（光学工程专业论文）多路空间互连光旋转连接器的研制.pdf

中文摘要 论文全面阐述旋转连接器的发展，指出了单通道光纤旋转连接器和多通道 光纤旋转连接器的优缺点。分析了多路旋转连接器的研制意义。 深入研究了光纤准直器藕合时装配误差对系统祸合效率的影响。通过分析 离轴偏差、 角度偏差和轴向偏差对系统损耗的影响， 计算了 三种因素单独存在时 的系统祸合损耗。 发现在影响因素中系统祸合损耗对角度偏差最敏感， 其次是离 轴偏差， 最后是轴向偏差。 在上述理论分析基础上， 利用单模和多模光纤准直器 设计了单通道光纤旋转连接器， 测试了 单通道旋转连接器的插入损耗和损耗的 旋 转变化量。 在高速光信号传输方面，在设计好的单通道单模光纤旋转连接器基础 仁 ， 应用波分复用 ( wd m)技术构建多路空间互连光纤旋转连接器。该光纤旋转连 接器可实现光信号双向传输。 测试该光纤旋转连接器不同 通道的插入损耗、 损耗 的旋转变化量和相邻通道的隔离度。 在低速光信号传输方面， 通过对红外无线传 输技术的分析， 应用红外无线传输技术研制双通道光旋转连接器。 在同一操作系 统计算机之间和不同操作系统计算机之间测试了红外光旋转连接器的性能。 在旋转连接器方面有以下创新之处: i 、利用 c - l e n s 光纤准直器的特性设计了单通道光纤旋转连接器，实现了 低损耗光信号的 传输。多模光纤旋转连接器的 插入损耗小于 1 . 7 1 d b ,损耗值旋 转变化量为0 .2 9 d b ，单模光纤旋转连接器的插入损耗小于 1 .6 8 d b ，旋转变化量 为0 .3 5 0 a 2 、 通过分析红外无线传输卡的特性， 提出了 双通道红外光旋转连接器的结 构形式。 在不同 操作系统的计算机之间测试了 该旋转连接器的 性能， 发现数据传 输速率与发射计算机的操作系统和接收计算机的操作系统有关。 在同一操作系统 下， w i n 2 0 0 0 操作系统下数据传输速率最高，为1 .4 3 7 m b p s o 3 、以c - l e n s 光纤准直器设计的单模光纤旋转连接器为基础，提出了多路 空间互连光纤旋转连接器的实现方案， 实现了多路光信号通过旋转祸合面。 解决 了 多通道光纤旋转连接器结构复杂、 成本高的 缺点。 以 双波长为例验证了 多路空 间互连光纤旋转连接器的可行性。发现单向光信号传输和双向光信号传输相比， 通道的插入损耗和损耗的旋转变化量几乎没有变化。 关键词: 光互连;祸合损耗;旋转连接器;红外无线传输技术;波分复用技术 ab s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t o f r o t a r y j o i n t i s s y s t e m a t i c a l l y d e s c r i b e d i n t h i s d i s s e rt a t i o n . t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f s i n g l e c h a n n e l fi b e r o p t i c r o t a r y j o i n t ( f o r d ) a n d m u l t i - c h a n n e l f o r j a r e d is c u s s e d i n d e t a i l . t h e s i g n i fi c a n c e o f d e v e l o p i n g m u l t i - p a s s r o t a ry j o i n t i s a n a l y z e d . t h e i n fl u e n c e o f a s s e m b l y m i s a l i g n m e n t s o n c o u p l i n g e f fi c i e n c y o f t h e f o r j i s in v e s t i g a t e d i n d e t a i l , i n c l u d i n g l a t e r a l m i s a l i g n m e n t , e n d s e p a r a t i o n , a n d a n g u l a r m i s a l i g n m e n t o f t h e f i b e r c o l l i m a t o r . t h e o p t i c a l p o w e r c o u p l i n g l o s s d u e t o l a t e r a l m i s a l i g n m e n t , e n d s e p a r a t i o n , a n d a n g u l a r m i s a l i g n m e n t i s m o d e l e d a n d c a l c u l a t e d , r e s p e c t i v e l y . t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e