DE102014209901A1 - Kommunikationsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Kommunikationsvorrichtung für die optische Freiraumübertragung von Daten mit einem Retroreflektor, wobei der Retroreflektor eine integrierte Modulationsvorrichtung aufweist, mit der ein einfallender Lichtstrahl moduliert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kommunikationsvorrichtung für die optische Freiraumübertragung von Daten.
  • Bei der optischen Freiraumübertragung wird die Intensität, die Phase und/ oder die Polarisation von Licht entsprechend den zu übertragenden Daten moduliert. Bei bekannten Systemen für die optische Freiraumübertragung ist an einem Ort ein Sender mit einer Lichtquelle vorgesehen, der moduliertes Licht aussendet. Bei der Lichtquelle handelt es sich üblicherweise um einen Laser. An einem anderen Ort ist ein Empfänger vorgesehen, der das ausgesendete modulierte Licht empfängt und aus der Modulation des empfangenen Lichtes die zu übertragenden Daten decodiert.
  • Es gibt Orte, wo nur schwer eine geeignete Lichtquelle vorgesehen werden kann, beispielsweise wegen deren Gewicht oder der ungeeigneten Umgebungsbedingungen. Beispielsweise sei hier der Weltraum genannt. Auf Grund des hohen Gewichtes der Lichtquelle wäre ein Transport in den Weltraum mit sehr hohen Kosten verbunden. Ebenfalls müsste eine geeignete Energieversorgung für die Lichtquelle bereitgestellt werden. Insbesondere ist es erforderlich, falls am Ort des Senders eine Lichtquelle vorgesehen werden soll, hierfür eine stabilisierte Plattform für den üblicherweise verwendeten Laser vorzusehen, um die erforderliche Zielgenauigkeit zur Beleuchtung des Empfängers zu erreichen. Somit ergibt sich typischerweise die Notwendigkeit von zusätzlicher Technik und damit verbundenem Masse- und Leistungsbedarf.
  • Um dieses Problem zu vermeiden ist es bekannt, die Lichtquelle am Ort des Empfängers vorzusehen. Das Licht der Lichtquelle wird zum Sender gelenkt. Der Sender besteht dabei lediglich aus einer Modulationsvorrichtung und einem separaten Retroreflektor. Die Modulationsvorrichtung weist üblicherweise einen Shutter auf, durch den das Licht der Lichtquelle in seiner Intensität moduliert wird. Durch den Retroreflektor wird das modulierte Licht zum Empfänger zurückgesendet. Hierbei ergibt sich, dass das Licht zweimal den Shutter durchläuft, wodurch eine unnötige Abschwächung des Lichtstrahls verursacht wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es eine Kommunikationsvorrichtung für die optische Freiraumübertragung von Daten zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und eine geringere systemische Absorption aufweist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kommunikationsvorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8.
  • Die erfindungsgemäße Kommunikationsvorrichtung für die optische Freiraumübertragung von Daten weist einen Retroreflektor auf. Dabei weist der Retroreflektor eine integrierte Modulationsvorrichtung auf, mit der ein einfallender Lichtstrahl moduliert wird. Hierbei sind der Retroreflektor und die Modulationsvorrichtung vorzugsweise einstückig ausgebildet.
  • Die erfindungsgemäße Kommunikationsvorrichtung weist entsprechend bekannter Kommunikationsvorrichtungen ebenfalls eine Lichtquelle auf, bei der es sich insbesondere um einen Laser handelt. Von der Lichtquelle wird ein Lichtstrahl auf den Retroreflektor gerichtet. Durch den Retroreflektor wird der einfallende Lichtstrahl sowohl reflektiert als auch, durch die integrierte Modulationsvorrichtung, moduliert. Der reflektierte Lichtstrahl wird von einem Empfänger empfangen und die durch die Modulation des reflektieren Lichtstrahl übertragenen Daten decodiert. Dabei ist vorzugweise der Empfänger im Bereich der Lichtquelle angeordnet und besonders bevorzugt mit der Lichtquelle verbunden. Hierdurch wird der Aufbau der Kommunikationsvorrichtung weiter vereinfacht.
