische Schaltungselement ähnelt in seinem Aufbau dem in Fig.4 dargestellten faseroptischen Umschaltrelais,wobei jedoch nur die beiden un teren Ausgangssignalfasern 27 und 28 vorhanden sind.Die untere Ausgangssignalfaser 27,deren Längsachse 16 mit uar Längsachse 14 fluchtet,solange die Ausdehnungsschicht der Eingangssignalfaser 2 nicht beleuchtet ist,ist mit einer Abzweigkopplung 42 versehen,von der eine optische Rückführungsfaser 43 ausgeht die in der aus der Fig.7 ersichtlichen Weise·zur Ausdehnungsschicht 13 der Ein gangssignalfaser 2 zurückgeführt ist. Über die Abzweig-'-opplung 42 ist ein Bruchteil,größenordnungsmäßig 1-10% des von der Eingangssignalfaser 2 in die Ausgangssignalfaser übergekoppelten Signallichts in die Rückführungsfaser

909808/0576

zur Beleuchtung der Ausdehnungsschicht 13 auskoppelbar. Dieses faseroptische Schaltungselement arbeitet wie folgt: Befindet sich die Eingangssignalfaser 2 in ihrer in der Fig.7 dargestellten Ausgangsstellungen der ihre Ausdehnung sschicht 13 "kalt" ist,so wird das Signallicht in die untere Ausgangssignalfaser 27 übergekoppelt.Ein Teil des Signallichts gelangt über die Abzweigkopplung 42 und die Rückkopplungsfaser 43 zur Ausdehnungsschicht 13 der Eingangssignalfaser 2,deren freier Endabschnitt 17 nunmehr in Richtung auf die obere Ausgangssignalfaser 28 ausge lenkt wird.Ist die ausgekoppelte Lichtleistung zur Auf hei ung der Ausdehnungsschicht 13 groß genug,so wird eine Umschaltung des Signallichtstromes auf die zweite Ausgangssignalfaser 28 erreicht.Der Lichtstrom durch die untere Ausgangssignalfaser 27 ist dann unterbrochen,zurain dest aber sehr stark geschwächt und dementsprechend auch die Leistung des auf die Ausdehnung sschicht 13 noch auftreffenden Steuerlichts.Die Eingangssignalfaser 2 kühlt daher wieder ab und biegt sich zurück,bis die Leistung des nunmehr wieder größtenteils in die untere Ausgangssignalfaser 27 angekoppelten Signallichtstromes bzw.dessen gegengekoppelter Anteil wieder ausreicht,um die Ab Sorptionsschicht 13 wieder aufzuheizen,worauf sich das geschilderte Arbeitsspiel wiederholt.Man erkennt,daß dieses Schaltungselement die Eigenschaften eines astabilen Multivibrators hat,dessen Periodendauer im wesentlichen durch die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Eingangssignalfaser 2 bestimmt ist.

An den beiden Ausgangsfasern 27 und 28 kann gogenphasig moduliertes Licht abgenommen werden,beispieJsweise zur Steuerung anderer faseroptischer Elemente.

Auch das in Fig.8 dargestellte faseroptische Schaltungselement hat die Eigenschaften eines astabilen Multivibra- -tors.Die Eingangssignalfaser 2 ist hier so angeordnet ,daß

909808/0576

ihre Längsachse 14 im nicht ausgelenkten Zustand zwischen den Längsachsen 31 und 32 der beiden Ausgangssignalfasern und 28 und parallel zu diesen verläuft.Die beiden Ausgangs signalfasern 27 und 28 sind in dem Wandabschnitt 9 so nahe nebeneinander ei gespannt,daß sich ihre Querschnitte in Richtung ihrer Längsachsen 31 und 32 gesehen mit dem Querschnitt der Eingangssignalfaser 2 überlappen,wenn deren freier Endabschnittl7 nicht in Richtung auf die eine oder die andere Ausgangssignalfaser 31 bzw.32 ausgelenkt ist.Die Eingangssignalfaser 2 ist mit zwei Ausdehnungsschichten 13 und 44 versehen,die auf einander gegenüber liegenden Sei ten der Eingangssignalfaser 2 angeordnet sind,wobei die eine,untere Ausdehnungsschicht 13 auf der der Längsachse der unteren Ausgangssignalfaser 27 zugewandten Seite und die andere,obere Ausdehnungsschicht 44 auf der' Längsachse der oberen Ausgangssignalfaser 28 zugewandten Seite der Eingangssignalfaser 2 angeordnet ist.Die beiden Ausdehnungsschichten 13 und 44 haben dieselbe effektive Länge l.Die untere Ausdehnungsschicht 13 ist in unmittelbarer Nähe der Einspannstelle der Eingangssignalfaser 2 in dem Wandab schnitt 8 angeordnet,während die obere Ausdehnungsschicht so weit in Richtung auf das freie Ende 17 der Eingangssignalfaser versetzt ist,daß sich ihre Absorptionsflachen gerade nicht mehr überlappen.In der bereits in Verbindung mit Fig.7 beschriebenen Weise ist jede der beiden Ausgangssignalfasern 27 und 28 mit einer Abzweigkopplung 42 bzw.46 versehen,von der eine Rückführungsfaser 43 bzw.47 aus geht,in die jeweils ein Bruchteil des Signallichts einkoppelbar ist.Über die von der unteren Ausgangssignalfaser 27 ausgehende Rückführung sfaser 43 ist die der Längsachse 31 dieser Ausgangssignalfaser 27 zugekehrte untere Ausdehnungs schicht 13 beleuchtbar.Entsprechend ist die zweite Ausdeh -

