1 昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南昆明650500
2 云南省绿色能源与数字电力量测及控保重点实验室，云南昆明650500
针对直接对准型离轴式光纤旋转连接器中自聚焦透镜准直器出射光斑小、光纤耦合损耗大和有效对准时间短的问题，本文提出了一种由双合透镜和热扩芯光纤构成的大光斑光纤准直器。基于出射光斑在相对旋转过程中重叠面积的周期性变化规律，分析了准直器间存在径向误差和角向误差时的耦合损耗变化。根据转子圆环和出射光斑尺寸得到耦合损耗为3 dB时的理论有效对准时间。为此搭建了光纤耦合实验平台测试其耦合性能及有效对准时间。实验结果表明，光纤准直器采用的单模光纤模场直径越大耦合损耗越低，其中模场直径为28 μm时耦合损耗低至0.22 dB。在转速为60 r/min时，通过光电转化和函数拟合得到四种模场直径光纤准直器的有效对准时间。模场直径为17 μm时最大有效对准时间为7.05 ms，与理论值7.1672 ms基本一致。最后应用光纤布拉格光栅传感实现无接触式传输光信号。这种设计为大光斑离轴式光纤旋转连接器的研究及其在光纤传感领域的应用提供了理论和技术支撑。
离轴 光纤旋转连接器 双合透镜 热扩芯光纤 光纤耦合 off-axis fiber optic rotary joint double lens thermal expansion core fiber optical fiber coupling 光学 精密工程
2023, 31(10): 1443
针对高速旋转设备分布式测量需求, 设计了一种单通道光纤旋转连接器(FROJ), 并进行了性能测试。以此单通道FROJ为基础, 采用磁光开关通过时分复用方式设计了四通道FROJ, 在静态和动态条件下分别测试了其插入损耗。实验结果表明: 该四通道FROJ的插入损耗小于4.5 dB,旋转变化量小于2 dB, 在转速不超过600 r/min时可以实现光信号的可靠传输。
光纤旋转连接器 磁光开关 时分复用 多通道光信号传输 分布式测量 fiber optic rotary joint magneto-optic switch time-division multiplexing multi-channel optical signal transmission distributed measurement
光子学报
2022, 51(11): 1106005
1 昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 656500
2 云南省计算机应用重点实验室，云南 昆明 656500
针对光纤连接器核心部件之一光纤准直透镜信号精密耦合问题，采用双合透镜设计了一种单模大光束光纤连接器。通过分析双合透镜特性、光纤准直器阵列中的多光学器件耦合机理和准直透镜间的3种耦合偏差引起的传输损耗，推导出该耦合系统的传输损耗公式。基于MATLAB分析得到：角向失配对准直器的耦合损耗影响最大，轴向失配影响最小。利用光学仿真软件ZEMAX在序列和混合模式下对连接器进行模拟，用Origin绘制出不同失配情况下信号耦合效率曲线，结果表明单模光纤芯径为12 μm时，耦合效率达到92.42%。最后通过光学平台搭建实验系统，验证了仿真结果的准确性。
光纤光学 光纤旋转连接器 双合透镜 单模光纤 大光束准直透镜 ZEMAX 激光与光电子学进展
2021, 58(21): 2106008
针对光纤旋转连接器(FORJ)普遍存在着结构复杂、损耗过大和转速低等问题，提出了一种高速单通道单模FORJ结构，并对其性能进行了相关的实验测试，对FORJ中光信号传输时的损耗进行了分析研究。实验结果表明：所设计的单通道单模FORJ能够在8000 r/min的高转速下传输光信号，损耗量为19.6 dB，且能承受的最大冲击载荷为20 m/s2，旋转输入轴的最大径向振幅为0.63 mm，能够适应较为恶劣的工作环境。
光纤旋转连接器 光纤准直器 高速 非接触光信号传输 fiber optic rotary joint optical fiber collimator high-speed non contactoptical signal transmission
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
3 上海电力学院, 上海 200090
