CN103149642B - 一种离轴光纤旋转连接器 - Google Patents

Abstract

一种离轴光纤旋转连接器，包括内、外法兰盘和光路；内、外法兰盘的盘体为空腔，光路置于空腔内，两盘接触面通过轴承装配在一起，可绕中心旋转轴相对旋转；内、外法兰盘的盘面上预留通孔，光输入输出端的准直扩束透镜分别置于通孔内，每个光纤接头和准直扩束透镜紧密贴合并外装套筒，光纤接头和准直扩束透镜具有同一条中心光轴；套筒经螺栓固定在各法兰盘上；每个光输入输出端通过各自尾部的光纤与多路光收发器连接，且红外直角棱镜的直角面对准每个准直扩束透镜的外镜面，并贴紧固定于各法兰盘空腔内壁上；整个离轴光纤旋转连接器为无源器件，安装方便，大大减小了光纤旋转连接器对角度和轴向偏差的敏感性，插入损耗较小，可实现双向传输光信号。

Description

一种离轴光纤旋转连接器

技术领域

本发明涉及一种离轴光纤旋转连接器。该光纤旋转连接器主要用于光纤之间光信号耦合连接的光纤通信及光电子技术领域。

背景技术

光纤旋转连接器能在相对旋转的光纤上保持光路连通,是实现动态耦合的无源光纤连接器件。光纤旋转连接器的功能，是保持从一端旋转光纤到另一端固定光纤的光信号连续传输。与传统的电滑环相比，光纤旋转连接器有以下优点：使用光进行信号传输，抗电磁干扰，传输寿命长，噪音低，与波分复用器配合使用，更可以大大提高带宽。雷达旋转天线、防空武器追踪控制系统以及需要保持两部分相互旋转器件间的光信号连续传输系统，都需要使用光纤旋转连接器。

在现在某些复杂传输过程中，有时还伴随着电信号传输或者机械传动轴，例如雷达旋转天线在中心旋转轴部分安装有滚轴、转筒等器件，以及医疗设备中旋转轴中需要同时放置光纤、波导管和弱电信号传输的情形。由于旋转轴被其他传输介质和器件所占用，所以光信号不能沿中心旋转轴传输。现在大部分的光纤旋转连接器都是在中心旋转轴上传输光信号，因此普通的光纤旋转连接器已经不能适用于上述离轴场合，我们需要一种空出中心旋转轴的离轴光纤旋转连接器来满足上述情况的应用。

对于离轴的光纤旋转连接器在国内外很少被提及。专利US5991478提出对离轴传输光纤旋转连接器的设计，但是这种设想的传输速率太低，而且插入损耗对加工精度要求高，很难在复杂的实际场合下使用。专利US6898346提出的多路信号离轴传输耦合结构，两部分分别利用少于或等于8个准直器进行信号传输，功率抖动小于25%，结构相对简单，但是对加工装配要求高，结构尺寸不能太大，插入损耗较大。专利US4753506提出了在旋转轴周围利用几个反射/透射镜构成一圈，光信号在这一圈之中通过几个反射/透射镜传到另一端，形成相互重叠的椭圆光斑，在光出射端为接收光信号安放有探测器。这种设计功率波动很小，但是插入损耗很大，依然无法满足实际需要。

由于传统的光纤旋转连接器无法使用在离轴光纤传输的场合，而现有的离轴旋转连接器在插入损耗、中空旋转轴空间方面存在问题。如果能够根据实际需要在中空旋转轴上留出足够的孔径，就可以使离轴旋转连接器满足不同中空旋转轴的要求。如果能使旋转连接器中的光耦合器件具有更小的耦合偏差和耦合偏差敏感度，就可以获得更小的插入损耗。

发明内容

本发明的目的在于克服普通光纤旋转连接器插入损耗大、传输速率低、加工精度要求高及无法离轴传输的不足，提供一种离轴光纤旋转连接器。本发明利用无源光器件把旋转连接器的光路移至法兰盘的离轴部分上，中心旋转轴位置用于其他信号传输，它可以保证光信号在两相对旋转的中空旋转体间可靠传输，允许高传输速率的光信号双向传输。

