CN105068191B - 光纤旋转连接器及其制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤旋转连接器及其制作工艺，光纤旋转连接器包括定子外壳、转子套筒、接口组件；接口组件包括耦合环、插装于耦合环内的陶瓷插芯、固定于耦合环一端的半球透镜；半球透镜的顶点到陶瓷插芯端面的轴向距离为定值；定子外壳的中心部位、转子套筒的中心部位分别沿轴向设有阶梯状的通孔；定子外壳由耦合环的带半球透镜的一端套入耦合环；转子套筒由耦合环的另一端套入耦合环；转子套筒与光纤活动连接器对接后，光纤活动连接器中的光纤的端面与陶瓷插芯中的光纤的端面之间有间隙。本发明的光纤旋转连接器，结构简单、制作成本低、稳定性能高、使用寿命长。本发明适用于连接两FC/PC型光纤活动连接器。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种光纤旋转连接器，以及该光纤旋转连接器的制作工艺。
背景技术
在光纤信息传输的许多应用中，需要旋转连接机构使光信息在旋转平台和静止平台之间进行传输，该机构称为旋转连接装置，也称旋转连接器。光纤旋转连接器以光纤为数据传输媒体，特别适合应用在需要无限制的、连续或断续旋转、同时又要从固定位置到旋转位置传送大容量数据及信号的场所。能改善机械性能，简化系统操作，避免因活动关节的旋转对光纤的损害。
现有的光纤旋转连接器结构复杂，制作成本高，稳定性能差，两根光纤在旋转连接器内光耦合时，回波损耗大。
现有的光纤旋转连接器多采用光准直器和光耦合器对入射光和出射光进行调整整形，因此成本较本专利使用的透镜、陶瓷插芯成本高，另外，光准直器与光耦合器在装配时，装配精度较高。
发明内容
为解决现有技术中存在的以上不足，本发明旨在提供一种光纤旋转连接器，其结构简单、制作成本低、稳定性能高、使用寿命长，可避免两根光纤的对接磨损；
本发明的另一个目的，是提供一种上述光纤旋转连接器的制作工艺。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种光纤旋转连接器,用于连接两光纤活动连接器，它包括定子外壳、转子套筒，以及设置于定子外壳与转子套筒之间的接口组件；
所述接口组件包括耦合环、插装于耦合环内用于固定光纤的陶瓷插芯、固定于耦合环一端的半球透镜；所述半球透镜的顶点到陶瓷插芯端面的轴向距离为定值；
所述定子外壳的中心部位、转子套筒的中心部位分别沿轴向设有阶梯状的通孔；所述定子外壳套装在耦合环的带半球透镜的一端；所述转子套筒套装在耦合环的另一端；
所述转子套筒与光纤活动连接器对接后，光纤活动连接器中的光纤的端面与陶瓷插芯中的光纤的端面之间有间隙。
作为对本发明的限定，所述定子外壳的与耦合环相连的一端的端面固定有环状的盖板；所述转子套筒的与耦合环相连的一端嵌于盖板的内孔中，且定子外壳的端面与转子套筒的端面相接触。
作为对本发明的另一种限定，所述定子外壳的外周面、转子套筒的外周面上分别设有外螺纹。
作为对本发明的第三种限定，所述耦合环中心部位沿轴向设有阶梯状的通孔；所述陶瓷插芯固定于通孔内；所述半球透镜经支架固定在耦合环的一端。
作为对上述方式的限定，所述支架带有凹槽；所述半球透镜卡在凹槽内。
本发明同时公开了一种光纤旋转连接器的制作工艺，用于制作上述的光纤旋转连接器，它包括依次进行的如下步骤：
A．将半球透镜固定到耦合环上；