c o u p l i n g l o s s o f t h i s s y s t e m i s m o r e s e n s i t i v e t o a n g u l a r m i s a l i g n m e n t t h a n l a t e r a l m i s a l i g n m e n t . a n d t h e i n fl u e n c e o f e n d s e p a r a t i o n o n t h e o r d e r o f c e n t i m e t e r s c a n b e n e g l e c t e d . b a s e d o n t h e a b o v e t h e o r e t ic a l a n a l y s i s , t w o k i n d s o f s i n g le c h a n n e l f o r j s w e r e d e s i g n e d u s i n g s i n g l e mo d e f i b e r c o l l i ma t o r a n d mu l t i - mo d e f i b e r c o l l i ma t o r . t h e i n s e r t i o n l o s s d u e t o m e c h a n i c a l m i s a l i g n m e n t s a n d m e c h a n i c a l r o t a t i o n a r e t e s t e d a n d a n a l y z e d i n d e t a i l . mu l t i - p a s s s p a t i a l i n t e r c o n n e c t f i b e r o p t i c r o t a r y j o i n t u s i n g d e n s e w a v e l e n g th d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( d wd m ) t e c h n i q u e i s p r o p o s e d b a s e d o n t h e f a b r i c a t e d s i n g l e c h a n n e l f o r j f o r h i g h - s p e e d o p t i c a l s i g n a l t r a n s m i s s i o n . t h i s o p t i c a l r o t a ry j o i n t c a n t r a n s m i t b i d i r e c t i o n a l o p t i c a l s i g n a l s . t h e in s e r ti o n l o s s , c h a n n e l i s o l a t i o n a n d me c h a n i c a l r o t a t i o n i n d u c e d i n s e r t i o n l o s s v a r i a t i o n o f t h i s mu l t i - c h a n n e l f or j a r e m e a s u re d . a n e w d u a l c h a n n e l o p t i c a l r o t a r y j o i n t h a s b e e n p r o p o s e d v i a i n f r a r e d c o u p l in g t e c h n i q u e t o t r a n s m i t o p t i c a l s i g n a l s a c r o s s r o t a t i o n a l i n t e r f a c e s t o e n s u r e c o n t i n u o u s l y t r a n s m i t ti n g s i g n a l f o r l o w - s p e e d o p t i c a l s i g n a l t r a n s m i s s i o n . t h e m a j o r i n n o v a t i o n s o f t h i s d i s s e r t a t i o n a r e a s f o ll o w s : 1 . t h e s i n g l e c h a n n e l f i b e r o p t i c r o t a r y j o i n t w a s d e s i g n e d u s i n g c - l e n s f i b e r c o l l i m a t o r . l o w l o s s s i g n a l s t r a n s m i s s i o n w a s r e a l i z e d . t h e i n s e r t i o n l o s s o f t h e m u l t i - m o d e f o r j i s l e s s t h a n 1 . 