DE102007004514A1

DE102007004514A1 - Zweikanal Multimode Drehübertager

Info

Publication number: DE102007004514A1
Application number: DE102007004514A
Authority: DE
Inventors: Gregor Popp; Andreas Philipp Seeger
Original assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Current assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Priority date: 2007-01-24
Filing date: 2007-01-24
Publication date: 2008-07-31
Also published as: US7724996B2; US20080175535A1

Abstract

Ein optischer Zweikanal-Drehübertrager, der auch zur Verkopplung von Singlemode-Fasern geeignet ist, umfasst zwei gegeneinander drehbare Gehäuseteile. Jedes dieser Gehäuseteile nimmt einen Lichtwellenleiter zur Zuführung von Licht und einen Lichtwellenleiter zur Abführung von Licht auf. Die Anordnung weist zwei in entgegengesetzter Richtung betreibbare optische Pfade auf, wobei jeweils ein Lichtwellenleiter zur Zuführung von Licht mit einem Lichtwellenleiter zur Abführung von Licht verkoppelt ist. Weiterhin ist an den Lichtwellenleitern zur Zuführung von Licht jeweils ein Fokussierer vorgesehen, der das Licht des Lichtwellenleiters auf den entsprechenden Lichtwellenleiter zur Abführung von Licht fokussiert.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Singlemode-Drehübertrager für optische Signale mit zwei Kanälen, wobei die Signale in entgegengesetzten Richtungen gleichzeitig übertragen werden können.
Stand der Technik
Aufgrund ihrer höheren Flexibilität und Robustheit werden häufig anstelle von kabelgebundenen Bussystemen optische Bussysteme eingesetzt. Bei derartigen Bussystemen werden Signale beziehungsweise Informationen regelmäßig in zwei entgegengesetzten Richtungen des Bussystems übertragen, um eine bidirektionale Kommunikation zwischen verschiedenen Teilnehmern zu ermöglichen.
Zu Übertragung von optischen Signalen zwischen gegeneinander drehbaren Einheiten sind optische Drehübertrager bekannt.
In der US 5,568,578 ist ein optischer Drehübertrager für mehrere Kanäle mit einem Dove-Prisma offenbart. Mit einem solchen Drehübertrager lassen sich wesentlich mehr als zwei Kanäle übertragen. Er bietet somit eine ausgezeichnete Flexibilität. Allerdings machen die hohen Kosten der aufwändigen Mechanik einen solchen Drehübertrager für viele Anwendungen uninteressant.
In der US 5,588,077 ist ein Drehübertrager mit zwei Kanälen offenbart. Bei allen Ausführungen wird ein Strahlengang (Channel B) durch ein Linsenpaar aufgeweitet und wieder gebündelt, während die optischen Elemente des anderen Strahlengangs (Channel A) in diesem angeordnet sind. Bei dieser Vorrichtung werden komplexe Linsensysteme benötigt, wobei insbesondere eine Aufweitung des Channel B so weit erfolgen muss, dass durch die optischen Elemente des Channel A nur eine unwesentliche Beeinflussung erfolgt. Ferner kann diese Vorrichtung nicht rotationssymmetrisch aufgebaut werden, da wenigstens zwei Lichtleiter radial von außen in die Strahlengangs geführt werden müssen. Diese Unsymmetrie führt zu einer drehwinkelabhängigen Dämpfung.
In der DE 20018842 U1 ist ein weiterer Zweikanal-Drehübertrager offenbart. Bei diesem wird jeweils Licht aus einer schräg zur Rotationsachse angeordneten lichtleitenden Faser in eine weitere, gegenüber dieser drehbar gelagerten, in der Rotationsachse angeordneten Faser eingekoppelt. Eine weitere, entsprechende Kopplereinrichtung ist für den entgegengesetzten Strahlengang vorgesehen. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass bei Singlemode-Fasern die Dämpfung sehr groß ist.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehübertrager zur bidirektionalen Übertragung optischer Signale derart auszugestalten, dass dieser ein relativ niedrige und weitgehend Rotationswinkelunabhängige Durchgangsdämpfung aufweist.
Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein erstes Gehäuseteil 10 sowie ein zweites Gehäuseteil 11, welche mittels einer Lagereinheit 12, 13 die Rotationsachse 14 drehbar miteinander verbunden sind. Der erste optische Pfad umfasst einen ersten Lichtwellenleiter 20 am ersten Gehäuseteil 10 zur Zuführung von Licht, welcher in der ersten Ferrule 21 aufgenommen ist. Am Ende des Lichtwellenleiters ist ein erster Fokussierer 22 zur Fokussierung des von dem Lichtwellenleiter ausgesandten Lichtes 23 auf den zweiten Lichtwellenleiter 25 vorgesehen. Der Lichtwellenleiter 25 am zweiten Gehäuseteil 11 ist selbst in einer Ferrule 24 aufgenommen. Der zweite in entgegengesetzter Richtung verlaufende Lichtpfad umfasst einen dritten Lichtwellenleiter 30 am zweiten Gehäuseteil 11 zur Zuführung von Licht, welcher in der Ferrule 31 aufgenommen ist. Am Ende des dritten Lichtwellenleiters ist ein zweiter Fokussierer 32 zur Fokussierung des von dem Lichtwellenleiter ausgesandten Lichtes 33 auf den vierten Lichtwellenleiter 35 vorgesehen. Der Lichtwellenleiter 35 am ersten Gehäuseteil 10 ist in der zweiten Ferrule 34 aufgenommen.
Erfindungsgemäß sind die Lichtwellenleiter 25, 35 zur Abführung von Licht längs der Rotationsachse 14 ausgerichtet. Die Lichtwellenleiter 20, 30 zur Zuführung von Licht sind in einem Winkel schräg zur Rotationsachse 14 sowie seitlich der Rotationsachse 14 angeordnet, so dass der Lichtstrahl in die Mitte der Lichtwellenleiter 25, 35 zur Abführung von Licht trifft.
Mit seinem Grundprinzip ist ein erfindungsgemäßer Drehübertrager mit zwei Kanälen ausschließlich zur Signalübertragung in einer vorgegebenen Richtung geeignet. So führt der erste Lichtpfad vom ersten Lichtwellenleiter 20 zum zweiten Lichtwellenleiter 25. Der zweite Lichtpfad verläuft in entgegengesetzter Richtung vom dritten Lichtwellenleiter 30 zum vierten Lichtwellenleiter 35. Damit ist eine Übertragung in zwei entgegengesetzten Richtungen möglich. Dies erlaubt genau wie bei Bussystemen benötigte Kommunikation in zwei Richtungen und stellt für die meisten gängigen Bussysteme auch keine Einschränkung dar, da diese für jede Richtung einen eigenen Lichtwellenleiter verwenden.
Der Begriff der Lichtwellenleiter wird hier in allgemeiner Form verwendet. Vorzugsweise werden als Lichtwellenleiter Glasfasern, besonders bevorzugt Singlemode-Fasern eingesetzt. Alternativ kann als Lichtwellenleiter auch Kunststofffasern eingesetzt werden.
Der Begriff der Ferrulen 21, 24, 31 und 34 ist hier in allgemeiner Form für Elemente zur Halterung beziehungsweise Führung der Lichtwellenleiter verwendet. Dies können alternativ auch beliebige Elemente mit ähnlichen Funktionen eingesetzt werden. Alternativ könnten die Lichtwellenleiter auch direkt mit dem ersten Gehäuseteil 10 oder dem zweiten Gehäuseteil 11 verbunden sein.
Der Begriff des Fokussierers bezieht sich auf ein beliebiges strahlführendes und/oder strahlformendes Element, welches in der Lage ist, dass von dem ersten Lichtwellenleiter 20 beziehungsweise dem dritten Lichtwellenleiter 30 ausgesandte Licht auf die Stirnfläche des zweiten Lichtwellenleiters 25 beziehungsweise des vierten Lichtwellenleiters 35 abzubilden. Ein Fokussierer kann auch ein Kollimator sein. Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass im Gegensatz zum Stand der Technik, wie er beispielsweise aus der US 5,568,578 bekannt ist, nur ein einziger Fokussierer pro Kanal benötigt wird. Da diese Bauteile meist teuer und aufwändig zu justieren sind, kann durch eine solche erfindungsgemäße Ausführung eine wesentliche Reduzierung der Kosten erreicht werden.
Die richtige Auslegung der Fokussierer hat einen wesentlichen Einfluss auf die Koppeldämpfung des Drehübertragers. Nachfolgend wird auf den Vergrößerungsfaktor eines Fokussierers Bezug genommen. Dieser wird hier definiert als das Verhältnis des Strahldurchmessers auf der Empfangsseite (z. B. Ende des Lichtwellenleiters 20 oder Ende des Lichtwellenleiters 30) zum Strahldurchmesser auf der Eingangsseite (z. B. Ende des Lichtwellenleiters 25 oder Ende des Lichtwellenleiters 35). Im Idealfall würde ein Vergrößerungsfaktor von 1 eine minimale Durchgangsdämpfung bieten, wenn die Fläche eines Lichtwellenleiters auf der Eingangseite identisch auf die Fläche eines Lichtwellenleiters auf der Ausgangsseite abgebildet wird. Tatsächlich müssen aber auch noch die mechanischen Toleranzen der gesamten Anordnung berücksichtigt werden.
Vorteilhafterweise wird der Vergrößerungsfaktor eines erfindungsgemäßen Fokussierers derart dimensioniert, dass dieser kleiner als 1 ist und somit das ganze Licht der Sendeseite auf die Empfangsseite eingekoppelt wird.
