专利名称：在光纤旋转接头中使用的低损耗准直器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及光纤旋转接头，尤其涉及在光纤旋转接头中使用的改进的低损耗准直器。
背景技术：
光纤旋转接头(“F0RJ”)通常有转子，被安装用于围绕轴相对于定子的旋转运动。 光纤分别与转子和定子相通。光信号适合跨越转子和定子之间的界面沿两个方向的任一方向被发送；就是说，从转子到定子，反之亦然。有大量的应用，要求在旋转界面的发送侧上，一根光纤中载运的数据流，要通过跨越该界面的准直透镜，以高信号强度和在该信号强度中最小的变化，在转子和定子之间所有相对角度位置上发送。这样被发送的数据流可以被另一个准直透镜引进界面的接收侧上另一根光纤。在某些应用中，界面发送侧上的光纤被不变地映射到接收侧上特定的光纤。发送和接收光纤既可以是多模的也可以是单模的。如果有多个通道，可以有在多模光纤对和/或单模光纤对上载运的数据流的组合。在某些情形中，大量数据可以用适当的技术，诸如波分复用(“WDM”)技术，在FORJ上被发送。如颁发给 Nova Scotia Research Foundation Corp.的美国专利 No. 4，725，116 的图5所示，多通道FORJ的转子可以载运离轴旋转的第一通道准直器(即梯度折射率棒形透镜)，以及许多另外的离轴旋转通道准直器，这些另外的准直器沿轴向依次地在与第一通道准直器和定子隔开更远的不同位置上。这些不同的准直器全都沿轴向与FORJ的旋转轴隔开。所有准直器被布置成使从其发出的扩展光束的轴，在它们的光学路径的诸部分中，都平行于FORJ的旋转轴。美国专利No. 4，725，116的整个公开内容在此被引用，供参考。第一通道扩展光束沿径向被发送进第一外壳，它在那里被反射镜反射到轴向方向，并在随后被另一个准直器(即另一个梯度折射率棒形透镜)聚集进安装在定子上的不动的光纤。这样完成第一通道，并允许高的和一致强度的信号在发送和接收光纤之间传输。 光束在其上必须保持准直的距离，下文称为“工作距离”。离轴第二通道扩展光束被沿径向发送进第二通道外壳，该第二通道外壳沿轴向被定位在离定子比第一通道外壳更远的位置。在第二通道外壳中，第二通道扩展光束被反射镜反射到轴向方向，并在其后再被两个另外的反射镜进一步反射到偏心位置，在该位置上， 光束平行于旋转轴。然后该光束被另一个准直透镜聚集进安装在定子上的不动的光纤。这样完成第二通道，并允许高的和一致强度的信号在两根光纤之间传输。因为它与定子隔开更远，第二通道光束必须在比第一通道光束的所述距离更长的距离上保持准直。第三通道扩展光束沿径向被引进第三外壳，该第三外壳被定位在离定子比第一和第二外壳还更远的位置。该扩展的第三光束被反射到同轴方向，并在其后再被两个反射镜反射到另一个偏心位置(即不与第二通道的偏心位置重合)，在该位置上，光束平行于旋转轴。第三光束被允许通过第一和第二外壳的开孔，并在其后被另一个准直透镜聚集进安装在定子上的另一根不动的光纤。因为它与定子隔开甚至更远，第三通道光束必须在比第二通道光束的所述距离甚至更长的距离上保持准直。第四和第五通道遵照同样布置。尤其是，第五通道的扩展光束的工作距离大于第四通道扩展光束的工作距离；第四通道的扩展光束的工作距离大于第三通道扩展光束的工作距离；第三通道的扩展光束的工作距离大于第二通道扩展光束的工作距离；而第二通道的扩展光束的工作距离大于第一通道扩展光束的工作距离。第二、第三、和更高通道外壳，在机械上是类似的。就这方面而言，该FORJ的η通道实施例的径向尺寸与任何m通道FORJ的径向尺寸相同，但η通道FORJ的轴向长度正比于FORJ中通道的数量。 多通道FORJ随着单模光纤准直器的使用，也可以被用于获得多通道单模F0RJ。单模光纤仅支持基本光纤模的传输，该基本模在垂直于光纤光轴的平面中的强度分布，在数学上由Bessel函数描述。然而，众所周知，它能够用零阶Hermite-Gauss光束强度分布近似，下文称之为“Gauss光束”。单模光纤被劈开并抛光。在光纤端部的光的波前与有无限大曲率半径的Gauss光束腰相同，并作为发散的Gauss光束离开光纤端部传播。如果光纤端部很接近透镜的焦平面，那么该透镜将使发散的Gauss光束变换为准直的Gauss光束。这样在离透镜的另一个焦平面一定距离上有无限大曲率半径的准直光束腰部处，将获得真正的准直，该距离能够从傍轴Gauss光束传播计算而被确定。如果相同的第二准直器被放置成使它的准直光束腰部的位置与第一准直器的准直光束腰部的位置重合，但准直器的取向被颠倒180度，那么第二透镜把准直的Gauss光束变换为会聚Gauss光束，该会聚Gauss光束的光束腰部被定位在第二光纤端部，这样优化光进入第二光纤的耦合。理想的是，最佳的耦合效率是一；就是说，插入损耗是零。然而，在存在未对准时(如，准直光束腰部位置中的轴向误差)，耦合计算可以被用于确定光学系统的插入损耗。零插入损耗只能够通过使用完美的薄透镜获得，而真实透镜(即具有不同像差和折射率失配的那些透镜)的使用将使最小的可获得的插入损耗不同程度地增加。这些计算结果被显示在图1A，图上示出归一化到最大零损耗值的光纤到透镜焦平面距离π ω//λ (纵坐标)，对归一化到最大零损耗值的透镜焦平面到透镜焦平面距离(工作距离)λ ·2/π ω(ι2(横坐标)的曲线。图IA假定，两个相同单模准直器被使用。对给定波长λ的光，光纤模场半径ω^，和透镜有效焦距f，当在更接近光束被准直处的两个准直透镜的焦平面之间测量时，存在能够获得的等于λ f2/π ω/的零插入损耗的最大工作距离或该两个准直器之间的间距。在该最大的零损耗工作距离上，当光纤距离相对于更接近该光纤的准直透镜的焦平面被测量时，光纤距离各等于Gauss光束的Rayleigh长度π ω02/ λ。在零工作距离上，当从更接近准直光束的准直透镜焦平面测量时，当光纤距离从更接近该光纤的准直透镜焦平面测量时各为零。对小于最大零损耗工作距离的工作距离，存在零插入损耗被计算的两个最佳光纤距离。一个小于Rayleigh长度，而另一个大于Rayleigh长度。一般最好选择两个最佳光纤距离中较小的，因为该准直器对可以被用于更宽范围的有较小插入损耗的工作距离。对大于该最大值的工作距离，最佳插入能够以小于Rayleigh长度的光纤距离获得，但该最佳插入损耗的值随工作距离急剧上升
