DE102021128298A1 - Optical arrangement for polarization-maintaining transmission of linearly polarized light - Google Patents

Optical arrangement for polarization-maintaining transmission of linearly polarized light Download PDF

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Abstract

Beschrieben wird eine optische Anordnung zur polarisationserhaltenden Übertragung von linear polarisiertem Licht längs eines optischen Pfades zwischen einer Lichtaustrittsapertur und einer Lichtempfangsapertur, von denen wenigstens eine der beiden Aperturen um eine Drehachse drehbar gelagert ist und relativ zur anderen Apertur mit einer Drehgeschwindigkeit ω rotiert.Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass längs des optischen Pfades mindestens eine erste Wellenplatte angeordnet ist, die eine dem linear polarisierten Licht zugrundeliegende Polarisationsrichtung um einen ersten Winkel dreht, dass längs des optischen Pfades mindestens eine zweite Wellenplatte angeordnet ist, die eine dem linear polarisierten Licht zugrundeliegende Polarisationsrichtung um einen zweiten Winkel dreht, dass das mindestens eine derotierende, optische Element zwischen der ersten und der zweiten Wellenplatte längs des optischen Pfades angeordnet ist, und dass die erste und zweite Wellenplatte sowie das mindestens eine derotierende optische Element drehbar um die Drehachse gelagert sind und in Abhängigkeit der Drehgeschwindigkeit ω jeweils derart aufeinander abgestimmt rotieren, dass die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichtes jeweils relativ zu der Lichtaustrittsapertur und Lichtempfangsapertur erhalten bleibt.Described is an optical arrangement for polarization-maintaining transmission of linearly polarized light along an optical path between a light exit aperture and a light receiving aperture, of which at least one of the two apertures is rotatably mounted about an axis of rotation and rotates relative to the other aperture at a rotational speed ω. The invention is characterized characterized in that at least one first waveplate is arranged along the optical path, which rotates a polarization direction on which the linearly polarized light is based by a first angle, in that at least one second waveplate is arranged along the optical path, which rotates a polarization direction on which the linearly polarized light is based rotates through a second angle, that the at least one derotating optical element is arranged between the first and the second waveplate along the optical path, and that the first and second waveplate and the at least one derotating optical element are mounted rotatably about the axis of rotation and in Depending on the rotational speed ω, rotate in such a way that the direction of polarization of the linearly polarized light is maintained relative to the light exit aperture and light reception aperture.

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Anordnung zur polarisationserhaltenden Übertragung von linear polarisiertem Licht längs eines optischen Pfades zwischen einer Lichtaustrittsapertur und einer Lichtempfangsapertur, von denen wenigstens eine der beiden Aperturen um eine Drehachse drehbar gelagert ist und relativ zur anderen Apertur mit einer Drehgeschwindigkeit ω rotiert.The invention relates to an optical arrangement for the polarization-maintaining transmission of linearly polarized light along an optical path between a light exit aperture and a light receiving aperture, of which at least one of the two apertures is rotatably mounted about an axis of rotation and rotates relative to the other aperture at a rotational speed ω.

Stand der TechnikState of the art

Im Bereich der Datenkommunikation und Sensorik werden zur Signal- bzw. Datenübertragung optische Übertragungstechniken unter Nutzung von Polarisationserhaltenden Fasern eingesetzt, die sich nicht nur für hohe Datenübertragungsraten von 100 Mbit/s und darüber besonders eignen, sondern zudem die Information über eine bevorzugte Polarisationsrichtung mit einschließen. Insbesondere in Kombination mit optischen Sensoren, bei denen die Polarisationsrichtung auch als Messgröße erfassbar ist, können Änderungen im Wege der polarisationserhaltenden Signalübertragung als Messgröße ausgewertet und genutzt werden.In the field of data communication and sensor technology, optical transmission techniques are used for signal and data transmission using polarization-maintaining fibers, which are not only particularly suitable for high data transmission rates of 100 Mbit/s and above, but also include information about a preferred direction of polarization. In particular in combination with optical sensors, in which the direction of polarization can also be detected as a measured variable, changes can be evaluated and used as a measured variable by way of the polarization-maintaining signal transmission.

Eine besondere Herausforderung stellt die Übertragung linear polarisierter optischer Signale zwischen zwei sich relativ zueinander drehenden Systemen dar, wofür speziell ausgebildete optische Drehübertrager einzusetzen sind, die linear polarisierte Lichtsignale von einer ersten Systemseite unter Beibehaltung der Polarisationsrichtung zur relativ zur Ersten drehbar gelagerten zweiten Systemseite zu übertragen in der Lage sind.A particular challenge is the transmission of linearly polarized optical signals between two systems rotating relative to each other, for which purpose specially designed optical rotary joints must be used, which transmit the linearly polarized light signals from a first system side while maintaining the direction of polarization to the second system side, which is rotatably mounted relative to the first are able.