本发明离轴光纤旋转连接器的技术方案是这样实现的：

一种离轴光纤旋转连接器，包括内法兰盘、外法兰盘和光路；

A)所述内法兰盘、外法兰盘的环状盘为矩形环状空腔，两盘接触面通过轴承装配在一起，可绕共同的中心旋转轴相对旋转；

B)所述光路由红外直角棱镜、光输入输出端、光纤和多路光收发器组成；

C)所述光输入输出端由套筒、光纤接头和准直扩束透镜组成；用来将在光纤内传输的单模光信号准直扩束为大直径的平行光束，并且将射入光输入输出端内的平行光束重新耦合入光纤内。

D)所述内法兰盘、外法兰盘的环状盘面上设置有光输入输出端,外法兰盘面上设置的光输入输出端的个数比内法兰盘面上设置的光输入输出端个数多1个,并分别在360°均匀排布；内法兰盘的每个光输入输出端通过各自尾部的光纤与多路光收发器一连接，外法兰盘的每个光输入输出端各自通过尾部的光纤与多路光收发器二连接；光输入输出端的数量影响旋转连接器插入损耗的旋转波动量，数量越多则波动量越小。

E)所述内法兰盘和外法兰盘面上对应光输入输出端排布的位置留有通孔，所述准直扩束透镜分别安装于内法兰盘和外法兰盘通孔内，每个光纤接头和准直扩束透镜紧密贴合并安装于套筒内，套筒通过螺栓固定在各法兰盘上；且光纤接头和准直扩束透镜具有同一条中心光轴；采用套筒且固定于法兰盘可以有效防止离轴光纤旋转连接器旋转时光输入输出端内器件的松动。

F)所述红外直角棱镜的直角面对准每个光输入输出端的准直扩束透镜外镜面，并贴紧固定于各法兰盘空腔内壁上，准直扩束透镜外镜面与红外直角棱镜的直角面，通过光学胶胶合固定，红外直角棱镜另一直角面的中心垂线则经过法兰盘旋转轴；垂直安装于法兰盘上的光输入输出端内出射的平行于旋转轴的光束经红外直角棱镜的斜面后转向成垂直于旋转轴方向的光束，再经相对安装的红外直角棱镜转向进入对应的光输入输出端内，光路通过配合使用一次反射红外直角棱镜可以大大减小旋转连接器的插入损耗。

G)所述的内法兰盘和外法兰盘相对旋转时，外法兰盘上某路光输入输出端的光路与内法兰盘上某路光输入输出端的光路逐渐重合，内法兰盘上的该路光输入输出端接收到的光信号强度伴随着射入到准直扩束透镜内的光量增加而加强，当光路重合时获得最强光信号，然后随着内外法兰盘继续相对旋转，光路逐渐偏离使接收到的光信号强度又逐渐减小，同时会有另一路光输入输出端接收的光信号强度逐渐加强。由此在相对旋转中保持持续的高于某强度的光信号传输。

所述的光输入输出端的准直扩束透镜使用自聚焦透镜、C透镜、非球面透镜中的一种或准直扩束透镜组。

所述光纤接头为热扩芯光纤及光纤匹配套管胶合制成的带有一段光纤的热扩芯光纤接头。

所述多路光收发器是多路串行收发模式的并行光收发器，或带有光耦合器的多路收发器，使旋转连接器双向传输信号。

优点和积极效果：本发明利用无源光器件把旋转连接器的光路移至法兰盘的离轴部分上，中心旋转轴位置用于其他信号传输，整个离轴光纤旋转连接器为无源器件，安装方便，防磁防爆。使用了热扩芯光纤接头，相比普通单模光纤准直器耦合大大减小了对角度和轴向偏差的敏感性，插入损耗较小。可以通过加减光输入输出端的数量使法兰盘匹配任意直径大小的中空旋转轴。可以实现高速率双向传输光信号。

附图说明

图1是本发明中的光输入输出端数量位置排布示意图；

图2是离轴光纤旋转连接器的内部结构示意图；

图3是热扩芯光纤头的结构示意图；

图4是光输入输出端胶合红外直角棱镜的侧视图；

图5是光输入输出端胶合红外直角棱镜的仰视图。

1.外法兰盘，2.滚珠轴承，3.红外直角棱镜，4.套筒，5.准直扩束透镜，6.光纤接头，7.光纤，8.光输入输出端，9.多路光收发器一，10、多路光收发器二，11.内法兰盘，12.光输出端，13.光输出端等效像，14.光输入端，15.光输入端等效像。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