发明内容
以括弧参照公开的实施例的对应零件、部分或表面，仅仅为举例说明的目的而不作为限制，本发明提供一种多通道光纤旋转接头(20)，它有一个构件(如转子)(49)，被安装用于绕旋转轴(x-x)相对于另一个构件(如定子)旋转。该改进的接头泛泛地包括 安装在构件之一上的第一光纤准直器(61)；安装在另一个构件上的第二光纤准直器(61)； 和定义在准直器之间的光学路径的介入光学元件06、44)，该光学路径允许光信号以被发送信号强度的最小变化、在构件之间所有允许的相对角度位置上、在第一和第二准直器之间传输，光学地被连接的准直器为跨越旋转接头的数据传输提供一条通道。该改进的接头还可以包含多个第一光纤准直器(61)；多个第二光纤准直器 (61)；和在相应各个第一光纤准直器与相应各个第二光纤准直器之间的多个介入光学元件 06、44)，用于定义多条数据传输通道；而其中的光纤准直器包含或是全同的多模光纤或是全同的单模光纤，这些光纤被定位在接近与它们关联的准直透镜的焦平面处。光纤准直器(61)可以包含全同的梯度折射率棒形透镜(62)。数据传输通道的准直器可以有变化的工作距离。第一类许多数据传输通道可以包含可以有工作距离的光纤准直器(61)，该工作距离可以借助四分之一节距梯度折射率棒形透镜(6 以理想零插入损耗获得，该四分之一节距梯度折射率棒形透镜借助光学透明的环氧树脂(6 被加接到光纤(68)上，该工作距离定义需要的轴向形状因子。第二类许多数据传输通道包含有工作距离的光纤准直器(61)，该工作距离不可以用四分之一节距梯度折射率棒形透镜以理想零插入损耗获得，但可以用短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜(6 获得。第三类许多数据传输通道包含有工作距离的光纤准直器(61)，该工作距离既不可以用四分之一节距梯度折射率棒形透镜，也不可以用短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜(6 以理想零插入损耗获得，但可以用短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜以可接受的非零插入损耗获得。短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜(6 借助合适的光学透明的环氧树脂 (63)可以被加接到圆柱形玻璃衬垫(64)，而圆柱形玻璃衬垫的轴向长度可以被选定，以便使接近圆柱形玻璃衬垫的短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的焦平面(62c、62d)，物理地定位在圆柱形玻璃衬垫的外部。圆柱形玻璃衬垫(64)可以具有的直径等于或小于短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的直径。短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜(61)和圆柱形玻璃衬垫(64)可以有被抛光的端面，为了使后向反射最小，该端面被抛光到的取向不垂直于短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的光轴。光纤可以借助合适的光学透明的环氧树脂(6 被加接于圆柱形玻璃衬垫。光纤准直器可以包含短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜(62)、圆柱形玻璃衬垫(64)、和与需要的轴向形状因子一致的光纤(68)。短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜(70)可以借助合适的光学透明的环氧树脂(74)被加接于立方形反射器棱镜(71)，立方形反射器棱镜的宽度被选定以便把短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的焦平面物理地定位在立方形反射器棱镜的外部，并且由此使短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的光学路径弯曲90度。立方形反射器棱镜可以包含涂覆于制备的玻璃基底的高反射金属涂层(79)和借助合适的光学透明的环氧树脂被加接于高反射金属涂层的第二玻璃基底。光纤可以借助合适的光学透明的环氧树脂被加接于立方形反射器棱镜，使光纤轴以90度取向于短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的光轴。立方形反射器棱镜之一可以被等光学路径长度的圆柱形玻璃衬垫替代，其中的光纤被取向成平行于短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的光轴。短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜(78)可以借助合适的光学透明的环氧树脂(8 被加接于直角棱镜(79)，直角棱镜的宽度被选定以便把短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的焦平面物理地定位在直角棱镜的外部，由此使短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的光学路径弯曲90度。直角棱镜可以有涂覆于斜面的高反射多层介质涂层(79a)。光纤可以借助光学透明的环氧树脂被加接于直角棱镜，使光纤轴以90度取向于短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的光轴。直角棱镜之一可以被等光学路径长度的圆柱形玻璃衬垫替代，其中该光纤被取向成平行于短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的光轴。应当清楚，多通道FORJ的需要的实施例，可以要求通道1.....A、A+1.....B、
