專利名稱：在信號(hào)源與波導(dǎo)之間耦合電磁信號(hào)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在電磁信號(hào)源與電磁波導(dǎo)之間耦合電磁信號(hào)、特別是光學(xué)信號(hào)的方法。
背景技術(shù)：
使用光導(dǎo)纖維承載信息日益普遍。有許多應(yīng)用場(chǎng)合需要在系統(tǒng)的具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)部分之間傳遞信息。典型的情況是，信息產(chǎn)生在旋轉(zhuǎn)元件(例如，旋轉(zhuǎn)輪子上的傳感器)上，并需要傳遞到系統(tǒng)的固定部分，以進(jìn)行處理以及顯示/存儲(chǔ)。在許多情況下，傳遞可以這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)，即利用一定長(zhǎng)度的光導(dǎo)纖維并使纖維具有柔韌性，從而可以使元件在保持所需連接的條件下旋轉(zhuǎn)。然而，對(duì)于諸如輪子的系統(tǒng)(其中輪子可以旋轉(zhuǎn)許多次)而言是顯然的，纖維有限的柔韌性將限制纖維斷裂前的轉(zhuǎn)數(shù)。
目前，該要求的解決方案是使用光學(xué)旋轉(zhuǎn)接頭(ORJ)。這些是可以用于穿過(guò)旋轉(zhuǎn)界面?zhèn)鬟f信息的熟知的裝置。然而，該類型的裝置具有嚴(yán)格的限制，即它必須安裝在系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸上，而且存在許多不能利用該軸的應(yīng)用場(chǎng)合。例如對(duì)于輪子上的傳感器，輪子的輪軸可能是占據(jù)旋轉(zhuǎn)軸的實(shí)心體，并且雖然可以在軸上得到空間，但是這可能減弱系統(tǒng)的機(jī)械強(qiáng)度，因此這可能是不期望的。還存在這樣的應(yīng)用場(chǎng)合，諸如流體的其它機(jī)構(gòu)(services)必須通過(guò)旋轉(zhuǎn)界面，并且通過(guò)在旋轉(zhuǎn)軸上設(shè)置旋轉(zhuǎn)耦合來(lái)最為有效地實(shí)現(xiàn)這些。因此，存在旋轉(zhuǎn)軸上空間的極為激烈的競(jìng)爭(zhēng)，這可能使ORJ在許多應(yīng)用場(chǎng)合不方便或不可能。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種在電磁信號(hào)源與電磁波導(dǎo)之間耦合電磁信號(hào)的方法，其中，在工作時(shí)，所述信號(hào)源與波導(dǎo)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)；該方法包括，在信號(hào)源發(fā)射到波導(dǎo)中的每一位置改變波導(dǎo)的性質(zhì)，以使信號(hào)耦合到波導(dǎo)中；將信號(hào)發(fā)射到波導(dǎo)中；在該位置處取消所述改變，使得一次發(fā)射的信號(hào)沿著波導(dǎo)傳播；并沿著波導(dǎo)為每個(gè)發(fā)射位置重復(fù)該過(guò)程。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種電磁信號(hào)耦合器包括與電磁信號(hào)源有關(guān)的波導(dǎo)和控制器；其中，在工作時(shí)，所述信號(hào)源與波導(dǎo)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)；其中控制器在信號(hào)源發(fā)射到波導(dǎo)中的位置處有選擇地改變波導(dǎo)，以使信號(hào)耦合到波導(dǎo)中；在信號(hào)源離開(kāi)所述位置時(shí)取消所述改變；并沿著波導(dǎo)為每個(gè)發(fā)射位置重復(fù)該過(guò)程。
優(yōu)選地，波導(dǎo)是固定的，信號(hào)源是運(yùn)動(dòng)的。
優(yōu)選地，已經(jīng)沿著波導(dǎo)傳播的電磁能通過(guò)波導(dǎo)的端部離開(kāi)。
優(yōu)選地，至少一個(gè)間隙設(shè)置在大致連續(xù)的波導(dǎo)環(huán)中，以使數(shù)據(jù)能夠被提取出。
優(yōu)選地，越過(guò)所述至少一個(gè)間隙的來(lái)自信號(hào)源的數(shù)據(jù)的損失通過(guò)增加所有其它位置的傳輸率并防止在該間隙中傳輸來(lái)避免。
優(yōu)選地，信號(hào)源的數(shù)量等于間隙的數(shù)量；設(shè)置成在任一時(shí)間僅一個(gè)信號(hào)源越過(guò)間隙；并且其中，將從波導(dǎo)提取的數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，以提供連續(xù)的數(shù)據(jù)流。
