張兆亭

摘要：光旋轉連接頭不但在工業(yè)和能源上應用廣泛，而且其應用領域幾乎遍布了軍事國防的各個領域。因此，光旋轉連接頭的研發(fā)對我國具有非常重要的意義。對光旋轉連接頭的主要功能及其最新進展進行了綜述，介紹了單通道、多通道和中空式等光旋轉連接頭的原理、技術和特點，進行了比較，列出各類連接器的優(yōu)缺點。并對各類光旋轉連接頭適用場合進行了簡要介紹。

關鍵詞：連接器；旋轉；單通道；多通道

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

文章編號：1672—3198（2014）21—019601

1光旋轉連接頭概述

光旋轉連接頭（fiber optic rotary joint）又稱光纖滑環(huán)、光纖匯流環(huán)、光纖旋轉接頭，光旋轉連接頭是光纖連接器的一種高端器件。

光旋轉連接頭存在的主要問題在于：光纖直接耦合困難導致插入損耗大，為了保證平穩(wěn)轉動需要精密的機械結構，加工和裝配精度要求高，生產效率較低，器件成本高，這些成為阻礙光旋轉連接頭大規(guī)模應用的重要因素。為了有效發(fā)揮光旋轉連接頭技術的優(yōu)勢，克服其存在的技術問題，推動光旋轉連接頭的應用，國內外的研究者一直在開展多方面的研究。本文通過專利信息的分析對光旋轉連接頭技術進行梳理和展望。

2光旋轉連接頭專利技術的整體情況

檢索到的光旋轉連接頭的專利最早出現(xiàn)在1967年。1977年開始，申請量出現(xiàn)持續(xù)快速增長，自1980年以后，申請量增長極為迅速，并在1991年達到高峰；2010-2013年的數(shù)據(jù)有所下降，這可能一方面是受到2008年后全球經濟危機的影響，另一方面是近兩年申請的專利還有大量未公開。

相對于其他類型的特殊光纖連接器的技術，光旋轉連接頭的研究起步較早。隨著國防、醫(yī)療等行業(yè)對旋轉接頭的需求以及對大容量傳輸技術需求的逐漸重視，對該技術的研發(fā)將保持持續(xù)的熱度，該領域的專利申請量也將繼續(xù)保持穩(wěn)定的狀態(tài)。

通過對專利申請人所在國家進行統(tǒng)計分析，排名靠前的國家依次為美國（US）、德國（DE）、法國（FR）和日本（JP），并且排名第一的美國的申請量遠遠高于其他國家。這與美國軍方和相關企業(yè)這些年來對光旋轉連接頭在：軍事國防、工業(yè)控制、能源和醫(yī)療等項目中應用的關注有很大關系。

我國在2000年發(fā)布了GJB3931-2000《光纖光纜旋轉接頭總規(guī)范》，進一步促進了國內光旋轉連接頭的研發(fā)。2000年以后，天津大學精密儀器與光電子工程學院、中航光電股份有限公司（洛陽158廠）等單位也開始從事光旋轉連接頭的研制工作。其中，天津大學研究較多，提出多種設計方案；中航光電公司也研發(fā)出單通道和多通道的相關器件。

3光旋轉連接頭技術發(fā)展路線

光旋轉連接頭的發(fā)展涉及單通道、多通道、具有無障礙內徑和光波導材料改進四條主線。

單通道光旋轉連接頭是光旋轉連接頭中體積最小、成本較低、應用最廣泛、用量最大的器件。最早在1967年出現(xiàn)的單通道光旋轉連接頭是兩個光纖直接耦合，這也是最簡便的方式，是從光纖連接器向光旋轉連接頭升級的初期的產物（申請?zhí)朥SD3510667A）。單通道光旋轉連接頭結構緊湊、易于加工制作。只要簡單的輔助器件就能保證光纖間的耦合，從而光插入損耗較低。單通道旋轉連接器的缺點是傳輸?shù)墓庑盘柕臄?shù)量和種類有限。

為了解決不同種光信號同時傳輸和雙向傳輸問題，發(fā)明了多通道光旋轉連接頭用來同時傳輸多個光纖的信號。由于多通道旋轉連接器結構都很復雜，因此耦合方案很多。多通道光旋轉連接頭的種類很多主要有：DOVE棱鏡耦合光信號（申請?zhí)朥S19760663889A、US19780958231A）、對稱光學結構耦合光信號（申請?zhí)朇N201210404785）、菲涅爾透鏡耦合光信號（申請?zhí)朌E3249621A、US19920894338A）、同軸耦合光信號（申請?zhí)朥S19950445752）、反射鏡組合耦合光信號（申請?zhí)朑B8520422A、US20060410939A）等。

具有無障礙內徑光旋轉連接頭是一種特殊的離軸光旋轉連接頭。1976年美國海軍公開了一種在旋轉軸外提供光傳輸?shù)墓庑D連接系統(tǒng)（申請?zhí)朥S19760663889A），通過在兩個相對的面之間反射實現(xiàn)沿圓周的光傳輸。為了提高耦合效率，2010年天津大學提出一種新型中空態(tài)光旋轉連接頭（申請?zhí)朇N201010103099），利用光柵把輸入光束耦合進環(huán)形基體，環(huán)形基體中空位置用于其他介質傳輸，基體用于實現(xiàn)光束的轉折。

由于常規(guī)單模光纖的芯徑較小而導致對偏角誤差十分敏感、對相應的光學對準要求很高，給光旋轉連接頭的設計和制造帶來了很大的困擾。2006年天津大提出采用了光子晶體光纖來解決上述問題（申請?zhí)朇N200610130275）。光子晶體光纖是一種微結構光纖，它可以視為一種芯層為破壞了周期結構的缺陷的二維光子晶體，其直徑為單模光纖的4到20倍。由于光子晶體光纖的截面直徑大于單模光纖的直徑，保持同樣的損耗情況下，光子晶體光纖可以忍受更多的徑向移動，可以明顯降低對離軸偏差控制的精度要求，降低機械設計難度，從而降低成本。

4結束語

隨著光纖技術的不斷發(fā)展，由于傳輸信號速率也不斷增大，光旋轉連接頭的應用領域不斷擴大，不但在工業(yè)和能源領域應用廣泛，而且?guī)缀醣椴剂塑娛聡赖母鱾€領域，因此，研究和生產光旋轉連接頭不但具有一定的社會意義和經濟價值，而且具有重大的軍事意義。

參考文獻

[1]賈大功，張以謨，井文才.無源光旋轉連接頭的發(fā)展[J].儀器儀表學報，2003，24（4）：199202.

[2]賈大功，張以謨，王光輝等.多通道光旋轉連接頭[J].天津大學學報，2006，39（6）：129132.