CN103033886B - 基于光子晶体的新型光纤旋转连接器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体的新型光纤旋转连接器，包括入射端、带复合缺陷的光子晶体和接收端，入射端包括旁轴旋转入射光，入射端构成了光纤旋转连接器的动子；带复合缺陷的光子晶体包括光子晶体基体、复合环形缺陷、点缺陷、线缺陷和具有45°倾角的周期介质柱阵列，其中，一介质柱位于所述复合环形缺陷外侧，其与所述复合环形缺陷的距离与周期性排列介质构成的光子晶体基体的周期相同，以使垂直入射光折转90°，实现光信号在复合环形缺陷中的传输；接收端包括输出光信号，接收端构成了光纤旋转连接器的定子。对上述结构进行扩展可得到一新型多通道光纤旋转连接器。本发明光信号传输损耗低、抗电磁干扰能力强、能实现动态环形光信号连续输入和固定输出。

Description

基于光子晶体的新型光纤旋转连接器

技术领域

本发明涉及光纤通信中光信号传输技术领域，具体是涉及一种基于光子晶体的新型光纤旋转连接器。

背景技术

光纤旋转连接器作为一种实现不同信号平台之间旋转光信号传输要求的光纤通信器件，被广泛地应用于不同技术领域中，如海洋探测扫描系统、航天飞行器、工业机械手以及石油开采平台等需要旋转连接的场合。信号旋转传输在军事领域中的应用尤为突出，海、陆、空三军武器装备上的全方位目标扫描系统、雷达系统、夜视系统等系统中都需要相关的旋转信号传输器件。

常规的光纤旋转连接器主要依靠传统的光学器件来实现，如Dove棱镜，并且光信号的传输效率由于多次反射和透射而有所降低。然而，在动态光信号的传输过程中，有时会伴有气体、液体等流体介质的传输，使信号处于旁轴传输状态，例如在某些雷达的使用过程中，有高压气体伴随着信号在中心轴通道进行传输；CT机的中心轴部分需要放滚轴、转筒，或者是待测的人体等，从而使系统的中心轴被占用，光信号不能沿着转动中心进行传输。为了让现有的动态光纤旋转连接器满足上述场合的应用要求，需要一种能传输中空动态光信号的光纤旋转连接器件。

目前国际上提出了的较多“中空态”光纤旋转连接器结构，他们各有其各自特点。申请号为US410998的美国专利文献中披露了一种利用内外两片反射镜实现的“中空态”光纤旋转连接器。对反射镜的要求很高，需要具有良好的透射率和反射率，使光束的耦合效率降低。专利申请号为US4753506的美国专利文献中公开了一种输入端、输出端与中空部分同心的中空态光纤旋转连接器。该连接器输入端的圆周上均匀地分布着8个椭圆型的反射镜，每个反射镜既可以透过光束，也可以反射光束。透过反射镜的光束继续传输，到达下一个反射镜再次实现透射与反射。反射光束经反射后传播至接收面，在接收面形成一个圆面，经圆面内的接收器接收。很明显，由于光束在反射镜上的多次反射和折射使光束的损耗增大。申请号为US5297225的美国专利文献中提出了一种利用带有V型槽的环形波导进行空间光信号耦合来实现中空态光纤旋转连接器的方法。由于采用的波导器件在实现空间光信号耦合的同时存在光信号泄露，影响光信号的传输质量，使得光利用率效率有所降低。申请号为US6898346的美国专利文献中提出了一种通过准直透镜直接耦合的方法实现的中空态光纤旋转连接器，动子和定子传输的光信号是靠彼此的准直透镜对准耦合实现。虽然保证了入射光的连续输入，但是动子与定子的准直透镜不能始终处于完全对准的状态，使得光信号在耦合的过程中存在损耗，影响信号的传输。美国专利文献US20120237163A1是本发明最接近的现有技术。

中国专利ZL201010103099.X中公开了一种中空态光纤旋转连接器，但其使用的辐射闪耀光栅制造困难，整体器件实现起来较难，同时由于光信号在波导内部存在多次反射，造成信号传输效率下降。

