CN103955030B - 一种锥形折射的多通道光纤旋转连接器 - Google Patents

Abstract

一种锥形折射的多通道光纤旋转连接器，包括通过轴承设置在定子套筒内的转子，由连接在定子套筒的输出端的解复用器套筒、设置在解复用器套筒内的解复用器和设置在解复用器套筒输出端的输出准直器构成的解复用系统，转子的输出端上设置有2—20个输入光纤准直器，在定子套筒内对应输入光纤准直器的光输出端设置有双轴晶体，在定子套筒的输出端盖上与双轴晶体的光输出端相对应的嵌入有会聚透镜或透镜组，与会聚透镜或透镜组的光输出侧相对应的嵌入有准直器固定套，准直器固定套的中心轴向固定设置有准直器或大芯径光纤，准直器或大芯径光纤的后端连接解复用系统中的解复用器。本发明具有结构简单，抗电磁干扰，插入损耗小，装配精度高，性能稳定可靠的特点。

Description

一种锥形折射的多通道光纤旋转连接器

技术领域

本发明涉及一种光纤旋转连接器。特别是涉及一种用于信息传输和信息处理的锥形折射的多通道光纤旋转连接器。

背景技术

光纤旋转连接器是一种利用光纤作为传输媒介，将信号在一个旋转的平台和另一静止平台之间进行传输的机构。目前，该类型的器件正在广泛应用于不同的领域中，如军事领域中扫描跟踪雷达的天线系统、炮架或坦克的炮塔等；工业方面，如海底声纳信息采集系统、油井钻探设备、机器人系统、工业过程控制等；医疗设备方面的CT扫描系统以及航天方面飞行器上的信息传输系统等。该装置需要严格的保证通道之间的对应关系，并使通道之间的串扰达到最小。

目前已有多种多通道的光纤旋转连接器实现方案，如专利EP20000993543、US8355607B2、U.S2007/0019908A1等提出利用DOVE棱镜转像原理实现光信号旋转连接，但该类方法需要复杂的行星轮机构来保证棱镜的转速为转子的一半，由于齿轮在实际中精度有限，造成光器件间存在偏差，降低了信号的耦合效率。专利WO 2010/097646 1等提出使用反射镜结构实现光信号旋转连接，但是这一类方法机械结构复杂，且转子和反射镜之间的同步转动存在延迟，造成通道的插入损耗较大。专利US 2009/0310911 A1中，提出使用芯径大小不一的塑料光纤直接耦合实现多通道的光信号传输，但旁轴通道在旋转过程中需要多次耦合，使得耦合效率低，通道的插入损耗传输损耗大。此外波分复用技术（WDM）、透镜耦合以及解旋棱镜等也已用于光纤旋转连接器中，它们也都有各自的不足。

一束平行光束沿双轴晶体光轴方向入射到双轴晶体的表面上，当入射光束经过双轴晶体后，在其后表面出射，形成空心圆环光，这一光学现象称为双轴晶体的锥形折射。锥形折射的产生需要双轴晶体的一对平行平面沿垂直于光轴方向切割，它们分别作为光的入射面和出射面。锥形折射的逆效应是当圆环光沿双轴晶体光轴入射时，经过双轴晶体后汇聚到一点。锥形折射以其独特的光学效应，有望应用于光束整形、光镊、光开关、激光扫描等方面。

目前锥形折射效应获得了一系列的应用，如专利US7456962B2中利用锥形折射的偏振特性，通过测量锥形折射后圆环上光强的光强分布实现了偏振的测量，专利US7541600中利用锥形折射效应将点光转化为环形光，通过确定环的位置，进而更准确的定位点的位置，并将这一方法应用于测量、印刷和显微等领域，专利WO2010084317A1中应用锥形折射进行激光腔内光束整形，实现高效率的激光器等，专利US2009/0168683中锥形折射被用于成像，此外在专利US1806935、US4993813中也使用锥形折射来产生圆环光，进行光学检测或成像。目前锥形折射的逆效应还没有明确的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现多输入通道光信号旋转耦合的锥形折射的多通道光纤旋转连接器。

本发明所采用的技术方案是：一种锥形折射的多通道光纤旋转连接器，包括有定子套筒，通过轴承设置在定子套筒内的转子，由连接在所述定子套筒的输出端的解复用器套筒、设置在解复用器套筒内的解复用器和设置在解复用器套筒输出端的输出准直器构成的解复用系统，所述的转子的输出端上设置有2—20个输入光纤准直器，在所述的定子套筒内对应所述的输入光纤准直器的光输出端设置有双轴晶体，在所述的定子套筒的输出端盖上与所述双轴晶体的光输出端相对应的嵌入有会聚透镜或透镜组，与所述的会聚透镜或透镜组的光输出侧相对应的嵌入有准直器固定套，所述的准直器固定套的中心轴向固定设置有准直器或大芯径光纤，所述的准直器或大芯径光纤的后端连接所述的解复用系统中的解复用器。

