CN103777284A

CN103777284A - 一种无线光滑环

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Publication number: CN103777284A
Application number: CN201410026825.0A
Authority: CN
Inventors: 马建军; 卫斌; 刘学; 及永会; 龙云泽
Original assignee: CETC 34 Research Institute
Current assignee: CETC 34 Research Institute
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2034-01-21
Also published as: CN103777284B

Abstract

本发明为一种无线光滑环，有两个相同的光模块，光模块的发射和接收光学天线垂直安装在转换电路板上，转换电路板包括激光器驱动电路、探测电路和数据接口电路。二天线和转换电路板封装在模块封装结构内，电路接口凸出在模块封装结构外。二天线的光轴旋转轴的平行度小于0.5°。二天线封装筒的筒壁相切，旋转轴与切线的距离为0～2mm。发射光学天线包括匀光器件、激光器等。接收光学天线包括滤光片、光电探测器等。连接于固定端和旋转端业务电路板的2个光模块间距可达100mm。业务电路板的电信号通过2个光模块的光信号发射接收和光电转换实现互连。本发明旋转互连为非接触式连接，寿命大大提高；通信速率高，安装要求精度低、性价比高。

Description

一种无线光滑环

技术领域

本发明属于激光通信技术领域，涉及数据通信系统中的相对旋转的连接器件，具体为一种无线光滑环。

背景技术

在数据通信系统中，有时信号要在相对旋转的部件之间高速传输，需要旋转连接结构以确保通信顺畅，也相应地需要各种各样的旋转连接器件。用来传输电信号的接触式旋转连接器件称为电滑环，用来传输高速光信号的旋转器件称为光纤滑环。但是电滑环通常通信速率较低，而且在高速条件下寿命较短，满足不了系统长期使用的要求；而光纤滑环虽然通信速率较高，但对安装精度和安装条件的要求很高，因而成本较高，性价比高，难以普及使用。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述技术和方法的不足和缺点，提出了在旋转端与固定端之间采用激光进行无线互连的一种无线光滑环，包括2个相同的光模块，每个光模块中封装了光发射天线、光接收天线和转换电路板，并有电路接口。电路接口可直接与业务电路板连接，插接有本无线光滑环的光模块的固定端电路板和旋转端电路板可通过激光无线旋转互连。

本发明设计的一种无线光滑环包括两个相同的光模块，一个连接固定端的业务电路板，另一个连接旋转端的业务电路板。

所述光模块包括一块安装有一个发射光学天线和一个接收光学天线的转换电路板，所述转换电路板包括激光器驱动电路、探测电路和数据接口电路。发射光学天线和接收光学天线垂直安装在转换电路板上，二个天线通过管脚与转换电路板相连。发射光学天线、接收光学天线和转换电路板封装在模块封装结构内，转换电路板的电路接口凸出在模块封装结构外。

所述发射光学天线和接收光学天线的光轴位于旋转端旋转轴两侧，发射光学天线的光轴和接收光学天线的光轴与该旋转轴平行，平行度小于0.5°。

所述发射光学天线包括匀光器件、激光器、发射光学天线封装筒以及发射天线管脚。激光器封装于发射光学天线封装筒内，匀光器件嵌于发射光学天线封装筒的顶端，匀光器件为毛玻璃或者微透镜阵列，对出射光束扩束及匀束作用，匀光器件的中心线与激光器发光面的中心线重合。激光器下接的发射天线管脚从发射光学天线封装筒底端伸出，与转换电路板相连接。

所述激光器是发射1550nm、或者1310nm、或者850nm波长的激光器，发射功率为1～100mW。

所述匀光器件直径为1～10mm，所述匀光器件和激光器发光面之间的距离为固定值，使光束发散并匀束发射出去，而且损失的光功率最小。发射光学天线发射的光束发散角为25°～45°。

