DE102005010805A1

DE102005010805A1 - Erhöhung der Datenrate bei optischen Drehübertragern durch Schieben der Phase

Info

Publication number: DE102005010805A1
Application number: DE200510010805
Authority: DE
Inventors: Harry Schilling
Original assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Current assignee: Moog GAT GmbH
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2025-03-08
Also published as: DE102005010805B4

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Übertragung modulierter optischer Signale zwischen einer ersten Einheit und einer zweiten Einheit, wobei die erste Einheit gegenüber der zweiten Einheit drehbar gelagert ist. Die Vorrichtung umfasst einen Lichtleiter entlang einer Kreisbahn an der ersten Einheit, einen ersten Lichtkoppler zur Lichtein- bzw. Auskopplung in den Lichtleiter und einen zweiten Lichtkoppler zur Lichtein- bzw. Auskopplung in den Lichtleiter, welcher an der zweiten Einheit angeordnet ist und gegenüber dem Mittel zur Lichtleitung beweglich ist. DOLLAR A Um eine hohe Übertragungsbandbreite zu erreichen, wird Licht in zwei entgegengesetzte Richtungen in den Lichtleiter eingekoppelt und zeitliche Verschiebung der Aussendung der beiden Richtungen derart angepasst, dass abhängig vom Ort des Empfängers beide Signale gleichphasig dort ankommen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung optischer Signale zwischen gegeneinander drehbaren Einheiten. Derartige Vorrichtungen werden vorzugsweise in Computertomografen eingesetzt.

Zur Übertragung optischer Signale zwischen gegeneinander drehbaren Einheiten, insbesondere mit einem freien Innendurchmesser sind verschiedene Vorrichtungen bekannt. Grundsätzlich besteht hierin das Problem, ein Mittel zum Transport von Licht entlang des Umfangs der Vorrichtung sowie geeignete Mittel zur Ein- und Auskopplung von Licht zu gestalten. Zum Einsatz in Computertomografen müssen derartige Vorrichtungen große freie Innendurchmesser in einer Größenordnung von einem Meter aufweisen. Die Umfangsgeschwindigkeit bei der Rotation kann in einer Größenordnung von 20 m/s liegen. Gleichzeitig sollten Datenraten mit über 1 Gigabit pro Sekunde (GBaud) möglich sein.

So offenbart die US 4,109,997 einen optischen Drehübertrager (5), bei dem der Transport von Licht entlang des Umfangs durch Reflexion an zwei gegenüberliegenden Flächen 101, 1 erfolgt. Zur Ein- bzw. Auskopplung von Licht sind Lichtleiter bzw. Glasfasern vorgesehen, wobei die Bündelung bzw. Fokussierung des Lichtstrahls mittels Linsen erfolgt. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist die eingeschränkte Bandbreite. Bewegt sich beispielsweise das Auskoppelprisma entgegen dem Uhrzeigersinn vom Einkoppelelement weg, so vergrößert sich die Laufzeit des optischen Signals zwischen Einkoppelelement und Auskoppelprisma. Erreicht nun in der Bewegung das Auskoppelprisma das Einkoppelelement, so gibt es einen Punkt, an dem noch das optische Signal empfangen wird, welches sich entlang des Umfangs des ganzen Drehübertragers ausgebreitet hat, und an dem gleichzeitig das Signal des Einkoppelelements auf direktem Wege empfangen wird. Somit ergibt sich eine Überlagerung zweier Signale mit einem Laufzeitunterschied entsprechend den optischen Weg entlang des Umfangs des Drehübertragers. Dieser Laufzeitunterschied muss nun klein gegenüber der Bitdauer des zu übertragenden Signals sein, um dies nicht unzulässig zu beeinträchtigen. Somit ergibt sich bei einem Innendurchmesser von ca. 1 Meter eine Gesamtlaufzeit um den Umfang von ca. 10 Nanosekunden. Dadurch sind beispielsweise bei der Übertragung von digitalen Signalen Bitdauern von maximal 50 Nanosekunden, entsprechend einer maximalen Übertragungsrate von 20 MBaud realisierbar.

Eine Verbesserung des optischen Systems ist in der DE 102 56 634 A1 offenbart. Auch hier wird ein innen verspiegelter Graben zu optischen Signalübertragung eingesetzt. Das Licht wird hier in zwei entgegengesetzten Richtungen eingekoppelt und von einem Absorber, der genau gegenüber der Einkoppelstelle angeordnet ist, absorbiert. Somit treten an der Einkoppelstelle durch die phasengleiche Einkopplung keinerlei Laufzeitunterschiede auf. Weiterhin sind auch die Signallaufzeiten in beiden Richtungen durch den exakt gegenüber der Einkoppelstelle angeordneten Absorber gleich groß. Nachteilig an dieser Anordnung ist die schwierige technische Realisierung des Absorbers. Da tatsächlich die gleiche Laufzeit der Signale aus beiden Richtungen nur an einem Punkt besteht, müsste der Absorber auch punktförmig sein. Gleichzeitig sollte der Absorber ein sehr hohes Absorptionsvermögen aufweisen, da die Signale aus der jeweils anderen Richtung möglichst gut unterdrückt werden sollten. Gleichzeitig darf der Absorber nicht in die Bahn des optischen Empfängers hinein ragen, da es sonst zu einer Kollision kommen könnte. Er kann somit praktisch nur auf der Außenseite des verspiegelten Lichtleiters angebracht sein. Die hier aufgezeigten Randbedingungen widersprechen sich größtenteils, so dass ein zufriedenstellender Absorber kaum realisierbar ist.

