大光斑离轴式光纤旋转连接器的耦合性能

赵振刚; 王思飞; 段绍锋; 曹发松; 刘爱莲

doi:10.37188/OPE.20233110.1443

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

大光斑离轴式光纤旋转连接器的耦合性能

现代应用光学 | 更新时间：2023-05-25

- 大光斑离轴式光纤旋转连接器的耦合性能
- Coupling performance of large spot off-axis fiber optic rotary joint
- 光学精密工程 2023年31卷第10期页码：1443-1453
- 作者机构：
  
  1.昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明 650500
  2.云南省绿色能源与数字电力量测及控保重点实验室，云南昆明 650500
- 作者简介：
  
  [ "赵振刚（1981-），男，内蒙古兴安盟人，博士，教授，硕士生导师，分别于2005年、2007年、2012年在哈尔滨工业大学获得学士、硕士、博士学位，目前主要从事光纤传感与解调技术研究、传感器应用技术与嵌入式系统研发等工作。E-mail：zhaozhengang@kust.edu.cn" ]
  王思飞（1997-），男，山西临汾人，硕士研究生，2020年于山西工程技术学院获得工学学士学位，主要研究方向为光纤传感、光纤旋转连接器。E-mail：sifeiwang11@163.com
- 基金信息：
  
  云南省科技厅基础研究专项-重点项目资助(202101AS070096);云南省科技计划资助项目(202101AT070131)
- DOI：10.37188/OPE.20233110.1443
  中图分类号： TN253
- 收稿日期：2022-12-16，
  
  修回日期：2023-01-18，
  
  纸质出版日期：2023-05-25
- 稿件说明：
移动端阅览
赵振刚,王思飞,段绍锋等.大光斑离轴式光纤旋转连接器的耦合性能[J].光学精密工程,2023,31(10):1443-1453.

ZHAO Zhengang,WANG Sifei,DUAN Shaofeng,et al.Coupling performance of large spot off-axis fiber optic rotary joint[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(10):1443-1453.
赵振刚,王思飞,段绍锋等.大光斑离轴式光纤旋转连接器的耦合性能[J].光学精密工程,2023,31(10):1443-1453. DOI： 10.37188/OPE.20233110.1443.

ZHAO Zhengang,WANG Sifei,DUAN Shaofeng,et al.Coupling performance of large spot off-axis fiber optic rotary joint[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(10):1443-1453. DOI： 10.37188/OPE.20233110.1443.

摘要

针对直接对准型离轴式光纤旋转连接器中自聚焦透镜准直器出射光斑小、光纤耦合损耗大和有效对准时间短的问题，本文提出了一种由双合透镜和热扩芯光纤构成的大光斑光纤准直器。基于出射光斑在相对旋转过程中重叠面积的周期性变化规律，分析了准直器间存在径向误差和角向误差时的耦合损耗变化。根据转子圆环和出射光斑尺寸得到耦合损耗为3 dB时的理论有效对准时间。为此搭建了光纤耦合实验平台测试其耦合性能及有效对准时间。实验结果表明，光纤准直器采用的单模光纤模场直径越大耦合损耗越低，其中模场直径为28 μm时耦合损耗低至0.22 dB。在转速为60 r/min时，通过光电转化和函数拟合得到四种模场直径光纤准直器的有效对准时间。模场直径为17 μm时最大有效对准时间为7.05 ms，与理论值7.1672 ms基本一致。最后应用光纤布拉格光栅传感实现无接触式传输光信号。这种设计为大光斑离轴式光纤旋转连接器的研究及其在光纤传感领域的应用提供了理论和技术支撑。

Abstract

To solve the problems of the small spot of graded-index lenses and the significant coupling loss and short effective alignment time of the current direct alignment-type off-axis fiber optic rotary joint， this study devised a large-spot fiber collimator made of a double-lens collimator and thermal expansion core fiber. Based on the periodic variation law of the overlapping area when the exit spot rotates relatively， the change in the coupling loss when there are radial and angular errors between the collimator was analyzed. The theoretical effective alignment time of the off-axis fiber optic rotary joint under a 3-dB coupling loss was calculated from the exit spot size of the rotor ring and the fiber collimator. An optical fiber coupling experimental platform was set up to test the coupling performance of the off-axis fiber optic rotary joint and measure the effective alignment time. The experimental results indicate that a larger mode field diameter （MFD） of the single-mode fiber used in the fiber collimator corresponds to a smaller coupling loss. In the test， a large MFD of 28 µm yields the minimum loss of 0.22 dB. At a speed of 60 r/min， the effective alignment times of the four MFD fiber collimators were obtained via photoelectric conversion and function fitting. For the MFD of 17 μm， the maximum effective alignment time is 7.05 ms， which is close to the theoretical value of 7.1672 ms. Finally， fiber Bragg grating sensing was applied to achieve contactless transmission of optical signals. This design provides theoretical and technical support for the large-spot off-axis fiber optic rotary joint and its application in optical fiber sensing.