B+l、. . .、C、C+l、. . .、D，以 D > C > B > A > 1 符合下面三类之一1.通道1直到A并包含A，要求准直器工作距离小于用四分之一节距梯度折射率棒形透镜可获得的工作距离，并且对于该通道，如“背景技术”中所计算的零插入损耗可获得。2.通道A+1直到C并包含C，要求准直器工作距离大于用四分之一节距梯度折射率棒形透镜可获得的最大工作距离，并且对于该通道，如“背景技术”中所计算的非零插入损耗可以获得，但对该通道，该非零插入损耗在给定FORJ技术规格下是可接受的。3.通道C+1直到D并包含D，要求准直器工作距离大于用四分之一节距梯度折射率棒形透镜可获得的最大工作距离，并且对该通道，如“背景技术”中所计算的非零插入损耗可以获得，但对该通道，该非零插入损耗在给定FORJ技术规格下是不可接受的。在美国专利No. 4，725，116中，准直器是用四分之一节距梯度折射率棒形透镜构造的。这样的透镜是可取的，因为这些透镜的焦平面与这些透镜的物理端部重合。光纤到透镜的直接粘结，例如借助合适的UV固化环氧树脂小的轴向厚度，能够容易获得。对小于最大零损耗工作距离的工作距离，选择两个最佳光纤距离的较小的，得到光纤与透镜之间间隔小于光束的Rayleigh长度。对大于最大零损耗工作距离的工作距离，单一的最佳光纤距离同样小于光束的Rayleigh长度。对被空气填充的间隔，从单模光纤端面扩展的光束的 Rayleigh长度，一般是数十微米。如此小的间隔以光学透明的环氧树脂填充是有利的，增加间隔的倍增因子等于光学透明的环氧树脂的折射率。这样得到一片以光纤端部被环氧树脂封装以防污染的准直器组件，且它绕准直透镜光轴是径向对称的。如上所述，降低梯度折射率棒形透镜的节距将增加透镜的有效焦距，随之将增加透镜的最大零损耗的工作距离。例如，在四分之一节距和在1550nm上，Selfoe SLW-l. 8透镜(Selfoc 是在日本东京卜7Kaigan2-Chome Minato-ku 的 Nippon Sheet Glass Co. Ltd公司的注册商标)具有的有效焦距1.93mm，长度4. 8mm，及后焦距0mm。如果假定使用 SMF-28 单模光纤(SMF-28 是在纽约 Corning，One Riverfront Plaza 的 Corning Inc. 公司的注册商标)，在1550nm上的模场半径5. 2 μ m，则在“背景技术”中描述的计算表明，最大零损耗工作距离为68. 0mm，离每一透镜另一端部的最佳光纤距离(空气中)为8 μ m。梯度折射率透镜的节距缩减到例如0. 11，导致有效焦距为3. 01mm、长度为2. Ilmm 和后焦距为2. 32mm。上述计算于是指出最大零损耗工作距离为165mm，离每一透镜另一端部的最佳光纤距离(空气中)为2. 37mm。如此大的光纤距离难以用光学透明环氧树脂完全填充。然而，与透镜同样直径的圆柱形玻璃衬垫，可以例如借助UV固化环氧树脂被粘附于在光纤侧变短的透镜。玻璃衬垫具有的轴向长度被计算，使透镜的焦平面和衬垫的端部重合。在此情形下，离衬垫的最佳光纤距离(空气中)再次等于光束的Rayleigh长度，并能够有利地例如以UV固化环氧树脂填充。这样提供的准直器组件是绕准直透镜的光轴径向对称的，从而遵从与标准梯度折射率棒形透镜准直器相同的径向形状因子。这就是美国专利No. 4，725，116中FORJ的优选实施例，但能有较低插入损耗的更长的工作距离。梯度折射率透镜的节距的缩减并不引起准直器轴向长度的略微变化。使用上述例子，0. 11节距的Selfoe SLW-1.8透镜的轴向厚度大致为2. llmm，并有2. 32mm的后焦距。使用例如有1. 5的折射率的玻璃衬垫，要求衬垫的轴向厚度等于透镜的后焦距乘以衬垫材料的折射率(在本例中等于3. 48mm)，如与四分之一节距Selfoc SLff-L 8透镜自身的4. 8mm 相比，透镜衬垫组件合计的总轴向长度是5. 6mm。另一种衬垫材料的使用将改变透镜衬垫组件的整个轴向长度。然而，长度的变化范围将是小的。例如，使用有1.4的折射率的玻璃衬垫材料，得到的透镜衬垫组件轴向长度大致为5. 4mm。使用有1. 6的折射率的玻璃衬垫材料，得到的透镜衬垫组件轴向长度大致为5. 8mm。能够可行地用在上面准直器组件中的短节距梯度折射率透镜的节距，是有下限的。第一个约束是由于对轴向厚度的物理限制，玻璃圆柱体可以被抛光到该厚度和/或有抗反射涂层涂覆到该厚度。第二个约束是由于短节距梯度折射率透镜的数值孔径的变化。 在四分之一节距上，Selfoe SLW-1. 8透镜的数值孔径是0. 46，它能够或者从透镜本身的梯度折射率项计算，或者更简单地把透镜的半直径除以有效焦距计算。随着透镜的有效焦距的增加，数值孔径下降。在上述0.11节距Selfoe slw-i.8透镜的例子中，数值孔径是 0. 30，它仍然比Corning SMF-28 单模光纤0. 14的强度数值孔径大。插入损耗改进已经由实验证明。两个标准四分之一节距梯度折射率棒形透镜被用于建立一个有150mm工作距离的准直器对。需要的工作距离约为最大零损耗工作距离68mm 的2. 2倍，而插入损耗能够其后被估算为约2. 5dB。在要求该工作距离的光纤旋转接头中使用该准直器对，通常得到测量的插入损耗约6dB。第二个准直器对是用0. 11节距梯度折射率棒形透镜建立的，有相同的工作距离。此外，理论上预期的插入损耗可以从图3确定。需要的工作距离小于165mm的最大零损耗工作距离，且插入损耗能够其后被估算为OdB。