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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem zwischen zwei Monomode-Lichtwellenleiterabschnitten,
die sich in einer relativen Drehbewegung bei hoher Geschwindigkeit
befinden, über
einen breiten Frequenzbereich bidirektional Informationen übertragen
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann in all den Fällen
zum Einsatz kommen, in denen die bekannten drehbaren optischen Verbindungen
verwendet werden, sofern genügend
Platz zur Verfügung steht.
So kann das erfindungsgemäße Verfahren
insbesondere auf Prüfständen eingesetzt
werden, auf denen ein aufgespulter Lichtwellenleiter schnell abgerollt
werden kann, um am Boden die Effizienz der bidirektionalen Informationsübertragung
zwischen lichtwellenleitergelenktem Gerät und der dazugehörigen Startrampe
zu überprüfen.
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Stand der
Technik
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Es
gibt einige drehbare optische Verbindungen, mit denen es möglich ist,
zwischen zwei Lichtwellenleiterabschnitten, die in eine relative
Drehbewegung versetzt werden können,
Informationen zu übertragen.
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Über einige
dieser bekannten optischen Verbindungen ist nur eine Informationsübertragung
in eine Richtung möglich.
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Zu
dieser ersten Kategorie gehören
vor allem optische Verbindungen, bei denen ein Monomode-Lichtwellenleiter
mit kleinem Kern und ein Multimode-Lichtwellenleiter mit großem Kern
gekoppelt werden. Zwischen den beiden Lichtwellenleitern, deren
Enden einander gegenüber
liegen, können
nur Informationen vom Lichtwellenleiter mit kleinem Kern an denjenigen
mit großem
Kern übertragen
werden. Typisch für
diese Art von Verbindungen ist im übrigen ihre Übertragungsbandbreite
im mittleren Bereich, die üblicherweise
ca. 50 MHz umfaßt,
was auf den Einsatz eines Multimode-Lichtwellenleiters zurückzuführen ist.
Bei Multimode-Lichtwellenleitern liegt die Übertragungsbandbreite nämlich nur
im mittleren Bereich; Monomode-Lichtwellenleiter bieten im Vergleich
dazu eine sehr große Übertragungsbandbreite von
z. B. ca. 20 GHz·km.
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Zu
den drehbaren optischen Verbindungen, über die Informationen nur in
eine Richtung übertragen
werden können,
gehören
auch optische Verbindungen, bei denen Fotodioden mit großer Oberfläche zum
Einsatz kommen. Diese Verbindungen funktionieren vom Prinzip her
vergleichbar wie die zuvor genannten, wobei anstelle des Multimode-Lichtwellenleiters
mit großem
Kern eine Fotodiode mit großer Oberfläche verwendet
wird. Die Informationen können
nur vom Lichtwellenleiter an die Fotodiode übertragen werden. Diese optischen
Verbindungen zeichnen sich im übrigen
durch eine geringe Übertragungsbandbreite
aus (i. a. ca. 100 kHz).
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Bei
den bekannten drehbaren optischen Verbindungen, über die eine bidirektionale
Informationsübertragung
zwischen zwei Lichtwellenleiterabschnitten möglich ist, wird im allgemeinen
eine freie optische Kupplung verwendet – so z. B. in der Patentanmeldung
GB 2185590 –,
oder die Kopplung erfolgt über
zwei Linsen, die jeweils gegenüber
einem der Enden der beiden Lichtwellenleiter angeordnet werden;
s. hierzu Anmeldung EP0035054. Charakteristisch für diese
Art von optischen Verbindungen ist die begrenzte Geschwindigkeit
der relativen Drehbewegung zwischen den beiden Leitern. So beträgt die maximale
Geschwindigkeit der relativen Drehbewegung bei Multimode-Lichtwellenleitern
ca. 1000 U/min und bei Monomode-Lichtwellenleitern ca. 100 U/min.
Außerdem
ist diese Art von optischen Verbindungen schwer umzusetzen, da gespleißt werden muß.