Die DE 103 02 435 B3 offenbart eine weitere Ausgestaltung eines optischen Drehübertragers, mit der nahezu beliebig hohe Datenraten übertragen werden können. Hierbei werden mehrere Sender beziehungsweise Empfänger derart gesteuert, dass die aufgrund der Laufzeitdifferenz zu viel übertragenen Bits Empfängerseitig gelöscht werden, beziehungsweise die Aussendung von nicht übertragenen Bits wiederholt wird. Nachteilig an dieser Anordnung ist die hohe Anzahl von Sendern bzw. Empfängern.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine relativ kostengünstige Vorrichtung zur Übertragung optischer Signale zwischen zwei gegeneinander drehbaren Einheiten derart zu gestalten, dass eine breitbandige Übertragung bei großen Durchmessern ermöglicht wird. Insbesondere ist die Aufgabe der Erfindung, die Vorrichtung derart zu gestalten, dass auch Signale zu übertragen sind, deren Periodendauern wesentlich kleiner als die Ausbreitungsdauer des Lichtes um den Umfang der Vorrichtung sind.

Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Lichtleiter 3, welcher entlang einer Kreisbahn an einer ersten Einheit 1 angeordnet ist. Der Einfachheit halber wird hier nur ein Lichtleiter beschrieben. Selbstverständlich können auch mehrere erfindungsgemäße Anordnungen mit jeweils einem Lichtleiter parallel geschaltet werden. Mit dem Lichtleiter verbunden ist wenigstens ein erster Lichtkoppler 4 zu Einkopplung bzw. Auskopplung von Licht in den Lichtleiter. Mit wenigstens einem dieser ersten Lichtkoppler verbunden ist wenigstens ein optischer Sender oder Empfänger. Ob ein Sender oder Empfänger mit dem Lichtleiter verbunden werden soll, wird durch die gewünschte Übertragungsrichtung bestimmt. Soll Licht vom Lichtleiter weg übertragen werden, so ist ein Sender, im anderen Falle ein Empfänger vorzusehen. Für eine bidirektionale Übertragung und/oder auch eine mehrkanalige Übertragung können mehrere Sender beziehungsweise Empfänger miteinander kombiniert werden. Die Kanaltrennung kann entsprechend dem Stand der Technik beispielsweise durch Polarisationsselektion oder Wellenlängenselektion erfolgen. Zur Informationsübertragung sind die optischen Sender selbstverständlich mit einem Modulationssignal modulierbar. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise in einem Computertomografen oder auch in einer Radaranlage einsetzbar.

Weiterhin ist eine zweite Einheit 2 vorgesehen, welche gegenüber der ersten Einheit 1 drehbar gelagert ist. Es wird hier von einer relativen Bewegung der beiden Einheiten gegeneinander ausgegangen und nicht auf drehende bzw. feststehende Einheiten Bezug genommen, da dies ausschließlich eine Frage des Ortsbezugs ist. Dieser zweiten Einheit ist wenigstens ein zweiter Lichtkoppler 5 zugeordnet, der sich mit der Drehung der zweiten Einheit gegenüber der ersten Einheit in einer vorgegebenen Bahn bezüglich des Lichtleiters bewegt. Wenigstens einer dieser zweiten Lichtkoppler ist komplementär zum ersten Lichtkoppler wahlweise mit einem optischen Sender oder Empfänger ausgerüstet.

Erfindungsgemäß ist ein erster Lichtkoppler 4 derart ausgestaltet und mit dem Lichtleiter 3 verbunden, so dass dieser jeweils in eine erste Richtung und in eine dazu entgegengesetzte zweite Richtung des Lichtleiters Licht einkoppelt beziehungsweise auskoppelt.

Weiterhin ist eine Steuereinheit 30 vorgesehen, welche eine zeitliche Verschiebung der Signale zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung bewirkt. Diese Verschiebung ist jeweils so groß, dass die Laufzeitunterschiede der Signale zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung kompensiert werden. Dies bedeutet beispielsweise für den Fall, dass der Lichtkoppler 4 mit einem Sender verbunden ist, die Signale beider Richtungen phasengleich (bezogen auf das Modulationssignal) beim Lichtkoppler 5 eintreffen.