在要求该工作距离的相同光纤旋转接头中使用该准直器对，得到测量的插入损耗约2. 5dB，有 3. 5dB的改进。插入损耗的改进大于理论预期，这能够是对两个准直器对的实际工作距离中和在旋转接头中需要的工作距离的变化的贡献。参考上述多通道FORJ的需要的实施例，使用短节距梯度折射率棒形透镜的准直器的引入，导致符合下面四类之一的通道1.通道1直到A并包含A，要求准直器工作距离小于用四分之一节距梯度折射率棒形透镜可获得的工作距离，并且对该通道，如上文计算的零插入损耗可以获得；就是说， 在引入短节距梯度折射率棒形透镜之后，插入损耗没有改进。2.通道A+1直到B并包含B，要求准直器工作距离大于用四分之一节距梯度折射率棒形透镜可获得的工作距离，并且对该通道，如上文计算的非零插入损耗可以获得。该非零插入损耗在FORJ的技术规格下是可接受的，但另外要求准直器工作距离小于用给定短节距梯度折射率棒形透镜可获得的工作距离。零插入损耗是如上文计算的；就是说，在引入短节距梯度折射率棒形透镜之后，插入损耗有改进。3.通道B+1直到C并包含C，要求准直器工作距离大于用四分之一节距梯度折射率棒形透镜可获得的工作距离，并且对该通道，如上文计算的非零插入损耗可以获得，但对该通道，该非零插入损耗在FORJ技术规格下是可接受的，但另外要求准直器工作距离较低程度地大于用给定短节距梯度折射率棒形透镜可获得的工作距离，且对该通道，如上文所计算的较小的非零插入损耗可以获得；就是说，在引入短节距梯度折射率棒形透镜之后，插入损耗有改进。4.通道C+1直到D并包含D，要求准直器工作距离大于用四分之一节距梯度折射率棒形透镜可获得的最大工作距离，并且对该通道，如上文计算的非零插入损耗可以获得， 但对该通道，该非零插入损耗在给定的FORJ技术规格下是不可接受的，但另外要求准直器工作距离较低程度地大于用给定短节距梯度折射率棒形透镜可获得的工作距离，且对该通道，非零插入损耗在给定FORJ技术规格下是可接受的；就是说，在引入短节距梯度折射率棒形透镜之后，有可接受插入损耗的通道的数量增加。因此应当了解，通道1直到A并包含A，没有由于降低梯度折射率棒形透镜的节距而被改进。对这些通道，继续使用四分之一节距梯度折射率棒形透镜是有利的，因为准直器的构建将更简单。还应当了解，通道A+1直到C并包含C，由于降低梯度折射率棒形透镜的节距而被改进。降低使用的梯度折射率棒形透镜的节距，只对有必要降低插入损耗的这些通道有利。还应当了解，通道C+1直到D并包含D，要求使用短节距梯度折射率棒形透镜，以便被引入FORJ中并满足对插入损耗要求的技术规格。众所周知，比上面指出的SLW-1. 8透镜有更长有效焦距的其他四分之一节距梯度折射率棒形透镜，是存在的。这类透镜的例子包含Selfoc slw-3. ο透镜和Selfoc SLW-4. 0透镜，四分之一节距上的在1550歷的有效焦距分别为3. Ilmm和4. 19mm。这些透镜提供的最大零损耗工作距离分别为176mm和320mm，显著比上面计算的0. 11节距SLW-1. 8 透镜的最大零损耗工作距离更长。然而，这些替代的透镜的直径分别为3. Omm和4. 0mm。以四分之一节距SLW-1. 8透镜设计的美国专利No. 4，725，116中公开的实施例，将不要求重新设计工作，以便在要求更长工作距离的那些通道中引入有衬垫的短节距SLW-1. 8透镜；就是说，确实要求使用短节距梯度折射率棒形透镜的那些通道的外壳，将继续与不要求使用短节距梯度折射率棒形透镜的那些通道的外壳相同。降低梯度折射率棒形透镜的节距将增加透镜的后焦距，这样提供的光纤到透镜的间隔大得足以允许非轴向对称准直器的构建。短节距梯度折射率棒形透镜的增加的后焦距，充分允许在光纤和透镜之间插入直角棱镜，并允许光纤以与FORJ的旋转轴成直角出离F0RJ，无需增加FORJ的长度以允许光纤上的低损耗弯曲半径。在这种应用中，透镜的更大有效焦距，以及准直器工作距离的同量增加，不是基本目标。这样的准直器反而可以有利地被用于获得扁平样式旋转接头，其中旋转及不动光纤中一个或二者垂直于该旋转接头的旋转轴进入F0RJ。这样能够缩减单个通道的FORJ的轴向长度，诸如在美国专利Nos 4，398，791,5, 039，193和/或5，588，077中所公开的，这些专利的汇总的公开内容在此也被引用供参考。因此，本发明的一般目的是提供改进的低损耗准直器。另一个目的是提供在光纤旋转接头中使用的低损耗准直器。这些及其他目的和优点，将从前述和后述的书面说明书、例图和所附权利要求书变得明显。
图IA是归一化到最大零损耗值的光纤到透镜焦平面距离π ω//λ (纵坐标)，对归一化到最大零损耗值的透镜焦平面到透镜焦平面距离(工作距离)λ f2/π ω横坐标) 的曲线。图IB是市面上可购得的梯度折射率棒形透镜，具体是SLW-1.8 Selfoe 透镜的透镜有效焦距(纵坐标)对节距(横坐标)的曲线。图IC是市面上可购得的梯度折射率棒形透镜，具体是SLW-1.8 Selfoe 透镜的透镜长度(纵坐标)对节距(横坐标)的曲线。图2是光纤旋转接头的纵向竖直断面视图，该视图除另外指出的外，与美国专利 No. 4，725，116 的图 5 类似。图3A是本发明第一实施例的示意图，该实施例有左边的光纤/套筒子组件，借助光学透明环氧树脂附着于居中玻璃衬垫，该玻璃衬垫又借助光学透明环氧树脂附着于右边的短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜。图;3B是图3A所示梯度折射率棒形透镜的详细视图。图3C是图3A所示玻璃衬垫的详细视图。图3D是图3A所示光纤/套筒子组件的详细视图。图4A是本发明第二实施例的示意图，该实施例包含光纤/套筒子组件，借助光学透明环氧树脂附着于有高反射金属涂层的立方形反射器棱镜，该立方体又借助光学透明环氧树脂附着于短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜。图4B是图4A所示立方形反射器棱镜的示意图。图5A是本发明第三实施例的示意图，该实施例包含光纤/套筒子组件，借助光学透明环氧树脂附着于有高反射多层介质涂层的直角棱镜，该棱镜又借助光学透明环氧树脂附着于短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜。图5B是图5A所示直角棱镜的示意图。