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Diese
Analyse der bekannten drehbaren optischen Verbindungen zeigt, daß es derzeit
keine Verbindung gibt, über
die eine bidirektionale Informationsübertragung über eine sehr große Übertragungsbandbreite – z. B.
ca. 25 GHz – möglich ist,
die eine sehr schnelle relative Drehbewegung – z. B. ca. 7000–8000 U/min – erlaubt
und die ohne große Schwierigkeiten
umzusetzen ist.
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Darstellung der Erfindung
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Gegenstand
der Erfindung ist von daher ein neuartiges Verfahren, mit dem eine
bidirektionale Informationsübertragung über eine
sehr große Übertragungsbandbreite
bei gleichzeitiger schneller relativer Drehbewegung möglich ist,
das ohne besondere Schwierigkeiten umgesetzt werden kann und bei dem
nicht die Gefahr besteht, daß der
Lichtwellenleiter bricht bzw. es zu einer inakzeptablen optischen Dämpfung kommt.
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Dies
wird durch die Erfindung mit einem Verfahren zur bidirektionalen
Informationsübertragung zwischen
zwei Monomode-Lichtwellenleiterabschnitten, die sich in einer relativen
Drehbewegung befinden, erreicht, das die folgenden Schritte umfaßt:
- a) Bestimmung der maximalen Anzahl von Umdrehungen
N ungleich Null der relativen Drehbewegung zwischen den beiden Monomode-Lichtwellenleiterabschnitten,
- b) direkte Verbindung dieser Monomode-Lichtwellenleiterabschnitte
durch eine drehbare optische Verbindung, die einen Monomode-Lichtwellenleiter
von einer Länge
umfaßt,
die in Metern angegeben mindestens gleich N/150 ist,
- c) Einleiten der Drehung der beiden Monomode-Lichtwellenleiterabschnitte
und Übertragung der
Informationen zwischen diesen Abschnitten
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Wird
die drehbare optische Verbindung als Monomode-Lichtwellenleiter
ausgeführt,
dessen Länge
von der maximalen Drehzahl abhängt,
ist die bidirektionale Informationsübertragung über eine große Übertragungsbandbreite
möglich.
So ergibt sich bei der Verwendung von 100 m Monomode-Lichtwellenleiter
eine Übertragungsbandbreite von
ca. 25 GHz, die wesentlich höher
als bei den meisten der zuvor genannten bekannten drehbaren optischen
Verbindungen ist.
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Hinzu
kommt, daß die
Umsetzung der erfindungsgemäßen drehbaren
optischen Verbindung besonders einfach ist, da die Verbindung direkt
aus einem Abschnitt des Monomode-Lichtwellenleiters gebildet wird,
der zur Übertragung
eingesetzt wird.
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Außerdem ermöglicht eine
solche Verbindung eine hohe relative Drehgeschwindigkeit zwischen
den beiden Abschnitten, die durch den Längenabschnitt des Monomode-Lichtwellenleiters
verbunden sind, der die drehbare optische Verbindung bildet.
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Um
das Risiko eines Bruchs des Lichtwellenleiters im Betrieb auszuschalten,
wird die Mindestlänge
des Monomode-Lichtwellenleiters festgelegt, der die drehbare optische
Verbindung bildet.
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Durch
die erfindungsgemäße drehbare
optische Verbindung können
außerdem
die Übertragungsparameter
erhalten bleiben. Insbesondere liegt ihre optische Dämpfung (Schwäche des
optischen Signals) im ungünstigsten
Fall bei unter 1 Dezibel.
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In
einer der Formen, in denen die Erfindung vorzugsweise ausgeführt wird,
wird der Längenabschnitt
des Monomode-Lichtwellenleiters, der die drehbare optische Verbindung
bildet, zwischen den beiden Lichtwellenleiterabschnitten, die durch
diesen Längenabschnitt
verbunden werden, unter Spannung gesetzt, um den Kontakt mit dem
Boden oder einem beliebigen sonstigen Hindernis zu vermeiden.
