ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЯЮЩЕЕ SPUN-ВОЛОКНО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА С СОБСТВЕННОЙ НЕЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ К ТЕМПЕРАТУРЕ Российский патент 2018 года по МПК G01R15/24 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к двулучепреломляющему spun-волокну и к датчику тока, содержащему такое волокно, а также к применению такого волокна для измерения тока или магнитного поля.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Волоконно-оптические датчики тока обычно основаны на магнитооптическом эффекте Фарадея в оптическом измерительном волокне, закрученном вокруг проводника тока. При монтаже измерительного волокна необходимо соблюдать осторожность, чтобы механическое напряжение не помешало измерению тока с требуемой точностью из-за упругооптического эффекта. Типичными требованиями к точности в системах передачи электроэнергии являются стабильность сигнала в пределах ±0,2% или даже ±0,1% в диапазоне температур, например, от -40°C до 85°C. Существуют в основном два типа измерительного волокна, используемого в волоконно-оптических датчиках тока:

(i) Измерительное волокно с малым двулучепреломлением в идеале не показывает внутреннего линейного двулучепреломления и поэтому является полностью чувствительным к магнитооптическому эффекту Фарадея. Тем не менее, сгибание волокна в измерительную катушку и упрочнение внешнего покрытия волокна при низких температурах привносит механическое напряжение, которое может значительно влиять на измерение тока. Датчики тока, в которых используются измерительные волокна с малым двулучепреломлением, в некоторых случаях в предыдущем уровне техники соответственно содержат очищенное оптическое волокно, то есть оптическое волокно без покрытия, помещенное в заполненный маслом стеклянный капилляр.

(ii) Кроме того, в предыдущем уровне техники используется измерительное spun-волокно с сильным двулучепреломлением [1]. Такое волокно имеет эллиптическое двулучепреломление, что достигается локальным линейным двулучепреломлением с главными осями, которые закручиваются вдоль волокна. Такие волокна обычно получают вращением преформы волокна в процессе вытягивания. Локальное линейное двулучепреломление может быть получено при той же конфигурации волокна, которая используется для волокна, имеющего линейное двулучепреломление и поэтому сохраняющего поляризацию [2]. Такие конфигурации могут быть основаны на двулучепреломлении, обусловленном напряжением, таком как структуры типа «панда», «галстук-бабочка» [1] и эллиптические структуры оболочки, геометрически внесенном двулучепреломлении, как в микроструктурированных волокнах [3], или на комбинации двулучепреломления, обусловленном напряжением или геометрически, как, например, в волокнах с эллиптическим ядром [4]. Вращение внутреннего двулучепреломления spun-волокна с сильным двулучепреломлением обычно делает волокно менее чувствительным к внешнему механическому напряжению, при этом волокно все еще показывает хорошую чувствительность к магнитооптическому эффекту Фарадея. Соответственно, такое волокно позволяет упростить компоновку волокна по сравнению с измерительным волокном с малым двулучепреломлением.

Однако, зависимость двулучепреломления spun-волокна от температуры обычно вносит дополнительный зависящий от температуры вклад в результирующий сигнал. Во-первых, существует колебательная неустойчивость сигнала как функция температуры, возникающая при интерференции наборов световых волн с зависящей от температуры разностью фаз [1]. В предыдущем уровне техники используются несколько способов устранения такого колебательного поведения. Примерами являются использование достаточно длинного измерительного волокна вместе с широкополосным источником света [1], введение чистых собственных мод в измерительное волокно [4], использование измерительного волокна, состоящего из двух spun-волокон с сильным двулучепреломлением с противоположными направлениями закручивания [10] и использование spun-волокна с сильным двулучепреломлением, мало зависящим от температуры [3].

Во-вторых, двулучепреломление spun-волокна снижает общую чувствительность датчика тока по сравнению с соответствующим датчиком, в котором используется волокно с малым двулучепреломлением [1]. Изменение двулучепреломления spun-волокна с температурой также меняет, соответственно, чувствительность датчика и, следовательно, масштабный коэффициент датчика во многих конфигурациях волоконно-оптических датчиков тока [1]. Это обычно приводит к по большей части линейному изменению масштабного коэффициента с температурой. Spun-волокна с сильным двулучепреломлением предшествующего уровня техники проявляют отрицательную (или исчезающее малую [3]) температурную зависимость их двулучепреломления, то есть их двулучепреломление уменьшается с температурой и, соответственно, увеличивается масштабный коэффициент датчика тока, в котором используется такое волокно. Этот линейный или близкий к линейному зависящий от температуры вклад имеет тот же знак и обычно тот же порядок величины, что и изменение температуры при эффекте Фарадея, составляющее около 0,7%/100°C для волокна из плавленого кварца [6]. Соответственно, без использования дополнительного средства компенсации температуры, волоконно-оптические датчики тока на основе spun-волокна с сильным двулучепреломлением могут суммарно иметь температурную зависимость, достигающую нескольких процентов на 100°C.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проблема, которая должно быть решена настоящим изобретением, состоит, таким образом, в создании волокна и датчика упомянутого выше типа с уменьшенной температурной чувствительностью.