具体实施例方式首先，应当清楚地理解，相同的参考数字被用于识别相同结构元件、部分和表面，一致地贯穿诸多所画的图，因为这类元件、部分或表面可以被整个书面说明书进一步描述或解释，该详细描述是其完整部分。除非另外指出，附图被计划与说明书一起阅读(如，剖面线、零件的布置、比例、程度等)，并被认为是本发明整个书面说明书的一部分。如在下面的描述中所使用，术语“水平”、“竖直”、“左”、“右”、“上”和“下”，以及它们派生的形容词和副词(如。“水平地”、“向右地”、“向上地”等)，简单地指被示出结构的取向，因为具体的附图通常面向读者。同样，术语“向内地”、和“向外地” 一般按恰当方式指表面相对于它的延长的轴、或旋转轴的取向。光纤旋转接头(图2)现在参考图1，光纤旋转接头的第一实施例，一般以20表示，将被描述。图2除这里说明的以外，与美国专利No. 4，725，116的图5类似。因此，下面的描述将解释前述专利的说明书中使用的文字。本具体实施例被画出有五个光输入和输出，虽然应当理解，该结构可以改变成容纳任何数量的输入和输出通道，唯一的限制是能够容许的传输损耗程度。接头20包含有右边的头端22和左边的尾端23的定子21，和把该头端连接到尾端的沿水平方向延长的光学透明圆柱形管24。该头端是圆柱形的，并包含水平中央通孔25和四个环绕中央孔25的沿圆周隔开的水平通孔，各个都以沈表示。图2中只有两个孔沈可以被看到。每一孔适合接纳使光信号载运光纤连接到头端的装置观。在公开的实施例中， 旋转接头容纳五根这样的光纤，一根用于中央孔25和一根用于每个环绕孔26。三根可见的光纤分别被指定为四、30和31。每一光纤终止在梯度折射率棒形透镜32上，诸如Selfoe 透镜，该透镜起增大离开透镜的光信号的直径或缩小进入透镜的光信号的直径的作用，取决于光信号的传播方向。在它的背侧，头端22定义支承装置，该支承装置包含有大直径孔34的左边延伸的水平圆柱形筒形孔座(boss) 33，该大直径孔在头端中又与中央孔25相通。事实上，被粘附于中央光纤四的透镜32稍稍凸出进孔34中。一对轴向隔开轴承组件35、35在孔34内被夹紧于轮毂33，其目的将在下文描述。沿透明管M被隔开并不可旋转地被夹紧于透明管M的是多个(有四个被示出) 分开的支承装置或单元，各个都以36表示。因为它们彼此相同，只有一个将被专门描述。每一支承单元36是圆柱形的并包含设有三个沿圆周隔开的通孔39、39、39的大直径部分38。这些孔与通过定子的头端提供的环绕孔25 J6对准。每一支承单元还包含第四个偏心地放置的沿轴向取向的通孔40，它与沿径向延伸的孔41相交，后者又与从部分38 的背表面进入部分38的短的轴向孔42相交。在孔40与41相交处，座43被机械加工出来以接纳反射镜44，该反射镜被放置成与沿轴向引导的光学路径和沿径向引导的光学路径成 45°角。在孔41与42相交处，另一个座45被机械加工出来以便接纳反射镜46，该反射镜也被布置成与轴向和径向的路径成45°角。反射镜46被安排把光向反射镜44反射，反之亦然。最接近头端的支承单元36被取向并紧固在筒形孔座33内，使它的孔34和反射镜46在一直线上，以便拦截从中央光纤四引出的光信号。因为穿过单元33的其他三个孔 39、39、39不受阻碍，被引向或来自其他光纤的光信号将穿过这些孔中适当的一些。左边紧邻的单元36按90°角相对于刚刚描述的最右边的单元被取向，以便从它的光纤引出的光信号将被它的反射镜44拦截，来自其余两根光纤的信号继续通过不受阻碍的孔。左边紧邻的单元36按90°角相对于前面单元(而按180°角相对于最接近头端的单元)被取向，以便从它的光纤引出的、已经穿过前面的两个支承单元的光信号，被它的反射镜44拦截。从该剩余光纤引出的光信号，将被它的最后面支承单元36的反射镜44拦截，该单元按90 °角相对于前面的单元被取向。在每一情形中，来自光纤之一的信号被相应支承单元中反射镜44之一反射，从平行于接头轴的路径到垂直于或横切接头轴的路径。在每一例子中，这样被反射的信号再次在对应的支承单元中被反射镜通过90°角的反射，以便成为同轴的。每一支承单元36包含中央孔座、与该孔相通的中央孔、和被紧固在中央孔内的轴承组件。每一支承单元本身还承载反射单元，该反射单元构造上基本上与先前描述的相同。 因此，每一反射单元包含圆柱形段、与该段成直角的段、径向和轴向孔、反射镜和永久磁铁。 每一反射单元可旋转地被包含在相应支承单元中的轴承组件支承，每一支承单元有一个反射单元，包含在定子头端后侧形成的支承单元。定子的尾端23实质上是圆柱形的，并被紧固于透明管M的左边界端。一个轴承组件48被安装在定子尾端，而另一个轴承组件48被安装在定子头端22。旋转接头还包含转子49，该转子有头端50、尾端51、和把该头端连接到尾端的沿水平方向延长的筒形体52。转子头端50由轴承组件48作轴颈支承(to be journal led by)在定子头端22上，而转子尾端51由另一个轴承组件48作轴颈支承在定子尾端23上， 转子筒形体52包围定子透明管24。为了密封该接头的内部，在转子盖构件中提供0形环密封，用于与定子头端密封啮合。该盖构件被机械螺栓连接到转子头端，并被常用的0形环与之密封。转子筒形体52有多根(本例中是五根)沿纵向隔开的光信号运载光纤，各根都以 53表示，由连接装置M与之连接。从头端到尾端，转子光纤被个别地分别以参考数字53A、 53B、53C、53D和53E标识。每一转子光纤终止在梯度折射率棒形透镜55中，这些棒形透镜 55的焦距与每一定子棒形透镜32相同。每一透镜55通过环形体延伸，以便紧邻定子透明管对定位。