多通道光纖滑環的工作原理

光纖滑環可實現設備旋轉端與固定端之間的光信號連續傳輸，又稱為光滑環或光鉸鏈，是一種特殊的光無源器件。隨著光纖通信系統的迅速發展，光纖滑環在雷達系統、艦艇系統、飛機、火控系統等軍事領域和醫療CT、石油平臺、聲納探測等民用領域都得到了廣泛應用。光纖滑環按通道數有單通道、雙通道和多通道之分，單通道的實現原理簡單，雙通道和多通道的實現原理雖然多樣，但要求結構復雜，裝調難度大；按光纖傳輸模式有單模和多模之分，單模光纖滑環相比多模光纖滑環，其要求對準精度更高，實現更困難。

1 設計原理

此30通道單模光纖滑環是基于道威棱鏡的光傳輸特性實現的，當道威棱鏡以角速度ω旋轉時，經由道威棱鏡所成的像以角速度2ω旋轉，所以，如保證物體和道威棱鏡的轉速比為2:1，便可實現物體所成的像靜止不動。圖1 為結構原理簡圖，光信號通過一端的準直機構耦合進入可轉動的道威棱鏡(轉子)，經過棱鏡折射-反射-折射傳輸耦合到另一端固定的準直機構(定子)，實現光信號的旋轉固定連接。

圖1 結構原理簡圖

2 研制過程中的關鍵技術

2.1 旋轉端與固定端的光信號耦合

輸入輸出端的光信號耦合裝置是此單模光纖滑環的關鍵技術之一。本方案采用C-lens 單模光纖準直器作為光信號的準直器件，在耦合時準直器之間的距離、軸向偏移和角度偏差都會帶來耦合的附加損耗。此單模光纖準直器輸出平行光的光軸與準直器的機械軸存在偏角(一般在±0.5o 以內)，也稱點精度，具有空間隨機、方向不可控的特點，這樣就導致準直器之間耦合無法通過機械定位來實現，而是需要一個多維的微調裝置，通過裝調來實現。0.1o 角度偏差會產生5 dB左右的損耗，0.06 mm 的位置偏差帶來大概1 dB 的損耗；另外，本設計中準直器之間的距離(小于80 mm)帶來的耦合損耗小于0.5 dB。

2.2 道威棱鏡的裝調

道威棱鏡的光軸與旋轉軸不重合時，旋轉過程中固定端輸出的平行光束會出現角度及位置偏差，如圖2 所示，入射平行光束直徑0.4 mm，當兩軸存在0.5o 夾角時，入射光旋轉360o、道威棱鏡旋轉180o 后的輸出光束與旋轉前的輸出光束已經完全分離，此角度偏差為兩軸夾角的2 倍。此時，將無法實現光信號的動態傳輸，所以道威棱鏡的安裝精度是光纖滑環實現的關鍵。根據單模光纖準直器的參數計算，角度偏差小于0.05o 時，準直器耦合損耗小于2 dB，所以要實現光信號的低損耗傳輸，需保證道威棱鏡的安裝精度，此設計要求兩軸夾角小于0.05o。由于道威棱鏡的光軸位置靠機械加工和機械定位很難控制，需要有合理的道威棱鏡調整機構和光學調整方案。

圖2 兩軸不重合對輸出光束的影響

2.3 傳動機構

2：1 的傳動機構是此旋轉連接器實現的前提，設計考慮了兩種方案，一種直齒輪傳動方案、一種錐齒輪傳動方案。圖3 左側為直齒輪行星輪結構簡圖，其傳動形式需要四種規格的齒輪，大小齒輪共8 個；這種傳動結構，直齒輪的加工難度小、精度高，但裝配比較復雜；另外，齒輪的布局會占據道威棱鏡的通光孔徑，導致徑向尺寸增大。圖3右側為錐齒輪行星輪結構簡圖，其傳動形式只需兩種規格的齒輪，2 個大齒輪，2個小齒輪。相比直齒輪傳動結構，該結構齒輪布局可更有效的利用道威棱鏡的通光孔徑，在外形尺寸不變的情況下，可實現更多通道的光信號傳輸；另外，此結構裝配簡單，齒輪的種類和數量較少。

圖3 齒輪結構

此光纖滑環采用了錐齒輪行星輪系的傳動方案，從傳動精度及加工難度兩方面考慮，錐齒輪的模數設計為0.5，并在圓周方向均布兩個小齒輪，提高了傳動平穩性、減小了回差。

2.4多通道的密集排布技術

本項目設計的30路光纖滑環另一項關鍵技術為多通道的密集排布技術。如何在有限的棱鏡通光口徑內排布出足夠多的光纖通道，保證光通道相互之間嚴格平行且每個通道的光纖準直器精確處于設計位置，既是關鍵技術，又是技術難點。

本項目是采用光纖準直器陣列來解決這個問題的，光纖準直器陣列前端采用模壓非球面透鏡陣列，后端使用光纖陣列。模壓非球面透鏡陣列可以在非常狹小的面積內排布大量的準直透鏡，透鏡之間間隔最小可以達到1mm，后端采用精密光纖陣列，經過精確調試使得光纖陣列處于透鏡焦點位置，從而獲得大量準直輸出的平行光。