综上，国内外有关的中空态光纤旋转连接器虽然在功能上实现了“中空态”光信号的传输，但是都存在着较大的传输损耗。

Eli Yablonovitch在1987年提出了光子晶体。光子晶体是一类介电常数周期分布的非均匀人工电磁介质。当入射电磁波的真空波长与介质分布周期同量级时，电磁波受到周期分布的非均匀介质相对较强的Bragg散射，使得光子晶体对该波长范围的电磁波呈现出类似于半导体电子能带的电磁波能带结构和不同于均匀介质的电磁特性。当介质介电常数相差较大时，单个周期单元内非均匀介质对电磁波的强散射与Bragg散射相互耦合，使得光子晶体出现完全禁带或者模式禁带。在完全禁带或者模式禁带频率范围内，破坏介质分布的周期性的缺陷结构，可以实现将频率处于缺陷带的电磁波低损地局域在光子晶体的缺陷结构中传播，从而实现对光子传输方向的控制。

按照光子晶体禁带分布的空间维度，光子晶体可以分为一维、二维和三维光子晶体，其中二维光子晶体被广泛应用于波导器件，而三维光子晶体由于结构设计和实现技术的复杂性较二维光子晶体的应用相对较少。光子晶体易调控、低功率、低损耗和响应快等性能优势为大规模集成光路的研发提供了一个可能的理论和技术平台，潜在的应用前景使光子晶体得到迅速发展，成为当今世界的研究热点。

发明内容

为解决“中空态”条件下旁轴旋转光信号动态连接传输问题，克服常规光纤旋转连接器光信号传输损耗大的缺点，本发明提供一种基于光子晶体的新型光纤旋转连接器，本发明光信号传输损耗低、抗电磁干扰能力强、能够实现动态环形光信号连续输入和固定输出。本发明是通过改变光子晶体禁带缺陷分布的空间维度可以实现对输入光信号传输维度的控制，同时光子晶体具有极低的传输损耗，可以对特定波长范围内电磁波实现接近100％的折转，上述优点为实现旁轴光信号在“中空态”条件下高效率地传输提供了重要途径。本发明提出的旋转连接器的光信号传输损耗低，可实现旋转光信号的动态传输，并且具有由单通道向多通道扩展的实现方式简单的优点。同时，中空部分亦可以用于气体、液体等流动介质的传输，使光纤旋转连接器的使用范围得到进一步扩展。

为了解决上述技术问题，本发明基于光子晶体的新型光纤旋转连接器予以实现的一个技术方案是：包括入射端、带复合缺陷的光子晶体和接收端，从而实现光信号的连续输入和固定输出；所述入射端包括旁轴旋转入射光，所述入射端构成了光纤旋转连接器的动子；所述带复合缺陷的光子晶体包括光子晶体基体、复合环形缺陷、点缺陷、线缺陷和具有45°倾角的周期介质柱阵列，其中，一介质柱位于所述复合环形缺陷外侧，其与所述复合环形缺陷的距离与周期性排列介质构成的光子晶体基体的周期相同，以使垂直入射光折转90°，实现光信号在所述复合环形缺陷中的传输；所述接收端包括输出光信号，所述接收端构成了光纤旋转连接器的定子；其光信号传输的过程是：旁轴旋转入射光通过所述的入射端传输，入射到所述的光子晶体基体上；当入射光入射到所述的光子晶体基体的复合环形缺陷上时，经其附近所述的具有45°倾角的介质柱的反射而使光路折转，使得旁轴旋转入射光在所述复合环形缺陷内沿垂直介质柱的方向传输，实现旁轴旋转入射光在复合环形缺陷内的定向传输；当所述复合环形缺陷内部定向传输的光信号沿复合环形缺陷传输到所述点缺陷附近时，定向传输光被耦合进所述点缺陷中，然后经所述点缺陷耦合进所述线缺陷，完成所述复合环形缺陷与线缺陷的耦合过程，实现光信号的导出；所述输出光信号经探测器接收并处理，从而实现旋转光信号的连续输入和固定输出。

