专利名称：在信号源与波导之间耦合电磁信号的方法
技术领域：
本发明涉及一种在电磁信号源与电磁波导之间耦合电磁信号、特别是光学信号的方法。
背景技术：
使用光导纤维承载信息日益普遍。有许多应用场合需要在系统的具有相对运动的两个部分之间传递信息。典型的情况是，信息产生在旋转元件(例如，旋转轮子上的传感器)上，并需要传递到系统的固定部分，以进行处理以及显示/存储。在许多情况下，传递可以这样来实现，即利用一定长度的光导纤维并使纤维具有柔韧性，从而可以使元件在保持所需连接的条件下旋转。然而，对于诸如轮子的系统(其中轮子可以旋转许多次)而言是显然的，纤维有限的柔韧性将限制纤维断裂前的转数。
目前，该要求的解决方案是使用光学旋转接头(ORJ)。这些是可以用于穿过旋转界面传递信息的熟知的装置。然而，该类型的装置具有严格的限制，即它必须安装在系统的旋转轴上，而且存在许多不能利用该轴的应用场合。例如对于轮子上的传感器，轮子的轮轴可能是占据旋转轴的实心体，并且虽然可以在轴上得到空间，但是这可能减弱系统的机械强度，因此这可能是不期望的。还存在这样的应用场合，诸如流体的其它机构(services)必须通过旋转界面，并且通过在旋转轴上设置旋转耦合来最为有效地实现这些。因此，存在旋转轴上空间的极为激烈的竞争，这可能使ORJ在许多应用场合不方便或不可能。
发明内容
根据本发明的一方面，一种在电磁信号源与电磁波导之间耦合电磁信号的方法，其中，在工作时，所述信号源与波导之间存在相对运动；该方法包括，在信号源发射到波导中的每一位置改变波导的性质，以使信号耦合到波导中；将信号发射到波导中；在该位置处取消所述改变，使得一次发射的信号沿着波导传播；并沿着波导为每个发射位置重复该过程。
根据本发明的第二方面，一种电磁信号耦合器包括与电磁信号源有关的波导和控制器；其中，在工作时，所述信号源与波导之间存在相对运动；其中控制器在信号源发射到波导中的位置处有选择地改变波导，以使信号耦合到波导中；在信号源离开所述位置时取消所述改变；并沿着波导为每个发射位置重复该过程。
优选地，波导是固定的，信号源是运动的。
优选地，已经沿着波导传播的电磁能通过波导的端部离开。
优选地，至少一个间隙设置在大致连续的波导环中，以使数据能够被提取出。
优选地，越过所述至少一个间隙的来自信号源的数据的损失通过增加所有其它位置的传输率并防止在该间隙中传输来避免。
优选地，信号源的数量等于间隙的数量；设置成在任一时间仅一个信号源越过间隙；并且其中，将从波导提取的数据结合起来，以提供连续的数据流。
优选地，电磁信号源是光学信号源。
优选地，信号通过耦合到波导端部的光导纤维输出。
优选地，波导包括结合有可变光栅或表面涂层的表面。
优选地，光栅或表面涂层包括磁光、电光、声光或光敏材料中的一种。
优选地，波导包括具有荧光芯或覆层的光导纤维。
现在，将参照附图描述根据本发明的电磁信号源与电磁波导之间的电磁信号的耦合方法的示例和电磁信号耦合器的示例并将其与现有技术进行对比，附图中图1示出一示例，其中可以使用传统的光学旋转接头将数据从旋转部分传递到固定部分；图2示出一示例，其中不可以使用传统的光学旋转接头将数据从旋转部分传递到固定部分；图3示出本发明的第一示例，其中根据本发明，数据从运动部分传递到固定部分；
图4示出本发明的第二示例，适于旋转运动，其中根据本发明，数据从运动部分传递到固定部分；图5示出图4示例的可选择布置；图6更详细地示出根据本发明的将信号耦合到波导的一种方法；和图7示出用于与图3、4或5的示例一起使用的可选择方法。
具体实施例方式
图1示出耦合光学信号的第一示例，其中可以使用ORJ。轮子1在安装于轴承3中用于旋转的轮轴2上旋转。轮轴2上的传感器4经由光导纤维5连接到ORJ 6。信息从轮子旋转部分上的传感器3传递到安装在固定部分8上的光导纤维7。在图1中，轴承布置允许ORJ安装在轮轴的轴线上，而不是该轴线外。
图2示出不能使用ORJ的示例。在图2中，实心外部轴承9的布置使ORJ必须安装在轮子1之外足够远才是可行的。
如果不能得到旋转轴，例如如图2所示，则制造商必定常常使用可以通过电滑环传递的电信号。使用电信号给制造商带来了许多方面的问题。例如，由电信号引起的电干扰或对电信号的电干扰可能需要相当大的设计努力来消除，并且可能需要会增加系统成本、重量或尺寸的重要屏蔽装置。经常地，电信号的带宽比光学信号的低，并且单一ORJ必须被若干电滑环代替。这同样增加了系统的复杂程度和成本。