B．将光纤插入陶瓷插芯内孔中；
C．研磨陶瓷插芯的前端面，研磨的合格标准可参考国标：YDT2152-2010光纤活动连接器可靠性要求及试验方法；
D．将陶瓷插芯固定到耦合环上，半球透镜顶点到陶瓷插芯端面的轴向距离F2的大小，与半球透镜焦距f的大小相等；f是由光学设计软件ZAMAX通过光路模拟仿真得出；
E．将定子外壳由耦合环的带半球透镜的一端套入耦合环，将转子套筒由耦合环的另一端套入耦合环，且令定子外壳的端面与转子套筒的端面相接触；将环状的盖板套在转子套筒上，并将盖板与定子外壳用螺栓沿轴向固定；
F．将两个光纤活动连接器分别嵌入定子外壳的通孔、转子套筒的通孔中，并且该两个光纤活动连接器分别经带有内螺纹的支撑架与定子外壳的外螺纹、转子套筒的外螺纹连接；
其中与定子外壳连接的光纤活动连接器中的光纤的端面与半球透镜的顶点之间有距离F1，该距离F1为1.83mm；
与转子套筒连接的光纤活动连接器中的光纤的端面与陶瓷插芯中的光纤的端面之间有间隙；该间隙由以下公式计算得出：
设两光纤因抛光而具有相同的折射率表面变质层，两光纤之间的间隙为空气;假设光纤端面表面质量非常好，无划痕、凹坑、污物等，根据薄膜光学原理可以推得光纤连接器的回拨损耗为：
其中：
，纤芯与光纤端面变质层界面的反射系数；
，光纤端面变质层与空气界面的反射系数；
，光纤端面变质层厚度引起的相位差；
n0，光纤纤芯折射率，n0=1.463；
n1，空气折射率，n1=1；
n2，光纤端面变质层折射率，n2=1.46；
h，光纤端面变质层厚度，h=0.1；
d，光纤活动连接器中的光纤的端面与陶瓷插芯中的光纤的端面之间的间隙；
λ，光波波长，λ=1.31μm；
RL，回波损耗，RL≥35dB。
本发明还公开了另一种光纤旋转连接器的制作工艺，用于制作上述的光纤旋转连接器，它包括依次进行的如下步骤：
Aa．将半球透镜粘接到支架上；
Ab.使用单光束焊机将支架焊接到耦合环上；
B．将光纤的一端插入陶瓷插芯内孔中；
C．研磨陶瓷插芯的前端面，研磨的合格标准可参考国标：YDT2152-2010光纤活动连接器可靠性要求及试验方法；
D．将陶瓷插芯固定到耦合环上，半球透镜顶点到陶瓷插芯端面的轴向距离F2的大小，与半球透镜焦距f的大小相等；f是由光学设计软件ZAMAX通过光路模拟仿真得出；
E．将定子外壳由耦合环的带半球透镜的一端套入耦合环，将转子套筒由耦合环的另一端套入耦合环，且令定子外壳的端面与转子套筒的端面相接触；将环状的盖板套在转子套筒上，并将盖板与定子外壳用螺栓沿轴向固定；
F．将两个光纤活动连接器分别嵌入定子外壳的通孔、转子套筒的通孔中，并且该两个光纤活动连接器分别经带有内螺纹的支撑架与定子外壳的外螺纹、转子套筒的外螺纹连接；
其中与定子外壳连接的光纤活动连接器中的光纤的端面与半球透镜的顶点之间有距离F1，该距离为1.83mm；
与转子套筒连接的光纤活动连接器中的光纤的端面与陶瓷插芯中的光纤的端面之间有间隙；该间隙由以下公式计算得出：
设两光纤因抛光而具有相同的折射率表面变质层，两光纤之间的间隙为空气;假设光纤端面表面质量非常好，无划痕、凹坑、污物等，由薄膜光学原理可以推得光纤连接器的回拨损耗为：
其中：
，纤芯与光纤端面变质层界面的反射系数；
，光纤端面变质层与空气界面的反射系数；
，光纤端面变质层厚度引起的相位差；
n0，光纤纤芯折射率，n0=1.463；
n1，空气折射率，n1=1；