每一转子光纤和它的透镜的光轴，与横切平面重合，该横切平面包含相应反射单元58的孔56中定义的光学路径。沿直径在每一光纤和它的透镜的相反侧，转子环形体52承载永久磁铁59，该磁铁的极性与被反射单元58承载的相应磁铁60极性相反。进入定子光纤的光信号经由包含可旋转反射构件的光学路径，被发送到转子光纤，该构件的作用是从接头的轴向旋转转子光纤发送光信号，凭借各磁铁对59、60之间的磁性交互作用，各反射构件被驱动并保持与转子光纤的对准。在描述定子21的结构中，应当指出，从每一定子光纤四、30、31等发出的光信号， 将传送进定子并将包含一部分是从相应支承单元沿接头的轴传送的。该部分被相应支承单元中旋转的反射单元的反射镜44反射，并通过透明管被相应转子光纤的梯度折射率透镜 55接收，该转子光纤凭借前述磁铁交互作用，保持与反射单元的出射光学路径对准。在示出的实施例中，来自中央定子光纤四的信号，将被引向转子光纤53A ；来自定子光纤30的信号，将被引向转子光纤53B ；来自定子光纤31的信号，将被引向转子光纤53C ；而来自其他定子光纤的信号，将分别被转子光纤53D和53E接收。当然，沿相反方向从转子光纤通过反射的路径到定子光纤的信号，也一样容易发送。此外，信号方向的组合可以供下面的信号使用，例如沿两条路径的转子到定子方向传送的信号，和沿其他路径的定子到转子方向传送的信号。在转子旋转期间，各种不同信号路径的交叉不会对信号产生严重影响，因为这类干扰的持续时间是无限小。虽然没有分开地示出，但应当理解，替代的磁铁配置可以被用在图2的多通道旋转接头中。当Selfoe 透镜被作为光耦合使用时的一种特征是，传输损耗与它们之间的距离在比例。在刚描述的实施例中，对光纤四和53々之间的耦合，这样的传输损耗极小，但随着透镜之间距离的增加，对每一通道将逐渐地变得更大。因此，虽然这种旋转接头可以装载的通道数量实际上不受限制，但被装载的最大通道数量将由能够容许的传输损耗最大程度确定。第一实施例(图3A-3D)现在参考图3A，本发明的第一实施例提供一种径向对称短节距准直器，一般以61 表示。该准直器包含短节距梯度折射率棒形透镜62，经由居中光学透明环氧树脂63被紧固于圆柱形玻璃衬垫64的一端。衬垫的另一端经由居中光学透明环氧树脂65被紧固于光纤/套筒子组件。该光纤/套筒子组件作为有包围光纤68右边界端部的环形套筒66被示出。该光纤既可以是多模也可以是单模光纤。在图;3B中，短节距梯度折射率棒形透镜62是作为沿水平方向延长的圆柱形棒状构件被示出的，它有水平轴X-X、衬垫侧左端部62a、右端部62b、衬垫侧焦平面62c、和右焦平面62d。端部62a、62b的取向，要么垂直于光轴x_x(如图所示)，要么为降低从端部的后向反射的目的而与垂直于光轴的平面成小的角度取向。应当了解，端部的法向矢量最好共在图3C中，圆柱形玻璃衬垫64也是作为沿水平方向延长的圆柱形棒状构件被示出的，它有水平轴X-X、套筒/光纤侧左端部64a、和衬垫侧右端部64b。玻璃衬垫的直径最好等于或小于梯度折射率棒形透镜62的直径。当在衬垫介质中计算时，衬垫具有的轴向长度等于或小于梯度折射率棒形透镜的焦距，使棒形透镜衬垫侧焦平面62c被定位在该衬垫的外部。玻璃衬垫的端部64a、64b可以要么垂直于中央轴，要么为降低从端部的后向反射的目的而与垂直于中央轴的平面成小的角度取向。应当了解，端部的法向矢量最好共面。再参考图3A，梯度折射率棒形透镜的左端部62a，可以用UV固化环氧树脂的非常小的厚度63加接于圆柱形玻璃衬垫的右端部64b，以便使透镜的光轴x-x与衬垫的中央轴 x-x重合，并使UV固化环氧树脂和衬垫都不沿径向往外延伸超出透镜的径向范围。就此而言，使用具有比透镜直径更小直径的衬垫是合乎需要的。在上面讨论的布置中，其中，部件的一个或多个端部的取向，与垂直于它们相应的轴的平面成小的角度，且其中，每一部件成角度的端部表明彼此越过薄UV固化环氧树脂粘合剂接触，应当理解，要保持中央轴和光轴的重合，该小的角度应当大小相等，且衬垫和透镜的取向要使成角度的端部的法向矢量共 在图3D中，光纤68有中央轴x-x和光纤衬垫侧端部68a。套筒有中央轴x_x和套筒衬垫侧端部66a。套筒最好有小于透镜或衬垫直径的直径。光纤端部最好与套筒端部重合，而光纤中央轴平行于套筒中央轴，且最好与套筒中央轴重合。光纤衬垫侧端部有利地与套筒衬垫侧端部相同地被取向。光纤中央轴最好平行于套筒中央轴。套筒最好有等于小于圆柱形玻璃衬垫直径的直径。套筒端部可以被安排在垂直于轴x-x平面中，或者为降低从端部的后向反射的目的而被安排与垂直于中央轴的平面成小角度的平面内取向。再次参考图3A，光纤/套筒子组件的右端部用厚UV固化环氧树脂65加接于玻璃衬垫的左端部，最好使光纤/套筒子组件的中央轴的取向与棒形透镜和玻璃衬垫的光轴重合，并使UV固化环氧树脂和光纤/套筒子组件都不沿径向往外延伸超过透镜的径向范围。 就此而言，使用具有比衬垫直径更小直径的套筒是合乎需要的。在上面描述的布置中，其中，部件的一个或多个端部的取向，与它们相应的轴成小的角度，且其中，每一部件成角度的端部表明彼此越过薄UV固化环氧树脂粘合剂接触，应当理解，要保持中央轴和光轴的重合，该小的角度应当大小相等，且套筒和衬垫的取向要使成角度的端部的法向矢量共面。通过这些手段，准直器组件的径向形状因子，与使用标准四分之一节距透镜制造的类似的轴向对称准直器组件的径向形状因子相同。透镜61可以替代图2的透镜32和/或55。第二实施例(图4A和4B)现在参考图4A，本发明的第二实施例，一般以69表示，包括轴向非对称短节距准直器，适合要求光纤入口的取向与旋转接头的旋转轴成直角的光纤旋转接头中使用，或者供尺寸的限制阻止轴向对称准直器的使用而把光纤弯曲到直角入口的应用中使用。第二实施例包括与图3A所示第一一般实施例类似的子部件。因此，准直器组件20包含短节距梯度折射率棒形透镜70、直角立方形反射器棱镜71 (它代替第一实施例的玻璃衬垫)、和光纤 /套筒子组件，该光纤/套筒子组件包括套筒73内的光纤72。