DE102022130302A1

DE102022130302A1 - Temperaturunabhängige optische Verbindung

Info

Publication number: DE102022130302A1
Application number: DE102022130302.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Mende; Mark Heimann; Richard Booman
Original assignee: Pmk Mess und Kommunikationstechnik Ges mbH; Pmk Mess und Kommunikationstechnik GmbH
Current assignee: Pmk Mess und Kommunikationstechnik Ges mbH; Pmk Mess und Kommunikationstechnik GmbH
Priority date: 2021-11-16
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2023-05-17
Also published as: JP2023089933A; US20230155679A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine temperaturunabhängige optische Verbindung zum Umwandeln eines empfangenen elektrischen Signals in ein analoges Signal. Insbesondere umfasst die temperaturunabhängige optische Verbindung eine temperaturgeregelte Übertragungskammer, die eine elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung umfasst, und ein rückgekoppeltes Temperaturregelungssystem. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf einen Tastkopf, der eine solche optische Verbindung, einer Stromversorgungseinrichtung und einer Tastkopfspitze umfasst. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Offenbarung auch auf ein Verfahren zum Umwandeln eines empfangenen elektrischen Signals in ein analoges Signal mit einer solchen temperaturunabhängigen optischen Verbindung.

Description

QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen Anmeldung Nr. 63/264,148 mit einem Anmeldetag vom 16. November 2021 und dem Titel „Optische Verbindung mit Verbesserter Optischer Ausgangssignalregelung“.
GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine temperaturunabhängige optische Verbindung zum Umwandeln eines empfangenen elektrischen Signals in ein analoges Signal. Insbesondere umfasst die temperaturunabhängige optische Verbindung eine temperaturgeregelte Übertragungskammer, die eine elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung umfasst, und ein rückgekoppeltes Temperaturregelungssystem. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf einen Tastkopf, der eine solche optische Verbindung, eine Stromversorgungseinrichtung und eine Tastkopfspitze umfasst. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Offenbarung auch auf ein Verfahren zum Umwandeln eines empfangenen elektrischen Signals in ein analoges Signal mit einer solchen temperaturunabhängigen optischen Verbindung.
HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
Im Bereich der Prüf- und Messanwendungen werden optische Verbindungen zur analogen Signalübertragung verwendet, um ein lokal erfasstes elektrisches Messsignal in eine entfernte Verarbeitungseinheit, wie etwa ein Oszilloskop, umzuwandeln. Das elektrische Signal wird in ein optisches Signal umgewandelt und über einen Lichtwellenleiter an den Empfänger gesendet. Bei den erfassten Messsignalen kann es sich zum Beispiel um Spannungsmessungen handeln. Bei den allermeisten Prüf- und Messanwendungen ist es erforderlich, dass die Signale mit der höchstmöglichen Qualität übertragen werden. Im Idealfall werden bei der Umwandlung und Übertragung keinerlei Fehler in das Signal eingebracht.
Die Ausgangssignale von elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtungen sind anfällig für Schwankungen, wenn sie wechselnden Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. So ist beispielsweise die von einer internen optischen Diode eines Lasers erzeugte Wellenlänge temperaturabhängig.
Die Erzielung stabiler und genauer analoger Übertragungen über eine optische Verbindung, auch Glasfaserverbindung genannt, weist eine Reihe einzigartiger Herausforderungen auf, und im Laufe der Jahre wurden verschiedene Ansätze umgesetzt. Bekannte Ansätze umfassen die Digitalisierung des analogen elektrischen Eingangssignals und die digitale Übertragung des digitalisierten Signals über die optische Verbindung, die Anwendung von FM- oder anderen Modulationsschemata des Signals vor der Übertragung sowie die direkte Amplitudenmodulation des Signals und den Versuch, die Schwankungen, wie etwa die Neigung (slope) des Lasers, über die Zeit und die Temperatur mit verstärkungsvariablen (gain-variablen) Verstärkern und Abweichungs-Nachverfolgungs-(Offset-Tracking)-Algorithmen usw. auszugleichen.
Die Digitalisierung analoger Signale und FM- oder andere Modulationsverfahren sind in der Regel durch ihren inhärenten Bandbreitenverbrauch begrenzt, was zu Lasten der für die Messdatenübertragung verfügbaren Bandbreite geht. Durch direkte Amplitudenmodulation des Signals und anschließende Kompensation der Schwankungen kann zwar die volle Bandbreite der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung ausgenutzt werden, der Ausgleich von temperaturabhängigen Schwankungen in der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung ist jedoch nicht vollständig und fuhrt zu Restfehlern im Messsignal.
Nach einem weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Ansatz kann die Temperaturempfindlichkeit von Lasern durch die Regelung der Laserausgangsleistung durch eine laserinterne Fotodiode geregelt werden. Solche Regelungsansätze beruhen auf der Annahme, dass die in den Lichtwellenleiter eintretende Lichtmenge der in die Fotodiode eintretenden Lichtmenge entspricht. Die Differenz zwischen dem Licht, das in die interne Fotodiode eintritt, und dem Licht, das in die Faser eingekoppelt wird, wird auch als Front-Back-Tracking-Verhältnis bezeichnet, d. h. als Verhältnis der beiden unterschiedlichen Ausgangsleistungen des Lasers. Dies ermöglicht die Implementierung geeigneter Algorithmen zur Anpassung der Laseransteuerungsbedingungen auf der Grundlage der von der Fotodiode erfassten Änderung der Laserausgangsleistung.
Neben der Notwendigkeit einer komplexen Sensor- und Softwareinfrastruktur hat dieser Ansatz den Nachteil, dass nur ein kleiner Teil der vielen Auswirkungen, die Temperaturschwankungen auf die optische Verbindung aufweisen können, von der Regelung berücksichtigt wird.
Eine weitere bekannte Herausforderung im Bereich der optischen Verbindungen ist die Nachverfolgung zwischen der internen Fotodiode des Back-Facet-(Rückfacetten)-Monitors im Laser und der Faserausgangsleistung, d. h. der Lasereinkopplung in die Ausgangsfaser, des Faserausgangsleistungspegels und der Temperatur. Der Back-Facet-(Rückfacetten)-Monitor, die interne Monitor-Fotodiode, wird unter Verwendung des Laserausgangs-Verzerrungspunktes für eine konstante Ausgangsleistung, zum Beibehalten eines stabilen DC/LF-Laser-Ausgangssignals und zur Reduzierung des NF-Rauschens durch eine Rückkoppelungsschleife verwendet. Wenn dieser Nachverfolgungs-Falschanpassungsfehler über die Temperatur signifikant wird, ändert sich der Arbeitspunkt der Laserdiode aufgrund einer falschen Auslesung im Regelkreis. Außerdem weichen die DC/LF- und der HF-Verstärkung von jenen des Lasers ab, was zu einer schlecht kompensierten Wellenform, der NF-Komponente, führt. Eine der Hauptursachen für diesen Nachverfolgungs-/Ausrichtungsfehler ist die Ausdehnung des mechanischen Gehäuses, die zu Temperaturschwankungen und damit zu optischen Ausrichtungs-/Kopplungsfehlem innerhalb des Lasergehäuses führt.
Die temperaturunabhängige optische Verbindung zum Umwandeln eines empfangenen Signals in ein analoges Signal, der Tastkopf mit einer solchen optischen Verbindung und das Verfahren zum Umwandeln eines empfangenen Signals in ein analoges Signal lösen eines oder mehrere der oben festgelegten Probleme.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Es wird eine optische Verbindung benötigt, die ein konstantes und sauberes optisches Ausgangssignal in einer Test- und Messanwendung liefert, und zwar ohne Bandbreitenverlusten aufgrund von Fehlersignalmodulationen ausgesetzt zu sein. Die temperaturunabhängige optische Verbindung zum Umwandeln eines empfangenen Signals in ein analoges Signal, der Tastkopf, der eine solche optische Verbindung umfasst, und das Verfahren zum Umwandeln eines empfangenen Signals in ein analoges Signal ermöglichen die zuverlässige Messung von Signalen hoher Qualität in unterschiedlichen und vorübergehenden Temperaturumgebungen.
