DE10032542B4

DE10032542B4 - Aktiver optischer Drehübertrager

Info

Publication number: DE10032542B4
Application number: DE10032542A
Authority: DE
Inventors: Georg Dr. Lohr
Original assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Current assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Priority date: 2000-07-05
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2020-07-06
Also published as: DE10032542A1

Abstract

Anordnung zur optischen Drehübertragung bestehend aus zwei gegeneinander drehbaren Einheiten (1, 2), welche wahlweise zum Senden bzw. Empfangen von digitalen Signalen ausgelegt sind, wobei durch optische Zuleitungen ein optisches Eingangssignal (10) zugeführt und ein optisches Ausgangssignal (20) ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest an einer Stelle im optischen Pfad zwischen dem optischen Eingangssignal (10) und dem optischen Ausgangssignal (20) ein optoelektrischer Wandler (15) zur Umsetzung des optischen Eingangssignals in ein elektrisches Signal (17), mit nachfolgendem elektrischem Verstärker (16) und einem elektrooptischen Wandler (14) zur Ausgabe des verstärkten elektrischen Signals (18) als optisches Ausgangssignal (20) vorhanden ist, wobei die Übertragungsverluste des optischen Systems kompensiert werden, sowie weiterhin in dem Verstärker (16) eine Einrichtung zur Rekonstruktion der digitalen Signale vorhanden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur aktiven optischen Signalübertragung. Zur Übertragung optischer Signale sind eine Vielzahl unterschiedlicher Systeme bekannt. In der Regel sind diese als signaltransparente passive Übertragungssysteme ausgelegt. Damit derartige passive Systeme in einem möglichst weiten Bereich einsetzbar sind, müssen sie auf eine möglichst niedrige Durchgangsdämpfung hin optimiert werden. Eine derartig niedrige Durchgangsdämpfung lässt sich nur durch eine möglichst verlustlose Abbildung des Sendeelements auf das Empfangselement realisieren. Dies erfordert verschiedene Linsensysteme, sowie höchste Anforderungen an die mechanischen Toleranzen des gesamten Drehübertragungssystems.

Beispielhaft ist ein derartiges Übertragungssystem in der US-Patentanmeldung Nr. 4,725,116 beschrieben. Das Hauptaugenmerk dieser Patentanmeldung richtet sich auf die saubere und einwandfreie Justierung der lichtleitenden Fasern, so dass eine möglichst verlustfreie Abbildung möglich ist. In diesem Umfeld gibt es eine Vielzahl weiterer Erfindungen, welche sich mit dem selben Themenkreis der möglichst verlustlosen optischen Abbildung beschäftigen. In jedem Fall ist das Ziel der verlustlosen optischen Abbildung nur mit hohem mechanischen und finanziellen Aufwand erreichbar.

In der DE 34 11 121 C2 ist eine Vorrichtung zur optischen Drehübertragung zwischen zwei gegeneinander drehbaren Einheiten offenbart. Diese Vorrichtung weist eingangsseitig beziehungsweise ausgangsseitig optische Lichtleiter auf. Alternativ kann die Übertragung von elektrischen Signalen, wie Gleichspannungssignale von Temperaturfühlern und Druckaufnehmern, Wechselspannungen von Synchrongebern, Impulse von Zählern und Kopierern oder Videosignale von Fernsehkameras oder CCD-Zeilensensoren nach Umwandlung in Lichtsignale erfolgen. Hierbei können die elektrischen Signale mittels schneller Infrarot-LEDs/PIN-Fotodioden umgesetzt werden. Hierbei ist auch ein Ausgleich von Lichtstromschwankungen aufgrund der Rotation durch den zugehörigen Verstärker möglich. Allerdings ist dann mit dieser Anordnung eine Übertragung von optischen Signalen auf der Eingangsseite zu optischen Signalen auf der Ausgangsseite nicht mehr möglich.

