專利名稱：一種離軸光纖旋轉連接器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種離軸光纖旋轉連接器。該光纖旋轉連接器主要用于光纖之間光信號耦合連接的光纖通信及光電子技術領域。
背景技術：
光纖旋轉連接器能在相對旋轉的光纖上保持光路連通，是實現動態耦合的無源光纖連接器件。光纖旋轉連接器的功能，是保持從一端旋轉光纖到另一端固定光纖的光信號連續傳輸。與傳統的電滑環相比，光纖旋轉連接器有以下優點:使用光進行信號傳輸，抗電磁干擾，傳輸壽命長，噪音低，與波分復用器配合使用，更可以大大提高帶寬。雷達旋轉天線、防空武器追蹤控制系統以及需要保持兩部分相互旋轉器件間的光信號連續傳輸系統，都需要使用光纖旋轉連接器。在現在某些復雜傳輸過程中，有時還伴隨著電信號傳輸或者機械傳動軸，例如雷達旋轉天線在中心旋轉軸部分安裝有滾軸、轉筒等器件，以及醫療設備中旋轉軸中需要同時放置光纖、波導管和弱電信號傳輸的情形。由于旋轉軸被其他傳輸介質和器件所占用，所以光信號不能沿中心旋轉軸傳輸。現在大部分的光纖旋轉連接器都是在中心旋轉軸上傳輸光信號，因此普通的光纖旋轉連接器已經不能適用于上述離軸場合，我們需要一種空出中心旋轉軸的離軸光纖旋轉連接器來滿足上述情況的應用。對于離軸的光纖旋轉連接器在國內外很少被提及。專利US5991478提出對離軸傳輸光纖旋轉連接器的設計，但是這種設想的傳輸速率太低，而且插入損耗對加工精度要求高，很難在復雜的實際場合下使用。專利US6898346提出的多路信號離軸傳輸耦合結構，兩部分分別利用少于或等于8個準直器進行信號傳輸，功率抖動小于25%，結構相對簡單，但是對加工裝配要求高，結構尺寸不能太大，插入損耗較大。專利US4753506提出了在旋轉軸周圍利用幾個反射/透射鏡構成一圈，光信號在這一圈之中通過幾個反射/透射鏡傳到另一端，形成相互重疊的橢圓光斑，在光出射端為接收光信號安放有探測器。這種設計功率波動很小，但是插入損耗很大，依然無法滿足實際需要。由于傳統的光纖旋轉連接器無法使用在離軸光纖傳輸的場合，而現有的離軸旋轉連接器在插入損耗、中空旋轉軸空間方面存在問題。如果能夠根據實際需要在中空旋轉軸上留出足夠的孔徑，就可以使離軸旋轉連接器滿足不同中空旋轉軸的要求。如果能使旋轉連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，就可以獲得更小的插入損耗。

發明內容
本發明的目的在于克服普通光纖旋轉連接器插入損耗大、傳輸速率低、加工精度要求高及無法離軸傳輸的不足，提供一種離軸光纖旋轉連接器。本發明利用無源光器件把旋轉連接器的光路移至法蘭盤的離軸部分上，中心旋轉軸位置用于其他信號傳輸，它可以保證光信號在兩相對旋轉的中空旋轉體間可靠傳輸，允許高傳輸速率的光信號雙向傳輸。
本發明離軸光纖旋轉連接器的技術方案是這樣實現的:一種離軸光纖旋轉連接器，包括內法蘭盤、外法蘭盤和光路；A)所述內法蘭盤、外法蘭盤的環狀盤為矩形環狀空腔，兩盤接觸面通過軸承裝配在一起，可繞共同的中心旋轉軸相對旋轉；B)所述光路由紅外直角棱鏡、光輸入輸出端、光纖和多路光收發器組成；C)所述光輸入輸出端由套筒、光纖接頭和準直擴束透鏡組成；用來將在光纖內傳輸的單模光信號準直擴束為大直徑的平行光束，并且將射入光輸入輸出端內的平行光束重新奉禹合入光纖內。