  • Vorzugsweise ist der Retroreflektor selbst die Modulationsvorrichtung, sodass kein weiteres Bauteil für die Modulierung des einfallenden Lichtstrahls erforderlich ist. Auch hierdurch wird ein unnötiges Durchlaufen des Lichtstrahls durch eine separat ausgebildete Modulationsvorrichtung vermieden. Somit wird durch den vereinfachten Aufbau die systemische Absorption bzw. Abschwächung des Lichtstrahls so gering wie möglich gehalten.
  • Insbesondere kann es sich bei dem Retroreflektor um einen Tripelspiegel, um Katzenaugen, um eine Lüneburg-Linse oder um die totalreflektierenden Schenkel eines gleichseitigen transparenten Prismas handeln. Insbesondere wird durch den Retroreflektor der zurückreflektierte Lichtstrahl kollinear mit dem einfallenden Lichtstrahl reflektiert.
  • Insbesondere ist durch die Modulationsvorrichtung die Intensität und/ oder die Phase des Lichtstrahls modulierbar. Durch die Modulierung des Lichtstrahls werden Daten auf den Lichtstrahl aufgeprägt, die von einem Empfänger decodiert werden können.
  • Insbesondere ist durch die Modulationsvorrichtung eine geometrische Ausgestaltung des Retroreflektors veränderbar, sodass hierdurch ein Modulieren des einfallenden Lichtstrahls erfolgt. Bei der geometrischen Ausgestaltung handelt es sich vorzugsweise um einen Winkel, beispielsweise zwischen den Spiegeln des Tripelspiegels oder den Schenkeln des Prismas. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei der geometrischen Ausgestaltung auch um eine Länge, beispielsweise die des Katzenauges handeln. Wird diese geometrische Ausgestaltung verändert, wird der einfallende Lichtstrahl moduliert. Insbesondere wird durch die Modulation der geometrischen Ausgestaltung des Retroreflektors der einfallende Lichtstrahl nicht zum Empfänger reflektiert.
  • Insbesondere ist durch die Modulationsvorrichtung die Reflektivität des Retroreflektors modulierbar. Hierbei wird die Reflektivität mindestens einer reflektierenden Fläche des Retroreflektors derart moduliert, dass diese reflektierende Fläche den Lichtstahl vollständig reflektiert oder zumindest nur teilweise reflektiert. Durch den Wechsel zwischen vollständiger Reflektivität und teilweiser Reflektivität der mindestens einen Fläche des Retroreflektors wird der Lichtstrahl moduliert. Insbesondere bei teilweiser Reflektivität wird der nicht-reflektierte Anteil des Lichtstrahls transmittiert und gelangt so nicht mehr zum Empfänger. Jedoch ist auch der umgekehrte Fall möglich, bei dem das zumindest teilweise transmittierte Licht zum Empfänger gelangt wohingegen bei vollständiger Reflektivität der Lichtstahl nicht zum Empfänger gelangt.
  • Insbesondere ist durch die Modulationseinrichtung die Polarisation eines polarisierten einfallenden Lichtstrahls modulierbar. Hierbei wird die optische Aktivität des Retroreflektors und insbesondere der integrierten Modulationsvorrichtung moduliert.
  • Insbesondere ist durch die Modulationsvorrichtung der Brechungsindex des Retroreflektors modulierbar. Durch die Modulierung des Brechungsindex ist insbesondere die Phase des einfallenden Lichtstrahls veränderbar, sodass ein Phasenversatz entsteht. Durch eine Modulierung des Brechungsindex ist es ebenfalls möglich, die Reflektivität des Retroreflektors zu modulieren.
  • Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Modulation eines Lichtstrahls mit einem Retroreflektor, bei dem die Reflektivität des Retroreflektors moduliert wird. Alternativ oder zusätzlich hierzu erfolgt die Modulation des Lichtstrahls durch eine Modulation des Brechungsindex des Retroreflektors. Alternativ oder zusätzlich hierzu wird der Lichtstrahl moduliert durch eine Modulation der optischen Aktivität des Retroreflektors. Alternativ oder zusätzlich hierzu wird der Lichtstahl durch die Modulation einer geometrischen Ausgestaltung des Retroreflektors moduliert. Durch die Modulation des Lichtstrahls werden Daten übertragen.
  • Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung eine Retroreflektors mit einer integrierten Modulationsvorrichtung zur Modulation von Licht bei der Freiraumübertragung von Daten.
  • Sowohl das Verfahren zur Modulation eines Lichtstrahls mit einem Retroreflektor, als auch die Verwendung eines Retroreflektors zur Modulation von Licht in der Freiraumübertragung von Daten ist entsprechend der oben stehend beschriebenen Kommunikationsvorrichtung weitergebildet.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine erste Ausführungsform mit einem Tripelspiegel als Retroreflektor,
  • 2 eine zweite Ausführungsform mit einem Katzenauge als Retroreflektor,
  • 3 eine dritte Ausführungsform mit einem Prisma als Retroreflektor,
  • 4 eine vierte Ausführungsform mit einem Tripelspiegel als Retroreflektor mit dielektrischen Mehrschichtspiegeln,
  • 5 eine fünfte Ausführungsform mit einem Prisma als Retroreflektor mit einer optisch aktiven Schenkeloberflächen und
  • 6 eine sechste Ausführungsform mit einem Prisma als Retroreflektor und einer phasenaktiven Schenkeloberfläche.
  • Bei einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kommunikationsvorrichtung, gezeigt in 1, ist der Retroreflektor 10 ausgebildet als Tripelspiegel mit mindestens zwei reflektierenden Flächen 12, 14. Zwischen den reflektierenden Flächen 12, 14 ist bei einem üblichen Tripelspiegel ein Winkel 16 vorgesehen, der 90° beträgt. Ein einfallender Lichtstrahl 18 wird über den Retroreflektor 10 reflektiert. Dabei ist der reflektierte Lichtstrahl 20 kollinear zum einfallenden Lichtstrahl 18, falls der Winkel 16 90° beträgt. Durch die Modulationsvorrichtung wird nun die geometrische Ausgestaltung in Form der Winkels 16 geändert. Bei einer Änderung des Winkels 16, sodass dieser ungleich 90° beträgt, wird der einfallende Lichtstahl 18 nicht mehr kollinear zurückreflektiert, sodass der zurückreflektierte abgelenkte Lichtstrahl 22 nicht mehr zum Empfänger gelangt. Hierdurch wird die vom Empfänger empfangene Intensität durch eine Änderung des Winkels 16 zwischen den reflektierenden Flächen 12, 14 moduliert. Hierbei ist keine als separates Bauteil ausgebildete Modulationsvorrichtung, wie beispielsweise ein Shutter, erforderlich, sodass sich der Aufbau der Kommunikationsvorrichtung vereinfacht und die systemische Absorption verringert wird.
  • In einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kommunikationsvorrichtung, gezeigt in 2, ist der Retroreflektor 10 ausgebildet als Katzenauge, welcher einen rotationssymmetrischen dielektrischen Körper 24 aufweist und eine im Abstand L von der Rückseite 26 des Körpers 24 entfernten reflektierenden Fläche 28. Ein einfallender Lichtstrahl 18 wird durch den Körper 24 abgelenkt, trifft auf die reflektierende Fläche 28, wird reflektiert und durch den Körper 24 so abgelenkt, dass der ausfallende Lichtstrahl 20 kollinear zum einfallenden Lichtstrahl 18 verläuft. Bei einer Modulation der Position der reflektierenden Fläche 28 verändert sich der Weg des Lichtstrahls durch den Retroreflektor 10. Ist, wie in 2 gezeigt, die reflektierende Fläche 28' in einer Entfernung L' von der Rückseite 26 des Körpers 24 angeordnet, so wird der reflektierte Lichtstrahl 22 abgelenkt und gelangt nicht mehr zum Empfänger. Durch eine Modulation der Position der reflektierenden Fläche 28 wird die Intensität des zurückreflektierten Lichtstrahls 20 am Empfänger moduliert.
