ОПТИЧЕСКОЕ СОЕДИНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ СВЕТОВЫХ СИГНАЛОВ МЕЖДУ ВРАЩАЮЩИМСЯ И НЕВРАЩАЮЩИМСЯ ЭЛЕМЕНТАМИ Российский патент 1996 года по МПК G02B6/36 

Изобретение относится к волоконно-оптическим средствам связи и может быть использовано для передачи световых сигналов между двумя элементами, один из которых вращается относительно другого.

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.

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.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении надежности, достоверности и помехоустойчивости при двунаправленном режиме передачи оптической информации.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении физической симметрии при распространении оптических сигналов в обоих направлениях.

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.

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.

Витки световодов могут иметь прямоугольную форму.

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.

Кроме того, пространство между витками световодов заполнено иммерсионной средой.

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.

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.

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.

Устройство может быть многоканальным, каждый канал которого конструктивно выполнен так, как описано выше.

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.

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.

Пространство между витками 5 и 6 световодов может быть заполнено иммерсионной средой.

Устройство работает следующим образом.

Известен эффект "вытекания" моды, характерный для оптических волноводных устройств (световодов) типа волоконных, полосковых и т.д.

Следовательно, если расположить рядом два световода, один из которых возбужден, то часть основной моды "перетечет" в другой световод. Этот принцип реализован в предлагаемом устройстве.

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.

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.

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.

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.

Использование: волоконно-оптические средства связи. Сущность изобретения: устройство содержит два световода, установленные на вращающемся и невращающемся элементах, оптически сопряженные с излучателем и приемником света, два идентичных витка световода, центрированных относительно оси вращения вращающегося элемента и сопряженных друг с другом через постоянный зазор. Витки световодов размещены на соответствующем элементе и оптически сопряжены с установленным на этом элементе световодом. Витки световодов могут быть выполнены в виде витков цилиндрической винтовой пружины с шагом, равным толщине световодов. Витки световодов могут иметь счетчик прямоугольной формы. Пространство между витками световодов может быть заполнено иммерсионной средой. 4 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ОПТИЧЕСКОЕ СОЕДИНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ СВЕТОВЫХ СИГНАЛОВ МЕЖДУ ВРАЩАЮЩИМСЯ И НЕВРАЩАЮЩИМСЯ ЭЛЕМЕНТАМИ, содержащее два световода, установленных на вращающемся и невращающемся элементах и оптически сопряженных 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, отличающееся тем, что в него введен идентичный первому второй виток световода, центрированный относительной 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. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что витки световодов выполнены в виде витков винтовой цилиндрической пружины с шагом, равным толщине световодов, из которых выполнены витки, при этом обращенные одна к другой светопередающие поверхности первого и второго витков световодов выполнены плоскими и расположены перпендикулярно оси вращения, остальные поверхности витков световодов выполнены отражающими. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что витки световодов имеют сечение прямоугольной формы. 4. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что 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 сопряжеными с излучателем и приемником света. 5. Устройство по пп.1 - 4, отличающееся тем, что пространство между витками световодов заполнено иммерсионной средой.