Die hierin beschriebene optische Verbindung ist eine temperaturunabhängige optische Verbindung zum Umwandeln eines empfangenen Signals in ein analoges Signal. Die temperaturunabhängige optische Verbindung umfasst eine temperaturgeregelte Übertragungskammer, in der ein elektrisch-optischer Übertragungsvorrichtung untergebracht ist, wobei die Übertragungsvorrichtung konfiguriert ist, ein von einem elektrischen Eingangsanschluss empfangenes elektrisches Signal in ein analoges Signal umzuwandeln und das umgewandelte analoge Signal an einen optischen Ausgangsanschluss zu übertragen. Die temperaturunabhängige optische Verbindung umfasst weiter ein rückgekoppeltes Temperaturregelungssystem zur Regelung der Übertragungskammer auf eine Solltemperatur unter Verwendung einer Temperaturregelungsvorrichtung und eines Temperatursensors. Die Übertragungskammer ist konfiguriert, die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung auf der Solltemperatur zu halten.
Die Übertragungskammer kann ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit aufweisen oder daraus bestehen. Die Übertragungskammer kann zum Beispiel ein Rohr aus Metall sein, zum Beispiel aus Messing, Aluminium, Kupfer, Stahl und/oder Metalllegierungen. Die optische Verbindung kann weiter ein thermisch und elektrisch isolierendes Material um die Übertragungskammer herum umfassen. Das thermisch und elektrisch isolierende Material kann zum Beispiel expandiertes Polystyrol, Polyurethanschaum (PU), Polyisocyanuratschaum (PIR), Phenolsprühschaum oder ähnliche Stoffe aufweisen. Polyurethan- und Polyisocyanurat-Schaumstoffe sind für ihre besonders gute Dämmwirkung bekannt, vor allem wenn die Schaumzellen überwiegend geschlossen sind, insbesondere wenn der Anteil geschlossener Zellen mehr als 80 % oder mehr als 85 % beträgt.
Die Temperaturregelungsvorrichtung kann an die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung angeschlossen werden. Die Temperaturregelungsvorrichtung kann eine Peltier-Vorrichtung umfassen. Der Temperatursensor kann in der Übertragungskammer angeordnet werden und kann thermisch an die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung angeschlossen werden. Die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung kann eine fasergekoppelte Lasereinheit umfassen. Das fasergekoppelte Laserpaket kann einen Laserdiodenabschnitt und einen Laserausrichtungsabschnitt umfassen. Der Laserdiodenabschnitt kann ein Gehäuse des Typen TO-can umfassen. Der Laserausrichtungsabschnitt kann eine Hülse, eine Glaskapillare und ein Ende eines faseroptischen Kabels umfassen. Das gekoppelte Laserpaket kann eine gekühlte interne Laserdiode enthalten. Der optische Ausgangsanschluss kann aus einem Glasfaserkabel und einem Biegebegrenzer bestehen. Bei dem Glasfaserkabel kann es sich um eine Singlemodefaser handeln. Die temperaturunabhängige optische Verbindung kann konfiguriert sein, ein empfangenes elektrisches Signal mit hoher Frequenz in ein optisches Signal umzuwandeln.
Der hierin beschriebene Tastkopf ist ein Tastkopf zum Umwandeln eines empfangenen elektrischen Signals in ein analoges Signal und umfasst die temperaturunabhängige optische Verbindung gemäß der vorliegenden Offenbarung, eine Stromversorgungseinrichtung und eine Tastkopfspitze. Die Stromversorgungseinrichtung kann ein Batteriefach und einen einschraubbaren Batteriedeckel umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Stromversorgungseinrichtung eine Batterie umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Stromversorgungsvorrichtung ein elektrisches Kabel und/oder ein optisches Stromkabel umfassen. Der Tastkopf kann einen Eingangsspeicher umfassen, der an die Tastkopfspitze und den elektrischen Eingangsanschluss der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung angeschlossen ist. Die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung kann über eine thermische Dämpfungsvorrichtung an den Eingangsspeicher angeschlossen sein. Die thermische Dämpfungsvorrichtung kann Löcher und/oder ein Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit aufweisen, zum Beispiel dünnes Glasgewebe, das mit Harz beschichtet ist, wie es etwa bei gedruckten Leiterplatten verwendet wird.
Das hier beschriebene Verfahren ist ein Verfahren zum Umwandeln eines empfangenen elektrischen Signals in ein analoges Signal mit der temperaturunabhängigen optischen Verbindung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren kann die folgenden Schritte umfassen: Zusammenbauen einer elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung und eines Temperatursensors in der Übertragungskammer und Anschließen der Temperaturregelungsvorrichtung an die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung und an den Temperatursensor, Anlegen eines elektrischen Signals an den optischen Eingangsanschluss, Umwandeln elektrischer Signale in optische Signale, Beibehalten einer konstanten Temperatur in der Übertragungskammer und Beobachten einer konstanten optischen Ausgangsleistung für ein gegebenes elektrisches Eingangssignal. Das Verfahren kann weiter den Schritt der elektrischen und/oder optischen Signalmodulation umfassen. Der Schritt des Beibehaltens einer konstanten Temperatur kann Abrufen einer aktuellen Temperatur, Abrufen einer Temperaturabweichung durch Vergleichen der abgerufenen aktuellen Temperatur mit der Solltemperatur und Erzeugen eines Temperaturregelausgangs zur Kompensation der Temperaturabweichung umfassen. Das Verfahren kann weiter den Schritt der Signalfilterung umfassen.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen, die Bestandteil dieser Beschreibung sind, veranschaulichen mehrere Ausführungsformen der Offenbarung. Zusammen mit der Beschreibung dienen sie dazu, die Prinzipien der Offenbarung zu erläutern:

1 zeigt einen Querschnitt einer beispielhaften optischen Verbindung in einer Seitenansicht.
2 zeigt einen Querschnitt einer beispielhaften Ausführung einer elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung der optischen Verbindung.
3 zeigt einen Querschnitt einer beispielhaften Ausführungsform eines Tastkopfes in einer Seitenansicht.
4 zeigt einen Querschnitt einer beispielhaften Ausführungsform eines Tastkopfes in einer Seitenansicht.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführung eines Tastkopfes.
6 zeigt eine Seitenansicht im Querschnitt des Tastkopfes aus 5.
7 zeigt eine Querschnittsansicht des Tastkopfes von 5 von oben.
8 zeigt eine Querschnittsrückansicht des Tastkopfes von 5.
9 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagramm zur Regelung der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung unter Verwendung der optischen Verbindung.
10 zeigt einen Ausschnitt aus einem weiteren beispielhaften Flussdiagramm zur Regelung der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung unter Verwendung der optischen Verbindung.