7 l d b , t h e i n s e r t i o n l o s s v a r i a t i o n d u e t o r o t a t i o n i s 0 .2 9 d b ; t h e i n s e r t i o n l o s s o f s i n g l e m o d e f i b e r o p t i c r o t a r y j o i n t i s l e s s t h a n 1 .6 8 , t h e i n s e r t i o n l o s s v a r i a t i o n d u e t o r o t a t i o n i s 0 . 3 5 d b . 2 . t h e s t ru c t u r e o f d u a l c h a n n e l o p t i c a l r o t a r y j o i n t u s i n g i n fr a r e d t e c h n o lo g y w a s p r o p o s e d . t h e s i g n a l s t r a n s m i s s i o n c a p a b i l i t y i s t e s t e d in d i f f e r e n t a n d s a m e o p e r a t i n g s y s t e m b e t w e e n t w o c o m p u t e r s . t h e re s u l t s s h o w e d t h a t t h e p r a c t i c a l 1 1 t r a n s m i s s i o n e f fi c i e n c y o f i n f r a r e d o p t i c a l r o t a r y j o i n t r e l a t e s t o t h e o p e r a t i n g s y s t e m s o f t h e t r a n s m i tt e r a n d r e c e i v e r . t h e e f f e c t i v e b a n d w i d t h u n d e r w i n 2 0 0 0 i s t h e h i g h e s t , 1 .4 3 7 mb p s , i n t h e s a m e o p e r a t i n g s y s t e m . 3 . mu l t i - p a s s s p a t i a l i n t e r c o n n e c t fi b e r o p t i c r o t a r y j o i n t u s i n g w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( wd m) t e c h n i q u e i s p r o p o s e d b a s e d o n t h e f a b r i c a t e d s i n g l e c h a r n e l f o r d . t h e f e a s i b i l i t y o f m u l t i - p a s s s p a t i a l i n t e r c o n n e c t f o r d w a s t e s t e d o n b o t h 1 3 1 0 tn n a n d 1 5 5 0 n m w a v e l e n g th b a n d s . t h i s f o r j h a s a s i m p l e s t r u c t u r e , w h i c h c a n b e i m p l e m e n t e d a t l o w c o s t . i t i s f o u n d t h a t t h e i n s e rt i o n l o s s a n d t h e c o u p l i n g v a r i a t i o n d u e t o r o t a t i o n o f b i d i r e c t i o n a l t r a n s m i s s i o n s y s t e m a r e a l m o s t u n c h a n g e d c o m p a r e d t o u n i d i r e c t i o n a l t r a n s m i s s i o n s y s t e m. k e y w o r d s : o