本發(fā)明屬于光纖制備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種傳感光纖及其制備方法和傳感光纖環(huán)。

背景技術(shù)：

光纖由于良好的絕緣性、天然的抗電磁干擾能力、緊湊性以及可以低損耗地傳輸光信號等特點，被廣泛用于傳感中，如電流互感器等。通常的電流互感器中傳感光纖環(huán)由低雙折射光纖繞環(huán)形成，其中傳輸?shù)钠窆馊菀资苤苽淙毕?纖芯橢圓化、非對稱性應(yīng)力等)和外界因素(溫度、彎曲、震動等)的影響，從而導(dǎo)致測試結(jié)果不準確甚至錯誤。目前被廣泛研究和應(yīng)用的是旋轉(zhuǎn)光纖，其原理是在常規(guī)保偏光纖(即線性偏振保持光纖)的基礎(chǔ)上，通過以長度方向的軸線為中心旋轉(zhuǎn)光纖而引入圓雙折射，與光纖本身的線性雙折射一起共同形成橢圓雙折射。這種旋轉(zhuǎn)速率越高，越接近保圓光纖(即圓偏振保持光纖)。

光纖的基模有兩個偏振態(tài)，設(shè)它們的傳播常數(shù)分別為β₁和β₂，傳播常數(shù)即波數(shù)β，β＝2π·n_eff/λ，n_eff為模式有效折射率，λ為工作波長。雙折射光纖中兩個偏振態(tài)的傳播常數(shù)之差(β₁-β₂)較大，即傳播速度相差較大，隨著傳播距離增加，模式間的延時差(即對應(yīng)相位差)線性增加。復(fù)合偏振態(tài)的重復(fù)周期即拍長L_B＝2π/Δβ，Δβ＝β₁-β₂。每段長為L_B/2的旋轉(zhuǎn)光纖可看成一段長L_B/4的雙折射光纖連接另一段長L_B/4的雙折射光纖，后一段雙折射光纖的主軸方向相對于前者旋轉(zhuǎn)了π/2。這樣這兩段光纖的模式延時可以完全抵消，最大相位差也減小了一半。

旋轉(zhuǎn)光纖的旋轉(zhuǎn)率可以用ξ＝2π/L_spun表示，意為光纖單位長度上的旋轉(zhuǎn)角度，單位為rad/m，L_spun為光纖旋轉(zhuǎn)周期。旋轉(zhuǎn)光纖的偏振態(tài)和雙折射特性可以用Poincaré上的向量表示(“Spun elliptically birefringent photonic crystal fibre”，Opt.Express，Vol.15，No.4，2007)，其中，L_B′表示旋轉(zhuǎn)光纖兩個基模偏振態(tài)變化的周期，而其圓拍長(或者說包絡(luò)周期)為向量表示普通保偏光纖；向量表示旋轉(zhuǎn)引起的圓偏振，系數(shù)2表示光纖旋轉(zhuǎn)一周對應(yīng)Poincaré球上的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)4π，向量和方向垂直。

均勻旋轉(zhuǎn)光纖可以采用McIntyre and Snyder提出的分片堆積的方法分析(Light propagation in twisted anisotropic media:Application to photoreceptors.JOSA,Vol.68,No.2,1978)。具體將一段旋轉(zhuǎn)光纖平均細分為若干個片段，各片段內(nèi)的雙折射是均勻的，各片段(除第一段)的主軸相對于前一個片段主軸均偏移一定角度，片段之間的光場的變化采用耦合模理論分析。如圖1所示，在不考慮殘余應(yīng)力的情況下，采用這種方法計算不同旋轉(zhuǎn)率ξ/Δβ對光纖最大局部模式間相位差的影響。時為線性偏振保持光纖，時為圓偏振保持光纖，時為橢圓偏振保持光纖，越小則光纖越接近圓偏振保持光纖。

而由保偏光纖(或保偏預(yù)制棒)變節(jié)距旋轉(zhuǎn)得到的光纖具備光學(xué)偏振態(tài)控制功能。特殊地，旋轉(zhuǎn)速率從零變到最大(通常此時旋轉(zhuǎn)率ξ/Δβ≥2)具備將線偏光轉(zhuǎn)換為橢圓偏振光的能力(或相反)。

