一種基于環(huán)形柱透鏡的離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于環(huán)形柱透鏡的離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器，其包括以旋轉(zhuǎn)界面對稱排列的光輸入端和光輸出端，光輸入端和光輸出端結(jié)構(gòu)相同，繞同一中空旋轉(zhuǎn)軸相對旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)光信號的雙向傳輸。輸入光信號由主光纖一進(jìn)入光分路器一，以功率均分的方式耦合到分段光纖一的各段光纖中，相同的光信號經(jīng)過自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一準(zhǔn)直擴束后入射到環(huán)形柱透鏡一上，準(zhǔn)直為平行光后經(jīng)旋轉(zhuǎn)界面，被環(huán)形柱透鏡二接收，然后耦合進(jìn)入自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二，被會聚進(jìn)入分段光纖二的各段光纖中，最后在光分路器二中以功率疊加的方式耦合到主光纖二中并輸出。環(huán)形柱透鏡的設(shè)計使本發(fā)明提高了離軸旋轉(zhuǎn)傳輸光信號的耦合效率，并可根據(jù)實際的離軸空間尺寸需求進(jìn)行靈活設(shè)計。
【專利說明】
一種基于環(huán)形柱透鏡的離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在相對旋轉(zhuǎn)部件之間傳輸光信號的離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器，屬于光纖通信中光信號傳輸【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]光纖旋轉(zhuǎn)連接器是一種基于光纖在相對旋轉(zhuǎn)的兩個部件之間傳輸光信號的光通信器件，主要用于相互通信的兩個信息平臺中至少有一個是處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的通信場合，例如軍用裝甲車輛上旋轉(zhuǎn)的周視儀和靜止的控制室、CT掃描儀上旋轉(zhuǎn)的掃描裝置和靜止的信號處理器、雷達(dá)上旋轉(zhuǎn)的天線陣列和靜止的操控端等。
[0003]根據(jù)光軸是否位于旋轉(zhuǎn)軸上這一特征，光纖旋轉(zhuǎn)連接器有同軸和離軸之分，同軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器的光軸和旋轉(zhuǎn)軸重合或光軸位于沿旋轉(zhuǎn)軸的中心區(qū)域，這種器件光路結(jié)構(gòu)簡單，易于制作；離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器的光軸和旋轉(zhuǎn)軸分離，這種器件可應(yīng)用在軸上空間已被占用或不便使用的旋轉(zhuǎn)傳輸場合。實際應(yīng)用中的很多場合，在旋轉(zhuǎn)傳輸信號的同時，還要在旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)置傳輸通道以傳輸油、氣和水等，如有些雷達(dá)在信號傳輸過程中要傳輸高壓氣體；有時則要在旋轉(zhuǎn)軸上放置滾軸、轉(zhuǎn)桶，甚至是人體，如在CT掃描儀中對人體進(jìn)行掃描時。
[0004]國內(nèi)對于離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器的研究很少，相關(guān)的研究主要見于國外專利，如專利US4492427公開了一種基于環(huán)形陣列光纖的光纖旋轉(zhuǎn)鏈接器，其通過兩個分別位于圓柱形轉(zhuǎn)子和定子上的環(huán)形陣列光纖來傳輸光信號。這雖是一種離軸器件，但光纖直接耦合的損耗很大，并且在旋轉(zhuǎn)過程中存在和旋轉(zhuǎn)角度有關(guān)的光調(diào)制損失。
[0005]專利US4934783公開了一種內(nèi)壁反射式離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器，旋轉(zhuǎn)軸外的光信號從入射區(qū)域以掠入射角入射到轉(zhuǎn)動的內(nèi)壁反射鏡上并被其多次反射，最終通過定子上的透鏡會聚后由光探測器接收。在這種連接器中，具有一定光束寬度的平行光以掠入射方式經(jīng)過內(nèi)壁反射鏡反射后發(fā)散角增大，尤其在大入射角情況下更甚，所以傳輸效率很低。
[0006]專利US5297225公開了一種離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器，其使用刻有V形槽的環(huán)形波導(dǎo)作為光信號的離軸傳輸通道，是一種雙通道雙向器件，入射端光信號被約束在刻有V形槽的環(huán)形波導(dǎo)中傳播，當(dāng)遇到設(shè)置在波導(dǎo)中的反射鏡時被反射進(jìn)入出射端。在這種連接方式中，光在兩端環(huán)形波導(dǎo)之間的耦合效率低，整個連接器的連接損耗大，同時這種連接器的制造還涉及精細(xì)程度要求很高的V形槽的制作及反射鏡的安裝調(diào)校過程。
[0007]專利CN103033886公開了一種基于光子晶體的離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器，通過在光子晶體的周期性介質(zhì)結(jié)構(gòu)中引入缺陷來控制光信號的傳輸方向，從而實現(xiàn)離軸旋轉(zhuǎn)的光入射端和靜止的光接收端之間的光傳輸。這是一種離軸旋轉(zhuǎn)傳輸光信號的新方法，但目前還沒有在三維光子晶體內(nèi)引入環(huán)型和直線型缺陷的方法。