p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o n ; c o u p l i n g l o s s ; r o t a r y j o i n t ; wi r e l e s s i n f r a r e d c o m m u n i c a t i o n ; w a v e l e n g t h d i v i s i o n mu l t ip l e x i n g ( wd m) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了 文中 特别加以 标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果， 也 不 包 含 为 获 得 竺进选 生 或 其 他教 育 机 构 的 学 位 或 证 书而使用过的材料。 与我一 伺工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 八 夯， 、签 字 : 期 :、年 月 y 日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解.玉生太岁 生有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 - al 建大 生 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 ，. 并 采 用 影 印 、 缩 印 或 扫 描 等 复 制 手 段 保 存 、 汇 编以 供 查 阅 和 借 阅 同 意 学 校 向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导 师 签 、 a 一 a 签 字 日 期 : e 4年了 月 冲日 功 犬 嘴 学位论文作者签名: 签字日期:0 4 年石 月 多日 第一章绪论 第一章 绪 论 随着知识经济和经济全球化的发展，我们对信息的需求量越来越大，而信 息的高速传输是满足信息需求的技术基础; 保证信号通道的流畅， 是信息技术的 主要任务之一。 在信号传输过程中， 需要旋转祸合连接机构将信号从一端静止的 平台不断传向 另一端旋转的平台d 1 ， 该机构称为旋转连接装置， 也称旋转连接器。 目 前， 旋 转 连接器正在被广泛应用在不同 领 域中， 如工业上的 机械手、 绞车 2 -5 1 石 油 开 采 设 备 6 1 ， 用 于 海 洋 探 测的 扫 描 系 统 7 1 和 追 踪 雷 达 s - 13 1 、 海 底 机 器 人 14 1 军 事上 的 战 船的 海底 水声系 统 1 5 1 、 战 车 的 旋 转 塔台 1 6 . 7 1航 天领 域的以 于 器 i s -2 0 以 及医 疗 设 备c t 扫描 系 统 2 11 等 等。 通 常 我 们把 传 输电 信的 旋 转连 接 器称 为电 滑 动环 ( e le c t ri c a l s l i p r i n g ) ，把传输高速光信号的旋转器称为光纤旋转连接器 ( f ib e r o p t i c r o t a r y j o i n t ) . 本章从旋转连接器的概念出发，阐述多路旋转连接器的研究意义，对国内 外旋转连接器的发展进行了综述， 并总结了旋转连接器的各种结构形式。 在比较 各种类型旋转连接器的基础上， 提出了本文的研究目 标， 最后介绍了论文研究的 主要内容。 i . 1 多路旋转连接器的研究意义 光束以其巨大的传输容量和巨 量的平行处理能力已成为极具潜力的信息载 体 2 2 .2 3 1 。 光 学 信息 通 道的 信息 流量 大， 传 输 速 度 快是 传统电 互 连网 络 所不 具 备的 优点之一。 光信号可以 在真空中传播， 也可以 在介质中传播， 并且很容易通过真 空和介质的界面， 无论是在光波导还是自由空间中， 光信号都以该介质中的光速 度传播而与接受信号的元件数目 无关， 传输信息的速度高， 同时光束固有的并行 性使光信号在自由空间中， 可以相互穿越而没有明显的互作用。 光互连器件包括 光电子有源和无源器件， 将这些器件组合以实现高速度、大容量和可重构的互连 网 络， 并 在时间、空间 和波长 领域 采 用高 密 度的多路复 用技彩2 4 - 2 7 1 a 光互连根据通道类别不同可分为:光纤互连、波导互连和自由空间互连 2 8 .3 0 1 。 旋 转 连接技术是一 种光信号自 由 空间 互 连与光纤互连相 接合的 技术， 本文 中提出的旋转连接器就是采用这种组合技术构建的。 目 前，常见光纤旋转连接器主要由单通道光纤旋转连接器和多通道光纤旋 转连接器组成。 多通道光纤旋转连接器传输信号的种类多， 传输容量大和双向传 输的优点使其具有广阔的应用前景。 多通道光纤旋转连接器通过旋转面的 光祸合 第一章绪论 第一章 绪 论 随着知识经济和经济全球化的发展，我们对信息的需求量越来越大，而信 息的高速传输是满足信息需求的技术基础; 保证信号通道的流畅， 是信息技术的 主要任务之一。 