Эта проблема решается волокном и датчиком по независимым пунктам формулы изобретения.

Соответственно, волокно является двулучепреломяющим spun-волокном с локальным линейным двулучепреломлением B≠0. В данном контексте термин «локальное линейное двулучепреломление» относится к двулучепреломлению, эквивалентному тому, которое будет у волокна, не являющегося spun-волокном. Предпочтительно (но не обязательно) величина локального линейного двулучепреломления остается постоянной вдоль волокна.

Волокно таково, что относительная температурная зависимость (1/B)^.dB/dT двулучепреломления больше нуля для по меньшей мере одной длины волны λ и по меньшей мере одной температуры T между
-60°C и 120°C.

Другими словами, (абсолютная величина) двулучепреломления возрастает с увеличением температуры по меньшей мере для одного температурного режима между -60°C и 120°C.

Как поясняется ниже, такая положительная температурная зависимость приводит к собственной по меньшей мере частичной компенсации температурной зависимости постоянной Верде для материала волокна.

Преимущественно, при упомянутой температуре T и длине волны λ, волокно имеет локальное линейное двулучепреломление, равное по меньшей мере 1,3^.10^-5 или даже по меньшей мере 2,6^.10^-5.

Далее, также по меньшей мере при упомянутой длине волны λ и упомянутой температуре T, скорость вращения α волокна (то есть отношение углового вращения в радианах к длине) преимущественно такова, что x=2α/η составляет от 1 до 10, где η представляет собой фазовый сдвиг локального линейного двулучепреломления на единицу длины и дается формулой η=2π^.B/λ. Как видно из уравнения (2) ниже, слишком малое значение параметра x (то есть при слишком малой скорости вращения или при слишком сильном двулучепреломлении) приводит к очень малой величине масштабного коэффициента К spun-волокна, то есть чувствительность датчика снижается. С другой стороны, если параметр x больше 10, волокно ведет себя все более и более похоже на волокно с малым двулучепреломлением и теряет свою устойчивость к механическому напряжению.

Как описано ниже, одним преимущественным классом волокон, которые могут иметь положительную относительную температурную зависимость двулучепреломления, являются микроструктурированные волокна. Это волокна с внедренными в них микроструктурами, в частности, полостями или углублениями, проходящими вдоль волокна, которые влияют на эффективный показатель преломления. В частности, волокно может содержать полости, в частности, воздухозаполненные полости, которые располагаются вдоль волокна.

По меньшей мере одна длина волны λ, для которой относительная температурная зависимость двулучепреломления является положительной, преимущественно находится в диапазоне от 400 нм до 2000 нм, в частности от 1000 нм до 1700 нм, чтобы измерения могли проводиться при традиционных длинах волн.

Дополнительно и преимущественно волокно представляет собой одномодовое волокно, по меньшей мере при по меньшей мере одной длине волны λ. В этом контексте под волокном следует понимать одномодовое волокно, если оно несет только одну основную (пространственную) моду, которая может состоять из двух субмод с ортогональной поляризацией. Это делает волокно подходящим для большинства способов измерения, основанных на волокнах.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления относительная температурная зависимость (1/B)^.dB/dT упомянутого двулучепреломления больше нуля для всех температур между -40°C и 85°C, что позволяет проводить измерения с компенсацией температуры почти во всех существующих случаях.

Изобретение также относится к датчику тока, который содержит:

- двулучепреломляющее spun-волокно как описано выше,

- источник света, создающий свет по меньшей мере одной длины волны λ, и

- измерительный блок, сконструированный и предназначенный для измерения фазового сдвига Δϕ между двумя модами поляризации, прошедшими через волокно.

По перечисленным выше причинам описанное здесь волокно, предназначено, в частности, для измерения электрического тока или для измерения магнитного поля. Поэтому изобретение также относится к такому применению волокна.

Другие преимущественные варианты осуществления изобретения перечислены в зависимых пунктах или комбинациях пунктов формулы изобретения, а также в нижеследующем описании и на чертежах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение станет более понятным, а объекты, помимо указанных выше, станут ясны из последующего подробного их описания. Такое описание ссылается на прилагаемые чертежи, где:

Фигура 1 показывает схематическую диаграмму датчика тока.

Фигура 2 показывает структуру микроструктурированного волокна из плавленого кварца с положительной температурной зависимостью двулучепреломления для Λ=1 мкм и d=0,4 мкм (причем черные точки обозначают воздухозаполненные полости, а белые области представляют собой плавленый кварц).

Фигура 3 показывает зависящий от температуры вклад в сигнал датчика, обусловленный постоянной Верде и двулучепреломлением волокна, и полную температурную зависимость сигнала датчика для примера, показанного на фигуре 2.