透镜70的左端部借助光学透明环氧树脂74紧固于棱镜71的右表面。同样，光纤/套筒子组件的上端部借助光学透明环氧树脂75紧固于棱镜71的下表面。这些环氧树脂能够是合适的UV固化环氧树脂。参考图4B，立方形反射器棱镜具有的立方形反射器棱镜71，如图所示有沿对角线延伸通过立方形反射器棱镜的光学反射金属层71a。因此，光沿中央水平轴x-x进入棱镜， 与它的竖直右表面71b相交，并经由与它的水平下表面71c相交的中央竖直轴y_y出射，反之亦然。最好是，立方形反射器棱镜的中央水平轴与短节距梯度折射率棒形透镜的光轴重合，且立方形反射器棱镜的中央水平轴与光纤/套筒子组件的中央轴重合。立方形反射器棱镜端部的法线最好相互垂直。立方形反射器棱镜具有的宽度，当在棱镜的介质中计算时， 等于或勉强小于短节距梯度折射率棒形透镜的焦距，使得短节距梯度折射率棒形透镜衬垫侧焦平面被定位在立方形反射器棱镜外部。在本实施例中，棒形透镜的衬垫侧端部一般垂直于棒形透镜的光轴，而光纤/套筒子组件的端部一般垂直于光纤/套筒子组件的中央轴。立方形反射器棱镜的使用，有利的是使用不管有无反射涂层的标准直角棱镜。在没有反射涂层的标准直角棱镜的情形中，光束所需要的90度弯曲，可以借助在斜面上的全内反射获得。例如，对普通玻璃BK7，全内反射出现的入射临界角，当透射介质是空气时，约为41. 8度。在本实施例中，从光纤出射的光束中央光线的入射角是45度，它大于临界角。 然而，光束离开光纤是发散的，并且光束能量的大部分将通过斜面透射。因此反射表面是需要的。在有金属反射涂层的标准直角棱镜情形中，光束能量由于吸收而在斜面损耗的部分，依赖于所选金属。铝，最通常被选作获得玻璃中光束90度弯曲的金属，在普通光纤传输波长850nm上的反射率小于90%，在普通光纤传输波长1310nm和1550nm上的反射率增加到约95%。这样产生的插入损耗代价，在850nm上大于0. 46dB，而在1310nm和1550nm上大于0. 22dB。对此的改进可以借助金反射涂层获得，它在所有三种传输波长上的反射率大于 97%。这样产生的插入损耗代价小于0. lldB。然而，直接在玻璃上淀积金是困难的，因此， 立方形反射器棱镜，例如可以在以例如铬粘着层制备的标准直角棱镜的斜面上淀积金而建立，然后，例如用UV环氧树脂，把该涂层加接到第二个直角棱镜的斜面。利用该解决方案， 只有一个构成的直角棱镜被用于光学路径。在有多层介质涂层的标准直角棱镜的情形中，光束需要的90度弯曲可以在需要的传输波长上以高反射率获得。准直器69可以供光纤旋转接头20使用。第三实施例(图5A和5B)现在参考图5A，本发明的第三实施例，一般以76表示，包含短节距梯度折射率棒形透镜78、直角三角形反射器棱镜79 (它代替第一实施例的玻璃衬垫)、和光纤/套筒子组件，该光纤/套筒子组件包括套筒81内的光纤80。透镜78的左端部借助光学透明环氧树脂82紧固于棱镜79的右表面。同样，光纤/套筒子组件的上端部借助光学透明环氧树脂 83加接于棱镜79的下表面。这些环氧树脂能够是合适的UV固化环氧树脂。参考图5B，立方形反射器棱镜79，如图所示在它的倾斜背面上有光学反射金属层 79a。因此，光沿中央水平轴x-x穿过它的竖直右表面32c进入棱镜，并沿与它相交的中央竖直轴y-y通过它的水平下表面3 出射，反之亦然。最好是，立方形反射器棱镜的中央水平轴与短节距梯度折射率棒形透镜的光轴重合，且三角形反射器棱镜的中央竖直轴与光纤 /套筒子组件的中央轴重合。直角棱镜端部的法线最好相互垂直。直角棱镜具有的宽度，当在棱镜的介质中计算时，等于或勉强小于短节距梯度折射率棒形透镜的焦距，使得短节距梯度折射率棒形透镜衬垫侧焦平面被定位在直角棱镜外部。在本实施例中，棒形透镜的衬垫侧端部一般被迫垂直于棒形透镜的光轴，而光纤/套筒子组件的端部一般被迫垂直于光纤/套筒子组件的中央轴。准直器76可以供光纤旋转接头20使用。修改本发明考虑到许多变化和修改可以被作出。例如，准直器组件可以有光学路径、不论是直线的或有角度的。反射器棱镜可以是有镜面的对角表面的立方体，或可以是有镜面的后表面的三角形棱镜。其他的变化也可以作出。因此，虽然改进的低损耗准直器的数个实施例，已经被示出并描述，而其若干修改被讨论，本领域熟练技术人员应当容易明白，各种不同的另外变化和修改可以作出，而不偏离本发明的精神，本发明按下面的权利要求书定义和区分。
权利要求
1.一种具有被安装用于相对于另一个构件绕旋转轴旋转的一个构件的多通道光纤旋转接头，包括被安装在所述构件之一上的第一光纤准直器；被安装在所述构件另一个上的第二光纤准直器；和在所述准直器之间定义光学路径的介入光学元件，该光学路径允许光信号以被发送信号强度的最小变化、在所述构件之间所有允许的相对角度位置上、在所述第一和第二准直器之间传输，所述光学地被连接的光纤准直器为跨越所述旋转接头的数据传输提供一条通道。
2.按照权利要求1的多通道光纤旋转接头，包括多个所述第一光纤准直器；多个所述第二光纤准直器；和在对应的各个所述第一光纤准直器和对应的各个所述第二光纤准直器之间的多个介入光学元件，用于定义多个数据传输通道；和其中所述光纤准直器包含或是全同的多模光纤或是全同的单模光纤，这些光纤被定位在接近与它们关联的准直透镜的焦平面处。
3.按照权利要求2的多通道光纤旋转接头，其中所述光纤准直器包含全同梯度折射率棒形透镜。
4.按照权利要求3的多通道光纤旋转接头，其中所述数据传输通道的准直器，有变化的工作距离。
5.按照权利要求4的多通道光纤旋转接头，其中第一类许多所述数据传输通道，包含具有工作距离的光纤准直器，该工作距离可以用四分之一节距梯度折射率棒形透镜以理想零插入损耗获得，该四分之一节距梯度折射率棒形透镜借助光学透明的环氧树脂被加接到所述光纤上，该工作距离定义需要的轴向形状因子。
