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Dokumentenidentifikation DE102005056899B4 18.10.2007
Titel Polarisationserhaltende optische Drehkupplung
Anmelder Schleifring und Apparatebau GmbH, 82256 Fürstenfeldbruck, DE
Erfinder Popp, Gregor, 80636 München, DE
Vertreter Lohr, G., Dipl.-Ing. Univ. Dr.-Ing., Pat.-Anw., 82178 Puchheim
DE-Anmeldedatum 28.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005056899
Offenlegungstag 31.05.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.10.2007
IPC-Hauptklasse G02B 6/27(2006.01)A, F, I, 20051128, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G02B 6/36(2006.01)A, L, I, 20051128, B, H, DE   G02B 27/28(2006.01)A, L, I, 20051128, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur polarisationserhaltenden Übertragung optischer Signale zwischen gegeneinander drehbaren Einheiten (Drehkupplung). Dabei sollen vorzugsweise mehrere optische Signale in mehreren Kanälen gleichzeitig übertragen werden.

Stand der Technik

Insbesondere bei hochbitratigen Übertragungssystemen mit Datenraten von 40 GBit/s und darüber erfolgt die Übertragung polarisationserhaltend. Es wird hier Licht vorzugsweise mit einer definierten linearen Polarisation übertragen. Auch bei verschiedenen optischen Sensoren wird polarisiertes Licht eingesetzt. So kann eine Änderung der Polarisation des Lichtes durch die Messgröße ausgewertet werden. Derartige optische Signale müssen häufig zwischen gegeneinander drehbaren Einheiten übertragen werden.

Zur grundsätzlichen Übertragung optischer Signale zwischen gegeneinander drehbaren Einheiten sind verschiedene Übertragungssysteme bekannt.

In der US 5,568,578 A ist ein optischer Drehübertrager für mehrere Kanäle mit einem Dove-Prisma offenbart. Die Polarisation des eingekoppelten Lichts ändert sich mit der Drehung der beiden Einheiten gegeneinander. Weiterhin ist auch durch die eingesetzten Komponenten, wie die Kollimatoren keine Übertragung von Licht mit konstanter Polarisation möglich.

In der EP 1476969 B1 ist ein Drehübertrager offenbart, bei dem das Licht durch mehrfache Reflexionen in einem verspiegelten Graben übertragen wird. Durch die je nach Position verschiedene Anzahl von Reflexionen wird die Polarisation des einfallenden Lichtes in unvorhersehbarer Weise geändert.

In der EP 0 490 054 A1 ist ein zweikanaliger Drehübertrager für optische Signale offenbart. Darin werden die linear polarisierten Signale der beiden Kanäle in zirkular polarisierte Signale mit entgegengesetzter Rotationsrichtung mittels eines &lgr;/4-Transformators umgesetzt und über die Drehgrenze übertragen. Anschließend werden die beiden zirkular polarisierten Signale wieder mittels eines &lgr;/4-Transformators in linear polarisierte Signale umgesetzt und separiert.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehübertrager zur Übertragung optischer Signale sowie ein Verfahren zur Übertragung optischer Signale mit gegeneinander rotierenden Einheiten derart auszugestalten, dass Licht einer definierten, näherungsweise linearen Polarisation von einer Seite unter Beibehaltung der Polarisation auf die andere Seite übertragen werden kann.

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

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist wenigstens zwei Kollimatoren 1, 4 auf, welche um eine Achse 6 gegeneinander drehbar angeordnet sind. Zwischen wenigstens einem ersten Kollimator 1 und wenigstens einem gegenüber diesem drehbar angeordneten zweiten Kollimator 4 besteht ein optischer Pfad 8 zur Übertragung von Licht. Im Strahlengang des optischen Pfads befinden sich jeweils dem wenigstens einen ersten Kollimator 1 und dem wenigstens einen zweiten Kollimator 4 zugeordnet wenigstens zwei Polarisationswandler 7, 9, die bevorzugt als Lambda/4 (&lgr;/4)-Platten ausgebildet sind. In den nachfolgenden Ausführungen wird aus Gründen der Anschaulichkeit auf den Begriff der &lgr;/4 Platten Bezug genommen. Erfindungsgemäß sind aber beliebige Polarisationswandler einsetzbar, die die entsprechende Polarisationsumsetzung für das zu übertragende Licht (linear -> zirkular, zirkular -> linear) bewirken. Dies können beispielsweise auch aktive optische Systeme basierend auf Flüssigkristallen oder auch Photonenkristalle sein.