優(yōu)選地，電磁信號(hào)源是光學(xué)信號(hào)源。
優(yōu)選地，信號(hào)通過(guò)耦合到波導(dǎo)端部的光導(dǎo)纖維輸出。
優(yōu)選地，波導(dǎo)包括結(jié)合有可變光柵或表面涂層的表面。
優(yōu)選地，光柵或表面涂層包括磁光、電光、聲光或光敏材料中的一種。
優(yōu)選地，波導(dǎo)包括具有熒光芯或覆層的光導(dǎo)纖維。


現(xiàn)在，將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的電磁信號(hào)源與電磁波導(dǎo)之間的電磁信號(hào)的耦合方法的示例和電磁信號(hào)耦合器的示例并將其與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，附圖中圖1示出一示例，其中可以使用傳統(tǒng)的光學(xué)旋轉(zhuǎn)接頭將數(shù)據(jù)從旋轉(zhuǎn)部分傳遞到固定部分；圖2示出一示例，其中不可以使用傳統(tǒng)的光學(xué)旋轉(zhuǎn)接頭將數(shù)據(jù)從旋轉(zhuǎn)部分傳遞到固定部分；圖3示出本發(fā)明的第一示例，其中根據(jù)本發(fā)明，數(shù)據(jù)從運(yùn)動(dòng)部分傳遞到固定部分；
圖4示出本發(fā)明的第二示例，適于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其中根據(jù)本發(fā)明，數(shù)據(jù)從運(yùn)動(dòng)部分傳遞到固定部分；圖5示出圖4示例的可選擇布置；圖6更詳細(xì)地示出根據(jù)本發(fā)明的將信號(hào)耦合到波導(dǎo)的一種方法；和圖7示出用于與圖3、4或5的示例一起使用的可選擇方法。
具體實(shí)施例方式
圖1示出耦合光學(xué)信號(hào)的第一示例，其中可以使用ORJ。輪子1在安裝于軸承3中用于旋轉(zhuǎn)的輪軸2上旋轉(zhuǎn)。輪軸2上的傳感器4經(jīng)由光導(dǎo)纖維5連接到ORJ 6。信息從輪子旋轉(zhuǎn)部分上的傳感器3傳遞到安裝在固定部分8上的光導(dǎo)纖維7。在圖1中，軸承布置允許ORJ安裝在輪軸的軸線上，而不是該軸線外。
圖2示出不能使用ORJ的示例。在圖2中，實(shí)心外部軸承9的布置使ORJ必須安裝在輪子1之外足夠遠(yuǎn)才是可行的。
如果不能得到旋轉(zhuǎn)軸，例如如圖2所示，則制造商必定常常使用可以通過(guò)電滑環(huán)傳遞的電信號(hào)。使用電信號(hào)給制造商帶來(lái)了許多方面的問(wèn)題。例如，由電信號(hào)引起的電干擾或?qū)﹄娦盘?hào)的電干擾可能需要相當(dāng)大的設(shè)計(jì)努力來(lái)消除，并且可能需要會(huì)增加系統(tǒng)成本、重量或尺寸的重要屏蔽裝置。經(jīng)常地，電信號(hào)的帶寬比光學(xué)信號(hào)的低，并且單一ORJ必須被若干電滑環(huán)代替。這同樣增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。
除了旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)以外，還存在這樣的應(yīng)用場(chǎng)合運(yùn)動(dòng)是線性的，例如將數(shù)據(jù)從運(yùn)動(dòng)的火車傳遞到軌道旁的接收系統(tǒng)。ORJ不能解決這類需求，從而需要滑環(huán)的光學(xué)等同物。
本發(fā)明解決了這些問(wèn)題，并且在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種電滑環(huán)的光學(xué)等同物。這具有如下優(yōu)點(diǎn)在ORJ不能使用的情況下應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，并更廣泛地應(yīng)用于非旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。
本發(fā)明的基本方法如圖3所示。該圖示示出兩個(gè)部分，部分A 10和B 11，該兩部分具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如箭頭12所示。帶有將要在兩個(gè)部分10、11之間傳遞的信息的光導(dǎo)纖維13附接到部分A。聚焦光束14投射到形成于部分B11中的波導(dǎo)15上。光通過(guò)透鏡裝置16聚焦到波導(dǎo)上。光耦合到17波導(dǎo)15中，并沿著波導(dǎo)行進(jìn)，直到其離開(kāi)18波導(dǎo)進(jìn)入輸出光導(dǎo)纖維中。因此，隨著兩個(gè)部分10、11相對(duì)于彼此運(yùn)動(dòng)，光14發(fā)射到波導(dǎo)15中的點(diǎn)沿著波導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，但是光持續(xù)通過(guò)輸出光纖離開(kāi)波導(dǎo)。
