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摘要：在全球经济与信息技术迅速发展的今天，人们日常生活和工作中需求的信息量越来越大，常用的电信号的传输方式已渐渐地不能满足人们的需求，而光纤通信由于其通信容量大、中继距离长、保密性能好、抗电磁干扰能力强等优点…，得到了越来越广泛的应用，成为了现代信息传输过程的主要途径。而如何保证信号的高速大容量稳定准确的传输，成为了当今人们研究的重点。
关键词：光纤传输；选择连接器；设计方案
一、光纤旋转连接器概述
在高速大容量数据信号的传输过程中，如何实现数据信号的旋转传输，即将数据信号从一个旋转的平台传输到一个静止的平台（反之亦可），成为了整个数据信号传输过程中的重要环节。能够实现上述功能的机构称为旋转连接装置，其中利用光纤进行信号传输的称之为光纤旋转连接器。
光纤旋转连接器是一种能在相对旋转的光纤上保持光路连通，实现动态耦合的无源光纤连接器件。目前光纤旋转连接器的种类约有50多种，根据结构的不同，光纤旋转连接器可以分为同轴旋转和非同轴旋转，同轴旋转结构具有损耗小、旋转稳定的优点，但是对机械加工要求很高；非同轴旋转结构对机械加工要求要低于同轴旋转，但是对光路要求较高，产品体积较大。按工作原理分，光纤旋转连接器可以分为有中间光学组件和无中间光学组件，中间光学组件具有多通道光信号传输的优点，但是具有各通道损耗大的不足：无中间光学组件具有损耗小、旋转稳定的优点，但是对通道数量有一定的限制。此外，按通道数光纤旋转连接器可以为单通道和多通道，按光纤类型可分为多模和单模等。
二、光纤旋转连接器的分类
光纤旋转连接器从其内部工作原理看，一般可分为两种，一种是有源光纤旋转连接器，另一种是无源光纤旋转连接器。有源光纤旋转连接器一般内部含有光电器件，通常是一端装有光源作为信号发射器，另一端装有探测器作为信号接收器，此外在光源和探测器附近还装有一些相应的电子器件。由于大量的电子器件安装在了旋转连接器的内部，这些电子器件的性能不仅会影响整体的传输速率、性能，而且还造成了旋转连接器整体体积庞大，成本高，制作加工困难，抗电磁干扰能力差等缺点，从而限制了其应用场合。因此人们将光源和探测器等电子器件从旋转连接器中剥离出来，将其整体做成无源器件，即无源光纤旋转连接器，这样便避免了上述的缺点，优化了旋转连接器的性能。此外，还有文献中提出了一种光电混合旋转连接器，它是将光纤旋转连接器安装在多通道电滑动环的内部，用于光信号的双向传输，这种旋转连接器可以在一定程度上扬长避短，有较高的应用价值。
从光纤旋转连接器传输通道的数目来看，可将其分为单通道和多通道光纤旋转连接器。单通道光纤旋转连接器由于其体积小、结构简单、易于制造和成本低等优点，使其在大量的场合得到了应用。但随着传输信号数据量的增大和种类的增多，单通道光纤旋转连接器传输通道少的缺点便限制了它的应用，而多通道光纤旋转连接器不仅可以同时传输多路不同信号，而且多个通道还增强了系统的可靠性，即当某一路传输通道发生故障时，可及时地换到另一路备用通道，从而减小了对系统的影响。
从光纤旋转连接器中应用光纤的种类来分，可以分为多模光纤和单模光纤旋转连接器。其中多模光纤可同时传输多个模式，而且其纤芯直径较大，较容易进行输入输出端的对准。但多模光纤中存在着较为严重的模间色散，从而增大了传输的损耗，限制了其应用的范围。单模光纤虽然纤芯直径较小，但其不存在模间色散，传输容量较多模光纤更大，传输损耗更低，从而更加受到人们的青睐。
此外，目前还有一些其他种类的光纤旋转连接器，例如利用密集波分复用技术构建的光纤旋转连接器、使用空间红外传输技术的光纤旋转连接器等等。
三、典型多通道光纤旋转连接器的设计方案
1.直接耦合法
直接耦合法是把静止端组件中光纤的端面和转动端组件中光纤的端面直接进行对接的方法。这种方法在早期的单通道光纤旋转连接器中应用较多，在多通道光纤旋转连接器中应用较少，一般只是某一个通道耦合时使用。