在信号传输过程中， 需要旋转祸合连接机构将信号从一端静止的 平台不断传向 另一端旋转的平台d 1 ， 该机构称为旋转连接装置， 也称旋转连接器。 目 前， 旋 转 连接器正在被广泛应用在不同 领 域中， 如工业上的 机械手、 绞车 2 -5 1 石 油 开 采 设 备 6 1 ， 用 于 海 洋 探 测的 扫 描 系 统 7 1 和 追 踪 雷 达 s - 13 1 、 海 底 机 器 人 14 1 军 事上 的 战 船的 海底 水声系 统 1 5 1 、 战 车 的 旋 转 塔台 1 6 . 7 1航 天领 域的以 于 器 i s -2 0 以 及医 疗 设 备c t 扫描 系 统 2 11 等 等。 通 常 我 们把 传 输电 信的 旋 转连 接 器称 为电 滑 动环 ( e le c t ri c a l s l i p r i n g ) ，把传输高速光信号的旋转器称为光纤旋转连接器 ( f ib e r o p t i c r o t a r y j o i n t ) . 本章从旋转连接器的概念出发，阐述多路旋转连接器的研究意义，对国内 外旋转连接器的发展进行了综述， 并总结了旋转连接器的各种结构形式。 在比较 各种类型旋转连接器的基础上， 提出了本文的研究目 标， 最后介绍了论文研究的 主要内容。 i . 1 多路旋转连接器的研究意义 光束以其巨大的传输容量和巨 量的平行处理能力已成为极具潜力的信息载 体 2 2 .2 3 1 。 光 学 信息 通 道的 信息 流量 大， 传 输 速 度 快是 传统电 互 连网 络 所不 具 备的 优点之一。 光信号可以 在真空中传播， 也可以 在介质中传播， 并且很容易通过真 空和介质的界面， 无论是在光波导还是自由空间中， 光信号都以该介质中的光速 度传播而与接受信号的元件数目 无关， 传输信息的速度高， 同时光束固有的并行 性使光信号在自由空间中， 可以相互穿越而没有明显的互作用。 光互连器件包括 光电子有源和无源器件， 将这些器件组合以实现高速度、大容量和可重构的互连 网 络， 并 在时间、空间 和波长 领域 采 用高 密 度的多路复 用技彩2 4 - 2 7 1 a 光互连根据通道类别不同可分为:光纤互连、波导互连和自由空间互连 2 8 .3 0 1 。 旋 转 连接技术是一 种光信号自 由 空间 互 连与光纤互连相 接合的 技术， 本文 中提出的旋转连接器就是采用这种组合技术构建的。 目 前，常见光纤旋转连接器主要由单通道光纤旋转连接器和多通道光纤旋 转连接器组成。 多通道光纤旋转连接器传输信号的种类多， 传输容量大和双向传 输的优点使其具有广阔的应用前景。 多通道光纤旋转连接器通过旋转面的 光祸合 大津大学博士学位论文 方法较多， 但每种方法在实现上都比 较困难， 不仅要进行准确的光学设计， 还需 要精密、 庞杂的机械结构来保证光路的畅通， 这些都造成了多通道光纤旋转连接 器体积庞大、 制造困难的缺点; 单通道光纤旋转连接器结构简单、 制造容易、 体 积小、 光祸合容易的特点使其在市场中占有一定的优势， 但传输信号单一， 不能 双向 传输 在某些方面限 制了 它更广 泛的 使 用3 1 1 通过分析多通道光纤旋转连接器和单通道光纤旋转连接器的优缺点，寻求 一种新的互连方法来实现信号的旋转连接， 该旋转连接器不仅能够实现多路信号 传输， 而且结构简单， 从而避开二者的缺点。 光束本身具有的带宽优势使多路空 间 互连成为可能 3 2 - 3 4 1 。 在信号 低速传 输方面， 采用红 外无线传输卡构 建双通 道红 外光旋转连接器: 在高速传输方面， 在单通道光纤旋转连接器机械结构简单基础 上，利用波分复用( wd m ) 技术构建多路光纤旋转连接器;这两种旋转连接器都 能够实现多路信号传输。 所以红外光旋转连接器和多路空间互连旋转连接器为空 间旋转连接技术提供了一种新的思路。 1 . 2旋转连接器的概述 旋转连接器是一种祸合信号通过旋转连接面的结机构。旋转连接器的最初 形式是电 滑动环， 后随着光纤技术的成熟， 电 互连本身存在的信号带宽窄、 时钟 扭歪、能耗大和抗干扰性差等缺点促使人们采用光互连技术构建旋转连接机构。 光纤旋转连接器分类方法有以下几种: 按照旋转连接器上是否有电光器件， 光纤旋转连接器可以分为有源光纤旋转连接器和无源光纤旋转连接器两大类: 按 照旋转连接器上光纤的种类不同， 可以分为多模光纤旋转连接器和单模光纤旋转 连接器; 按照旋转连接器上光通道的 数量不同， 可分为多通道光纤旋转连接器和 单通道光纤旋转连接器。 ; 1 . 2 . 1电滑动环 电 滑动环是最早应用的 旋转 连接 器， 它的 起源可以 追溯到 十九世 纪 末3 5 1 电 滑动 环 是 依靠电 刷3 6 1 与 环 壁接 触从 转 动的 金属 环向 静 止环 传输电 力电 流和 数 据信号。 在电 机系统或类似旋转连接系统中，电 滑动环从一个静止的平台向 转动的 平台传输低带宽的数字或模拟信号和直流或交流电 力电 流， 也可以 从转动的平台 向 静止的平台传输数字或模拟信号和直流或交流电 力电流。 电滑动环保证了 信号 和电流的持续传输， 是静止平台和转动平台之间的连接媒介。 