本发明基于光子晶体的新型光纤旋转连接器予以实现的另一个技术方案是：包括入射端、带复合缺陷的光子晶体和接收端，从而实现光信号的连续输入和固定输出；所述入射端包括旁轴旋转入射光Ⅰ和旁轴旋转入射光Ⅱ，从而构成了一多通道光纤旋转连接器的入射端，所述入射端为多通道光纤旋转连接器的动子；所述带复合缺陷的光子晶体包括光子晶体基体、复合环形缺陷Ⅰ、复合环形缺陷Ⅱ、点缺陷Ⅰ、点缺陷Ⅱ、线缺陷Ⅰ和线缺陷Ⅱ；所述接收端包括输出光信号Ⅰ和输出光信号Ⅱ；所述带复合缺陷的光子晶体和所述接收端构成了多通道光纤旋转连接器的定子；其中，旁轴旋转入射光Ⅰ、光子晶体基体、复合环形缺陷Ⅰ、点缺陷Ⅰ、线缺陷Ⅰ和输出光信号Ⅰ构成第一传输通道；旁轴旋转入射光Ⅱ、光子晶体基体、复合环形缺陷Ⅱ、点缺陷Ⅱ、线缺陷Ⅱ和输出光信号Ⅱ构成第二传输通道；其光信号传输的过程是：对于第一传输通道，旁轴旋转入射光Ⅰ通过所述的入射端传输，入射到所述的光子晶体基体上；当入射光入射到所述的光子晶体基体上的复合环形缺陷Ⅰ时，实现旁轴旋转入射光Ⅰ在复合环形缺陷Ⅰ内的定向环形传输；当所述复合环形缺陷Ⅰ内部的光信号传输到所述点缺陷Ⅰ时，定向传输光被耦合进所述点缺陷Ⅰ中，然后经所述点缺陷Ⅰ耦合进线缺陷Ⅰ，完成所述复合环形缺陷Ⅰ与线缺陷Ⅰ的耦合过程，实现光信号的导出；所述输出光信号Ⅰ经探测器接收并处理，实现第一传输通道光信号的传输过程；对于第二传输通道，旁轴旋转入射光Ⅱ通过所述的入射端传输，入射到所述的光子晶体基体上；当入射光入射到所述的光子晶体基体上的复合环形缺陷Ⅱ时，实现旁轴旋转入射光Ⅱ在复合环形缺陷Ⅱ内的定向环形传输；当所述复合环形缺陷Ⅱ内部的光信号传输到所述点缺陷Ⅱ时，定向传输光被耦合进所述点缺陷Ⅱ中，然后经所述点缺陷Ⅱ耦合进线缺陷Ⅱ，完成所述复合环形缺陷Ⅱ与线缺陷Ⅱ的耦合过程，实现光信号的导出；所述输出光信号Ⅱ经探测器接收并处理，实现第二传输通道光信号的传输过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用具有良好控光能力的光子晶体作为实现旁轴光信号的载体，与常规的中空光纤旋转连接器相比，光子晶体的运用使光纤旋转连接器内部实现光信号传输路径的机械结构得到极大的简化。同时光子晶体具有极低的传输损耗，从而可以极大地降低光信号在传输过程中的损耗。本发明专利可被广泛地应用于相对旋转的信号平台之间进行信息的传输，如扫描跟踪雷达的天线系统、医疗设备CT扫描系统、机器人系统等，具有良好的经济效益。本发明市场前景好，多通道实现方式简单，具有良好的技术转化基础，由于本发明专利是我们自主知识产权，可以实现广泛的社会效益。