除了旋转系统以外，还存在这样的应用场合运动是线性的，例如将数据从运动的火车传递到轨道旁的接收系统。ORJ不能解决这类需求，从而需要滑环的光学等同物。
本发明解决了这些问题，并且在一个实施例中，提供了一种电滑环的光学等同物。这具有如下优点在ORJ不能使用的情况下应用于旋转系统，并更广泛地应用于非旋转系统。
本发明的基本方法如图3所示。该图示示出两个部分，部分A 10和B 11，该两部分具有相对运动，如箭头12所示。带有将要在两个部分10、11之间传递的信息的光导纤维13附接到部分A。聚焦光束14投射到形成于部分B11中的波导15上。光通过透镜装置16聚焦到波导上。光耦合到17波导15中，并沿着波导行进，直到其离开18波导进入输出光导纤维中。因此，随着两个部分10、11相对于彼此运动，光14发射到波导15中的点沿着波导运动，但是光持续通过输出光纤离开波导。
该方法可以用于形成用于旋转应用场合的圆形滑环，如图4所示。在该示例中，固定部分20是围绕旋转轴21的环，安装在其上的是形成几乎完整圆环的波导22。光沿着波导传播23。波导“环”裂开，以引导光离开波导，到达输出光导纤维24。该布置导致传播的中止，这是因为旋转部分26中的光的发射点25与波导环中的断点27交叉。为了防止在该点处不可接受的通信损失，存在可以应用的各种技术。例如，一个选择是以极限的更高速率传递信息，使得在横越间隙期间发送的信息可以存储并在旋转周期期间发送。或者，可以应用向前纠错(FEC)技术使数据恢复，尽管在间隙处信号丢失。
图5示出用于处理通信损失的波导22的结构变化，由此波导环分成两段22a、22b，并使用了两个发射点25a、25b，其设置成通过相应地调节角位移28来确保在任意时间仅一个发射点越过间隙27a、27b。在该情况下，存在两个输出24a、24b，并且这需要供给到可以选择合适信息流的系统，来确保信息流是连续的。
本发明的基本考虑是，如果可以将光发射到波导中，则光可能从波导中漏出。这导致了波导中不能接受的损失。发射点与输出纤维之间的总损失也随着发射位置而改变，这导致了额外的复杂化。原则上，光发射的效率越高，波导中的损失就越大。克服该限制是完成本发明的重要要求。
一种可以用于优化发射效率对波导损失的已知技术在Chen等人的“Fully Embedded Board-Level Guided Wave Optoelectronic Interconnects”(IEEE第88卷，No.6，2006年6月)中描述。此文献描述了可用于将光发射到嵌入到平面材料中的波导中的许多技术。所描述耦合结构的一个性质是光可以有效地耦合(35％)到波导中，但是已在波导中行进并通过耦合器的光以极低的效率(＜1％)耦合出。因此，可以沿着波导的长度布置这些耦合器的连续线，使得光可以沿着波导在任意点处耦合进入。耦合通过装配到波导表面中的光栅来实现。
为了提高本发明的耦合/波导损失性能，可以有许多技术。这些是基于改变波导在发射点处的性质。因此，可以使耦合器在发射点处具有良好的耦合性能。这可以以在该点处更高的损失为代价。因为该更高的损失仅发生在耦合点处，所以这将是更可以接受的。
以上的实现在图6中示出。耦合器由耦合性能可以在发射点周围局部改变的材料制成。在一个示例中，耦合以由磁光材料形成在波导15中的光栅为中间介质。光栅由交替连接的磁光材料层形成。因此，在没有磁场29的条件下，光栅极弱，这是因为这些层显示出相同的折射率，而在施加磁场时，这些层具有离散的折射率，并局部形成更强的光栅，该光栅可以布置成具有较高的耦合效率。线圈30放置在部分A中，从而通过施加磁场改变波导局部在发射点处的性质。
同样地，可以应用其它的物理现象来局部地影响波导。例如，通过利用电光效应，其中电场代替磁场并经由电光效应局部地改变耦合，或者通过短暂的耦合，可以使在部分A 10中承载光的材料与波导15之间的间隙足够小，以使材料本身的存在将局部影响该耦合。或者，光学相互作用，例如波导的局部照度，一般地其波长与承载信息的波长不同，可以设置成改变波导的性质或者可以利用声光装置，该声光装置利用声音局部注入来改变波导性质。
作为所提供耦合的无需光栅结构的可代替机构包括使用波导表面上的涂层或者利用荧光，所述涂层正常反射光，从而使光保持在波导内，但不能被局部改变以使光在发射点处通过。利用荧光的耦合示例在图7中给出。光以一个波长注入光导纤维31中，并被吸收在结合到芯32或者光纤的覆层33中的荧光材料中。光的吸收促使荧光材料进入更高的能量状态，这衰减不同波长光的发射。所发射的光是各向同性的，因此光纤收集角内的任何光都将在光纤中传播34，如图7所示，并且所有其它的光将简单地穿过35光纤。