所述接收光学天线包括滤光片、光电探测器、接收光学天线封装筒和接收天线管脚。光电探测器封装于接收光学天线封装筒内，滤光片嵌于接收光学天线封装筒的顶端，滤光片的中心线与光电探测器探测面的中心线重合。光电探测器下接的接收天线管脚从接收光学天线封装筒底端伸出，与转换电路板相连接。

所述发射光学天线封装筒和接收光学天线封装筒为圆筒，同一光模块上的两个天线封装筒的筒壁相切，旋转端的旋转轴与二天线封装筒筒壁相切的切线的距离为0～2mm。

所述光电探测器是接收1550nm、或者1310nm、或者850nm波长激光波段的光电探测器。

所述滤光片直径为4.5～5.5mm，主要滤除本端发射光束的返回光束以及背景光。

所述接收光学天线接收光束的视场角为28°～32°。

发射光学天线封装筒和接收光学天线封装筒为金属壳体，不但起着结构上的支撑作用，同时为其内的激光器或光电探测器散热。

模块封装结构上有3～8个安装孔，以将本无线光滑环的光模块固定连接于固定端的业务电路板或旋转端的业务电路板。

2块本无线光滑环的光模块分别经电路接口连接于旋转端的业务电路板和固定端的业务电路板，2个光模块之间的最小距离为10mm～100mm。

业务电路板所接光模块的接收光学天线与对端的业务电路板所接光模块的发射光学天线光轴的平行度不超过10°。其中一个光模块的发射光学天线封装筒和对端光模块的接收光学天线封装筒筒壁相切的切线之间的距离为0～4mm。

固定端和旋转端的业务电路板各连接一个本无线光滑环的光模块。旋转端的业务电路板通过电路接口将电信号送入光模块的转换电路板，转换电路板的激光器驱动电路按电信号驱动激光器发光，获得相应电信号的光信号。该光信号通过发射光学天线，以合适的功率以及发散角发射出去。固定端的业务电路板所连接的光模块接收光学天线接收到该光信号，通过光电探测器将光信号转变为微弱电信号，探测电路将此微弱电信号进行放大和整形处理，通过接口电路输出到固定端的业务电路板。固定端的业务电路板连接本无线光滑环光模块，其与旋转端的业务电路板的通信过程与上述相同。本无线光滑环了实现旋转端的业务电路板与固定端的业务电路板之间的旋转互连。

与现有技术相比，本发明无线光滑环的优点为：1、两个光模块的旋转互连为非接触式连接，使用寿命与转速及使用次数无关，与其它接触式的旋转连接相比，寿命大大提高；2、与电滑环相比，本无线光滑环通信速率高，最高可达1.25Gbps，而且基本不存在串扰、匹配和电磁兼容等问题，与光纤滑环相比，本无线光滑环加工及安装要求精度低、性价比高；3、光模块较大的发射光束发散角以及较宽的光束接收视场角解决了由于旋转、加工及安装精度导致的光模块发射端与对端接收位置偏移以及存在视场等问题，因此本无线光滑环具有很好的环境适应能力，旋转端与固定端之间的距离，即通信距离，可达100mm；4、发射光学天线配置的匀光器件，对发射光束起着扩束和匀束作用，使得对端的接收天线在相对旋转过程中，接收的信号光功率不存在盲区，提高了无线光滑环旋转互连过程中通信的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本无线光滑环实施例的一个光模块结构侧视示意图；

图2是本无线光滑环实施例的一个光模块结构俯视示意图；

图3是图1中的发射光学天线结构示意图；

图4是图1中的接收光学天线结构示意图；

图5是本无线光滑环实施例的2个光模块在2块业务电路板间实现旋转互连的示意图。

图中标号为：

1、发射光学天线，11、毛玻璃，12、激光器，13、发射光学天线封装筒，14、发射天线管脚，2、接收光学天线，21、滤光片，22、光电探测器，23、接收光学天线封装筒，24、接收天线管脚，3、转换电路板，4、电路接口，5、模块封装结构，51、安装孔。

