一种中空态光纤旋转连接器

摘要

一种中空态光纤旋转连接器及其构成的多通道光纤旋转连接器。单通道中空态光纤旋转连接器包括由光纤、光纤准直器和耦合闪耀光栅构成的输入端，由准直透镜、光纤准直器和光纤构成的输出端，以及中间的环形传输介质。传输介质由一个环形基体构成，其上表面为一个平面，下表面为一个锥面，锥面上设置有输出窗口，输出端朝向输出窗口固定。输入端绕传输介质的对称轴转动。在同一基体上，以相同的方式，制作多个单通道连接器，紧邻的两个单通道连接器中内侧连接器的外径小于外侧连接器的内径，以保证各通道互不干扰。由此制作的具有多个单通道的连接器组成多通道连接器。本发明具有耦合效率高、动态传输、可中空状态传输气体、液体等流动介质等特点。

说明书

【技术领域】：本发明属于空间光互连、通信技术、二元光学、光波导和微光学技术领域。特别涉及一种新型中空态光纤旋转连接器，又称旁轴光纤旋转连接器或者离轴光纤旋转连接器，以实现动态多通道的双向自由空间光互连。

【背景技术】：在信息技术中，保持信息的高效率传输是非常必须的。在信号传输过程中，需要旋转耦合连接机构将信号从一端不断地传向另一端。这个机构就是旋转连接器。连接器是信号的互连装置，用于短距离的信号的连接与传输。旋转连接器被广泛应用于不同的领域，如工业上的机械手、绞车，石油开采设备，用于海洋探测的扫描系统和追踪雷达、海底机器人、军事上的战舰的海底水声系统、战车的旋转塔台，航天领域的飞行器以及医疗设备CT扫描系统等。

在动态光纤旋转连接器信号传输过程中，有时还伴随气、油和水等介质的传输，例如有些雷达使用过程中信号要伴随高压气体同时传输，这些介质的传输需要一个通道，而这个通道经常设置在中心轴的位置；有时在连接器的中心轴的部分还有安放一些滚轴、转桶等器件，甚至是人体，其目的是进行一些拉伸、滚动或扫描的操作。

由于中心轴被其他介质或器件占用，光信号不再沿连接器转动中心传输光信号，而大部分现有动态光纤旋转连接器的光传输通道都是按照所使用光器件的光轴与连接器转动中心重合的技术路线进行设计和制造的。因此，现有这部分动态光纤旋转连接器已经不能满足上述场合的应用，需要一种光信号能在“中空”态光纤连接器中传输。

目前，国内尚无此类光纤旋转连接器。在国外已经有几种“中空”态光纤旋转连接器，它们各自有其特点与缺点。专利US410998提出一种中空态光纤旋转连接器，它的基本原理是通过内、外两片圆反射镜，利用光束在反射镜之间的反射来传播光束。两反射镜同心，并且输入端在外壁处输入光束，这就要求外壁反射镜即可以透过光束也可以反射光束，对反射镜而言要求很高，会造成光束耦合效率低。专利US4753506提出一种中空态光纤旋转连接器，它的输入端、输出端与中空部分同心。在输入端的圆周上平均分布8个椭圆反射镜，相应的输出端也分布8个接收器。输入端的每个反射镜即可透过光束也可反射光束。部分光束透过反射镜后传播到下一个反射镜，另一部分光束被反射后传播到接收面，在接收面形成一个圆面，在此圆面内有一个接收器接收到该反射信号。很明显，该连接器的耦合效率低。专利US4934783提出的连接器采用一个柱面作为反射镜，柱面对入射的平面光束反射会聚焦于一点，成为一个虚焦点，之后光束发散，再经过反射镜反射重新会聚成另一个虚焦点，以此经过会聚、反射、会聚、反射等过程最后到达出射端输出。该专利利用圆反射镜面的聚焦原理来传播光束，但是圆反射镜聚焦原理仅适合于细光束的近轴传播，所以当光束有一定宽度以及光束的入射角度相对较大时，该专利的聚焦效果不好，因此传输效果也不佳。专利US5297225提出的连接器利用带有V型刻槽的环形波导器件进行空间光信号的耦合，在环形波导的内部集成有45°的反射镜来出射波导内的光信号。采用的波导器件在空间信号耦合时，耦合效率比较低，影响光信号的传输质量，不能完全解决“中空”动态光互连。专利US2003/0210859 A1提出的连接器传输的信号是通过透镜直接耦合的，虽然保留了中空部分，但是各个信道之间的耦合是通过高速旋转的转子选择需要连接的两个端子来实现的。它类似于旋转光开关。它并不是真正的中空态旋转连接器，是一种通信器件。专利US2004/0086222 A1采用U型反射槽来传播光束，反射槽置于外圆周上，圆周上分布有多个反射槽，光在多个反射槽之间传输。这种反射与专利US410998均属于壁反射型，即光束在内、外壁上反射。该专利由于没有内壁反射，它要求的光束入射角度很大，以便于光束能够从一个反射槽传播到另一位置处的反射槽，由于反射镜在外壁上并不是连续的，所以当连接器旋转时，它无法实现连续的信号传输。专利US2006/0260832A1提出的旋转连接器实际上是透镜耦合型，它采用很复杂的辅助系统来完成信道的选择，与专利US2003/0210859 A1类似，是一种通信系统。