关键词

Keywords

references

DORSEY G . Fiber optic rotary joints-a review ［J］. IEEE Transactions on Components， Hybrids， and Manufacturing Technology ， 1982 ， 5 （ 1 ）： 37 - 41 . doi: 10.1109/tchmt.1982.1135951 http://dx.doi.org/10.1109/tchmt.1982.1135951

JI Z ， JIA D ， XU Q ， et al . Design and implementation of a plastic fiber optical rotary joint using upside down taper lens ［J］. Optics Communications ， 2013 ， 292 ： 57 - 61 . doi: 10.1016/j.optcom.2012.11.059 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2012.11.059

MCKAY R F . Off-axis rotary joint ： US7372230 ［P］. 2008-05-13 .

SHINGLETON W B ， SEWELL P E . Percutaneous renal tumor cryoablation with magnetic resonance imaging guidance ［J］. The Journal of Urology ， 2001 ， 165 （ 3 ）： 773 - 776 . doi: 10.1016/s0022-5347(05)66523-8 http://dx.doi.org/10.1016/s0022-5347(05)66523-8

SNOW J W ， MACKAY I B ， BOWERS K . Off-axis optical rotary joint ： US5297225 ［P］. 1994-03-22 .

胡百泉 . 旁轴光纤旋转连接器的研究［D］. 天津：天津大学， 2010 .

HU B Q . Research of Off-axis Fiber Optic Rotary Joint ［D］. Tianjin ： Tianjin University ， 2010 . （in Chinese）

金凯，丁莉芸，郭会勇，等 . 超低温条件下光纤光栅温敏系数标定［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30（ 1 ） 56 - 61 . doi: 10.37188/OPE.20223001.0056 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223001.0056

JIN K ， DING L Y ， GUO H Y ， et al . Calibration of temperature-sensitivity coefficient of fiber Bragg grating at ultra-low temperature ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 1 ）： 56 - 61 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223001.0056 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223001.0056

饶春芳，吴锴，胡友德，等 . 光纤布拉格光栅在医用蒸汽灭菌器温度监测的应用［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 9 ）： 1930 - 1938 . doi: 10.37188/OPE.20202809.1930 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202809.1930

RAO CH F ， WU K ， HU Y D ， et al . Application of fiber Bragg grating in temperature monitoring of medical steam sterilizer ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 9 ）： 1930 - 1938 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20202809.1930 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202809.1930

张开宇，闫光，孟凡勇，等 . 温度解耦增敏式光纤光栅应变传感器［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 6 ）： 1330 - 1337 . doi: 10.3788/ope.20182606.1330 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182606.1330

ZHANG K Y ， YAN G ， MENG F Y ， et al . Temperature decoupling and high strain sensitivity fiber Bragg grating sensor ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 6 ）： 1330 - 1337 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20182606.1330 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182606.1330

殷樱，李毅，丁杰，等 . 离轴光纤旋转连接器的设计与实验［J］. 光学技术， 2013 ， 39 （ 2 ）： 188 - 192 .

YIN Y ， LI Y ， DING J ， et al . Design and experiment of an off-axis fiber-optic rotary joint ［J］. Optical Technique ， 2013 ， 39 （ 2 ）： 188 - 192 . （in Chinese）

王彦晓，余有龙，高灿辉，等 . 基于光纤滑环的旋转部件温度测量［J］. 中国激光， 2014 ， 41 （ 8 ）： 0808004 . doi: 10.3788/cjl201441.0808004 http://dx.doi.org/10.3788/cjl201441.0808004

WANG Y X ， YU Y L ， GAO C H ， et al . Temperature measurement for rotating parts based on the fiber-optic slip-ring ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2014 ， 41 （ 8 ）： 0808004 . （in Chinese） . doi: 10.3788/cjl201441.0808004 http://dx.doi.org/10.3788/cjl201441.0808004

刘飞，李毅，郝如龙，等 . 离轴旋转光纤传输系统的设计与实现［J］. 中国激光， 2015 ， 42 （ 9 ）： 0905001 . doi: 10.3788/cjl201542.0905001 http://dx.doi.org/10.3788/cjl201542.0905001

LIU F ， LI Y ， HAO R L ， et al . Design and implementation of an off-axis rotary optical fiber transmission system ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2015 ， 42 （ 9 ）： 0905001 . （in Chinese） . doi: 10.3788/cjl201542.0905001 http://dx.doi.org/10.3788/cjl201542.0905001

丁杰，李毅，王锋，等 . 大内径离轴光纤旋转连接器的设计与实现［J］. 光电子·激光， 2013 ， 24 （ 11 ）： 2075 - 2080 .

