DE102005041547B3

DE102005041547B3 - Optischer Drehhübertrager

Info

Publication number: DE102005041547B3
Application number: DE200510041547
Authority: DE
Inventors: Gregor Popp
Original assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Current assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2025-09-01

Abstract

Optischer Drehübertrager 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 (6) drehbar gelagert ist, sowie wenigstens einem derotierenden optischen Element (3), welches sich im Lichtpfad zwischen dem wenigstens einen ersten Kollimator (1) und dem wenigstens einem zweiten Kollimator (4) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine derotierende optische Element (3) ein Dove-Prisma (10) aufweist, dessen Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen mit optischen Vorsatzelementen (13, 14) versehen sind, welche einen optischen Brechungsindex größer als den optischen Brechungsindex des Dove-Prismas (10) aufweisen, und wenigstens eines der optischen Vorsatzelemente (13, 14) fest mit dem Dove-Prisma (10) verbunden ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen optischen Drehübertrager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei diesem Drehübertrager sollen mehrere optische Signale in mehreren Kanälen gleichzeitig übertragen werden.
Zur Übertragung optischer Signale zwischen gegeneinander drehbaren Einheiten sind verschiedene Übertragungssysteme bekannt.

Aus der US 4,872,737 ist ein optischer Drehübertrager mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen bekannt.

In der US 5,568,578 ist ein optischer Drehübertrager für mehrere Kanäle mit einem Dove-Prisma offenbart. Um eine niedrige Dämpfung in der Übertragung zu erhalten, ist neben der Einhaltung der mechanischen Toleranzen auch eine möglichst gute Bündelung der Lichtstrahlen durch die Kollimatoren notwendig. Auf eine solche Optimierung der Bündelung wird in diesem Dokument aber nicht eingegangen. Es wird ausschließlich eine Justage der Glasfasern sowie der Kollimatoren offenbart.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehübertrager zur Mehrkanal-Übertragung optischer Signale derart auszugestalten, dass durch eine bessere Bündelung der durch das derotierende Element übertragenen Lichtstrahlen eine niedrigere Dämpfung in der Übertragung erreicht wird.

Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe sind im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist wenigstens zwei Kollimatoren auf, welche um eine Achse gegeneinander drehbar angeordnet sind. Zwischen wenigstens einem ersten Kollimator und wenigstens einem gegenüber diesem drehbar angeordneten zweiten Kollimator besteht ein optischer Pfad zur Übertragung von Licht. In diesem optischen Pfad befindet sich wenigstens ein derotierendes Element, welches für eine Abbildung des von einem ersten Kollimator ausgesendeten Lichtes auf einen zweiten Kollimator ebenso auch in umgekehrter Richtung, unabhängig von der Rotationsbewegung zwischen den beiden Kollimatoren sorgt. Ein solches derotierendes Element kann beispielsweise ein Dove-Prisma sein. 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 Glas 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. Gegenstand der Erfindung ist die Übertragung von Signalen aus single-mode Lichtwellenleitern. Es können mit den erfindungsgemäßen Übertragern aber auch andere optische Signale, insbesondere aus anderen Lichwellenleitern bzw. Kombinationen aus unterschiedlichen Signalen übertragen werden.

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.

Wie Versuche und theoretische Betrachtungen gezeigt haben, muss bei einer gegebenen Länge des Strahlengangs im Inneren des Drehübertragers eine Anpassung der Brennweite der Kollimatoren erfolgen. Dies ist unabhängig davon, ob die Kollimatoren beispielsweise als GRIN-Linsen oder auch als Kugellinsen oder in anderer Form ausgebildet sind. So muss mit zunehmender Länge des Strahlenganges auch die Brennweite der Kollimatoren selbst erhöht werden. Beispielsweise kann bei einer Brennweite von 1 mm eine Länge des Strahlenganges bis zu 21 mm realisiert werden. Bei größeren Längen tritt eine unakzeptabel hohe Dämpfung des Signals auf. Bei einer weiteren Verkürzung des Strahlenganges kann auch die Brennweite der Kollimatoren verkürzt werden. Durch die Verkürzung der Brennweite der Kollimatoren ist wiederum eine bessere Bündelung mit kleineren Abbildungsfehlern des Strahls realisierbar. Demzufolge ist es also wichtig, die Länge des Strahlenganges im Drehübertrager möglichst kurz zu halten. Bei Drehübertragern werden entsprechend dem Stand der Technik vorzugsweise Dove-Prismen eingesetzt. Diese Prismen haben aufgrund ihres internen Strahlenganges eine relativ große Baulänge. Weiterhin ist der minimale Abstand der Kollimatoren zum Prisma durch die längste Seite des Prismas vorgegeben.