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Hinzu
kommt, daß die
Achsen dieser beiden Abschnitte entweder ungefähr ineinanderlaufen, wenn die
Länge des
Monomode-Lichtwellenleiters kleiner als ca. 100 m ist, oder aber
sie verlaufen ungefähr
parallel und versetzt zueinander, wenn die Länge des Monomode-Lichtwellenleiters
mindestens gleich ca. 100 m ist. In diesem Fall dient die versetzte Anordnung
zwischen den Achsen dazu, den Lichtwellenleiter-Längenabschnitt,
der die drehbare optische Verbindung bildet, in Vibrationen zu versetzen, damit
sich die Torsion besser über
die gesamte Länge
dieses Monomode-Lichtwellenleiters verteilt.
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In
einer bevorzugten Anwendung der Erfindung wird die drehbare optische
Verbindung in einen Prüfstand
eingesetzt, mit dem ein aufgespulter Lichtwellenleiter schnell abgerollt
werden kann, und zwar zwischen einem auf eine Trommel aufgerollten
Leiterabschnitt, der in eine schnelle Drehbewegung um seine Achse
versetzt werden kann, und einem weiteren Lichtwellenleiterabschnitt,
der mit einer statischen optischen Sender-Empfänger-Vorrichtung verbunden ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Nun
soll unter Bezugnahme auf dem Anhang auf der Basis eines nicht beschränkenden
Beispiels eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung beschrieben werden, wobei die einzige Abbildung eine erfindungsgemäße drehbare
optische Verbindung darstellt, die in einen Prüfstand eingebaut ist, mit dem ein
aufgespulter Lichtwellenleiter schnell abgerollt werden kann.
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Ausführliche
Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
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Die
einzige Abbildung stellt sehr schematisch einen Prüfstand dar,
mit dem ein aufgespulter Monomode-Lichtwellenleiter schnell abgerollt
werden kann. Ein solcher Prüfstand
kann insbesondere dazu verwendet werden, am Boden das Verhalten
eines Lichtwellenleiters zu untersuchen, der von einer Spule an
Bord von lichtwellenleitergelenktem Gerät (z. B. einer Rakete oder
eines unbemannten Flugkörpers)
abgerollt wird. So kann man auf diese Weise vor allem untersuchen,
wie sich das Abrollen des Leiters auf die bidirektionale Informationsübertragung auswirkt.
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Auf
einem solchen Prüfstand
trägt ein
(nicht eingezeichneter) fester Ständer in etwa ortsfest eine Spule 12,
auf der der Monomode-Lichtwellenleiter 14 aufgerollt ist,
der auf sein Verhalten beim Abrollen getestet werden soll. Die Spule 12 sowie
der darauf aufgerollte Lichtwellenleiter 14 sind vorzugsweise
identisch mit denjenigen am Gerät.
Wie bereits festgestellt, ermöglicht
die Verwendung eines Monomode-Lichtwellenleiters 14 die
bidirektionale Informationsübertragung über eine
große Übertragungsbandbreite
von ca. 20 GHz·km,
wenn der Leiter nicht verdreht ist.
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Als
keinesfalls beschränkendes
Beispiel sei angeführt,
daß der
Monomode-Lichtwellenleiter 14 einen
Durchmesser von ca. 250 μm
haben kann.
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Ein
festes Ende des auf der Spule 12 aufgerollten Monomode-Lichtwellenleiters 14 ist
direkt an eine erste optische Sender-Empfänger-Vorrichtung 16 angeschlossen.
Diese Vorrichtung umfaßt
insbesondere eine Laserquelle und einen Breitband-Fotodetektor.
Mit der Laserquelle kann man – je
nach Art der durchzuführenden
Messungen – ein
frequenzmoduliertes Lichtsignal in den Lichtwellenleiter 14 schicken.
Der Breitband-Fotodetektor empfängt
die aus dem Lichtwellenleiter 14 austretenden Lichtsignale und
wandelt sie in elektrische Signale um, die insbesondere in ein Netzanalysegerät nach dem
bekannten Stand der Technik eingespeist werden können, das nicht Teil der Erfindung
ist.
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Das
Ende des Monomode-Lichtwellenleiters 14, der von der Spule 12 abgerollt
wird, tritt aus einem Gehäuse 10 aus,
das die Spule 12 umgibt, und zwar aus einer Durchführung 18,
die an der Achse der Spule 12 ausgespart wurde. Der Leiter 14 wird anschließend auf
eine Trommel 20 aufgerollt, die gegenüber der Öffnung 18 angeordnet
ist und deren Achse in etwa senkrecht zur Achse der Spule 12 steht.