n2，光纤端面变质层折射率，n2=1.46；
h，光纤端面变质层厚度，h=0.1；
d，光纤活动连接器中的光纤的端面与陶瓷插芯中的光纤的端面之间的间隙；；
λ，光波波长，λ=1.31μm；
RL，回波损耗，RL≥35dB。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
本发明的透镜为半球透镜，其生产工艺稳定，半球透镜固定在耦合环上不动，提高了该光纤旋转连接器的稳定性，该光纤旋转连接器的入射端与半球透镜不存在直接接触，且半球透镜的可接受光角度范围较普通光纤端面可接收光角度大，能够完全将入射端的光全部接收到该光纤旋转连接器中；
本发明的半球透镜的顶点到陶瓷插芯端面的轴向距离为定值，在定子外壳与光纤活动连接器对接后，保证了陶瓷插芯内的光纤与光纤活动连接器内的光纤在耦合时，耦合焦距不变，使得二者的耦合效率高，信号传输稳定；
本发明的转子套筒与光纤活动连接器对接后，光纤活动连接器中的光纤的端面与陶瓷插芯中的光纤的端面之间有间隙，可避免两根光纤的对接磨损，减小回波损耗；该间隙通过由薄膜光学原理推得的光纤连接器的回拨损耗公式计算得出，当该间隙为1.259μm时，回波损耗即可满足要求。
综上所述，本发明具有结构简单、制作成本低、稳定性能高、使用寿命长的特点。
本发明适用于连接两FC/PC型光纤活动连接器。
附图说明
下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1与两个光纤活动连接器对接的结构示意图；
图3为图1中的半球透镜的结构示意图；
图4为光纤活动连接器与陶瓷插芯对接的模型图；
图5为半球透镜7与光纤活动连接器光路。
图中：1、转子套筒；2、盖板；3、耦合环；4、陶瓷插芯；5、定子外壳；6、支架；7、半球透镜；71、半球体；72、圆柱体；8、支撑架；9、第一光纤活动连接器；10、第二光纤活动连接器。
具体实施方式
实施例1光纤旋转连接器
一种光纤旋转连接器,用于连接第一光纤活动连接器9及第二光纤活动连接器10，结构如图1-2所示，包括定子外壳5、转子套筒1，以及设置于定子外壳5与转子套筒1之间的接口组件。
接口组件包括耦合环3、陶瓷插芯4、半球透镜7。耦合环3由金属材料制成（优选不锈钢材质），中心部位沿轴向设有阶梯状的通孔。陶瓷插芯4固定于通孔内，陶瓷插芯4的前端面顶在阶梯状通孔的大孔、小孔的连接端面上。陶瓷插芯4的内孔中固定有光纤。半球透镜7为半球体71连接圆柱体72的结构，如图3所示，半球体71由玻璃制成。半球透镜7经支架6固定在耦合环3的一端，支架6带有凹槽，圆柱体72卡在凹槽内，半球体71的端面与支架6端面贴合。半球体71顶点到陶瓷插芯4端面的轴向距离根据半球体71的焦距而定，本实施例中，半球体71的焦距为2.42mm。
定子外壳5的中心部位、转子套筒1的中心部位分别沿轴向设有阶梯状的通孔。定子外壳5的外周面、转子套筒1的外周面上分别设有外螺纹。定子外壳5从耦合环3的带半球透镜7的一端套入耦合环3，转子套筒1由耦合环3的另一端套入耦合环3，且定子外壳5的端面与转子套筒1的端面相接触。定子外壳5的与转子套筒1相接触的端面上还固定有环状的盖板2，盖板2与定子外壳5用螺栓沿轴向固定。转子套筒1的与定子外壳5相近的一端嵌于盖板2的内孔中。
转子套筒1与第一光纤活动连接器9对接后，第一光纤活动连接器9中的光纤的端面与陶瓷插芯4中的光纤的端面之间有间隙，该间隙值为1.259μm。