Durch eine erste &lgr;/4-Platte 7 wird durch einen ersten Kollimator 1 eingekoppeltes Licht mit linearer Polarisation in Licht mit zirkularer Polarisation umgewandelt. Diese zirkulare Polarisation ist gegenüber einer Drehung der Anordnung invariant. Vor dem Eintritt in den zweiten Kollimator 4 wird das Licht zirkularer Polarisation wieder durch eine zweite &lgr;/4-Platte in Licht linearer Polarisation umgewandelt.

Weiterhin befindet sich in dem optischen Pfad 8 wenigstens ein derotierendes Element 3, welches für eine Abbildung des von einem ersten Kollimator 1 ausgesendeten Lichtes auf einen zweiten Kollimator 4 ebenso auch in umgekehrter Richtung, unabhängig von der Rotationsbewegung zwischen den beiden Kollimatoren sorgt. Ein solches derotierendes Element kann beispielsweise ein Dove-Prisma oder ein Abbe-König-Prisma sein. Mit einem solchen derotierenden Element können optische Signale, deren optischer Pfad nicht mit der Rotationsachse identisch ist, übertragen werden. Damit ist eine solche Anordnung besonders zur Übertragung mehrerer optischer Signale gleichzeitig geeignet.

Unter &lgr;/4-Platten werden hier dünne Platten aus Doppelbrechendem Material, wie Quarz, Glimmer oder organischen Polymeren verstanden. Die Dicke der Platten ist so gewählt, dass eine Platte zwischen den orthogonalen o- und e-Komponenten einer Welle eine relative Phasenverschiebung von &Dgr;&phgr; = &pgr;/2 einführt. Diese Phasenverschiebung von 90° wandelt linear polarisiertes Licht in elliptisch polarisiertes Licht und umgekehrt. Insbesondere wird linear polarisiertes Licht, welches in einem Winkel von 45° zu einer der beiden Hauptachsen einer solchen Platte auftrifft, in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt. In diesem Fall sind die Amplituden der o- und e-Komponenten identisch. Ebenso wird ein zirkular polarisierter Lichtstrahl in einen linear polarisierten Lichtstrahl umgewandelt. &lgr;/4-Platten sind regelmäßig für vorgegebene Wellenlängen ausgelegt. Durch kombinierte Platten aus verschiedenen Werkstoffen können diese aber breitbandiger gestaltet bzw. für mehrere Wellenlängen ausgelegt werden. So können auch entsprechende Platten für verschiedene Wellenlängen hintereinander angeordnet werden.

Der Begriff Kollimator steht hier im weitesten Sinne für ein strahlführendes beziehungsweise strahlformendes Element. Die Aufgabe eines solchen Kollimators besteht in der Umsetzung des in einem Lichtwellenleiter, beispielsweise einer Singlemode-Faser oder auch einer Multimode-Faser geführten Lichtes in einen Strahlengang, welcher durch den Drehübertrager und insbesondere durch das derotierende Element geführt werden kann. Dieser entspricht einem Strahlengang im Freiraum beziehungsweise in einem optischen Medium, wie beispielsweise Gas oder Öl. Ebenso kann durch einen Kollimator auch eine Umsetzung in umgekehrter Richtung, d.h. vom Strahlengang im Drehübertrager in einen Lichtwellenleiter, erfolgen. Selbstverständlich sind innerhalb eines Kollimators auch Umsetzungen in beide Richtungen denkbar. Ein Kollimator kann als einzelne optische Komponente beispielsweise als Linse, bevorzugt eine Kugellinse oder auch eine GRIN-Linse bzw. als Faserstück realisiert werden. Ebenso kann ein Kollimator auch ein mikrooptisches Bauteil sein. Weiterhin können mehrere Kollimatoren zu einem Kollimatorarray zusammengefasst sein. Besonders günstig ist die Kombination eines solchen Arrays mit weiteren mechanischen und/oder optischen Komponenten, wie beispielsweise zur Halterung der lichtleitenden Fasern oder mit einem derotierenden Element, wie einer oder mehrerer &lgr;/4-Platten.

Die erfindungsgemäßen Anordnungen können grundsätzlich in beiden Richtungen, also vom ersten Kollimator zum zweiten Kollimator oder umgekehrt, aber auch bidirektional betrieben werden. Zur einfacheren Darstellung wird nachfolgend auch auf Lichteintrittsflächen, Lichteinkopplung etc. Bezug genommen. Es ist selbstverständlich, dass sich diese Begriffe bei umgekehrter Übertragungsrichtung auf die entsprechenden Lichtaustrittsflächen etc. beziehen.