Die DE 692 22 912 T2 beschreibt eine Anordnung zur Kompensation von Übertragungsverlusten in optischen Systemen mit Lichtleitern. Dort wird ein optischer Verstärker bzw. ein Faserlichtverstärker eingesetzt, der die groß aufbauenden herkömmlichen Leistungsverstärker mit elektrischer Zwischenverstärkung und optoelektrischen bzw. elektrooptischen Wandlern ersetzt. Der Faserlicht verstärker basiert dabei auf einer mit seltenen Erden (z.B. Erbium) dotierten Faser.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein kostengünstiges optisches Übertragungssystem mit wesentlich verringertem mechanischen und optischen Aufwand darzustellen.

Die Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, an Stelle eines auf Verlustarmut optimierten optischen Systems ein möglichst einfaches optisches System mit hohen Verlusten zu verwenden und diese in einer vor- bzw. nachgeschalteten insbesondere elektrischen Verstärkerstufe wieder zu kompensieren. Dazu wird im Strahlengang des optischen Drehübertragungssystems an mindestens einer Stelle ein aktives optisches Element, wie z. B. eine Leuchtdiode, eine Laserdiode oder empfängerseitig eine Fotodiode eingesetzt. Wird eine Sendediode eingesetzt, so wird dieser ein Verstärker zur Kompensation der Verluste vorgeschaltet, im Falle einer Empfangsdiode wird dieser ein Verstärker zur Kompensation der Verluste des Übertragungssystems nachgeschaltet. Es ist grundsätzlich auch möglich, ein aktives Sendeelement, wie eine Sendediode, und ein aktives Empfangselement, wie eine Fotodiode im gleichen Strahlengang zu kombinieren und vor die Sendediode sowie hinter die Empfangsdiode einen entsprechenden Verstärker zur Kompensation der Übertragungsverluste zu schalten.

Es befindet sich an beiden Seiten des Verstärkers jeweils ein elektro-optischer Wandler. Dies bedeutet, dass im Falle einer Anordnung eines Verstärkers vor dem Sender dafür noch ein zusätzliches optisches Empfangselement, wie eine Fotodiode, vor dem Verstärker angeordnet wird, so dass das Gesamtsystem optische Signale empfangen, diese in elektrische umsetzen, wieder in optische zurückwandeln kann und schließlich auf der Ausgangsseite wieder optische Signale zur Verfügung stellt. Ist dagegen ein Verstärker der Empfangsseite des Drehübertragungssystems zugeordnet, so kann hier an der Ausgangsseite ein elektrisch-optischer Wandler, wie eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, angebracht werden, um die elektrischen Signale wiederum in optische Signale umzuwandeln. Damit ist das Gesamtsystem auch in diesem Falle in der Lage, optische Eingangssignale zu verarbeiten und wiederum optische Ausgangssignale auszugeben. Sind in der Anordnung zwei Verstärker, nämlich ein Verstärker auf der Eingangsseite, welcher dem Sender des Drehübertragungssystems zugeordnet ist, sowie ein Verstärker auf der Ausgangsseite, welcher dem Empfänger des Drehübertragungssystems zugeordnet ist, vorhanden, so können sowohl an der Eingangsseite des Ge samtsystems, als auch an der Ausgangsseite des Gesamtsystems elektro-optische Wandler angebracht werden.

Weiterhin befindet sich im Verstärker eine Einrichtung, welche digitale Signale rekonstruiert. Eine derartige Rekonstruktion kann entsprechend dem Stand der Technik auf verschiedene Arten erfolgen. Die einfachste Art ist die Rekonstruktion der Amplitude mittels eines Komparators. Eine Rekonstruktion der Signale im Zeitbereich, d. h. die Verringerung von Anstiegszeiten, Jitter und Verzerrungen läßt sich durch eine PLL-gesteuerte Taktregenerationsschaltung erreichen.

