RU2057353C1

RU2057353C1 - Optical coupler to transmit light signals between rotating and nonrotating elements

Info

Publication number: RU2057353C1
Application number: RU93004342A
Authority: RU
Inventors: С.С. Каринский; В.Г. Кудинов; М.В. Кутьин; В.И. Шевелев
Original assignee: Институт машиноведения им.А.А.Благонравова РАН
Priority date: 1993-01-29
Filing date: 1993-01-29
Publication date: 1996-03-27

Abstract

FIELD: fibre-optical communication equipment. SUBSTANCE: optical coupler includes two light-emitting diodes anchored on rotating and nonrotating elements optically coupled to radiator and light detector, two identical turns of light guide centered relative to rotation axis of rotating element and intercoupled through constant gap. Turns of light guides are put on proper element and are optically coupled to light guide arranged on this element. Turns of light guides can be manufactured in the form of turns of cylindrical helical spring with pitch equal to thickness of light guides. Turns of light guides may have counter of rectangular shape. Space between turns may be filled with immersion medium. EFFECT: facilitated manufacture, improved operational characteristics. 5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к волоконно-оптическим средствам связи и может быть использовано для передачи световых сигналов между двумя элементами, один из которых вращается относительно другого. The invention relates to fiber-optic communications and can be used to transmit light signals between two elements, one of which rotates relative to the other.

Известно вращающееся оптическое соединительное устройство для передачи световых сигналов между вращающимся и невращающимся элементами, содержащее световод, оптически сопряженный с излучателем света и размещенный вокруг вращающегося элемента, и приемник света, расположенный на невращающемся элементе [1]
Однако это устройство не обеспечивает режима двунаправленной передачи информации.A rotating optical connecting device for transmitting light signals between a rotating and non-rotating elements is known, comprising a light guide optically coupled to a light emitter and arranged around the rotating element, and a light receiver located on the non-rotating element [1]
However, this device does not provide a bi-directional transmission of information.

Наиболее близким к предлагаемому является оптическое соединительное устройство для передачи световых сигналов между вращающимся и невращающимся элементами, содержащее два световода, установленные на вращающемся и невращающемся элементах и оптически сопряженные с излучателем и приемником света, и центрированный относительно оси вращения вращающегося элемента виток световода, размещенный на одном элементе и оптически сопряженный со световодом, установленным на этом элементе [2]
Однако режим двунаправленной передачи информации в данном устройстве не является симметричным как по передаваемой оптической мощности, так и по фазовым задержкам сигнала, что является потенциальным источником информационной несимметричности.Closest to the proposed one is an optical connecting device for transmitting light signals between a rotating and non-rotating elements, containing two optical fibers mounted on a rotating and non-rotating elements and optically coupled to a light emitter and a receiver, and a fiber optic coil centered relative to the axis of rotation of the rotating element, placed on one element and optically coupled to a light guide mounted on this element [2]
However, the bi-directional transmission of information in this device is not symmetrical both in transmitted optical power and in phase delays of the signal, which is a potential source of information asymmetry.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности, достоверности и помехоустойчивости при двунаправленном режиме передачи оптической информации. The problem to which the invention is directed, is to increase the reliability, reliability and noise immunity in the bidirectional mode of transmission of optical information.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении физической симметрии при распространении оптических сигналов в обоих направлениях. The technical result of the invention is to provide physical symmetry during the propagation of optical signals in both directions.

Это достигается тем, что в оптическое соединительное устройство для передачи световых сигналов между вращающимся и невращающимся элементами, содержащее два световода, установленные на вращающемся и невращающемся элементах и оптически сопряженные с излучателем и приемником света, и центрированный относительно оси вращения вращающегося элемента первый виток световода, размещенный на одном элементе и оптически сопряженный со световодом, установленным на этом элементе, дополнительно введен второй, идентичный первому, виток световода, центрированный относительно той же оси вращения, размещенный на втором элементе и оптически сопряженный со световодом, установленным на этом элементе, при этом витки световодов оптически сопряжены через постоянный зазор между ними. This is achieved by the fact that in the optical connecting device for transmitting light signals between the rotating and non-rotating elements, containing two optical fibers mounted on a rotating and non-rotating elements and optically coupled to a light emitter and a receiver, and a first fiber guide centered relative to the axis of rotation of the rotating element on one element and optically conjugated with a fiber installed on this element, a second, identical to the first, turn of the fiber, is introduced Oriented with respect to the same axis of rotation, located on the second element and optically conjugated with a light guide mounted on this element, the turns of optical fibers are optically coupled through a constant gap between them.