909808/0576

nung sschicht 44 über die zweite Rückführungsfaser 47 beleuchtbar.Die Endstirnflächen 48 und 49 der beiden Gegenkopplungsfasern 43 und 47 sind in den in Längsrich tung der Eingangssignalfaser 2 gesehen benachbarten Bereichen der Absorptionsschichten 13 und 44 angeordnet,so daß bezüglich der Steuerlichtzuführung nahezu symmetri sehe Verhältnisse gegeben sind.Wenn als Steuerlichtfasern zur Beleuchtung der beiden Absorptionsschichten 13 und 44 nur die beiden Rückführungsfasern 43 und 47 vorgesehen sind,wird sich,wenn Signallicht in die Eingangssignal faser 2 eingespeist wird,eine Kippschwingung dieses Schaltungselementes aus dem Rauschen heraus anfachen.Wenn je doch gleichzeitig eine der beiden Ausdehnungsschichten 13 oder 44,wie es in der Fig.8 dargestellt ist,über ein»- zusätzliche Steuerlichtfaser 51 bzw.52 mit Steuerlicht bestrahlt werden,so ist es möglich,einen der beiden Signallichtpfade 2,27 bzw.2,28 durchlässig zu halten und die Kippschwingung zu vermeiden.

Das in der Fig.9 dargestellte faseroptische Schaltungselement unterscheidet sich in seinem Aufbau von demje - nigen nach der Fig.8 lediglich dadurch,daß die von den Abzweigkopplungen 42 und 46 ausgehenden optischen Fasern und 47 jeweils zur anderen Ausdehnungsschicht 44 bzw.13 geführt sind.Die Zweigfasern 43 und 47 wirken daher nicht

909808/0576

schwingungsanfachend sondern stabilisieren vielmehr die eine oder andere der beiden möglichen Positionen der beweglichen Faser und vermitteln dem faseroptischen Schaltungselement gemäß Fig.9 daher die Eigenschaften eines bistabilen faseroptischen Multivibrators,der mittels über die zusätzlichen Steuerfasern 51 und 52 zugeführter Steuerlichtimpulse geeigneter Dauer und Intensität trigger bar ist.

Auch das in der Fig.10 dargestellte faseroptische Schaltungselement hat die Eigenschaften eines bistabilen Multivibrators. Im Unterschied zu dem Schaltungselement ge maß Fig.9 sind jedoch zwei mit Ausdehnungsschichten 53 und 54 versehene Eingangssignalfasern vorgesehen,die im gleichen Abstand L von ihren freien EndTstirnf lachen 58 und 59 in einer Gehäusewand 8 fest eingespannt sind.Im nicht ausgelenkten Zustand verlaufen die Eingangssignalfasern 56 und 57 parallel zueinander und fluchten mit zueinander parallelen Ausgangssignalfasern 61 und 62, die in dem Gehäusewandteil 9 in einem Abstand voneinander fest eingespannt sind,der ein Mehrfaches des Faserdurchmessers dp beträgt.Die beiden Ausdehnungsschichten 53 und 54 sind an den einander gegenüber liegenden Außen - selten der Eingangssignalfasern 56 und 57 angeordnet, könnten aber auch an den einander zugewandten Innensei ten der Eingangssignalfasern angeordnet sein.Ebenso wie bei dem faseroptischen Schaltungselement gemäß Fig.9 ist jede der beiden Ausgangssignalfasern 61 und 62 mit einer Abzweigkopplung 63 bzw.64 versehen,von der aus eine op tische Faser 66 bzw.67 zur Ausdehnungsschicht 54 bzw.53 der jeweils der anderen Ausgangssignalfaser 62 bzw.61 zugeordneten Eingangssignalfaser 57 bzw.56 führt.Die Funk tion dieser optischen Fasern 66 und 67 ist derjenigen der Rückkopplungsfasern 43 und 47 des Schaltungselements ge -