通常的電流互感器中至少包含了延時用的保偏光纖、1/4玻片(或變節(jié)距旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分)及傳感光纖(如定節(jié)距旋轉(zhuǎn)光纖)。這三部分器件需要通過熔接的方式連接在一起，工藝繁瑣、可靠性不高，而且存在環(huán)境溫度敏感等缺點。而得到的電流互感器在熔接部位通常具有接續(xù)點，會影響傳感性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種一體化的傳感光纖及其制備方法，具備無接續(xù)點、可靠性高、溫度特性好等特點。

為解決上述技術(shù)問題，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種傳感光纖，由不旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分、變節(jié)距旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分和定節(jié)距旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分順次組成，所述傳感光纖由一根保偏預(yù)制棒一次拉制而成，所述傳感光纖的旋轉(zhuǎn)率關(guān)于軸向長度可微分且微分連續(xù)。例如，所述傳感光纖的旋轉(zhuǎn)率可用一關(guān)于軸向長度x的函數(shù)ξ(x)表示，ξ(x)關(guān)于x可微分，且微分連續(xù)。

本發(fā)明的一個實施例中，所述定節(jié)距旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分通過拉絲的同時旋轉(zhuǎn)所述保偏預(yù)制棒而成，旋轉(zhuǎn)速度固定，旋轉(zhuǎn)速度的范圍為200～2000rpm，拉絲速度固定，拉絲速度的范圍為1～10m/min。

本發(fā)明的一個實施例中，所述變節(jié)距旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分通過固定拉絲速度，連續(xù)變化預(yù)制棒旋轉(zhuǎn)速度得到，拉絲速度范圍在1～50m/min，最低旋轉(zhuǎn)速度為0rpm，最高旋轉(zhuǎn)速度為200～2000rpm。

本發(fā)明的一個實施例中，所述變節(jié)距旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分通過同時變化預(yù)制棒旋轉(zhuǎn)速度和連續(xù)變化拉絲速度得到，拉絲速度范圍在1～50m/min，最低旋轉(zhuǎn)速度為0rpm，最高旋轉(zhuǎn)速度為200～2000rpm。

本發(fā)明的一個實施例中，所述不旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分通過不旋轉(zhuǎn)保偏預(yù)制棒拉絲得到，拉絲速度范圍在1～100m/min。

本發(fā)明的一個實施例中，所述定節(jié)距旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分旋轉(zhuǎn)節(jié)距范圍在1mm～10mm。

本發(fā)明的一個實施例中，所述變節(jié)距旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分節(jié)距連續(xù)可變，最大節(jié)距為10mm，最小節(jié)距為0mm。

本發(fā)明的一個實施例中，所述不旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分節(jié)距為0mm。

本發(fā)明所提供的傳感光纖，由一根保偏預(yù)制棒一次拉制而成，并且旋轉(zhuǎn)率關(guān)于軸向長度可微分且微分連續(xù)，包含不旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分、變節(jié)距旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分和定節(jié)距旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分；與現(xiàn)有技術(shù)中通過將延時用的保偏光纖、1/4玻片(或變節(jié)距旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分)及傳感光纖(如定節(jié)距旋轉(zhuǎn)光纖)通過熔接的方式連接在一起得到的傳感光纖相比，由于沒有熔接點，而且涂覆也是一次成型，避免額外的熱處理和缺陷的引入，提高了整個電流互感系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別適合較惡劣的環(huán)境，也適合后面的成纜工藝。同時由于不存在快慢軸對準的問題，避免了模式的畸變，提高了整個電流互感系統(tǒng)的準確度和可靠性。

按照本發(fā)明的另一方面，還提供了一種上述傳感光纖的制備方法：將一根保偏預(yù)制棒一次拉制而成，其中所述定節(jié)距旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分通過拉絲的同時旋轉(zhuǎn)保偏預(yù)制棒而成，旋轉(zhuǎn)速度固定；所述變節(jié)距旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分通過固定拉絲速度連續(xù)變化預(yù)制棒旋轉(zhuǎn)速度得到，或者通過同時變化預(yù)制棒旋轉(zhuǎn)速度和連續(xù)變化拉絲速度得到；所述不旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分通過不旋轉(zhuǎn)保偏預(yù)制棒拉絲得到。

本發(fā)明所提供的方法，通過調(diào)節(jié)各個光纖部分的旋轉(zhuǎn)速度和拉絲速度，將一根保偏預(yù)制棒一次拉制生成傳感光纖，集成了電流互感器所需的三個功能部件。同時其生產(chǎn)過程如同常規(guī)光纖，一次成型、一次涂覆，具備常規(guī)光纖所具備的所有優(yōu)點，如高強度、高可靠性及易加工等特點。。