电滑动环的功能如 图1 - 1 所示:从图1 - 1 中，可以看到电滑动环可以做的很大，滑动环的中心可以 大津大学博士学位论文 方法较多， 但每种方法在实现上都比 较困难， 不仅要进行准确的光学设计， 还需 要精密、 庞杂的机械结构来保证光路的畅通， 这些都造成了多通道光纤旋转连接 器体积庞大、 制造困难的缺点; 单通道光纤旋转连接器结构简单、 制造容易、 体 积小、 光祸合容易的特点使其在市场中占有一定的优势， 但传输信号单一， 不能 双向 传输 在某些方面限 制了 它更广 泛的 使 用3 1 1 通过分析多通道光纤旋转连接器和单通道光纤旋转连接器的优缺点，寻求 一种新的互连方法来实现信号的旋转连接， 该旋转连接器不仅能够实现多路信号 传输， 而且结构简单， 从而避开二者的缺点。 光束本身具有的带宽优势使多路空 间 互连成为可能 3 2 - 3 4 1 。 在信号 低速传 输方面， 采用红 外无线传输卡构 建双通 道红 外光旋转连接器: 在高速传输方面， 在单通道光纤旋转连接器机械结构简单基础 上，利用波分复用( wd m ) 技术构建多路光纤旋转连接器;这两种旋转连接器都 能够实现多路信号传输。 所以红外光旋转连接器和多路空间互连旋转连接器为空 间旋转连接技术提供了一种新的思路。 1 . 2旋转连接器的概述 旋转连接器是一种祸合信号通过旋转连接面的结机构。旋转连接器的最初 形式是电 滑动环， 后随着光纤技术的成熟， 电 互连本身存在的信号带宽窄、 时钟 扭歪、能耗大和抗干扰性差等缺点促使人们采用光互连技术构建旋转连接机构。 光纤旋转连接器分类方法有以下几种: 按照旋转连接器上是否有电光器件， 光纤旋转连接器可以分为有源光纤旋转连接器和无源光纤旋转连接器两大类: 按 照旋转连接器上光纤的种类不同， 可以分为多模光纤旋转连接器和单模光纤旋转 连接器; 按照旋转连接器上光通道的 数量不同， 可分为多通道光纤旋转连接器和 单通道光纤旋转连接器。 ; 1 . 2 . 1电滑动环 电 滑动环是最早应用的 旋转 连接 器， 它的 起源可以 追溯到 十九世 纪 末3 5 1 电 滑动 环 是 依靠电 刷3 6 1 与 环 壁接 触从 转 动的 金属 环向 静 止环 传输电 力电 流和 数 据信号。 在电 机系统或类似旋转连接系统中，电 滑动环从一个静止的平台向 转动的 平台传输低带宽的数字或模拟信号和直流或交流电 力电 流， 也可以 从转动的平台 向 静止的平台传输数字或模拟信号和直流或交流电 力电流。 电滑动环保证了 信号 和电流的持续传输， 是静止平台和转动平台之间的连接媒介。 电滑动环的功能如 图1 - 1 所示:从图1 - 1 中，可以看到电滑动环可以做的很大，滑动环的中心可以 大津大学博士学位论文 方法较多， 但每种方法在实现上都比 较困难， 不仅要进行准确的光学设计， 还需 要精密、 庞杂的机械结构来保证光路的畅通， 这些都造成了多通道光纤旋转连接 器体积庞大、 制造困难的缺点; 单通道光纤旋转连接器结构简单、 制造容易、 体 积小、 光祸合容易的特点使其在市场中占有一定的优势， 但传输信号单一， 不能 双向 传输 在某些方面限 制了 它更广 泛的 使 用3 1 1 通过分析多通道光纤旋转连接器和单通道光纤旋转连接器的优缺点，寻求 一种新的互连方法来实现信号的旋转连接， 该旋转连接器不仅能够实现多路信号 传输， 而且结构简单， 从而避开二者的缺点。 光束本身具有的带宽优势使多路空 间 互连成为可能 3 2 - 3 4 1 。 在信号 低速传 输方面， 采用红 外无线传输卡构 建双通 道红 外光旋转连接器: 在高速传输方面， 在单通道光纤旋转连接器机械结构简单基础 上，利用波分复用( wd m ) 技术构建多路光纤旋转连接器;这两种旋转连接器都 能够实现多路信号传输。 所以红外光旋转连接器和多路空间互连旋转连接器为空 间旋转连接技术提供了一种新的思路。 1 . 2旋转连接器的概述 旋转连接器是一种祸合信号通过旋转连接面的结机构。旋转连接器的最初 形式是电 滑动环， 后随着光纤技术的成熟， 电 互连本身存在的信号带宽窄、 时钟 扭歪、能耗大和抗干扰性差等缺点促使人们采用光互连技术构建旋转连接机构。 光纤旋转连接器分类方法有以下几种: 按照旋转连接器上是否有电光器件， 光纤旋转连接器可以分为有源光纤旋转连接器和无源光纤旋转连接器两大类: 按 照旋转连接器上光纤的种类不同， 可以分为多模光纤旋转连接器和单模光纤旋转 连接器; 按照旋转连接器上光通道的 数量不同， 可分为多通道光纤旋转连接器和 单通道光纤旋转连接器。 ; 1 . 2 . 1电滑动环 电 滑动环是最早应用的 旋转 连接 器， 它的 起源可以 追溯到 十九世 纪 末3 5 1 电 滑动 环 是 依靠电 刷3 6 1 与 环 壁接 触从 转 动的 金属 环向 静 止环 传输电 力电 流和 数 据信号。 在电 机系统或类似旋转连接系统中，电 滑动环从一个静止的平台向 转动的 平台传输低带宽的数字或模拟信号和直流或交流电 力电 流， 也可以 从转动的平台 向 静止的平台传输数字或模拟信号和直流或交流电 力电流。 电滑动环保证了 信号 和电流的持续传输， 是静止平台和转动平台之间的连接媒介。 