图1是本发明实施例的光输入输出端数量排布示意图。光路由红外直角棱镜、光输入输出端、光纤和多路光收发器组成；在离轴光纤旋转连接器的外法兰盘1上排布的光输入输出端8的数量为12个，在360°内均匀分布；在内法兰盘11背面上的光输入输出端8的数量为11个，是外法兰盘上的光输入输出端8的数量减去一个，仍然在360°内均匀分布。每个光输入输出端8的光轴垂直于法兰盘面，并被机械固定于法兰盘上预留的通孔内，防止法兰盘高速旋转时发生松动，每个外法兰盘1的光输入输出端8通过各自尾部的光纤7与多路光收发器一9连接，同理每个内法兰盘11的光输入输出端8也各自通过尾部的光纤7与内盘的多路光收发器二10连接。此时的光输入输出端的位置数量排布可以在旋转连接器旋转时得到较均匀的总光功率，即插入损耗的旋转波动量较小。

图2是本发明的实施例的离轴光纤旋转连接器的内部结构示意图。光输入输出端由套筒4、光纤接头6和准直扩束透镜5组成；内法兰盘11和外法兰盘1通过滚珠轴承2连接，准直扩束透镜5分别安装于内法兰盘11和外法兰盘1的通孔内，每个光纤接头6和准直扩束透镜5紧密贴合并安装于套筒4内，套筒4通过螺栓固定在各法兰盘上；且光纤接头6和准直扩束透镜5具有同一条中心光轴；采用套筒并固定于法兰盘上可以有效防止离轴光纤旋转连接器旋转时光输入输出端内器件的松动。红外直角棱镜3的直角面对准每个光输入输出端的准直扩束透镜5的外镜面，并贴紧固定于各法兰盘空腔内壁上，红外直角棱镜另一直角面的中心垂线经过法兰盘旋转轴，准直扩束透镜5的外镜面与红外直角棱镜的直角面通过光学胶胶合固定；垂直安装于法兰盘上的光输入输出端内出射的平行于旋转轴的光束经红外直角棱镜的斜面后转折成垂直于旋转轴方向的光束，再经红外直角棱镜转向进入对应的光输入输出端内，光路通过配合使用一次反射红外直角棱镜可以大大减小旋转连接器的插入损耗。

内法兰盘11和外法兰盘1相对旋转时，外法兰盘1上某路光输入输出端8的光路与内法兰盘11上某路光输入输出端8的光路逐渐重合，内法兰盘11上的该路光输入输出端8接收到的光信号强度伴随着射入到准直扩束透镜内的光量增加而加强，当光路重合时获得最强光信号，然后随着内外法兰盘继续相对旋转，光路逐渐偏离使接收到的光信号强度又逐渐减小，同时会有另一路光输入输出端接收的光信号强度逐渐加强。由此在相对旋转中保持持续的高于某强度的光信号传输。

本实例中准直扩束透镜5采用的是自聚焦透镜。光纤7是一端经过热扩芯处理的单模光纤，光纤热扩芯端与光纤匹配套管胶合制成带有一段光纤7的热扩芯光纤接头6。

图3是热扩芯光纤的结构示意图，光纤一端经过热扩芯处理后芯径扩大，逐渐向另一侧过渡至未经热处理的单模光纤芯径。经过热处理后的单模光纤的扩芯端为扩芯前单模光纤芯径的3～8倍，热扩芯端长度为0.2～20mm。出射光束仍具有单模特性，而模场直径扩大。热扩芯光纤是使用1500～2000℃的高温加热普通单模光纤，被加热部分的光纤纤芯中掺杂的Ge⁴⁺离子扩散至光纤包层，使光纤横截面上的折射率呈高斯分布，从而达到扩大模场直径。

本发明的离轴光纤旋转连接器由于是在内外旋转端传输光信号，因此不可避免的会带入一定量的角度耦合偏差。由于热扩芯光纤比单模光纤的芯径大3～8倍，采用热扩芯光纤可以降低光耦合时对角度偏差敏感的问题，降低了离轴光纤旋转连接器的角度耦合偏差和对机械精度的要求。

图4和图5分别是光输入输出端胶合红外直角棱镜的侧视图和仰视图，取法兰盘上的一路输出光路即红外直角棱镜3和光输出端12，相对的另一端法兰盘上的输入光路可等效为光输入端14。光输出端12紧贴红外直角棱镜3的上直角面，轴线与红外直角棱镜3的出射面垂直，且位于中心位置。光输入端14外镜面处的光轴在水平面上偏离红外直角棱镜3的光轴Δx距离，夹角为θ。a为直角棱镜边长，l是光输入端14到红外直角棱镜3的距离。