附图说明

图1为利用光子晶体构建的旁轴单通道光纤旋转连接器示意图；

图2为具有一路传输通道的光子晶体内部结构图；

图3为利用光子晶体构建的旁轴双通道光纤旋转连接器示意图。

图中：

1—旁轴旋转入射光   2—光子晶体基体    3—复合环形缺陷

4—点缺陷           5—线缺陷          6—中空圆柱型空间

7—介质柱           8—输出光信号      11—旁轴旋转入射光Ⅰ

12—旁轴旋转入射光Ⅱ31—复合环形缺陷Ⅰ 32—复合环形缺陷Ⅱ

41—点缺陷Ⅰ        42—点缺陷Ⅱ       51—线缺陷Ⅰ

52—线缺陷Ⅱ        81—输出光信号Ⅰ   82—输出光信号Ⅱ

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

本光纤旋转连接器主要是利用在光子晶体内引入特定缺陷实现环形导光功能的特性，将所述光子晶体应用于光纤旋转连接器，实现环形光信号的连续输入和固定输出。本发明是利用下述技术方案实现的：所述入射端构成中空光纤旋转连接器的转子，所述带复合环形缺陷的光子晶体以及所述接收端构成中空光纤旋转连接器的定子。所述光子晶体为中空状态，光子晶体的中空轴和旋转连接器的旋转轴同轴。通过在光子晶体的内部引入所述的复合环形缺陷，可以实现垂直入射光信号沿着环形缺陷在晶体内部的环形传输。通过进一步在所述光子晶体复合环形缺陷附近引入点缺陷，实现环形缺陷与线缺陷的完全耦合，将环形缺陷中的光信号定向地耦合进线缺陷，实现光信号的固定输出。

通过在所述光子晶体中空圆柱形空间通道的径向方向上引入多个具有一定间隔的所述复合环形缺陷。然后在各个复合环形曲线的底部附近构造可其相耦合的所述点缺陷，之后再在点缺陷的附近构造与所述点缺陷相耦合的线缺陷，实现所述点缺陷与所述线缺陷的耦合，实现单通道光纤旋转连接器向多通道的扩展。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1、2所示，本发明一种基于光子晶体的新型光纤旋转连接器，包括入射端、带复合缺陷的光子晶体和接收端，从而实现光信号的连续输入和固定输出；所述入射端包括旁轴旋转入射光1，所述入射端构成了光纤旋转连接器的动子；所述带复合缺陷的光子晶体包括光子晶体基体2、复合环形缺陷3、点缺陷4、线缺陷5和具有45°倾角的周期介质柱阵列，其中，一介质柱7位于所述复合环形缺陷(3)外侧，所述介质柱7与所述复合环形缺陷3的距离与周期性排列介质构成的光子晶体基体2的周期相同，以使垂直入射光折转90°，实现光信号在所述复合环形缺陷3中的传输；所述接收端包括输出光信号8，所述接收端构成了光纤旋转连接器的定子；其光信号传输的过程是：旁轴旋转入射光1通过所述的入射端传输，入射到所述的光子晶体基体2上；当入射光入射到所述的光子晶体基体2的复合环形缺陷3上时，经其附近所述的具有45°倾角的介质柱7的反射而使光路折转，使得旁轴旋转入射光1在所述复合环形缺陷3内沿垂直介质柱7的方向传输，实现旁轴旋转入射光1在复合环形缺陷3内的定向传输；当所述复合环形缺陷3内部定向传输的光信号沿复合环形缺陷3传输到所述点缺陷4附近时，定向传输光被耦合进所述点缺陷4中，然后经所述点缺陷4耦合进所述线缺陷5，完成所述复合环形缺陷3与线缺陷5的耦合过程，实现光信号的导出；所述输出光信号8经探测器接收并处理，从而实现旋转光信号的连续输入和固定输出。