6.按照权利要求5的多通道光纤旋转接头，其中第二类许多所述数据传输通道，包含具有工作距离的光纤准直器，该工作距离不可以用四分之一节距梯度折射率棒形透镜以理想零插入损耗获得，但可以用短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜获得。
7.按照权利要求6的多通道光纤旋转接头，其中第三类许多所述数据传输通道，包含具有工作距离的光纤准直器，该工作距离不可以用四分之一节距梯度折射率棒形透镜以理想零插入损耗获得，但可以用短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜获得。
8.按照权利要求7的多通道光纤旋转接头，其中所述短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜借助光学透明的环氧树脂被加接到圆柱形玻璃衬垫，且其中所述圆柱形玻璃衬垫的轴向长度被选定，以便使接近所述圆柱形玻璃衬垫的所述短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的焦平面，物理地定位在所述圆柱形玻璃衬垫的外部。
9.按照权利要求8的多通道光纤旋转接头，其中所述圆柱形玻璃衬垫具有的直径等于或小于所述短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的直径。
10.按照权利要求9的多通道光纤旋转接头，其中所述短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜和所述圆柱形玻璃衬垫有被抛光的端面，为了使后向反射最小，该端面被抛光到的取向不垂直于所述短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的光轴。
11.按照权利要求10的多通道光纤旋转接头，其中所述光纤借助光学透明的环氧树脂被加接于所述圆柱形玻璃衬垫。
12.按照权利要求11的多通道光纤旋转接头，其中所述光纤准直器，包含所述短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜、所述圆柱形玻璃衬垫、和与需要的轴向形状因子一致的光纤。
13.按照权利要求7的多通道光纤旋转接头，其中所述短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜，借助光学透明的环氧树脂被加接于立方形反射器棱镜，所述立方形反射器棱镜的宽度被选定以便把所述短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的焦平面物理地定位在所述立方形反射器棱镜外部，由此使所述短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的光轴弯曲90度。
14.按照权利要求13的多通道光纤旋转接头，其中所述立方形反射器棱镜包含涂覆于制备的玻璃基底的高反射金属涂层和借助光学透明的环氧树脂被加接于所述高反射金属涂层的第二玻璃基底。
15.按照权利要求14的多通道光纤旋转接头，其中所述光纤借助光学透明的环氧树脂被加接于所述立方形反射器棱镜，其中所述光纤轴以90度取向于所述短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的光轴。
16.按照权利要求15的多通道光纤旋转接头，其中所述立方形反射器棱镜之一被等光学路径长度的圆柱形玻璃衬垫替代，其中所述光纤被取向成平行于所述短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的光轴。
17.按照权利要求7的多通道光纤旋转接头，其中所述短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜借助光学透明的环氧树脂被加接于直角棱镜，所述直角棱镜的宽度被选定以便把所述短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的焦平面物理地定位在所述直角棱镜外部，由此使所述短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的光轴弯曲90度。
18.按照权利要求17的多通道光纤旋转接头，其中所述直角棱镜包括涂覆于标准直角棱镜的斜面的高反射多层介质涂层。
19.按照权利要求18的多通道光纤旋转接头，其中所述光纤借助光学透明的环氧树脂被加接于所述直角棱镜，其中所述光纤轴以90度取向于所述短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的光轴。
20.按照权利要求19的多通道光纤旋转接头，其中所述直角棱镜之一被等光学路径长度的圆柱形玻璃衬垫替代，其中所述光纤被取向成平行于所述短于四分之一节距梯度折射率棒形透镜的光轴。
全文摘要
供光纤旋转接头(20)中使用的光纤准直器被公开，该接头提供改进的插入损耗性能。光纤准直器的一个实施例有具有小于四分之一的节距的梯度折射率棒形透镜(61)。插入损耗的改进之所以产生，是由于该透镜的有效焦距随节距的减小而增加，使准直器获得更长的工作距离。与较为典型的四分之一节距梯度折射率棒形透镜的零后焦距比较，有效焦距的增加伴随着透镜后焦距的增加。增加的后焦距能够被圆柱形玻璃衬垫(64)填充，光纤(68)则附着于该圆柱形玻璃衬垫(64)，得到与常用的四分之一节距梯度折射率棒形透镜准直器有非常类似的形状因子的准直器。增加的后焦距还能够以直角棱镜(71)形式被填充，光纤则附着于该直角棱镜(71)，因此该光纤以90度取向于该透镜的光轴，这对扁平样式混合滑环的应用有用，其中进入旋转接头的光纤入口的所需方向垂直于旋转接头的旋转轴。
文档编号G02B6/40GK102334052SQ200980157375
公开日2012年1月25日 申请日期2009年2月25日 优先权日2009年2月25日
发明者J·思诺, M·奥布赖恩 申请人:全讯科技公司