DE3888293T2 - Optische schalter. - Google Patents

Description

• Techniken zur Verarbeitung und Übertragung optischer Signale, wie sie im Fernmeldebereich verwendet werden, sind Anlaß für die Nachfrage nach Einrichtungen, die in der Lage sind, Licht zwischen räumlich getrennten Punkten zu schalten. Obwohl eine Raumkoppelung unter Verwendung von Wellenleitern, wie etwa Lichtleitfaserkabeln, in Verbindung mit geeigneten Kopplern erreicht werden kann, gibt es viele Situationen, in denen es vorteilhaft wäre, eine freie Raumkoppelung durch nicht gefährte Strahlen zu verwenden, beispielsweise bei der Bildvermittlung. Indes bringen die bekannten optischen Freiraumschalter die Verwendung komplexer Systeme mit präzise ausgerichteten optischen Komponenten, wie etwa Linsen, mit sich, und sind für gewerbliche Anwendungen nicht geeignet.
• Es ist allgemein bekannt, daß bestimmte Klassen von Materialien, wie etwa Kalzit, doppelbrechend sind. Wenn ein Gegenstand durch eine aus einem solchen Material bestehende Zelle in nicht polarisiertem Licht betrachtet wird, werden zwei räumlich voneinander getrennte Bilder beobachtet, die um einen Betrag voneinander getrennt sind, der durch die Dicke und Ausrichtung der Zelle bestimmt ist. Die beiden beobachteten Bilder sind in orthogonalen Ebenen polarisiert, wobei die beobachtete Trennung der Bilder von der Eigenschaft doppelbrechender Materialien herrührt, daß Licht unter verschiedenen Winkeln gebrochen wird, d.h., daß es entweder normal oder in außergewöhnlicher Weise gebrochen wird, entsprechend seinem Polarisationszustand.
• Es sei angenommen, daß eine Zelle aus doppelbrechendem Material in Verbindung mit einer, eine veränderliche Polarisation drehenden Zelle verwendet wird, wie etwa einer Flüssigkristallzelle des Typs, der beispielsweise in Flüssigkristallanzeigeeinrichtungen benutzt wird. Die Flüssigkristallzelle kann ein verdrehter, nematischer Kristalltyp sein. Wenn ein nematischer Flüssigkristall homogen in einer dünnen Zelle unter 90º zwischen der Orientierungsrichtung von Kristallen in den oberen und unteren Oberflächen homogen ausgerichtet wird, zeigt er eine verdrehte planare Struktur mit der Eigenschaft, daß die Polarisationsebene von planpolarisiertem Licht, das auf die Zelle einfällt, um 90º gedreht wird. Wenn ein elektrisches Feld an die Zelle angelegt wird, richten sich die Moleküle des nematischen Flüssigkeitskristalls von selber entlang der Feldlinien aus, wodurch sie die verdrehte Struktur zerstören und die Polarisationsdreheigenschaft beseitigen.
• Alternativ soll eine Flüssigkristallzelle mit gleichmäßig in einer einzelnen Richtung ausgerichteten Kristallen benutzt werden. Falls die Kristalle einer solchen Zelle unter einem Winkel T zur Polarisationsebene des einfallenden Lichtes ausgerichtet sind, dreht die Zelle die Polarisationsebene des Lichtes um einen Gesamtwinkel von 2T. Das Ausrichten der Kristalle unter einem Winkel von 45º zur Polarisationsebene endet daher in der Drehung des einfallenden planpolarisierten Lichtes um 90º. Falls die Dicke und die Doppelbrechung der Zelle in geeigneter Weise gewählt werden, arbeitet die Zelle als Lambda/2-Phasenplatte. Die geforderte Doppelbrechung kann durch Aniegen einer Vorspannung an die Zelle erreicht werden, um die Moleküle umzukippen. Die Zelle wird "AUS" geschaltet, d.h. in den Zustand versetzt, in welchem die Polarisationsebene des einfallenden Lichtes nicht gedreht ist. Das Ausschalten erfolgt durch Anlegen einer hohen Spannung an die Zelle, um die Kristalle in einer solchen Richtung auszurichten, daß die Doppelbrechung der Zelle tatsächlich beseitigt wird.
• Eine Zelle dieser Art kann Licht zwischen zwei orthogonalen Polarisationszuständen als Antwort auf ein an die Flüssigkristallzelle angelegtes Feld umschalten. Durch Anordnen einer doppelbrechenden Zelle neben der Flüssigkristallzelle, wobei ihre optische Achse so orientiert ist, daß normal und außergewöhnlich gebrochene Strahlen auf zwei verschiedene Positionen gerichtet werden, ist es möglich, das Licht zwischen diesen beiden Positionen als Antwort auf das Umschalten zwischen den orthogonalen Polarisationszuständen, das durch die Flüssigkristallzelle bewirkt wird, umzuschalten. Eine solche Anordnung wird in einer Kurzmitteilung der IBM-Zeitschrift von Januar 1964 unter dem Titel "A Fast, Digital-Indexed Light Deflector", von Kulke und al. (Seiten 64 bis 67) offenbart. Ein weiteres Beispiel einer solchen Anordnung ist in der Druckschrift US-A-4 461 543 offenbart.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein optischer Schalter eine Serie von Makrozellen, von denen jede eine, eine veränderliche Polarisation drehende Zelle und eine doppelbrechende Zelle enthält und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aufweist:
• eine Serie von zwei (n-1) Makrozellen 1-14, von denen jede eine, eine veränderliche Polarisation drehende Zelle 7 mit bis zu n individuell adressierbaren Unterzellen S besitzt, wobei jede Unterzelle S in einer von n Positionen P1 bis Pn angeordnet und individuell steuerbar ist, um die Polarisation einfallenden, polarisierten Lichtes zu drehen oder nicht zu drehen, und von denen jede eine doppelbrechende Zelle 8 aufweist, die der drehenden Zelle 7 benachbart ist;
• wobei sich n-1 der doppelbrechenden Zellen 8 in einer ersten Ausrichtung solcher Art befinden, daß durch eine adressierbare Unterzellenposition Pi laufendes Licht so geschaltet werden kann, daß es entweder eine Unterzellenposition Pi oder Pi+1 der drehenden Zellen 7 der nächsten Makrozelle in der Serie durchläuft, und
• wobei sich n-1 doppelbrechende Zellen 7 in einer Ausrichtung solcher Art befinden, daß durch eine adressierbare Unterzellenposition Pi laufendes Licht so umgeschaltet werden kann, daß es entweder durch Unterzellenpositionen Pi oder Pi-1 der drehenden Zelle der nächsten Makrozelle in der betreffenden Serie läuft, wobei die Unterzellen S so positioniert sind, daß Licht aus irgendeinem der n Eingänge unabhängig an jeden beliebigen von m Ausgängen geschaltet werden kann, wobei m kleiner als oder so groß wie n, aber größer als 1 ist.
• Zur Erleichterung der Herstellung können die Makrozellen in jeder der n-Positionen ein adressierbare Unterzelle aufweisen, selbst wenn redundante Unterzellen nicht adressiert werden. Die redundanten Unterzellen können vor der Herstellung leicht ermittelt und ausgelassen werden, falls erwünscht. Die Makrozellen können in beliebiger Reihenfolge plaziert werden. Eine nützliche Anordnung besteht im Aufbau von Paaren von Makrozellen unterschiedlicher doppelbrechender Orientierung, die dann mit gleichen Paaren vereinigt werden, um den optischen Schalter zu bilden. Eine andere Anordnung besteht in der Gruppierung von Makrozellen gleicher Orientierung.
• Als Alternative zu Flüssigkristallen kann die eine variable Polarisation drehende Zelle aus einem Material wie beispielsweise PLZT-Kristallen hergestellt werden.
• Nachfolgend wird eine Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
• Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Effindung, bei der die Lichtstrahlen schematisch wiedergegeben sind;
• Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 3 ist eine Seitenansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 4 ist ein Strahlendiagramm zur Veranschaulichung der Doppelbrechung; und
• Fig. 5A und 5B sind die Diagramme zur Veranschaulichung der Doppelbrechungseigenschaften von Kalzit bzw. Natriumnitrat.
• Ein optischer Raumlagenschalter umfaßt zwei Makrozellen 1, 2, die in Reihe zwischen Eingängen 3, 4 und Ausgängen 5, 6 angeordnet sind. Jede Makrozelle 1, 2 umfaßt eine im wesentlichen planare Flüssigkristallzelle 7 und einen Kalzitkristall 8 rechteckigen Querschnitts, der unmittelbar neben der Flüssigkristallzelle 7 angeordnet ist.
• Die Flüssigkristallzelle 7 besteht aus verdreht-nematischen Flüssigkristallen. Die Fläche jeder Flüssigkristallzelle 7 ist in Unterzellen S unterteilt, wobei jede Unterzelle mit einem Eingang 3, 4 des Schalters ausgefluchtet ist.
• Elektroden (der Klarheit halber fortgelassen) werden benutzt, um Felder an die Unterzellen S anzulegen, um die Unterzellen S aus einem Zustand, in dem sie einfallendes, planpolarisiertes Licht um 90º drehen, in einen Zustand drehen, in welchem sie planpolarisiertes Licht ohne Drehung aussenden.