Es besteht somit die Möglichkeit zur Kompensation der Übertragungsverluste eines optischen Systems mindestens einen elektro-optischen Wandler und einen elektrischen Verstärker bereitzustellen. Dabei können vorteilhaft elektrische Verstärkerschaltungen verwendet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der Verstärker auch als ein rein optischer Verstärker bereitgestellt. Dies kann insbesondere auf der Grundlage einer erbium-dotierten Faser erfolgen. Damit entfällt die Notwendigkeit der Umwandlung der optischen Signale in elektrische, wie dies bei Verwendung eines elektrischen Verstärkers gegeben wäre.

Gemäß weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen ist damit auch die mit dem Drehübertragungssystem nicht verbunde ne Seite des Verstärkers mit einem weiteren elektrooptischen Wandler zur Umsetzung optischer Signale verbunden. Damit ist vorteilhaft einer optischen Übertragungsstrecke eine elektrische Verstärkung lediglich zwischengeschaltet. Eine Anpassung externer optischer Übertragungsleitungen an die elektrischen Verstärker ist damit nicht notwendig.

Zudem braucht vorteilhaft in jedem Strahlengang lediglich ein optisches fokussierendes Element bereitgestellt werden. Damit können vorteilhaft die optischen Systeme möglichst einfach bereitgestellt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besitzt der Verstärker eine Regelschaltung zur Regelung der Ausgangssignalamplitude oder von Teilen derselben. Derartige Schaltungen sind entsprechend dem Stand der Technik in vielerlei Ausführungsformen bekannt. Eine besonders einfache Ausführung enthält einen Spitzenwertdetektor, welcher die Amplituden des Signals bestimmt und das daraus gewonnene Signal wieder zur Verstärkungsregelung an den Verstärker weiterleitet. Eine andere Regeleinrichtung, wie sie z. B. zur Amplitudenregelung bei Videosignalen eingesetzt wird, ermittelt die Amplituden bestimmter Signalanteile und steuert entsprechend den Verstärker.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verstärker derart gestaltet, dass er die Gesamtsystemverstärkung einschließlich der optischen Übertragungsstrecke auf einem konstanten Wert hält. Dies kann im einfachsten Falle erreicht werden durch eine Verstärkungskennlinie des Verstärkers, welche reziprok zur Kennlinie des optischen Übertragungselementes ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung befindet sich eine zweite optische Übertragungsstrecke, welche stationär entweder auf Sender- oder Empfängerseite angebracht ist und nicht zur Drehübertragung dient. Diese Übertragungsstrecke wird dann vom Verstärker in einer Mitkoppelungsschleife derart eingesetzt, dass eine konstante Systemverstärkung erreicht wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Kompensationsübertragungsstrecke mittels eines Getriebes an die erste Drehübertragungsstrecke angekoppelt, so dass sie sich gleichsinnig mit dieser bewegt. Dadurch können auch dynamische, während der Rotation auftretende Abbildungsfehler, welche wiederum Amplitudenschwankungen hervorrufen, kompensiert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist im Strahlengang mindestens ein teildurchlässiger Spiegel angeordnet. Dieser erlaubt die Auskopplung eines bestimmten Signalanteiles an Sender bzw. Empfänger. Zur Realisierung mehrkanaliger Übertragungssysteme können auch mehrere dieser Spiegel hintereinander angeordnet werden.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:
1: eine erfindungsgemäße Anordnung;
2: beispielhafte Anordnung mit einer Umsetzung optisch-elektrisch-optisch;
3: beispielhafte Anordnung mit einer Umsetzung optisch-elektrisch-optisch auf der Sendeseite;
4: schematische Darstellung einer besonders einfachen Anordnung;
5: schematische Dartstellung einer mehrkanaligen Anordnung.
1) stellt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung dar. Zwischen einer ersten Komponente (1) und einer gegenüber dieser drehbar angeordneten zweiten Komponente (2) werden optische Signale übertragen. Um das Drehübertragungssystem besonders einfach zu gestalten, wird auf aufwendige optische Komponenten verzichtet. Statt dessen erfolgt die Kompensation der optischen Verluste durch einen in das System integrierten Verstärker. Ein solcher Verstärker kann wahlweise aus einem rein optischen Verstärker (erbium-dotierte Faser) oder auch aus einem elektrischen Verstärker bestehen. Im zweiten Falle ist es aber notwendig, dass zusätzliche elektrooptische Komponenten zur Umsetzung der Lichtsignale in elektrische Signale vorgesehen werden. Diese sind heutzutage aber besonders kostengünstig in großen Stückzahlen auf dem Markt, so dass diese Anordnung besonders preiswert realisierbar ist. Entsprechend der Erfindung kann der Verstärker wahlweise in der ersten Einheit (1), der zweiten Einheit (2) oder jeweils ein Verstärker in beiden Einheiten vorhanden sein.