Die Grundsätze der hier beschriebenen Vorrichtung beziehungsweise des hier beschriebenen Verfahrens zum Betrieb einer Vorrichtung sind analog auf kontaktierende beziehungsweise kontaktlose elektrische Übertragungssysteme anwendbar. So wird in einem solchen elektrischen Übertragungssystem an Stelle eines Lichtleiters 3 eine elektrische Leitung, wie beispielsweise eine Streifenleitung oder auch eine mechanische Schleifbahn verwendet. Die ersten Koppler beziehungsweise zweiten Koppler können galvanische oder aber auch kontaktlose, beispielsweise kapazitive oder induktive Verbindungen mit der elektrischen Leitung sein. An Stelle der optischen Signale werden elektrische Signale übertragen.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuereinheit 30 wenigstens ein optisches Verzögerungselement auf. Ein solches optisches Verzögerungselement kann beispielsweise ein thermooptischer Phasenschieber, ein Piezo-Phasenschieber, ein Flüssigkristallphasenschieber, eine Laufzeitleitung, einen Slow-light-Element, Photonen kristalle oder ein Verzögerungselement mit Modenselektiver Ein- bzw. Auskopplung sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Steuereinheit 30 wenigstens ein elektrisches bzw. elektronisches Verzögerungselement. Ein solches Verzögerungselement kann beispielsweise eine Laufzeitleitung, ein Phasenschieber oder ein Speicher, bevorzugt ein digitaler Speicher sein.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuereinheit 30 getrennte elektrische Schaltungen zur Erzeugung eines seriellen Datenstromes (Serializer) und/oder zur Dekodierung beziehungsweise Umsetzung eines seriellen Datenstromes (Deserializer) jeweils für die erste Richtung und die zweite Richtung auf. Damit können die Datenströme der ersten Richtung und die der zweiten Richtung unabhängiger voneinander erzeugt beziehungsweise dekodiert werden. Die getrennten Serializer bzw. Deserializer werden nun vorteilhafterweise mit Takten, die in der Phase beziehungsweise Frequenz gegeneinander verschoben sind, gespeist. Die Frequenz beziehungsweise Phasenverschiebung ist hier so dimensioniert, dass die Laufzeiten der Signale im Lichtleiter ausgeglichen werden. Der Laufzeitausgleich erfolgt also ortsabhängig, entsprechend der relativen Position der zweiten Einheit zur ersten Einheit.

Wird eine solche erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise in einem Computertomographen eingesetzt, der sich mit konstanter Geschwindigkeit dreht, ergibt sich aufgrund des Dopplereffekts entsprechend der Drehbewegung eine Frequenzverschiebung. Zur Kompensation wird nun der Serializer bzw. Deserializer für die Richtung, in der sich die beiden Einheiten voneinander weg bewegen mit einer höheren Frequenz betrieben, während Serializer bzw. Deserializer der entgegengesetzten Richtung mit einer entsprechend niedrigeren Frequenz betrieben werden.

Aufgrund der unterschiedlichen Betriebsfrequenzen werden nun im Laufe einer Umdrehung unterschiedliche Anzahlen von Bits übertragen. Diese Differenz ist nur gering und kann auf einer Seite durch wiederholte Aussendung und auf der anderen Seite durch Löschen mehrfach übertragener Bits eliminiert werden. Diese Differenz beträgt beispielsweise bei einem Drehübertrager mit einem Umfang von 3 m circa 10 Bit.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht wenigstens einen Absorber 13 vor. Ein solcher Absorber ist vorzugsweise an einer bezogen auf die Drehachse 6 dem ersten Lichtkoppler 4 gegenüberliegenden Position angeordnet. Dadurch wird der Lichtleiter 3 in vorzugsweise zwei bevorzugt gleich große Segmente unterteilt. Durch die erfindungsgemäße Phasenverschiebung muss ein Absorber nun nicht mehr punktförmig sein. Vielmehr kann er in seiner Länge ausgedehnt, über einen Teil des Lichtleiters 3 angeordnet sein. Die wesentliche Aufgabe des Absorbers ist hier nun, dafür zu sorgen, dass ein optisches Signal, das bereits einmal um den Umfang des Lichtleiters 3 umgelaufen ist, nicht zu einer Beeinträchtigung eines gerade eingespeisten Signals führt.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Lichtleiter 3 selbst eine Dämpfung aufweist. Diese Dämpfung der Intensität der Strahlung sollte in einem Bereich größer 6 dB über die Länge des gesamten Lichtleiters liegen. Vorteilhafterweise ist die Dämpfung größer als 12 dB und besonders vorteilhaft ist eine Dämpfung größer als 20 dB vorgesehen. Durch die Dämpfung des Lichtleiters selbst erfolgt beispielsweise im Bereich der ersten Richtung eine besonders starke Dämpfung des Signals aus der zweiten Richtung. Ebenso ist im Bereich der zweiten Richtung das Signal aus der ersten Richtung besonders stark gedämpft. Dadurch ist eine besonders einfache Art der Verzögerung möglich. Diese soll an einem Beispiel eines Umlaufs des zweiten Lichtkopplers 5 beginnend vom Bereich der ersten Richtung in den Bereich der zweiten Richtung erläutert werden. Es befinde sich nun der zweite Lichtkoppler fünf im Bereich der ersten Richtung kurz hinter dem ersten Lichtkoppler 4. Es kann beispielsweise das Signal der ersten Richtung ohne Verzögerung ausgesendet werden, während das Signal der zweiten Richtung mit hoher Verzögerung ausgesendet wird. Mit zunehmender Bewegung des zweiten Lichtkopplers 5 fort vom ersten Lichtkoppler 4 wird nun die Verzögerung des Signals der zweiten Richtung verringert. Tatsächlich wird in der Nähe des ersten Lichtkopplers 4 ausschließlich das Signal der ersten Richtung empfangen werden, während die Amplitude des Signals aus der zweiten Richtung noch zu gering ist. Erst in einem weiter entfernten Bereich wird eine Überlagerung der beiden Signale zu empfangen sein. In einer dem ersten Lichtkoppler 4 gegenüberlie genden Position sind die Intensitäten beider Richtungen gleich. Nach Überschreitung dieses Punktes ist die Intensität des Signals der zweiten Richtung größer als die aus der ersten Richtung. Schließlich nimmt nun bei weiterer Bewegung des zweiten Lichtkopplers 5 die Intensität des Lichts aus der ersten Richtung so weit ab, bis das Signal aus der zweiten Richtung nicht mehr beeinflusst wird. Nun kann problemlos und ohne Rücksicht auf das Signal aus der ersten Richtung die Verzögerung des Signals aus der zweiten Richtung wieder auf den Maximalwert zurückgestellt werden, der nach dem Passieren des ersten Lichtkopplers 4 durch den zweiten Lichtkoppler 5 benötigt wird.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Dämpfung des Lichtleiters 3 mit zunehmendem Abstand von dem ersten Lichtkoppler 4 ansteigt. Das Maximum der Dämpfung liegt vorteilhafterweise an der dem ersten Lichtkoppler 4 gegenüberliegenden Position. Durch diese Ausgestaltung ist nun in der Nähe des ersten Lichtkopplers 4 aufgrund der niedrigen Dämpfung eine besonders gute Übertragung möglich. Dies kann beispielsweise durch die eigene Kodierung oder Modulation zur Übertragung mit einer höheren Datenrate verwendet werden. Wandert nun der zweite Lichtkoppler 5 in den vom ersten Lichtkoppler 4 entfernten Bereich, so nimmt die Dämpfung stark zu. In diesem Bereich nimmt damit auch die Übertragungsqualität beziehungsweise die maximal erzielbare Übertragungsrate ab. Wird nun die Zunahme der Dämpfung auf einen engen Bereich beschränkt, so ist auch der in der Übertragung beeinträchtigte Bereich in engen Grenzen gehalten.

