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光纤旋转接头(FORJ)的结构和特点

 

目前FORJ的种类约有50多种,可分为同轴旋转和非同轴旋转;有中间光学组件和无中间光学组件;单信道和多信道;多模和单模等。多模FORJ完成多模光纤的旋转耦合。多模光纤芯径较粗,约50.0~61.5μm, 光束耦合容易,器件制造难度小,成本低。但多模光纤传输损耗大,带宽小,一般在短距离、低速率场合下应用。单模FORJ实现单模光纤间的耦合单模光纤传输损耗小,带宽大,与波分复用器组合使用,带宽更宽,可用于长距离、大容量信号传输。但单模光纤芯径较细,不到10μm,光束耦合困难,器件制造难度大,成本较高。

目前FORJ的结构主要有两种:a.对接型,即直接用光纤端面进行对接的旋转连接,器件中间无光学组件;b.扩束型,即在两光纤之间加入光学透镜的扩束旋转连接。这两种结构的多模光纤旋转连接较为成熟。单模光纤的模场直径很小,只有几微米,而且数值孔径也较小,因此在实现单模光纤的旋转连接中,对接型的耦合难度相当大。

对接型FORJ的旋转连接原理,与目前的活动光纤连接器很相似,但两光纤的断面必须保持适当的间隙,约零点几微米,以确保两根光纤的旋转损耗较小,且光纤端面不会发生摩擦。在该结构中,影响光耦合效率的主要因素是光纤间的断面间隙、横向错位及角度偏差。其中光纤端面间隙和横向错位对耦合效率的影响很大,而角度偏差的影响相对较小。该方法的主要优点是结构简单,但插入损耗较大。

扩束型FORJ在两光纤端面之间加入透镜,因此结构较为复杂。一般采用λ/4的光纤自聚焦透镜,透镜的尺寸、波长等必须与光纤想匹配。影响光耦合效率的主要原因仍是两透镜的轴向间隙、横向错位及角度偏差。采用扩束后,透镜之间的传输光束由原来的锥形光束变成平行光束,因此,轴向间隙对耦合效率的影响很小,横向错位相对于对接型连接而言,对耦合效率的影响也有所降低,但角度偏差的影响却变得非常大。把两光纤端面间锥形光束连接改变成两透镜间平行光束连接,可以使光纤之间拉开一定距离,在温度变化时,其耦合损耗几乎不受影响。另外,透镜扩束后,降低了对旋转偏心的要求。因此,这种结构的插入损耗及其变化都较小。

单通道FORJ把两条光纤排成直线(对准),其中一条光纤固定不动,另一条光纤随轴转动,机械结构简单,易于加工制作,器件紧凑,成本低,插入损耗小,且容易实现高速旋转。由于只有一个光纤通道,传输信号的种类和速率受限。为提高传输容量,必须与波分复用器配合使用。

      多通道FORJ如图1所示,光通道之间的旋转耦合由中间的FORJ来保证,其关键技术是寻找最佳的旋转结构,在不降低器件一般性能的同时,减小波长相关损耗、偏振相关损耗、偏振模色散和串扰等多通道旋转接头存在的问题。根据FORJ两端的入射和出射光纤端口与旋转轴的相对位置,FORJ可分为两端离轴、一端离轴一端同轴等类型。两端离轴多通道FORJ的各通道入射和出射光纤端口都与旋转轴平行或垂直,光信号的旋转耦合通过道威(Dove)棱镜、透镜组、反射镜组等光学器件来实现。多通道FORJ结构复杂,插入损耗较大,通道间存在串扰,目前成熟产品的通道一般只有4个。

 

以道威棱镜为核心的多通道FORJ是利用道威棱镜的转像原理来耦合多束光信号,实现信道之间的对接,如图2所示。图中转子中的光纤13、定子中的光纤24都离轴放置,且与旋转轴平行。在平行光束中,当道威棱镜以旋转器转速的一半转动时,通过该棱镜所成像的位置不发生改变。通道(光纤)13组成的转子围绕旋转轴转动时,出射的平行光经过以转子速度一半转动的道威棱镜后,在定子中,通道12、通道34一一对应。该FORJ可以双向传输光信号,但它要求棱镜的转速是旋转器转速的一半,信道之间还要有精确的安装位置,机械元件和传动齿轮的加工和装配精度要求高,器件的成本较高,并且不同波长的光信号在道威棱镜中折射的路径不一样,造成光信号射出棱镜的位置也相应变化,发生散射,部分光纤不能进入出射光纤,引起较大的插入损耗。

 

以透镜组为核心的多通道FORJ是利用两组对称的光学透镜把信号从通道(光纤)34组成的转子传输到由通道12组成的定子,如图3所示。透镜共同的光轴确定了旋转连接器的旋转轴。每个透镜组各由一个大直径的平凸透镜和一个小直径的平凹透镜组成。大透镜使平行入射的光束会聚偏折到光轴附近,小透镜使光束与光轴的角度更小,以便更多的光线能与光纤上自聚焦透镜的光孔耦合输出。两个透镜组的间距由平凸透镜的焦距确定,即一组透镜放在另一组平凸透镜焦点内侧靠近焦点的位置上。两个输入端口光纤13位于旋转轴之外;两个输出端口光纤24位于旋转轴上。当转子围绕旋转轴转动时,从通道3中传输的光经过透镜组始终与通道2对应,通道1与通道4对应。这样就保证了光信号的连续双向传输。该FORJ的光学元件简单,光学器件为普通的球面透镜,制作成本低。缺点是系统需要精密的机械结构保证光纤的位置和光学元件平稳转动,否则插入损耗会较大,而且每组光信道只能单向传输。

 

以反射镜组为核心的多通道FORJ如图4所示,转子中的光纤12平行于旋转轴,定子中的光纤34垂直于旋转轴。同轴光纤1中的光信号经过一个与旋转轴成45°的反射镜1反射至侧面固定光纤3上;偏轴光纤2中的光信号耦合到另一与偏轴光纤同步转动的弯曲光纤5中。弯曲光纤5的另一端处于转动轴上,成为同轴光纤,其输出光信号经过反射镜2反射至另一侧面固定光纤4中。经过弯曲光纤、反射镜及固定光纤多次耦合,偏轴光纤的损耗较大。随着光信道数目的增加,器件轴向和侧向尺寸会急剧增加。

 

一端离轴一端同轴多通道FORJ的一端各通道光纤端口与旋转轴平行,另一端各端口放置在旋转轴不同位置上。最具代表性的是以菲涅耳透镜为核心的分光结构,透镜的径向分布区域具有不同焦距长度,如图5所示。利用菲涅耳透镜的系列焦点,使离轴的和旋转轴上的旋转部分的多通道光路分别耦合会聚到旋转轴上的不同焦点上,并起到旋转连接的功能。在精密机械结构辅助下,透镜的光轴和FORJ的转轴重合,离轴通道23射出的光线在菲涅耳透镜的会聚作用下,会聚到光轴的不同位置,在这些位置处放置出射光纤,可接收传过来的光信号。当通道123围绕光轴旋转时,轴上的出射光纤源源不断地接收到从通道123传来的光信号,从而保证光信号通过旋转面连续传输。该结构的最大优点是轴向尺寸可以做得很短并且结构紧凑,缺点是各个通道不能双向传输,即光不能从不同的焦点一一对应地传递到旋转部分的对应光路,并且各个通道之间的串扰较大。

 

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