具体实施方式

为了使本发明技术方案更加清晰，下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。

本无线光滑环实施例的1个光模块结构参照图1和图2，即本实施例光模块的结构侧视图和俯视图。发射光学天线1和接收光学天线2垂直安装在转换电路板3上,发射光学天线1和接收光学天线2的光轴与旋转轴平行，平行度小于0.5°，本例发射光学天线1的光轴、接收光学天线2的光轴以及旋转轴在同一平面上。发射光学天线1和接收光学天线2的光轴位于旋转端的旋转轴两侧。所述转换电路板3包括激光器驱动电路、探测电路和数据接口电路。发射光学天线1、接收光学天线2和转换电路板3封装在模块封装结构5内，转换电路板3的电路接口4凸出在模块封装结构5外。本例矩形的模块封装结构5的四角各有一安装孔51。

本例发射光学天线1的结构如图3所示，激光器12封装于发射光学天线封装筒13内，本例的匀光器件为毛玻璃11，毛玻璃11嵌于发射光学天线封装筒13的顶端，毛玻璃11的中心线与激光器12发光面的中心线重合。本例毛玻璃11直径5.0mm，为K9玻璃材料。激光器12下接的发射天线管脚14从发射光学天线封装筒13底端伸出，与转换电路板3相连接。毛玻璃11和激光器发光面之间的距离固定，使发射光学天线发射的光束的发散角为30°。本例激光器12发射1550nm通信波段的激光，发射功率为20mW。发射光学天线封装结构13是一个金属壳体。

本例接收光学天线2的结构如图4所示。光电探测器22封装于接收光学天线封装筒23内，滤光片21嵌于接收光学天线封装筒23的顶端，滤光片21的中心线与光电探测器22探测面的中心线重合。本例滤光片21直径5.0mm，为K9玻璃材料。本例光电探测器22为累崩光电二极管（简写APD，英文为Avalanche Photo Diode），接收1550nm通信波段的激光，光电探测器22下接的接收天线管脚24从接收光学天线封装筒23底端伸出，与转换电路板3相连接。滤光片21和光电探测器22探测面之间的距离固定，本例接收光学天线2接收光束的视场角为30°。在通信速率1.25Gbps时，探测器的灵敏度达-30dBm。本例接收光学天线封装筒23为金属壳体。

本例发射光学天线封装筒13和接收光学天线封装筒23为圆筒，同一光模块上两个天线封装筒13、23的筒壁相切，本例旋转端的旋转轴与所接光模块的天线封装筒13、23的筒壁相切的切线重合。

图5是2个上述本无线光滑环实施例的光模块在2块业务电路板间实现旋转互连的示意图的。2块本无线光滑环的光模块分别经电路接口连接于旋转端的业务电路板和固定端的业务电路板，螺钉经模块封装结构5的安装孔51固定连接光模块和业务电路板。本例2个光模块之间的距离为50mm。业务电路板所接光模块的接收光学天线2与对端的业务电路板所接光模块的发射光学天线1光轴的平行度不超过10°，且两个光模块的发射光学天线封装筒13和接收光学天线封装筒23筒壁相切的切线重合。

旋转端的业务电路板通过电路接口4将电信号送入光模块的转换电路板3，电信号通过转换电路板的激光器驱动电路来驱动激光器12发光，光信号通过发射光学天线1，以合适的功率以及发射角发射出去。固定端的业务电路板所接光模块的接收光学天线2接收到合适光功率，通过光电探测器将光信号转变为微弱电信号，再通过转换电路板3的探测电路，对此电信号进行放大和整形处理，由电路接口4输出到固定端的业务电路板。固定端的业务电路板经本无线光滑环的光模块将数据传输到旋转端的业务电路板的过程与上述相同。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种无线光滑环，其特征在于：