909808/0576

- 38--

maß Fig.9 analog.Auch die Funktion der zusätzlichen Steuerlichtfasern 68 und 69 entspricht derjenigen der Steuerlichtfasern 51 und 52 gemäß Fig.9.Wenn die den beiden Eingangssignalfasern 56 und 57 zugeführten Signallichtströme identisch sind,was bei der im linken Teil der Fig.10 ge strichelt als Verzweigung angedeuteten Signallichteinspeisung,die auch mittels eines Strahlenteilers realisierbar wäre,der Fall wäre,dann entsprechen die Eigenschaften des Schaltungselementes gemäß Fig.10 weitestgehend denjenigen des Schaltungselementes gemäß Fig.9.Im Unterschied dazu hat man jedoch bei dem Schaltungselement gemäß Fig.10 die Möglichkeit über die beiden Signallichtpfade 57,62 und 65,61 Signallichtströme unterschiedlicher Qualität,d.h. unterschiedlicher Intensität und/oder Wellenlänge zu transportieren,was für spezielle Anwendungsfälle von Vorteil ist.

Bei den in den Figg«7-10 dargestellten Schaltungselementen werden optische Fasern mit einem Mantel mit einem im Ver - gleich zu dem Brechungsindex n., des Kerns niedrigeren Brechungalndex n_M benutzt.Abzweigkopplungen,die in Verbindung mit den faseroptischen Schaltungselementen gemäß den Figg.7 bis 10 verwendet werden können,sind dem Fachmann bekannt , und von H.H.Witte/optics Communications,1976,Bd.18,S.559 beschrieben.

Das in der Fig.11 dargestellte faseroptische Schaltungs element ist ähnlich aufgebaut wie das faseroptische Re lais gemäß Fig.1,jedoch an einen ganz anderen Gebrauchszweck angepaßt.Seine bewegliche Faser 71 ist auf einem Abschnitt der Länge L,der sich von der Endstirnfläche 72 bis in unmittelbare Nähe der Einspannstelle in der Wand 8 eines Gehäuses erstreckt,vom Mantel 73 mit dem niedrigeren Brechungsindex befreit,und seine Ausdehnungsschicht 74,die

909808/0576

wie auch bei dem faseroptischen Relais oder Verstärker gemäß Fig.l in unmittelbarer Nähe der Einspannstelle angeordnet ist,ist unmittelbar auf den frei liegenden Kern mit dem höheren Brechungsindex n„ aufgedampft.Sie hat die Länge l,die wiederum deutlich kleinersein^/als die Länge L des freien Kernabschnitts 76.Bei diesem Schaltungselement tritt eine Auslenkung der optischen Faser 71 in Richtung des Pfeils 77 dann ein,wenn die optische Faser71 Signal licht führt,das nunmehr von der Ausdehnungsschicht 74 absorbiert werden kann,da diese nicht mehr optisch gegenü ber dem Kern 76 isoliert ist.Im "kaiten"Zustand der Ausdehnung sschicht und demgemäß auch der optischen Faser fluchtet ihre Längsachse 78 mit der Längsachse 79 einer in einem gegenüberliegenden Wandabschnitt 9 kurz einge spannten optischen Faser 81,deren Anordnung derjenigen der Ausgangssignalfaser gemäß Fig.l entspricht.Es ver steht sich,daß auch hier die optische Faser 81 "lang" eingespannt und mit einer Kompensations-Ausdehnungsschicht versehen sein könnte,wie dies in Verbindung mit Fig.6 beschrieben worden ist.