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Die
Trommel 20 ist am (nicht eingezeichneten) Ständer des
Prüfstandes
angebracht, und zwar so, daß sie
sich mit hoher Geschwindigkeit um ihre eigene Achse drehen kann.
Ihre Drehung wird über einen
Motor 22 gesteuert.
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Der
Monomode-Lichtwellenleiter 14 wird an einem entlang der
Achse der Trommel 20 gelegenen Punkt A von dieser abgespult,
um schließlich
an seinem Ende an einem Punkt B an eine zweite optische Sender-Empfänger-Vorrichtung 24 angeschlossen zu
werden, die ähnlich
wie die erste Vorrichtung 16 ist.
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Da
sich der bei Punkt A aus der Trommel 20 austretende Lichtwellenleiterabschnitt 14 mit
der Trommel mitdreht, während
der Lichtwellenleiterabschnitt 14, der an Punkt B an die
optische Sender-Empfänger-Vorrichtung 24 angeschlossen
wird, fest bleibt, wird zwischen diesen beiden Abschnitten eine
drehbare optische Verbindung 26 eingebaut.
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Nach
dieser Erfindung besteht diese drehbare optische Verbindung 26 aus
einem Längenabschnitt
des Monomode-Lichtwellenleiters 14, der zwischen dem Austrittspunkt
A der Trommel 20 und dem Anschlußpunkt B des Leiters 14 an
eine zweite optische Sender-Empfänger-Vorrichtung 24 angeordnet ist.
Diese Länge
A·B des
Monomode-Lichtwellenleiters 14 richtet
sich nach der maximalen Drehzahl der relativen Drehbewegung, die
Leiter während
eines Tests zwischen dem in A mit der Trommel 20 verbundenen
Leitersegment und dem Leitersegment, das in B mit der zweiten optischen
Sender-Empfänger-Vorrichtung 24 verbunden
ist, ermöglicht
wird. So beträgt die
Länge des
Lichtwellenleiters 14 zwischen den Punkten A und B mindestens
gleich ca. N/150, wobei N die maximale Drehzahl der o. g. relativen
Drehbewegung ist.
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Wird
diese Mindestlänge
eingehalten, so kann die Torsion des Lichtwellenleiters auf höchstens 150
U/m begrenzt werden. Damit wird die Gefahr eines Leiterbruchs vollkommen
ausgeschaltet. Im Versuch hat sich nämlich gezeigt, daß es zwischen
200 und 300 U/min zu solchen Brüchen
kommt. Genauer gesagt nimmt die Drehzahl pro Längeneinheit, die zum Bruch
des Leiters führt,
ab, wenn die Länge
A-B des Leiters 14, der die drehbare optische Verbindung 26 bildet,
zunimmt. So kommt es für
Längen
zwischen 1 und 10 m zum Torsionsbruch, wenn die Drehzahl pro Längeneinheit
ca. 300 U/m erreicht; beträgt
die Leiterlänge
dagegen 100 m, so tritt der Bruch etwa zwischen 200 und 250 U/m
auf.
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Als
keinesfalls abschließendes
Beispiel sei angeführt,
daß die
Begrenzung der Leitertorsion auf 150 U/m dazu führt, daß zur Bildung der drehbaren optischen
Verbindung 26 130 m Monomode-Lichtwellenleiter 14 verwendet
werden, falls die zu testende Leiterspule 19.500 Trommelumdrehungen
benötigt.
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Wie
auf der einzigen Abbildung eingezeichnet, sind die Monomode-Lichtwellenleiterabschnitte 14,
die durch den Längenabschnitt
A-B des Monomode-Lichtwellenleiters 14 verbunden
werden, der die drehbare optische Verbindung 26 bildet,
vorzugsweise in etwa gefluchtet und in einer etwa horizontalen Richtung
ausgerichtet. Dennoch können
diese Abschnitte leicht gegeneinander versetzt sein und doch immer
noch in etwa parallel verlaufen. Diese Anordnung wird insbesondere
dann verwendet, wenn die Länge
A-B des Lichtwellenleiters 14, der die drehbare optische
Verbindung 26 bildet, mindestens gleich ca. 100 m ist.