Bezugszeichenliste

10: optische Verbindung
12: elektrischer Eingang
14: Gehäuse
14A: erste Halbschale des Gehäuses
14B: zweite Halbschale des Gehäuses
16: Eingangsspeicher
17: Befestigungsmittel
18: elektrischer Eingangsanschluss
20: elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung
21: Laserdiodenabschnitt
22: thermisch und elektrisch isolierendes Material
23: Laserausrichtungsabschnitt
24: Temperaturregelungsvorrichtung
25: elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung
26: Temperatursensor
27: fasergekoppeltes Laserpaket
28: interner temperaturgeregelter Bereich
29: Kopfstück
30: Batterie oder Strom-über-Glasfaser-(Power-over-Fiber)-Stromwandler
32: schraubbare Kappe
33: thermische Dämpfungsvorrichtung
34: Laserdiode
35: Loch in der thermischen Dämpfungsvorrichtung
36: Laserstrahl
37: Linse
39: Glaskapillare
40: Temperaturregelungssystem
50: optischer Ausgang
52: optischer Ausgangsanschluss
54: Biegebegrenzer
100: Tastkopf
S10-S50: Verfahrensschritte

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung sieht allgemein eine optische Verbindung zum Umwandeln eines empfangenen elektrischen Signals in ein analoges Signal vor, die eine temperaturgeregelte Übertragungskammer umfasst, in der eine elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung untergebracht ist, wobei die Übertragungsvorrichtung konfiguriert ist, ein von einem elektrischen Eingangsanschluss empfangenes elektrisches Signal in ein analoges Signal umzuwandeln und das umgewandelte analoge Signal an einen optischen Ausgangsanschluss zu übertragen. Die temperaturunabhängige optische Verbindung umfasst weiter ein rückgekoppeltes Temperaturregelungssystem zum Beibehalten einer Solltemperatur in der Übertragungskammer unter Verwendung einer Temperaturregelungsvorrichtung und eines Temperatursensors, wobei die Übertragungskammer konfiguriert ist, die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung auf der Solltemperatur zu halten.
Durch die Bereitstellung einer Übertragungskammer mit einer Temperaturregelungsvorrichtung, die konfiguriert ist, die Übertragungsvorrichtung auf einer konstanten, festgelegten Temperatur zu halten, kann die gesamte elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung in einer Umgebung mit konstanter Temperatur platziert werden. Mit anderen Worten kann die gesamte elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung mittels der Übertragungskammer gegen Temperaturschwankungen abgeschirmt werden. Dies hat den Vorteil, dass komplexe Modulations-, Digitalisierungs- und Front-Back-Tracking-Verhältnis-Regelungsansätze, wie sie zuvor diskutiert wurden, überflüssig werden. Dies hat den Vorteil, dass die Systemkomplexität deutlich reduziert werden kann und die für die Messdatenübertragung verfügbare Bandbreite maximiert werden kann.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die optische Verbindung weiter ein thermisch und elektrisch isolierendes Material um die Übertragungskammer herum umfassen. Das thermisch und elektrisch isolierende Material kann beispielsweise expandiertes Polystyrol, Polyurethan (PU)-Schaum, Polyisocyanurat (PIR)-Schaum, Phenol-Sprühschaum oder einen ähnlichen Stoff umfassen. Weiter kann die Temperaturregelungsvorrichtung ein Temperaturregelungssystem umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann die Temperaturregelungsvorrichtung eine Peltier-Vorrichtung umfassen. Weiterhin kann die Temperaturregelungsvorrichtung einen Temperatursensor, zum Beispiel einen Thermistor oder ein Thermoelement, und ein Temperaturregelungssystem mit einem geschlossenen oder rückgekoppelten Temperaturregelkreis umfassen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung eine fasergekoppelte Lasereinheit umfassen. Das fasergekoppelte Laserpaket kann einen Laserdiodenabschnitt und einen Laserausrichtungsabschnitt umfassen oder aus diesen bestehen. Der Laserdiodenabschnitt kann ein Gehäuse des Typs TO-can umfassen. Der Laserausrichtungsabschnitt kann eine Hülse, eine Glaskapillare und ein proximales Ende eines faseroptischen Kabels umfassen.
Das gekoppelte Laserpaket kann ein Kopfstück umfassen, welches den elektrischen Eingangsanschluss mit der Laserdiode verbindet. Die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung kann eine gekühlte interne Laserdiode umfassen oder auch nicht. Der optische Ausgangsanschluss kann aus einem Glasfaserkabel und einem Biegebegrenzer bestehen. Das Glasfaserkabel kann aus einer Singlemodefaser bestehen. In der Regel sind der Biegebegrenzer und der größte Teil des Glasfaserkabels nicht Teil der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung.
Unter Verwendung einer Temperaturregelungsvorrichtung, wie etwa eine Peltier-Vorrichtung (thermoelektrischer Kühler, TEC usw.), kann die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung mit einem rückgekoppelten Temperaturregelungssystem auf einer konstanten Temperatur gehalten werden.
Externe Temperaturschwankungen können das optische Ausgangssignal in hohem Maße beeinflussen. So wurde beispielsweise berichtet, dass ein System, das eine auf 25 °C kalibrierte Front-Back-Tracking-Ratio-Kompensation aufweist, einen Fehler von 2 % aufweist, wenn es bei 27 °C betrieben wird. Mit anderen Worten: Dieser Fehler von 2 % ist allein auf die Temperaturausdehnung im Laserausrichtungsabschnitt zurückzuführen.
Da sich die gesamte elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung einschließlich der Faserausrichtung und der Koppeloptik in der Übertragungskammer mit konstanter Temperatur befindet, können etwaige Temperaturschwankungen in der Leistung stark reduziert oder ganz eliminiert werden. Indem die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung bei einer konstanten Temperatur beibehalten wird, bleiben der Schwellenwert, I_th, die Neigungseffizienz (mW/mA, SE) und der Nachführfehler (BFM vs. Pout) der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung (d.h. des Lasers) über den externen Betriebstemperaturbereich des Systems konstant. Der Temperatursollwert der elektrisch-optischen Übertragungskammer kann bei Bedarf angepasst werden, um den Leistungsbedarf der Temperaturregelungsvorrichtung bei normalen externen Betriebstemperaturen zu minimieren und die Laserparameter feinzujustieren.
Abgesehen von Änderungen der Außentemperatur kann sich die Innentemperatur der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung aufgrund von Selbsterwärmung ändern. Dies führt zu einem Drift der Laserparameter und wahrscheinlich zu fehlerhaften Messergebnissen, insbesondere direkt nach dem Einschalten. Ein solcher Drift der Laserparameter wird mit der beschriebenen Erfindung ebenfalls vermieden.
Da bei jener Art von analogen elektrisch-optischen Übertragungssystemen die Verstärkung von der Neigung des Lasers abhängt, besteht ein zusätzlicher Vorteil der Übertragungskammer-Temperaturregelung darin, dass die Temperaturregelung des Lasers die Möglichkeit bietet, die Neigung zu ändern und somit die elektrisch-optische Verstärkung des Systems zu regeln. Dadurch kann die Verstärkung des Systems je nach Bedarf angepasst werden, um beispielsweise Änderungen in der Verstärkung in anderen Teilen des Systems auszugleichen.
Eine besonders geeignete Methode zur Beibehaltung einer konstanten Temperatur besteht darin, das gesamte System einschließlich der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung und des Temperatursensors oder nur die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung in der thermisch isolierten Übertragungskammer einzuschließen.
Die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung kann ein Element sein, das ein elektrisches Signal in ein optisches Ausgangssignal umwandelt. Die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung kann zum Beispiel einen Laser umfassen.
Die Übertragungskammer, die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung, kann ein Material umfassen, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Optional kann die Übertragungskammer ein Material umfassen, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität hat. Die Übertragungskammer kann weiter ein anderes Material mit einer hohen Wärmekapazität umfassen. Die Übertragungskammer kann ein Rohr aus Metall sein, zum Beispiel aus Messing, Aluminium, Kupfer, Stahl und/oder Metalllegierungen. Die Übertragungskammer kann auch als thermische Schnittstelle zur Temperaturregelungsvorrichtung dienen.
