CN101986176A - 一种光纤旋转连接器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤旋转连接器，包括定子头、转子头、用于固定定子头的定子外壳、用于固定转子头的转子套筒以及旋转连接装置，定子外壳套在转子套筒外，旋转连接装置设置在定子外壳和转子套筒之间，定子光纤为端部芯径为20μm-40μm的热扩芯光纤或锥形光纤；转子光纤的结构与定子光纤相同。本发明解决了现有的光纤旋转连接器结构复杂、安装困难、无法实现单模光纤的信号传输，本发明可实现低成本、安装简便、耦合效率高、性能稳定寿命长的性能指标。

Description

一种光纤旋转连接器

技术领域

本发明涉及光纤旋转连接器的领域，尤其是指一种实现光纤双向旋转传输的光连接器件。

背景技术

在信号传输过程中，需要旋转耦合连接机构将信号从一端静止的平台不断传向另一端旋转的平台，该机构称为旋转连接装置，也称旋转连接器。传统旋转连接器为电旋转连接器，存在传输速率低，抗电磁干扰差，传输距离近等缺点。光纤旋转连接器采用光纤为数据传输媒体，为解决旋转连接的系统部件之间的数据传输，提供了最佳的技术解决方案。光纤旋转连接器可以克服电旋转连接器的上述缺点。特别适合应用在需要无限制的，连续或断续旋转，同时又需要从固定位置到旋转位置传送大容量数据、信号的场所。光纤旋转连接器正在被广泛应用在不同领域中，如工业上的机械手、绞车，石油开采平台、风力发电，用于海洋探测的扫描系统和追踪雷达、海底机器人，军事上的战船的海底水声系统、战车的旋转塔台，航天领域的飞行器以及医疗设备CT扫描系统等等。

美国专利第2007/0268805号公开了一种光纤旋转连接器，但是它的结构比较复杂，调节比较困难，体积较大，且可靠性不好，不能满足小尺寸和轻重量的要求。

美国专利第4641915号，第5633963号，第4373779号公开了光纤旋转连接器，但是都只能采用多模光纤，无法应用于单模光纤。

中国专利200720096042.5，是采用道威棱镜来实现信号传输。但是其结构复杂，成本高，而且也只能用于多模光纤。

中国专利20072003219.5，采用塑料光纤实现信号传输，还是无法解决单模光纤的信号传输问题。

以上专利都是由普通多模光纤或塑料光纤与自聚焦透镜组成光纤准直系统，应用领域比较狭窄，无法实现单模光纤的旋转连接。

中国专利200610130275.2，采用光子晶体光纤直接对接实现信号传输。主要问题是由于光束没有经过透镜准直，因为光纤之间的间距必须非常小，导致了安装的困难。

中国专利CN201464674U，采用TEC光纤直接对接实现信号传输。主要问题是由于光束没有经过透镜准直，光束还是发散的，因此光纤之间的间距必须非常小，有很大的局限性。

发明内容

为了解决现有的光纤旋转连接器结构复杂、安装困难、无法实现单模光纤的信号传输，本发明提供一种光纤旋转连接器，可实现低成本、安装简便、耦合效率高、性能稳定寿命长的性能指标。

本发明的技术解决方案是：

一种光纤旋转连接器，包括定子头、转子头、用于固定定子头的定子外壳7、用于固定转子头的转子套筒17以及旋转连接装置，所述定子外壳7套在转子套筒17外，所述旋转连接装置设置在定子外壳7和转子套筒17之间，

其特殊之处在于：

所述定子头包括定子准直器6以及嵌于定子准直器6一端的定子光纤1，所述转子头包括转子准直器5以及嵌于转子准直器5一端的转子光纤4，所述定子准直器6的另一端嵌有定子透镜2，所述转子准直器5的另一端嵌有转子透镜3，所述定子透镜2与定子光纤1连接，所述转子透镜3与转子光纤4连接；所述定子透镜2和转子透镜3的端面相对且光轴重合；所述定子光纤1为端部芯径为20um-40um的热扩芯光纤或锥形光纤；所述转子光纤4的结构与定子光纤1相同。