Dadurch entstehen nämlich
zwischen den Punkten A und B Vibrationen im Lichtwellenleiter 14,
durch die eine bessere Verteilung der Torsion auf die gesamte Länge gegeben
ist. Hierfür
ist ein Versatz von ca. 1 cm zwischen den beiden Lichtwellenleiterabschnitten,
die durch den Längenabschnitt
A-B des Leiters verbunden sind, der die drehbare optische Verbindung 26 bildet,
ausreichend.
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Man
beachte jedoch, daß die
Ausrichtung oder die Parallelität
der beiden Lichtwellenleiterabschnitte, die durch die Leiterlänge verbunden
sind, die die drehbare optische Verbindung 26 darstellt, keine
zwingende Voraussetzung für
die Ausführung dieser
Verbindung ist. Zwischen diesen beiden Abschnitten kann sogar in
begrenztem Maße
ein Winkel bestehen, der in der Größenordnung von 10 bis 20° liegen kann.
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Im übrigen ist
der Längenabschnitt
des Monomode-Lichtwellenleiters 14, der die beiden Punkte A
und B verbindet, um so die drehbare optische Verbindung 26 zu
bilden, von allen Hindernissen fernzuhalten. Zu diesem Zweck wird
der Leiter 14 zwischen diesen beiden Punkten A und B unter
eine bestimmte Spannung gesetzt, um zu vermeiden, daß der Lichtwellenleiter
zwischen der Trommel 20 und der zweiten optischen Sender-Empfänger-Vorrichtung 24 in Kontakt
mit dem Boden kommt. Es wird jedoch zu keiner bestimmten Spannung
geraten. Die o. g. Torsionsbruchversuche wurden nämlich mit
unterschiedlichen Spannungen – z.
B. 0,5 N, 1 N und 2,3 N bei 1 m, 10 m, 15 m und 100 m Leiterlänge – durchgeführt, und
es zeigte sich keine nennenswerte Auswirkung der Spannung auf die
Drehzahl pro Längeneinheit,
die zum Bruch führt.
Andererseits hängt
die Tatsache, daß der
Leiter nicht den Boden berührt,
sowohl von der Leiterlänge
zwischen den Punkten A und B als auch vom Abstand zwischen diesem
Leiter und dem Boden ab. Man kann im übrigen feststellen, daß eine Auslegung
des Prüfstandes
solcher Art, dass der Längenabschnitt
A-B des Lichtwellenleiters 14, der die drehbare optische
Verbindung 26 bildet, vertikal und nicht horizontal angeordnet
ist, allem Anschein nach dazu beiträgt, die aufzubringende Spannung
erheblich zu reduzieren.
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Wenn
ein Versuch durchgeführt
wird, wird der Motor 22 so angetrieben, daß die Trommel 20 in Drehungen
mit hoher Geschwindigkeit versetzt wird. Die Drehgeschwindigkeit
der Trommel 20 wird so gewählt, daß man das Abrollen des Lichtwellenleiters 14 von
der Spule 12 so gut wie möglich simulieren kann. Damit
hängt diese
Drehgeschwindigkeit vom Durchmesser der Trommel 20 ab.
Zur Veranschaulichung sei angeführt,
daß man
mit einer Geschwindigkeit von 7.000–8.000 U/min die gewünschte Simulation
erzielen kann.
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Man
beachte, daß eine
solche Geschwindigkeit ohne weiteres mit der erfindungsgemäßen drehbaren
optischen Verbindung 26 erreicht werden kann, wobei für den Monomode-Lichtwellenleiter
zwischen den Punkten A und B eine Länge gewählt wird, deren Wert der Länge der
abzurollenden Spule und dem Durchmesser der verwendeten Spule 20 entspricht.
Damit gibt es mit der drehbaren optischen Verbindung 26 keinerlei
Begrenzung für
die mögliche Drehgeschwindigkeit
der Trommel 20. Dies bedeutet, daß die Drehgeschwindigkeit dieser
Trommel lediglich durch die Mechanik ihres Antriebes begrenzt wird.