Der Temperatursensor kann zur Messung der internen geregelten Temperatur und/oder der Temperatur der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung verwendet werden. Der Temperatursensor kann ein passiver Temperatursensor sein, der eine externe Energiequelle benötigt, zum Beispiel einen Thermistor. Alternativ oder zusätzlich kann der Temperatursensor ein aktiver Temperatursensor sein, der keine externe Energiequelle benötigt, zum Beispiel ein Thermoelement, insbesondere ein Thermoelement des Typs K mit positiven Nickel-Chrom-Elektroden als temperaturmessende Komponenten.
Eine Temperaturregelungsvorrichtung kann ein Element sein oder umfassen, das die Fähigkeit umfasst, zu heizen, zu kühlen oder sowohl zu heizen als auch zu kühlen, je nach den Temperaturanforderungen der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung und des Gesamtsystems. Bei diesem Element kann es sich beispielsweise um eine Peltier-Vorrichtung (Thermoelektrischer Kühler, TEC) handeln.
Ein thermisch und elektrisch isolierendes Material kann ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit sein und als Verkleidung der Übertragungskammer verwendet werden, um einen maximalen Wärmewiderstand gegenüber der äußeren Umgebung zu erreichen. Es kann auch die Übertragungskammer elektrisch isolieren. Es kann die Übertragungskammer so gut umschließen, wie es deren Design erlaubt. Eine solche thermische Ummantelung aus isolierendem Material hat den Vorteil, dass vorübergehende Temperaturgradienten abgeflacht werden können, was zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung führt.
Ein Temperaturregelungssystem kann ein Element sein, welches den geschlossenen Regelkreis für die thermische Rückkopplung bildet, indem es den Temperatursensor überwacht und die Temperaturregelungsvorrichtung so regelt, dass eine konstante, intern geregelte Temperatur beibehalten wird. Der Regelkreis für den Laser kann ein temperaturbasierter Rückkopplungskreis sein.
Das Temperaturregelsystem kann konfiguriert sein, externe Temperaturschwankungen durch Regelung der Übertragungskammer auf eine Zieltemperatur, den Sollwert, auszugleichen. Im Idealfall ist die Temperatur der Übertragungskammer gleich dem Sollwert und weist eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Oberfläche der Übertragungskammer auf. Folglich weist die gesamte Umgebung des Lasers, zumindest die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung, die in der Übertragungskammer angeordnet wird, ebenfalls eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf.
Der Sollwert kann eine externe Eigenschaft sein, die konstruktiv vorgegeben, von einem Techniker eingestellt und/oder von einem separaten Steuersystem oder Regelkreis eingestellt ist. Das Temperaturregelsystem kann weiter konfiguriert sein, den Sollwert zum Beispiel stufenweise, dynamisch und/oder inkrementell einzustellen. Beispielsweise kann das Temperaturregelsystem konfiguriert sein, den Sollwert in Schritten von 1 Grad anzupassen. Mit einem solchen Temperaturregelsystem können eine konstante Verstärkungseffizienz, ein konstantes Backtracking und eine kontrollierte Verstärkung in der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung erreicht werden.
Durch Änderung des Sollwerts können die Parameter des Lasers feinjustiert werden. So kann zum Beispiel durch eine Erhöhung des Sollwerts im Temperaturregelungssystem eine verschlechterte Verstärkungseffizienz eines älteren Lasers ausgeglichen werden.
Eine interne geregelte Temperatur kann die geregelte Temperatur innerhalb der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung sein, um die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung auf einer konstanten Temperatur zu halten.
Eine externe Umgebungstemperatur kann die Außentemperatur des Systems sein, die im Laufe der Zeit schwanken kann und auf die das System keinen Einfluss hat.
Ein elektrisch-optischer Übertragungsanschluss, hier auch als elektrischer Eingangsanschluss bezeichnet, kann einen oder mehrere elektrische Anschlüsse umfassen. Diese Anschlüsse können Signal-, Verzerrungs- und Überwachungsanschlüsse umfassen. Diese Anschlüsse können über das isolierende Material hinaus in einen Bereich ragen, der der Temperatur der äußeren Umgebung ausgesetzt ist. Zu diesem Zweck können diese Anschlüsse eine kleine Bauform und einen hohen Wärmewiderstand aufweisen, um den Wärmepfad von der externen Umgebungstemperaturzone in die interne, temperaturgeregelte Zone zu minimieren.
Bei dem optischen Ausgangsanschluss kann es sich um den optischen Ausgang der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung handeln.
In den folgenden Abschnitten werden detaillierte Beschreibungen von Beispielen und Verfahren der Offenbarung gegeben. Die Beschreibung sowohl der bevorzugten als auch der alternativen Beispiele ist nur beispielhaft, und es versteht sich für den Fachmann, dass Variationen, Modifikationen und Abänderungen offensichtlich sein können. Es versteht sich daher von selbst, dass die Beispiele die Breite der Aspekte der zugrunde liegenden Offenbarung, wie sie in den Ansprüchen definiert sind, nicht einschränken.
GLOSSAR
„empfangenes elektrisches Signal", wie hierin verwendet, kann ein elektrisches Signal sein, das in die temperaturunabhängige optische Verbindung eingespeist wird, zum Beispiel über eine zusätzliche Signalerfassungseinrichtung, die von einem Tastkopf bereitgestellt wird, in welchen die optische Verbindung eingebettet ist. Bei dem empfangenen elektrischen Signal kann es sich beispielsweise um ein hochfrequentes elektrisches Signal handeln, das beispielsweise eine Frequenz von 100 MHz oder mehr aufweist.
„analoges Signal", wie hierin verwendet, kann ein optisches Signal sein.
„optische Verbindung", wie hierin verwendet, bezieht sich auf die temperaturunabhängige optische Verbindung, welche zum Umwandeln eines empfangenen elektrischen Signals in ein analoges Signal gemäß der vorliegenden Offenbarung geeignet ist.
„temperaturgeregelten Übertragungskammer, welche die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung umschließt", kann als eine Übertragungskammer verstanden werden, die konfiguriert ist, die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung vollständig in ihrem Innenvolumen einzuschließen, so dass eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung durch Wärmeströme aus der Übertragungskammer erreicht werden kann.
„Übertragungskammer", wie hierin verwendet, bezieht sich auf die temperaturgeregelte Übertragungskammer gemäß der vorliegenden Offenbarung.
„Hochfrequenz", wie hierin verwendet, bedeutet eine Frequenz von 100 MHz oder höher.
„Regelsystem" oder „Temperaturregelsystem“, wie hierin verwendet, bezieht sich auf das rückgekoppelte Temperaturregelsystem gemäß der vorliegenden Offenbarung, das geeignet ist, die Übertragungskammer auf eine Solltemperatur unter Verwendung einer Temperaturregelungsvorrichtung und eines Temperatursensors zu regeln.
„temperaturunabhängig", wie hierin verwendet, bedeutet, dass die Umwandlung eines empfangenen elektrischen Signals in ein analoges Signal unabhängig von äußeren oder inneren Temperaturschwankungen ist. Die Umwandlung erfolgt also bei einer konstanten Temperatur, nämlich der Solltemperatur.
„elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung", wie hierin verwendet, kann zumindest alle optischen Komponenten umfassen, die für die Umwandlung des elektrischen Eingangssignals in ein optisches Ausgangssignal erforderlich sind. Im Falle eines Lasers kann der Begriff „elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung“ einen Laserdiodenabschnitt und einen Laserausrichtungsabschnitt umfassen.
