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多通道光纤滑环的工作原理
发布时间:2019-10-22 | 浏览次数:

多通道光纤滑环的工作原理

光纤滑环可实现设备旋转端与固定端之间的光信号连续传输,又称为光滑环或光铰链,是一种特殊的光无源器件。随着光纤通信系统的迅速发展,光纤滑环在雷达系统、舰艇系统、飞机、火控系统等军事领域和医疗CT、石油平台、声纳探测等民用领域都得到了广泛应用。光纤滑环按通道数有单通道、双通道和多通道之分,单通道的实现原理简单,双通道和多通道的实现原理虽然多样,但要求结构复杂,装调难度大;按光纤传输模式有单模和多模之分,单模光纤滑环相比多模光纤滑环,其要求对准精度更高,实现更困难。

1 设计原理

此30通道单模光纤滑环是基于道威棱镜的光传输特性实现的,当道威棱镜以角速度ω旋转时,经由道威棱镜所成的像以角速度2ω旋转,所以,如保证物体和道威棱镜的转速比为2:1,便可实现物体所成的像静止不动。图1 为结构原理简图,光信号通过一端的准直机构耦合进入可转动的道威棱镜(转子),经过棱镜折射-反射-折射传输耦合到另一端固定的准直机构(定子),实现光信号的旋转固定连接。

wps1.jpg 

1 结构原理简图

2 研制过程中的关键技术

2.1 旋转端与固定端的光信号耦合

输入输出端的光信号耦合装置是此单模光纤滑环的关键技术之一。本方案采用C-lens 单模光纤准直器作为光信号的准直器件,在耦合时准直器之间的距离、轴向偏移和角度偏差都会带来耦合的附加损耗。此单模光纤准直器输出平行光的光轴与准直器的机械轴存在偏角(一般在±0.5º 以内),也称点精度,具有空间随机、方向不可控的特点,这样就导致准直器之间耦合无法通过机械定位来实现,而是需要一个多维的微调装置,通过装调来实现。0.1º 角度偏差会产生5 dB左右的损耗,0.06 mm 的位置偏差带来大概1 dB 的损耗;另外,本设计中准直器之间的距离(小于80 mm)带来的耦合损耗小于0.5 dB

2.2 道威棱镜的装调

道威棱镜的光轴与旋转轴不重合时,旋转过程中固定端输出的平行光束会出现角度及位置偏差,如图2 所示,入射平行光束直径0.4 mm,当两轴存在0.5º 夹角时,入射光旋转360º、道威棱镜旋转180º 后的输出光束与旋转前的输出光束已经完全分离,此角度偏差为两轴夹角的2 倍。此时,将无法实现光信号的动态传输,所以道威棱镜的安装精度是光纤滑环实现的关键。根据单模光纤准直器的参数计算,角度偏差小于0.05º 时,准直器耦合损耗小于2 dB,所以要实现光信号的低损耗传输,需保证道威棱镜的安装精度,此设计要求两轴夹角小于0.05º。由于道威棱镜的光轴位置靠机械加工和机械定位很难控制,需要有合理的道威棱镜调整机构和光学调整方案。

wps2.jpg

2 两轴不重合对输出光束的影响

2.3 传动机构

21 的传动机构是此旋转连接器实现的前提,设计考虑了两种方案,一种直齿轮传动方案、一种锥齿轮传动方案。图3 左侧为直齿轮行星轮结构简图,其传动形式需要四种规格的齿轮,大小齿轮共8 个;这种传动结构,直齿轮的加工难度小、精度高,但装配比较复杂;另外,齿轮的布局会占据道威棱镜的通光孔径,导致径向尺寸增大。图3右侧为锥齿轮行星轮结构简图,其传动形式只需两种规格的齿轮,2 个大齿轮,2个小齿轮。相比直齿轮传动结构,该结构齿轮布局可更有效的利用道威棱镜的通光孔径,在外形尺寸不变的情况下,可实现更多通道的光信号传输;另外,此结构装配简单,齿轮的种类和数量较少。

wps3.jpg

图3 齿轮结构

此光纤滑环采用了锥齿轮行星轮系的传动方案,从传动精度及加工难度两方面考虑,锥齿轮的模数设计为0.5,并在圆周方向均布两个小齿轮,提高了传动平稳性、减小了回差。

2.4多通道的密集排布技术

本项目设计的30路光纤滑环另一项关键技术为多通道的密集排布技术。如何在有限的棱镜通光口径内排布出足够多的光纤通道,保证光通道相互之间严格平行且每个通道的光纤准直器精确处于设计位置,既是关键技术,又是技术难点。

本项目是采用光纤准直器阵列来解决这个问题的,光纤准直器阵列前端采用模压非球面透镜阵列,后端使用光纤阵列。模压非球面透镜阵列可以在非常狭小的面积内排布大量的准直透镜,透镜之间间隔最小可以达到1mm,后端采用精密光纤阵列,经过精确调试使得光纤阵列处于透镜焦点位置,从而获得大量准直输出的平行光。


 
 

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