[0008]綜上所述，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)的離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器主要存在耦合損耗大、裝配難度高、離軸空間有限等問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明旨在提高離軸旋轉(zhuǎn)傳輸光信號的耦合效率和離軸空間尺寸的設(shè)計靈活性，提供一種真正雙向、離軸、低損耗的光纖旋轉(zhuǎn)連接器。
[0010]—種基于環(huán)形柱透鏡的離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器,包括光輸入端和光輸出端。
[0011]所述光輸入端依次由主光纖一、光分路器一、分段光纖一、自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一和環(huán)形柱透鏡一組成；所述光輸出端依次由環(huán)形柱透鏡二、自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二、分段光纖二、光分路器二、主光纖二組成。
[0012]所述的光輸入端和光輸出端結(jié)構(gòu)相同，與其間所夾的旋轉(zhuǎn)界面呈對稱排列，繞同一中空旋轉(zhuǎn)軸相對旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)光信號的雙向傳輸，所述中空旋轉(zhuǎn)軸位于所述旋轉(zhuǎn)界面的中心；
[0013]光輸入端所述的光分路器一將主光纖一中的光信號以功率均分的方式耦合到分段光纖一的各段光纖中，自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一的各個自聚焦透鏡與分段光纖一的各段光纖對應(yīng)連接，對各段光纖出射光束進(jìn)行準(zhǔn)直擴束。
[0014]光輸出端所述的自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二的各個自聚焦透鏡與分段光纖二的各段光纖對應(yīng)連接，并將準(zhǔn)直光束耦合到分段光纖二的各段光纖中，光分路器二將分段光纖二的各段光纖中的光信號以功率疊加的方式耦合到主光纖二中。
[0015]輸入光信號由主光纖一進(jìn)入光分路器一，稱合到分段光纖一的各段光纖中，相同的光信號經(jīng)過自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一的自聚焦透鏡準(zhǔn)直擴束后入射到環(huán)形柱透鏡一上并被其準(zhǔn)直為平行光后進(jìn)入旋轉(zhuǎn)界面，通過旋轉(zhuǎn)界面的自由空間后，各路光信號被環(huán)形柱透鏡二接收，然后耦合進(jìn)入自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二的各個自聚焦透鏡中，接著被會聚進(jìn)入分段光纖二的各段光纖中，最后在光分路器二中以功率疊加的方式耦合到主光纖二中并輸出。
[0016]所述環(huán)形柱透鏡一和環(huán)形柱透鏡二呈環(huán)形，沿與旋轉(zhuǎn)界面垂直并過旋轉(zhuǎn)軸的平面切割環(huán)形柱透鏡得到的截面呈半圓形，環(huán)形柱透鏡對在其半圓形主截面內(nèi)的光束具有會聚作用。
[0017]所述自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一和自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二的各個自聚焦透鏡分別圍繞所述環(huán)形柱透鏡一和環(huán)形柱透鏡二均勻分布，各個自聚焦透鏡的光軸與中空旋轉(zhuǎn)軸平行，用光學(xué)粘膠使自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一和自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二分別與環(huán)形柱透鏡一和環(huán)形柱透鏡二牢固地結(jié)合在一起；并且每個自聚焦透鏡沿垂直于其光軸的平面切割得到的截面呈扇形。
[0018]所述的光輸入端當(dāng)以主光纖一作為輸入端時，主光纖二作為輸出端；或當(dāng)以主光纖二作為輸入端時，主光纖一作為輸出端。
[0019]本發(fā)明的有益效果:環(huán)形柱透鏡對在其主截面內(nèi)的光束具有會聚作用，而對于在垂直于主截面的平面內(nèi)的光束沒有會聚作用，則環(huán)形柱透鏡對光纖中傳輸?shù)姆菍ΨQ光束具有整形的作用。環(huán)形柱透鏡用在離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器中，作為旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)主體的同時又能對光束進(jìn)行準(zhǔn)直，再配合自聚焦透鏡的準(zhǔn)直作用，旋轉(zhuǎn)界面中的軸外光束性質(zhì)會更好，這顯著提高了離軸旋轉(zhuǎn)傳輸光信號的耦合效率。另外，通過控制環(huán)形柱透鏡的尺寸，可以很方便的制造出不同大小的離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器，以滿足對不同離軸空間尺寸的需求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明基于環(huán)形柱透鏡的離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是自聚焦透鏡的排布示意圖。
