DE3704603A1 - Lichtwellenleiter-schleifringvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf berührungslose optische Schleifringverbinder und betrifft insbesondere Lichtwellen­ leiter (LWL)- Drehkoppler mit verlustbehafteten Mikrobie­ gungen.

Berührungslose optische Schleifringkoppler sind bekannt. Diese bekannten Vorrichtungen werden benutzt, um eine sich drehende Welle oder ein sich drehendes Teil mit einem ent­ sprechenden stationären Teil optisch zu koppeln. Üblicher­ weise wird ein moduliertes Infrarotlicht benutzt, um Meß­ signale zwischen dem umlaufenden und dem nichtumlaufenden Teil zu übertragen.

Optische Schleifringe sind mechanischen Schleifringen vor­ zuziehen, weil bei letzteren schleifende metallische elek­ trische Kontakte benutzt werden, die teuer sind, eine be­ grenzte Lebensdauererwartung haben und häufige Wartung er­ fordern. Darüber hinaus haben sie oft ein schlechtes Signal- Rausch-Verhältnis bei hohen Drehgeschwindigkeiten.

Optische Schleifringverbinder sind aus dem US-PS 41 09 997 und 41 09 998 bekannt. Bei diesen Vorrichtungen werden eine Reihe von konzentrischen Winkelspiegeln und wenigstens ein transparentes Fenster benutzt. Ein optisches Signal wird in den Hohlraum eingeleitet, und die optische Kopplung erfolgt durch Reflexion darin. Bei diesen beiden bekannten Vorrich­ tungen sind komplizierte Prismen und Spiegel erforderlich, um die gewünschte optische Kopplung vorzunehmen.

Weiter ist ein optischer Schleifring aus der US-PS 41 65 913 bekannt. Diese Vorrichtung weist eine umlaufende optische Welle auf, an der ein Lichtwellenleiter befestigt ist. Op­ tische Signale werden einem Ende des Lichtwellenleiters zu­ geführt und breiten sich um die umlaufende Welle in dem Lichtwellenleiter selbst aus. Die optische Kopplung erfolgt durch Verändern des Mantels des Lichtwellenleiters. Zu den bekannten Methoden der Modifizierung gehört das Entfernen eines Teils des Mantels durch eine herkömmliche Technik wie Sandstrahlen oder chemisches Ätzen. Eine zweite Technik be­ inhaltet sorgfältiges Einschneiden des Mantels des Lichtwel­ lenleiters. Das Licht, das sich in dem Kern des Lichtwellen­ leiters ausbreitet, wird zu Detektoren herauslecken, die an dem stationären Teil angebracht sind. Ebenso wird sich Licht aus einer Emittermatrix in den Lichtwellenleiter auf ähnliche Weise ausbreiten.

Die bekannten optischen Drehkoppler, die keine zerbrechlichen optischen Komponenten aufweisen, haben den Vorteil der Ein­ fachheit von Lichtwellenleitern. Bei den mit Lichtwellen­ leitern hergestellten Vorrichtungen ist jedoch aufwendiges maschinelles Bearbeiten oder chemisches Ätzen des Lichtwel­ lenleitermantels erforderlich. Andererseits sind Fertigungs­ verfahren wie das Herstellen einer Reihe von Schlitzen längs der äußeren Oberfläche des Lichtwellenleiters sowohl auf­ wendig als auch teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen berührungslosen Lichtwel­ lenleiterschleifring zum Koppeln von optischen Signalen zwi­ schen sich bewegenden, einander gegenüberliegenden Teilen zu schaffen.

Gemäß der Erfindung weist eine Lichtwellenleiter-Schleifring­ vorrichtung, die ein erstes und ein zweites Teil hat, welche sich relativ zueinander bewegen und berührungslose, einander gegenüberliegende Oberflächen haben, einen Lichtwellenleiter auf, der einen longitudinalen äußeren Mantel und einen inne­ ren Kern besitzt, welcher einen parabolischen Brechungsindex­ gradienten aufweist. Ein optisches Signal breitet sich in Längsrichtung in dem Lichtwellenleiter aus. Außerdem ist eine Mikrobiegungseinrichtung vorgesehen, die auf derjenigen Ober­ fläche des ersten Teils angeordnet ist, welche zur Aufnahme des Lichtwellenleiters vorgesehen ist. Die Mikrobiegungsein­ richtung verursacht eine Vielzahl von verlustbehafteten Mi­ krobiegungen in dem Lichtwellenleiter. An den Mikrobiegungen erfolgt die seitliche Ausbreitung eines Teils des optischen Signals in dem Lichtwellenleiter. Die Lichtwellenleiter- Schleifringvorrichtung weist außerdem einen Detektor zum Emp­ fangen des seitlichen optischen Signals in dem zweiten Teil auf.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 teilweise in perspektivischer Dar­ stellung und teilweise im Schnitt einen Lichtwellenleiter-Drehkopp­ ler nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittansicht des Licht­ wellenleiter-Drehkopplers nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Teils des Lichtwellenleiter-Drehkopp­ lers nach Fig. 1, die Mikrobiegun­ gen in diesem zeigt, und

Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer wei­ teren Ausführungsform des Licht­ wellenleiter-Drehkopplers nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt teilweise in perspektivischer Darstellung und teilweise im Schnitt einen Lichtwellenleiter-Drehkoppler 10 mit verlustbehafteten Mikrobiegungen, der eine Welle 12 auf­ weist, die sich um eine Achse 14 dreht. Statt dessen kann die Welle stationär sein, während sich ein Gehäuse 16 um die Ach­ se dreht. In beiden Fällen drehen sich ihre einander gegen­ überliegenden Flächen frei ohne mechanische Berührung.

Ein Lichtwellenleiter 18 ist eine herkömmliche Gradientenfa­ ser und auf die äußere Wellenoberfläche 20 so aufgezogen, daß er auf einer Reihe von periodischen Stegen oder Rippen 22 an­ geordnet ist, die auf der Welle in bezug auf die Achse in Längsrichtung gebildet sind. Die periodischen Stege 22 bilden eine Einrichtung zum Erzeugen einer Folge von Mikrobiegungen in dem gezogenen Lichtwellenleiter. Der Lichtwellenleiter 18 wird an der Welle 12 auf herkömmliche Weise befestigt, am besten mit Hilfe einer transparenten Vergußmasse oder Epoxy. Ein optisches Signal, das sich in dem Lichtwellenleiter 18 ausbreitet, wird sich seitlich aus dem Kern durch den äußeren Man­ tel hindurch ausbreiten. Andererseits wird ein optisches Sig­ nal, das dem Lichtwellenleiter 18 dargeboten wird, seitlich durch den Mantel und irgendeinen darauf vorgesehenen Puffer gesendet und wird sich in dem Kern in der Längsrichtung des Lichtwellenleiters ausbreiten. Das optische Signal ist ty­ pisch ein Infrarotsignal aus einer herkömmlichen Signalquelle mit einer Wellenlänge von ungefähr 0,850 µm. In der besten Ausführungsform ist das optische Infrarotsignal durch eine herkömmliche Methode frequenzmoduliert, um Amplitudenverzer­ rung zu reduzieren. Es ist klar, daß statt dessen äquivalente optische Signale benutzt werden können.

In der besten Ausführungsform ist das Gehäuse 16 relativ zu der Welle 12 stationär und enthält eine Einrichtung zum Emp­ fangen des optischen Signals. Optische Detektoren 24, 26 sind in optischer Verbindung mit dem Lichtwellenleiter 18 angeord­ net. Die Anzahl und die Position der optischen Detektoren sollte so gewählt werden, daß ein ausreichendes Signal-Rausch- Verhältnis sichergestellt ist. In der besten Ausführungsform sind die optischen Detektoren herkömmliche Photodioden.

Das optische Signal, das durch die Detektoren 24, 26 empfan­ gen wird, wird in ein äquivalentes elektrisches Signal umge­ wandelt und über Leitungen 28 an eine herkömmliche Verstär­ kungs- und Signalverarbeitungseinrichtung angelegt, die nicht dargestellt ist, nicht Teil der Erfindung ist und von dem Verwendungszweck des Kopplers abhängig ist.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht des Lichtwellenleiter- Drehkopplers nach Fig. 1. Anders als bei den mechanischen Schleifringen, bei denen aufeinander gleitende metallische Kontakte benutzt werden, gibt es zwischen dem Gehäuse 16 und der Welle 12 keinen körperlichen Kontakt, wenn diese sich re­ lativ zueinander bewegen. Detektoren 30, 32, 34 und 36 sind vorgesehen, um ein optisches Signal zu empfangen, das aus dem Lichtwellenleiter (20, Fig. 1), welcher in der Vergußmasse 40 enthalten ist, über den Luftspalt 38 gesendet wird.

Wie oben beschrieben sind mehrere Längsstege oder -rippen in der äußeren Wellenoberfläche gebildet, wofür die Stege 42 und 44 Beispiele sind. In der besten Ausführungsform hat jeder Steg ein rechteckiges Profil, das durch herkömmliche Methoden hergestellt wird. Durch jeden Steg werden in dem Lichtwellen­ leiter zwei Mikrobiegungen an den äußeren Kanten der Stege gebildet. Selbstverständlich können Stege mit anderen Profi­ len benutzt werden. Beispielshalber können Stege benutzt wer­ den, die ein sinusförmiges Profil haben und eine Mikrobiegung pro Steg in dem Lichtwellenleiter erzeugen.