Benutzt man die mit der Ausdehnungsschicht 74 versehene optische Faser 71 als Eingangssignalfaser und führt ihr periodisch Signallicht zu,so schwingt sie mit der Modulationsfrequenz des Signallichts,wenn diese hinreichend niedrig ist.Stimmt die Modulationsfrequenz des Signal lichts mit der mechanischen Eigenfrequenz der optischen Faser 71 überein,so erhält man eine Resonanzamplitude, die um den Gütefaktor Q des (mechanischen) Faser-Reso nators höher ist als bei Anregung weit außerhalb der Eigenfrequenz der optischen Faser 71. Bei einem Versuchs element gemäß Fig.11 betrug der Durchmesser des Faser -

909808/0576

Kerns d etwa 20 μ π»,die Länge des frei gelegten Kernabschnitts .76 war 3,5mm und die Dicke d_ einer sich über die gesamte Länge L des Faserkerns erstreckenden Ausdehnungsschicht,die aus Aluminium bestand ,war o, yim.Bei einer Steuerleistung von o,4 mW betrug die Resonanzfrequenz f der optischen Faser 71 828,5 Hz und die Bandbreite war 0,9 Hz.Bei 4 mW Steuerleistung lagen diese Werte bei 824,7 Hz und 1,6Hz.Diese Veränderungen erklären sich aus der höheren mittleren Temperatur der Faser bei der höheren Steuerleistung,weil dann der Elastizitätsmodul der Faser abnimmt und die Verluste zunehmen.Der Gütefaktor Q betrug demgemäß etwa 900,wenn sich das Schaltungselement im Va kuum befand.Bei 9OuVI Steuerleistung wurde eine Oszilla tionsamplitude von 104^m erreicht.Verwendet man dickere Aus.dehnungsschichten,

liegt der Steuerleistungsbedarf in der Größenordnung von nur licWfief inddb sich ein solchermaßen schwingendes Schaltungselement nicht im Vakuum,so ist die Resonatorgüte Q infolge der Reibungsverluste geringer und beträgt bei Atmosphärendruck nur noch etwa 60.Die Abhängigkeit der Resonatorgüte bzw.der Resonanzamplitude vom Luftdruck ist in Fig.13 dargestllt.Man erkennt anhand dieser Abhängigkeit,daß sich , das Schaltungselement gemäß Fig.11 als faseroptisches Druckmeßgerät einsetzen läßt. _N

Koppelt man Signallicht ausreichend hoher Leistung nicht über die bewegliche optische Faser 71 sondern über die andere optische Faser 81 ein,so wird das Schaltungselement gemäß Fig.11 zu einem selbst-erregten optischen Oszillator,wobei sich die Schwingung von selbst anfacht und die erreichbare Maximalamplitude durch die Höhe der zu geführten Lichtleistung und durch die Verstärkungs- und

909808/0576

HS

Verlusteigenschaften der Fasern bestimmt ist.Bei dem Schaltungselement mit den vorstehend angegebenen Dimensionen betrug die Schwellen-Leistung bei Zuführung des Lichtes durch die "feste'Optische Faser 81 0,4 mW.

Bei dem in Fig.12 dargestellten Schaltungselement,das in seinem Aufbau weitgehend dem Schaltungselement gemäß Fig.11 entspricht,sind die einander gegenüberstehenden Endabschntte 82 und 83 der beiden optischen Fasern 71 und 81 zusatz lieh je von einer zylindrischen Mantelelektrode 84 bzw.86 umgeben,an die eine Gleichspannung anlegbar ist.Die Man telelektroden 84 und 86 sind als dünne metallische Auf dampf schichten mit einer Schichtdicke von etwa 0,IyMm aus gebildet.Die Ausdehnungsschicht 87,die auf den frei gelegten Kern 76 der beweglichen optischen Faser 71 aufgedampft ist,hat eine erheblich größere Schichtdicke (etwa y*4 und besteht aus demselben leitenden Material,vorzugsweise Aluminium,wie die.Mantelelektrode 84.über einen dünnen leitenden Steg 88,der etwa dieselbe Materialstärke wie die Mantel elektrode hat,und auf derselben Seite wie die Ausdehnungs - schicht 87 auf den frei liegenden Kern 76 aufgedampft ist, ist die Ausdehnungsschicht 87 leitend mit der Mantelektrode,84 verbunden.Bis in den Außenbereich des durch die Wandabschnitte 8 und 9 dargestellten Gehäuses reichende Bereiche 91 und 92 der die Ausdehnungsschicht 87 der einen optischen Faser und die Mantelelektrode 86 der anderen optischen Faser 81 bildenden Aufdampfschichten dienen als Anschlußkontakte zum _ Anlegen einer elektrischen Gleichspannung(-V,+V).Beim Anlegen einer solchen Gleichspannung werden die Mantelelektroden 84 und 86 gegensinnig aufgeladen und ziehen sich infolge der parallel zu dem Pfeil E in Fig.12 gerichteten elektrischen Feldstärke an.Man erreicht dar durch eine Erhöhung der effektiven Steifigkeit der beweglichen optischen Faser,deren Resonanzfrequenz

