两通道光纤滑环工作原理详解（一）

1. 应用背景

    随着信息社会的发展，光纤通信已经深入到社会各个角落，不可避免的会遇到一些需要在旋转与静止部件间实现光纤续传的应用场景，光纤滑环即用以解决此类问题。光纤滑环又称为光纤旋转连接器、光滑环、光汇流环等，与传统的导电滑环相比，具有高带宽、高寿命、高转速、不受电磁干扰等优点。在雷达天线、速率转台、无人机、医疗、风电等领域应用的越来越广泛。

2. 多路光纤滑环

    光纤滑环按通道数可分为单通道光纤滑环和多通道光纤滑环，按使用光纤可分为单模光纤滑环和多模光纤滑环。其中单通道光纤滑环结构较为简单，通常通过光纤准直器扩束后直接耦合。而多通道光纤滑环结构相对复杂，通常会包含有棱镜和传动结构。其中两通道和两通道以上的光纤滑环结构又有所区别，两通道光纤滑环具有更多的实现方式。

3. 多通道光纤滑环的设计原理

3.1直接耦合法

即不通过透镜棱镜等光学镜片，直接实现光纤之间的相互耦合，如下图所示：

图1 直接耦合式两通道光纤滑环

    如上图所示，这种方式多用于芯径较粗的光纤系统中，例如塑料光纤，位于中心的一路直接对准相互耦合，而边路光纤则通过一系列的小芯径光纤分布于主光纤周围，完成旋转耦合后再集中耦合入边路光纤中。这种方式由于边路光纤经过多次耦合，往往损耗较大。

3.2 光学透镜耦合法

    由于直接耦合的方式要求光纤精确对准，且转动过程高度平稳，对于常规的单模和多模光纤来说耦合极为困难，给结构加工提出过高要求，因此一些研究人员在光纤加入光学透镜，扩大光纤输出光的模场直径，从而有效的降低了对机械结构的精度要求。

图2 引入透镜的两通道光纤滑环光路示意图

    如上图所示，天津大学提出的一种双通道光纤滑环光路示意图，边路光纤通过准直器进行准直，再由平凸透镜会聚到轴心位置，继而由平凹透镜缩小光束夹角后耦合入接收端准直器。这种方式只能实现单向传输，且耦合接收时损耗很大，严重限制了这种方式生产的光纤滑环的实用性。

图3 使用透镜进行耦合的双通道光纤滑环

    上图是Schleifring公司提出的一种双通道对称结构光纤滑环，边路光纤输出光经过透镜会聚以后直接与中心光纤进行耦合。这种方式同样只能单向传输，而且由于纤芯很细，中心光纤耦合极为困难，损耗较大。