Der Druckschrift US 4,848,857 B ist eine monokanalige, optische Drehkupplung unter Beibehaltung der Polarisationsebene zu entnehmen, die längs einer gemeinsamen Achse zwei die Polarisationsrichtung erhaltende optische Fasern mit jeweils stirnseitig sich gegenüberliegend angebrachten Faserkollimatoren vorsieht, von denen eine Faser relativ zur gegenüberliegenden Faser drehbar gelagert ist. Im optischen Pfad zwischen beiden optischen Faserkollimatoren ist eine λ/2-Wellenplatte angeordnet, die über ein Zahnradgetriebe mit einer Drehgeschwindigkeit um die optische Achse beider polarisationserhaltenden Fasern gedreht wird, die der halben Drehgeschwindigkeit der jeweils drehbar gelagerten optischen Faser entspricht.The pamphlet U.S. 4,848,857 B shows a mono-channel, optical rotary joint while maintaining the plane of polarization, which provides two optical fibers maintaining the polarization direction along a common axis, each with fiber collimators attached at the end faces opposite one another, of which one fiber is rotatably mounted relative to the opposite fiber. A λ/2 wave plate is arranged in the optical path between the two optical fiber collimators. It is rotated about the optical axis of both polarization-maintaining fibers via a gear train at a rotational speed which corresponds to half the rotational speed of the rotatably mounted optical fiber in each case.

Der Druckschrift EP 0 490 054 A1 ist ein zweikanaliger optischer Drehübertrager zu entnehmen, zu dessen polarisationserhaltenden Drehübertragung das linear polarisierte Licht pro optischer Übertragungskanal mittels einer λ/4-Wellenplattenanordnung in zirkular polarisiertes Licht transformiert wird, das nach Durchtritt der Drehschnittstelle mittels einer weiteren λ/4-Wellenplattenanordnung in linear polarisiertes Licht rückumgewandelt wird.The pamphlet EP 0 490 054 A1 a two-channel optical rotary transmitter can be seen, for the polarization-maintaining rotary transmission of which the linearly polarized light per optical transmission channel is transformed into circularly polarized light by means of a λ/4 wave plate arrangement, which, after passing through the rotary interface, is transformed into linearly polarized light by means of another λ/4 wave plate arrangement is converted back.

Die Druckschrift US 7,734 , 130 B2 offenbart einen polarisationserhaltenden optischen Drehübertrager zur mehrkanaligen Übertragung von linear polarisiertem Licht, bei dem, gleichsam wie beim vorstehend erwähnten Drehübertrager, linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht und nachfolgend wieder in linear polarisiertes Licht mittels geeignet gewählter Wellenplatten transformiert wird. Im optischen Pfad des Drehübertragers, längs dessen sich zirkular polarisiertes Licht ausbreitet, ist zusätzlich ein derotierendes, optisches Element, beispielsweise in Form eines Dove-Prismas, angeordnet, an dessen Lichteintrittsfläche ein Polarisationswandler zur Umwandlung von zirkular polarisiertem Licht in linear polarisiertes Licht und an dessen Lichtaustrittsflächen ein Polarisationswandler zur Umwandlung von linear polarisiertem Licht in zirkular polarisiertes Licht angebracht sind.The pamphlet U.S. 7,734 , 130 B2 discloses a polarization-maintaining optical rotary transmitter for multi-channel transmission of linearly polarized light, in which, as in the rotary transmitter mentioned above, linearly polarized light is transformed into circularly polarized light and subsequently back into linearly polarized light by means of suitably selected waveplates. In the optical path of the rotary joint, along which circularly polarized light propagates, there is also a derotating optical element, for example in the form of a Dove prism, arranged on whose light entry surface is a polarization converter for converting circularly polarized light into linearly polarized light and on whose Light exit surfaces are attached to a polarization converter for converting linearly polarized light into circularly polarized light.

Zwar lassen sich mit dem vorstehenden Aufbau eine Vielzahl einzelner optischer Übertragungskanäle gleichzeitig mit jeweils polarisationserhaltenden Eigenschaften übertragen, jedoch bedarf es eines hohen Grades an Präzision die aus doppelbrechenden Materialien bestehenden Wellenplatten hinsichtlich ihrer räumlichen Anordnung und Ausrichtung zueinander exakt zu montieren und dauerhaft in dieser Konstellation zu bewahren, um ansonsten auftretende Transformationsverluste zu vermeiden.Although a large number of individual optical transmission channels can be transmitted simultaneously with the above structure, each with polarization-maintaining properties, it requires a high degree of precision to assemble the waveplates, which are made of birefringent materials, with regard to their spatial arrangement and alignment to one another and to keep them permanently in this constellation , to avoid transformation losses that would otherwise occur.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine optische Anordnung zur polarisationserhaltenden Übertragung von linear polarisiertem Licht längs eines optischen Pfades zwischen einer Lichtaustrittsapertur und einer Lichtempfangsapertur, von denen wenigstens eine der beiden Aperturen um eine Drehachse drehbar gelagert ist und relativ zur anderen Apertur mit einer Drehgeschwindigkeit ω rotiert, derart weiterzubilden, dass die Realisierung einer gattungsgemäßen optischen Anordnung mit einem geringeren Justier- und Montageaufwand möglich wird. Ferner soll die mechanische Stabilität und Robustheit einer derartigen Anordnung gegen Erschütterungen verbessert sein. Zudem soll die optische Anordnung zur mehrkanaligen polarisationserhaltenden optischen Signalübertragung geeignet sein.The invention is based on the object of an optical arrangement for the polarization-maintaining transmission of linearly polarized light along an optical path between a light exit aperture and a light receiving aperture, of which at least one of the two apertures is rotatably mounted about an axis of rotation and rotates relative to the other aperture at a rotational speed ω , develop such that the realization of a generic optical arrangement with less adjustment and assembly effort is possible. Furthermore, the mechanical stability and robustness of such an arrangement against vibrations should be improved. In addition, the optical arrangement should be suitable for multi-channel, polarization-maintaining optical signal transmission.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsbeispiele zu entnehmen.The solution to the problem on which the invention is based is specified in claim 1. Features that advantageously develop the idea of the invention are the subject matter of the subclaims and the further description in particular with reference to concrete exemplary embodiments.