Eine gleichmäßigere Übertragungseigenschaft lässt sich erzielen, indem zunächst im Bereich um einen ersten Lichtkoppler 4 der Lichtleiter 3 mit einer hohen Dämpfung ausgestattet ist und in dem vom Lichtkoppler 4 entfernten Bereichen eine niedrige Dämpfung aufweist. Hierdurch ergibt sich eine weitgehend konstante Signalamplitude mit demzufolge auch weitgehend konstanten Übertragungseigenschaften über den ganzen Weg entlang des Lichtleiters 3.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Absorber, wie zuvor beschrieben, als steuerbarer Absorber ausgeführt. Mittels eines solchen steuerbaren Absorbers kann beispielsweise die Dämpfung, der Dämpfungsverlauf, oder die Position der maximalen Dämpfung eingestellt werden, um diese optimal anzupassen.

Besonders günstig ist es, wenn ein steuerbarer Absorber zwei wechselweise aktivierbare Segmente aufweist. Durch diese beiden Absorber Segmente kann nun der Verlauf des Lichtleiters 3 in insgesamt drei Teile unterteilt werden. Beim Durchlaufen des Lichtleiters ausgehend von einer Position des zweiten Lichtkopplers 5 an dem ersten Lichtkoppler 4 ist nun das in Bewegungsrichtung näher liegende Absorbersegment auf minimale Absorption und das entferntere Absorbersegment auf maximale Absorption eingestellt. Somit wird ausschließlich Licht in der ersten Richtung zwischen dem ersten Lichtkoppler 4 und dem zweiten Lichtkoppler 5 übertragen. Da das Signal der zweiten Richtung von dem zweiten Lichtkoppler 5 nicht empfangbar ist, ist auch kein Phasenaus gleich notwendig. Sobald nun der zweite Lichtkoppler 5 das auf minimale Absorption eingestellte erste Absorbersegment passiert hat, werden nun die Absorbersegmente umgeschaltet. Dies bedeutet, dass nun das erste Absorbersegment auf maximale Absorption und das zweite Absorbersegment auf minimale Absorption geschaltet wird. Somit empfängt der zweite Lichtkoppler 5 nun das optische Signal aus der zweiten Richtung. Um hier einen störungsfreien Überganges zwischen dem Empfang der ersten Richtung und der zweiten Richtung zu erreichen, werden die Signale aus den beiden Richtungen durch eine erfindungsgemäße Verzögerung aneinander angepasst. Hat der zweite Lichtkoppler 5 das zweite Absorbersegment passiert, so kann er auch ohne Laufzeitausgleich über den Rest der Strecke bewegt werden. Besonders günstig ist es, auf dem Rest der Strecke die zuvor eingeführte Verzögerung allmählich wieder auf null zurückzustellen.

Besonders günstig ist es, wenn der Abstand zwischen den beiden Absorbersegmenten möglichst klein gehalten wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, in diesem Falle die Mitte zwischen den Absorbersegmenten gegenüberliegend der Position des ersten Lichtkopplers 4 anzuordnen.

In einer weiteren Ausgestaltung ist wenigstens ein steuerbarer Absorber 13 mit einem zweiten Lichtkoppler 5 synchron beweglich, vorzugsweise an einer diesem gegenüberliegenden Position vorgesehen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Positionssensor 31 vorgesehen ist. Dieser Positionssensor ermittelt die Position des zweiten Lichtkopplers 5 gegenüber dem ersten Lichtkoppler 4 und signalisiert diesen Wert an die Steuereinheit 30. Aufgrund der Positionsinformation kann die Steuereinheit 30 nun den exakten Laufzeitunterschied zwischen den beiden Richtungen der Signale ermitteln.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst die Schritte Aussenden von Licht in einen auf einer Kreisbahn angebrachten Lichtleiter in zwei entgegengesetzten Richtungen und Empfangen des im Lichtleiter übertragenen Lichtes. Weiterhin wird das Licht der beiden entgegengesetzten Richtungen in seiner Phase (bezogen auf das Modulationssignal) derart gesteuert, beziehungsweise in der zeit derart verschoben, dass das Licht aus beiden Richtungen gleichzeitig beziehungsweise gleichphasig bezogen auf das Modulationssignal am Ort des Empfangs eintrifft.

Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
1 zeigt in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Draufsicht.
3 veranschaulicht den Verlauf der Verzögerung des Lichts.
4 veranschaulicht den Verlauf der Verzögerung des Lichts mit einem bedämpften Lichtleiter.
5 veranschaulicht den Verlauf der Verzögerung des Lichts mit einem bedämpften Lichtleiter und einer besonders vorteilhaften Form der Rückstellung der Verzögerungszeiten.
6 zeigt einen Verlauf mit optimierten Verzögerungszeiten.
1 zeigt in schematischer Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Schnitt. Darin sind sowohl die erste Einheit 1 als auch die zweite Einheit 2 als Scheiben mit zentrischer Bohrung, welche um die Drehachse 6 drehbar gelagert sind, dargestellt. Der Lichtleiter 3 ist hier beispielhaft als auf der Innenseite verspiegelter Graben dargestellt. Er erstreckt sich um den gesamten Umfang der ersten Einheit. Im Eingriff mit diesem Graben ist ein zweiter Lichtkoppler 5, welcher an der zweiten Einheit 2 angeordnet ist. Dieser Lichtkoppler greift das in dem Lichtleiter geführte Licht ab und leitet es mit einer lichtleitenden Faser 7 weiter. Zur exakten Ausrichtung von Lichtleiter und zweitem Lichtkoppler in einer Achse sind eine hydrodynamische Lagerung sowie eine elektrodynamische Lageregelung vorgesehen. Die hydrodynamische Lagerung basiert auf einem dünnen Luftfilm, welcher durch die Bewegung der beiden Einheiten gegeneinander zwischen der ersten Lagerfläche 21 und der zweiten Lagerfläche 20 ausgebildet wird. Zur Unterstützung sind beispielsweise zusätzliche Mittel zur Luftführung vorgesehen. Weiterhin hat die Vorrichtung vorteilhafterweise Notlaufeigenschaften, die auch noch eine gewisse Führung bei niedrigen Geschwindigkeiten ohne ausreichenden Luftfilm gewährleisten, wie sie beispielsweise in einer Beschleunigungs- oder Bremsphase auftreten. Weiterhin ist zur exakten Positionierung ein Sensor 9 zur Ermittlung des Abstandes zwischen den beiden Einheiten vorgesehen. Dieser Sensor tastet hier den Abstand zu einer Referenzspur 11 ab, welche im vorliegenden Beispiel identisch mit der ersten Lagerfläche 21 ist. Die Ausgangssignale des Sensors werden mittels einer Steuereinheit 10 weiterbearbeitet und dem Aktuator 8 zur exakten Regelung der Lage des zweiten Lichtkopplers zugeführt.
2 zeigt in schematischer Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Draufsicht. Eine erste Einheit 1 dient zur Aufnahme eines ringförmigen Lichtleiters 3. Dieser Lichtleiter ist beispielsweise ein auf der Innenseite verspiegelter Graben. Eine zweite Einheit 2 dreht sich gegenüber der ersten Einheit um die Drehachse 6. Die zweite Einheit enthält einen zweiten Lichtkoppler 5.
Licht aus einem nicht dargestellten Sender wird bezogen auf das Modulationssignal gleichphasig mittels der beiden ersten Lichtkoppler 4a, 4b in den Lichtleiter 3 eingespeist. Das Licht vom ersten Lichtkoppler 4a läuft auf der rechten Seite der Abbildung (erste Richtung) bis zum Absorber 13. Gleichzeitig läuft das Licht des ersten Lichtkopplers 4b auf der linken Seite (entgegengesetzte Richtung). Die durch den ersten Lichtkoppler 4a in der ersten Richtung abgegebenen optische Signale beziehungsweise durch den ersten Lichtkoppler 4b in der entgegengesetzten Richtung abgegebenen optische Signale sind nun gegeneinander zeitlich so verschoben, dass sie unter Berücksichtigung ihrer unterschiedlichen Wege phasengleich bezogen auf das Modulationssignal am zweiten Lichtkoppler 5 Eintreffen. Der Absorber 13 ist hier beispielhaft symmetrisch in Bezug auf die Einkoppelstelle der ersten Lichtkoppler angeordnet, so dass am Punkt des Absorbers die Lichtwege 32 auf beiden Seiten gleich lang sind. Der Abgriff des Lichts erfolgt mittels eines zweiten Lichtkopplers 5, welcher um die Drehachse 6 entlang der Bahn des Lichtleiters 3 drehbar gelagert ist und das abgegriffene Licht einem optischen Empfänger zuführt. Zur Vereinfachung ist der optische Empfänger ebenfalls nicht abgebildet. Selbstverständlich ist auch eine Übertragung in umgekehrter Richtung möglich. Die Erfindung ist aber auch ohne den hier dargestellten Absorber 13 funktionsfähig. Wesentlich ist dann, dass der Lichtleiter 3 entlang des Umfangs eine signifikante Dämpfung aufweist, so dass ein Licht, welches beispielsweise durch den ersten Lichtkoppler 4a in der ersten Richtung ausgesendet wird nach einem vollständigen Durchlauf des Lichtleiters 3 entlang seines Umfangs derart abgeschwächt ist, dass es mit dem ausgesendeten Lichts des ersten Lichtkopplers, welches noch nicht um den Lichtleiter gelaufen ist, zu keinen störenden Überlagerung ankommt. Vorteilhaft ist eine Dämpfung von wenigstens 10 dB. Eine solche verteilte Dämpfung kann beispielsweise durch die Ausgestaltung des Lichtleiters 3 selbst erfolgen. Ebenso kann aber auch ein Absorber an diskreten Stellen oder verteilt über die ganze Länge des Lichtleiters 3 angeordnet sein. Besonders günstig ist es, diesen Absorber steuerbar auszubilden, beispielsweise um die Absorption an die Systemdämpfung anzupassen. Hierbei können dann altersbedingte Schwankungen der Absorption ausgeglichen werden.