909808/0576

damit durch Variation der Spannung variiert werden kann. Wird das faseroptische Schaltungselement im selbst-os zillierenden Betrieb benutzt,so ist umgekehrt die Modulationsfrequemz des Signallichtes am Ausgang der beweglichen Faser ein Maß für die an den Mantelelektroden und 86anliegende Spannung,die somit durch Messung der Resonanzfrequenz meßbar ist.Bei einer etwa der in Verbin dung mit Fig.11 angegebenen Dimensionierung des Schaltungselements und einem Abstand der Mantelelektroden 84 und von etwa 100#m beträgt die Erhöhung der Resonanzfrequenz pro 20 V anliegender Spannung etwa 1 Hz.Durch geeignete Dimensionierung der oszillierenden optischen Faser 71 lassen sich selbstverständlich erheblich höhere oder niedrigere Werte der Frequenzänderung pro Spannungseinheit erzie len.

Eine ähnliche Erhöhung der Resonanzfrequenz läßt sich auch durch magnetische Kräfte bewirken.Dazu werden die Beschichtungen 84 und 86 der Faserenden aus weichmagnetischem Material(z.B.Permalloy)hergestellt.Wirkt nun ein magnetisches Feld in der durch den Pfeil II dargestellten Richtung so besteht zwischen den magnetisierten Materialien 84 und 86 eine Anziehungskraft,die die effektive Biegesteifigkeit der beweglichen Faser 71 erhöht.Die resultierende Frequenzerhöhung ist ein Maß für die anliegende magnetische Feldstärke.

Es versteht sich,daß bei sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen deren Resonanzeigenschaften auch durch periodische Steuerlichtzufuhr über die Steuerlichtfasern ausgenutzt werden können.

909808/0576

Schließlich ist es auch noch möglich,die Erwärmung der Absorptionsschicht nicht durch Absorption von Strahlung zu bewirken,sondern unmittelbar durch elektrischen Stromdurchgang.Dazu kann die Absorptionsschicht aus zwei me tallischen Schichten mit einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht ausgebildet werden.Die Wirkungsweise und Anwendungsmöglichkeitön eines solchen Schaltungselements entsprechen weitgehend denen der Anordnung nach Fig.l. Es wird jedoch eine größere Empfindlichkeit erreicht, da die zugeführte elektrische Leistung v©ll zur Auf heizung der Ausdehnungsschicht und der Faser dient,während beispielsweise bei der 3enutzung der LED die Aufheizung um den Wirkungsgrad der LED und eventuelle Strahlungsverluste verringert ist.

Da Aluminium-Ausdehungsschichten^ie auf einer Faserlänge von 200 m aufgedampft sind,schon mit weniger als 0,5mWabsorbierter Lichtleistung im Vakuum zum Schmelzen gebracht werden können,und es bei einer Lichtleistung von 3mW selbst Quarzfasern zum Schmelzen zu bringen', können mit solchen Ausdehnungsschichten versehene Schaltungselemente auch als optische Schmelzsicherungen ausgenutzt werden,um empfindliches,dahinter geschaltetes optisches Gerät vor Überlastung zu schützen.

Insbesondere die unter Ausnutzung der Resonanzeigenschaften arbeitenden faseroptischen Schaltungselemente haben im Vergleich zu entsprechend wirkenden elektromechanischen Relais einen um mehrere Größenordnungen geringeren Raumbedarf und ein entsprechend geringeres Gewicht,was eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten eröffnet.

909808/0576

Claims (33)

1. P Ti

   -S-

   Patentansprüche

   faseroptisches Schaltungselement mit mindestens einer ersten in einer definierten Lage angeordneten opti sehen Faser und mit einer zwei ten,in einem Abstand von ihrem freien Ende eingespannten optischen Faser,deren freies Ende quer zur Längsachse der ersten optischen Faser bewegbar und gezielt in eine Stellung bringbar ist,in der zwischen den beiden Fasern eine den Lichtdurchtritt vermittelnde Kopplung existiert,und aus dieser Kopplungsstellung gezielt wieder ausrückbar ist, dadurch gekennzeichnet,daß die beweglich ausgebildete optische Faser (2) zwischen ihrem freien Ende (17) und der Einspannstelle (8) mit einer bezüglich der Längs achse (14) der optischen Faser (2) einseitig angeord neten,sich in Längsrichtung der Faser (2) erstreckenden und fest an der Faser haftenden, auf heizbaren Ausdehnuncjs-Schicht (13) versehen ist,die einen von thermischen Ausdehnungskoeffizienten der optischen Faser (2) verschie denen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat.
2. 2. Faseroptischens Schaltungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die Ausdehnungsschicht (13) durch Absorption elektromagnetischer .Strahlung aufheizbar ist.

