兩通道光纖滑環工作原理詳解（一）

1. 應用背景

    隨著信息社會的發展，光纖通信已經深入到社會各個角落，不可避免的會遇到一些需要在旋轉與靜止部件間實現光纖續傳的應用場景，光纖滑環即用以解決此類問題。光纖滑環又稱為光纖旋轉連接器、光滑環、光匯流環等，與傳統的導電滑環相比，具有高帶寬、高壽命、高轉速、不受電磁干擾等優點。在雷達天線、速率轉臺、無人機、醫療、風電等領域應用的越來越廣泛。

2. 多路光纖滑環

    光纖滑環按通道數可分為單通道光纖滑環和多通道光纖滑環，按使用光纖可分為單模光纖滑環和多模光纖滑環。其中單通道光纖滑環結構較為簡單，通常通過光纖準直器擴束后直接耦合。而多通道光纖滑環結構相對復雜，通常會包含有棱鏡和傳動結構。其中兩通道和兩通道以上的光纖滑環結構又有所區別，兩通道光纖滑環具有更多的實現方式。

3. 多通道光纖滑環的設計原理

3.1直接耦合法

即不通過透鏡棱鏡等光學鏡片，直接實現光纖之間的相互耦合，如下圖所示：

圖1 直接耦合式兩通道光纖滑環

    如上圖所示，這種方式多用于芯徑較粗的光纖系統中，例如塑料光纖，位于中心的一路直接對準相互耦合，而邊路光纖則通過一系列的小芯徑光纖分布于主光纖周圍，完成旋轉耦合后再集中耦合入邊路光纖中。這種方式由于邊路光纖經過多次耦合，往往損耗較大。

3.2 光學透鏡耦合法

    由于直接耦合的方式要求光纖精確對準，且轉動過程高度平穩，對于常規的單模和多模光纖來說耦合極為困難，給結構加工提出過高要求，因此一些研究人員在光纖加入光學透鏡，擴大光纖輸出光的模場直徑，從而有效的降低了對機械結構的精度要求。

圖2 引入透鏡的兩通道光纖滑環光路示意圖

    如上圖所示，天津大學提出的一種雙通道光纖滑環光路示意圖，邊路光纖通過準直器進行準直，再由平凸透鏡會聚到軸心位置，繼而由平凹透鏡縮小光束夾角后耦合入接收端準直器。這種方式只能實現單向傳輸，且耦合接收時損耗很大，嚴重限制了這種方式生產的光纖滑環的實用性。

圖3 使用透鏡進行耦合的雙通道光纖滑環

    上圖是Schleifring公司提出的一種雙通道對稱結構光纖滑環，邊路光纖輸出光經過透鏡會聚以后直接與中心光纖進行耦合。這種方式同樣只能單向傳輸，而且由于纖芯很細，中心光纖耦合極為困難，損耗較大。