Entsprechend der Erfindung können auch ein oder mehrere Hohlräume im inneren der Anordnung mit Luft, einem Gas oder auch einer Flüssigkeit, wie öl gefüllt sein. Entsprechend bezieht sich der Begriff der Freiraumausbreitung auch auf eines oder eine Kombination dieser Medien. Optional kann das Medium im Falle eines aktiven optisches Mediums die Funktion eines Polarisationswandlers übernehmen.

Die Erfindung sieht weitere Polarisationswandler, vorzugsweise &lgr;/4-Platten 13, 14 vor, die dem derotierenden Element 3 zugeordnet sind und sich mit diesem drehen. Somit kann das zirkular polarisierte Licht vor dem Eintritt in das derotierende Element wieder in eine lineare Polarisation übertragen werden. Hierbei wird vorzugsweise eine Polarisationsrichtung gewählt, die mit den geringsten Verlusten durch das derotierende Element übertragen werden kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Ankopplung an die Kollimatoren 1, 4 mittels Polarisationserhaltender Fasern. Ebenso wäre aber auch eine direkte Einkopplung, beispielsweise durch einen Laser möglich.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine erfindungsgemäße Anordnung mit wenigstens einer Kollimatoranordnung 1, 4 ausgestaltet, welche mehrere Kollimatoren in einer Einheit, vorzugsweise einer monolithischen Einheit aufweist. Eine solche Einheit besteht vorzugsweise aus mikrooptischen Komponenten.

Zur Verringerung von Reflexionen weist wenigstens eine &lgr;/4-Platte 7, 9 13, 14 eine Anti-Reflex-Beschichtung auf.

Weiterhin wird vorteilhafterweise wenigstens eine &lgr;/4-Platte 7, 9 13, 14 schräg zum einfallenden Lichtstrahl gekippt. Dabei ist die Auslegung der Wellenlänge der Platte wegen der höheren resultierenden Schichtdicke anzupassen.

Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass zur Übertragung mehrerer Wellenlängen wenigstens zwei &lgr;/4-Platten 7, 9 13, 14 aus verschiedenen Materialien hintereinander angeordnet sind.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur polarisationserhaltenden Übertragung von linear polarisiertem Licht zwischen einer ersten Einheit 1, 2, 7, 10 und einer zweiten Einheit gegenüber der ersten drehbaren Einheit 4, 5, 9, 11 umfasst die folgenden Schritte:

  • 1) Kollimation von linear polarisiertem Licht durch wenigstens einen ersten Kollimator 1 der ersten Einheit,
  • 2) Umwandlung von linear polarisiertem Licht in zirkular polarisiertes Licht mit einem ersten Polarisationswandler, vorzugsweise durch wenigstens eine &lgr;/4-Platte 7, die der ersten Einheit zugeordnet ist,
  • 3) Kopplung des Lichtes durch Freiraumausbreitung von der ersten Einheit zu einem dritten Polarisationswandler, vorzugsweise einer dritten &lgr;/4-Platte 13,
  • 4) Umwandlung von zirkular polarisiertem Licht in linear polarisiertes Licht durch den dritten Polarisationswandler, vorzugsweise durch die dritte &lgr;/4-Platte 13, die zusammen mit dem wenigstens einen derotierenden optischen Element 3 bewegt wird,
  • 5) Derotation des Lichtes mit dem wenigstens einen derotierenden optischen Element 3, wie beispielsweise einem Dove-Prisma, das sich mit der halben Winkelgeschwindigkeit zwischen der ersten Einheit und der zweiten Einheit dreht,
  • 6) Umwandlung von linear polarisiertem Licht in zirkular polarisiertes Licht durch einen vierten Polarisationswandler, vorzugsweise durch wenigstens eine vierte &lgr;/4-Platte 14, die zusammen mit dem wenigstens einen derotierenden optischen Element 3 bewegt wird,
  • 7) Kopplung des Lichtes von dem vierten Polarisationswandler, vorzugsweise einer vierten &lgr;/4-Platte 14 zu der zweiten Einheit durch Freiraumausbreitung,
  • 8) Umwandlung von zirkular polarisiertem Licht in linear polarisiertes Licht mit einem zweiten Polarisationswandler, vorzugsweise durch wenigstens eine &lgr;/4-Platte 9, die der zweiten Einheit zugeordnet ist, und
  • 9) Kollimation von linear polarisiertem Licht durch einen zweiten Kollimator 2 der zweiten Einheit.

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 Anordnung zur mehrkanaligen Übertragung.

2 zeigt in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung zur einkanaligen Übertragung.