   909808/0576

   ORIGINAL INbPtCTED
3. 3. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß die Ausdehnungsschicht(13) mit einer das Absorptionsvermögen des Elements erhöhenden Absorptionsschicht(15)versehen ist,die für die zur Aufheizung verwendete Strahlung ein hohes Absorptionsvermögen besitzt.
4. 4. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet,daß die AusdehnungsschichtC13)als eine metallische Aufdampfschicht mit einem im Vergleich zum Ausdehnungskoeffizienten der optischen Faser(2)erhebliche höheren ther mischen Ausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist.
5. 5. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,daß die Aufdampfschichte 13) aus Al oder Mn besteht.
6. 6. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

   dadurch gekennzeichnet,daß die Ausdehnunnsschicht(13) in unmittelbarer Nähe der Einspan stelle(8)beginnt und sich etwa über 1/8 bis 1/4 der Länge L des freien Abschnitts der beweglichen optischen Faser(2)er streckt.
7. 7.Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet,daß der Ausdruck wobei / einen von der Fasergeometrie abhängigen dimensionslosen Faktor zwischen 0,15(runde Faser)und etwa 0,25 (flache Faser)ist,E„ und E~ die Elastizitätsmoduln der

   909808/057 6

   optischen F'aser(2)und der Ausdehnungsschicht(13)und d_p und d„ der Durchmesser bzw.die größte Schichtdicke der optischen Fasert 2)bzw.der Ausdehnungsschicht(13) sind.
8. 8. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

   dadurch gekennzeichnet,daß die Länge L des beweglichen Abschnitts der zweiten optischen Faser(2)zwischen o,2cm und 2cm beträgt,daß ihr Durchmesser dazwischen IOwm und 200um liegt, und daß die in Längsrichtung der Faser (2) gemessene Länge 1 der Ausdehnungsschicht (13) zwischen 5OyUm und 2000um beträgt.
9. 9. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8,

   dadurch gekennzeichnet,daß als Steuerlichtquelle eine in unm ttelbarer Nähe der Ausdehnungsschicht(13)bzw. der· Absorptionsschicht angeordnete Lumineszenzdiode(19) vorgesehen ist.
10. 10. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8,

    dadurch gekennzeichnet,daß als Steuerlichtquelle eine entfernt angeordnete Lichtquelle vorgesehen ist,deren Licht über eine optische Faser(23)zu der Ausdehnungsschucht(13)bzw.der Absorptionsschicht gelangt.
11. 11. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8,

    dadurch gekennzeichnet,daß für die Zuführung des Steuer-

    909808/0576

    lichts eine mehrschichtige optische Faser(2)mit einem vom Signallicht führenden Querschnittsbereich optisch isolierten äußeren Steuerlicht-führenden Querschnittsbereich vorgesehen ist(Fig.3a,3b)
12. 12. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

    dadurch gekennzeichnet,daß auch die als Ausgangssignalfaser benutzte optische Faser (3) in einem solchen Abstand von ihrer freien Endstirnfläche (6) eingespannt ist und auf derselben Seite wie die bewegliche Eingangssignalfaser (2) mit einer Ausdehnungsschicht (39)verse hen ist,deren Abmessungen so gewählt sind,daß bei gleicher Temperatur der beiden Ausdehnungsschichten (13 und 39) die miteinander fluchtende Anordnung ihrer über den Koppelspalt (7) voneinander abgesetzten freien Endstirnflächen (4 und 6) oder ein definierter seitlicher Ab stand derselben gewährleistet istCFig.6).
13. 13. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,daß bei gleichem mechanischem Aufbau und Querschnitt von Eingangs-und Ausgangssignal- · faser (2 und 3) deren zwischen den Einspannstellen(8,9) und ihren freien End-Stirnfächen (4,6)gemessene Längen L gleich sind,und daß die Ausdehnungsschichten(13,39) bezüglich der transversalen Mittelebene des Koppelspalts(7) symmetrisch angeordnet und ausgebildet sind.
14. 14. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet,daß im Bereich des durch Aufheizung der Ausdehnungsschicht bedingten Bewegungshubes des freien Endes(17)der be-