Die Mikrobiegungen sind verlustbehaftet, was gestattet, daß sich optische Energie seitlich durch den transparenten Mantel und eine Pufferschicht (falls vorhanden) des Lichtwellenlei­ ters ausbreitet. Lichtwellenleiter, die einen parabolischen Brechungsindexgradienten haben, bewirken, daß die optische Energiedifferenz zwischen optischen Moden, welche sich sowohl in dem Kern als auch in dem Mantel ausbreiten, gleich sind. Infolgedessen stehen sämtliche sich ausbreitenden Moden zur Verfügung, um optische Energie zu liefern oder zu empfangen. Multimoden-Stufenlichtwellenleiter sind für optische Schleif­ ringzwecke schlecht geeignet, weil die optische Energie nicht ohne weiteres zwischen den sich ausbreitenden optischen Moden übertragen werden kann. Bekanntlich ist das Ausmaß an Ener­ gieübertragung zwischen sich ausbreitenden Moden eine Funk­ tion der Periodizität der Mikrobiegungen sowie des Brechungs­ indexgradienten, der Lichtwellenleiterkerngröße und der Wel­ lenlänge des optischen Signals.

Für Lichtwellenleiter-Drehkoppler nach der Erfindung muß die Periodizität der Stege so gewählt werden, daß eine maximale Leckage von Licht durch den Lichtwellenleitermantel hindurch gewährleistet ist. In der besten Ausführungsform wird die Periodzität der Mikrobiegungen so gewählt, daß sie ungefähr 1,1 Millimeter bei einem Lichtwellenleiter mit einem 100-µm- Kern und einem optischen Signal von ungefähr 0,850 µm, das sich darin ausbreitet, beträgt.

Es ist klar, daß andere äquivalente Multimoden-Gradienten­ lichtwellenleiter oder Monomode-Stufenlichtwellenleiter statt dessen benutzt werden können.

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Teils 46 des Lichtwellenleiter-Drehkopplers nach Fig. 2. Der Licht­ wellenleiter 48 ist auf Stegen 50 und 52 angeordnet, zwei der mehreren Stege, die oben beschrieben sind. Mittels transpa­ renter Vergußmasse 54 ist der Lichtwellenleiter befestigt.

Das Ziehen des Lichtwellenleiters über die Stege, wie darge­ stellt, erzeugt Biegungen 56 und 58 in den Stegen, welche ei­ nem Teil des optischen Signals, das sich darin ausbreitet, herauszulecken gestatten. Die erzeugte Biegung wird üblicher­ weise als Mikrobiegung bezeichnet. Mikrobiegungen werden durch periodisches physikalisches Biegen des Lichtwellenlei­ ters erzeugt, das zur Folge hat, daß die optischen Ausbrei­ tungsmoden miteinander und zwischen dem Mantel und dem Kern des Lichtwellenleiters gekoppelt werden. Mikrobiegungen und die durch sie verursachten Verluste sind in bezug auf opti­ sche Langstreckenverbindungen ausführlich untersucht worden. Infolgedessen können der optische Verlust und das Ausmaß an op­ tischem Signal, das in den oder aus dem Lichtwellenleiter ge­ koppelt wird, durch bekannte Methoden für einen gegebenen Lichtwellenleiter und einen gegebenen Satz von Biegungspara­ metern vorhergesagt werden.

Ebenso ist klar, daß eine Mikrobiegung äquivalent gestatten wird, daß sich ein Lichtsignal von außerhalb des Lichtwellen­ leiters in den Lichtwellenleiter ausbreitet.

Die Verwendung von verlustbehafteten Mikrobiegungen als eine Maßnahme zur optischen Kopplung markiert einen Punkt, in wel­ chem sich die Erfindung vom Stand der Technik abhebt. Bei den bekannten optischen Drehkopplern, bei denen Lichtwellen­ leiter benutzt werden, erfolgt die optische Kopplung entweder durch physikalisches oder durch chemisches Verändern des Man­ tels des Lichtwellenleiters. Bei dem Lichtwellenleiter-Dreh­ koppler nach der Erfindung wird der Lichtwellenleiter selbst physikalisch nicht verändert. Vielmehr wird er so manipuliert, daß eine Reihe von verlustbehafteten Mikrobiegungen zum Er­ zielen der optischen Kopplung erzeugt wird. Es ist klar, daß es wesentlich einfacher ist, eine Mikrobiegungsstruktur in einer Welle oder einem Gehäuse, die typisch aus Metall beste­ hen, herzustellen als heikle Lichtwellenleiter maschinell zu bearbeiten oder zu handhaben.