需要說明的是，在實際生產(chǎn)中可以對保偏預(yù)制棒，通過周期性重復(fù)拉絲條件一次制備多個傳感光纖。

按照本發(fā)明的另一方面，還提供了一種傳感光纖環(huán)，上述傳感光纖組成，所述傳感光纖環(huán)的旋轉(zhuǎn)端端面鍍有光學(xué)反射膜；所述傳感光纖環(huán)的定節(jié)距旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分按單一方向繞制成環(huán)一，環(huán)一的圈數(shù)為整數(shù)倍，且圈數(shù)至少為1；所述傳感光纖環(huán)的變節(jié)距旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分繞制成環(huán)二，環(huán)二的結(jié)構(gòu)為單向或者是“8”字形；所述傳感光纖環(huán)的不旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分繞制成單向環(huán)三；所述環(huán)一、環(huán)二和環(huán)三獨立。

附圖說明

圖1為不同旋轉(zhuǎn)率ξ/Δβ對光纖最大局部模式相位差的影響曲線；

圖2為實施例1的保偏預(yù)制棒旋轉(zhuǎn)速度及光纖中旋轉(zhuǎn)拍長函數(shù)示意圖；

圖3為實施例2的后處理光纖中光纖旋轉(zhuǎn)率及光纖中旋轉(zhuǎn)拍長函數(shù)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明旋轉(zhuǎn)光纖的制備方法包括兩個主要步驟：光纖預(yù)制棒的制備和光纖預(yù)制棒的拉絲。光纖預(yù)制棒的制備可采用PCVD、MCVD或FCVD等方法，制備兩個對稱分布在纖芯兩側(cè)的應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力區(qū)為摻雜熱膨脹系數(shù)大于光纖熔石英的材料，如B₂O₃等。應(yīng)力區(qū)可以單獨制備，然后套入已打好孔的母棒中；也可以通過不對稱沉積的方法在襯管中直接沉積而成。光纖拉絲采用旋轉(zhuǎn)拉絲塔制備，根據(jù)不同的要求設(shè)置拉絲參數(shù)，這些參數(shù)包含預(yù)制棒旋轉(zhuǎn)速度，拉絲速度等。帶涂覆層的成品光纖經(jīng)過分切入庫。對于光纖后處理方法，先采用保偏光纖拉絲工藝拉制合格光纖。剝除涂覆層，經(jīng)過熱處理加工后再涂覆成可用光纖。

實施例1

采用在線拉絲的方法，先制備保偏預(yù)制棒，再在旋轉(zhuǎn)拉絲塔上拉絲。保持拉絲速度在4m/min，旋轉(zhuǎn)速度隨時間的函數(shù)為周期函數(shù)，每個周期包含不旋轉(zhuǎn)拉絲、變速旋轉(zhuǎn)拉絲和勻速旋轉(zhuǎn)拉絲，旋轉(zhuǎn)速度最大值為800rpm，最小為0rpm，變速階段函數(shù)曲線為

其中，t為時間，t1為變速開始時間，t2為變速結(jié)束時間，見圖2。得到的光纖中的旋轉(zhuǎn)率函數(shù)ξ(x)和拉絲旋轉(zhuǎn)速度函數(shù)對應(yīng)，最大旋轉(zhuǎn)率為2π/(5mm)，最小為0。不旋轉(zhuǎn)光纖段長100m～200m，變速階段段長不大于0.2m，均勻旋轉(zhuǎn)階段段長為5m～50m，一個周期中包含兩段可用的傳感光纖(如圖2中示意的光纖I和光纖II)。后期分切使用。

實施例2

采用在保偏光纖后處理的方法，先制備保偏光纖，然后剝除涂覆層(不旋轉(zhuǎn)保偏光纖部分保留)，通過火焰加熱旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。每個周期包含不旋轉(zhuǎn)(圖3中I)、變速旋轉(zhuǎn)(圖3中II)和勻速旋轉(zhuǎn)(圖3中III)，每段分別處理：勻速旋轉(zhuǎn)階段光纖兩端固定，加熱源勻速移動，待光纖軟化后旋轉(zhuǎn)光纖。在兩端自然形成變速階段。變速階段函數(shù)曲線為連續(xù)可導(dǎo)。不旋轉(zhuǎn)光纖段長100m～200m，變速階段段長不大于0.2m，均勻旋轉(zhuǎn)階段段長為5m～50m。最大ξ最大值為2π/(4～6mm)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。