    909808/0576

    weglichen optischen Faser(2)mindestens zwei ortsfest angeordnete Ausgangssignalfasern(27,28,29)angeordnet sind (Fig.4).
15. 15. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichet,daß die Längsachse(14)der beweglichen optischen Faser(2)im kalten Zustand ihrer Ausdehnungsschicht(13)mit der Längsachse(31)derjenigen Ausgangssignalfaser(27)fluchtet,die im Anfangs bereich des durch Aufheizung der Ausdehnungsschicht(13) verursachten Bewegungshubes der beweglichen optischen Faser(2)liegt (Fig.4).
16. 16. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

    dadurch gekennzeichnet,daß eine die Position der Ausgangssignalf aser( 3)bzw. -fasern(2 7,28,29)definierende und für die Bewegungsbahn des freien Endes(17)der beweglichen optischen Faser(2)innerhalb ihres Auslenk hubes h eine Führung vermittelnde Anschlagvorrichtungi35, 36,37)vorgesehen ist.
17. 17. Faseroptisches Schaltung selement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

    dadurch gekennzeichnet,daß der Auslenkhub h der be weglichen optischen Faser(2)durch eine Anschlagvor richtung begrenzt ist,durch die eine Stellung optimaler Kopplung zwischen der Eingangssignalfaser(2)und mindestens einer Ausgangssignalfaser(3;27,29)definiert sind (Fig.5).

    909808/0576
18. 18. faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

    dadurch gekennzeichnet,daß die bewegliche optische Faser(2)auf ihrer einen Mantelseite eine erste Ausdehnungsschicht(13)und auf ihrer gegenüberliegenden Mantelseite eine zweite Ausdehnungsschicht(44)aufweist,die in Längsrichtung der beweglichen Faser(2) so weit gegenüber der ersten Ausdehnungsschicht(13)versetzt ist,daß sich diese Ausdehnungsschichten(13,44)in Längsrichtung der be weglichen Faser!2)nicht überlappen.
19. 19. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,daß bei zwei ortsfest angeordneten optischen Fasern(27,28),deren Achsen(31,32)im we sentlichen parallel zueinander verlaufen,die Achse(14) der beweglichen optischen Faser(2)in ihrer neutralen Stellung zwischen den Achsen(31,32)der unbeweglichen optischen Fasern(27,28)verlauft und je eine der beiden Ausdehnungsschichten eine der unbeweglichen optischen Fasern(27,28)hin weist,und daß die fest stehenden Fasern(27,28)mit je einer Abzweigkopplung(42,46)versehen sind,von denen eine Kückführungsfaser(43,47)zu derjenigen Ausdehnungsschicht(13,44)führt,die auf der der je weiligen festen Faser(27,28)zugewandten Mantelseite der beweglichen Faseri2)angeordnet ist (Fig.8).

    909808/0576
20. 20. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,daß zumindest zu einer und vorzugsweise zu beiden Ausdehnungsschichten(13,44) eine optische Faser(51,52)für Steuerlicht geführt ist(Fig.8).
21. 21. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,daß die im kalten Zustand der Ausdehnungsschicht(13)mit der beweglichen Faser(2) fluchtende ortsfeste Faser(27)mit einer Abzweigkopplung(42)versehen ist,von der aus eine optische Faser(43)zu der auf der'zweiten festen Faser(28)abgewandten Seite der Längsachse(14)der beweglichen Faser ( 2)angeordneten Ausdehnungsschichte13)führt(Fig.7).
22. 22. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,daß bei zwei ortsfest angeordneten optischen Faserni27,28)deren Achsen(31,32) im wesentlichen parallel zueinander verlaufen,die Achse(14)der beweglichen optischen Faser(2)in ihrer neutralen Stellung in der Mitte zwischen den Achsen(31, 32)der unbeweglichen optischen Fasern(27,28)verläuft, daß die fest eingespannten optischen Faserni27,28) mit je einer Abzweigkopplung(42,46)versehen sind,von denen aus je eine Rückführungsfaser(43,47)zu derjenigen Ausdehnungsschicht(44 bzw.13)führt,die auf der der jeweiligen festen Faser(27,28)abgewandten Mantelseite der beweglichen Faser(2)angeordnet ist,und daß jede der beiden Ausdehnungsschichteni13,44)unabhängig vom Lichtstrom durch die Fückführungsfasern(43,47) mit Steuerlicht beleuchtbar ist,dessen Intensität