为了实现光信号的离轴旋转连接，设计了一种新型的离轴旋转光纤传输系统。基于高斯光束传播理论，分析了大口径光纤准直器对高斯光束的扩束准直作用，利用ZEMAX 对准直器的结构和输出光束特性进行了优化。对离轴旋转光纤传输系统进行了实验测量，结果表明大口径光纤准直器输出光束在50 mm 的工作距离处能量分布满足高斯型，其束腰半径达到18 mm，远场发散角仅为5.48×10-2 mrad，在1.25 Gb/s 的信号传输速率及80 r/min 的转速下，系统的最大连接损耗为23.28 dB，整体性能满足了旋转部件之间稳定传输高速光信号的要求。
光通信 离轴光纤旋转连接器 光纤准直器 高斯光束 计算机辅助光学设计
中国电子科技集团公司第八研究所, 合肥 230000
通过对现有的多通道光纤旋转连接器结构优缺点进行比较, 提出了一种轴向磁驱动多通道光纤旋转连接器结构。本光纤旋转连接器结构中旁轴通道光信号传输是通过主转动轴上光纤准直器与从动转轴中光纤准直器进行光路耦合, 其耦合实现是通过磁驱动机构及精密齿轮传动机构来保证, 中心通道光信号无间断传输是通过磁驱动机构实现。通过轴向尺寸的增加可实现通道数的增加。此光纤旋转连接器简单易行, 避免了传统结构的诸多缺陷, 简化了工艺、降低了成本。
多通道光纤旋转连接器 光纤准直器 轴向 磁驱动 multi-channel fiber optic rotary joints optical fiber collimator axial magnetic driven
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
提出一种基于虚拟样机的光纤旋转连接器损耗的分析方法. 建立了道威棱镜系统中的光线输入-输出方程, 采用光线追迹和解析模型的混合架构建立了齐次坐标系下的光线分析模型.模型中的输入误差包括输入、输出准直透镜和道威棱镜的角度和位移误差、轴承游隙和齿轮准确度;对30 000个角度准确度±100″、位移准确度±0.01 mm的随机误差样本的损耗特性进行计算, 结果表明: 若要使公差引起的最大损耗小于4 dB、损耗分布P(X>3 dB)小于0.5%,则光纤旋转连接器中准直透镜和道威棱镜角度误差必须控制在±1′以内.
光通信 光纤网络 光纤旋转连接器 几何光学 虚拟样机 光线追迹 解析模型 损耗分析 Optical communication Fiber optic networks Fiber optic rotary joint Geometric optics Virtual prototype Ray tracing Analytical model Loss analysis 光子学报
2014, 43(12): 1222001
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
3 上海电力学院 计算机与信息工程系, 上海 200090
利用光纤准直器的特殊分布, 设计出了一种新型的离轴双向传输旋转结构。该光纤旋转连接器具有两个可绕一共轴相互独立旋转的部件, 在一个旋转部件上离旋转轴等距处安装四个光纤准直器, 在另一个旋转部件上安装两个光纤准直器, 两部件上的光纤准直器在旋转过程中始终保持光耦合, 从而实现了光信号能在旋转过程中不间断的双向传输。通过分析从光纤准直器出射的光斑功率分布和系统旋转的损耗值, 在进一步提升机械性能和光耦合效率的基础上, 实现了高质量的图像和视频信号传输。实验结果表明, 在旋转部件间距小于500mm和转速小于120r/min的条件下, 系统满足1.25Gbit/s的高速率光信号的稳定传输。
光纤通信技术 光纤旋转连接器 离轴 光通信 光纤准直器 旋转 optical fiber communication technology fiber-optic joint off-axis optical communication fiber collimator rotary
设计了一种基于道威棱镜的光传输特性的四通道单模光纤旋转连接器，采用锥齿轮行星轮结构实现光信号的旋转耦合，并设计了耦合调整方案；分析道威棱镜光轴与旋转轴不重合带来的耦合损耗，确定道威棱镜的装调精度。最终使四通道单模光纤旋转连接器的技术指标达到了国外同类产品水平，且道威棱镜的通光孔径大，可在结构尺寸不变的情况下直接扩展为八通道单模光纤旋转连接器。
光纤旋转连接器 道威棱镜 光纤准直器 插入损耗 fiber optic rotary joint Dove prism fiber collimator insert loss