„Tastkopf", wie hierin verwendet, kann einen aktiven, kompensierten, einseitigen Tastkopf bezeichnen, der für Messungen hochfrequenter elektrischer Signale geeignet, aber nicht unbedingt darauf beschränkt ist.
„hohe Wärmeleitfähigkeit", wie hierin verwendet, kann eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 100 W/m-K sein, vorzugsweise gleich oder höher als die Wärmeleitfähigkeit von Messing (111 W/m-K), noch bevorzugter von Aluminium (205 W/m-K), nochmals bevorzugter von Kupfer (385 W/m-K).
„hohe Wärmekapazität", wie hierin verwendet, kann ein Material sein, das eine spezifische Wärmekapazität aufweist, die gleich oder höher ist als die von Messing (0,92 kJ/kg*K).
„wärmeisolierendes Material", wie hierin verwendet, kann ein Material sein, das eine Wärmeleitfähigkeit von 0,1 W/m-K oder weniger aufweist.
Detaillierte Beschreibungen der Zeichnungen
Der Adapter, auch Tastkopf genannt, ist geeignet, ein empfangenes elektrisches Signal in ein analoges Signal umzuwandeln. Er umfasst die temperaturunabhängige optische Verbindung gemäß der vorliegenden Offenbarung und liefert ein konstantes und sauberes optisches Ausgangssignal in einer Test- und Messanwendung, ohne Bandbreitenverlusten aufgrund von Fehlersignalmodulationen ausgesetzt zu sein. Der Anwender kann den beispielhaften Tastkopf für verschiedene Messanwendungen bei unterschiedlichen Temperaturen und Messkampagnenintensitäten einsetzen, ohne temperaturbedingte Bandbreitenverluste beobachten zu müssen.
In 1 ist ein Beispiel für eine temperaturunabhängige optische Verbindung im Querschnitt durch die optische Verbindung in der Seitenansicht dargestellt.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften optischen Verbindung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die optische Verbindung 10 umfasst mehrere elektrische/optische Übertragungsvorrichtungen, die hier auch als elektrische Eingangsanschlüsse 18 bezeichnet werden, einen optische Ausgang 50 oder einen optischen Ausgangsanschluss und eine elektrische/optische Übertragungsvorrichtung 20. Die optische Verbindung 10 umfasst weiter eine elektrisch-optische Übertragungskammer 25, auch Übertragungskammer genannt. Die Übertragungskammer umfasst eine Temperaturregelungsvorrichtung 24, die konfiguriert ist, die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 auf einer konstanten, festgelegten Temperatur zu halten. Bei der Übertragungskammer 25 kann es sich um eine zylindrische Röhre handeln, die die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 vollständig in ihrem Inneren einschließt, bzw. unterbringt.
Die Übertragungskammer 25 kann ein Material aufweisen, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Das Material kann auch eine hohe Wärmekapazität aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Übertragungskammer 25 ein anderes Material mit einer hohen Wärmekapazität aufweisen. Bei der Übertragungskammer 25 kann es sich um ein zylindrisches Rohr aus Messing handeln. Der Zweck der Übertragungskammer 25 besteht darin, alle Komponenten in ihrem Inneren auf einer einheitlichen Temperatur zu halten, was durch ihre hohe Wärmekapazität und hohe Wärmeleitfähigkeit erreicht wird. Die Übertragungskammer 25 kann so konfiguriert werden, dass sie über ihre gesamte Länge, ihren gesamten Innenbereich und alle Komponenten im Inneren der Übertragungskammer 25 eine gleichmäßige Temperatur aufweist. Dadurch wird eine durch Wärmeausdehnung hervorgerufene mechanische Belastung von der elektrisch-optischen Verbindung 20 ferngehalten und gleichmäßige Betriebsbedingungen für die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 ermöglicht.
Die Abmessungen und das zu verwendende Material hängen von der Situation und der Art der verwendeten elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung 20 ab und können durch einfache, unkomplizierte Versuche ermittelt werden.
Die optische Verbindung 10 kann weiter ein Temperaturregelungssystem 40 umfassen, welches an die Temperaturregelungsvorrichtung 24 angeschlossen werden kann. Das Temperaturregelungssystem 40 kann eine rückgekoppelte Temperaturregelung umfassen. Bei dem Temperaturregelungssystem 40 kann es sich um ein analoges und/oder digitales Regelungssystem handeln.
Der Raum zwischen der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung 20 und der Übertragungskammer 25 ist der interne temperaturgeregelte Bereich 28. Dieser interne temperaturgeregelte Bereich 28 kann wärmeisolierende Eigenschaften aufweisen, um die Wärmeflüsse von oder zu der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung 20 über den internen, temperaturgeregelten Bereich 28 zu minimieren. Der interne temperaturgeregelte Bereich 28 kann Luft, eine andere Gaszusammensetzung als Luft oder sogar Vakuum umfassen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der interne temperaturgeregelte Bereich 28 einen Feststoff oder eine Flüssigkeit umfassen.
Die Temperaturregelungsvorrichtung 24 kann die Fähigkeit aufweisen, die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 zu heizen, zu kühlen oder sowohl zu heizen als auch zu kühlen oder die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 weder zu kühlen noch zu heizen, abhängig von den Regelungsbefehlen, die vom Temperaturregelungssystem 40 bereitgestellt werden. Die Temperaturregelungsvorrichtung 24 kann beispielsweise eine Peltier-Vorrichtung, einen thermoelektrischen Kühler (TEC) umfassen oder ein Teil davon sein. Die Temperaturregelungsvorrichtung 24 kann weiter einen Temperatursensor 26 umfassen.
Bei dem Temperatursensor 26 kann es sich um einen Thermistor oder ein Thermoelement handeln, das zum Messen der internen, temperaturgeregelten Temperatur und/oder der Temperatur der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung 20 geeignet ist. Der Temperatursensor 26 kann thermisch an die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 angeschlossen sein, so dass eine Oberflächentemperatur davon gemessen werden kann. Der Temperatursensor 26 kann auch innerhalb der Übertragungskammer 25 angeordnet werden.
Die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 kann ein fasergekoppeltes Laserpaket enthalten, das einen Laserdiodenabschnitt 21 und einen Laserausrichtungsabschnitt 23 umfasst (siehe 2).
Die optische Verbindung 10 kann thermisch und elektrisch isolierendes Material 22 um die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 herum umfassen. Das thermisch und elektrisch isolierende Material 22 kann als Ummantelung der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung 20 vorgesehen sein. Der Zweck dieses Isoliermaterials ist es, einen maximalen Wärmewiderstand zu erreichen. Das thermisch und elektrisch isolierende Material kann aus expandiertem Polystyrol, Polyurethanschaum (PU), Polyisocyanuratschaum (PIR) und/oder Phenolsprühschaum bestehen. Der Temperaturbereich außerhalb der Übertragungskammer 25 wird im Folgenden als Temperaturbereich der äußeren Umgebung bezeichnet.
Der elektrische Eingangsanschluss 18 kann mehrere einzelne elektrische/optische Übertragungsvorrichtungen umfassen. Diese elektrischen Eingangsanschlüsse 18 können Signal-, Verzerrungs- und Überwachungsanschlüsse umfassen. Diese elektrischen Eingangsanschlüsse 18 können sich aus dem thermisch und elektrisch isolierenden Material 22 heraus und über dieses hinaus in eine äußere Umgebungstemperaturzone erstrecken. Um den durch den elektrischen Eingangsanschluss 18, der sich durch das thermisch und elektrisch isolierende Material erstreckt, entstehenden Wärmepfad zu minimieren, können die elektrischen Eingangsanschlüsse 18 klein und mit hohem Wärmewiderstand ausgeführt werden.