实施例2光纤旋转连接器的制作工艺
一种光纤旋转连接器的制作工艺，用于制作实施例1所述的光纤旋转连接器，它包括依次进行的如下步骤：
A2．将半球透镜7固定到耦合环3上；
B2．将光纤插入陶瓷插芯4内孔中；
C2．研磨陶瓷插芯4的前端面，研磨的合格标准可参考国标：YDT2152-2010光纤活动连接器可靠性要求及试验方法；
D2．将陶瓷插芯4固定到耦合环3上，半球透镜7顶点到陶瓷插芯4端面的轴向距离的大小F2，与半球透镜7焦距的大小相等；半球透镜7焦距是由光学设计软件ZAMAX通过光路模拟仿真得出；
E2．将定子外壳5由耦合环3的带半球透镜7的一端套入耦合环3，将转子套筒1由耦合环3的另一端套入耦合环3，且令定子外壳5的端面与转子套筒1的端面相接触；将环状的盖板2套在转子套筒1上，并将盖板2与定子外壳5用螺栓沿轴向固定；
F2．将第二光纤活动连接器10、第一光纤活动连接器9分别嵌入定子外壳5的通孔、转子套筒1的通孔中，并且该两个光纤活动连接器分别经带有内螺纹的支撑架8与定子外壳5的外螺纹、转子套筒1的外螺纹连接；
其中第二光纤活动连接器10中的光纤的端面与半球透镜7的顶点之间有距离F1，F1=1.83mm,；
第一光纤活动连接器9中的光纤的端面与陶瓷插芯4中的光纤的端面之间有间隙；该间隙由以下公式计算得出：
光纤活动连接器两端对接的基本结构按图4建模，图4中的中间部位为光纤的纤芯，纤芯外是包覆纤芯的包层。设两光纤因抛光而具有相同的折射率表面变质层，两光纤之间的间隙为空气;假设光纤端面表面质量非常好，无划痕、凹坑、污物等，根据薄膜光学原理可以推得光纤连接器的回拨损耗为：
其中：
，纤芯与光纤端面变质层界面的反射系数；
，光纤端面变质层与空气界面的反射系数；
，光纤端面变质层厚度引起的相位差；
n0，光纤纤芯折射率，n0=1.463；
n1，空气折射率，n1=1；
n2，光纤端面变质层折射率，n2=1.46；
h，光纤端面变质层厚度，h=0.1μm；
d，第一光纤活动连接器9中的光纤的端面与陶瓷插芯4中的光纤的端面之间的间隙；
λ，光波波长，λ=1.31μm；
RL，回波损耗，RL≥35dB。
本实施例中的光纤端面变质层折射率n2是根据文献确定的；
光纤端面变质层厚度h是根据文献确定的；
回波损耗RL是根据文献YD/T1272.4-2007光纤活动连接器第4部分，FC型单模连接器插头允许的光学性能指标确定的。
当RL=35dB，得出d=1.259μm。
为说明d对回波损耗RL的影响，令光纤端面变质层不存在，图5为光波波长为λ=1310nm时，d与RL的关系，随着光纤端面之间间距的变化，回波损耗RL呈现周期性变化规律；光纤连接器纤芯端面不存在高折射率变质层且两光纤端面间隙为零时，由于不存在反射，回波损耗为无穷大，当间距d达到λ/4，回波损耗RL降到最小。
实施例3光纤旋转连接器的制作工艺
一种光纤旋转连接器的制作工艺，用于制作实施例1所述的光纤旋转连接器，其制作步骤与实施例2的区别仅在于步骤A，本实施例的步骤A为：
Aa3．将半球透镜7粘接到支架6上；
Ab3.使用单光束焊机将支架6焊接到耦合环3上；
本实施例的其它依次进行的步骤与实施例2相同。
Claims (6)
1.一种光纤旋转连接器的制作工艺，所述光纤旋转连接器用于连接两光纤活动连接器，包括定子外壳、转子套筒，以及设置于定子外壳与转子套筒之间的接口组件；