3 veranschaulicht den Verlauf der Verzögerung des Lichts in Abhängigkeit von der Position des zweiten Lichtkopplers 5 bezogen auf den ersten Lichtkoppler 4. Die Achse 60 zeigt die Entfernung bezogen auf einen Umlauf entsprechend der Länge des Lichtleiters 3. Das linke Ende der Achse entspricht demjenigen Punkt, an dem der zweite Lichtkoppler 5 an der Position des ersten Lichtkopplers 4 steht. Mit fortschreitender Bewegung des zweiten Lichtkopplers 5, beispielsweise entgegen dem Uhrzeigersinn, bewegt sich dieser entsprechend auf der Achse 60 nach rechts bis er schließlich wieder an der Position des ersten Lichtkopplers 4 ankommt. Dieser Punkt entspricht dem rechten Ende der Achse 60. Dies bedeutet, dass das linke Ende der Achse 60 und das rechte Ende der Achse 60 die gleiche Position angeben. Die Achse 61 zeigt in relativer Skalierung die Verzögerung der optischen Signale. Die Kurve 50 zeigt die Verzögerung des Signals entgegen dem Uhrzeigersinn (erste Richtung), das heißt in Bewegungsrichtung des Lichtkopplers 5 abgegebenen Lichts am Ort des ersten Lichtkoppler 4. Da das Licht in dieser Richtung nur einen sehr kurzen Weg zurückzulegen hat, um von dem ersten Lichtkoppler 4 zum zweiten Lichtkoppler 5 zu gelangen, wird es maximal verzögert. Mit zunehmender Entfernung des zweiten Lichtkopplers 5 vom ersten Lichtkoppler 4 wird das Signal zunehmend weniger verzögert, da die Laufzeit im Lichtleiter 3 entsprechend größer ist. Das Signal in der entgegengesetzten Richtung (zweite Richtung), dessen Verzögerung durch die Kurve 51 dargestellt ist, wird zunächst vor der Aussendung durch den ersten Lichtkoppler 4 nur minimal verzögert, da es bereits den maximalen Weg im Lichtleiter 3 durchlaufen muss. Mit zunehmender Entfernung des zweiten Lichtkopplers 4 vom ersten Lichtkoppler 5 wird die Verzögerung dieses Lichtes vergrößert, da sich die Weglänge im Lichtleiter 3 und damit die Verzögerung verringert. Wie nun aus dem Diagramm zu erkennen ist, ergibt sich nach einmaligem Durchlauf des Lichtleiters 3 die Situation, dass ein am Ausgangspunkt zuerst maximal verzögertes Signal, welches entgegen dem Uhr zeigersinn abgegeben wurde (Kurve 50), nun minimal verzögert ist. Entsprechend wird nun das in entgegengesetzter Richtung abgegebenes Signal, welches zuerst minimal verzögert wurde, maximal verzögert. Es ergibt sich an diesem Ort somit eine Unstetigkeit. Diese Unstetigkeit kann nun beispielsweise durch ein wiederholtes Übertragen nicht übertragener Bits beziehungsweise ein Löschen zu viel übertragener Bits ausgeglichen werden. Dieser Ausgleich kann für ein einzelnes Bit oder auch Vorteilhafterweise für ganze Frames erfolgen. In diesem Beispiel wurde eine Realisierung dargestellt, bei der sowohl das Signal in der erste Richtung als auch das Signal in der zweiten Richtung verzögert wird. Zum Laufzeit- bzw. Phasenausgleich wird dabei beispielsweise die Verzögerung des Signals in der ersten Richtung verringert, während die Verzögerung des Signals in der zweiten Richtung vergrößert wird. Bei umgekehrter Bewegungsrichtung ist selbstverständlich der Wirkungssinn ebenfalls umgekehrt. Alternativ hierzu kann aber auch nur eines der beiden Signale verzögert werden, während das andere Signal konstant bleibt. Dabei ist selbstverständlich der Verzögerungsfaktor des zu verzögernden Signals doppelt so groß, wie im vorhergehenden Beispiel. Dies würde in einer Darstellung entsprechend der 3 bedeuten, dass beispielsweise die Kurve 50 mit doppelter Steigung verläuft, während die Kurve 51 waagerecht liegt. Alternativ hierzu könnte auch die Kurve 51 mit doppelter Steigung verlaufen, während die Kurve 50 waagerecht verläuft. Selbstverständlich sind auch beliebige Kombinationen beziehungsweise Zwischenlösungen möglich. So kann beispielsweise 1/3 der Verzögerung in der ersten Richtung (Kurve 50) realisiert werden, während 2/3 der notwendigen Verzögerung über die zweite Richtung (Kurve 51) realisiert sind.