In einer besonders vorteilhaften Dimensionierung wird der Vergrößerungsfaktor eines erfindungsgemäßen Fokussierers derart gewählt, dass der Lichtfleckdurchmesser auf der Empfangsseite kleiner oder gleich dem Durchmesser des empfangenden Lichtleiters abzüglich der Summe aller Rundlauf- und Exzentritätstoleranzen der Vorrichtung ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass in wenigstens einem Lichtpfad unmittelbar vor dem Ende eines Lichtwellenleiters der Empfangsseite (20, 30) ein Element zu Erhöhung der Koppeleffizienz angebracht ist. Ein derartiges Element zu Erhöhung der Koppeleffizienz kann beispielsweise ein Fasertaper, ein Prisma oder ein angeschliffenes Faserende, insbesondere auch ein angeschliffenes Ende eines Lichtwellenleiters der Empfangsseite sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die optischen Komponenten der beiden optischen Pfade gegeneinander versetzt. Wesentlich ist hierbei, dass wenigstens ein Lichtwellenleiter zur Zuführung von Licht 20, 30 zusammen mit dem zugeordneten Fokussierer 22, 32 gegenüber dem am selben Gehäuseteil 10, 11 angeordneten Lichtwellenleiter zur Abführung von Licht 35, 25 in Richtung des entsprechenden Lichtwellenleiters zur Abführung von Licht 25, 35 versetzt ist. Es schließen also das Ende wenigstens eines Lichtwellenleiters zur Zuführung von Licht und das Ende des an dem selben Gehäuseteil angeordneten Lichtwellenleiters zur Abführung von Licht nicht bündig miteinander ab. Dadurch kann insbesondere die Länge der optischen Pfade reduziert werden. So kann die Vorderkante wenigstens eines Fokussierers näher an die Rotationsachse des Drehübertragers herangeführt werden. Bei einer bündigen Anordnung wäre die Vorderkante wenigstens eines Fokussierers um mindestens den Radius einer Ferrule eines Lichtwellenleiters zur Abführung von Licht von der Rotationsachse entfernt. Im Inneren des Drehübertragers muss nur der Bereich für den Strahlengang von weiteren Bauteilen freigehalten werden. Daher kann nun die Vorderkante bis auf den Durchmesser des Lichtstrahls an die Rotationsachse herangeführt werden. Als Folge lässt sich nicht nur der optische Pfad, sondern auch der Bauraum der gesamten Anordnung verkürzen.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben.
1 zeigt in allgemeiner Form schematisch einen erfindungsgemäßen Drehübertrager. Dieser umfasst ein erstes Gehäuseteil 10 sowie ein zweites Gehäuseteil 11, welche mittels einer Lagereinheit 12, 13 die Rotationsachse 14 drehbar miteinander verbunden sind. Die Lagereinheit ist hier beispielhaft mit zwei Kugellagern 12, 13 realisiert. Selbst verständlich wäre entsprechend des Erfindungsgedankens auch jede andere geeignete Lagergestaltung möglich. Der erste optische Pfad umfasst einen ersten Lichtwellenleiter 20 am ersten Gehäuseteil 10 zur Zuführung von Licht, welcher in der ersten Ferrule 21 aufgenommen ist. Am Ende des Lichtwellenleiters ist ein erster Fokussierer 22 zur Fokussierung des von dem Lichtwellenleiter ausgesandten Lichtes 23 auf den zweiten Lichtwellenleiter 25 vorgesehen. Der Lichtwellenleiter 25 am zweiten Gehäuseteil 11 ist selbst in einer Ferrule 24 aufgenommen. Der zweite in entgegengesetzter Richtung verlaufende Lichtpfad umfasst einen Dritten Lichtwellenleiter 30 am zweiten Gehäuseteil 11 zur Zuführung von Licht, welcher in der Ferrule 31 aufgenommen ist. Am Ende des dritten Lichtwellenleiters ist ein zweiter Fokussierer 32 zur Fokussierung des von dem Lichtwellenleiter ausgesandten Lichtes 33 auf den vierten Lichtwellenleiter 35 vorgesehen. Der Lichtwellenleiter 35 am ersten Gehäuseteil 10 ist in der zweiten Ferrule 34 aufgenommen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Komponenten des ersten und zweiten optischen Pfades gegeneinander versetzt, um die optische Pfadlänge und den gesamten Bauraum der Anordnung zu reduzieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die optischen Komponenten der beiden optischen Pfade in Richtung des optischen Pfades, parallel zur Rotationsachse gegeneinander versetzt. Dadurch kann insbesondere die Länge der optischen Pfade reduziert werden. Weiterhin lässt sich der Bauraum der gesamten Anordnung verkürzen.

