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光纖滑環-光纖旋轉連接器的最新發展及應用

日期：2018-10-27 點擊：10459 屬于：滑環結構原理

摘要光纖滑環經過近30年的發展，技術上已經取得了很大的進步，并趨于成熟。對光纖旋轉連接器的主要功能及其最新進展進行了綜述，介紹了道威棱鏡式、波分復用式和反射鏡式3類多通道光纖連接器的原理、技術和特點，對３類系統進行了比較，列出各類連接器的優缺點。最后對光纖滑環適用場合進行了簡要介紹。
１引言
滑環是一種可實現兩個相對轉動的結構部分之間信號傳輸的系統，隨著連接器傳輸數據量的增大，傳輸寬帶的提高，電滑環的局限性越來越突出。在有些應用場合，電滑環的性能指標遠遠達不到使用要求。從20世紀80年代起，國外就開始研究光纖滑環（FORJ），美國國防部最早開展光纖旋轉連接技術的開發研究，于1989年公布了艦船用光纖旋轉連接頭的規范。加拿大MOOG公司于20世紀90年代初，最先推出采用旁軸入射的多通道光纖滑環，目前已推出多種型號的光纖滑環產品，在無人操作車（UGV）上得到應用。德國Ｓｃｈｌｅｉｆｒｉｎｇ公司也先后開發多種光纖旋轉連接器，主要應用于無人機（UAV）和石油鉆探等領域。美國Ｐｒｉｎｃｅｔｅｌ公司利用波分復用（ＷＤＭ）技術實現多路光纖信號的耦合，由于ＷＤＭ技術將多路
光信號首先采用波分復用技術耦合到一起，最后由一個光通路進行傳輸，所以使連接器結構更加緊湊，目前最多可達60個通道。從20世紀90年代起，國內開始了光纖滑環技術的研究，到21世紀初，取得了一些研究成果。到目前為止，陸續有一些相關產品出現。
本文主要根據光纖滑環的原理結構，對棱鏡消旋型、波分復用型和反射鏡消旋型等幾種光纖旋轉連接器進行介紹。由于單通道光纖滑環在實際中應用比較少，所以主要介紹無源多通道型光纖滑環，包括各種連接器的典型應用。
２道威棱鏡光纖滑環
道威棱鏡是一種去掉頂端多余部分的直角棱鏡，當光線從棱鏡的一端以平行棱鏡底面的方向平行入射時，經過兩次折射和一次反射后以同樣的方向平行射出。圖１是道威棱鏡成像的原理。在圖1（ａ）中，物體經過道威棱鏡后，成的像是上下顛倒（即狔方向發生改變）；當棱鏡繞光軸旋轉90°后，成的像左右顛倒（即狓方向發生改變），如圖1（ｂ）所示。也就是說，當棱鏡繞光軸旋轉90°時，成的像也繞光軸旋轉，而且旋轉角度為180°。所以，如果有一種機械結構能夠保證像的旋轉角速度是棱鏡角速度的２倍，則可以實現消旋。

在圖２中，假如入射端光線（如1和3）以角速度ω 繞轉動軸旋轉，同時道威棱鏡以ω／2角速度轉動時，出射光線（如2和4）的位置保持不變。當該系統用于圖像傳輸時，在棱鏡的特征方向上，出射方向上的像是入射方向上像的倒像，即以右手坐標入射的光，在出射端變為左手坐標系。

在光纖滑環中，通常為了提高光傳輸效率，需要將輸入光纖的輸出光進行準直，在接收端再通過準直器將光信號會聚到光纖中。為了進一步提高光傳輸效率，拓展連接器功能，優化系統結構，人們提出多種改進方法。
為了實現圖像和數據同時傳輸，提出了一種具有成像功能的多通道光纖滑環，在連接器的中心部分增加了一個成像通道，可用于轉子部分圖像信號的傳輸，如圖3（ａ）所示。成像通道的周圍分布不同數量的光纖信號傳輸通道，用于數據的傳輸。由于成像系統的圖像信號也是通過道威棱鏡，所以，同時實現了圖像的消旋。