本发明提供了这样一种滑环，其能够使电磁信号、特别是光信号，在一个部分的波导与第二部分的波导之间传递，其中所述两个部分具有相对运动。通过利用耦合技术来实现信号的有效传递，所述耦合技术使波导之间的信号耦合最大化，并使信号在沿着波导剩余部分的传递期间的任何不期望的耦合出最小化。该类型的滑环能够使运动部分之间在宽范围的系统中进行通信，例如在运动的车辆和公路或轨道侧接收器之间。
本发明的重要应用是在因不能得到旋转轴而不能使用标准旋转接头的机器中穿过旋转界面传递数据。具体的示例是用于医疗应用的计算机化轴向层析X射线照相术(CAT)或计算机化层析X射线照相术(CT)扫描仪，其中X射线管和照射检测器围绕身体旋转，并且旋转的照射检测器接收的数据必须传送给计算机，以计算何物曾经处于X射线的路径中，从而这可以显示出来，供医疗专业人员进行解释。使用光学旋转接头不实际，因为其需要安装在轴上，而该轴是身体进行扫描所在的位置。传统地，数据传送已经由电滑环或射频技术实现，但是这些带来的问题是，这些技术缺乏数据传送能力，需要较大的机械组件，并易于带来电磁干扰问题。
已经参照光学信号描述了本发明的这些示例。但是，应当指出，许多实现方式也可应用于电磁频谱的其它部分，特别是微波。
权利要求
1.一种在电磁信号源与电磁波导之间耦合电磁信号的方法，其中，在工作时，所述信号源与波导之间存在相对运动；该方法包括，在信号源发射到波导中的每一位置改变波导的性质，以使信号耦合到波导中；将信号发射到波导中；在该位置处取消所述改变，使得一次发射的信号沿着波导传播；并沿着波导为每个发射位置重复该过程。
2.根据权利要求1的方法，其中，波导是固定的而信号源是运动的。
3.根据权利要求1或权利要求2的方法，其中，已经沿着波导传播的电磁能通过波导的端部离开。
4.根据上述权利要求中任一项的方法，其中，至少一个间隙设置在大致连续的波导环中，以使数据能够被提取出。
5.根据权利要求4的方法，其中，越过所述至少一个间隙的来自信号源的数据的损失通过增加所有其它位置的传输率并防止在该间隙中传输来避免。
6.根据权利要求4的方法，其中，信号源的数量等于间隙的数量；设置成在任一时间仅一个信号源越过间隙；并且其中将从波导提取的数据结合起来，以提供连续的数据流。
7.根据上述权利要求中任一项的方法，其中，电磁信号源是光学信号源。
8.一种电磁信号耦合器，包括与电磁信号源有关的波导和控制器；其中，在工作时，所述信号源与波导之间存在相对运动；其中控制器在信号源发射到波导中的位置处有选择地改变波导，以使信号耦合到波导中；在信号源离开所述位置时取消所述改变；并沿着波导为每个发射位置重复该过程。
9.根据权利要求8的耦合器，其中，波导是固定的，并且信号源是运动的。
10.根据权利要求8或权利要求9的耦合器，其中，已经沿着波导传播的电磁能在波导的端部离开。
11.根据权利要求8-10中任一项的耦合器，其中，至少一个间隙设置在大致连续的波导环中，以使数据能够从波导中被提取出。
12.根据权利要求11的耦合器，其中，信号源的数量等于间隙的数量；设置成在任一时间仅一个信号源越过间隙；并且其中，将从波导提取的数据结合起来，以提供连续的数据流。
13.根据权利要求8-12中任一项的耦合器，其中，电磁信号包括光学信号。
14.根据权利要求13的耦合器，其中，信号通过耦合到波导端部的光导纤维输出。
15.根据权利要求8-14中任一项的耦合器，其中，波导包括结合有可变光栅或表面涂层的表面。
16.根据权利要求15的耦合器，其中，光栅或表面涂层包括磁光、电光、声光或光敏材料中的一种。
17.根据权利要求8-14中任一项的耦合器，其中，波导包括具有荧光芯或覆层的光导纤维。
全文摘要
一种在电磁信号源(13)与电磁波导(15)之间耦合电磁信号的方法，其中，在工作时，所述信号源与波导之间存在相对运动(12)；该方法包括，在信号源发射到波导中的每一位置改变波导(15)的性质，以使信号耦合(17)到波导中；将信号发射到波导中；在该位置处取消所述改变，使得一次发射的信号沿着波导传播(18)；并沿着波导为每个发射位置重复该过程。
文档编号G02B6/30GK1950740SQ200580014742
公开日2007年4月18日 申请日期2005年1月17日 优先权日2004年3月15日
发明者约翰·曼斯布里奇 申请人:罗克·马诺尔研究有限公司