电滑动环的功能如 图1 - 1 所示:从图1 - 1 中，可以看到电滑动环可以做的很大，滑动环的中心可以 第一章绪论 是中空的。滑动环转动时，传输电力电流的同时中心部分还可以通气体或液体 同样中心部分利用光纤可传输数据 电滑动环的具体结构见图1 - 2 音频和视频信号口 从图上可以了解到电滑动环由四部分组成 o p t i c a l f i b e r el e c t r i c a l wi r e s ho s e s 旋转面 图 1 - 1电滑动环的功能图 连接器 导线 转环导线 滑动环的整体结构 连接器 图 1 - 2 即环装置、电 刷、导线和连接接头。其中环提供一个或多个电流通路，每 个环都是导体并提供绕环旋转3 6 0 “的电 路; 电 刷为定子( 静止平台) 和转子( 转 动平台) 之间提供连接， 一般安装在定子电刷机构上; 导线是滑动环与外部电路 连接的媒介; 连接器是外部电路或机构与电滑动环之间的接口。 滑 动 环 是 依 靠电 刷 或电 极 13 7 连 接 转 动部 分 和 静 止 部 分， 电 滑 动 环 转 动时 ， 转子随之转动， 转子上的电极与不同的电 刷接触， 把信号传输出去或信号传输进 来。 对于电 滑动环来说，影响信号传输的因素有以下几点: . 滑动环和电刷的频率响应或带宽 . 作为频率函数的器件的阻抗 . 通过器件的不同时间延迟 . 电路之间的窜扰 . 导线和连接器之间的频率响应 这些因子中， 频率响 应或带宽是主要因子。 带宽不足直接导致数字信号衰减 或失真， 以 至于接收器不能收到信号。 一般信号传输速率下， 信号不仅包括基本 天津大学博士学位论文 谐波还包括一些奇次谐波， 这就造成信号传输的所需带宽是数据带宽的几倍。 当 数据速率增加时， 基本谐波发生衰减， 造成接收器信号上升时间缩短， 最终造成 系统的误码率增加。 滑动环的特性阻抗影响信号的传输质量。 对于一个好的滑动环来说， 滑动环 的特性阻抗与系统是匹配的， 减少带宽直接导致系统的阻抗失配。 滑动环转动时， 电 刷和环触点之间电路长度不断地变化， 输出的信号也随之不断变化， 导致信号 失真。 对于信号传输， 还必须考虑的一个因子是相邻电 路之间的串扰， 特别是在高 频传输信号时， 这将导致带宽减少。 所以在传输高频信号时， 需要采取措施来降 低相邻电 路之间的串扰。 通过上面的分析可以看到，电 滑动环只适合一些速率较低的信号传输，对 于一些高频和高速信号， 信号的误码率显著增加。 此外， 由于电滑动环是依靠电 刷传输信号， 电 刷的质量将严重影响信号的 传输质量。 特别是电 刷和环， 电 刷和 导线之间的电 弧造成短路将导致灾难性事故。 1 9 7 8 年1 0 月9日 美国 海洋资 源卫 星的 失 事 3 8 1 就是其中 一例。 考虑到电 滑动 环 缺陷 较多， 再 加上人们对信息的 需 求 也越来越广泛。 在这种情况下， 光纤通信技术成为最佳选择， 越来越多的光纤旋 转连接器被研制出来。 1 . 2 . 2光纤旋转连接器的工作原 理 光纤旋转连接器与电滑动环相比具有稳定的信号传输，因而可靠性很高 3 9 1 ， 加 之它具有抗电 磁干扰、 传输容量大、 抗震及低噪声等优点， 其性能远远超 过电滑动环。 光纤旋转连接器充分发挥作用需满足下面条件: 1 .光损耗小 2 .大量连接光纤通道 3 .旋转时信号持续传输 4 .信号双向 传输 光纤旋转连接器类似于电 滑动环， 也是由 转子 ( 转动平台) 和定子 ( 静止 平台) 组成。 光信号从转子出发通过旋转面， 再由 定子部分传送出去; 反之亦然。 光纤旋转连接器的目的是以最小的光损失和旋转变化量祸合光信号通过旋转平 面 40 1 通常衡量一个光纤旋转连接器的性能优良的标准是信号的藕合效率，即藕 合过程中 输出 功率与输入功率的比值， 而信号的祸合效率与旋转器内部光纤f1% 合 天津大学博士学位论文 谐波还包括一些奇次谐波， 这就造成信号传输的所需带宽是数据带宽的几倍。 当 数据速率增加时， 基本谐波发生衰减， 造成接收器信号上升时间缩短， 最终造成 系统的误码率增加。 滑动环的特性阻抗影响信号的传输质量。 对于一个好的滑动环来说， 滑动环 的特性阻抗与系统是匹配的， 减少带宽直接导致系统的阻抗失配。 滑动环转动时， 电 刷和环触点之间电路长度不断地变化， 输出的信号也随之不断变化， 导致信号 失真。 对于信号传输， 还必须考虑的一个因子是相邻电 路之间的串扰， 特别是在高 频传输信号时， 这将导致带宽减少。 所以在传输高频信号时， 需要采取措施来降 低相邻电 路之间的串扰。 通过上面的分析可以看到，电 滑动环只适合一些速率较低的信号传输，对 于一些高频和高速信号， 信号的误码率显著增加。 此外， 由于电滑动环是依靠电 刷传输信号， 电 刷的质量将严重影响信号的 传输质量。 特别是电 刷和环， 电 刷和 导线之间的电 弧造成短路将导致灾难性事故。 1 9 7 8 年1 0 月9日 美国 海洋资 源卫 星的 失 事 3 8 1 就是其中 一例。 考虑到电 滑动 环 缺陷 较多， 再 加上人们对信息的 需 求 也越来越广泛。 