DING J ， LI Y ， WANG F ， et al . Design and realization of the off-axis fiber optic rotary joint with large inner diameter ［J］. Journal of Optoelectronics·Laser ， 2013 ， 24 （ 11 ）： 2075 - 2080 . （in Chinese）

MI L ， YAO S L ， SUN C D ， et al . A Single-Channel Fiber Optic Rotary Joint on the Basis of TEC Fiber Collimators ［C］. 9th International Conference on Optical Communications and Networks （ICOCN 2010） . 24 - 27 ， 2010， Nanjing. London ： IET ， 2011： 437 - 440 . doi: 10.1049/cp.2010.1245 http://dx.doi.org/10.1049/cp.2010.1245

HE Q ， ZHAO Z ， YE X D ， et al . Optical coupling efficiency of a coupler with double-combined collimating lenses and thermally expanded core fibers ［J］. Micromachines ， 2022 ， 13 （ 2 ）： 324 . doi: 10.3390/mi13020324 http://dx.doi.org/10.3390/mi13020324

许嘉璐，林崇德 . 中国中学教学百科全书-教育卷［M］. 沈阳：沈阳出版社， 1990 .

XU J L ， LIN CH D . Encyclopedia of Middle School Teaching in China-Education Volume ［M］. Shenyang ： Shenyang Publishing House ， 1990 . （in Chinese）

代梦诗，李重光，楼宇丽，等 . 高斯光束经轴锥镜-透镜系统变换后的解析描述［J］. 光子学报， 2021 ， 50 （ 7 ）： 0726001 .

DAI M SH ， LI CH G ， LOU Y L ， et al . Analytical expression of Gaussian beam converted by axicon-lens system ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2021 ， 50 （ 7 ）： 0726001 . （in Chinese）

米磊 . 单通道光纤旋转连接器的研究［D］. 西安：中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）， 2010 .

MI L . Researches on the Single-Chanel Fiber Optic Rotary Joint ［D］. Xi'an ： Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics， Chinese Academy of Sciences ， 2010 . （in Chinese）

李榴，李毅，郑秋心，等 . 基于热扩芯光纤的光纤准直器特性研究［J］. 激光与光电子学进展， 2012 （ 6 ）： 77 - 82 . doi: 10.3788/lop49.060602 http://dx.doi.org/10.3788/lop49.060602

LI L ， LI Y ， ZHENG Q X ， et al . Characteristics of fiber collimator based on thermally expanded core fiber ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2012 （ 6 ）： 77 - 82 . （in Chinese） . doi: 10.3788/lop49.060602 http://dx.doi.org/10.3788/lop49.060602

何琦，赵振刚，许晓平，等 . 基于ZEMAX单模大光束光纤准直透镜信号耦合分析［J］. 激光与光电子学进展， 2021 ， 58 （ 21 ）： 2106008 . doi: 10.3788/LOP202158.2106008 http://dx.doi.org/10.3788/LOP202158.2106008

HE Q ， ZHAO ZH G ， XU X P ， et al . Signal coupling analysis of single-mode large beam fiber collimating lens based on ZEMAX ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2021 ， 58 （ 21 ）： 2106008 . （in Chinese） . doi: 10.3788/LOP202158.2106008 http://dx.doi.org/10.3788/LOP202158.2106008

宋巍，谢友金，李治国，等 . 基于光纤旋转连接器的光纤耦合效率研究［J］. 光子学报， 2022 ， 51 （ 11 ）： 1106005 . doi: 10.3788/gzxb20225111.1106005 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20225111.1106005

SONG W ， XIE Y J ， LI ZH G ， et al . Research on coupling efficiency based on fiber optic rotary joints ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2022 ， 51 （ 11 ）： 1106005 . （in Chinese） . doi: 10.3788/gzxb20225111.1106005 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20225111.1106005

浏览量

157

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

用光纤耦合法实现颗粒测量

离轴凸非球面的Hindle检测

新型高精度光纤微调装置的设计