一种传感光纤及其制备方法和传感光纤环与流程

本发明属于光纤制备技术领域，更具体地，涉及一种传感光纤及其制备方法和传感光纤环。

背景技术：

光纤由于良好的绝缘性、天然的抗电磁干扰能力、紧凑性以及可以低损耗地传输光信号等特点，被广泛用于传感中，如电流互感器等。通常的电流互感器中传感光纤环由低双折射光纤绕环形成，其中传输的偏振光容易受制备缺陷(纤芯椭圆化、非对称性应力等)和外界因素(温度、弯曲、震动等)的影响，从而导致测试结果不准确甚至错误。目前被广泛研究和应用的是旋转光纤，其原理是在常规保偏光纤(即线性偏振保持光纤)的基础上，通过以长度方向的轴线为中心旋转光纤而引入圆双折射，与光纤本身的线性双折射一起共同形成椭圆双折射。这种旋转速率越高，越接近保圆光纤(即圆偏振保持光纤)。

光纤的基模有两个偏振态，设它们的传播常数分别为β₁和β₂，传播常数即波数β，β＝2π·n_eff/λ，n_eff为模式有效折射率，λ为工作波长。双折射光纤中两个偏振态的传播常数之差(β₁-β₂)较大，即传播速度相差较大，随着传播距离增加，模式间的延时差(即对应相位差)线性增加。复合偏振态的重复周期即拍长L_B＝2π/Δβ，Δβ＝β₁-β₂。每段长为L_B/2的旋转光纤可看成一段长L_B/4的双折射光纤连接另一段长L_B/4的双折射光纤，后一段双折射光纤的主轴方向相对于前者旋转了π/2。这样这两段光纤的模式延时可以完全抵消，最大相位差也减小了一半。

旋转光纤的旋转率可以用ξ＝2π/L_spun表示，意为光纤单位长度上的旋转角度，单位为rad/m，L_spun为光纤旋转周期。旋转光纤的偏振态和双折射特性可以用Poincaré上的向量表示(“Spun elliptically birefringent photonic crystal fibre”，Opt.Express，Vol.15，No.4，2007)，其中，L_B′表示旋转光纤两个基模偏振态变化的周期，而其圆拍长(或者说包络周期)为向量表示普通保偏光纤；向量表示旋转引起的圆偏振，系数2表示光纤旋转一周对应Poincaré球上的偏振态旋转4π，向量和方向垂直。

均匀旋转光纤可以采用McIntyre and Snyder提出的分片堆积的方法分析(Light propagation in twisted anisotropic media:Application to photoreceptors.JOSA,Vol.68,No.2,1978)。具体将一段旋转光纤平均细分为若干个片段，各片段内的双折射是均匀的，各片段(除第一段)的主轴相对于前一个片段主轴均偏移一定角度，片段之间的光场的变化采用耦合模理论分析。如图1所示，在不考虑残余应力的情况下，采用这种方法计算不同旋转率ξ/Δβ对光纤最大局部模式间相位差的影响。时为线性偏振保持光纤，时为圆偏振保持光纤，时为椭圆偏振保持光纤，越小则光纤越接近圆偏振保持光纤。

而由保偏光纤(或保偏预制棒)变节距旋转得到的光纤具备光学偏振态控制功能。特殊地，旋转速率从零变到最大(通常此时旋转率ξ/Δβ≥2)具备将线偏光转换为椭圆偏振光的能力(或相反)。

通常的电流互感器中至少包含了延时用的保偏光纤、1/4玻片(或变节距旋转保偏光纤部分)及传感光纤(如定节距旋转光纤)。这三部分器件需要通过熔接的方式连接在一起，工艺繁琐、可靠性不高，而且存在环境温度敏感等缺点。而得到的电流互感器在熔接部位通常具有接续点，会影响传感性能。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种一体化的传感光纤及其制备方法，具备无接续点、可靠性高、温度特性好等特点。

为解决上述技术问题，按照本发明的一个方面，提供了一种传感光纤，由不旋转保偏光纤部分、变节距旋转保偏光纤部分和定节距旋转保偏光纤部分顺次组成，所述传感光纤由一根保偏预制棒一次拉制而成，所述传感光纤的旋转率关于轴向长度可微分且微分连续。例如，所述传感光纤的旋转率可用一关于轴向长度x的函数ξ(x)表示，ξ(x)关于x可微分，且微分连续。

本发明的一个实施例中，所述定节距旋转保偏光纤部分通过拉丝的同时旋转所述保偏预制棒而成，旋转速度固定，旋转速度的范围为200～2000rpm，拉丝速度固定，拉丝速度的范围为1～10m/min。

本发明的一个实施例中，所述变节距旋转保偏光纤部分通过固定拉丝速度，连续变化预制棒旋转速度得到，拉丝速度范围在1～50m/min，最低旋转速度为0rpm，最高旋转速度为200～2000rpm。

本发明的一个实施例中，所述变节距旋转保偏光纤部分通过同时变化预制棒旋转速度和连续变化拉丝速度得到，拉丝速度范围在1～50m/min，最低旋转速度为0rpm，最高旋转速度为200～2000rpm。