  • In einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kommunikationsvorrichtung, gezeigt in 3, ist der Retroreflektor 10 ausgebildet als gleichseitiges transparentes Prisma 30. Dabei weist das Prisma 30 ein dielektrisches Material auf, welches für die Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls transparent ist. Ein einfallender Lichtstrahl 18 wird an einem ersten Schenkel 32 des Prismas total reflektiert, gelangt zu dem zweiten Schenkel 34 des Prismas 30 und wird dort ebenfalls total reflektiert. Der ausfallende Lichtstrahl 20 wird somit kollinear zum einfallenden Lichtstrahl 18 reflektiert. Dabei ist die Totalreflexion an den Schenkeln 32, 34 abhängig vom Brechungsindex des Prismas 30. Wird nun der Brechungsindex des Prismas 30 moduliert, so wird die Totalreflexion an den Schenkeln 32, 34 zumindest teilweise unterdrückt. Alternativ oder zusätzlich zur Modulation des Brechungsindex des Prismas 30 werden die optischen Eigenschaften der Grenzflächen der Schenkel 32 und 34 moduliert, beispielsweise durch eine Flüssigkristallanordnung oder elektrochrome/gaschrome Beschichtungen oder Anordnungen. Wird hierdurch die Totalreflexion an den Schenkeln 32, 34 zumindest teilweise aufgehoben, wird der einfallende Lichtstrahl 18 am Schenkel 32 zumindest teilweise transmittiert, sodass eine teilweise transmittierter Lichtstrahl 36 nicht reflektiert wird und ebenso erfolgt eine zumindest teilweise Transmission eines teilweise transmittieren Lichtstrahl 38 durch den Schenkel 34. Das transmittierte Licht der teilweise transmittierten Lichtstrahlen 36, 38 ist nicht mehr Bestandteil des reflektierten Lichtstrahls 20 und wird entsprechend nicht mehr zum Empfänger zurückreflektiert. Somit ist durch eine Modulation des Brechungsindex die Intensität des reflektierten Lichtstrahls 20 modulierbar.
  • In einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kommunikationsvorrichtung, gezeigt in 4, ist der Retroreflektor 10 ausgebildet als Tripelspiegel mit mindestens zwei reflektierenden Flächen 12, 14. Dabei ist mindestens ein Spiegel des Tripelspiegels ausgebildet als dielektrischer Mehrschichtspiegel und vorzugsweise sind alle Spiegel des Tripelspiegels ausgebildet als dielektrischer Mehrschichtspiegel 40. Dabei weist der dielektrische Mehrschichtspiegel 40 mindestens eine elektrooptisch aktive Schicht auf, über die die Reflektivität des dielektrischen Mehrschichtspiegels 40 für die verwendete Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls 18 moduliert werden kann. Der Winkel 42 zwischen dem dielektrischen Mehrschichtspiegel 40 ist dabei insbesondere konstant festgelegt auf 90°. Ein einfallender Lichtstrahl 18 einer bestimmten Wellenlänge wird an den reflektierenden Flächen 12, 14 reflektiert, sodass der reflektierte Lichtstrahl 20 kollinear zum einfallenden Lichtstrahl 18 verläuft. Wird nun die Reflektivität der dielektrischen Mehrschichtspiegel 40 verändert, so wird ein Teil 44 des einfallenden Lichtstrahls 18 durch die dielektrischen Mehrschichtspiegel 40 transmittiert und ist somit nicht mehr Bestandteil des reflektierten Lichtstrahls 20. Hierdurch wird die vom Empfänger empfangene Intensität durch eine Modellierung der Reflektivität der dielektrischen Mehrschichtspiegel 40 für eine bestimmte Wellenlänge moduliert.
  • In einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kommunikationsvorrichtung, gezeigt in 5, ist der Retroreflektor 10 ausgebildet als gleichseitiges transparentes Prisma 30. Dabei weist das Prisma an der Oberfläche 46 des Schenkels 32 und bevorzugt an allen Schenkeln des Prismas eine optisch aktive Oberfläche auf. Hierbei kann es sich beispielsweise um metallische Strukturen handeln, die eine Größe aufweisen kleiner als die verwendete Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls 18. Durch eine Änderung des Brechungsindexes des Substrats oder des Umgebungsmaterials der metallischen Strukturen ist die Extinktion modulierbar. Insbesondere sind die metallischen Strukturen resonant mit der Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls 18 bei hoher Extinktion. In diesem Fall wird der einfallende Lichtstrahl 18 nicht zum Empfänger zurückreflektiert. Hierdurch wird die vom Empfänger empfangene Intensität insbesondere durch eine Änderung der Resonanz der metallischen Strukturen moduliert.