• Die optischen Achsen der Makrozellen 1, 2 sind so angeordnet, daß sie in verschiedenen Richtungen liegen. Die Richtung der optischen Achse der ersten Makrozelle 1 und die Abmessungen der ersten Makrozelle 1 sind so gewählt, daß planpolarisierte Strahlen von jedem der Eingänge 3, 4, die über dem Flüssigkristall 7 auf den Kalzitkristall 8 auftreffen, normal oder außergewöhnlich entlang eines Pfades derart gebrochen werden, daß sie auf jede der Unterzellen S der Flüssigkristallzelle 7 der zweiten Makrozelle 2 auftreffen. Die Ausrichtung und die Abmessungen der zweiten Makrozelle 2 sind ihrerseits so gewählt, daß Strahlen von den Unterzellen S der Flüssigkristallzelle 7 der zweiten Makrozelle 2 entlang von Pfaden so gebrochen werden, daß sie auf den einen oder den anderen der Ausgänge 5, 6 des Schalters auftreffen. Wenn gemäß Figur 1 die Makrozellen die gleiche Form und Abmessungen besitzen, sind die Winkel a&sub1;, a&sub2; jeweils zwischen den optischen Achsen der Makrozellen 1 und 2 und den ebenen Oberflächen der Zellen a&sub1; + a&sub2; = 180º.
• Der Schalter der Figur 1 arbeitet als ein 2 x 2-Kreuzpunkt-Parallelstrahlschalter, der unabhängig Licht von irgendeinem der Eingänge 3, 4 auf irgendeinen der Ausgänge 5, 6 schalten kann. Es sei ein vom Eingang 3 kommender Strahl betrachtet, der anfänglich in der Papierebene polarisiert ist. (Um die Bezugnahme in der nachfolgenden Besprechung zu erleichtern, wird die Kennzeichnung Snm benützt wobei n die Makrozellennummer, und m die Unterzellennummer ist). Wenn S11 aus der Polarisationsebene des Strahles ausgeschaltet wird, wird der Strahl durch sdie Unterzelle unter einem Winkel von 90º gedreht, so daß er senkrecht zur Papierebene verläuft.
• Licht mit diesem Polarisationszustand wird außergewöhnlich unter einem Winkel θ gebrochen und pflanzt sich unter Auftreffen auf die Unterzelle S22 fort. Wenn diese Unterzelle S22 ausgeschaltet wird, wird die Polarisationsebene erneut um 90º gedreht. Der Strahl wird normal an dieser Zelle S22 gebrochen und, da sein Einfallswinkel auf den Kristall der zweiten Makrozelle 2 den Wert Null besitzt, pflanzt sich der Strahl weiter parallel zur z-Achse fort bis er schließlich den Schalter durch den Ausgang 6 verläßt. In ähnlicher Weise kann gezeigt werden, daß mit eingeschaltetem Schalter S12 Licht vom Eingang 4 zum Ausgang 5 geschaltet wird. Dies ist die "gekreuzte" Schaltbedingung. Die "geradedurch"-Bedingung entsteht, wenn alle Unterzellen S11, S12, S21 und S22 eingeschaltet sind.
• Das Prinzip, auf dem der 2 x 2-Schalter aufgebaut ist, kann auf lineare Felder von n Eingängen und Ausgängen ausgedehnt werden. Ein nichtsperrendes (d.h. unabhängiges) Schalten ist dann durch Verwendung von 2(n-1) Makrozellen erreichbar. So weist beispielsweise ein 8 x 8-Schalter gemaß Figur 2 vierzehn in Reihe angeordnete Makrozellen auf, wobei die ersten sieben Makrozellen optische Achsen in einer ersten Richtung, und die anderen sieben Makrozellen optische Achsen in einer zweiten Richtung besitzen. Alternativ kann ein Schalter zum Zurückleiten von Licht aus einem der acht Eingänge in einen der anderen Eingänge unter Verwendung von 7 Makrozellen aufgebaut werden, mit Achsen in einer einzigen Richtung und einer Spiegeloberfläche 9 neben den sieben Makrozellen, die Figur 3 zeigt. Die gleichen Kalzitblöcke besitzen unterschiedliche Orientierungen für Licht, das in die verschiedenen Richtungen läuft, also Licht, das von den Eingängen und wieder zurück zu diesen durch vierzehn Makrozellen läuft, davon sieben in Ausrichtung.
• Die Wahl einer passenden Ausrichtung und passender Abmessungen für die Makrozellen eines Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert die Kenntnis der Winkelversetzung r zwischen der Charakteristik der außergewöhnlichen und der normalen Strahlen einer besonderen Orientierung des doppelbrechenden Materials. Durch Anwenden der Methode der Sekündärwellen nach Huygens auf einen normalen, auf eine Kristallebene auffallenden Strahl, wie in Figur 4 dargestellt, kann gezeigt werden, daß die Wlnkelversetzung r mit der Winkel-psi-Charakteristik der Orientierung des Kristalls durch folgende Gleichung in Beziehung steht:
• wobei v die Lichtgeschwindigkeit senkrecht zur optischen Achse, und v,, die Lichtgeschwindigkeit parallel zur optischen Achse ist. Das Verhältnis v,,/v ist eine konstante Eigenschaft eines besonderen doppelbrechenden Materials, und sofern diese charakteristische Konstante bekannt ist, kann r für jeden gegebenen Wert von psi berechnet werden. Die Figuren 5a und 5b zeigen r als Funktion von psi, jeweils für Kalzit bzw. Natriumnitrat.