該方法可以用于形成用于旋轉(zhuǎn)應(yīng)用場(chǎng)合的圓形滑環(huán)，如圖4所示。在該示例中，固定部分20是圍繞旋轉(zhuǎn)軸21的環(huán)，安裝在其上的是形成幾乎完整圓環(huán)的波導(dǎo)22。光沿著波導(dǎo)傳播23。波導(dǎo)“環(huán)”裂開(kāi)，以引導(dǎo)光離開(kāi)波導(dǎo)，到達(dá)輸出光導(dǎo)纖維24。該布置導(dǎo)致傳播的中止，這是因?yàn)樾D(zhuǎn)部分26中的光的發(fā)射點(diǎn)25與波導(dǎo)環(huán)中的斷點(diǎn)27交叉。為了防止在該點(diǎn)處不可接受的通信損失，存在可以應(yīng)用的各種技術(shù)。例如，一個(gè)選擇是以極限的更高速率傳遞信息，使得在橫越間隙期間發(fā)送的信息可以存儲(chǔ)并在旋轉(zhuǎn)周期期間發(fā)送?；蛘?，可以應(yīng)用向前糾錯(cuò)(FEC)技術(shù)使數(shù)據(jù)恢復(fù)，盡管在間隙處信號(hào)丟失。
圖5示出用于處理通信損失的波導(dǎo)22的結(jié)構(gòu)變化，由此波導(dǎo)環(huán)分成兩段22a、22b，并使用了兩個(gè)發(fā)射點(diǎn)25a、25b，其設(shè)置成通過(guò)相應(yīng)地調(diào)節(jié)角位移28來(lái)確保在任意時(shí)間僅一個(gè)發(fā)射點(diǎn)越過(guò)間隙27a、27b。在該情況下，存在兩個(gè)輸出24a、24b，并且這需要供給到可以選擇合適信息流的系統(tǒng)，來(lái)確保信息流是連續(xù)的。
本發(fā)明的基本考慮是，如果可以將光發(fā)射到波導(dǎo)中，則光可能從波導(dǎo)中漏出。這導(dǎo)致了波導(dǎo)中不能接受的損失。發(fā)射點(diǎn)與輸出纖維之間的總損失也隨著發(fā)射位置而改變，這導(dǎo)致了額外的復(fù)雜化。原則上，光發(fā)射的效率越高，波導(dǎo)中的損失就越大?？朔撓拗剖峭瓿杀景l(fā)明的重要要求。
一種可以用于優(yōu)化發(fā)射效率對(duì)波導(dǎo)損失的已知技術(shù)在Chen等人的“Fully Embedded Board-Level Guided Wave Optoelectronic Interconnects”(IEEE第88卷，No.6，2006年6月)中描述。此文獻(xiàn)描述了可用于將光發(fā)射到嵌入到平面材料中的波導(dǎo)中的許多技術(shù)。所描述耦合結(jié)構(gòu)的一個(gè)性質(zhì)是光可以有效地耦合(35％)到波導(dǎo)中，但是已在波導(dǎo)中行進(jìn)并通過(guò)耦合器的光以極低的效率(＜1％)耦合出。因此，可以沿著波導(dǎo)的長(zhǎng)度布置這些耦合器的連續(xù)線，使得光可以沿著波導(dǎo)在任意點(diǎn)處耦合進(jìn)入。耦合通過(guò)裝配到波導(dǎo)表面中的光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)。
為了提高本發(fā)明的耦合/波導(dǎo)損失性能，可以有許多技術(shù)。這些是基于改變波導(dǎo)在發(fā)射點(diǎn)處的性質(zhì)。因此，可以使耦合器在發(fā)射點(diǎn)處具有良好的耦合性能。這可以以在該點(diǎn)處更高的損失為代價(jià)。因?yàn)樵摳叩膿p失僅發(fā)生在耦合點(diǎn)處，所以這將是更可以接受的。
以上的實(shí)現(xiàn)在圖6中示出。耦合器由耦合性能可以在發(fā)射點(diǎn)周圍局部改變的材料制成。在一個(gè)示例中，耦合以由磁光材料形成在波導(dǎo)15中的光柵為中間介質(zhì)。光柵由交替連接的磁光材料層形成。因此，在沒(méi)有磁場(chǎng)29的條件下，光柵極弱，這是因?yàn)檫@些層顯示出相同的折射率，而在施加磁場(chǎng)時(shí)，這些層具有離散的折射率，并局部形成更強(qiáng)的光柵，該光柵可以布置成具有較高的耦合效率。線圈30放置在部分A中，從而通過(guò)施加磁場(chǎng)改變波導(dǎo)局部在發(fā)射點(diǎn)處的性質(zhì)。
同樣地，可以應(yīng)用其它的物理現(xiàn)象來(lái)局部地影響波導(dǎo)。例如，通過(guò)利用電光效應(yīng)，其中電場(chǎng)代替磁場(chǎng)并經(jīng)由電光效應(yīng)局部地改變耦合，或者通過(guò)短暫的耦合，可以使在部分A 10中承載光的材料與波導(dǎo)15之間的間隙足夠小，以使材料本身的存在將局部影響該耦合?；蛘?，光學(xué)相互作用，例如波導(dǎo)的局部照度，一般地其波長(zhǎng)與承載信息的波長(zhǎng)不同，可以設(shè)置成改變波導(dǎo)的性質(zhì)或者可以利用聲光裝置，該聲光裝置利用聲音局部注入來(lái)改變波導(dǎo)性質(zhì)。