Витки световодов могут быть выполнены в виде витков винтовой цилиндрической пружины с шагом, равным толщине световодов, из которых выполнены витки, при этом обращенные друг к другу светопередающие поверхности первого и второго витков световодов выполнены плоскими и расположены перпендикулярно оси вращения, остальные поверхности витков световодов выполнены отражающими. The turns of optical fibers can be made in the form of turns of a helical coil spring with a step equal to the thickness of the optical fibers from which the turns are made, while the light-transmitting surfaces of the first and second turns of optical fibers facing each other are made flat and are perpendicular to the axis of rotation, the remaining surfaces of the turns of optical fibers are made reflective .

Витки световодов могут иметь прямоугольную форму. The turns of the optical fibers can have a rectangular shape.

Кроме того, витки световодов, выполненные с переменной толщиной, имеют торцы, перпендикулярные оптической оси световодов, в той их части, которая имеет наибольшую толщину, при этом витки световодов оптически сопряжены через указанные торцы со световодами, оптически сопряженными с излучателем и приемником света. In addition, the turns of optical fibers made with variable thickness have ends that are perpendicular to the optical axis of the optical fibers, in the part that has the largest thickness, while the turns of optical fibers are optically coupled through said ends with optical fibers that are optically coupled to the light emitter and the light receiver.

Кроме того, пространство между витками световодов заполнено иммерсионной средой. In addition, the space between the turns of the optical fibers is filled with an immersion medium.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, продольный разрез; на фиг.2 выполнение устройства согласно пунктам 2, 3, 4 формулы изобретения; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2. Figure 1 shows the proposed device, a longitudinal section; figure 2 implementation of the device according to paragraphs 2, 3, 4 of the claims; figure 3 section aa in figure 2.

Устройство содержит два световода 1 и 2, установленные на вращающемся 3 и невращающемся 4 элементах, и два идентичных витка 5 и 6 световодов, размещенные также на этих элементах. Витки 5 и 6 световодов центрированы относительно оси вращения вращающегося элемента 3. Световоды 1 и 2 оптически сопряжены с излучателем 7 и приемником 8 света. Витки 5 и 6 световодов оптически сопряжены через постоянный зазор между ними, т.е. зазор, не меняющийся при вращении элемента 3 относительно элемента 4. Постоянство зазора может быть, в частности, обеспечено расположением витков 5 и 6 световодов в плоскостях, перпендикулярных оси вращения, как показано на фиг.1. The device contains two optical fibers 1 and 2 mounted on rotating 3 and non-rotating 4 elements, and two identical turns 5 and 6 of optical fibers, also located on these elements. The turns 5 and 6 of the optical fibers are centered relative to the axis of rotation of the rotating element 3. The optical fibers 1 and 2 are optically coupled to the emitter 7 and the light receiver 8. The turns 5 and 6 of the optical fibers are optically coupled through a constant gap between them, i.e. the gap that does not change when the element 3 is rotated relative to the element 4. The constancy of the gap can be, in particular, ensured by the arrangement of the turns 5 and 6 of the optical fibers in planes perpendicular to the axis of rotation, as shown in FIG.

Излучатель 7 и приемник 8 света могут быть установлены как на вращающемся элементе 3, так и на невращающемся элементе 4, либо заменены элементом, выполняющим обе функции приема и передачи оптического сигнала. The emitter 7 and the receiver 8 of the light can be installed both on the rotating element 3 and on the non-rotating element 4, or replaced by an element that performs both functions of receiving and transmitting an optical signal.

Устройство может быть многоканальным, каждый канал которого конструктивно выполнен так, как описано выше. The device may be multi-channel, each channel of which is structurally made as described above.

На фиг. 2 показано выполнение витков 5 и 6 световодов в виде витков винтовой цилиндрической пружины с шагом, равным толщине световодов, из которых выполнены витки. В этом случае витки 5 и 6 световодов имеют обращенные друг к другу светопередающие поверхности 9 и 10, которые выполнены плоскими и расположены перпендикулярно оси вращения. Зазор между светопередающими плоскостями 9 и 10 будет постоянным при вращении элемента 3 относительно элемента 4. Остальные поверхности 11 витков 5 и 6 световодов выполнены отражающими (фиг.3). Материал световодов, из которых выполнены витки 5 и 6, и форма их сечения выбираются такими, при которых соотношение максимума передачи световых сигналов и минимума их фазовой задержки оптимально, т.е. в зависимости от оптических свойств материала выбирается определенная форма витков световодов, при которой указанное соотношение будет оптимальным. Например, витки 5 и 6 световодов могут иметь прямоугольную форму, как показано на фиг. 3. In FIG. 2 shows the implementation of turns 5 and 6 of the light guides in the form of turns of a helical coil spring with a step equal to the thickness of the light guides of which the turns are made. In this case, the turns 5 and 6 of the optical fibers have facing each other light-transmitting surfaces 9 and 10, which are flat and arranged perpendicular to the axis of rotation. The gap between the light-transmitting planes 9 and 10 will be constant when the element 3 is rotated relative to the element 4. The remaining surfaces 11 of the turns 5 and 6 of the optical fibers are made reflective (Fig. 3). The material of the optical fibers from which the coils 5 and 6 are made, and the shape of their cross section are selected such that the ratio of the maximum transmission of light signals and the minimum of their phase delay is optimal, i.e. depending on the optical properties of the material, a certain shape of the turns of the optical fibers is selected, at which the specified ratio will be optimal. For example, the coils 5 and 6 of the optical fibers may have a rectangular shape, as shown in FIG. 3.