D)所述內法蘭盤、外法蘭盤的環狀盤面上設置有光輸入輸出端，外法蘭盤面上設置的光輸入輸出端的個數比內法蘭盤面上設置的光輸入輸出端個數多I個，并分別在360°均勻排布；內法蘭盤的每個光輸入輸出端通過各自尾部的光纖與多路光收發器一連接，外法蘭盤的每個光輸入輸出端各自通過尾部的光纖與多路光收發器二連接；光輸入輸出端的數量影響旋轉連接器插入損耗的旋轉波動量，數量越多則波動量越小。E)所述內法蘭盤和外法蘭盤面上對應光輸入輸出端排布的位置留有通孔，所述準直擴束透鏡分別安裝于內法蘭盤和外法蘭盤通孔內，每個光纖接頭和準直擴束透鏡緊密貼合并安裝于套筒內，套筒通過螺栓固定在各法蘭盤上；且光纖接頭和準直擴束透鏡具有同一條中心光軸；采用套筒且固定于法蘭盤可以有效防止離軸光纖旋轉連接器旋轉時光輸入輸出端內器件的松動。F)所述紅外直角棱鏡的直角面對準每個光輸入輸出端的準直擴束透鏡外鏡面，并貼緊固定于各法蘭盤空腔內壁上，準直擴束透鏡外鏡面與紅外直角棱鏡的直角面，通過光學膠膠合固定，紅外直角棱鏡另一直角面的中心垂線則經過法蘭盤旋轉軸；垂直安裝于法蘭盤上的光輸入輸出端內出射的平行于旋轉軸的光束經紅外直角棱鏡的斜面后轉向成垂直于旋轉軸方向的光束，再經相對安裝的紅外直角棱鏡轉向進入對應的光輸入輸出端內，光路通過配合使用一次反射紅外直角棱鏡可以大大減小旋轉連接器的插入損耗。G)所述的內法蘭盤和外法蘭盤相對旋轉時，外法蘭盤上某路光輸入輸出端的光路與內法蘭盤上某路光輸入輸出端的光路逐漸重合，內法蘭盤上的該路光輸入輸出端接收到的光信號強度伴隨著射入到準直擴束透鏡內的光量增加而加強，當光路重合時獲得最強光信號，然后隨著內外法蘭盤繼續相對旋轉，光路逐漸偏離使接收到的光信號強度又逐漸減小，同時會有另一路光輸入輸出端接收的光信號強度逐漸加強。由此在相對旋轉中保持持續的高于某強度的光信號傳輸。所述的光輸入輸出端的準直擴束透鏡使用自聚焦透鏡、C透鏡、非球面透鏡中的一種或準直擴束透鏡組。所述光纖接頭為熱擴芯光纖及光纖匹配套管膠合制成的帶有一段光纖的熱擴芯光纖接頭。所述多路光收發器是多路串行收發模式的并行光收發器，或帶有光耦合器的多路收發器，使旋轉連接器雙向傳輸信號。優點和積極效果:本發明利用無源光器件把旋轉連接器的光路移至法蘭盤的離軸部分上，中心旋轉軸位置用于其他信號傳輸，整個離軸光纖旋轉連接器為無源器件，安裝方便，防磁防爆。使用了熱擴芯光纖接頭，相比普通單模光纖準直器耦合大大減小了對角度和軸向偏差的敏感性，插入損耗較小。可以通過加減光輸入輸出端的數量使法蘭盤匹配任意直徑大小的中空旋轉軸。可以實現高速率雙向傳輸光信號。


圖1是本發明中的光輸入輸出端數量位置排布示意圖；圖2是離軸光纖旋轉連接器的內部結構示意圖；圖3是熱擴芯光纖頭的結構示意圖；圖4是光輸入輸出端膠合紅外直角棱鏡的側視圖；圖5是光輸入輸出端膠合紅外直角棱鏡的仰視圖。1.外法蘭盤，2.滾珠軸承，3.紅外直角棱鏡，4.套筒，5.準直擴束透鏡，6.光纖接頭，7.光纖,8.光輸入輸出端,9.多路光收發器一，10、多路光收發器二，11.內法蘭盤，12.光輸出端,13.光輸出端等效像,14.光輸入端,15.光輸入端等效像。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。圖1是本發明實施例的光輸入輸出端數量排布示意圖。光路由紅外直角棱鏡、光輸入輸出端、光纖和多路光收發器組成；在離軸光纖旋轉連接器的外法蘭盤I上排布的光輸入輸出端8的數量為12個,在360°內均勻分布；在內法蘭盤11背面上的光輸入輸出端8的數量為11個，是外法蘭盤上的光輸入輸出端8的數量減去一個，仍然在360°內均勻分布。