如图3所示，基于图1和图2所示结构进行扩展，形成一种基于光子晶体的新型(多通道)光纤旋转连接器。本发明一种基于光子晶体的新型光纤旋转连接器，包括入射端、带复合缺陷的光子晶体和接收端，从而实现光信号的连续输入和固定输出；所述入射端包括旁轴旋转入射光Ⅰ11和旁轴旋转入射光Ⅱ12，从而构成了一多通道光纤旋转连接器的入射端，所述入射端为多通道光纤旋转连接器的动子；所述带复合缺陷的光子晶体包括光子晶体基体2、复合环形缺陷Ⅰ31、复合环形缺陷Ⅱ32、点缺陷Ⅰ41、点缺陷Ⅱ42、线缺陷Ⅰ51和线缺陷Ⅱ52；所述接收端包括输出光信号Ⅰ81和输出光信号Ⅱ82；所述带复合缺陷的光子晶体和所述接收端构成了多通道光纤旋转连接器的定子；其中，旁轴旋转入射光Ⅰ11、光子晶体基体2、复合环形缺陷Ⅰ31、点缺陷Ⅰ41、线缺陷Ⅰ51、输出光信号Ⅰ81构成第一传输通道；旁轴旋转入射光Ⅱ12、光子晶体基体2、复合环形缺陷Ⅱ32、点缺陷Ⅱ42、线缺陷Ⅱ52、输出光信号Ⅱ82构成第二传输通道；其光信号传输的过程是：对于第一传输通道，旁轴旋转入射光Ⅰ11通过所述的入射端传输，入射到所述的光子晶体基体2上；当入射光入射到所述的光子晶体基体2上的复合环形缺陷Ⅰ31时，实现旁轴旋转入射光Ⅰ11在复合环形缺陷Ⅰ31内的定向环形传输；当所述复合环形缺陷Ⅰ31内部的光信号传输到所述点缺陷Ⅰ41时，定向传输光被耦合进所述点缺陷Ⅰ41中，然后经所述点缺陷Ⅰ41耦合进线缺陷Ⅰ51，完成所述复合环形缺陷Ⅰ31与线缺陷Ⅰ51的耦合过程，实现光信号的导出；所述输出光信号Ⅰ81经探测器接收并处理，实现第一传输通道光信号的传输过程；对于第二传输通道，旁轴旋转入射光Ⅱ12通过所述的入射端传输，入射到所述的光子晶体基体2上；当入射光入射到所述的光子晶体基体2上的复合环形缺陷Ⅱ32时，实现旁轴旋转入射光Ⅱ12在复合环形缺陷Ⅱ42内的定向环形传输；当所述复合环形缺陷Ⅱ32内部的光信号传输到所述点缺陷Ⅱ42时，定向传输光被耦合进所述点缺陷Ⅱ42中，然后经所述点缺陷Ⅱ42耦合进线缺陷Ⅱ52，完成所述复合环形缺陷Ⅱ32与线缺陷Ⅱ52的耦合过程，实现光信号的导出；所述输出光信号Ⅱ82经探测器接收并处理，实现第二传输通道光信号的传输过程。

为使得本发明提出的光纤旋转连接器的性能达到最优，在实施过程中需保证：(1)在缺陷附近引入45°反射面，使垂直入射的旁轴旋转光发生90°折转，为入射光不被遮挡，需优化反射面的排布，如呈螺旋线状，从而实现输入旁轴旋转光在环形缺陷中的连续定向环形传输；(2)在点缺陷的设计过程中，需保证点缺陷有足够高的耦合效率，使复合环形缺陷中的定向环形光尽可能多的耦合进线缺陷中。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种基于光子晶体的新型光纤旋转连接器，包括入射端、带复合缺陷的光子晶体和接收端，从而实现光信号的连续输入和固定输出；其特征在于：所述入射端包括旁轴旋转入射光（1），所述入射端构成了光纤旋转连接器的动子；所述带复合缺陷的光子晶体包括光子晶体基体（2）、复合环形缺陷（3）、点缺陷（4）、线缺陷（5）和具有45°倾角的周期介质柱阵列，其中，一介质柱（7）位于所述复合环形缺陷（3）外侧，且所述介质柱（7）与所述复合环形缺陷（3）的距离与周期性排列介质构成的光子晶体基体（2）的周期相同，以使垂直入射光折转90°，实现光信号在所述复合环形缺陷（3）中的传输；所述接收端包括输出光信号（8），所述接收端构成了光纤旋转连接器的定子；