1 zeigt in schematischer Form eine erfindungsgemäße Anordnung zur mehrkanaligen Übertragung im Schnitt. Der erfindungsgemäße optische Drehübertrager umfasst einen ersten Kollimator 1 zur Ankopplung von Lichtwellenleitern 2, sowie einen zweiten Kollimator 4 zur Ankopplung zweiter Lichtwellenleiter 5. Der zweite Kollimator 4 ist gegenüber dem ersten Kollimator 1 um die Drehachse 6a, 6b (hier auch als z- Achse bezeichnet) drehbar gelagert. Zur besseren Darstellung ist hier die Drehachse 6 durch die beiden Liniensegmente 6a und 6b angedeutet und nicht durch den gesamten Drehübertrager durchgezeichnet. Zur Kompensation der Drehbewegung befindet sich im Strahlengang zwischen einem ersten Kollimator 1 und einem zweiten Kollimator 4 ein derotierendes Element 3. Das derotierende Element umfasst hier beispielsweise ein Dove-Prisma. Es wird hier mit der halben Winkelgeschwindigkeit der Bewegung zwischen erstem und zweitem Kollimator bewegt. Weiterhin ist eine erste &lgr;/4 Platte 7 zur Umsetzung des linear polarisierten Lichtes aus den ersten Lichtwellenleitern 2 vorgesehen. Diese Platte ist in einer Ersten Aufnahme zusammen mit dem ersten Kollimator befestigt. Das Licht wird in Licht zirkularer Polarisation umgesetzt. Anstelle der hier beispielhaft beschriebenen &lgr;/4 Platte sind erfindungsgemäß auch beliebige andere Polarisationswandler einsetzbar. Vor und hinter dem derotierenden optischen Element 3 sind jeweils eine dritte &lgr;/4 Platte 13 und eine vierte &lgr;/4 Platte (14) mittels der Prismenaufnahme 12 befestigt. Diese drehen sich synchron zum Dove Prisma. Durch die dritte &lgr;/4 Platte 13 wird das Licht wieder in Licht linearer Polarisation umgewandelt. Dabei wird die Polarisationsrichtung so gewählt, dass das Licht mit minimaler Dämpfung durch das Dove-Prisma (oder ein anderes derotierendes Element) übertragen werden kann. Da die &lgr;/4 Platten mit dem Prisma bewegt werden, tritt in dieses unabhängig von der Position immer Licht der gleichen Polarisation ein. Dadurch kann das Licht auch unabhängig von der Position immer mit der gleichen Dämpfung übertragen werden. Dies ist besonders wichtig, wenn die Dämpfung eben stark polarisationsabhängig ist, wie dies beispielsweise bei einer Spiegelung an verspiegelten Flächen, wie sie insbesondere bei Abbe-König-Prismen vorkommen, der Fall ist. Damit kann auch der Nachteil der polarisationsabhängigen Dämpfung von Antireflexbeschichtungen an rotierenden Teilen, insbesondere am derotierenden Element vermieden werden. Besondere, polarisationsabhängige Antireflexbeschichtungen sind nicht mehr notwendig. Nach dem Durchtritt durch das derotierende Element wird das Licht linearer Polarisation durch eine vierte &lgr;/4 Platte 14 wieder in Licht zirkularer Polarisation umgewandelt. In einer vereinfachten Ausführungsform können die dritte &lgr;/4 Platte 13 und die vierte &lgr;/4 Platte 14 auch weggelassen werden. Schließlich wird das zirkular polarisierte Licht durch eine zweite &lgr;/4 Platte 9 wieder in linear polarisiertes Licht umgesetzt und kann dann über zweite Kollimatoren 4 in die zweiten Lichtwellenleiter 5 eingekoppelt werden. Unterhalb der Darstellung des optischen Systems sind zur Veranschaulichung die Bereiche verschiedener Polarisationen angegeben. So ist das Licht in den Bereichen 30, 32 und 34 linear und in den Bereichen 31 und 33 zirkular polarisiert. Selbstverständlich kann Licht auch entgegen der hier Beschriebenen Richtung übertragen werden. Ebenfalls können mehrere Lichtstrahlen in entgegengesetzte Richtungen gleichzeitig übertragen werden.

2 zeigt einen optischen Drehübertrager mit nur einem optischen Pfad auf der Drehachse. Er entspricht dem zuvor dargestellten Drehübertrager, jedoch wird die gesamte Baugruppe um das derotierende optische Element nicht benötigt.