Lösungsgemäß zeichnet sich die optische Anordnung zur polarisationserhaltenden Übertragung von linear polarisiertem Licht längs eines optischen Pfades zwischen einer Lichtaustrittsapertur und einer Lichtempfangsapertur, von denen wenigstens eine der beiden Aperturen um eine Drehachse drehbar gelagert ist und relativ zur anderen Apertur mit einer Drehgeschwindigkeit ω rotiert, dadurch aus, dass längs des optischen Pfades mindestens eine erste Wellenplatte angeordnet ist, die eine dem linear polarisierten Licht zugrunde liegende Polarisationsrichtung um einen ersten Winkel dreht. Zudem ist längs des optischen Pfades mindestens eine zweite Wellenplatte angeordnet, die eine dem linear polarisierten Licht zugrunde liegende Polarisationsrichtung um einen zweiten Winkel dreht. Zwischen der ersten und zweiten Wellenplatte ist längs des optischen Pfades das mindestens eine derotierende, optische Element angeordnet, wobei die erste und zweite Wellenplatte sowie das mindestens eine derotierende, optische Element drehbar um die Drehachse gelagert sind und in Abhängigkeit der Drehgeschwindigkeit ω jeweils derart aufeinander abgestimmt rotieren, so dass die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichtes jeweils relativ zur Lichtaustrittsapertur und Lichtempfangsapertur erhalten bleibt.According to the solution, the optical arrangement for polarization-maintaining transmission of linearly polarized light along an optical path between a light exit aperture and a light receiving aperture, of which at least one of the two apertures is rotatably mounted about an axis of rotation and rotates relative to the other aperture at a rotational speed ω, is characterized that at least one first wave plate is arranged along the optical path, which rotates a polarization direction on which the linearly polarized light is based by a first angle. In addition, at least one second wave plate is arranged along the optical path, which rotates a polarization direction on which the linearly polarized light is based by a second angle. The at least one derating optical element is arranged between the first and second waveplates along the optical path, with the first and second waveplates and the at least one derating optical element being mounted so as to be rotatable about the axis of rotation and, depending on the rotational speed ω, in each case matched to one another in this way rotate so that the direction of polarization of the linearly polarized light is maintained relative to the light exit aperture and light receiving aperture.

Die lösungsgemäße optische Anordnung ermöglicht eine polarisationserhaltende optische Drehlichtübertragung zwischen zwei relativ zueinander drehbeweglich gelagerten Systemteilen, von denen entweder ein Systemteil stationär gelagert ist und das andere Systemteil relativ zum ersten mit einer Drehgeschwindigkeit ω rotiert, oder beide Systemteile mit unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten um eine gemeinsame Drehachse drehen, wobei zwischen beiden Systemteilen ein Drehgeschwindigkeitsunterschied von ω besteht.The optical arrangement according to the solution enables a polarization-preserving optical rotary light transmission between two system parts that are mounted such that they can rotate relative to one another, of which either one system part is mounted stationary and the other system part rotates relative to the first at a rotational speed ω, or both system parts rotate at different rotational speeds about a common rotational axis, where there is a rotational speed difference of ω between the two parts of the system.

Vorzugsweise eignen sich zur Lichtleitung polarisationserhaltende Wellenleiter, sogenannte polarisationserhaltende Fasern, kurz PM-Fasern, deren sich an der optischen Anordnung gegenüberliegende Faserenden, vorzugsweise mit einer Kollimatoroptik versehen sind, der jeweils die Lichtaustrittsapertur bzw. Lichtempfangsapertur zuordenbar ist.Polarization-maintaining waveguides, so-called polarization-maintaining fibers, or PM fibers for short, are preferably suitable for guiding light, the fiber ends of which are opposite on the optical arrangement, preferably provided with collimator optics, to which the light exit aperture or light reception aperture can be assigned.

Polarisationserhaltende Fasern verfügen im Unterschied zu konventionellen Lichtleitfasern mit einem zirkular symmetrischen Brechungsindex und einer durch Reflexion an der Grenzfläche des Lichtleiters erfolgenden Lichtleitung, über eine definiert in die Faser eingebrachte, systematische lineare Doppelbrechung, die, bezogen auf den Faserquerschnitt, durch eine mit einer Vorzugsrichtung versehene und von der Zirkularsymmetrie abweichende Brechungsindex-Verteilung charakterisiert ist.In contrast to conventional optical fibers with a circularly symmetrical refractive index and a light guide that takes place by reflection at the interface of the optical fiber, polarization-maintaining fibers have a defined, systematic linear birefringence introduced into the fiber, which, in relation to the fiber cross-section, is provided by a preferred direction and characterized by a refractive index distribution deviating from circular symmetry.