所述的述定子套筒的内侧位于所述的转子与所述的双轴晶体之间一体形成有能够通过所述的输入光纤准直器输出的光至双轴晶体的台阶孔。

所述的双轴晶体是通过双轴晶体保护套筒设置在所述的述定子套筒内，所述的双轴晶体保护套筒在与所述的输入光纤准直器所输出的光相对应处开有入射光孔，所述的双轴晶体保护套筒在与定子套筒的输出端盖上的会聚透镜或透镜组相对应处开有出射光孔。

所述的准直器固定套的外周形成有外螺纹，所述的定子套筒的输出端盖在与所述的准直器固定套相连接处形成有内螺纹，所述的准直器固定套与所述的输出端盖通过所述的外螺纹和内螺纹能够进行旋转调节的相连接。

所述的2—20个的输入光纤准直器是以转子的中心轴为中心环形的分布在所述的转子的输出端上。

所述的输入光纤准直器是由光纤和准直透镜组成，准直透镜为C-lens透镜或自聚焦透镜或球透镜系统。

所述的双轴晶体的材料为萘、KNbO₃、LBO、BBO、KTP和KGW中的一种。

本发明的一种锥形折射的多通道光纤旋转连接器，具有结构简单，抗电磁干扰，插入损耗小，装配精度高，性能稳定可靠的特点，并可根据实际应用情况调节外部尺寸。本发明专利可广泛应用于两个相对旋转的装置之间进行信息传输的场合，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。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图中

1：转子                          2：输出端盖

3：定子套筒                      4：输入光纤准直器

5：双轴晶体保护套筒              6：双轴晶体

7：螺钉                          8：准直器固定套

9：出射光孔                      10：准直器或大芯径光纤

11：会聚透镜或透镜组             12：压圈

13：压圈                         14：轴承

15：解复用器套筒          16：解复用器

17：输出准直器            18：台阶孔

19：入射光孔

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种锥形折射的多通道光纤旋转连接器做出详细说明。

本发明的一种锥形折射的多通道光纤旋转连接器，包含多路通信通道，旋转光信号传输的形式可以描述为一个空间圆环发射器与另一个静止接收器之间的信号传输。这一过程与双轴晶体中锥形折射逆效应中圆环光的传播过程类似。多个通道的输入端构成转子，双轴晶体、耦合透镜、输出端及波分复用其构成定子。让每个输入通道传输不同波长的信号，在旋转的过程中产生圆环光，按照双轴晶体内圆锥折射效应的逆过程，圆环上的入射光束在晶体中形成一个圆锥，并由出射面的一个固定点出射。经双轴晶体输出的多波长信号经过耦合透镜耦合到光纤中，并传输到接收端。应用WDM技术，在接收端使用解复用器，可以将接收的多波长信号还原，实现多信道光信号旋转传输。

只有当入射光与双轴晶体光轴平行时才能观察到明显锥形折射现象，其逆效应也具有相同的特性，通过对锥形折射及其逆效应的观察能够准确地对入射光的方向进行定位，使双轴晶体光轴、转子的转轴、光纤准直器出射光线方向平行，降低轴向误差，便于调试和装配。同时由于双轴晶体的几何形状很简单，只需保证入射面和出射面并垂直一波法线光轴，加工精度高于常规透镜、DOVE棱镜的加工精度，便可以降低由器件加工误差产生的损耗。此外双轴晶体加工后相比透镜等光学元件更容易固定，减少了转动过程中的抖动，使得使用锥形折射及其逆效应的光纤旋转连接器具有更好的稳定性。

如图1所示，本发明的一种锥形折射的多通道光纤旋转连接器，包括有定子套筒3，通过轴承14设置在定子套筒3内的转子1，由通过螺钉固定连接在所述定子套筒3的输出端的解复用器套筒15、设置在解复用器套筒15内的解复用器16和设置在解复用器套筒15输出端的输出准直器17构成的解复用系统。

所述的转子1的输出端上设置有2—20个输入光纤准直器4，所述的输入光纤准直器4是由光纤和准直透镜组成，准直透镜为C-lens透镜或自聚焦透镜或球透镜系统。所述的2—20个输入光纤准直器4是以转子1的中心轴为中心环形的分布在所述的转子1的输出端上。在所述的定子套筒3内对应所述的输入光纤准直器4的光输出端设置有双轴晶体6。在每个入射光纤的前端放置光纤准直器，使得入射光束是一平行光束，最大限度地降低入射光与双轴晶体6的光轴之间的偏角，保证两束光平行。所述的述定子套筒3的内侧位于所述的转子1与所述的双轴晶体6之间一体形成有能够通过所述的输入光纤准直器4输出的光至双轴晶体6的台阶孔18。所述的双轴晶体6的材料为萘、KNbO₃、LBO、BBO、KTP和KGW（KGd(WO₄）₂）中的一种，或者是更换为其它能产生锥形折射的晶体或光学器件。