[0022]1.主光纖一，2.光分路器一，3.分段光纖一，4.自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一，5.環(huán)形柱透鏡一，6.環(huán)形柱透鏡二，7.自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二，8.分段光纖二，9.光分路器二，
10.主光纖二，11.旋轉(zhuǎn)軸。

【具體實施方式】
[0023]為了使本發(fā)明技術(shù)方案能更清楚地被理解，現(xiàn)結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0024]實施例1
[0025]圖1是本發(fā)明的橫截面結(jié)構(gòu)不意圖,光輸入端由主光纖一 1、1X 16光分路器一 2、分段光纖一 3、自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一 4和環(huán)形柱透鏡一 5組成；光輸出端由環(huán)形柱透鏡二 6、自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二 7、分段光纖二 8、I X 16光分路器二 9和主光纖二 10組成。光輸入端和光輸出端相對旋轉(zhuǎn)，具有同一中空旋轉(zhuǎn)軸11，并且關(guān)于旋轉(zhuǎn)界面對稱，可以實現(xiàn)光信號的離軸雙向傳輸。
[0026]環(huán)形柱透鏡一 5和環(huán)形柱透鏡二 6呈環(huán)形，沿與旋轉(zhuǎn)界面垂直并過旋轉(zhuǎn)軸的平面切割環(huán)形柱透鏡得到的截面呈半圓形，環(huán)形柱透鏡對在其半圓形主截面內(nèi)的光束具有會聚作用。
[0027]圖2是自聚焦透鏡的排布示意圖，自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一 4和自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二 7的自聚焦透鏡分別圍繞環(huán)形柱透鏡一 5和環(huán)形柱透鏡二 6均勻分布，各個自聚焦透鏡的光軸與中空旋轉(zhuǎn)軸11平行，用光學(xué)粘膠使自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一4和自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二 7分別與環(huán)形柱透鏡一 5和環(huán)形柱透鏡二 6牢固地結(jié)合在一起，并且每個自聚焦透鏡沿垂直于其光軸的平面切割得到的截面呈扇形，這樣可以提高自聚焦透鏡和環(huán)形柱透鏡之間的光耦合效率。
[0028]光信號的傳輸過程為:輸入光信號由主光纖一 I進(jìn)入I X 16光分路器一 2,以功率均分的方式耦合到分段光纖一 3的16段光纖中，這16路相同的光信號經(jīng)過自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一 4的16個自聚焦透鏡準(zhǔn)直擴束后入射到環(huán)形柱透鏡一 5上并被其準(zhǔn)直為平行光后進(jìn)入旋轉(zhuǎn)界面，通過旋轉(zhuǎn)界面的自由空間后，16路光信號被環(huán)形柱透鏡二 6接收，然后耦合進(jìn)入自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二 7的16個自聚焦透鏡中，接著被會聚進(jìn)入分段光纖二 8的16段光纖中，最后在IX 16光分路器二 9中以功率疊加的方式稱合到主光纖二 10中并輸出。同理，從主光纖二 10輸入的光信號也可以相同的方式f禹合到主光纖一 I中并輸出。
[0029]實施例2
[0030]圖1是本發(fā)明的橫截面結(jié)構(gòu)不意圖,光輸入端由主光纖一 1、1X32光分路器一 2、分段光纖一 3、自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一 4和環(huán)形柱透鏡一 5組成；光輸出端由環(huán)形柱透鏡二6、自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二 7、分段光纖二 8、I X 32光分路器二 9和主光纖二 10組成。光輸入端和光輸出端相對旋轉(zhuǎn)，具有同一中空旋轉(zhuǎn)軸11，并且關(guān)于旋轉(zhuǎn)界面對稱，可以實現(xiàn)光信號的離軸雙向傳輸。
[0031]環(huán)形柱透鏡一 5和環(huán)形柱透鏡二 6呈環(huán)形，沿與旋轉(zhuǎn)界面垂直并過旋轉(zhuǎn)軸的平面切割環(huán)形柱透鏡得到的截面呈半圓形，環(huán)形柱透鏡對在其半圓形主截面內(nèi)的光束具有會聚作用。
[0032]圖2是自聚焦透鏡的排布示意圖，自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一 4和自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二 7的自聚焦透鏡分別圍繞環(huán)形柱透鏡一 5和環(huán)形柱透鏡二 6均勻分布，各個自聚焦透鏡的光軸與中空旋轉(zhuǎn)軸11平行，用光學(xué)粘膠使自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一4和自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二 7分別與環(huán)形柱透鏡一 5和環(huán)形柱透鏡二 6牢固地結(jié)合在一起，并且每個自聚焦透鏡沿垂直于其光軸的平面切割得到的截面呈扇形，這樣可以提高自聚焦透鏡和環(huán)形柱透鏡之間的光耦合效率。