每個光輸入輸出端8的光軸垂直于法蘭盤面，并被機械固定于法蘭盤上預留的通孔內，防止法蘭盤高速旋轉時發生松動，每個外法蘭盤I的光輸入輸出端8通過各自尾部的光纖7與多路光收發器一 9連接，同理每個內法蘭盤11的光輸入輸出端8也各自通過尾部的光纖7與內盤的多路光收發器二 10連接。此時的光輸入輸出端的位置數量排布可以在旋轉連接器旋轉時得到較均勻的總光功率，即插入損耗的旋轉波動量較小。圖2是本發明的實施例的離軸光纖旋轉連接器的內部結構示意圖。光輸入輸出端由套筒4、光纖接頭6和準直擴束透鏡5組成；內法蘭盤11和外法蘭盤I通過滾珠軸承2連接，準直擴束透鏡5分別安裝于內法蘭盤11和外法蘭盤I的通孔內，每個光纖接頭6和準直擴束透鏡5緊密貼合并安裝于套筒4內，套筒4通過螺栓固定在各法蘭盤上；且光纖接頭6和準直擴束透鏡5具有同一條中心光軸；采用套筒并固定于法蘭盤上可以有效防止離軸光纖旋轉連接器旋轉時光輸入輸出端內器件的松動。紅外直角棱鏡3的直角面對準每個光輸入輸出端的準直擴束透鏡5的外鏡面，并貼緊固定于各法蘭盤空腔內壁上，紅外直角棱鏡另一直角面的中心垂線經過法蘭盤旋轉軸，準直擴束透鏡5的外鏡面與紅外直角棱鏡的直角面通過光學膠膠合固定；垂直安裝于法蘭盤上的光輸入輸出端內出射的平行于旋轉軸的光束經紅外直角棱鏡的斜面后轉折成垂直于旋轉軸方向的光束，再經紅外直角棱鏡轉向進入對應的光輸入輸出端內，光路通過配合使用一次反射紅外直角棱鏡可以大大減小旋轉連接器的插入損耗。內法蘭盤11和外法蘭盤I相對旋轉時，外法蘭盤I上某路光輸入輸出端8的光路與內法蘭盤11上某路光輸入輸出端8的光路逐漸重合，內法蘭盤11上的該路光輸入輸出端8接收到的光信號強度伴隨著射入到準直擴束透鏡內的光量增加而加強，當光路重合時獲得最強光信號，然后隨著內外法蘭盤繼續相對旋轉，光路逐漸偏離使接收到的光信號強度又逐漸減小，同時會有另一路光輸入輸出端接收的光信號強度逐漸加強。由此在相對旋轉中保持持續的高于某強度的光信號傳輸。本實例中準直擴束透鏡5采用的是自聚焦透鏡。光纖7是一端經過熱擴芯處理的單模光纖，光纖熱擴芯端與光纖匹配套管膠合制成帶有一段光纖7的熱擴芯光纖接頭6。圖3是熱擴芯光纖的結構示意圖，光纖一端經過熱擴芯處理后芯徑擴大，逐漸向另一側過渡至未經熱處理的單模光纖芯徑。經過熱處理后的單模光纖的擴芯端為擴芯前單模光纖芯徑的3 8倍，熱擴芯端長度為0.2 20_。出射光束仍具有單模特性，而模場直徑擴大。熱擴芯光纖是使用1500 2000°C的高溫加熱普通單模光纖，被加熱部分的光纖纖芯中摻雜的Ge4+離子擴散至光纖包層，使光纖橫截面上的折射率呈高斯分布，從而達到擴大模場直徑。本發明的離軸光纖旋轉連接器由于是在內外旋轉端傳輸光信號，因此不可避免的會帶入一定量的角度耦合偏差。由于熱擴芯光纖比單模光纖的芯徑大3 8倍，采用熱擴芯光纖可以降低光耦合時對角度偏差敏感的問題，降低了離軸光纖旋轉連接器的角度耦合偏差和對機械精度的要求。圖4和圖5分別是光輸入輸出端膠合紅外直角棱鏡的側視圖和仰視圖，取法蘭盤上的一路輸出光路即紅外直角棱鏡3和光輸出端12,相對的另一端法蘭盤上的輸入光路可等效為光輸入端14。光輸出端12緊貼紅外直角棱鏡3的上直角面，軸線與紅外直角棱鏡3的出射面垂直，且位于中心位置。光輸入端14外鏡面處的光軸在水平面上偏離紅外直角棱鏡3的光軸Λ X距離，夾角為Θ。a為直角棱鏡邊長，I是光輸入端14到紅外直角棱鏡3的距離。光輸出端12對紅外直角棱鏡3求鏡像為光輸出端等效像13,相當于光輸出端等效像13是接收端。光輸入端14經紅外直角棱鏡3折射作用后相當于在光輸入端等效像15處發射。