作為所提供耦合的無(wú)需光柵結(jié)構(gòu)的可代替機(jī)構(gòu)包括使用波導(dǎo)表面上的涂層或者利用熒光，所述涂層正常反射光，從而使光保持在波導(dǎo)內(nèi)，但不能被局部改變以使光在發(fā)射點(diǎn)處通過(guò)。利用熒光的耦合示例在圖7中給出。光以一個(gè)波長(zhǎng)注入光導(dǎo)纖維31中，并被吸收在結(jié)合到芯32或者光纖的覆層33中的熒光材料中。光的吸收促使熒光材料進(jìn)入更高的能量狀態(tài)，這衰減不同波長(zhǎng)光的發(fā)射。所發(fā)射的光是各向同性的，因此光纖收集角內(nèi)的任何光都將在光纖中傳播34，如圖7所示，并且所有其它的光將簡(jiǎn)單地穿過(guò)35光纖。
本發(fā)明提供了這樣一種滑環(huán)，其能夠使電磁信號(hào)、特別是光信號(hào)，在一個(gè)部分的波導(dǎo)與第二部分的波導(dǎo)之間傳遞，其中所述兩個(gè)部分具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)利用耦合技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效傳遞，所述耦合技術(shù)使波導(dǎo)之間的信號(hào)耦合最大化，并使信號(hào)在沿著波導(dǎo)剩余部分的傳遞期間的任何不期望的耦合出最小化。該類型的滑環(huán)能夠使運(yùn)動(dòng)部分之間在寬范圍的系統(tǒng)中進(jìn)行通信，例如在運(yùn)動(dòng)的車輛和公路或軌道側(cè)接收器之間。
本發(fā)明的重要應(yīng)用是在因不能得到旋轉(zhuǎn)軸而不能使用標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)接頭的機(jī)器中穿過(guò)旋轉(zhuǎn)界面?zhèn)鬟f數(shù)據(jù)。具體的示例是用于醫(yī)療應(yīng)用的計(jì)算機(jī)化軸向?qū)游鯴射線照相術(shù)(CAT)或計(jì)算機(jī)化層析X射線照相術(shù)(CT)掃描儀，其中X射線管和照射檢測(cè)器圍繞身體旋轉(zhuǎn)，并且旋轉(zhuǎn)的照射檢測(cè)器接收的數(shù)據(jù)必須傳送給計(jì)算機(jī)，以計(jì)算何物曾經(jīng)處于X射線的路徑中，從而這可以顯示出來(lái)，供醫(yī)療專業(yè)人員進(jìn)行解釋。使用光學(xué)旋轉(zhuǎn)接頭不實(shí)際，因?yàn)槠湫枰惭b在軸上，而該軸是身體進(jìn)行掃描所在的位置。傳統(tǒng)地，數(shù)據(jù)傳送已經(jīng)由電滑環(huán)或射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但是這些帶來(lái)的問(wèn)題是，這些技術(shù)缺乏數(shù)據(jù)傳送能力，需要較大的機(jī)械組件，并易于帶來(lái)電磁干擾問(wèn)題。
已經(jīng)參照光學(xué)信號(hào)描述了本發(fā)明的這些示例。但是，應(yīng)當(dāng)指出，許多實(shí)現(xiàn)方式也可應(yīng)用于電磁頻譜的其它部分，特別是微波。
權(quán)利要求
1.一種在電磁信號(hào)源與電磁波導(dǎo)之間耦合電磁信號(hào)的方法，其中，在工作時(shí)，所述信號(hào)源與波導(dǎo)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)；該方法包括，在信號(hào)源發(fā)射到波導(dǎo)中的每一位置改變波導(dǎo)的性質(zhì)，以使信號(hào)耦合到波導(dǎo)中；將信號(hào)發(fā)射到波導(dǎo)中；在該位置處取消所述改變，使得一次發(fā)射的信號(hào)沿著波導(dǎo)傳播；并沿著波導(dǎo)為每個(gè)發(fā)射位置重復(fù)該過(guò)程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，波導(dǎo)是固定的而信號(hào)源是運(yùn)動(dòng)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的方法，其中，已經(jīng)沿著波導(dǎo)傳播的電磁能通過(guò)波導(dǎo)的端部離開(kāi)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中，至少一個(gè)間隙設(shè)置在大致連續(xù)的波導(dǎo)環(huán)中，以使數(shù)據(jù)能夠被提取出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，越過(guò)所述至少一個(gè)間隙的來(lái)自信號(hào)源的數(shù)據(jù)的損失通過(guò)增加所有其它位置的傳輸率并防止在該間隙中傳輸來(lái)避免。