1
Erster Kollimator
2
erste Lichtwellenleiter
3
derotierendes optisches Element
4
zweiter Kollimator
5
zweite Lichtwellenleiter
6
Drehachse (z-Achse)
7
Erster Polarisationswandler (&lgr;/4-Platte)
8
optischer Pfad
9
Zweiter Polarisationswandler (&lgr;/4-Platte)
10
Erste Aufnahme
11
Zweite Aufnahme
12
Aufnahme Prisma
13
Dritter Polarisationswandler (&lgr;/4-Platte)
14
Vierter Polarisationswandler (&lgr;/4-Platte)
30
Erster Bereich linearer Polarisation
31
Erster Bereich zirkularer Polarisation
32
Zweiter Bereich linearer Polarisation
33
Zweiter Bereich zirkularer Polarisation
34
Dritter Bereich linearer Polarisation


Anspruch[de]
Polarisationserhaltender optischer Drehübertrager zur Übertragung von linear polarisiertem Licht umfassend wenigstens einen ersten Kollimator (1) zur Ankopplung von ersten Lichtwellenleitern (2) sowie wenigstens einen zweiten Kollimator (4) zur Ankopplung von zweiten Lichtwellenleitern (5), welcher gegenüber dem wenigstens einen ersten Kollimator (1) um eine Drehachse (6a, 6b) drehbar gelagert ist, und

im optischen Pfad (8) zwischen dem wenigstens einen ersten Kollimator (1) und dem wenigstens einen zweiten Kollimator (4) wenigstens ein erster Polarisationswandler (7) zur Umsetzung des linear polarisierten Lichts in Licht einer zirkularen Polarisation sowie ein zweiter Polarisationswandler (9) zur Umsetzung von Licht einer zirkularen Polarisation in Licht einer linearen Polarisation vorgesehen sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

wenigstens ein derotierendes optisches Element (3) im Lichtpfad zwischen dem wenigstens einen ersten Kollimator (1) und dem wenigstens einen zweiten Kollimator (4) vorgesehen ist, und

im Lichtpfad ein weiterer Polarisationswandler (13) zur Umsetzung von Licht einer zirkularen Polarisation in Licht einer linearen Polarisation vor und ein weiterer Polarisationswandler (14) zur Umsetzung von Licht einer linearen Polarisation in Licht einer zirkularen Polarisation nach dem wenigstens einen derotierenden Element (3) angeordnet sind und die weiteren Polarisationswandler (13, 14) sich mit dem wenigstens einen derotierenden Element (3) drehen.
Drehübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Polarisationswandler eine &lgr;/4-Platte umfasst. Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter (2) und (5) als polarisationserhaltende Fasern ausgebildet sind. Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kollimatoranordnung vorgesehen ist, welche mehrere Kollimatoren in einer Einheit, vorzugsweise einer monolithischen Einheit aufweist, und welche vorzugsweise wenigstens eine mikrooptische Komponente umfasst. Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine &lgr;/4-Platte eine Anti-Reflex-Beschichtung aufweist. Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine &lgr;/4-Platte schräg zum einfallenden Lichtstrahl gekippt ist. Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung mehrerer Wellenlängen wenigstens zwei &lgr;/4-Platten aus verschiedenen Materialien hintereinander angeordnet sind. Verfahren zur polarisationserhaltenden Übertragung von linear polarisiertem Licht zwischen einer ersten Einheit und einer zweiten gegenüber der ersten Einheit drehbaren Einheit umfassend die folgenden Schritte:

1) Kollimation von linear polarisiertem Licht durch wenigstens einen ersten Kollimator (1) der ersten Einheit,

2) Umwandlung von linear polarisiertem Licht in zirkular polarisiertes Licht mit einem ersten Polarisationswandler (7), die der ersten Einheit zugeordnet ist,

3) Kopplung des Lichtes durch Freiraumausbreitung von der ersten Einheit zu einem dritten Polarisationswandler (13),

4) Umwandlung von zirkular polarisiertem Licht in linear polarisiertes Licht durch den dritten Polarisationswandler (13), der zusammen mit wenigstens einem derotierenden optischen Element (3) bewegt wird,

5) Derotation des Lichtes mit dem wenistens einen derotierenden optischen Element (3), das sich mit der halben Winkelgeschwindigkeit zwischen der ersten und der zweiten Einheit dreht,

6) Umwandlung von linear polarisiertem Licht in zirkular polarisiertes licht durch einen vierten Polarisationswandler (14), der zusammen mit dem wenigstens einen derotierenden optischen Element (3) bewegt wird,

7) Kopplung des Lichtes von dem vierten Polarisationswandler (14) zu der zweiten Einheit durch Freiraumausbreitung,

8) Umwandlung von zirkular polarisiertem Licht in linear polarisiertes Licht mit einem zweiten Polarisationswandler (9), der der zweiten Einheit zugeordnet ist, und

9) Kollimation von linear polarisiertem Licht durch einen zweiten Kollimator (2) der zweiten Einheit.






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