Entsprechend einem Aspekt der Erfindung wird ein Dove-Prisma durch wenigstens ein Vorsatzelement, welches einen höheren Brechungsindex als das Material des Dove-Prismas aufweist, ergänzt. Vorteilhafterweise wird an jeder Seite des Dove-Prismas ein entsprechendes Vorsatzelement angebracht. Entsprechende Vorsatzelemente können insbesondere aus Glas, aber auch aus Kunststoffen oder anderen optischen Materialien wie Silizium bestehen. Das Dove-Prisma selbst kann aus einem Glas oder einem anderen optisch geeigneten Material, wie beispielsweise Silizium bestehen.

Bei einem normalen Dove-Prisma wird durch Brechung das in das Dove-Prisma eintretende Licht zu der längeren Seite hin abgelenkt und dort durch Totalreflexion gespiegelt. Durch die Vorsatzelemente mit höherem Brechungsindex wird das in das Dove-Prisma eintretende Licht nun auf die andere, kürzere Seite hin abgelenkt und dort reflektiert. Dadurch kann die Länge des Prismas verkürzt werden. Somit kann dieses auch vorteilhaft mit Linsen kürzerer Brennweite kombiniert werden.

Insbesondere durch den Einsatz von Vorsatzelementen mit besonders hohem Brechungsindex ist eine weitere Verkürzung des Prismas möglich. Bei der Befestigung des Dove-Prismas der erfindungsgemäßen Anordnung ist nun, abweichend von einer Befestigung entsprechend dem Stand der Technik die kürzere Seite in ihrem mittleren Bereich anstelle der längeren Seite von Befestigungsmitteln freizuhalten, da diese nun zur Reflexion benötigt wird. Bei einer sehr starken Reduzierung der Größe des Prismas vergrößert sich der Einfallswinkel auf die reflektierende Fläche, so dass unter Umständen keine Totalreflexion mehr möglich ist. In solchen Fällen muss die reflektierende Fläche verspiegelt ausgeführt werden. Eine Verspiegelung erfolgt vorzugsweise durch Metallbeschichtung, wie mit Gold, vorzugsweise mit Silber.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Vorsatzelemente aus Silizium, da dieses eine besonders hohe Brechzahl aufweist und somit die Prismen besonders kurz gebaut werden können. Ebenso würde durch den Einsatz von Silizium als Material für das Dove-Prisma die Bauform stark verkleinert werden können. Wesentlich vorteilhafter ist hier jedoch der Einsatz von Vorsatzelementen aus Silizium (in Verbindung mit einem Prisma aus Glas), da für die Vorsatzelemente wesentlich weniger Material als für das Prisma selbst benötigt wird. Die Vorsatzelemente können noch andere Materialien umfassen. Wesentlich ist der Einsatz von Silizium im optischen Pfad.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Prismenwinkel des Dove-Prismas größer als 45°. Normalerweise haben Dove-Prismen einen Prismenwinkel von 45°. Durch einen größeren Prismenwinkel lässt sich das Prisma weiter verkürzen. So kann bei einem Nennmass von 10 mm ein Prisma aus einem Glas mit einer Brechzahl von 1.5 und Vorsatzelementen aus Silizium in einer Baulänge von 9.5 mm realisiert werden. Der Prismenwinkel beträgt hierbei 64°. Würden im Gegensatz zur Erfindung Vorsatzelemente mit niedrigerer Brechzahl eingesetzt werden, so müsste der Prismenwinkel reduziert werden.

Nach der Erfindung ist wenigstens ein erfindungsgemäßes Vorsatzelement mit dem Prisma fest verbunden, vorzugsweise durch Kleben, beispielsweise mit Epoxy, Kitten oder Schweißen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht wenigstens ein erfindungsgemäßes Vorsatzelement vor, das in Verbindung mit dem Prisma eine senkrechte Eintrittsfläche für den Strahlengang aufweist. Durch die senkrechte Eintrittsfläche wird die Anordnung unabhängig von dem Brechungsindex des Mediums, welches Prisma und Vorsatz element umgibt. Somit kann ein erfindungsgemäßer Drehübertrager beispielsweise auch mit einem flüssigen Medium, wie Wasser oder Öl gefüllt sein. Um senkrechte Eintrittsflächen zu erreichen könnte auch ein Dove-Prisma mit Vorsatzelementen einer niedrigeren Brechzahl als der Brechzahl des Prismas eingesetzt werden. Durch die Vorsatzelemente mit niedrigerer Brechzahl reduziert sich der Winkel der Brechung. Somit muss das Prisma länger dimensioniert werden. Dies führt entgegen der Erfindung zu einer schlechteren Ausführung. Während ein erfindungsgemäßes Dove-Prisma aus einem Glas mit einer Brechzahl von 1.5 und Vorsatzelementen mit einer Brechzahl von 1.85 bei einem Nennmass von 10 mm in einer Baulänge von 45.6 mm zu realisieren ist, benötigt ein Prisma mit einer Brechzahl von 1.85 und Vorsatzelementen mit einer Brechzahl von 1.5 eine Baulänge von 66.7 mm. Der Begriff Nennmass bezieht sich hier auf den Durchmesser der durch das Prisma abzubildenden Fläche.