所述的双轴晶体6是通过双轴晶体保护套筒5设置在所述的述定子套筒3内，设置双轴晶体保护套筒5一方面对双轴晶体6进行保护，防止双轴晶体6的光学性能受外界干扰，另一方面，方便安装微调机构，调整双轴晶体6的光轴与转动轴之间的夹角，保证入射光与双轴晶体6的光轴平行。所述的双轴晶体保护套筒5在与所述的输入光纤准直器4所输出的光相对应处开有入射光孔19。在所述的定子套筒3的输出端盖2上与所述双轴晶体6的光输出端相对应的嵌入有会聚透镜或透镜组11，所述的双轴晶体保护套筒5在与定子套筒3的输出端盖2上的会聚透镜或透镜组11相对应处开有出射光孔9。在双轴晶体6的出射光位置处添加会聚透镜或透镜组，并采用大芯径光纤(光纤芯径>200μm，数值孔径>0.37)做接收器，是为了降低双轴晶体6波长色散对光信号的影响。

在所述的定子套筒3的输出端盖2上与所述的会聚透镜或透镜组11的光输出侧相对应的嵌入有准直器固定套8，所述的准直器固定套8的外周形成有外螺纹，所述的定子套筒3的输出端盖2在与所述的准直器固定套8相连接处形成有内螺纹，所述的准直器固定套8与所述的输出端盖2通过所述的外螺纹和内螺纹能够进行旋转调节的相连接。在会聚透镜或透镜组11和接收光纤位置处还安装微调装置，即准直器固定套8，是为了确保经会聚透镜或透镜组11的出射光束夹角在光纤接收范围内，进而提高双轴晶体6和接收光纤之间信号耦合效率。所述的准直器固定套8的中心轴向固定设置有准直器或大芯径光纤10，所述的准直器或大芯径光纤10的后端连接所述的解复用系统中的解复用器16。

本发明的一种锥形折射的多通道光纤旋转连接器实现多通道旋转连接的过程为：当外界光信号入射时，不同波长的光信号从输入光纤准直器4分别进入旋转连接器内，经过双轴晶体6后汇聚到一点。出射光束由会聚透镜或透镜组11聚到后端准直器或大芯径光纤10中，通过旋转准直器固定套8可以调整准直器或大芯径光纤10的位置，以实现更好的耦合。含有多个波长的出射信号光经过解复用器16还原成多路输入信号，经过输出准直器17上的输出端光纤输出。

Claims (7)

1.一种锥形折射的多通道光纤旋转连接器，包括有定子套筒（3），通过轴承（14）设置在定子套筒（3）内的转子（1），由连接在所述定子套筒（3）的输出端的解复用器套筒（15）、设置在解复用器套筒（15）内的解复用器（16）和设置在解复用器套筒（15）输出端的输出准直器（17）构成的解复用系统，其特征在于，所述的转子（1）的输出端上设置有2—20个输入光纤准直器（4），在所述的定子套筒（3）内对应所述的输入光纤准直器（4）的光输出端设置有双轴晶体（6），在所述的定子套筒（3）的输出端盖（2）上嵌入有会聚透镜或透镜组（11），所述会聚透镜或透镜组（11）与所述双轴晶体（6）的光输出端相对应，与所述的会聚透镜或透镜组（11）的光输出侧相对应的嵌入有准直器固定套（8），所述的准直器固定套（8）的中心轴向固定设置有准直器或大芯径光纤（10），所述的准直器或大芯径光纤（10）的后端连接所述的解复用系统中的解复用器（16）。

2.根据权利要求1所述的一种锥形折射的多通道光纤旋转连接器，其特征在于，所述的定子套筒（3）的内侧位于所述的转子（1）与所述的双轴晶体（6）之间一体形成有能够通过所述的输入光纤准直器（4）输出的光至双轴晶体（6）的台阶孔（18）。

3.根据权利要求1或2所述的一种锥形折射的多通道光纤旋转连接器，其特征在于，所述的双轴晶体（6）是通过双轴晶体保护套筒（5）设置在所述的述定子套筒（3）内，所述的双轴晶体保护套筒（5）在与所述的输入光纤准直器（4）所输出的光相对应处开有入射光孔（19），所述的双轴晶体保护套筒（5）在与定子套筒（3）的输出端盖（2）上的会聚透镜或透镜组（11）相对应处开有出射光孔（9）。

4.根据权利要求1所述的一种锥形折射的多通道光纤旋转连接器，其特征在于，所述的准直器固定套（8）的外周形成有外螺纹，所述的定子套筒（3）的输出端盖（2）在与所述的准直器固定套（8）相连接处形成有内螺纹，所述的准直器固定套（8）与所述的输出端盖（2）通过所述的外螺纹和内螺纹能够进行旋转调节的相连接。

5.根据权利要求1所述的一种锥形折射的多通道光纤旋转连接器，其特征在于，所述的2—20个的输入光纤准直器（4）是以转子（1）的中心轴为中心环形的分布在所述的转子（1）的输出端上。

6.根据权利要求1或5所述的一种锥形折射的多通道光纤旋转连接器，其特征在于，所述的输入光纤准直器（4）是由光纤和准直透镜组成，准直透镜为C-lens透镜或自聚焦透镜或球透镜系统。

7.根据权利要求1所述的一种锥形折射的多通道光纤旋转连接器，其特征在于，所述的双轴晶体（6）的材料为萘、KNbO₃、LBO、BBO、KTP和KGW中的一种。