Fig. 4 zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausfüh­ rungsform 60 des Lichtwellenleiter-Drehkopplers nach der Er­ findung. Diese alternative Ausführungsform weist eine Welle 62 und ein Gehäuse 64 auf, welche sich in bezug aufeinander drehen. Ein erster Lichtwellenleiter 63 gleicht dem oben mit Bezug auf die beste Ausführungsform beschriebenen und ist auf oben beschriebene Weise auf die Welle aufgezogen.

Die alternative Ausführungsform ist durch einen transparenten Ring 66 gekennzeichnet, an dessen äußerer Oberfläche periodi­ sche Stege oder Rippen 68 gebildet sind und der durch eine herkömmliche Technik an der inneren Gehäuseoberfläche 70 be­ festigt ist. Der Ring 66 und die Welle 62 bewegen sich in bezug aufeinander frei. Ein zweiter Lichtwellenleiter 72, der dem ersten Lichtwellenleiter gleicht, ist auf die periodi­ schen Stege des Ringes aufgezogen, wodurch in ihm Mikrobie­ gungen erzeugt worden sind. Die Lichtwellenleiter sind so an­ geordnet, daß sie optisch miteinander in Verbindung sind. Ei­ ne herkömmliche optische Signalquelle und Detektoren sind entfernt entweder auf den einander gegenüberliegenden Ober­ flächen der umlaufenden Teile oder auf den Teilen selbst be­ festigt. Die optische Kopplung zwischen den Lichtwellenlei­ tern eines sich ausbreitenden optischen Signals in einem der Lichtwellenleiter erfolgt auf oben beschriebene Weise.

Im Rahmen der Erfindung sind Änderungen möglich. So sind zwar nur zylindrische Teile in bezug auf die beste Ausführungsform beschrieben worden, die sich gegenseitig drehen, es ist je­ doch klar, daß nichtzylindrische Teile und eine Bewegung, bei der es sich um keine Drehbewegung handelt, statt dessen be­ nutzt werden können.

Claims (6)

1. Lichtwellenleiter-Schleifringvorrichtung zum Koppeln eines optischen Signals zwischen einem ersten und einem zweiten Teil (12, 16), die sich relativ zueinander bewegen und einan­ der gegenüberliegende Oberflächen haben, welche sich nicht berühren, gekennzeichnet durch:
eine Lichtwellenleitereinrichtung (18, 48) mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden äußeren Mantel und einem inneren Kern sowie mit einem parabolischen Brechungsindexgradienten, in der sich das optische Signal in Längsrichtung ausbreitet;
eine Mikrobiegungseinrichtung (22, 40, 42, 50, 52), die an der Oberfläche (20) des ersten Teils (12) angeordnet ist, um die Lichtwellenleitereinrichtung (18, 48) aufzunehmen, wobei die Mikrobiegungseinrichtung mehrere periodische, verlustbehafte­ te Mikrobiegungen (56, 58) in der Lichtquellenleitereinrich­ tung hervorruft, so daß sich ein Teil des optischen Signals an den Mikrobiegungen seitlich ausbreitet; und
eine Detektoreinrichtung (24, 26, 30, 32, 34, 36) zum Empfan­ gen des seitlichen optischen Signals an dem zweiten Teil (16).

2. Lichtwellenleiter-Schleifringvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrobiegungseinrichtung eine periodische Reihe von Stegen (22, 40, 42, 50, 52) an der Oberfläche (20) des ersten Teils (12) aufweist.

3. Lichtwellenleiter-Schleifringvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Lichtwellen­ leitereinrichtung (18, 48) einen Durchmesser von ungefähr 100 µm aufweist.

4. Lichtwellenleiter-Schleifringvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (22, 40, 42, 50, 52) eine Periodizität von ungefähr 1,1 mm haben.

5. Lichtwellenleiter-Schleifringvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor­ einrichtung zusätzlich eine zweite Mikrobiegungseinrichtung (66, 68) aufweist, die an der gegenüberliegenden Oberfläche des zweiten Teils (64) angeordnet ist und eine zweite Licht­ wellenleitereinrichtung (72) trägt, welche in optischer Ver­ bindung mit der ersten Lichtwellenleitereinrichtung (63) ist.

6. Lichtwellenleiter-Schleifringvorrichtung nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die zweite Mikrobiegungseinrichtung (66, 68) außerdem ein optisch transparentes Rohr (66) auf­ weist, an dessen Oberfläche eine Reihe von Stegen (68) gebil­ det ist, die die Lichtwellenleitereinrichtung (72) tragen.