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Diese
Eigenschaft stellt einen wesentlichen Vorteil der erfindungsgemäßen drehbaren
optischen Verbindung 26 gegenüber den bekannten Verbindungen
dar, bei denen eine Kopplung von Linsen zum Einsatz kommt, wodurch
die relative Drehgeschwindigkeit für Monomode-Lichtwellenleiter,
die als einzige die Informationsübertragung über eine
große Übertragungsbandbreite
erlauben, auf ca. 100 U/min begrenzt wird.
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Im übrigen sei
darauf verwiesen, daß die Übertragungsbandbreite
selbst dann noch sehr groß ist,
wenn sie durch Verdrehen des Monomode-Lichtwellenleiters 14 auf
dem Längenabschnitt
A-B, der die drehbare optische Verbindung bildet, im Vergleich zu
jener, der nicht verdrehten Leiter eingeschränkt wird. So kann man leicht
errechnen, daß die Übertragungsbandbreite
für 100
m verdrehten Leiter 25 GHz beträgt
(zum Vergleich: 200 GHz für
einen nicht verdrehten Leiter). Da nun Leiterlängenabschnitte nie länger als über einige
hundert Meter verdreht sind, führt
die Überragungsbandbreite
der erfindungsgemäßen drehbaren
optischen Verbindung 26 in der Bandbreite der Wellenlängen zwischen
0 und 500 MHz zu keinerlei Einschränkung. Diese Eigenschaften
sind deutlich besser als diejenigen der herkömmlichen drehbaren optischen
Verbindungen mit einseitiger Übertragung,
aber auch als diejenigen der drehbaren optischen Verbindungen mit
Linsenkopplung, wenn für
diese Verbindungen Multimode-Lichtwellenleiter verwendet werden,
um die maximal mögliche relative
Drehgeschwindigkeit zu erhöhen.
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Es
wurden auch Tests durchgeführt,
um die optische Dämpfung
(Schwäche
des optischen Signals) zu messen, die durch die erfindungsgemäße drehbare
optische Verbindung 26 hervorgerufen wird, wenn der Längenabschnitt
des Monomode-Lichtwellenleiters 14 zwischen den Punkten
A und B verdreht ist. So haben Verdrehungsversuche über eine
Länge von
100 m Monomode-Lichtwellenleiter bei 150 U/ und 200 U/m ergeben,
daß die
optische Dämpfung
für die
gesamte Übertragungsbandbreite von
0 und 500 MHz in der Größenordnung
von 0,5 Dezibel liegt. Damit ist die durch Torsion hervorgerufene
optische Dämpfung
mehr als akzeptabel, und so können
gute Bedingungen für
die Übertragungsparameter
zwischen beiden optischen Sender-Empfänger-Vorrichtungen 16 und 24 beibehalten
werden.
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Somit
können
bei Verwendung einer drehbaren optischen Verbindung 26,
die aus einem Längenabschnitt
eines Monomode-Lichtwellenleiters besteht, der die beiden Monomode-Lichtwellenleiterabschnitte,
die sich in einer relativen Drehbewegung befinden, direkt verbindet,
bidirektional Informationen über
eine große Übertragungsbandbreite übertragen werden,
wobei gleichzeitig eine hohe relative Drehgeschwindigkeit möglich ist
und die Übertragungsparameter
erhalten bleiben; hinzu kommt eine sehr gute mechanische Widerstandsfähigkeit.
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Für den Sonderfall,
daß eine
solche optische Verbindung in einem Prüfstand verwendet wird, mit dem
ein aufgespulter Lichtwellenleiter abgerollt werden kann, sind nunmehr
Operationen möglich,
die davor nicht durchführbar
waren. So kann man nun – dies
ist lediglich ein Beispiel von vielen – die Fehlerquote messen, um
den Betrieb der optischen Übertragung
zu bewerten. Es ist auch möglich,
Kopplungen mit dem Leitstand des Geräts durchzuführen, das mit der Lichtwellenleiter-Spule
bestückt
werden soll, um das System anhand der Untersuchung des Einflusses
von Übertragungsverlusten
zu validieren.