Zur polarisationserhaltenden Drehübertragung des aus der Lichtaustrittsapertur austretenden linear polarisierten Lichtes gilt es vermittels des zwischen beiden Wellenplatten angeordneten derotierenden, optischen Elementes, vorzugsweise in Form eines Dove-Prismas, die räumliche Schwingungsebene des linear polarisierten Lichtes in räumliche Koinzidenz mit der Brechungsindex-Vorzugsrichtung der sich an der Lichtempfangsapertur anschließenden PM-Faser zu bringen, die sich mit der Drehgeschwindigkeit ω relativ zur Lichtaustrittsapertur dreht.For the polarization-preserving rotary transmission of the linearly polarized light emerging from the light exit aperture, the spatial plane of oscillation of the linearly polarized light is spatially coincident with the preferred direction of the refractive index by means of the derating optical element arranged between the two wave plates, preferably in the form of a Dove prism to bring the light receiving aperture subsequent PM fiber, which rotates with the rotational speed ω relative to the light exit aperture.

Die jeweils zwischen der Lichtaustrittsapertur und dem derotierenden, optischen Element sowie dem derotierenden, optischen Element und der Lichteintrittsapertur angeordneten Wellenplatten sind identisch ausgebildet und vorzugsweise als λ/2 Wellenplatten ausgebildet. Da λ/2 Wellenplatten die Polarisationsrichtung bei Durchtritt von linear polarisiertem Licht in Abhängigkeit von Material und Dicke der Wellenplatte um einen vorgegebenen Winkel um die Lichtausbreitungsachse zu drehen vermögen, sind die erste und zweite Wellenplatte der optischen Anordnung bezogen auf Material, Form und Größe identisch ausgebildet. Zudem sind die erste und zweite Wellenplatte sowie auch das mindestens eine derotierende, optische Element mittels eines mechanischen Getriebeantriebes, das vorzugsweise über eine fest vorgegebene Getriebeübersetzung verfügt, um die Drehachse in Rotation versetzbar.The wave plates arranged in each case between the light exit aperture and the derotating optical element and between the derotating optical element and the light entry aperture are of identical design and are preferably designed as λ/2 wave plates. Since λ/2 waveplates are able to rotate the direction of polarization around the light propagation axis by a predetermined angle when linearly polarized light passes through, depending on the material and thickness of the waveplate, the first and second waveplates of the optical arrangement are identical in terms of material, shape and size . In addition, the first and second wave plates as well as the at least one deroting optical element can be set in rotation about the axis of rotation by means of a mechanical gear drive, which preferably has a fixed, predetermined gear ratio.

Die fest vorgegebene Getriebeübersetzung sorgt vorzugsweise dafür, dass die erste und zweite Wellenplatte sowie das mindestens eine derotierende, optische Element in einem von der Drehgeschwindigkeit ω fest vorgegebenen Drehgeschwindigkeitsverhältnis, jeweils mit gleicher Drehorientierung um die Drehachse rotieren. Damit die Polarisationserhaltung zwischen der Lichtaustrittsapertur und der Lichtempfangsapertur der optischen Anordnung bestmöglich, d.h. ohne oder ohne nennenswerte Lichtverluste, realisierbar ist, gilt es, bei einem vorgegebenem Drehgeschwindigkeitsunterschied von ω zwischen Lichtaustrittsapertur und Lichtempfangsapertur die Getriebeübersetzung derart vorzunehmen bzw. einzustellen, so dass das wenigstens eine derotierende, optische Element mit ω/2 um die Drehachse rotiert. Sei beispielsweise angenommen, dass die Lichtaustrittsapertur relativ zur, bspw. stationären, Lichtempfangsapertur mit der Drehgeschwindigkeit ω um die Drehachse rotiert und die erste Wellenplatte zwischen der Lichtaustrittsapertur und dem wenigstens einen derotierenden, optischen Element angeordnet ist, so rotiert die erste Wellenplatte mit ¾ ω um die Drehachse. Die zwischen dem wenigstens einen derotierenden, optischen Element und der Lichteintrittsapertur angeordnete zweite Wellenplatte rotiert hingegen mit einer Drehgeschwindigkeit von ω/4.The fixed gear ratio preferably ensures that the first and second wave plates and the at least one deroting optical element rotate in a rotational speed ratio fixed by the rotational speed ω, each with the same rotational orientation about the rotational axis. So that the polarization can be maintained between the light exit aperture and the light receiving aperture of the optical arrangement in the best possible way, i.e. without or without significant light losses, it is necessary, with a given rotational speed difference of ω between the light exit aperture and the light receiving aperture, to carry out or set the gear ratio in such a way that the at least one deroting optical element rotates with ω/2 around the axis of rotation. Suppose, for example, that the light exit aperture rotates relative to the, e.g the axis of rotation. Between the at least one deroting, opti In contrast, the second waveplate arranged between the element and the light entry aperture rotates at a rotational speed of ω/4.