權利要求
1.一種離軸光纖旋轉連接器，包括內法蘭盤、外法蘭盤和光路；其特征在于: A)所述內法蘭盤、外法蘭盤的盤體分別為矩形環狀空腔，兩盤接觸面通過軸承裝配在一起，可繞共同的中心旋轉軸相對旋轉； B)所述光路由紅外直角棱鏡、光輸入輸出端、光纖和多路光收發器組成； C)所述光輸入輸出端由套筒、光纖接頭和準直擴束透鏡組成； D)所述內法蘭盤、外法蘭盤的環狀盤面上設置有光輸入輸出端，外法蘭盤面上設置的光輸入輸出端的個數比內法蘭盤面上設置的光輸入輸出端個數多I個，并分別在360°均勻排布；內法蘭盤的每個光輸入輸出端通過各自尾部的光纖與多路光收發器一連接，外法蘭盤的每個光輸入輸出端各自通過尾部的光纖與多路光收發器二連接； E)所述內法蘭盤和外法蘭盤面上對應光輸入輸出端排布的位置留有通孔，所述準直擴束透鏡分別安裝于內法蘭盤和外法蘭盤通孔內，每個光纖接頭和準直擴束透鏡緊密貼合并安裝于套筒內，套筒通過螺栓固定在各法蘭盤上；且光纖接頭和準直擴束透鏡具有同一條中心光軸； F)所述紅外直角棱鏡的直角面對準每個光輸入輸出端的準直擴束透鏡外鏡面，并貼緊固定于各法蘭盤空腔內壁上，準直擴束透鏡外鏡面與紅外直角棱鏡其中的一個直角面，通過光學膠膠合固定，紅外直角棱鏡另一直角面的中心垂線則經過法蘭盤旋轉軸； G)所述的內法蘭盤和外法蘭盤相對旋轉，當內、外法蘭盤相對旋轉時，外法蘭盤上某路光輸入輸出端的光路與內法蘭盤上某路光輸入輸出端的光路逐漸重合，內法蘭盤上的該路光輸入輸出端接收到的光信號強度伴隨著射入到準直擴束透鏡內的光量增加而加強，當光路重合時獲得最強光信號強度，然后隨著內外法蘭盤繼續相對旋轉，光路逐漸偏離使接收到的光信號強度又逐漸減小，同時會有另一路光輸入輸出端接收的光信號強度逐漸加強。由此在相對旋轉中保持持續的高于某強度的光信號傳輸。
2.根據權利要求1所述的一種離軸光纖旋轉連接器，其特征在于:所述的光輸入輸出端的準直擴束透鏡使用自聚焦透鏡、C透鏡、非球面透鏡中的一種或準直擴束透鏡組。
3.根據權利要求1所述的一種離軸光纖旋轉連接器，其特征在于:所述光纖接頭為熱擴芯光纖及光纖匹配套管膠合制成的帶有一段光纖的熱擴芯光纖接頭。
4.根據權利要求1所述的一種離軸光纖旋轉連接器，其特征在于:所述多路光收發器是多路串行收發模式的并行光收發器，或帶有光耦合器的多路收發器，使旋轉連接器雙向傳輸信號。
全文摘要
一種離軸光纖旋轉連接器，包括內、外法蘭盤和光路；內、外法蘭盤的盤體為空腔，光路置于空腔內，兩盤接觸面通過軸承裝配在一起，可繞中心旋轉軸相對旋轉；內、外法蘭盤的盤面上預留通孔，光輸入輸出端的準直擴束透鏡分別置于通孔內，每個光纖接頭和準直擴束透鏡緊密貼合并外裝套筒，光纖接頭和準直擴束透鏡具有同一條中心光軸；套筒經螺栓固定在各法蘭盤上；每個光輸入輸出端通過各自尾部的光纖與多路光收發器連接，且紅外直角棱鏡的直角面對準每個準直擴束透鏡的外鏡面，并貼緊固定于各法蘭盤空腔內壁上；整個離軸光纖旋轉連接器為無源器件，安裝方便，大大減小了光纖旋轉連接器對角度和軸向偏差的敏感性，插入損耗較小，可實現雙向傳輸光信號。
文檔編號G02B6/36GK103149642SQ201310095700
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月22日 優先權日2013年3月22日
發明者李毅, 丁杰, 王 鋒, 覃源, 梁倩, 嚴夢, 李榴, 鄭秋心, 沈雨剪, 黃毅澤, 佟國香, 方寶英, 王曉華 申請人:上海理工大學