图1.1所示是BoyingB．Zhang等人提出的一种使用塑料光纤（POF）的双通道光纤旋转连接器。它主要利用了塑料光纤纤芯孔径较大，易于耦合，且末端容易进行切割，对弯曲不敏感等优点，将塑料光纤运用在了旋转连接器中。其中15、15’为构成双通道的Y型塑料光纤束，其前端具体结构如图1．2所示。由图中可以看出其中心的通道由较大芯径的塑料光纤11组成，旁轴通道由外围的19根小芯径塑料光纤12共同构成。同时为了便于与外界相连接，旁轴通道中的19根小芯径光纤在后端再次耦合到较大芯径的塑料光纤中。从其旁轴通道的结构可以看出，其存在一定的缺点：旁轴通道中的多根塑料光纤需要进行紧密的安装，而且需要多次耦合，耦合效率较低，在实际应用中传输损耗较大。
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2.对称光学结构法
由于直接耦合法中光纤的发散角较大、纤芯极细，两根光纤的横向错位要小、相接的间隙要小，造成其装配较为复杂。为了解决上述的缺点，人们便将透镜引入到这种方法中作为会聚或准直的作用，从而有效的降低了对装配精度的要求，同时提高了耦合效率。由于引入透镜后系统一般具有对称性，所以将这种方法称之为对称光学结构法。
图1．3所示便是天津大学提出的一种对称光学结构的双通道光纤旋转连接器的原理示意副。在这种结构中，两个通道的输入端口位于旋转轴外，输出端口位于旋转轴上。从图中可以看出，从准直器1中传输的光信号经过平凸透镜1进行会聚偏折到光轴附近，再经平凹透镜2使光束与光轴之间夹角进一步减小从而耦合到准直器3中；另一路从准直器2到准直器4也是同样的过程。虽然这种结构实现了双通道光信号的相向传输，但其中的每一路通道只能进行一个方向的传输，不可反向；而且其中每个透镜的位置需要经过精确的计算来确定其安装的位置，在实际应用中，保证其安装的位置的准确性难度非常大，系统的耦合损耗必定会比较大，实用性不强。
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图1-4所示是国外Schleifring公司提出的一种双通道光纤旋转连接器。可以看到此种结构同样具有对称性，其中一侧的旁轴发射端与另一侧的中心轴接收端构成一个传输通道，而且每个通道只能单向进行传输。结构中使用会聚透镜将光纤中发散角较大的光信号会聚后耦合到中心轴的接收光纤中，所以这种结构需要严格保证光纤端面放置在会聚透镜的焦点位置，但由于光纤纤芯极小，使得安装精度很高，不便于实现，从而影响信号的耦合效率。
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3.反射法
所谓反射法是利用镜面反射的方法实现光路的偏转，从而使得旋转端和固定端之间进行耦合。
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图1-5所示是Princetel公司提出的一种基于反射机构的双通道光纤旋转连接器。
这种方案的优点是双通道均可以实现光信号的双向传输，但由于中间通道利用光纤直接进行耦合，其纤芯直径小，发散角大等造成了安装精度要求较高；而旁轴通道传输光信号时需要利用轴上的镜面部分进行光路的偏转，光信号的发射和接收的位置变化，会影响光信号的耦合，从而使得双向信号传输时，信号的耦合损耗较大，同时中间通道会对其光路的传输造成一定的影响，对接收通道形成一定的串扰，增大了传输损耗。
结语
光纤旋转连接器具有容量大、损耗小、质量轻、直径细、不受电磁干扰、无串扰和不辐射等特点，可以广泛应用于雷达天线旋转、海底声纳测试、导弹制导、机器人、石油钻探、海洋勘探、X光断层扫描、海底通信等。本文现有加工能力等技术条件，通过恰当的结构设计和工艺措施，既确保了产品的技术性能指标，又具有良好的工艺性，为批量生产和大规模应用奠定了基础。
参考文献：
[1]李华强.军用光纤连接器技术近期发展动向[J].光通信技术，2015，（3）.21-23.doi：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2015.03.007.
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