Die lösungsgemäße optische Anordnung besteht in ihrer einfachsten Ausführungsform aus zwei λ/2 Wellenplatten und wenigstens einem zwischen beiden Wellenplatten angeordneten derotierenden, optischen Element, wobei alle vorstehend genannten optischen Komponenten um eine gemeinsame Drehachse gelagert sind und mit unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten rotieren. Zudem sind die Lichtaustritts- und Lichteintrittsapertur jeweils drehbar um die gemeinsame Drehachse mit jeweils unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten gelagert, wobei der Drehgeschwindigkeitsunterschied zwischen Lichteintritts- und Lichtaustrittsapertur ω beträgt. Alternativ ist eine der beiden Lichteintritts- und Lichtaustrittsaperturen stationär gelagert.In its simplest embodiment, the optical arrangement according to the solution consists of two λ/2 waveplates and at least one derating optical element arranged between the two waveplates, with all of the aforementioned optical components being mounted about a common axis of rotation and rotating at different rotational speeds. In addition, the light exit and light entry apertures are each mounted so that they can rotate about the common axis of rotation at different rotational speeds, the difference in rotational speed between the light entry and light exit apertures being ω. Alternatively, one of the two light entry and light exit apertures is mounted stationary.

Im Falle eines einzigen optischen Übertragungskanals sind die Lichtaustritts- und Lichteintrittsapertur koaxial zur Drehachse angeordnet, d.h. sende- und empfangsseitig zur optischen Anordnung verläuft jeweils eine polarisationserhaltende Faser, deren Faserenden mit einer Kollimatoroptik abschließen, die auf der Sendeseite der Lichtaustrittsapertur und auf der Empfangsseite der Lichteintrittsapertur entsprechen.In the case of a single optical transmission channel, the light exit and light entry apertures are arranged coaxially to the axis of rotation, i.e. a polarization-maintaining fiber runs on the transmission and reception side of the optical arrangement, the fiber ends of which terminate with collimator optics, which are on the transmission side of the light exit aperture and on the reception side of the light entry aperture are equivalent to.

Durch die Verwendung eines derotierenden, optischen Elementes eröffnet sich die Möglichkeit einer optischen Mehrkanalübertragung, d.h. sende- und empfangsseitig können jeweils eine Vielzahl koparallel zur Drehachse verlaufend angeordnete Wellenleiter mit jeweils zugeordneten Kollimatoroptiken vorgesehen sein, die vorzugsweise jeweils in Form eines Kollimatorarrays zusammengefasst sind. Durch Relativdrehung von Lichtaustrittsapertur, Lichteintrittsapertur, der ersten und zweiten Wellenplatte sowie des wenigstens einen derotierenden, optischen Elementes um die gemeinsame Drehachse mit einem fest vorgegebenen Drehzahlverhältnis ist für jeden einzelnen optischen Übertragungskanal eine polarisationserhaltende optische Signalübertragung gewährleistet.The use of a derating optical element opens up the possibility of optical multi-channel transmission, i.e. a large number of waveguides running co-parallel to the axis of rotation can be provided on the transmission and reception side, each with associated collimator optics, which are preferably combined in the form of a collimator array. A polarization-preserving optical signal transmission is ensured for each individual optical transmission channel by relative rotation of the light exit aperture, light entry aperture, the first and second waveplate and the at least one derotating optical element about the common axis of rotation with a fixed predetermined speed ratio.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht darüber hinaus jeweils eine drehfestfest mit der Lichtaustrittsapertur sowie drehfestfest mit der Lichteintrittsapertur verbundenes optisches Polarisationselement, z.B. in Form eines optischen linearen Polarisationsfilter oder eines polarisierenden Splitters vor, um die übertragbare optische Signalqualität zu verbessern bzw. einer möglichen, wenn auch nur geringfügig auftretenden übertragungsbedingten Depolarisation entgegenzutreten.A preferred embodiment also provides for an optical polarization element connected non-rotatably to the light exit aperture and non-rotatably to the light entry aperture, e.g. in the form of an optical linear polarization filter or a polarizing splitter, in order to improve the transmittable optical signal quality or a possible, albeit only slight counteract transmission-related depolarization that occurs.

Figurenlistecharacter list

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:

  • 1 mehrkanalige, polarisationserhaltende optische Drehlichtübertragungsvorrichtung.
The invention is described below by way of example, without restricting the general inventive concept, using an exemplary embodiment with reference to the drawing. It shows:
  • 1 Multi-channel, polarization-maintaining optical rotating light transmission device.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWays of carrying out the invention, industrial applicability

1 zeigt in schematischer Darstellung eine optische Anordnung A zur polarisationserhaltenden Übertragung von linear polarisiertem Licht längs wenigstens eines optischen Pfades P zwischen einer senderseitigen S angeordneten Lichtaustrittsapertur 1 und einer empfangsseitig angeordneten Lichtempfangsapertur 2, von denen im dargestellten Fall die senderseitig S angeordnete Lichtaustrittsapertur 1 um die Drehachse D mit einer Drehgeschwindigkeit ω rotiert. Es sei im Weiteren angenommen, dass die empfangsseitig E angeordnete Lichtempfangsapertur 2 stationär gelagert ist. 1 shows a schematic representation of an optical arrangement A for polarization-maintaining transmission of linearly polarized light along at least one optical path P between a light exit aperture 1 arranged on the transmitter side S and a light receiving aperture 2 arranged on the receiver side, of which in the illustrated case the light exit aperture 1 arranged on the transmitter side S rotates about the axis of rotation D rotates with a rotational speed ω. It is assumed below that the light receiving aperture 2 arranged on the receiving side E is mounted in a stationary manner.