Weiterhin weist das Material zumindest eines Vorsatzelementes einen Temperaturkoeffizienten des Ausdehnungskoeffizienten auf, welcher ähnlich, vorzugsweise gleich groß wie der Temperaturkoeffizient des Prismas ist.

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

Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Kollimatoranordnung oder auch einzelne Kollimatoren ebenfalls eine zum Strahlengang senkrechte Eintritts- beziehungsweise Austrittsfläche besitzen. Damit tritt auch hier keine von einem äußeren Medium abhängige Brechung auf. Somit kann die ganze Anordnung, wie oben beschrieben in einem beliebigen flüssigen oder gasförmigen Medium betrieben werden.

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.

2 zeigt einen optischen Drehübertragers mit einem Dove-Prisma entsprechend dem Stand der Technik.

In 3 ist eine Kollimatoranordnung mit GRIN-Linsen dargestellt.

4 zeigt eine Kollimatoranordnung mit zwei miteinander verbundenen MLA, wobei der Hohlraum zwischen den MLA mit einem Medium einer Brechzahl kleiner als der Brechzahl eines MLA gefüllt ist.

5 zeigt eine Kollimatoranordnung mit zwei miteinander verbundenen MLA, wobei der Hohlraum zwischen den MLA mit einem Medium einer Brechzahl größer als der Brechzahl eines MLA gefüllt ist.

In 6 ist eine weitere Kollimatoranordnung mit GRIN-Linsen dargestellt.

7 zeigt eine weitere Anordnung mit vergrößertem Prismenwinkel.