所述接口组件包括耦合环、插装于耦合环内用于固定光纤的陶瓷插芯、固定于耦合环一端的半球透镜；所述半球透镜的顶点到陶瓷插芯端面的轴向距离为定值；
所述定子外壳的中心部位、转子套筒的中心部位分别沿轴向设有阶梯状的通孔；所述定子外壳套装在耦合环的带半球透镜的一端；所述转子套筒套装在耦合环的另一端；
所述转子套筒与光纤活动连接器对接后，光纤活动连接器中的光纤的端面与陶瓷插芯中的光纤的端面之间有间隙；
其特征在于该制作工艺包括依次进行的如下步骤：
A．将半球透镜固定到耦合环上；
B．将光纤插入陶瓷插芯内孔中；
C．研磨陶瓷插芯的前端面，研磨的合格标准可参考国标：YDT2152-2010光纤活动连接器可靠性要求及试验方法；
D．将陶瓷插芯固定到耦合环上，半球透镜顶点到陶瓷插芯端面的轴向距离F2的大小，与半球透镜焦距f的大小相等；f是由光学设计软件ZAMAX通过光路模拟仿真得出；
E．将定子外壳由耦合环的带半球透镜的一端套入耦合环，将转子套筒由耦合环的另一端套入耦合环，且令定子外壳的端面与转子套筒的端面相接触；将环状的盖板套在转子套筒上，并将盖板与定子外壳用螺栓沿轴向固定；
F．将两个光纤活动连接器分别嵌入定子外壳的通孔、转子套筒的通孔中，并且该两个光纤活动连接器分别经带有内螺纹的支撑架与定子外壳的外螺纹、转子套筒的外螺纹连接；
其中与定子外壳连接的光纤活动连接器中的光纤的端面与半球透镜的顶点之间有距离F1，该距离为1.83mm；
与转子套筒连接的光纤活动连接器中的光纤的端面与陶瓷插芯中的光纤的端面之间有间隙；该间隙由以下公式计算得出：
设两光纤因抛光而具有相同的折射率表面变质层，两光纤之间的间隙为空气;假设光纤端面表面质量非常好，无划痕、凹坑、污物，根据薄膜光学原理可以推得光纤连接器的回拨损耗为：
其中：
，纤芯与光纤端面变质层界面的反射系数；
，光纤端面变质层与空气界面的反射系数；
，光纤端面变质层厚度引起的相位差；
n0，光纤纤芯折射率，n0=1.463；
n1，空气折射率，n1=1；
n2，光纤端面变质层折射率，n2=1.46；
h，光纤端面变质层厚度，h=0.1μm；
d，光纤活动连接器中的光纤的端面与陶瓷插芯中的光纤的端面之间的间隙；
λ，光波波长，λ=1.31μm；
RL，回波损耗，RL≥35dB。
2.根据权利要求1所述的光纤旋转连接器的制作工艺，其特征在于：所述定子外壳的与耦合环相连的一端的端面固定有环状的盖板；所述转子套筒的与耦合环相连的一端嵌于盖板的内孔中，且定子外壳的端面与转子套筒的端面相接触。
3.根据权利要求1或2所述的光纤旋转连接器的制作工艺，其特征在于：所述定子外壳的外周面、转子套筒的外周面上分别设有外螺纹。
4.根据权利要求1所述的光纤旋转连接器的制作工艺，其特征在于：所述耦合环中心部位沿轴向设有阶梯状的通孔；所述陶瓷插芯固定于通孔内；所述半球透镜经支架固定在耦合环的一端。
5.根据权利要求4所述的光纤旋转连接器的制作工艺，其特征在于：所述支架带有凹槽；所述半球透镜卡在凹槽内。
6.根据权利要求4或5所述的光纤旋转连接器的制作工艺，其特征在于：
所述步骤A用依次进行的Aa和Ab替代，其中：
Aa．将半球透镜粘接到支架上；
Ab.使用单光束焊机将支架焊接到耦合环上。
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