光输出端12对红外直角棱镜3求镜像为光输出端等效像13，相当于光输出端等效像13是接收端。光输入端14经红外直角棱镜3折射作用后相当于在光输入端等效像15处发射。

从图5可得公式：

$L^{\′}=a+\frac{{\cos \mathrm{\θ}}^{\′}}{\cos \mathrm{\θ}}l---\left(1\right)$

$\mathrm{\Δx}=\mathrm{\Δx}-(\sin \mathrm{\θ}-{\sin \mathrm{\θ}}^{\′})\frac{l}{\cos \mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

从上式中可得，光输入端的轴向偏差变化量为θ较小时，θ和θ′的余弦量之比约等于1，所以光输入端轴向偏移的变化量可以忽略，横向偏差可简化为减小了(θ′-θ)l，角度偏移量减小到了原来的60%。

角度耦合损耗L_θ满足：

$L_{\mathrm{\θ}}=4.343{\left(\frac{\tan \mathrm{\θ}}{n_0\sqrt{A}{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2---\left(4\right)$

光输入端角度偏差带入到角度耦合损耗公式（4）中可计算得到角度偏差引起的损耗降低到了原来的45%。所以采用一次反射红外直角棱镜作为转向元件，不仅可以减小横向偏差和角度偏差的耦合损耗，并且还可以减小旋转连接器的径向体积获得更多的旋转轴空间。

Claims (4)

1.一种离轴光纤旋转连接器，包括内法兰盘、外法兰盘和光路；其特征在于：

A)所述内法兰盘、外法兰盘的盘体分别为矩形环状空腔，两盘接触面通过轴承装配在一起，可绕共同的中心旋转轴相对旋转；

B)所述光路由红外直角棱镜、光输入输出端、光纤和多路光收发器组成；

C)所述光输入输出端由套筒、光纤接头和准直扩束透镜组成；

D)所述内法兰盘、外法兰盘的环状盘面上设置有光输入输出端,外法兰盘面上设置的光输入输出端的个数比内法兰盘面上设置的光输入输出端个数多1个,并分别在360°均匀排布；内法兰盘的每个光输入输出端通过各自尾部的光纤与多路光收发器一连接，外法兰盘的每个光输入输出端各自通过尾部的光纤与多路光收发器二连接；

E)所述内法兰盘和外法兰盘面上对应光输入输出端排布的位置留有通孔，所述准直扩束透镜分别安装于内法兰盘和外法兰盘通孔内，每个光纤接头和准直扩束透镜紧密贴合并安装于套筒内，套筒通过螺栓固定在各法兰盘上；且光纤接头和准直扩束透镜具有同一条中心光轴；

F)所述红外直角棱镜的直角面对准每个光输入输出端的准直扩束透镜外镜面，并贴紧固定于各法兰盘空腔内壁上，准直扩束透镜外镜面与红外直角棱镜其中的一个直角面，通过光学胶胶合固定，红外直角棱镜另一直角面的中心垂线则经过法兰盘旋转轴；

G)所述的内法兰盘和外法兰盘相对旋转，当内、外法兰盘相对旋转时，外法兰盘上某路光输入输出端的光路与内法兰盘上某路光输入输出端的光路逐渐重合，内法兰盘上的该路光输入输出端接收到的光信号强度伴随着射入到准直扩束透镜内的光量增加而加强，当光路重合时获得最强光信号强度，然后随着内外法兰盘继续相对旋转，光路逐渐偏离使接收到的光信号强度又逐渐减小，同时会有另一路光输入输出端接收的光信号强度逐渐加强,由此在相对旋转中保持持续的高于某强度的光信号传输。

2.根据权利要求1所述的一种离轴光纤旋转连接器，其特征在于：所述的光输入输出端的准直扩束透镜使用自聚焦透镜、C透镜、非球面透镜中的一种或准直扩束透镜组。

3.根据权利要求1所述的一种离轴光纤旋转连接器，其特征在于：所述光纤接头为热扩芯光纤及光纤匹配套管胶合制成的带有一段光纤的热扩芯光纤接头。

4.根据权利要求1所述的一种离轴光纤旋转连接器，其特征在于：所述多路光收发器是多路串行收发模式的并行光收发器，或带有光耦合器的多路收发器，使旋转连接器双向传输信号。