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光纖旋轉連接器Dove棱鏡結構表述

光纖旋轉連接器(FORJ)是一種利用自由空間互連技術的無源光器件,相比它的前身電滑動環其更適合應用在高帶寬的信號傳輸系統中。目前,光纖旋轉連接器正被廣泛應用于相關的鄰域中,比如天線系統、醫用CT、戰車以及雷達等場合。但是對于多通道光纖旋轉連接器,由于旁軸通道無法像位于旋轉軸上的中心通道一樣直接從旋轉端耦合到固定端,造成多路光信號的傳輸比較難以實現,目前,用來解決這個問題的方法大致可分為以下幾種反射裝置和磁鐵結構對稱的光學結構、衍射光學元件以及解旋轉棱鏡等,其中解旋轉棱鏡是最常用的方法,也是目前研究較多的一種方法。

在利用解旋轉棱鏡的方式中,Dove棱鏡結構的一體性避免了棱鏡自身的調整和膠合帶來的誤差,因此Dove棱鏡相對于其他的解旋轉棱鏡(如Pechan棱鏡)更受到人們的青睞。Dove棱鏡的轉像功能,即當Dove棱鏡以角速度ω旋轉時,經由Dove棱鏡所成的像的角速度為2ω

依此原理,當物體以角速度ω旋轉,Dove棱鏡以角速度ω/2同向旋轉時,便可實現物體所成像位置保持不變,從而達到信號的準確旋轉耦合。然而由于Dove棱鏡存在加工誤差,使得成像位置會在一定范圍內波動,從而增大了耦合損耗,以下列舉了一些對于加工有誤差的影響因素。

由于Dove棱鏡的成像特性,在光纖旋轉連接器中使用時傳輸光信號應為平行光束。而光纖準直器具有孔徑大且準直性好的優點,因此在光纖旋轉連接器中一般使用光纖準直器作為光信號的輸入輸出器件。研究由Dove棱鏡輸出的光信號與接收端準直器之間的耦合損耗對耦合效率的影響。對于Dove棱鏡,一般存在兩種加工誤差: 底角誤差和錐體角誤差。這兩種加工誤差均會導致出射光信號的角度傾斜和離軸偏差而對于光纖準直器其角度誤差對耦合損耗的影響最大,且離軸偏差可通過調整機構進行一定的補償,所以一般情況下忽略加工誤差帶來的離軸偏差的影響,而只考慮角度傾斜引起的耦合損耗。

1.1底角誤差

理想的Dove棱鏡其底角應為45°,且對于平行光入射其不改變出射光的方向,然而由于底角誤差的存在,出射光的方向將會發生一定的偏轉。對于底角誤差,可分為兩種情況:

a) 一個底角為理想角度45°,而另一個底角存在誤差;

b) 兩個底角均存在誤差。

由于Dove棱鏡屬于反射棱鏡,可以將其等效于一塊平行平板,所以,對于第二種情況可以等效為第一種情況進行分析。特殊地,當兩個底角的加工誤差相等時,出射光將不會發生角度偏差,而只引起離軸偏差。

1.2錐體角誤差

錐體角是指加工后Dove棱鏡的第或第二個折射面與其理想位置之間呈狀所形成的夾角。對于錐體角誤差,也可將其分成兩種情況:

a)僅一側存在錐體角;

B)兩側均存在錐體角。

同樣由于Dove棱鏡可等效于一塊平行平板,故對于第二種情況進一步分析可將其等效于第一種情況。

結論

Dove棱鏡用于多通道光纖旋轉連接器光信號傳輸時,其加工誤差會引起光信號的耦合損耗。為了提高耦合效率,探求適合用于光纖旋轉連接器的Dove棱鏡的加工誤差,分析了Dove棱鏡加工誤差的影響,得出了由加工誤差帶來的耦合損耗的影響。如果我們在生產中采取措施來減小加工誤差,例如嚴格的檢查、利用精密的機械進行加工,由加工誤差帶來的耦合損耗可以被忽略,由此加工制造的Dove棱鏡完全可以應用在多通道光纖旋轉連接器中。


 

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