上述定子透镜2为自聚焦透镜、C透镜或非球面透镜；所述转子透镜3与定子透镜2相同。

上述旋转连接装置包括套在转子套筒外侧的两个轴承(10，12)，所述两个轴承10和12的外圈被定子外壳7所限位，所述两个轴承的内圈被转子套筒17所限位。

上述光纤旋转连接器包括用于密封定子外壳7和转子套筒17之间间隙的密封装置，所述密封装置包括设置在定子外壳7和转子套筒17之间的弹簧密封圈14以及通过螺栓固定在定子外壳7端面的端盖15，所述端盖15用于固定弹簧密封圈14。

上述弹簧密封圈14采用V形弹簧或O形弹簧或U形弹簧。

本发明具有的优点：

1、本发明通过在现有的光纤旋转连接器中设置光纤准直系统，且采用了大芯径单模光纤，降低了传输损耗，降低了机械加工精度，实现了单模光纤的信号传输，还可实现大功率激光的信号传输。

2、本发明通过在光纤中增加了透镜，增大了定子光纤与转子光纤之间的距离，降低了对机械精度的要求，提高了耦合效率。

3、本发明本发明结构简单、成本较低、耦合效率高、密封效果好、可靠性高、寿命长。

附图说明

图1光纤旋转连接器结构示意图：

图2为热扩芯光纤的结构示意图；

图3为锥形光纤的结构示意图；

图4为光纤准直器角度偏差示意图；

图5为单模光纤准直器角度误差的损耗曲线；

图6为热扩芯光纤准直器角度误差的损耗曲线；

其中：1-定子光纤，2-定子透镜，3-转子透镜，4-转子光纤，5-转子准直器，6-定子准直器，7-定子外壳，8-隔圈，9-挡圈，10-轴承，11-隔圈，12-轴承，13-弹性挡圈，14-弹簧密封圈，15-端盖，16-转子拨杆，17-转子套筒。

具体实施方式

本发明提供了一种光纤旋转连接器。光纤旋转连接器包括定子头、转子头、轴承、转子套筒、端盖、弹簧密封件、转子拨杆、弹性档圈、隔圈。定子头包括定子准直器以及嵌于定子准直器一端的定子光纤，转子准直器的另一端嵌有转子透镜，转子头包括转子准直器以及嵌于转子准直器一端定子透镜，转子准直器的另一端嵌有转子透镜，定子透镜与定子光纤连接，转子透镜与转子光纤连接。转子光纤和定子光纤可采用锥形光纤(taper fiber)、热扩芯光纤(TECfiber)。转子透镜和定子透镜可采用自聚焦透镜、C透镜(C lens)、非球面透镜。各种光纤可分别与上述任一透镜组合成光纤准直器。

如图1所示，定子头固定在定子外壳的内孔中，转子头固定在转子套筒17中，转子套筒17上安装两个轴承10和12，再固定到定子外壳中7，端盖15通过螺栓安装在定子外壳7上，弹簧密封圈14安装在定子外壳7与转子套筒17之间，弹簧密封圈14采用V形弹簧或O形弹簧或U形弹簧。

本发明的光纤旋转连接器，光路部分由定子光纤1、定子透镜2、转子光纤4、转子透镜3组成。定子光纤1与转子光纤4是热扩芯光纤或锥形光纤。定子透镜2和转子透镜3是自聚焦透镜。采用热扩芯光纤或锥形光纤可以解决采用普通单模光纤造成的对机械精度要求过高的问题，由于热扩芯光纤或锥形光纤的纤芯比单模光纤的纤芯直径大，因此，可以降低机械精度要求。采用自聚焦透镜可以将光束准直，相对于光纤与光纤直接连接的方案，两个准直器之间可以有1～10mm的间距，容易调节。

热扩芯光纤与定子透镜2封装在金属管状的定子外壳内成为定子准直器6，热扩芯光纤与自聚焦透镜3封装在金属管状转子套筒内成为转子准直器5，定子准直器6安装在定子外壳7的内孔中，转子准直器5安装在转子套筒17中，转子套筒17上依次安装弹性挡圈9、轴承10、隔圈11、轴承12，隔圈8安装在定子外壳7内孔中，并与轴承10外圈相接触，弹性挡圈13固定轴承12的位置。弹簧密封圈14是密封定子外壳与转子套筒17的间隙，端盖15是通过螺栓固定密封圈14的。