Der optische Ausgangsanschluss oder optischen Ausgang 50, wie diese in 1 dargestellt ist, kann aus einem Glasfaserkabel bestehen, zum Beispiel einer Singlemodefaser. Das Lichtwellenleiterkabel kann ein ummanteltes Lichtwellenleiterkabel sein oder nicht.
Wie aus der Darstellung in 1 ersichtlich ist, umfasst die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 alle Komponenten, die zum Umwandeln von elektrischen Eingangssignalen in optische Ausgangssignale erforderlich sind. Im Einzelnen führen nur die elektrischen Eingangsanschlüsse 18 und der optische Ausgangsanschluss 50 durch die Übertragungskammer 25 und das thermisch und elektrisch isolierende Material 22.
In 2 ist nun eine beispielhafte elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 im Querschnitt dargestellt. Die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 kann aus einem fasergekoppelten Laserpaket bestehen, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Eine solche elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 kann mit der optischen Verbindung 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung kompatibel sein. Auf der linken Seite umfasst die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung elektrische Eingangsanschlüsse 18. Auf der rechten Seite weist die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 einen optischen Ausgangsanschluss 52 auf. Die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 kann ein fasergekoppeltes Laserpaket 27 umfassen. Von links nach rechts kann die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 ein Kopfstück 29 umfassen, das die elektrischen Eingangsanschlüsse 18 an eine Laserdiode 34 anschließt, wobei das fasergekoppelte Laserpaket 27 eine Linse 37 umfasst, die einen Laserstrahl 36 von der Laserdiode 34 empfängt und den Laserstrahl 3 auf eine Glaskapillare 39 fokussiert, sowie einen Biegebegrenzer 54 und ein Glasfaserkabel als optischen Ausgangsanschluss 52.
Das fasergekoppelte Laserpaket 27 kann den Laserdiodenabschnitt 21 und den Laserausrichtungsabschnitt 23 umfassen. Der Laserdiodenabschnitt 21 und der Laserausrichtungsabschnitt 23 können als die wesentlichen Teile der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung 20 angesehen werden, die in der in 1 gezeigten Übertragungskammer 25 untergebracht werden müssen. Mit anderen Worten können der Laserdiodenabschnitt 21 und der Laserausrichtungsabschnitt 23 zu Schwankungen im analogen optischen Ausgangssignal führen, wenn sie thermisch bedingten Ausdehnungen oder Kontraktionen ausgesetzt sind. Daher sollten zumindest diese Komponenten in der Übertragungskammer 25 untergebracht werden, die eine Umgebung mit konstanter Temperatur zur Verfügung stellt.
Je nach Konfiguration können auch das Kopfstück 29, der Biegebegrenzer 54 und die Teile des Glasfaserkabels 52 als Teile betrachtet werden, die bei thermisch induzierter Ausdehnung oder Kontraktion Schwankungen im analogen optischen Ausgangssignal verursachen können. In diesem Fall können das Kopfstück 29, das Lichtwellenleiterkabel 52 und/oder der Biegebegrenzer 54 auch Teil des fasergekoppelten Laserpakets 27 sein.
Der Laserdiodenabschnitt 21 kann eine Rückseitenmonitor-interne Fotodiode im Laser umfassen. Der von der Laserdiode erzeugte Laserstrahl 36 kann von der Fotodiode erfasst werden und wird anschließend zu einer Linse in einer Linsenkapsel geleitet. Beim Austritt aus der Linse 37 wird der Laserstrahl 36 auf ein proximales Ende eines Glasfaserkabels fokussiert, das in einer Glaskapillare 39 untergebracht ist, die von dem Laserausrichtungsabschnitt 23 in Form einer Hülse gehalten wird.
Eine Temperaturänderung sowohl von außen als auch von innen im fasergekoppelten Laserpaket 29 führt zu einer thermischen Ausdehnung oder Kontraktion des Laserdiodenabschnitts 21 sowie des Laserausrichtungsabschnitts 23.
Generell verändert jede Temperaturänderung der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung 20 zumindest die Abstände der einzelnen Komponenten im Inneren der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung 20 in Bezug aufeinander. Infolgedessen verändert sich die Optik des Übertragers, wodurch die Ausgangsleistung des Übertragers entsprechend schwankt. Dies wird vermieden, indem die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung in der Übertragungskammer 25 untergebracht wird, die so konfiguriert ist, dass sie die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 auf einer konstanten, festgelegten Temperatur hält. Das Halten der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung 20 auf einer konstanten, festgelegten Temperatur hat den Vorteil, dass die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 keine Wärmeausdehnung aufweist, unabhängig von den Schwankungen der Innen- oder Außentemperatur.
Umfasst die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 beispielsweise ein faseroptisches Laserpaket 27, so sind zumindest der Laserdiodenabschnitt 21 und der Laserausrichtungsabschnitt 23 solche optischen Komponenten, die innerhalb der Übertragungskammer 25 platziert werden müssen, um analoge optische Ausgangsleistungsschwankungen aufgrund von thermisch bedingter Ausdehnung oder Kontraktion zu vermeiden.
In 3 ist eine beispielhafte Ausführung eines Tastkopfes im Querschnitt von der Seite dargestellt. Ein Tastkopf 100 kann eine Tastkopfspitze 12 zur Erfassung elektrischer Signale umfassen. Die Tastkopfspitze 12 kann an einem Gehäuse 14 des Tastkopfes befestigt werden. Das Gehäuse 14 des Tastkopfes 100 kann Aluminium umfassen. Bei dem Gehäuse 14 kann es sich um ein vernickeltes Aluminiumgehäuse handeln. Das Aluminiumgehäuse dient als Wärmesenke, um vorübergehende Temperaturgradienten zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Gehäuses abzufangen. Das Gehäuse 14 kann weiter aus ästhetischen Gründen, aber auch zur Verbesserung der Haptik und Ergonomie sowie zur thermischen und/oder elektrischen Isolierung des Gehäuses 14 eine Kunststoffabdeckung aufweisen.
An der Innenseite des Gehäuses 14 kann der Tastkopf 100 einen Eingangsspeicher 16, zum Beispiel eine gedruckte Leiterplatte, PCB oder PCBA, aufweisen, die elektrisch an die Tastkopfspitze 12 angeschlossen ist. Der Tastkopf 10 kann weiter die in 1 dargestellte optische Verbindung 10 aufweisen. Daher kann der Tastkopf 10 eine elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 umfassen, die über einen elektrischen Eingangsanschluss 18 an einem proximalen Ende der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung 20 elektrisch an den Eingangsspeicher 16 angeschlossen werden kann. Die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 kann an der Innenseite einer elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtungskammer 25 angeordnet werden.
Der Tastkopf 100 kann weiter eine Temperaturregelungsvorrichtung 24 umfassen, die konfiguriert ist, die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung auf einer konstanten, festgelegten Temperatur zu halten. Die Temperaturregelungsvorrichtung 24 kann an der Innenseite des Gehäuses 14 angebracht sein und als Halterung für das Gehäuse 25 des Übertragers dienen.
Der Tastkopf 100 kann weiterhin eine Batterie oder einen Power-over-Fiber-Stromwandler 30 umfassen, der in einem speziellen Fach des Gehäuses 14 untergebracht werden kann. Der Tastkopf 10 kann ein Temperaturregelungssystem 40 für die Temperaturregelungsvorrichtung 24 umfassen. Das Temperaturregelungssystem 40 kann Komponenten zur Stromversorgung für die Temperaturregelungsvorrichtung 24 umfassen.