【发明内容】：本发明目的是克服现有技术中存在的上述不足，提供一种新型中空态光纤旋转连接器。本发明利用光栅把输入光束耦合进环形基体，环形基体中空位置用于其他介质传输，基体用于实现光束的转折，以实现高耦合效率的动态传输以及中空传输。

本发明提供的中空态光纤旋转连接器，包括由光纤、光纤准直器(如C-lens透镜、G-lens透镜、球形透镜等)和耦合闪耀光栅构成的输入端，由准直透镜、光纤准直器和光纤构成的输出端，以及输入端和输出端之间的环形传输介质，输入端、输出端和传输介质共同构成单通道中空态光纤旋转连接器。所述的传输介质由一个环形基体构成，传输介质的上表面为一个平面，其上镀有4～5层膜。传输介质的下表面为一个锥面，该锥面上设置有一个输出窗口，所述输出窗口为与上表面平行的平面，输出窗口的表面设置有增透膜。输出端固定在输出端口的下方，在放置时，输出端垂直于输出窗口，并且准直透镜靠近输出窗口，用于接收光束；同时在与输出窗口对应位置的上表面设置有衍射光学元件中的反射式线型光栅或二元光学元件。输入端设置在传输介质的上方，在放置时，输入端垂直于传输介质的上表面，并且以耦合闪耀光栅的一端靠近传输介质上表面；同时耦合闪耀光栅的刻槽线与输入端所处位置的半径方向平行。输入端能够绕传输介质的对称轴转动且光纤准直器和耦合闪耀光栅保持相对静止。

本发明即可以制作单通道中空态光纤旋转连接器，也可以制作多通道中空态光纤旋转连接器。所述的多通道中空态光纤旋转连接器可以由同一个基体上制作的至少两个上述的大小不等的单通道中空态光纤旋转连接器组合而成，其中紧邻的两个单通道连接器中内侧的连接器的外径小于外侧的连接器的内径，以保证各通道互不干扰。多通道中空态光纤旋转连接器也可以由至少两个上述的大小不等的单通道中空态光纤旋转连接器嵌套而成。由于多通道可以实现双向传输，所以根据传输方向的要求，各单通道连接器的上表面可以朝向同侧也可以分别朝向异侧。

本发明的优点和积极效果：

本发明具有耦合效率高、动态传输、可中空状态传输气体、液体等流动介质等特点。在经济效益方面，本发明专利可广泛应用需要CT扫描、光信号的旋转连接等场合，市场前景好，具有良好的技术转化基础。

【附图说明】：

图1是单通道中空态光纤旋转连接器整理结构示意图，图1A为立体侧视图，图1B为主视图；

图2是输入端结构示意图；

图3是输出端结构示意图；

图4是基体参数计算示意图；

图5是传输介质结构示意图；

图6是多通道中空态光纤旋转连接器整体结构示意图；

图7是多通道中空态光纤旋转连接器主视切面图。

图中，1为光纤，2为光纤准直器，3为耦合闪耀光栅，4为光纤，5为光纤准直器，6为准直透镜，7为传输介质(即基体)的对称轴，8为传输介质的柱形中空部分，9为传输介质的上表面，10为传输介质的下表面，11为传输介质中间的柱状环形部分，12为传输介质上表面上的镀膜，13为光束的输出窗口，14为光束转折元件，15为输入端，16为输出端，17为传输介质。

【具体实施方式】：

实施例1、单通道中空态光纤旋转连接器

如图1所示，本发明提供的单通道中空态光纤旋转连接器，由输入端15、输出端16和传输介质17构成。

传输介质的下表面10为一个锥面，该锥面上设置有一个输出窗口13，输出窗口为与上表面9平行的平面，输出窗口的表面设置有增透膜，在与输出窗口对应位置的上表面同时设置有光束转折元件14，该光束转折元件为衍射光学元件，如反射式线型光栅、二元光学元件等。光束转折元件面积较小，仅覆盖于窗口13上方的区域。