10: erstes Gehäuseteil
11: zweites Gehäuseteil
12: erstes Kugellager der Lagereinheit
13: zweites Kugellager der Lagereinheit
14: Rotationsachse
20: erster Lichtwellenleiter
21: erste Ferrule
22: erster Fokussierer
23: erster Lichtpfad
24: zweite Ferrule
25: zweiter Lichtwellenleiter
30: dritter Lichtwellenleiter
31: dritte Ferrule
32: zweiter Fokussierer
33: Seite Lichtpfad
34: vierte Ferrule
35: vierter Lichtwellenleiter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5568578 [0004, 0014]
- US 5588077 [0005]
- DE 20018842 U1 [0006]

Claims

Optischer Drehübertrager umfassend ein erstes Gehäuseteil (10) sowie ein zweites Gehäuseteil (11), welche mittels einer Lagereinheit (12, 13) die Rotationsachse (14) drehbar miteinander verbunden sind, wobei ein erster optischer Pfad umfassend einen ersten Lichtwellenleiter (20) am ersten Gehäuseteil (10) zur Zuführung von Licht sowie einen zweiten Lichtwellenleiter (25) am zweiten Gehäuseteil (11) zur Abführung des Lichts und ein zweiter in entgegengesetzter Richtung verlaufender optischer Pfad umfassend einen dritten Lichtwellenleiter (30) am zweiten Gehäuseteil (11) zur Zuführung von Licht sowie ein vierter Lichtwellenleiter (35) am ersten Gehäuseteil (10) zur Abführung des Lichts vorgesehen ist, und wobei die Lichtwellenleiter (25, 35) zur Abführung von Licht längs der Rotationsachse (14) angeordnet sind und die Lichtwellenleiter (20, 30) zur Zuführung von Licht unter einem Winkel zur Rotationsachse seitlich der Rotationsachse derart angeordnet sind, dass deren Lichtstrahl auf die Mitte der Lichtwellenleiter (25, 35) zur Abführung von Licht fällt, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende des Lichtwellenleiters (21) ein erster Fokussierer (22) zur Fokussierung des von dem Lichtwellenleiter (21) ausgesandten Lichtes (23) auf den zweiten Lichtwellenleiter (25) und am Ende des dritten Lichtwellenleiters (31) ein zweiter Fokussierer (32) zur Fokussierung des von dem Lichtwellenleiter ausgesandten Lichtes (33) auf den vierten Lichtwellenleiter (35) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Lichtwellenleiter (20, 25, 30, 35) in einer Ferrule fixiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergrößerungsfaktor wenigstens eines Fokussierers (22, 32) kleiner 1 ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergrößerungsfaktor wenigstens eines Fokussierers (22, 32) kleiner oder gleich dem Durchmesser des empfangenden Lichtleiters (25, 35) abzüglich der Summe aller Rundlauf- und Exzentritätstoleranzen der Vorrichtung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtpfad vor wenigstens einem der empfangenden Lichtleiter (25, 35) ein Element zu Erhöhung der Koppeleffizienz wie ein Fasertaper oder ein Prisma angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Ende einer der empfangenden Lichtleiter (25, 35) angeschliffen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Lichtwellenleiter zur Zuführung von Licht (20, 30) zusammen mit dem zugeordneten Fokussierer (22, 32) gegenüber dem am selben Gehäuseteil (10, 11) angeordneten Lichtwellenleiter zur Abführung von Licht (35, 25) in Richtung des entsprechenden Lichtwellenleiters zur Abführung von Licht (25, 35) versetzt ist.