Der optische Ausgang 50 kann an ein distales Ende der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung 20 angeschlossen sein. Der Tastkopf 100 kann weiter einen optischen Ausgangsanschluss 52 aufweisen, der über einen Biegebegrenzer 54 an die Außenseite des Gehäuses 14 angeschlossen sein kann. Der optische Ausgang 50 kann an der Innenseite des optischen Ausgangsanschlusses geführt werden.
In 4 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Tastkopfes im Querschnitt von der Seite dargestellt. Die in 4 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 3 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass der Tastkopf 100 ein abgewinkelter Tastkopf ist. Das Gehäuse 14 des Tastkopfes 100 ist so gestaltet, dass die Tastkopfspitze 12 und der optische Ausgangsanschluss 52 nach unten abgewinkelt sind. Mit einem abgewinkelten Tastkopf 100 können die Handhabung und die Messungen weiter verbessert werden, da weniger Platz benötigt wird und kürzere Tastkopfspitzenkabel mit geringerer Biegung verwendet werden können. In der 4 ist die Schraubkappe 32 vom Gehäuse 14 abgenommen.
In 5 ist ein beispielhafter Tastkopf in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Der dargestellte Tastkopf 100 basiert auf dem in 4 schematisch dargestellten Tastkopf. Der Tastkopf 100 ist ein abgewinkelter Tastkopf und wird in montiertem Zustand gezeigt. Das Gehäuse 14 kann aus zwei komplementären Halbschalen 14A, 14B bestehen, die durch Befestigungsmittel 17, zum Beispiel Schrauben, zusammengehalten werden können. Die aufschraubbare Kappe 32 ist in aufgeschraubter Form dargestellt.
In 6 ist der Tastkopf 10 aus 5 im Querschnitt in der Seitenansicht dargestellt. Der Tastkopf 100 basiert auf den in den 3 bis 5 dargestellten Tastköpfen und der in den 1 bis 2 offenbarten optischen Verbindung 10. Die gleichen Grundsätze, Definitionen und Erläuterungen, die im Zusammenhang mit den 1 bis 5 gegeben wurden, gelten gegebenenfalls auch für die Ausführungsform der 6.
6 zeigt, wie die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 der optischen Verbindung 10 vollständig in die Übertragungskammer 25 integriert werden kann. Die Übertragungskammer 25 kann vollständig von dem thermisch und elektrisch isolierenden Material 22 umgeben sein. Die Temperaturregelungsvorrichtung ist in 6 nicht dargestellt, da diese sich orthogonal zum dargestellten Querschnitt erstreckt.
Die Übertragungskammer 25 kann von dem benachbarten Eingangsspeicher 16 thermisch entkoppelt sein, zum Beispiel durch einen Spalt zwischen Übertragungskammer 25 und Eingangsspeicher 16.
Der Tastkopf 100 kann eine thermische Dämpfungsvorrichtung 33 umfassen. Bei der thermischen Dämpfungsvorrichtung 33 kann es sich um einen Teil des Eingangsspeichers 33 handeln, der auf den elektrischen Eingangsanschluss 18 zu ragt. Die optische Verbindung 10, wie sie in 1 dargestellt ist, ist auch im Querschnitt gezeigt. Die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung 20 der optischen Verbindung 10 kann über die thermische Dämpfungsvorrichtung 33 elektrisch an den Eingangsspeicher angeschlossen sein. Die thermische Dämpfungsvorrichtung weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, um die thermische Isolierung zwischen der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung 20 und dem Eingangsspeicher 16 zu erhöhen. Die thermische Dämpfungsvorrichtung 33 kann zum Beispiel Löcher 35 aufweisen. Dadurch wird die Wärmeleitung von der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung 20 zum Eingangsspeicher 16 reduziert. Die thermische Dämpfungsvorrichtung 33 kann weiter ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweisen oder aus einem solchen bestehen.
In 7 ist der Tastkopf aus 6 in einem Querschnitt von oben dargestellt. In diesem Querschnitt ist die Temperaturregelungsvorrichtung 24 zu sehen. Die optische Verbindung 10, wie sie in 1 dargestellt ist, ist auch im Querschnitt gezeigt. Die Temperaturregelungsvorrichtung 24 kann sich von einer Innenfläche des Gehäuses 14 durch das thermisch und elektrisch isolierende Material 22 bis zur Übertragungskammer 25 erstrecken. Das thermisch und elektrisch isolierende Material 22 deckt die Übertragungskammer 25 fast vollständig ab und wird nur durch die Temperaturregelungsvorrichtung 24 an der Seite, den optischen Ausgang 50 an der Rückseite und den Eingangsspeicher 16 an der Vorderseite unterbrochen. Aus 7 ist auch ersichtlich, dass der Temperatursensor 26 an der Innenseite der Übertragungskammer 25 angeordnet werden kann. Die Drähte des Temperatursensors 26 können um die Temperaturregelungsvorrichtung 24 gewickelt und zu dem Temperaturregelungssystem 50 geführt werden.
In 8 ist der Tastkopf aus den 6 und 7 nun im Querschnitt von hinten gesehen dargestellt. Die optische Verbindung 10, wie sie in 1 dargestellt ist, ist auch im Querschnitt gezeigt. Die Temperaturregelungsvorrichtung 24 kann sich von einer Innenfläche des Gehäuses 14 durch das thermisch und elektrisch isolierende Material 22 bis zur Übertragungskammer 25 erstrecken.
In 9 ist nun ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Umwandeln eines empfangenen elektrischen Signals in ein analoges Signal mit der temperaturunabhängigen optischen Verbindung gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Das Verfahren kann als ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsleistung einer elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung verstanden werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren dazu geeignet sein, ein empfangenes elektrisches Signal in ein analoges Signal mit einem Tastkopf gemäß der vorliegenden Offenbarung umzuwandeln. Das Verfahren kann zur Regelung der Ausgangsleistung einer elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung unter Verwendung eines Tastkopfes gemäß der vorliegenden Offenbarung geeignet sein.
Das Verfahren kann die folgenden Schritte umfassen: Zusammenbauen S10 einer elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung und eines Temperatursensors in der Übertragungskammer, und Anschließen der Temperaturregelungsvorrichtung an die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung und den Temperatursensor, Anlegen S20 eines elektrischen Signals an den Eingangsanschluss, Umwandeln S30 elektrischer Signale in optische Ausgangssignale, Beibehalten S40 einer konstanten Temperatur in der Übertragungskammer, und S50 Beobachten einer konstanten optischen Ausgangsleistung für ein gegebenes elektrisches Eingangssignal.
Ein gegebenes elektrisches Eingangssignal kann ein konstantes elektrisches Signal sein, zum Beispiel ein Hochfrequenzsignal mit konstanter Frequenz, Zeitdauer und Amplitude. Gemeint ist, dass die optische Ausgangsleistung bei gleichem elektrischem Eingangssignal konstant bleibt, auch wenn eine Temperaturänderung außerhalb der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung auftritt.