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，信號(hào)源的數(shù)量等于間隙的數(shù)量；設(shè)置成在任一時(shí)間僅一個(gè)信號(hào)源越過(guò)間隙；并且其中將從波導(dǎo)提取的數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，以提供連續(xù)的數(shù)據(jù)流。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中，電磁信號(hào)源是光學(xué)信號(hào)源。
8.一種電磁信號(hào)耦合器，包括與電磁信號(hào)源有關(guān)的波導(dǎo)和控制器；其中，在工作時(shí)，所述信號(hào)源與波導(dǎo)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)；其中控制器在信號(hào)源發(fā)射到波導(dǎo)中的位置處有選擇地改變波導(dǎo)，以使信號(hào)耦合到波導(dǎo)中；在信號(hào)源離開(kāi)所述位置時(shí)取消所述改變；并沿著波導(dǎo)為每個(gè)發(fā)射位置重復(fù)該過(guò)程。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的耦合器，其中，波導(dǎo)是固定的，并且信號(hào)源是運(yùn)動(dòng)的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或權(quán)利要求9的耦合器，其中，已經(jīng)沿著波導(dǎo)傳播的電磁能在波導(dǎo)的端部離開(kāi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8-10中任一項(xiàng)的耦合器，其中，至少一個(gè)間隙設(shè)置在大致連續(xù)的波導(dǎo)環(huán)中，以使數(shù)據(jù)能夠從波導(dǎo)中被提取出。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的耦合器，其中，信號(hào)源的數(shù)量等于間隙的數(shù)量；設(shè)置成在任一時(shí)間僅一個(gè)信號(hào)源越過(guò)間隙；并且其中，將從波導(dǎo)提取的數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，以提供連續(xù)的數(shù)據(jù)流。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-12中任一項(xiàng)的耦合器，其中，電磁信號(hào)包括光學(xué)信號(hào)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的耦合器，其中，信號(hào)通過(guò)耦合到波導(dǎo)端部的光導(dǎo)纖維輸出。
15.根據(jù)權(quán)利要求8-14中任一項(xiàng)的耦合器，其中，波導(dǎo)包括結(jié)合有可變光柵或表面涂層的表面。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的耦合器，其中，光柵或表面涂層包括磁光、電光、聲光或光敏材料中的一種。
17.根據(jù)權(quán)利要求8-14中任一項(xiàng)的耦合器，其中，波導(dǎo)包括具有熒光芯或覆層的光導(dǎo)纖維。
全文摘要
一種在電磁信號(hào)源(13)與電磁波導(dǎo)(15)之間耦合電磁信號(hào)的方法，其中，在工作時(shí)，所述信號(hào)源與波導(dǎo)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)(12)；該方法包括，在信號(hào)源發(fā)射到波導(dǎo)中的每一位置改變波導(dǎo)(15)的性質(zhì)，以使信號(hào)耦合(17)到波導(dǎo)中；將信號(hào)發(fā)射到波導(dǎo)中；在該位置處取消所述改變，使得一次發(fā)射的信號(hào)沿著波導(dǎo)傳播(18)；并沿著波導(dǎo)為每個(gè)發(fā)射位置重復(fù)該過(guò)程。
文檔編號(hào)G02B6/30GK1950740SQ200580014742
公開(kāi)日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月15日
發(fā)明者約翰·曼斯布里奇 申請(qǐng)人:羅克·馬諾爾研究有限公司