Nachfolgend wird eine besonders einfache Realisierung dargestellt. Die zu übertragende Datenrate sei 10 Gb pro Sekunde bei einem Umfang entsprechend einer Länge des Lichtleiters von 3 m. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes wird als 3e8 m/s angenommen. Damit beträgt die Ausbreitungslänge beziehungsweise „Wellenlänge" eines Bits 30 mm. Der Laufzeitausgleich erfolgt durch einen in Stufen einstellbaren Phasenschieber. Dieser kann beispielsweise acht Stufen umfassen. Damit ist eine Verzögerung in Schritten von 1/10 Bit, entsprechend 10 ps möglich. Zu Beginn der Bewegung sei die Verzögerung für die erste Richtung auf ein Maximum, das heißt 8/10 Bit eingestellt. Mit zunehmender Fortbewegung vergrößert sich die Laufzeit des Lichtes durch den Lichtleiter 3. Hat sich nun die Laufzeit jeweils um die Ausbreitungslänge von 1/10 Bit, entsprechend 3 mm geändert, so wird die Verzögerung entsprechend um 1/10 Bit, also 10 ps reduziert. Wesentlich ist hierbei eine genaue Information über die Position des zweiten Lichtkopplers 5. Diese kann beispielsweise durch einen Positionsencoder gewonnen werden. Alternativ beziehungsweise zusätzlich kann auch eine Zeitmessung erfolgen. So erfolgt die Drehung bei Computertomographen schon aufgrund der hohen Masse des rotierenden Teils mit sehr konstanter Geschwindigkeit. So kann mit hoher Genauigkeit durch Zeitmessung der Drehbewegung auch die Position bestimmt werden. Nachdem die Verzögerung in 10 Schritten, entsprechend der Länge eines einzelnen Bits reduziert wurde, wird nun der Phasenschieber wieder auf das Maximum, 10/10 Bit vorgestellt. Während dieses Stellvorganges wird ein redundantes Bit übertragen. Dies bedeutet, dass beispielsweise ein bereits übertragenes Bit nochmals übertragen wird, oder einfach ein auf null oder auf eins gesetztes Bit ausgesendet wird. Der Empfänger ist nun vorteilhafterweise so ausgebildet, dass er dieses zusätzlich ausgesendete Bit erkennt und beispielsweise das Bit, das entsprechende Wort oder den entsprechenden Rahmen verwirft. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Umschaltung synchron zur Aussendung von Rahmen erfolgt und hierbei insbesondere das optionale Bit an einer vorgegebenen Position übertragen wird, so dass es auf einfache Weise vom Empfänger identifiziert werden kann.
In 4 ist der Verlauf der Verzögerung des Lichtes in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Der hier zugrunde gelegte ringförmige Lichtleiter 3 weist eine signifikante Dämpfung auf. Diese Dämpfung ist so groß, dass das Licht einer Richtung nicht über den vollständigen Weg des Lichtleiters bis zurück zur Position des ersten Lichtkopplers übertragen werden kann. Dies bedeutet, dass die Dämpfung entlang der Wegstrecke des Lichtleiters so groß ist, dass ein störungsfreier Empfangs nicht mehr möglich ist. Damit sollte die Dämpfung in einem Bereich größer 6 dB, Vorteilhafterweise 12 dB und besonders vorteilhaft größer 20 dB sein. Bewegt sich nun der zweite Lichtkoppler 5 in einer ersten Richtung, beispielsweise entgegen dem Uhrzeigersinn von dem ersten Lichtkoppler 4 weg, so wird die Verzögerung des Signals der ersten Richtung entsprechend der Kurve 50 ausgehend von einem Anfangswert zunehmend verringert. Entsprechend wird die Verzögerung des Signals der zweiten Richtung vergrößert (Kurve 51). Somit besteht zunächst während eines bestimmten Zeitraums Phasengleichheit an der Position des zweiten Lichtkopplers 5. Hat sich nun der zweite Lichtkoppler 5 bis zu dem Wendepunkt 63 bewegt, so empfängt er aufgrund der Dämpfung des Lichtleiters 3 nur noch Signale aus der zweiten Richtung, während das Signal aus der ersten Richtung auf vernachlässigbar kleine Pegel abgeschwächt ist. Nun ist es möglich, die Verzögerungen der erste und der zweiten Richtung auf ihre Ausgangswerte zurückzustellen, da für die Übertragung eine Phasengleichheit der beiden Signale am Orte des zweiten Lichtkopplers 5 nicht mehr notwendig ist.
5 zeigt eine ähnliche Ausgestaltung wie in 4. Hierbei gibt es jedoch einen ersten Wendepunkt 63a und einen zweiten Wendepunkt 63b. Zwischen den beiden Wendepunkten wird aufgrund der gesteuerten Verzögerung zwischen den Signalen der ersten und der zweiten Richtung Phasengleichheit hergestellt. Hinter dem zweiten Wendepunkt und vor dem ersten Wendepunkt ist jeweils nur ein Empfang der Signale aus der zweiten Richtung und nach Passieren des ersten Lichtkopplers ein Empfang der Signale aus der ersten Richtung möglich. Daher muss hier keine Phasengleichheit am Ort des zweiten Lichtkopplers 5 bestehen. Somit wird dieser Bereich zur Rückstellung der Verzögerung verwendet.
6 zeigt eine ähnliche Ausgestaltung wie in 5. Hierbei sind jedoch die Verzögerungen minimiert.