In 10 ist ein Auszug aus einem weiteren beispielhaften Flussdiagramm zur Steuerung der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung unter Verwendung der optischen Verbindung dargestellt. Der gezeigte Auszug illustriert Teilschritte des in 9 gezeigten Schritts S40. So kann der Schritt des Beibehaltens S40 einer konstanten Temperatur die Teilschritte Abrufen S42 einer aktuellen Temperatur, Abrufen S44 einer Temperaturabweichung durch Vergleichen der abgerufenen aktuellen Temperatur mit einer Solltemperatur und Erzeugen S46 einer Temperaturregelausgabe zum Ausgleichen der Temperaturabweichung umfassen. Auf diese Weise kann ein geschlossener Regelkreis eingerichtet werden. Dadurch sind keine externen Eingaben zur Steuerung der Temperatur erforderlich, die im Schritt des Beibehaltens einer konstanten Temperatur in der Übertragungskammer benötigt wird. Die Verfahrensschritte können kontinuierlich wiederholt werden. Darüber hinaus können weitere Signalfilterschritte enthalten sein. Die Temperatursensoreinrichtung kann die aktuelle Temperatur liefern. Die Solltemperatur kann konstruktiv, durch einen Techniker und/oder durch einen Algorithmus eingestellt werden, wie oben im Zusammenhang mit der optischen Verbindung und dem Tastkopf beschrieben. Das Abrufen der Temperaturabweichung kann als Berechnung der Differenz zwischen der abgerufenen aktuellen Temperatur und der Solltemperatur verstanden werden. Dies kann unter Verwendung des Temperaturregelungssystems erfolgen, das auch die Temperaturregelausgabe zum Ausgleichen der Temperaturabweichung erzeugen kann. Die Temperaturregelausgabe kann der Temperaturregelungsvorrichtung, zum Beispiel einer Peltier-Vorrichtung, zugeführt werden.
Das Verfahren kann weiter einen Schritt der elektrischen und/oder optischen Signalmodulation umfassen.
Die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung kann zum Beispiel ein fasergekoppeltes Laserpaket umfassen. In diesem Fall kann das Verfahren weiter die Schritte des Erzeugens eines Laserstrahls und der Injektion des Laserstrahls in ein Ende eines Glasfaserkabels umfassen.
Schlussfolgerung
Es wurde eine Reihe von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Diese Beschreibung enthält zwar viele spezifische Ausführungsdetails, doch sollten diese Details nicht als Beschränkungen des Umfangs der Offenbarungen oder der beanspruchten Leistungen verstanden werden.
Bestimmte Merkmale, die in dieser Beschreibung im Zusammenhang mit einzelnen Ausführungsformen beschrieben werden, können auch in Kombination in einer einzigen Ausführungsform implementiert werden. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzigen Ausführungsform beschrieben werden, auch in Kombination in mehreren Ausführungsformen separat oder in jeder geeigneten Unterkombination implementiert werden. Darüber hinaus können, obwohl Merkmale oben als in bestimmten Kombinationen wirkend beschrieben und sogar ursprünglich als solche beansprucht werden, ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in einigen Fällen aus der Kombination herausgenommen werden, und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder Variation einer Unterkombination gerichtet sein.
Auch wenn die Vorgänge in den Zeichnungen in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt sind, ist dies nicht so zu verstehen, dass diese Vorgänge in der gezeigten Reihenfolge oder in aufeinanderfolgender Reihenfolge betrieben werden müssen, oder dass alle dargestellten Vorgänge durchgeführt werden müssen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Unter bestimmten Umständen können Multitasking und Parallelverarbeitung vorteilhaft sein.
Es wurden also bestimmte Ausführungsformen des Gegenstands beschrieben. Andere Ausführungsformen fallen in den Anwendungsbereich der folgenden Ansprüche. In einigen Fällen können die in den Ansprüchen beschriebenen Vorgänge in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden und dennoch die gewünschten Ergebnisse erzielen. Darüber hinaus erfordern die in den begleitenden Figuren dargestellten Verfahren nicht unbedingt die gezeigte Reihenfolge oder die sequenzielle Reihenfolge, um wünschenswerte Ergebnisse zu erzielen. Bei bestimmten Implementierungen können Multitasking und parallele Verarbeitung von Vorteil sein. Es versteht sich jedoch von selbst, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von Geist und Umfang der beanspruchten Offenbarung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 63/264148 [0001]

Claims

Temperaturunabhängige optische Verbindung zum Umwandeln eines empfangenen elektrischen Signals in ein analoges Signal, wobei die optische Verbindung umfasst - eine temperaturgeregelte Übertragungskammer, in der eine elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung untergebracht ist, wobei die Übertragungsvorrichtung konfiguriert ist, ein von einem elektrischen Eingangsanschluss empfangenes elektrisches Signal in ein analoges Signal umzuwandeln und das umgewandelte analoge Signal an einen optischen Ausgangsanschluss zu übertragen, - ein rückgekoppeltes Temperaturregelungssystem zum Regeln der Übertragungskammer auf eine Solltemperatur unter Verwendung einer Temperaturregelungsvorrichtung und eines Temperatursensors, wobei die Übertragungskammer konfiguriert ist, die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung auf der Solltemperatur zu halten.
Temperaturunabhängige optische Verbindung nach Anspruch 1, wobei die Übertragungskammer ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Temperaturunabhängige optische Verbindung nach Anspruch 2, wobei das Material auch eine hohe Wärmekapazität aufweist, und/oder wobei die Übertragungskammer weiter ein anderes Material mit einer hohen Wärmekapazität umfasst.
Temperaturunabhängige optische Verbindung nach Anspruch 1, wobei die Übertragungskammer ein Rohr ist, das aus einem Metall oder einer Metalllegierung aus Messing, Aluminium, Kupfer oder Stahl besteht.
Temperaturunabhängige optische Verbindung nach Anspruch 1, weiter umfassend ein thermisch und elektrisch isolierendes Material um die Übertragungskammer.
Temperaturunabhängige optische Verbindung nach Anspruch 5, wobei das thermisch und elektrisch isolierende Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus expandiertem Polystyrol, Polyurethan (PU)-Schaum, Polyisocyanurat (PIR)-Schaum, phenolischem Sprühschaum oder Kombinationen davon besteht.
Temperaturunabhängige optische Verbindung nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor innerhalb der Übertragungskammer angeordnet wird und thermisch an die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung angeschlossen ist.
Temperaturunabhängige optische Verbindung nach Anspruch 1, wobei die temperaturunabhängige optische Verbindung zum Umwandeln eines empfangenen elektrischen Signals mit hoher Frequenz in ein optisches Signal ausgebildet ist.
Tastkopf zum Umwandeln eines empfangenen elektrischen Signals in ein analoges Signal, umfassend a. die temperaturunabhängige optische Verbindung nach Anspruch 1, b. eine Stromversorgungseinrichtung, und c. eine Tastkopfspitze.
Tastkopf nach Anspruch 9, wobei der Tastkopf einen Eingangsspeicher umfasst, der an die Tastkopfspitze und den elektrischen Eingangsanschluss der elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung angeschlossen ist.
Tastkopf nach Anspruch 10, wobei der elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung über eine thermische Dämpfungseinrichtung an den Eingangsspeicher angeschlossen ist.
Tastkopf nach Anspruch 10, wobei die thermische Dämpfungsvorrichtung Löcher und/oder ein Material mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Verfahren zum Umwandeln eines empfangenen elektrischen Signals in ein analoges Signal mit der temperaturunabhängigen optischen Verbindung nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst a. Zusammenbauen einer elektrisch-optischen Übertragungsvorrichtung und eines Temperatursensors in der Übertragungskammer und Anschließen der Temperaturregelungsvorrichtung an die elektrisch-optische Übertragungsvorrichtung und an den Temperatursensor, b. Anlegen eines elektrischen Signals an den optischen Eingangsanschluss, c. Umwandeln elektrischer Signale in optische Signale, d. Beibehalten einer konstanten Temperatur in der Übertragungskammer, und e. Beobachten einer konstanten optischen Ausgangsleistung für ein gegebenes elektrisches Eingangssignal.
Verfahrensschritte nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Beibehaltens einer konstanten Temperatur die folgenden Schritte umfasst a. Abrufen einer aktuellen Temperatur, b. Abrufen einer Temperaturabweichung durch Vergleichen der abgerufenen aktuellen Temperatur mit der Solltemperatur, c. Erzeugen einer Temperaturregelausgabe zum Ausgleichen der Temperaturabweichung.