2) zeigt eine beispielhafte Anordnung mit optischen Ausgangssignalen und elektrischer Zwischenverstärkung. Das optische Eingangssignal (10) wird mit einer senderseitigen Einheit (11) zu einer empfangsseitigen Einheit (15) übertragen. Diese setzt die optischen Signale in elektrische Signale (17) um, welche in einer Verstärkerstufe (16) weiter verstärkt werden. Diese verstärkten Ausgangssignale (18) werden einer weiteren elektrooptischen Wandlerstufe, wie z. B. einer LED- oder Laser-Diode zugeführt und als optisches Ausgangssignal (20) ausgegeben. Eine derartige Anordnung ist besonders vorteilhaft, da sie einerseits optische Eingangssignale verarbeiten kann, andererseits optische Ausgangssignale ausgibt. Durch den elektrischen Verstärker lassen sich nicht nur die optischen Verluste der Drehübertragungsanordnung, d. h. der optischen Strecke zwischen den Einheiten (11) und (15) kompensieren, sondern es lassen sich auch weitere in der Gesamtanordnung, d. h. in den optischen Zuleitungen, welche die Signale (10) bzw. (20) übertragen, auftretende Verluste kompensieren. Damit kann diese Anordnung gleichzeitig die Aufgabe eines optischen Zwischenverstärkers bzw. eines Repeaters übernehmen.
3) zeigt eine beispielhafte Anordnung mit einer elektrischen Verstärkung auf der Sendeseite. Hierbei wird ein optisches Eingangssignal (22) von einem optoelektrischen Wandler (19) in ein elektrisches Signal (12) umgesetzt. Dieses wird mittels eines elektrischen Verstärkers (13) derart verstärkt, dass es von einem elektrooptischen Wandler (14) als optische Information zur optischen Empfangseinheit (21) übertragen und als Lichtsignal (20) an nachfolgende Einheiten ausgegeben werden kann.
4) zeigt eine beispielhafte mechanische Anordnung der Erfindung. Eine erste Einheit (51) ist gegenüber einer zweiten Einheit (53) drehbar angeordnet. Die Drehung erfolgt um die Drehachse (59) in der Drehebene (52). Die erste Einheit (51) enthält mindestens eine optische Komponente (54) und die zweite Einheit (53) enthält mindestens eine zweite optische Einheit (55). Diese beiden optischen Einheiten sind vorteilhafter Weise so angeordnet, dass sie die gleiche optische Achse besitzen.
5) zeigt beispielhaft eine Anordnung zur mehrkanaligen Drehübertragung. Zur Orientierung ist hier die Drehebene (61) eingezeichnet. Die Ein- bzw. Auskoppelung der optischen Signale erfolgt hier beispielhaft mit teildurchlässigen Spiegeln (65, 66, 67, 68, 69, 70), welche den entsprechenden optischen Komponenten (62, 63, 64, 71, 72, 73) zugeordnet sind. Diese teildurchlässigen Spiegel können in einer besonders einfachen Ausführung der Erfindung wellenlängenunselektiv sein und beispielsweise einen geringen Anteil von 10% des optischen Signales auskoppeln. Die dadurch entstehenden hohen Verluste können durch die erfindungsgemäß vorhandenen Verstärker problemlos wieder kompensiert werden. Daher können bei dieser Erfindung vorteilhafter Weise im Gegensatz zu anderen optischen Übertragungssystemen Spiegel mit besonders niedrigerr Auskopplung in Richtung der Lichtführung zu den jeweiligen optischen Komponenten verwendet werden, da die Verluste wieder kompensiert werden können. Dies soll anhand einer Signalübertragung zwischen der optischen Komponente (71) und der optischen Komponente (64) verdeutlicht werden. Beispielhaft sei die optische Komponente (71), ein Sender, welche mittels des Spiegels (68) Licht entlang der optischen Achse in Richtung der Spiegel (67, 66 und 65) einkoppelt. Ein entsprechender Anteil dieses Lichtes wird vom empfängerseitigen Spiegel (67) ausgekoppelt und an die Empfangseinheit (64) weitergeleitet. Besitzt beispielsweise der Spiegel (67) nur eine Reflexion von 10% in Richtung des optischen Empfängers (64), so werden 90% des Lichtes in Richtung der Spiegel (66) bzw. (65) weitergeleitet. Dies bedeutet einerseits für den optischen Pfad in Richtung des Empfängers (64) eine Dämpfung des optischen Signals auf 10%, andererseits würden Lichtanteile von optischen Sendern (73), welche beispielsweise an die Empfangseinheit (62) weiter übertragen werden sollten, durch das Passieren mehrerer Spiegel nur unwesentlich gedämpft, da die Dämpfung der einzelnen Spiegel relativ gering ist. In einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung können hier auch wellenlängenselektive Spiegel eingesetzt werden. Weiterhin gibt es bei einer derartigen Anordnung keinerlei Beschränkungen bezüglich der Richtung der Signalübertragung. So kann beispielsweise von einer Sendeeinheit (71) zu einer Empfangseinheit (64), von einer weiteren Sendeeinheit (73) zu einer weiteren Empfangseinheit (72) und von einer beispielhaften Sendeeinheit (63) zu einer Empfangseinheit (72) Signale übertragen werden. Alle anderen denkbaren Kombinationen sind auch hier realisierbar. Eine besonders sinnvolle Ausgestaltung besteht darin, dass ein zusätzlicher optischer Kanal zur Messung der Streckendämpfung verwendet wird, dieser wieder ein Rückkoppelsignal in eine Verstärkerstufe zur Kompensation der Streckenverluste erzeugt, so dass unabhängig von der Streckendämpfung ein konstanter Verstärkungsfaktor eingestellt werden kann.