Витки 5 и 6 световодов, выполненные с переменной толщиной, имеют торцы 12 и 13, перпендикулярные оптической оси световодов и расположенные в той части витков 5 и 6, которая имеет наибольшую толщину. В этом случае витки 5 и 6 световодов оптически сопряжены через торцы 12 и 13 со световодами 1 и 2, которые сопряжены оптически с излучателем 7 и приемником 8 света. The turns 5 and 6 of the optical fibers, made with variable thickness, have ends 12 and 13, perpendicular to the optical axis of the optical fibers and located in that part of the turns 5 and 6, which has the greatest thickness. In this case, the turns 5 and 6 of the optical fibers are optically coupled through the ends 12 and 13 with the optical fibers 1 and 2, which are optically coupled to the emitter 7 and the light receiver 8.

Пространство между витками 5 и 6 световодов может быть заполнено иммерсионной средой. The space between turns 5 and 6 of the optical fibers can be filled with an immersion medium.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Известен эффект "вытекания" моды, характерный для оптических волноводных устройств (световодов) типа волоконных, полосковых и т.д. The effect of “leakage” of the mode is known, which is characteristic of optical waveguide devices (optical fibers) such as fiber, strip, etc.

Следовательно, если расположить рядом два световода, один из которых возбужден, то часть основной моды "перетечет" в другой световод. Этот принцип реализован в предлагаемом устройстве. Therefore, if two optical fibers are placed side by side, one of which is excited, then part of the main mode will “flow” into the other optical fiber. This principle is implemented in the proposed device.

Световод 1 возбуждается от излучателя 7. Виток 5 световода является оптическим продолжением световода 1 (фиг.1). Световод 1 и виток 5 световода размещены на вращающемся элементе 3. Доля основной моды, "вытекающей" из витка 5 световода, попадает ("втекает") в конструктивно идентичный виток 6 световода, размещенный на невращающемся элементе 4. Постоянство зазора между витками 5 и 6 световодов в пределах оборота вращения элемента 3 относительно элемента 4 обеспечивает постоянство оптической связи между витками 5 и 6 световодов. Световой сигнал из витка 6 световода поступает через оптически сопряженный с ним световод 2 в приемник 8 света. Очевидно, если поменять местами излучатель 7 и приемник 8 света, условия работы устройства, т.е. условия передачи оптической информации, будут абсолютно идентичны, чем и обеспечивается симметрия при передаче информации при двунаправленном режиме. Так как максимум энергии оптической связи между витками 5 и 6 световодов приходится на поверхность, перпендикулярную оси вращения, то часть энергии теряется. Заполнение пространства между витками 5 и 6 световодов иммерсионной средой существенно уменьшает потери. The fiber 1 is excited from the emitter 7. The coil 5 of the fiber is an optical continuation of the fiber 1 (figure 1). The light guide 1 and the coil 5 of the fiber are placed on the rotating element 3. The fraction of the main mode that "flows" from the coil 5 of the fiber enters ("flows") into a structurally identical coil 6 of the fiber placed on a non-rotating element 4. The gap between the coils 5 and 6 is constant the optical fibers within the revolution of the element 3 relative to the element 4 provides a constant optical connection between the turns 5 and 6 of the optical fibers. The light signal from the coil 6 of the optical fiber enters through an optically coupled optical fiber 2 to the light receiver 8. Obviously, if you interchange the emitter 7 and the light receiver 8, the operating conditions of the device, i.e. The conditions for the transmission of optical information will be absolutely identical, which ensures symmetry when transmitting information in a bidirectional mode. Since the maximum energy of the optical coupling between the turns 5 and 6 of the optical fibers falls on the surface perpendicular to the axis of rotation, part of the energy is lost. Filling the space between turns 5 and 6 of the optical fibers with an immersion medium significantly reduces losses.