1: Erste Einheit
2: Zweite Einheit
3: Lichtleiter
4: Erster Lichtkoppler
5: Zweiter Lichtkoppler
6: Drehachse der Drehung zwischen erster und zwei
: ter Einheit
7: Lichtleitende Faser
8: Aktuator
9: Sensor
10: Steuereinheit
11: Referenzspur
12: Mittel zur hydrostatischen oder hydrodynamischen
: Lagerung
13: Absorber
20: zweite Lagerfläche
21: erste Lagerfläche
32: Lichtstrahl
50: Verzögerung des entgegen dem Uhrzeigersinn abge
: strahlten Lichtes
51: Verzögerung des im Uhrzeigersinns abgestrahlten
: Lichtes
60: Ortsachse
61: Intensitätsachse
62: Schnittpunkt
63: Wendepunkt

Claims

Vorrichtung zur Übertragung modulierter optischer Signale zwischen einer ersten Einheit (1) und einer zweiten Einheit (2), wobei die erste Einheit gegenüber der zweiten Einheit um eine Drehachse (6) drehbar gelagert ist, umfassend – einen Lichtleiter (3) entlang einer Kreisbahn an der ersten Einheit, – einen mit dem Lichtleiter verbundenen ersten Lichtkoppler (4) zur Lichtein- bzw. Auskopplung in jeweils eine erste Richtung und eine dazu entgegengesetzte zweite Richtung des Lichtleiters (3), – einen zweiten Lichtkoppler (5), welcher an der zweiten Einheit angeordnet ist, und gegenüber dem Lichtleiter beweglich ist, zur Lichtein- bzw. Auskopplung in den Lichtleiter, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (30) vorgesehen ist, welche eine zeitliche Verschiebung zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung der durch den ersten Lichtkoppler (4) eingekoppelten beziehungsweise ausgekoppelten Signale bewirkt, so dass die Laufzeitunterschiede der Signale der ersten Richtung und der zweiten Richtung zwischen Lichtkoppler (4) und Lichtkoppler (5) kompensiert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) wenigstens ein optisches Verzögerungselement, wie thermooptische Phasenschieber, Piezo-Phasenschieber, Flüssigkristall-Phasenschieber, Laufzeitleitung, Slow-light-Element, Photonenkristalle oder ein Verzögerungselement mit Moden- selektiver Ein- bzw. Auskopplung umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) elektrische Verzögerungselemente, wie beispielsweise Laufzeitleitungen, Phasenschieber oder Speicher aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) getrennte elektrische Serializer und/oder Deserializer jeweils für die erste Richtung und die zweite Richtung aufweist, deren Takt in Phase und/oder Frequenz entsprechend der zeitlichen Verschiebung der Signale verschoben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) für diejenigen Serializer und/oder Deserializer der Richtung, in der sich ein erster Lichtkoppler (4) von einem zweiten Lichtkoppler (5) fortbewegt, eine höhere Taktfrequenz vorgibt, als für die Serializer und/oder Deserializer der entgegengesetzten Richtung.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur mehrfachen Aussendung von Bits beziehungsweise zur Löschung mehrfach übertragener Bits vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Absorber (13) an einer vorzugsweise dem ersten Lichtkoppler (4) bezogen auf die Drehachse (6) gegenüberliegenden Position angeordnet ist, wodurch der Lichtleiter (3) in vorzugsweise zwei Segmente unterteilt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (3) eine Dämpfung größer 6 dB, vorzugsweise größer 12 dB und besonders bevorzugt größer 20 dB aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung des Lichtleiters (3) am Ort des ersten Lichtkopplers am geringsten ist und in beiden Richtungen jeweils bis zur bezogen auf die Drehachse (6) gegenüberliegenden Position zunimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung des Lichtleiters (3) am Ort des ersten Lichtkopplers am größten ist und in beiden Richtungen jeweils bis zur bezogen auf die Drehachse (6) gegenüberliegenden Position abnimmt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein steuerbarer Absorber (13) an einer vorzugsweise dem ersten Lichtkoppler (4) bezogen auf die Drehachse (6) gegenüberliegenden Position angeordnet ist, wodurch der Lichtleiter (3) in vorzugsweise zwei Segmente unterteilt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein steuerbarer Absorber (13) vorgesehen ist, welcher wenigstens zwei wechselweise aktivierbare Segmente aufweist, die derart angesteuert werden, dass der zweite Lichtkoppler (5) zumindest ein Signal aus der ersten oder zweiten Richtung empfängt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein steuerbarer Absorber (13) mit einem zweiten Lichtkoppler (5) synchron beweglich, vorzugsweise an einer diesem gegenüberliegenden Position vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Positionssensor (31) vorgesehen ist, welcher die Position des zweiten Lichtkopplers (5) gegenüber dem ersten Lichtkoppler (4) ermittelt und an die Steuereinheit (30) signalisiert.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 umfassend die folgenden Schritte: – Aussendung von moduliertem Licht in einen auf einer Kreisbahn angeordneten Lichtleiter in zwei entgegengesetzten Richtungen, – Steuern des Lichtes der beiden entgegengesetzten Richtungen derart, dass die Laufzeiten des Lichtes in beiden Richtungen vom Ort der Aussendung bis zum Ort des Empfangs gleich groß sind, – gleichzeitiges Empfangen des in beiden Richtungen übertragenen Lichtes