包括两个相同的光模块，一个连接固定端的业务电路板，另一个连接旋转端的业务电路板；

所述光模块包括一块安装有一个发射光学天线（1）和一个接收光学天线（2）的转换电路板（3），所述转换电路板（3）包括激光器驱动电路、探测电路和数据接口电路；发射光学天线（1）和接收光学天线（2）垂直安装在转换电路板（3）上，二个天线通过管脚与转换电路板（3）相连；发射光学天线（1）、接收光学天线（2）和转换电路板（3）封装在模块封装结构（5）内，转换电路板（3）的电路接口（4）凸出在模块封装结构（5）外；

所述发射光学天线（1）和接收光学天线（2）位于旋转端旋转轴两侧，发射光学天线（1）和接收光学天线（2）的光轴与旋转轴平行；

所述发射光学天线（1）包括匀光器件、激光器（12）、发射光学天线封装筒（13）以及发射天线管脚（14）；激光器（12）封装于发射光学天线封装筒（13）内，所述匀光器件为毛玻璃（11）或者或者微透镜阵列，匀光器件嵌于发射光学天线封装筒（13）的顶端，匀光器件的中心线与激光器（12）发光面的中心线重合；激光器（12）下接的发射天线管脚（14）从发射光学天线封装筒（13）底端伸出，与转换电路板（3）相连接；

所述接收光学天线（2）包括滤光片（21）、光电探测器（22）、接收光学天线封装筒（23）和接收天线管脚（24）；光电探测器（22）封装于接收光学天线封装筒（23）内，滤光片（21）嵌于接收光学天线封装筒（23）的顶端，滤光片（21）的中心线与光电探测器（22）探测面的中心线重合；光电探测器（22）下接的接收天线管脚（24）从接收光学天线封装筒（23）底端伸出，与转换电路板（3）相连接；

所述发射光学天线封装筒（13）和接收光学天线封装筒（23）为圆筒,同一光模块上两个天线封装筒（13、23）的筒壁相切；

所述激光器（12）发射的激光波段与光电探测器（22）接收的的激光波段相配合。

2.根据权利要求1所述的无线光滑环，其特征在于：

所述发射光学天线（1）的光轴和接收光学天线（2）的光轴与旋转端的旋转轴的平行度小于0.5°。

3.根据权利要求1所述的无线光滑环，其特征在于：

所述激光器（12）是发射1550nm、或者1310nm、或者850nm波长的激光器，发射功率为1～100mW；所述光电探测器（22）是接收1550nm、或者1310nm、或者850nm波长激光波段的光电探测器。

4.根据权利要求1所述的无线光滑环，其特征在于：

所述匀光器件直径为1～10mm。

5.根据权利要求1所述的无线光滑环，其特征在于：

所述匀光器件和激光器（12）发光面之间的距离为固定值，发射光学天线（1）发射的光束发散角为25°～45°。

6.根据权利要求1所述的无线光滑环，其特征在于：

所述滤光片（21）直径为4.5～5.5mm，所述接收光学天线（2）接收光束的视场角为28°～32°。

7.根据权利要求1所述的无线光滑环，其特征在于：

所述发射光学天线封装筒（13）和接收光学天线封装筒（23）为金属壳体。

8.根据权利要求1所述的无线光滑环，其特征在于：

所述模块封装结构（5）上有3～8个安装孔。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的无线光滑环，其特征在于：

分别经电路接口（4）连接于旋转端的业务电路板和固定端的业务电路板的2块无线光滑环的光模块之间的最小距离为10mm～100mm。

10.根据权利要求9所述的无线光滑环，其特征在于：

所述固定端的业务电路板所接无线光滑环光模块的接收光学天线（2）与旋转端的业务电路板所接无线光滑环光模块的发射光学天线（1）光轴的平行度不超过10°，两个光模块的发射光学天线封装筒（13）和接收光学天线封装筒（23）筒壁相切的切线之间的距离为0～4mm。