    909808/0571

    größer als die Intensität des über die Rückkopplungsfasern(43,47)in die Ausdehnungsschichten(44 bzw.13) einkoppelbaren Anteils des die Rückkopplungsfasern(43, 47)durchsetzenden Signallichtstromes(Fig.9).
23. 23. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17,

    dadurch gekennzeichnet,daß zwei einseitig eingespannte, durch Erwärmen ihrer Ausdehnungsschichten(53,54)gesteuert bewegbare Eingangssignalfasern(56,57)vorgesehen sindjin die gleichzeitig ein Eingangssignallichtstrom einkoppelbar ist,und die beinkalter Ausdehnungsschicht(53, bzw.54)mit je einer Ausgangssignalf ase*r (61,62 )fluchten, daß die Ausgangssignalfasern(61,62)mit je einer Abzweigkopplung(63,64)versehen sind,von der aus eine einen Teil des Ausgangssignallichtes als Steuerlicht zur Ausdehnungsschicht(53,54)der der anderen Ausgangssignalfaser züge ordneten Eingangssignalfaser(57 bzw.56)leitende Steuer lichtfaser(66,67)ausgeht,und daß beide Ausdehnungsschichten(53,54)zusätzlich mit Steuerlicht beleuchtbar sind(Fig.lO)
24. 24. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 22,

    dadurch gekennzeichnet,daß die seitlichen Abstände der parallel zueinander verlaufenden und in einer gemein samen Ebene,die auch die Bewegungsebene der beweglichen Faser(2)ist,liegenden Achseni31,32,33)der fest einge spannten optischen Fasern(27,28,29)nur wenig größeer ist als der Faserdurchmesser d (Fig.4,7,8,9).

    909808/057«
25. 25. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet,daß die Ausdehnungsschichti74;87)direkt auf einem Abschnitt des Signallicht führenden Teils(76)der beweglichen Faser angeordnet ist(Fig.ll).
26. 26. Faseroptisches Schaltungselement nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet,daß das Signallicht über die feststehende Faser (81)der freien Endstirnflächei72) in die bewegliche Faser(71)einkoppelbar ist (Fig.11).
27. 27. F'aseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, *

    dadurch gekennzeichnet,daß der bewegliche Abschnitt der zweiten optischen Faser(2)und der ihrem freien Ende(17) gegenüberliegende Endabschnitt der fest eingespannten optischen Faser (3;27,28,29;61,62;81)in einem gasdichten GehäuseC8,9)angeordnet sind.
28. 28. Faseroptisches Schaltungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

    dadurch gekennzeichnet,daß die Ausdehnungsschichti13) elektrisch aufheizbar ist.
29. 29. Vorrichtung zur Messung einer physikalischen Größe mit einem mechanischen Resonator,dessen Resonanzfrequenz durch diese physikalische Größe beeinflußbar ist und mit einer Vorrichtung zur Messung der Schwingungsfrequenz des Resonators,

    dadurch gekennzeichnet,daß die Vorrichtung zur Messung der Schwingungsfrequenz ein faseroptisches Schaltungs-

    909808/0576

    element nach einem der vorhergehenden Ansprüche um - faßt,dessen bewegliche Faser zu Schwingungen mit der frequenz des Resonators anregbar i st,und mit einer Einrichtung zur Messung der Modulationsfrequenz des Signallichts versehen ist.
30. 30. Vorrichtung nach Anspruch 29,

    dadurch gekennzeichnet,daß der Resonator die bewegliche Faser des faseroptischen Schaltungselementes ist.
31. 31. Vorrichtung nach Anspruch 30,

    dadurch gekennzeichnet,daß die durch den Koppelspalt voneinander abgesetzten Enden der beweglichen optischen Faser(2)und der fes stehenden Faser(3)mit einer Mantel schicht aus magnetisierbarem Material versehen sind, und daß eine Einrichtung zur Erzeugung eines im Bereich der Faserenden in axialer Richtung wirkenden Magnetfeldes vorgesehen ist.
32. 32. Vorrichtung nach Anspruch 30,

    dadurch gekennzeichnet,daß die bewegliche optische Fa- ser(71)und die fest stehende Faser(81)an ihren einan - der gegenüberliegenden,den Koppelspalt begrenzenden Endabschnitten(82,83)mit Mantelelektroden(84,86)ver - sehen sind,an die eine Gleichspannung anlegbar ist.
33. 33. Vorrichtung nach Anspruch 31,

    dadurch gekennzeichnet,daß mindestens ein Teil der elektrischen Zuführungsleitungen zu der Mantelelek trode (84)der beweglichen Faser (71)durch die aus leitendem Material bestehende Absorptionsschicht(87, 88) gebildet ist.

    909808/057«