[0033]光信號的傳輸過程為:輸入光信號由主光纖一 I進(jìn)入I X 32光分路器一 2,以功率均分的方式耦合到分段光纖一 3的32段光纖中，這32路相同的光信號經(jīng)過自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一 4的32個自聚焦透鏡準(zhǔn)直擴束后入射到環(huán)形柱透鏡一 5上并被其準(zhǔn)直為平行光后進(jìn)入旋轉(zhuǎn)界面，通過旋轉(zhuǎn)界面的自由空間后，32路光信號被環(huán)形柱透鏡二 6接收，然后耦合進(jìn)入自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二 7的32個自聚焦透鏡中，接著被會聚進(jìn)入分段光纖二 8的32段光纖中，最后在1X32光分路器二 9中以功率疊加的方式耦合到主光纖二 10中并輸出。同理，從主光纖二 10輸入的光信號也可以相同的方式f禹合到主光纖一 I中并輸出。
【權(quán)利要求】
1.一種基于環(huán)形柱透鏡的離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器，包括光輸入端和光輸出端，其特征在于: A)所述光輸入端依次由主光纖一、光分路器一、分段光纖一、自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一和環(huán)形柱透鏡一組成；所述光輸出端依次由環(huán)形柱透鏡二、自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二、分段光纖二、光分路器二、主光纖二組成； B)所述的光輸入端和光輸出端結(jié)構(gòu)相同，與其間所夾的旋轉(zhuǎn)界面呈對稱排列，繞同一中空旋轉(zhuǎn)軸相對旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)光信號的雙向傳輸，所述中空旋轉(zhuǎn)軸位于所述旋轉(zhuǎn)界面的中心； C)光輸入端所述的光分路器一將主光纖一中的光信號以功率均分的方式耦合到分段光纖一的各段光纖中，自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一的各個自聚焦透鏡與分段光纖一的各段光纖對應(yīng)連接，對各段光纖出射光束進(jìn)行準(zhǔn)直擴束； D)光輸出端所述的自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二的各個自聚焦透鏡與分段光纖二的各段光纖對應(yīng)連接，并將準(zhǔn)直光束耦合到分段光纖二的各段光纖中，光分路器二將分段光纖二的各段光纖中的光信號以功率疊加的方式耦合到主光纖二中； E)輸入光信號由主光纖一進(jìn)入光分路器一，耦合到分段光纖一的各段光纖中，相同的光信號經(jīng)過自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一的自聚焦透鏡準(zhǔn)直擴束后入射到環(huán)形柱透鏡一上，被其準(zhǔn)直為平行光后進(jìn)入旋轉(zhuǎn)界面，通過旋轉(zhuǎn)界面的自由空間后，各路光信號被環(huán)形柱透鏡二接收，然后耦合進(jìn)入自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二的各個自聚焦透鏡中，接著被會聚進(jìn)入分段光纖二的各段光纖中，最后在光分路器二中以功率疊加的方式耦合到主光纖二中并輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形柱透鏡的離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器，其特征在于:所述環(huán)形柱透鏡一和環(huán)形柱透鏡二呈環(huán)形，沿與旋轉(zhuǎn)界面垂直并過旋轉(zhuǎn)軸的平面切割環(huán)形柱透鏡得到的截面呈半圓形，環(huán)形柱透鏡對在其半圓形主截面內(nèi)的光束具有會聚作用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形柱透鏡的離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器，其特征在于:所述自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一和自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二的各個自聚焦透鏡分別圍繞所述環(huán)形柱透鏡一和環(huán)形柱透鏡二均勻分布，各個自聚焦透鏡的光軸與中空旋轉(zhuǎn)軸平行，用光學(xué)粘膠使自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器一和自聚焦透鏡陣列準(zhǔn)直器二分別與環(huán)形柱透鏡一和環(huán)形柱透鏡二牢固地結(jié)合在一起；并且每個自聚焦透鏡沿垂直于其光軸的平面切割得到的截面呈扇形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)形柱透鏡的離軸光纖旋轉(zhuǎn)連接器，其特征在于:所述的光輸入端當(dāng)以主光纖一作為輸入端時，主光纖二作為輸出端；或當(dāng)以主光纖二作為輸入端時，主光纖一作為輸出端。
【文檔編號】G02B6/28GK104238024SQ201410513935
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】李毅, 劉飛, 孫瑤, 唐佳茵, 郝如龍, 袁文瑞, 鄭鴻柱, 陳建坤, 陳少娟, 方寶英, 王小華, 肖寒 申請人:上海理工大學(xué)