Zwischen der Lichtaustrittsapertur 1 und der Lichtempfangsapertur 2 sind eine erste Wellenplatte 3, ein derotierendes, optisches Element 4, in Form eines Dove-Prismas, sowie eine zweite Wellenplatte 5 angeordnet. Die erste und zweite Wellenplatte 3, 5 stellen λ/2-Wellenplatten dar und sind identisch ausgebildet.A first wave plate 3 , a derating optical element 4 in the form of a Dove prism, and a second wave plate 5 are arranged between the light exit aperture 1 and the light receiving aperture 2 . The first and second wave plates 3, 5 represent λ/2 wave plates and are of identical design.

Vorzugsweise sind die vom linear polarisierten Licht durchdringbaren optischen Oberflächen beider Wellenplatten 3, 5 sowie des derotierenden optischen Elementes 4 vergütet, d.h. mit einer anti-reflektierenden Schicht versehen, um Streu- oder Reflexionsverluste bei Durchtritt des linear polarisierten Lichtes zu minimieren.The optical surfaces of both waveplates 3, 5 and of the deroting optical element 4 through which the linearly polarized light can penetrate are preferably coated, i.e. provided with an anti-reflective layer, in order to minimize scattering or reflection losses when the linearly polarized light passes through.

Zum Zwecke der polarisationserhaltenden Übertragung von linear polarisiertem Licht sind zumindest die Lichtaustrittsapertur 1, die erste und zweite Wellenplatte 3, 5 sowie das derotierende optische Element 4 über einen mechanischen Getriebeantrieb 6 miteinander zwangsgekoppelt, der die einzelnen optischen Komponenten in Abhängigkeit der Drehzahl ω um die Drehachse D mit fest vorgegebenen Drehzahlverhältnissen zu drehen vermag. Dabei rotiert die erste Wellenplatte 3 mit ¾ ω, das derotierende optische Element 4 mit ω /2 und die zweite Wellenplatte mit ¼ ω um die Drehachse D. Die Rotationsgeschwindigkeiten der einzelnen optischen Komponenten gilt es möglichst exakt einzuhalten, um eine verlustfreie polarisationserhaltende Drehübertragung von der Lichtaustrittsapertur 1 in die Lichteintrittsapertur 2 zu gewährleisten.For the purpose of polarization-maintaining transmission of linearly polarized light, at least the light exit aperture 1, the first and second wave plates 3, 5 and the deroting optical element 4 are positively coupled to one another via a mechanical gear drive 6, which rotates the individual optical components as a function of the rotational speed ω around the axis of rotation D is able to rotate with fixed speed ratios. The first waveplate 3 rotates with ¾ ω, the derating optical element 4 with ω /2 and the second waveplate with ¼ ω around the axis of rotation D. The rotational speeds of the individual optical components must be maintained as precisely as possible in order to ensure a loss-free, polarization-preserving rotary transmission from the To ensure light exit aperture 1 in the light entry aperture 2.

Im einfachsten Fall können senderseitig S und empfangsseitig E jeweils nur eine einzige, vorzugsweise polarisationserhaltende Faser als Wellenleiter vorgesehen sein, die eine einkanalige optische Signalübertragung ermöglichen. Zur verlustfreien Lichtaus- und Lichteinkopplung in bzw. aus der optischen Anordnung A sind die Wellenleiter stirnseitig jeweils mit einer Kollimatoroptik 7, 8 verbunden.In the simplest case, only a single, preferably polarization-maintaining fiber can be provided as a waveguide on the transmitter side S and on the receiver side E, which enable single-channel optical signal transmission. For the loss-free coupling of light into and out of the optical arrangement A, the waveguides are each connected to collimator optics 7, 8 at the front.

Durch Verwendung des derotierenden optischen Elementes 4 ist eine polarisationserhaltende Lichtübertragung mittels der optischen Anordnung A möglich, deren optische Pfade P koparallel und nicht nur ausschließlich koaxial zur Drehachse D verlaufen und um die Drehachse D rotieren. Im dargestellten Fall sei angenommen, dass jeweils senderseitig S und empfangsseitig E eine Vielzahl einzelner polarisationserhaltender Fasern 9, 10 angeordnet sind, die jeweils stirnseitig an einem Kollimatorarray 11, 12 münden.By using the derating optical element 4, a polarization-maintaining light transmission is possible by means of the optical arrangement A, the optical paths P of which run coparallel and not only exclusively coaxially to the axis of rotation D and rotate about the axis of rotation D. In the case shown, it is assumed that a large number of individual polarization-maintaining fibers 9, 10 are arranged on the transmitter side S and on the receiver side E, each of which open out at a collimator array 11, 12 at the end.