• Sobald die Winkelversetzung des doppelbrechenden Materials des Schalters bekannt ist, können die geeigneten Abmessungen für die Makrozellen berechnet werden. Ein typischer Wert für die 1/e-Breite eines geschalteten Strahls beträgt 500 Mikron, wobei diese Breite durch Verwenden von Stablinsen erzielbar ist. Um ein unabhängiges Umschalten der Strahlen zu ermöglichen, ist es erforderlich, daß nach dem Durchlauf durch eine Makrozelle ein versetzter Strahl um mindestens einen Strahlendurchmesser zur Seite hin verschoben werden sollte. Bezugnehmend auf Figur 5 wird die in Kalzit verfügbare maximale Winkelversetzung mit 6.2º gemessen, was auftritt, wenn die optische Achse unter einem Winkel von 48º zu der Oberfläche verläuft. Bei Natriumnitrat, das als Alternative für Kalzit verwendet werden kann, ist die maximale Winkelversetzung R um 10º erhöht. Bei Verwendung von Kalzit, das den Vorteil besitzt, daß große fehlerfreie Kristalle leichter herzustellen sind, und unter Zulassen einer Strahlverschiebung am Ausgang um 800 Mikron, beträgt die erforderlich Dicke des Kalzitkristalls für jede Makrozelle 800/tan(6.2º), d.h. 7.4 mm. Gedrehte nematische Flüssigkristallzellen können mit einer Dicke von annähernd 2 mm hergestellt werden, was für die Makrozelle eine Gesamtdicke von etwa 10 mm ergibt. Damit ergibt sich die Gesamtdicke t für einen 8 x 8-Schalter durch:
• t = 2(8-1) x 10 mm = 140 mm
• Es ist möglich, aus den Eigenschaften des verwendeten Materials das Leistungsverhalten eines 8 x 8-Schalters in Form des Einfügungsverlustes, des Nebensprechens und der Schaltgeschwindigkeit zu berechnen.
• Es sei angenommen, daß Anti-Reflexüberzüge oder indexanpassende Materialien zwischen jeder dielektrischen Zwischenschicht verwendet werden. Unter Benutzung von ITO-Überzügen (Indiumzinntoxid) hoher Impedanz in der Flüssigkristallzelle, dürfte der Einfügungsverlust auf 0.2 dB je Zelle reduzierbar sein. Der Ausbreitungsverlust inherhalb des Kalzitkristalls ist typischerweise kleiner als 0.1 dB je cm. Der gesamte Einfügungsverlust für einen 8 x 8-Schalter unter Verwendung von Kalzitkristallen als doppelbrechendes Material beträgt somit üblicherweise 4 dB (unter Vernachlässigung von Verlusten für das Ankoppeln äußerer Komponenten). Diese Zahl kann weiter durch Verwenden von beanspruchten sdünnen Polymerplatten verbessert werden, wobei solche Platten sowohl eine hohe Transparenz, als auch eine starke Doppelbrechung bieten.
• Das Nebensprechen im Schalter wird weitgehend durch die Wirksamkeit der verdrehten, nematischen Flüssigkristallzellen bestimmt. Gooch und Parry haben in einem in der Zeitschrift Elect.Lett.10,1; Seite 2; 1974 veröffentlichten Beitrag gezeigt, daß das Auslöschungsverhältnis zwischen parallelen Polarisatoren besser als 1 % gemessen wurde, und daß bei periodischen Werten der Wellenlänge die Auslöschung als von Null ununterscheidbar ermittelt wurde. Die Verteilung des Quersprechens im Schalter wird stark durch den besonderen Schaltzustand der Elementenmatrix beeinflußt, die den Schalter bildet. Der Gesamteinfluß des Nebensprechens liegt typischerweise unter 30 db.
• Der dominierende Faktor bei der Begrenzung der Geschwindigkeit des Schalters ist die nematische Abschaltzeit, die durch Erwägungen über die Massenfluidströmung bestimmt wird. Unter Verwendung dünner, verdrehter, nematischer Flüssigkristallzellen mit kommerziell erhältlichen nematischen Mischungen ist eine Abschaltperiode von 30 ms erzielbar. Eine weitere Verbesserung von einigen 10 % kann durch Dotieren des nematischen Mediums mit einer cholesterischen Phase erreicht werden. Weitere Verbesserungen in bezug auf die Leistungsfähigkeit von standardisierten Flüssigkristallzellen können durch geeignete Oberflächenbearbeitungen und durch die Verwendung geeigneter nematischer Mischungen erreicht werden. Um allerdings eine signifikante Zunahme der Geschwindigkeit bei einer Abschaltperiode von 30 µs, oder weniger, zu gewinnen ist es wünschenswert. Flüssigkristalle vom Typ Smectic C ("ferro-elektrisch") zu verwenden.
• Der optische Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung kann optische sBilder schalten und findet somit Anwendung beim Schalten beispielsweise von räumiich multiplexierten optischen Bussen.