本发明的一个实施例中，所述不旋转保偏光纤部分通过不旋转保偏预制棒拉丝得到，拉丝速度范围在1～100m/min。

本发明的一个实施例中，所述定节距旋转保偏光纤部分旋转节距范围在1mm～10mm。

本发明的一个实施例中，所述变节距旋转保偏光纤部分节距连续可变，最大节距为10mm，最小节距为0mm。

本发明的一个实施例中，所述不旋转保偏光纤部分节距为0mm。

本发明所提供的传感光纤，由一根保偏预制棒一次拉制而成，并且旋转率关于轴向长度可微分且微分连续，包含不旋转保偏光纤部分、变节距旋转保偏光纤部分和定节距旋转保偏光纤部分；与现有技术中通过将延时用的保偏光纤、1/4玻片(或变节距旋转保偏光纤部分)及传感光纤(如定节距旋转光纤)通过熔接的方式连接在一起得到的传感光纤相比，由于没有熔接点，而且涂覆也是一次成型，避免额外的热处理和缺陷的引入，提高了整个电流互感系统的稳定性，特别适合较恶劣的环境，也适合后面的成缆工艺。同时由于不存在快慢轴对准的问题，避免了模式的畸变，提高了整个电流互感系统的准确度和可靠性。

按照本发明的另一方面，还提供了一种上述传感光纤的制备方法：将一根保偏预制棒一次拉制而成，其中所述定节距旋转保偏光纤部分通过拉丝的同时旋转保偏预制棒而成，旋转速度固定；所述变节距旋转保偏光纤部分通过固定拉丝速度连续变化预制棒旋转速度得到，或者通过同时变化预制棒旋转速度和连续变化拉丝速度得到；所述不旋转保偏光纤部分通过不旋转保偏预制棒拉丝得到。

本发明所提供的方法，通过调节各个光纤部分的旋转速度和拉丝速度，将一根保偏预制棒一次拉制生成传感光纤，集成了电流互感器所需的三个功能部件。同时其生产过程如同常规光纤，一次成型、一次涂覆，具备常规光纤所具备的所有优点，如高强度、高可靠性及易加工等特点。。

需要说明的是，在实际生产中可以对保偏预制棒，通过周期性重复拉丝条件一次制备多个传感光纤。

按照本发明的另一方面，还提供了一种传感光纤环，上述传感光纤组成，所述传感光纤环的旋转端端面镀有光学反射膜；所述传感光纤环的定节距旋转保偏光纤部分按单一方向绕制成环一，环一的圈数为整数倍，且圈数至少为1；所述传感光纤环的变节距旋转保偏光纤部分绕制成环二，环二的结构为单向或者是“8”字形；所述传感光纤环的不旋转保偏光纤部分绕制成单向环三；所述环一、环二和环三独立。

附图说明

图1为不同旋转率ξ/Δβ对光纤最大局部模式相位差的影响曲线；

图2为实施例1的保偏预制棒旋转速度及光纤中旋转拍长函数示意图；

图3为实施例2的后处理光纤中光纤旋转率及光纤中旋转拍长函数示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明旋转光纤的制备方法包括两个主要步骤：光纤预制棒的制备和光纤预制棒的拉丝。光纤预制棒的制备可采用PCVD、MCVD或FCVD等方法，制备两个对称分布在纤芯两侧的应力区。应力区为掺杂热膨胀系数大于光纤熔石英的材料，如B₂O₃等。应力区可以单独制备，然后套入已打好孔的母棒中；也可以通过不对称沉积的方法在衬管中直接沉积而成。光纤拉丝采用旋转拉丝塔制备，根据不同的要求设置拉丝参数，这些参数包含预制棒旋转速度，拉丝速度等。带涂覆层的成品光纤经过分切入库。对于光纤后处理方法，先采用保偏光纤拉丝工艺拉制合格光纤。剥除涂覆层，经过热处理加工后再涂覆成可用光纤。

实施例1

采用在线拉丝的方法，先制备保偏预制棒，再在旋转拉丝塔上拉丝。保持拉丝速度在4m/min，旋转速度随时间的函数为周期函数，每个周期包含不旋转拉丝、变速旋转拉丝和匀速旋转拉丝，旋转速度最大值为800rpm，最小为0rpm，变速阶段函数曲线为

其中，t为时间，t1为变速开始时间，t2为变速结束时间，见图2。得到的光纤中的旋转率函数ξ(x)和拉丝旋转速度函数对应，最大旋转率为2π/(5mm)，最小为0。不旋转光纤段长100m～200m，变速阶段段长不大于0.2m，均匀旋转阶段段长为5m～50m，一个周期中包含两段可用的传感光纤(如图2中示意的光纤I和光纤II)。后期分切使用。

实施例2

采用在保偏光纤后处理的方法，先制备保偏光纤，然后剥除涂覆层(不旋转保偏光纤部分保留)，通过火焰加热旋转来实现。每个周期包含不旋转(图3中I)、变速旋转(图3中II)和匀速旋转(图3中III)，每段分别处理：匀速旋转阶段光纤两端固定，加热源匀速移动，待光纤软化后旋转光纤。在两端自然形成变速阶段。变速阶段函数曲线为连续可导。不旋转光纤段长100m～200m，变速阶段段长不大于0.2m，均匀旋转阶段段长为5m～50m。最大ξ最大值为2π/(4～6mm)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。