Optional lässt sich die vorstehend beschriebene, optische Anordnung zur polarisationserhaltenden Übertragung von linear polarisiertem Licht jeweils durch ein sender- und empfangsseitig angeordnetes, optisches Polarisationselement 13, 14, vorzugsweise jeweils in Form eines linearen Polarisationsfilters oder polarisierenden Splitters ergänzen, um die übertragbare optische Signalqualität weiter zu verbessern. Hierzu sind jeweils ein optisches Polarisationselement 13 mit dem senderseitigen Kollimatorarray 11 sowie ein Weiteres 14 mit dem empfangsseitigen Kollimatorarray 12 fest verbunden. Durch die exakt aufeinander räumlich abgestimmte Lage der Durchlassrichtungen beider optischer Polarisationselemente 13, 14 ist eine optische Übertragungsbegrenzung von linear polarisiertem Licht längs nur einer, durch die Polarisationselemente 13, 14 vorgegebenen Schwingungsebene gewährleistet. Möglichen, ansonsten, d.h. ohne Vorsehen von Polarisationselementen, übertragungsbedingt auftretenden, wenn auch nur geringfügigen Depolarisationserscheinungen können auf diese Weise wirkungsvoll entgegengetreten werden.The optical arrangement described above for the polarization-maintaining transmission of linearly polarized light can optionally be supplemented by an optical polarization element 13, 14 arranged on the transmitter and receiver side, preferably in the form of a linear polarization filter or polarizing splitter, in order to further increase the transmittable optical signal quality improve. For this purpose, in each case one optical polarization element 13 is permanently connected to the collimator array 11 on the transmitter side and another 14 is permanently connected to the collimator array 12 on the receiver side. Due to the precisely spatially matched position of the transmission directions of both optical polarization elements 13, 14, optical transmission limitation of linearly polarized light along only one oscillation plane predetermined by the polarization elements 13, 14 is ensured. Possible depolarization phenomena that otherwise occur due to transmission, i.e. without the provision of polarization elements, even if they are only slight, can be counteracted effectively in this way.

BezugszeichenlisteReference List

11
Lichtaustrittsaperturlight exit aperture
22
Lichtempfangsaperturlight receiving aperture
33
erste Wellenplattefirst wave plate
44
derotierendes, optisches Elementderotating optical element
55
zweite Wellenplattesecond wave plate
66
Getriebeeinheitgear unit
7, 87, 8
Kollimatoroptikcollimator optics
9, 109, 10
polarisationserhaltende Faserpolarization-maintaining fiber
11, 1211, 12
Kollimatorarraycollimator array
13, 1413, 14
Polarisationselementpolarizing element
AA
optische Anordnungoptical arrangement
EE
Empfangsseitereceiving side
SS
Senderseitetransmitter side
PP
optischer Pfadoptical path

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Claims (16)