法國Ｔｈａｌｅｓ公司ＴｈｏｍａｓＭｅｒｌｅｔ等在道威棱鏡的幾何中心開一小孔（或在幾何中心的入射面和出射面處切掉一小塊，使光能垂直玻璃表面入射和出射），光在該通道通過時不會發生偏轉，因此通過道威棱鏡不會發生損耗，如圖3（ｂ）所示。對于一般的道威棱鏡滑環而言，因為存在制造誤差，在光學傳輸路徑上容易產生強度和長度的波動，在旋轉過程中，棱鏡存在的同軸度誤差使插入損耗發生變化。當人們需要傳輸模擬信號時，例如，連續數量的大幅度擺動的信號時，這些干擾將是致命的。如果采用中心孔通道傳輸，就可以克服這些缺點，同時，其他的通道可以提供給那些對損耗變化不那么敏感的信號使用。
３波分復用光纖滑環
ＷＤＭ是同時將多個波長的光在一根光纖中傳輸，提高了系統的傳輸容量，支持雙向信號傳輸。利用ＷＤＭ這一技術特性，可構成多通道光纖滑環，實現大容量、低損耗和高速度數據傳輸。采用波分復用技術的多通道光纖滑環的結構如圖４所示。多束波長分別為λ１，λ２和λｎ的光通過耦合隔離器（隔離器主要是防止從另一端反射回來的光束對入射光產生干擾），然后進入波分復用器中，多束光被合成一束光。這束光經過微透鏡擴束準直后，通過連接器的旋轉界面。在出射端，再通過微透鏡接收會聚，耦合到輸出端的解波分復用器（ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）中，由解分波復用器將一束光分解成多束光。需要說明的是，在這種對稱結構中，光的傳輸是雙向的。在實際應用中，可以將音頻信號、視頻信號和數據等分別調制到不同的波長上，

由于這種結構中，所有光信號都需要通過一對準直器來傳輸，所以準直器之間的耦合效率對整個系統的性能起到關鍵的作用。在滑環中，影響耦合器耦合效率的主要因素有離軸偏差、角度偏差和軸向偏差等，對這些偏差的影響進行了詳細的分析和研究。
在多通道光纖滑環中，采用粗波分復用器（ＣＷＤＭ）時，波長最小間隔可達到２０ｎｍ，而采用密集波分復用器（ＤＷＤＭ）時則可以實現的波長間隔為４ｎｍ。在波長1310ｎｍ和1550ｎｍ上，插入損耗可達到２ｄＢ左右，而且兩波長之間，隔離度可達40ｄＢ。由于ＷＤＭ系統的復用光通路速率可達到2.5 Ｇｂ／ｓ、10Ｇｂ／ｓ等，而復用光通路的數量可以是4、8、16、32，甚至更多，因此系統的傳輸容量可以達到 300～400Ｇｂ／ｓ。
４反射鏡消旋光纖滑環
和以上兩種技術相比，反射鏡旋轉掃描方式是利用反射面對光線的反射來實現消旋，在這種系統中，光線在光路中全部通過反射來傳輸，不需要經過折射進入介質，所以光的損耗和色散極小，而且可以傳輸大功率光學信號。 45°旋轉掃描反射鏡掃描模式是一種最常用的光機掃描模式，由于它尺寸較小，掃描范圍大，在
轉臺信號傳輸和空間目標掃描等領域有重要和廣泛的應用。
Ｍｏｏｇ公司利用45°反射鏡實現多路光纖信號的傳輸，如圖５所示。圖中定子是固定不動的，入射光纖的光經過反射鏡反射后，進入會聚透鏡，然后再通過光纖將光信號傳出。反射鏡通過磁耦合齒輪與轉子連接，當轉子轉動時，在磁力作用下，保持反射鏡不動，從而使光線始終與準直透鏡相對。當４５°掃描鏡用于圖像傳輸時，會產生像旋轉。由于鏡面反射使得物與像的坐標“顛倒”，所以奇數次反射成鏡像，而偶數次反射成物象。Ｔｒｅｘ公司采用三反射面系統實現消除像偏轉，因其三面反射鏡呈“Ｋ” 字排列，故起名“Ｋ鏡”，如圖６所示。

５結束語
隨著光纖通信技術的日益成熟，在諸多領域，光纖通信正逐步取代銅（鋁）金屬線纜通信，甚至出現了所謂“光進銅退”的現象。光纖導電滑環經過３０多年的發展，取得了很大的進步，目前在技術上和產品工藝上都已比較成熟，在多數應用領域，如軍事武器、能源和工業等，也開始取代電滑環。
光纖滑環最初也是為了解決在軍事設備中活動連接部分信號傳輸問題而設計的，如雷達天線和基座之間的數據通信，無人駕駛車中瞄準系統和主控系統之間的通信等。由于光纖旋轉連接器具有重量輕、結構小等優點，在能源和工業自動化領域也開始得到應用。在石油測井儀連軸中，加入光纖導電滑環，將測井傳感器的信號，通過光纖傳輸到地面采集控制系統中。

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