1 zeigt in schematischer Form eine erfindungsgemäße Anordnung im Schnitt. Der erfindungsgemäße optische Drehübertrager umfasst einen ersten Kollimator 1 zur Ankopplung von Lichtwellenleitern 2, sowie einen zweiten Kollimator 4 zur Ankopplung weiterer Lichtwellenleiter 2. 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 einer zweiten Kollimator 4 ein derotierendes Element 3. Das derotierende Element umfasst ein Dove-Prisma 10 sowie zwei Vorsatzelemente 13 und 14. Erfindungsgemäß bestehen die Vorsatzelemente aus einem optischen Medium mit einem Brechungsindex größer als der Brechungsindex des Dove-Prismas. Grundsätzlich könnten die Vorsatzelemente auch unterschiedliche Brechungsindices aufweisen. vorteilhafterweise haben diese aber den gleichen Brechungsindex. Durch die Vorsatzelemente wird das Licht nun zur kurzen Seite des Dove-Prismas hin abgelenkt, von dieser durch Totalreflexion reflektiert und an der Austrittseite mittels des zweiten Vorsatzelements wieder parallel zum ursprünglichen Lichtstrahl gebrochen. Durch diese Ausgestaltung kann das Dove-Prisma in seiner Länge deutlich reduziert werden. Die kurze Seite des Dove-Prismas kann optional mit einer Verspiegelung 15 versehen sein. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn das licht auf diese Seite derart steil einfällt, dass keine Totalreflexion mehr möglich ist.
2 zeigt einen optischen Drehübertrager entsprechend dem Stand der Technik. Hierbei ist das derotierende Element 3 ein Dove-Prisma. Der Strahlengang ist durch die drei optischen Pfade 7, 8, 9 veranschaulicht. Das in das Prisma eintretende Licht wird durch Brechung in Richtung auf die längere Seite abgelenkt, dort durch Totalreflexion wieder in das Prisma zurück gelenkt und durch erneute Brechung in eine Richtung parallel zur Drehachse des Prismas abgelenkt. Somit verlaufen die derotierten Strahlen wieder parallel zu den ursprünglichen Strahlen.
In 3 ist eine Kollimatoranordnung mit GRIN-Linsen dargestellt, wie sie beispielsweise als erster Kollimator 1 oder zweiter Kollimator 4 eingesetzt werden kann. Die GRIN-Linsen 57 sind hier vorzugsweise in einer Ferrule 58 gefasst, um die mechanische Stabilität zu erhöhen. Auf einer Seite der GRIN-Linsen sind die Fasern 52 befestigt. Die andere Seite der Linsen ist an der Trägerplatte 51 befestigt. Die Trägerplatte ist vorzugsweise aus Glas. Sie hat vorzugsweise auf der den GRIN-Linsen gegenüberliegenden Seite eine glatte Oberfläche, welche senkrecht zum Strahleintritt beziehungsweise Strahlaustritt liegt.
4 zeigt eine Kollimatoranordnung mit zwei miteinander verbundenen MLA (Mikrolinsenarrays), wobei der Hohlraum zwischen den MLA mit einem Medium einer Brechzahl kleiner als der Brechzahl eines MLA gefüllt ist. Auch hier sind die kleinen Linsen 54a, beispielsweise zur Ankopplung von Singlemode-Fasern 52a in dem unteren MLA 53a ausgebildet. Das darüber angeordnete MLA 53b weist größere Linsen 54b auf. Die Reihenfolge der Linsen entlang des Strahls kann auch umgekehrt sein, also zuerst Multi-Mode und dann Single-Mode. Der Grund hierfür ist die höhere Numerische Apertur der Fasern und damit der Strahlaufweitung mit zunehmendem Abstand. Wobei gleichzeitig für Multi-Mode die Brennweiten der Linsen vorzugsweise größer gewählt werden.
Der Hohlraum zwischen den beiden MLA ist mit einem Medium 61 gefüllt, dessen Brechzahl kleiner als die Brechzahl eines, oder beider MLA ist. Ein solches Medium ist beispielsweise Luft oder ein anderes Gas.
5 zeigt eine Kollimatoranordnung mit zwei miteinander verbundenen MLA, wobei der Hohlraum zwischen den MLA mit einem Medium einer Brechzahl größer als der Brechzahl eines MLA gefüllt ist. Auch hier sind die kleinen Linsen 54a, beispielsweise zur Ankopplung von Singlemode-Fasern 52a in dem unteren MLA 3a ausgebildet. Das darüber angeordnete MLA 53b weist größere Linsen 54b auf. Der Hohlraum zwischen den beiden MLA ist mit einem Medium 62 gefüllt, dessen Brechzahl größer als die Brechzahl eines, oder beider MLA ist. Ein solches Medium ist beispielsweise Öl oder eine andere Flüssigkeit.
In 6 ist eine Vorrichtung mit GRIN-Linsen dargestellt. Die GRIN-Linsen 57 sind hier vorzugsweise in einer Ferrule 58 gefasst, um die mechanische Stabilität zu erhöhen. Auf einer Seite der GRIN-Linsen sind die Fasern 52 befestigt. Die andere Seite der Linsen ist an der Trägerplatte 51 befestigt.
In 7 ist eine weitere Ausgestaltung mit vergrößertem Prismenwinkel dargestellt. Der Prismenwinkel 16 ist mit der langen Seite des Prismas und einer Eintrittsfläche aufgespannt. Üblicherweise haben Dove-Prismen Prismenwinkel von 45°. Durch den Einsatz von erfindungsgemäßen Vorsatzelementen mit einer größeren Brechzahl dieser Prismenwinkel nun vergrößert werden. Dadurch lässt sich wiederum die Baulänge des Prismas wesentlich verkürzen. Zudem ist die maximale Dicke der Vorsatzelemente durch den größeren Prismenwinkel geringer, was zu einem geringeren Materialeinsatz und niedrigeren Kosten führt. Das beispielhaft dargestellte Prisma kann bei einem Prismenwinkel von 64° mit einer Baulänge von nur 9,5 mm realisiert werden. Aufgrund des steilen Winkels der Lichtstrahlen auf die kurze Seite des Prismas ist hier eine Verspiegelung 15 notwendig.

Claims

Optischer Drehübertrager 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 (6) drehbar gelagert ist, sowie wenigstens einem derotierenden optischen Element (3), welches sich im Lichtpfad zwischen dem wenigstens einen ersten Kollimator (1) und dem wenigstens einem zweiten Kollimator (4) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine derotierende optische Element (3) ein Dove-Prisma (10) aufweist, dessen Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen mit optischen Vorsatzelementen (13, 14) versehen sind, welche einen optischen Brechungsindex größer als den optischen Brechungsindex des Dove-Prismas (10) aufweisen, und wenigstens eines der optischen Vorsatzelemente (13, 14) fest mit dem Dove-Prisma (10) verbunden ist.
Drehübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der optischen Vorsatzelemente (13, 14) im Bereich des optischen Pfades Silizium umfasst.
Drehübertrager nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Prismenwinkel (16) des Doveprismas (10) größer als 45° ist.
Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der optischen Vorsatzelemente (13, 14) eine zum Strahlengang in Richtung der Kollimatoren (1, 4) senkrechte Fläche aufweist.
Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Kollimatoren (1, 4) als Mikrolinsenarray ausgeführt ist.
Drehübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des Drehübertragers zwischen dem wenigstens einen ersten Kollimator (1) und dem wenigstens einen zweiten Kollimator (4) eine Füllung mit einem flüssigen Medium, vorzugsweise Öl aufweist.