В изобретении предложена конструкция витков 5 и 6 световодов, обеспечивающая максимально возможную энергетическую эффективность светопередачи (фиг. 2). В этом случае витки 5 и 6 световодов выполнены в виде витков винтовой цилиндрической пружины с шагом, равным толщине световодов, из которых выполнены витки. Развертки таких витков представляют собой зеркально симметричные клиновидные элементы. Самые большие поверхности выполненных таким образом витков 5 и 6 световодов образуют светопередающие плоскости 9 и 10, перпендикулярные оси вращения, чем достигается максимум и стабильность оптической передачи, при этом остальные поверхности 11 витков 5 и 6 световодов выполнены отражающими. Часть витка с минимальной толщиной позволяет практически исключить паразитное обратное отражение. Часть витка с наибольшей толщиной обладает максимальной приемной и/или передающей осевой апертурой. Поэтому оптическая связь витков 5 и 6 со световодами 1 и 2, оптически сопряженными с излучателем 7 и приемником 8 света, осуществляется именно через торцы 12 и 13, расположенные в части витков с наибольшей толщиной. The invention proposed the design of coils 5 and 6 of the optical fibers, providing the highest possible energy efficiency of light transmission (Fig. 2). In this case, the coils 5 and 6 of the optical fibers are made in the form of coils of a coil spring with a pitch equal to the thickness of the optical fibers of which the coils are made. The sweeps of such turns are mirror symmetrical wedge-shaped elements. The largest surfaces of the turns 5 and 6 of the optical fibers made in this way form light-transmitting planes 9 and 10 perpendicular to the axis of rotation, thereby achieving maximum and stability of the optical transmission, while the remaining surfaces of 11 turns of 5 and 6 optical fibers are made reflective. Part of the coil with a minimum thickness allows virtually eliminating spurious back reflection. The part of the coil with the greatest thickness has a maximum receiving and / or transmitting axial aperture. Therefore, the optical connection of the coils 5 and 6 with the optical fibers 1 and 2, optically coupled to the emitter 7 and the light receiver 8, is carried out precisely through the ends 12 and 13 located in the part of the coils with the greatest thickness.

Заполнение иммерсионной средой пространства между витками 5 и 6 световодов позволяет снизить требования к постоянству зазора между витками 5 и 6 в пределах оборота вращения элемента 3 относительно элемента 4. Непостоянство зазора вызывает паразитную амплитудную модуляцию информационного сигнала, что не всегда желательно. Применение иммерсионной среды позволяет исключить необходимость использования прецизионных подшипников. Filling the space between the turns 5 and 6 of the optical fibers with an immersion medium makes it possible to reduce the requirements for the constancy of the gap between the turns 5 and 6 within the revolution of the element 3 relative to the element 4. The inconsistency of the gap causes spurious amplitude modulation of the information signal, which is not always desirable. The use of immersion media eliminates the need for precision bearings.

Таким образом, устройство обеспечивает симметричную передачу оптической информации между вращающимся и невращающимся элементами, причем как устройство в целом, так и каждый отдельный его канал может обеспечить любой из режимов передачи информации: симплекс, дуплекс, полудуплекс. Thus, the device provides a symmetric transmission of optical information between rotating and non-rotating elements, and both the device as a whole and each individual channel can provide any of the modes of information transfer: simplex, duplex, half duplex.

Claims

1. OPTICAL CONNECTING DEVICE FOR TRANSMISSION OF LIGHT SIGNALS BETWEEN ROTATING AND NON-ROTATING ELEMENTS, containing two optical fibers mounted on a rotating and non-rotating elements and optically coupled to the first element and the axis of rotation and the center of the light centered around the axis of rotation optically conjugated to a light guide mounted on this element, characterized in that a second second turn of the light guide identical to the first is introduced into it, centered relative to the same axis of rotation, located on the second element and optically conjugated with a fiber installed on this element, while the turns of the optical fibers are optically coupled through a constant gap between them.

2. The device according to claim 1, characterized in that the turns of the optical fibers are made in the form of turns of a helical coil spring with a step equal to the thickness of the optical fibers from which the turns are made, while the light-transmitting surfaces of the first and second turns of the optical fibers facing one another are made flat and arranged perpendicular to the axis of rotation, the remaining surfaces of the turns of the optical fibers are made reflective.

3. The device according to claim 2, characterized in that the turns of the optical fibers have a rectangular cross-section.

4. The device according to PP.2 and 3, characterized in that the turns of optical fibers made with variable thickness have ends that are perpendicular to the optical axis of the optical fibers, in the part that has the greatest thickness, while the turns of optical fibers are optically coupled through these ends with optical fibers optically coupled to a light emitter and receiver.

5. The device according to claims 1 to 4, characterized in that the space between the turns of the optical fibers is filled with an immersion medium.