传输介质的上表面9和下表面10之间为传输介质中间的柱状环形部分11。

光在传输介质中传播，在固定的位置输出。当平行光束在基体内传播时，光束是倾斜传播，为了便于输出端接收光束，需要在输出端口处增加一个光束转折元件，用于把倾斜传播的平行光束转折成垂直于基体上表面的方向传播，转折后的光束仍是平行光束，可以用光栅来定向转折。下表面是个锥面，但是在输出端口处，需设置成平面，便于输出，如图1B所示。

光束在传输介质中的传播方式是先由光栅衍射后进入到环形基体上表面，之后经过基体的传播到达基体下表面，再经过下表面的全反射，反射回上表面，由上表面全反射后进入基体，依次传播。环形基体的上表面由于即要接收入射光束，又要反射由下表面传播的光束，所以上表面需要增加4～5层膜，膜的作用是透过来自光栅的入射光，并且全反射基体内部的光束。下表面主要用于反射光束，所以它不用镀膜，但是在固定的输出端口处用于输出光束，窗口处镀增透膜。

如图2所示，输入端15由光纤1、光纤准直器2和耦合闪耀光栅3构成。光纤准直器2的作用是把光纤1输出的光变成平行光束，耦合闪耀光栅3为亚波长光栅，它的作用是把光纤准直器输出的光耦合到传输介质中去，它利用闪耀光栅的高级衍射作用，把光能主要集中在某级衍射光中。光栅满足光栅方程dsinθ＝mλ，θ为衍射光的衍射角，d为光栅周期，m为设定的衍射级，该衍射级具有大的衍射角度θ，以便进入基体后，可以满足光束全反射的要求。

输入端15设置在传输介质的上方并以耦合闪耀光栅3朝向传输介质的上表面9，且耦合闪耀光栅的刻槽线与输入端所处位置的半径方向平行，输入端能够围绕环形传输介质的对称中心轴7转动，旋转角度无限制，光纤准直器和耦合闪耀光栅始终保持相对静止。

如图3所示，输出端16由准直透镜6、光纤准直器5和光纤4构成。输出端16以准直透镜6朝向输出窗口13并固定在输出窗口下方，输出端16位置固定，不做圆周运动。准直透镜6的作用是把由传输介质输出的光束集中到光纤准直器5中，再由光纤准直器5把光束传播到光纤4中，以便输出。

如图4、图5所示，传输介质由一个中空的环形基体构成，7为传输介质的对称中心轴，也是整个系统的对称轴，8为传输介质的柱形中空部分。基体的尺寸根据需要设定，比如在旋转连接器用于光互连时，基体尺寸为厘米量级。传输介质的上表面9为一个平面，其上镀有多层膜12，膜的层数与折射率选择的原则是保证较高的透射率和满足光束的全反射。两参数与光束的入射角度、基体的材料与厚度、下表面倾角等有关系。光束入射在圆I上的A点，并在此点进入基体内，之后光束在基体内以几何光学的形式传播到下表面圆II上的B点，并在B点反射回基体。为了控制光束，只要锥面设定合适的张角，光线就会从B点反射回上表面圆I上的一点C。假定上表面圆I的中心为O₁，下表面上圆II的中心为O₂，O₁、O₂均位于中心轴上，过圆II的平面记为平面Ⅲ。入射点A在平面III的投影为A’，此时A’并不在圆II上，并令∠BAA’＝α，∠BO₂A′＝β，锥面的张角为γ。由光栅衍射光束的传播方向可知，主极强光线的衍射方向垂直于光栅刻槽线，并且当光栅3的刻槽线平行于入射端所在的半径时，满足对于锥面，设在B点处锥面的法线为由几何的反射关系知：三线共面，并且关于对称。利用以上的几何关系可以计算出tanγ＝sinβ·tanα。

角度β的物理意义是指光束从上表面反射到下表面，所经历的一次反射在圆周方向投影所占用的角度，为了更好的控制光束的传播，限制光束在经过整数次反射后，正好能旋转一周，即β＝2π/N，N为光束总的反射次数。角度α的物理意义是指光束在上表面的反射角，也是光束刚刚进入基体时的入射角。由光栅公式可知，衍射光的角度为θ，那么光束进入上表面的膜层后，受折射定律的影响，n₀ sinθ＝n_i sinθ_i＝n₁ sinα，式中n_i、θ_i为第i层膜的折射率和折射角，由此式可得到α。由三角关系式可知，β、α可以确定出合适的γ，以确保光束沿设定方向传播。