Claims (8)

1. Optischer Schalter mit einer Serie von Makrozellen, von denen jede eine, eine veränderliche Polarisation drehende Zelle und eine Doppelbrechungszelle umfaßt, dadurch gekenzeichnet, daß er aufweist:

eine Serie von zwei (n-1) Makrozellen (1-14), von denen jede eine, eine veränderliche Polarisation drehende Zelle (7) mit bis zu n individuell adressierbaren Unterzellen (S) besitzt, wobei jede Unterzelle (S) in einer von n Positionen P1 bis Pn angeordnet und individuell steuerbar ist, um die Polarisation einfallenden, polarisierten Lichtes zu drehen oder nicht zu drehen, und von denen jede eine doppelbrechende Zelle (8) aufweist, die der drehenden Zelle (7) benachbart ist;

wobei sich (n-1) der doppelbrechenden Zellen (8) in einer ersten Ausrichtung solcher Art befihden, daß durch eine adressierbare Unterzellenposition Pi laufendes Licht so geschaltet werden kann, daß es entweder eine Unterzellenposition Pi oder Pi+1 der drehenden Zellen (7) der nächsten Makrozelle in der Serie durchläuft, und

wobei sich (n-1) doppelbrechende Zellen (7) in einer zweiten Ausrichtung solcher Art befinden, daß durch eine adressierbare Unterzellenposition Pi laufendes Licht so umgeschaltet werden kann, daß es entweder durch Unterzellenpositionen Pi oder Pi-1 der drehenden Zelle der nächsten Makrozelle in der betreffenden Serie läuft,

wobei die Unterzellen (S) so positioniert sind, daß Licht aus irgendeinem der n Eingänge unabhängig an jeden beliebigen von m Ausgängen geschaltet werden kann, wobei m kleiner als oder so groß wie n, aber größer als 1 ist.

2. Optischer Schalter nach Anspruch 1, bei dem die eine veränderliche Polarisation drehende Unterzellen Flüssigkristallzellen (7) sind.

3. Optischer Schalter nach Anspruch 2, bei dem der Flüssigkristall ein Flüssigkristall aus Smektit c ist.

4. Optischer Schalter nach einem beliebigen Anspruch 1 bis 3, bei dem die doppelbrechenden Zellen (8) Kalzitkristalle sind.

5. Optischer Schalter nach einem beliebigen Anspruch 1 bis 3, bei dem die doppelbrechenden Zellen (8) aus beanspruchtem blattförmigen Polymer bestehen.

6. Optischer Schalter nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem die Makrozellen (1-14) in Gruppen zusammengefaßte doppelbrechende Zellen (8) gleicher Ausrichtung aufweisen.

7. Optischer Schalter nach einem beliebigen Anspruch 1 bis 5, bei dem die Makrozellen (1-14) paarweise gruppiert sind, wobei jedes Paar doppelbrechende Zellen (8) mit der ersten Ausrichtung und mit der zweiten Ausrichtung umfaßt.

8. Optischer Schalter nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, der weiter eine reflektierende Oberfläche (9) umfaßt, die am Ausgang der Serie der Makrozellen (1-7) angeordnet ist, derart, daß ausgegebenen optischen Signalen durch die, Makrozellen eine andere Richtung gegeben wird.