本发明原理：

普通单模光纤包层和纤芯的折射率差是通过在纤芯中掺杂GeO₂来达到的。光纤纤芯的折射率高于包层中熔融纯硅的折射率。当加热普通单模光纤时，纤芯中掺杂的Ge⁴⁺离子就会向光纤包层中扩散，使光纤横截面上沿径向的折射率呈渐变分布，从而达到扩大模场直径的目的。

图2是TEC光纤经过加热扩束后形成的结构示意图；采用1600°～2000°的高温火焰对约4mm范围内的单模光纤进行均匀的加热后，使得光纤被加热部分纤芯中的锗掺杂剂扩散到光纤中，就可达到扩束的效果。光纤在未加热段仍为阶跃光纤，纤芯和包层之间折射率是阶跃的，在加热段则形成了梯度折射率分布。图3是锥形光纤的结构示意图。

对于一对光纤准直器装配时引起的角度偏差，如图4所示。

光纤准直器角度偏差引起的损耗公式为

$L_{\mathrm{\φ}}=4.343{\left[\frac{\tan \mathrm{\φ}}{n_0\sqrt{A}{\mathrm{\ω}}_0}\right]}^2---\left(1\right)$

将光纤输出光斑半径ω₀＝5.05um，波长λ＝1.55um，自聚焦透镜常数

自聚焦透镜中心折射率n₀＝1.591，代入式(1)中，可得光纤准直器角度离轴耦合曲线如图5。

从图5可以看出，普通单模光纤准直器对于角度误差的要求过高，角度偏差0.072°时，耦合损耗为1dB。因此，光纤准直器耦合时最重要的就是解决角度偏差的问题。

将热扩芯光纤输出光斑半径ω₀＝15um，波长λ＝1.55um，自聚焦透镜常数

自聚焦透镜中心折射率n₀＝1.591，代入式(1)中，可得TEC光纤准直器角度离轴耦合曲线如图6。

从图6可以看出，TEC光纤准直器对于角度误差的要求相对于普通单模光纤准直器的要求大幅降低了，当角度偏差0.22°时，耦合损耗为1dB。因此，TEC光纤准直器解决了普通单模光纤准直器对角度误差太高的难题。

Claims (5)

1.一种光纤旋转连接器，包括定子头、转子头、用于固定定子头的定子外壳7、用于固定转子头的转子套筒(17)以及旋转连接装置，所述定子外壳(7)套在转子套筒(17)外，所述旋转连接装置设置在定子外壳(7)和转子套筒(17)之间，

其特征在于：

所述定子头包括定子准直器(6)以及嵌于定子准直器(6)一端的定子光纤(1)，所述转子头包括转子准直器(5)以及嵌于转子准直器(5)一端的转子光纤(4)，所述定子准直器(6)的另一端嵌有定子透镜(2)，所述转子准直器(5)的另一端嵌有转子透镜(3)，所述定子透镜(2)与定子光纤(1)连接，所述转子透镜(3)与转子光纤(4)连接；所述定子透镜(2)和转子透镜(3)的端面相对且光轴重合；所述定子光纤(1)为端部芯径为20um-40um的热扩芯光纤或锥形光纤；所述转子光纤(4)的结构与定子光纤(1)相同。

2.根据权利要求1所述的光纤旋转连接器，其特征在于：所述定子透镜(2)为自聚焦透镜、C透镜或非球面透镜；所述转子透镜(3)与定子透镜(2)相同。

3.根据权利要求1或2所述的光纤旋转连接器，其特征在于：所述旋转连接装置包括套在转子套筒外侧的两个轴承(10，12)，所述两个轴承(10，12)的外圈被定子外壳(7)所限位，所述两个轴承的内圈被转子套筒(17)所限位。

4.根据权利要求3所述的光纤旋转连接器，其特征在于：所述光纤旋转连接器包括用于密封定子外壳(7)和转子套筒(17)之间间隙的密封装置，所述密封装置包括设置在定子外壳(7)和转子套筒(17)之间的弹簧密封圈(14)以及通过螺栓固定在定子外壳(7)端面的端盖(15)，所述端盖(15)用于固定弹簧密封圈(14)。

5.根据权利要求4所述的光纤旋转连接器，其特征在于：所述弹簧密封圈(14)采用V形弹簧或O形弹簧或U形弹簧。

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