在这种情况下， 光纤通信技术成为最佳选择， 越来越多的光纤旋 转连接器被研制出来。 1 . 2 . 2光纤旋转连接器的工作原 理 光纤旋转连接器与电滑动环相比具有稳定的信号传输，因而可靠性很高 3 9 1 ， 加 之它具有抗电 磁干扰、 传输容量大、 抗震及低噪声等优点， 其性能远远超 过电滑动环。 光纤旋转连接器充分发挥作用需满足下面条件: 1 .光损耗小 2 .大量连接光纤通道 3 .旋转时信号持续传输 4 .信号双向 传输 光纤旋转连接器类似于电 滑动环， 也是由 转子 ( 转动平台) 和定子 ( 静止 平台) 组成。 光信号从转子出发通过旋转面， 再由 定子部分传送出去; 反之亦然。 光纤旋转连接器的目的是以最小的光损失和旋转变化量祸合光信号通过旋转平 面 40 1 通常衡量一个光纤旋转连接器的性能优良的标准是信号的藕合效率，即藕 合过程中 输出 功率与输入功率的比值， 而信号的祸合效率与旋转器内部光纤f1% 合 第一章绪论 j清况有关。 如果两根光纤藕合损耗很小， 相应信号的藕合效率就高。二者之间存 在如下关系: l o s s = - 1 0 l o g r / ( 1 一 1 ) 式中，l o s s 是光纤的祸合损耗， r 是信号的祸合效率。 光在两条光纤之间间隙的散失是系统损耗的主要原因。两根光纤之间的装 配误差直接影响光信号的传输质量。 差、 离轴偏差和角度偏差14 1 -4 4 1 见图 光纤之间的装配误差由三部分组成: 轴向偏 1 - 3. 轴向偏差 巨 三 至 至 召 阵 三 三 三 三 习 婆。 一丁 离轴偏差 角度偏差 图1 - 3光纤祸合时装配误差的类型 由于光纤的芯径在11 m量级， 所以两根光纤之间的装配误差是不能避免的。 下 面分析了 装配误差对系 统祸合损 耗的 影响 14 0 1 理论上光纤祸合效率 几 公式可以写成 泞= 一j e s (x 冷 (x) 叫 j ie , (x f d . 1 j i e r (x f d x ( 1 - 2 ) 式中 ，e , (x ) 是发 射光 纤 在 积 分 平 面内 模式 分 布函 数，e r (x ) 是 接收 光 纤 在 积分 平 面内 模式分布函 数。 这里假设发射光纤和接收光纤的 光纤参数是相同的， 同时假 设光纤端面之间的菲涅耳衍射可忽略不计， 那么发射光纤和接收光纤模式分布函 数不同就是由祸合误差造成的。 由于两根光纤对准时存在装配误差， 所以藕合损 耗一定存在，即q . ( x , y ) (* 表 示 共 扼 复 数 ) 并 积分， 可 得 c a =仃 e 0 ) (x ,y )e 12y ( x ,y )d x d y jiie 2(x,y )12dxdy y2 ( 2 - 4 8 ) 将上式进行归一化，式( 2 - 4 8 ) 变为 几冲一v .乙一x 价 (x ,y )e )(x ,y ) 2 . 3 . 3自聚焦透镜的藕合损耗 大津大学博十学位论文 的 光 纤 波 导 为2 # ， 各 基 模的 横向 电 磁 场分 布函 数为e : ( x ， y , ) 和e 12 , ( x , y ) e( 2 ) ( x , y ) 图2 - 1 3两根光纤波导对接时的祸合 用2 # 波 导 的 特征 模将e ( x , y ) 展 开 ，由 于 只 有 一 个导 波 模， 可以 写 成 e ) ( x , y ) 一 c ,e )( x , y ) + 仃 c , e q2 (x , y )d x d y (2 -4 7 ) 式( 2 - 4 7 ) 右边第一项是导波模， 第二项是辐射模。 利用特征 模的正交性， 上式两 端 同 时 乘以e 12 . ( x , y ) (* 表 示 共 扼 复 数 ) 并 积分， 可 得 c a =仃 e 0 ) (x ,y )e 12y ( x ,y )d x d y jiie 2(x,y )12dxdy y2 ( 2 - 4 8 ) 将上式进行归一化，式( 2 - 4 8 ) 变为 几冲一v .乙一x 价 (x ,y )e )(x ,y ) 2 . 3 . 3自聚焦透镜的藕合损耗 第二章 变折射率光纤棒祸合理论及损耗计算 在上 一章中，我们知道自 聚焦透镜由装配引起的有三种误差，即轴问偏差、 离轴偏差和角度偏差。 图2 - 1 4 是自 聚焦透镜离轴偏差示意图。 从2 - 3 - 1 节中了 解 到， 波导中基模的场分布通常可用高斯函数近似， 所以可以高斯模场分布计算自 聚焦透镜装配误差引 起藕合损耗h s l 尘。下 图2 - 1 4自 聚焦透镜离轴偏差 设二维高斯函数为 +v (x,y )一 ，。expl - x 2 + 少 2y 口 2c ( 2 - 5 3 ) 对上式中的a o 进行归一化得 1 rr 2， : 月 f r . _ ， ， _ 。 x 十y i 二 _ 二 . ! i _! _ -y i 一 一 下 二 2 一 一 lu j l - 一l c u j ( 2 - 5 4 ) 利用标准积分 汀_ _ _ _ (22 1 1 ,:汀 ! ! 入 p - l s 拼十y ) p x a ) =一 丫仪 止 ( 2 - 5 5 ) 则式( 2 - 5 4 ) 得 ( 2 - 5 6