Optische Anordnung zur polarisationserhaltenden Übertragung von linear polarisiertem Licht längs eines optischen Pfades zwischen einer Lichtaustrittsapertur und einer Lichtempfangsapertur, von denen wenigstens eine der beiden Aperturen um eine Drehachse drehbar gelagert ist und relativ zur anderen Apertur mit einer Drehgeschwindigkeit ω rotiert, dadurch gekennzeichnet, dass längs des optischen Pfades mindestens eine erste Wellenplatte angeordnet ist, die eine dem linear polarisierten Licht zugrundeliegende Polarisationsrichtung um einen ersten Winkel dreht, dass längs des optischen Pfades mindestens eine zweite Wellenplatte angeordnet ist, die eine dem linear polarisierten Licht zugrundeliegende Polarisationsrichtung um einen zweiten Winkel dreht, dass das mindestens eine derotierende, optische Element zwischen der ersten und der zweiten Wellenplatte längs des optischen Pfades angeordnet ist, und dass die erste und zweite Wellenplatte sowie das mindestens eine derotierende optische Element drehbar um die Drehachse gelagert sind und in Abhängigkeit der Drehgeschwindigkeit ω jeweils derart aufeinander abgestimmt rotieren, dass die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichtes jeweils relativ zu der Lichtaustrittsapertur und Lichtempfangsapertur erhalten bleibt.Optical arrangement for the polarization-maintaining transmission of linearly polarized light along an optical path between a light exit aperture and a light receiving aperture, of which at least one of the two apertures is mounted rotatably about an axis of rotation and rotates relative to the other aperture at a rotational speed ω, characterized in that along the at least one first waveplate is arranged along the optical path, which rotates a polarization direction on which the linearly polarized light is based by a first angle, that at least one second waveplate is arranged along the optical path, which rotates a polarization direction on which the linearly polarized light is based by a second angle, that the at least one derotating optical element is arranged between the first and the second wave plate along the optical path, and that the first and second wave plate as well as the at least one derating optical element are mounted rotatably about the axis of rotation and depending on the rotational speed ω in such a way on top of each other rotate tuned that the polarization direction of the linearly polarized light is maintained relative to the light exit aperture and light receiving aperture. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsapertur oder die Lichtempfangsapertur stationär gelagert ist.Optical arrangement according to claim 1 , characterized in that the light exit aperture or the light receiving aperture is mounted stationary. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsapertur und die Lichtempfangsapertur drehbar gelagert sind und mit einem Drehgeschwindigkeitsunterschied von ω um die Drehachse drehen.Optical arrangement according to claim 1 , characterized in that the light exit aperture and the light receiving aperture are rotatably mounted and rotate with a rotational speed difference of ω about the axis of rotation. Optische Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Wellenplatte jeweils identisch ausgebildet sind.Optical arrangement according to claim 1 until 3 , characterized in that the first and second wave plate are each formed identically. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das linear polarisierte Licht monochromatisch ist und eine Wellenlänge λ aufweist, und dass die erste und/oder zweite Wellenplatte jeweils eine λ/2-Platte ist.Optical arrangement according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the linearly polarized light is monochromatic and has a wavelength λ, and that the first and/or second waveplate is/are each a λ/2-plate. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Wellenplatte sowie das mindestens eine derotierende optische Element mittels eines Getriebeantriebes um die Drehachse in Rotation versetzbar sind.Optical arrangement according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the first and second wave plates as well as the at least one derating optical element can be set in rotation about the axis of rotation by means of a gear drive. Optische Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinheit eine fest vorgegebene Getriebeübersetzung aufweist.Optical arrangement according to claim 6 , characterized in that the gear unit has a fixed predetermined gear ratio. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Wellenplatte sowie das mindestens eine derotierende optische Element in einem von der Drehgeschwindigkeit ω fest vorgegebenen Drehgeschwindigkeitsverhältnis und mit gleicher Drehorientierung um die Drehachse rotieren.Optical arrangement according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the first and second wave plates as well as the at least one derotating optical element rotate about the axis of rotation in a rotational speed ratio fixed by the rotational speed ω and with the same rotational orientation. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine derotierende optische Element mit ω/2 rotiert, dass die erste Wellenplatte, die zwischen der relativ zu anderen Apertur mit der Drehgeschwindigkeit ω drehenden Apertur und dem derotierenden, optischen Element angeordnet ist, mit 3ω/4 rotiert, und dass die zweite Wellenplatte, die zwischen der anderen Apertur und dem derotierenden, optischen Element angeordnet ist, mit w/4 rotiert.Optical arrangement according to one of Claims 5 until 7 , characterized in that the at least one derating optical element rotates at ω/2, that the first wave plate, which is arranged between the aperture rotating relative to the other aperture at the rotational speed ω and the derating optical element, rotates at 3ω/4, and that the second waveplate, which is arranged between the other aperture and the derrotating optical element, rotates at w/4. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsapertur einer mit einem ersten Lichtwellenleiter gekoppelten ersten Kollimatoroptik zuordenbar ist, dass die Lichteintrittsapertur einer mit einem zweiten Lichtwellenleiter gekoppelten zweiten Kollimatoroptik zuordenbar ist.Optical arrangement according to one of Claims 1 until 9 , characterized in that the light exit aperture can be assigned to a first optical collimator coupled to a first optical waveguide, that the light entrance aperture can be assigned to a second optical collimator coupled to a second optical waveguide. Optische Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Lichtwellenleiter jeweils polarisationserhaltende Fasern sind.Optical arrangement according to claim 10 , characterized in that the first and second optical waveguides are each polarization-maintaining fibers. Optische Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen der ersten Kollimatoroptik und dem derotierenden, optischen Element angeordnete erste Wellenplatte die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichtes parallel zu einer dem derotierenden, optischen Element zuordenbaren optischen Achse dreht, und dass die zwischen dem derotierenden, optischen Element und der zweiten Kollimatoroptik angeordnete zweite Wellenplatte die Polarisationsrichtung des aus dem derotierenden, optischen Element austretenden linear polarisierten Lichts parallel zu einer dem zweiten Wellenleiter zuordenbaren optischen Achse dreht.Optical arrangement according to claim 10 or 11 , characterized in that the first waveplate arranged between the first collimator optics and the derotating optical element rotates the polarization direction of the linearly polarized light parallel to an optical axis that can be assigned to the derotating optical element, and that between the derotating optical element and the second Collimating optics arranged second wave plate rotates the direction of polarization of the linearly polarized light emerging from the derating optical element parallel to an optical axis which can be assigned to the second waveguide. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Lichtwellenleiter jeweils eine Vielzahl einzelner optischer Übertragungskanäle besitzt, und dass die erste und zweite Kollimatoroptik jeweils als Kollimatorarray ausgebildet sind.Optical arrangement according to one of Claims 10 until 12 , characterized in that the first and second optical waveguides each have a multiplicity of individual optical transmission channels, and that the first and second collimator optics are each designed as a collimator array. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass drehfest mit der Lichtaustrittsapertur sowie drehfest mit der Lichteintrittsapertur jeweils ein optisches Polarisationselement angebracht ist.Optical arrangement according to one of Claims 1 until 13 , characterized in that in each case an optical polarization element is attached in a rotationally fixed manner to the light exit aperture and in a rotationally fixed manner to the light entry aperture. Optische Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Polarisationselement ein linearer Polarisationsfilter oder ein polarisierender Splitter ist.Optical arrangement according to Claim 14 , characterized in that the optical polarization element is a linear polarization filter or a polarizing splitter. Verwendung der optischen Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als mehrkanalige, polarisationserhaltende optische Drehlichtübertragungsvorrichtung.Use of the optical arrangement according to one of Claims 1 until 15 as a multi-channel, polarization-maintaining optical rotating light transmission device.
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