  • In einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kommunikationsvorrichtung, gezeigt in 6, ist der Retroreflektor 10 ausgebildet als gleichseitiges transparentes Prisma 30. Dabei weist das Prisma an der Oberfläche eines Schenkels 32 und vorzugsweise an allen Schenkeln des Prismas 30 eine optisch aktive Oberfläche 48 auf. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Flüssigkristallmodulator oder um ein elektrooptisches Polymer handeln. Jedoch ist es auch möglich als optisch aktive Oberfläche 48 auf der Oberfläche des Schenkels 32 und vorzugsweise auf allen Schenkeloberflächen des Prismas 30 metallische Strukturen vorzusehen, mit einer Größe kleiner der verwendeten Wellenlänge. Insbesondere durch Änderung des Brechungsindex des Substrats oder des Umgebungsmaterials der metallischen Strukturen ist es möglich, die Phase des einfallenden Lichtstrahls 18 zu modulieren. Schwingt das Licht des einfallenden Lichtstrahls 18 beispielsweise in einer bestimmten Ebene, angezeigt durch den Pfeil 50, so wird es durch die optisch aktive Oberfläche 48 entsprechend der aufgebrachten Informationen moduliert, sodass der reflektierte Lichtstrahl 20 je nach Modulation in unterschiedlichen Schwingungsebenen schwingt, angezeigt durch den Pfeil 52. Hierdurch wird der vom Empfänger empfangene reflektierte Lichtstrahl 20 durch eine Änderung der Polarisation moduliert.
  • Insbesondere kann es sich bei dem Prisma 30 um einen Kegel oder einen Kegelstumpf handeln, wobei für die Mantelfläche des Kegels das gleiche gilt, wie für die Schenkel 32, 34 des Prismas 30.
  • Die Möglichkeiten zur Modulation eines einfallenden Lichtstrahls 18 durch einen Retroreflektor 10 sind dabei nicht beschränkt auf die oben beschriebenen Ausführungsformen. Über diese hinaus sind alle Kombinationen von Retroreflektoren, wie Tripelspiegel, Katzenaugen und gleichseitige Prismen mit den unterschiedlichen Modulationstechniken bzgl. der Absteuerung, der Absorption, der Reflektivität, der Polarisation und der Phase gleichfalls umfasst. Insbesondere können die verschiedenen Ausführungsformen des Retroreflektors ohne Aufwand mit jeder Technik zur Modulation auf einfache Weise kombiniert werden.

Claims (9)

  1. Kommunikationsvorrichtung für die optische Freiraumübertragung von Daten, mit einem Retroreflektor, dadurch gekennzeichnet, dass der Retroreflektor eine integrierte Modulationsvorrichtung aufweist, mit der ein einfallender Lichtstrahl moduliert wird.
  2. Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Retroreflektor ausgebildet ist als Tripelspiegel, Katzenaugen, Lüneburg-Linsen oder totalreflektierende Schenkel eines gleichseitigen transparenten Prismas.
  3. Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Modulationsvorrichtung die Intensität und/oder die Phase des Lichtstrahls modulierbar ist.
  4. Kommunikationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinrichtung eine geometrische Ausgestaltung des Retroreflektors veränderbar ist, so dass hierdurch ein Modulieren des einfallenden Lichtstrahls erfolgt.
  5. Kommunikationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Modulationseinrichtung die Reflektivität des Retroreflektors modulierbar ist.
  6. Kommunikationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Modulationseinrichtung die Polarisation eines polarisierten einfallenden Lichtstrahls modulierbar ist.
  7. Kommunikationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Modulationsvorrichtung der Brechungsindex des Retroreflektors modulierbar ist.
  8. Verfahren zur Modulation eines Lichtstrahls mit einem Retroreflektor, bei welchem eine Geometrie, eine die Reflektivität des Retroreflektors und/oder der Brechungsindex des Retroreflektors und/oder die optische Aktivität des Retroreflektors und/oder die geometrische Ausgestaltung des Retroreflektors moduliert wird.
  9. Verwendung eines Retroreflektors mit einer integrierten Modulationsvorrichtung zur Modulation von Licht in der Freiraumübertragung von Daten.
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