其光信号传输的过程是：旁轴旋转入射光（1）通过所述的入射端传输，入射到所述的光子晶体基体（2）上；当入射光入射到所述的光子晶体基体（2）的复合环形缺陷（3）上时，经其附近所述的具有45°倾角的介质柱（7）的反射而使光路折转，使得旁轴旋转入射光（1）在所述复合环形缺陷（3）内沿垂直介质柱（7）的方向传输，实现旁轴旋转入射光（1）在复合环形缺陷（3）内的定向传输；当所述复合环形缺陷（3）内部定向传输的光信号沿复合环形缺陷（3）传输到所述点缺陷（4）附近时，定向传输光被耦合进所述点缺陷（4）中，然后经所述点缺陷（4）耦合进所述线缺陷（5），完成所述复合环形缺陷（3）与线缺陷（5）的耦合过程，实现光信号的导出；所述输出光信号（8）经探测器接收并处理，从而实现旋转光信号的连续输入和固定输出。

2.一种基于光子晶体的新型光纤旋转连接器，包括入射端、带复合缺陷的光子晶体和接收端，从而实现光信号的连续输入和固定输出；其特征在于，所述入射端包括旁轴旋转入射光Ⅰ（11）和旁轴旋转入射光Ⅱ（12），从而构成了一多通道光纤旋转连接器的入射端，所述入射端为多通道光纤旋转连接器的动子；所述带复合缺陷的光子晶体包括光子晶体基体（2）、复合环形缺陷Ⅰ（31）、复合环形缺陷Ⅱ（32）、点缺陷Ⅰ（41）、点缺陷Ⅱ（42）、线缺陷Ⅰ（51）和线缺陷Ⅱ（52）；所述接收端包括输出光信号Ⅰ（81）和输出光信号Ⅱ（82）；所述带复合缺陷的光子晶体和所述接收端构成了多通道光纤旋转连接器的定子；其中，旁轴旋转入射光Ⅰ（11）、光子晶体基体（2）、复合环形缺陷Ⅰ（31）、点缺陷Ⅰ（41）、线缺陷Ⅰ（51）、输出光信号Ⅰ（81）构成第一传输通道；旁轴旋转入射光Ⅱ（12）、光子晶体基体（2）、复合环形缺陷Ⅱ（32）、点缺陷Ⅱ（42）、线缺陷Ⅱ（52）、输出光信号Ⅱ（82）构成第二传输通道；

其光信号传输的过程是：对于第一传输通道，旁轴旋转入射光Ⅰ（11）通过所述的入射端传输，入射到所述的光子晶体基体（2）上；当入射光入射到所述的光子晶体基体（2）上的复合环形缺陷Ⅰ（31）时，实现旁轴旋转入射光Ⅰ（11）在复合环形缺陷Ⅰ（31）内的定向环形传输；当所述复合环形缺陷Ⅰ（31）内部的光信号传输到所述点缺陷Ⅰ（41）时，定向传输光被耦合进所述点缺陷Ⅰ（41）中，然后经所述点缺陷Ⅰ（41）耦合进线缺陷Ⅰ（51），完成所述复合环形缺陷Ⅰ（31）与线缺陷Ⅰ（51）的耦合过程，实现光信号的导出；所述输出光信号Ⅰ（81）经探测器接收并处理，实现第一传输通道光信号的传输过程；对于第二传输通道，旁轴旋转入射光Ⅱ（12）通过所述的入射端传输，入射到所述的光子晶体基体（2）上；当入射光入射到所述的光子晶体基体（2）上的复合环形缺陷Ⅱ（32）时，实现旁轴旋转入射光Ⅱ（12）在复合环形缺陷Ⅱ（42）内的定向环形传输；当所述复合环形缺陷Ⅱ（32）内部的光信号传输到所述点缺陷Ⅱ（42）时，定向传输光被耦合进所述点缺陷Ⅱ（42）中，然后经所述点缺陷Ⅱ（42）耦合进线缺陷Ⅱ（52），完成所述复合环形缺陷Ⅱ（32）与线缺陷Ⅱ（52）的耦合过程，实现光信号的导出；所述输出光信号Ⅱ（82）经探测器接收并处理，实现第二传输通道光信号的传输过程。