假定R₁代表圆I的半径，R₂代表圆II的半径，基体内径为r₁，基体外径为r₂，h₁表示在基体内径处的厚度，h₂表示在基体外径处的厚度，那么存在关系

h₁＝R₁[tanβ·cotα+(1-cosβ)/(tanγcosβ)]+(R₁-r₁)/tanγ，

h₂＝R₁[tanβ·cotα+(1-cosβ)/(tanγcosβ)]-(R₁-r₂)/tanγ。

h₁、h₂和γ构成了基体的加工参数。基体内、外半径的选取不太严格，满足r₁＜R₁＜R₂＜r₂。

如图5所示，传输介质的环形基体的内半径为r₁，外半径为r₂。基体为实体，材料为普通的光波导材料，具有低吸收、低色散、各向同性的特点。当输入端在半径r的圆周上转动时，输入光束入射在该圆周上，且光束应该垂直于径向，而不是指向径向，光束透过膜层之后进入基体内部，之后经过基体传输、下表面全反射、上表面全反射、基体传输等等，依次传输下去。光束每经过一次反射，反射的方向会偏折，所以在上下表面光束的反射点位于不同位置，但是沿圆周分布。

基体内传播的光束被上表面反射时，上表面是平面，它使得光束向远离中心轴的方向传播，直到被下表面反射；光束在被下表面反射时，由于反射面是朝向中心轴的，所以光束会被反射到靠近光轴的方向。由于光束从上表面到达下表面在径向方向偏移的距离较小，可参看图2，图II中圆II的半径略大于圆I的半径，光束还没有传播到内、外壁就被下表面反射回上表面，所以.光束不会传播到基体的内、外壁上。

基体的尺寸可以做成厘米量级，也可以做成大尺寸，如CT扫描时所需的尺寸。对于厘米量级以上的基体或者波导而言，光束可以按几何光学的方法研究。

输入端15输出的光线，其主光线垂直于所在的半径方向，光线透过基体上表面的膜后，进入到基体内部。光束在基体内以几何光学的形式传播，之后到达下表面。光束到达下表面时，满足全反射的条件，所以光束在下表面会发生全反射，被反射回基体内部。之后再经过基体的传播到达上表面。上表面的镀膜能够满足光束全反射条件，所以光束被上表面全反射，反射到基体内部。之后依次反射，直到光束到达光束转折元件，被偏转后输出到输出端。

输入端15沿中心轴7旋转，在旋转过程中，光束的入射点随时发生变化(但光束的方向总是指向输入端旋转时前进的方向，因此不存在光束向后传播的情形)，虽然入射点不同，但是输入端在旋转过程中始终保持其光栅刻槽线与所在位置的半径方向相同或者平行，这样可以保证输入端输出的光束的主光线总是垂直于径向。这样间接的保证了光线进入基体时的入射角度保持不变，所以光线在基体内传播的角度是相同的。

由于平行光束在基体内传播，经过反射后仍为平行光，所以光束转折元件14能把平行光束垂直地转折到输出窗口13。

本发明的核心在于传输介质基体的厚度与下表面锥面的倾角的精确加工，以及基体上表面的光学镀膜、光束转折元件的集成和输入端的光栅加工(参见前述传输介质参数的计算)。其中光栅3可以采用专利CN200910228451.X所描述的辐射型闪耀光栅，它与本专利所述的旋转连接器是配合的。

在组装时，注意输入端的位置与方向，应该满足光栅的刻线方向与所处的径向相同或者平行。

实施例2、多通道中空态光纤旋转连接器

如图6、图7所示，多通道中空态光纤旋转连接器的制作原理与单通道相同。单通道连接器所占据的基体的面积是一个环，占据自半径r₁到r₂之间的环形柱体部分(如图5所示)，光束不会传播到该柱体以外。所以，多通道中空态光纤旋转连接器是由在同一个基体上制作的两个及其以上的实施例1中大小不等的单通道中空态光纤旋转连接器组合而成，其中紧邻的两个单通道连接器中内侧的连接器的外径小于外侧的连接器的内径，以保证各通道互不干扰，如图7所示。由于多通道可以实现双向传输，所以根据传输方向的要求，各单通道连接器的上表面可以朝向同侧也可以分别朝向异侧。

多通道中空态光纤旋转连接器也可以由两个及其以上的实施例1中大小不等的单通道中空态光纤旋转连接器嵌套而成，其中紧邻的两个单通道连接器中内侧的连接器的外径小于等于外侧的连接器的内径。由于多通道可以实现双向传输，所以根据传输方向的要求，各单通道连接器的上表面可以朝向同侧也可以分别朝向异侧。

图中给出了三通道的情形，S1、S2、S3分别为输入端1、输入端2、输入端3。O1、O2、O3分别为输出端1、输出端2、输出端3。T1、T2、T3分别为通道1、通道2、通道3，其中通道1是向上传输信号，通道2、3向下传输信号，属于多通道双向传输的光纤旋转连接器，它的中间为空，用于传输油、水、汽等介质，也可用于CT扫描时放置人体等。由于通道1与通道2、通道3的信号传播方向不同，所以它的输出面相反。三个通道位于不同的位置，互不干扰。