光旋转连接头专利技术综述

张兆亭

摘要：光旋转连接头不但在工业和能源上应用广泛，而且其应用领域几乎遍布了军事国防的各个领域。因此，光旋转连接头的研发对我国具有非常重要的意义。对光旋转连接头的主要功能及其最新进展进行了综述，介绍了单通道、多通道和中空式等光旋转连接头的原理、技术和特点，进行了比较，列出各类连接器的优缺点。并对各类光旋转连接头适用场合进行了简要介绍。

关键词：连接器；旋转；单通道；多通道

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：1672—3198（2014）21—019601

1光旋转连接头概述

光旋转连接头（fiber optic rotary joint）又称光纤滑环、光纤汇流环、光纤旋转接头，光旋转连接头是光纤连接器的一种高端器件。

光旋转连接头存在的主要问题在于：光纤直接耦合困难导致插入损耗大，为了保证平稳转动需要精密的机械结构，加工和装配精度要求高，生产效率较低，器件成本高，这些成为阻碍光旋转连接头大规模应用的重要因素。为了有效发挥光旋转连接头技术的优势，克服其存在的技术问题，推动光旋转连接头的应用，国内外的研究者一直在开展多方面的研究。本文通过专利信息的分析对光旋转连接头技术进行梳理和展望。

2光旋转连接头专利技术的整体情况

检索到的光旋转连接头的专利最早出现在1967年。1977年开始，申请量出现持续快速增长，自1980年以后，申请量增长极为迅速，并在1991年达到高峰；2010-2013年的数据有所下降，这可能一方面是受到2008年后全球经济危机的影响，另一方面是近两年申请的专利还有大量未公开。

相对于其他类型的特殊光纤连接器的技术，光旋转连接头的研究起步较早。随着国防、医疗等行业对旋转接头的需求以及对大容量传输技术需求的逐渐重视，对该技术的研发将保持持续的热度，该领域的专利申请量也将继续保持稳定的状态。

通过对专利申请人所在国家进行统计分析，排名靠前的国家依次为美国（US）、德国（DE）、法国（FR）和日本（JP），并且排名第一的美国的申请量远远高于其他国家。这与美国军方和相关企业这些年来对光旋转连接头在：军事国防、工业控制、能源和医疗等项目中应用的关注有很大关系。

我国在2000年发布了GJB3931-2000《光纤光缆旋转接头总规范》，进一步促进了国内光旋转连接头的研发。2000年以后，天津大学精密仪器与光电子工程学院、中航光电股份有限公司（洛阳158厂）等单位也开始从事光旋转连接头的研制工作。其中，天津大学研究较多，提出多种设计方案；中航光电公司也研发出单通道和多通道的相关器件。

3光旋转连接头技术发展路线

光旋转连接头的发展涉及单通道、多通道、具有无障碍内径和光波导材料改进四条主线。

单通道光旋转连接头是光旋转连接头中体积最小、成本较低、应用最广泛、用量最大的器件。最早在1967年出现的单通道光旋转连接头是两个光纤直接耦合，这也是最简便的方式，是从光纤连接器向光旋转连接头升级的初期的产物（申请号USD3510667A）。单通道光旋转连接头结构紧凑、易于加工制作。只要简单的辅助器件就能保证光纤间的耦合，从而光插入损耗较低。单通道旋转连接器的缺点是传输的光信号的数量和种类有限。

为了解决不同种光信号同时传输和双向传输问题，发明了多通道光旋转连接头用来同时传输多个光纤的信号。由于多通道旋转连接器结构都很复杂，因此耦合方案很多。多通道光旋转连接头的种类很多主要有：DOVE棱镜耦合光信号（申请号US19760663889A、US19780958231A）、对称光学结构耦合光信号（申请号CN201210404785）、菲涅尔透镜耦合光信号（申请号DE3249621A、US19920894338A）、同轴耦合光信号（申请号US19950445752）、反射镜组合耦合光信号（申请号GB8520422A、US20060410939A）等。

具有无障碍内径光旋转连接头是一种特殊的离轴光旋转连接头。1976年美国海军公开了一种在旋转轴外提供光传输的光旋转连接系统（申请号US19760663889A），通过在两个相对的面之间反射实现沿圆周的光传输。为了提高耦合效率，2010年天津大学提出一种新型中空态光旋转连接头（申请号CN201010103099），利用光栅把输入光束耦合进环形基体，环形基体中空位置用于其他介质传输，基体用于实现光束的转折。

由于常规单模光纤的芯径较小而导致对偏角误差十分敏感、对相应的光学对准要求很高，给光旋转连接头的设计和制造带来了很大的困扰。2006年天津大提出采用了光子晶体光纤来解决上述问题（申请号CN200610130275）。光子晶体光纤是一种微结构光纤，它可以视为一种芯层为破坏了周期结构的缺陷的二维光子晶体，其直径为单模光纤的4到20倍。由于光子晶体光纤的截面直径大于单模光纤的直径，保持同样的损耗情况下，光子晶体光纤可以忍受更多的径向移动，可以明显降低对离轴偏差控制的精度要求，降低机械设计难度，从而降低成本。

4结束语

随着光纤技术的不断发展，由于传输信号速率也不断增大，光旋转连接头的应用领域不断扩大，不但在工业和能源领域应用广泛，而且几乎遍布了军事国防的各个领域，因此，研究和生产光旋转连接头不但具有一定的社会意义和经济价值，而且具有重大的军事意义。

参考文献

[1]贾大功，张以谟，井文才.无源光旋转连接头的发展[J].仪器仪表学报，2003，24（4）：199202.

[2]贾大功，张以谟，王光辉等.多通道光旋转连接头[J].天津大学学报，2006，39（6）：129132.