Claims

Anordnung zur optischen Drehübertragung bestehend aus zwei gegeneinander drehbaren Einheiten (1, 2), welche wahlweise zum Senden bzw. Empfangen von digitalen Signalen ausgelegt sind, wobei durch optische Zuleitungen ein optisches Eingangssignal (10) zugeführt und ein optisches Ausgangssignal (20) ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest an einer Stelle im optischen Pfad zwischen dem optischen Eingangssignal (10) und dem optischen Ausgangssignal (20) ein optoelektrischer Wandler (15) zur Umsetzung des optischen Eingangssignals in ein elektrisches Signal (17), mit nachfolgendem elektrischem Verstärker (16) und einem elektrooptischen Wandler (14) zur Ausgabe des verstärkten elektrischen Signals (18) als optisches Ausgangssignal (20) vorhanden ist, wobei die Übertragungsverluste des optischen Systems kompensiert werden, sowie weiterhin in dem Verstärker (16) eine Einrichtung zur Rekonstruktion der digitalen Signale vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein optoelektrischer Wandler (15) mit nachfolgendem elektrischem Verstärker (16) und einem e lektrooptischen Wandler (14) zur Verstärkung und Regeneration des Eingangssignals (10) auf der Eingangsseite und zur Verstärkung und Regeneration des Ausgangssignals (20) auf der Ausgangsseite der Anordnung vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verstärker (16) zur Rekonstruktion der Amplitude der digitalen Signale ein Komparator vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verstärker (16) zur Rekonstruktion der digitalen Signale im Zeitbereich eine PLL-gesteuerte Taktregenerationsschaltung vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Strahlengang höchstens ein optisches fokussierendes Element enthalten ist.