Фигура 4 показывает схематическое сечение волокна с двумя ортогональными вкладами в полное линейное двулучепреломление - «медленная» ось двулучепреломления от структуры типа «галстук-бабочка» проходит вдоль горизонтальной линии x2, «быстрая» ось двулучепреломления от эллиптического ядра проходит вдоль вертикальной линии x1.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Новый тип измерительного spun-волокна с сильным двулучепреломлением, описанный здесь, может использоваться в волоконно-оптических датчиках тока или датчиках магнитного поля различных типов, таких как поляриметрические датчики [1], [10], датчики тока на основе интерферометра Саньяка [4] и встроенные интерферометрические датчики тока с фазовой модуляцией или с пассивной схемой запроса.

Фигура 1 показывает волоконно-оптический датчик тока, например, такой, как описано в [5] или [13]. Он содержит источник 1 света, создающий свет по меньшей мере одной длины волны λ. Две моды поляризации света проходят измерительный блок 2 и затем входят в сохраняющее поляризацию волокно 3 и соединительное устройство 4, попадая в измерительное волокно 5. В измерительном волокне 5 моды поляризации распространяются до зеркала 6, где они отражаются, чтобы вернуться через измерительное волокно 5 и сохраняющее поляризацию волокно 3 в измерительный блок 2. В измерительном блоке 2 измеряется фазовый сдвиг Δϕ, приобретенный двумя модами поляризации при их прохождении через измерительное волокно 5.

Измерительное волокно 5 закручено по меньшей мере единожды вокруг проводника 7 тока, причем вокруг него создается зависящее от тока магнитное поле. Измерительное волокно 5 состоит из магнитооптического материала (обычно из плавленого кварца) с ненулевой постоянной Верде V.

Специалистам в области техники известны различные конфигурации таких волоконно-оптических датчиков тока. Датчики могут работать на отраженном луче, как показано на фигуре 1, то есть свет отражается от зеркала в конце измерительного волокна, или они могут работать на пропускании, то есть свет однократно проходит через волокно и анализируется после выхода на конце волокна.

В настоящем изобретении измерительное волокно 5 является двулучепреломляющим spun-волокном. Преимущественно измерительное волокно 5 является spun-волокном с сильным двулучепреломлением, то есть волокно имеет линейное двулучепреломление _, равное по меньшей мере 1,3^.10^-5 или даже по меньшей мере 2,6^.10^-5.

В волоконнооптических датчиках тока, использующих spun-волокно с сильным двулучепреломлением предшествующего уровня техники [1], [10], ток (или, эквивалентно, измеряемое магнитное поле) вызывает фазовый сдвиг Δϕ между двумя собственными модами волокна. Этот фазовый сдвиг Δϕ обычно линейно зависит от измеряемого тока I. В общем случае

, (1)

где тильда (~) выражает пропорциональность и K представляет собой масштабный коэффициент spun-волокна, который равен 1 для волокна без линейного двулучепреломления, но K<1 для двулучепреломляющего spun-волокна. V представляет собой постоянную Верде для волокна, и I представляет собой измеряемый ток, протекающий через проводник 7.

Для множества датчиков тока, в которых используется двулучепреломляющее spun-волокно, масштабный коэффициент spun-волокна K имеет вид

, (2)

где x определяется как , причем α представляет собой скорость вращения (то есть отношение углового вращения в радианах к длине) и η представляет собой дифференциальный модовый фазовый сдвиг на единицу длины ортогонально поляризованных мод эквивалентного незакрученного, то есть, имеющего линейное двулучепреломление, волокна. Показатель степени a является положительным (a≥0), например, a=2 в ссылке [1].

Член K приводит к дополнительной температурной зависимости сигнала датчика S(Δϕ), в дополнение к температурной зависимости эффекта Фарадея (постоянная Верде V), которая заведомо положительна в диамагнитных стеклах, таких как плавленый кварц. Относительная температурная зависимость масштабного коэффициента K дается уравнением

(3)

Следует отметить, что тепловое удлинение волокна одинаково меняет скорость вращения и величину η фазового сдвига при двулучепреломлении, и таким образом x и K не меняются.

Согласно уравнению (3), вклад spun-волокна в температурную зависимость датчика тока можно регулировать, регулируя величину η. Локальное линейное двулучепреломление в spun-волокне, то есть разность показателей преломления для двух ортогональных линейных состояний поляризации, определяется как . Линейный фазовый сдвиг на единицу длины составляет . Температурная зависимость η определяется как .

Из уравнения (1) следует, что отношение фазового сдвига к току, Δϕ/I, пропорционально произведению K^.V. Относительная температурная зависимость Δϕ/I и, соответственно, температурная зависимость сигнала датчика S(Δϕ) определяется как отношение температурных зависимостей масштабного коэффициента К spun-волокна к постоянной Верде V. В частности, из уравнения (1) следует, что

(4)

Таким образом, для уменьшения температурной зависимости, относительная температурная зависимость масштабного коэффициента K, то есть , должна иметь противоположный знак и ту же величину, что и относительная температурная зависимость постоянной Верде V, то есть . В этом случае абсолютная величина относительной температурной зависимости K^.V меньше абсолютной величины относительной температурной зависимости отдельно взятой V, то есть

Поскольку положительно, должно быть отрицательно. Таким образом, как следует из уравнения (3), должно быть положительно.

В некоторых типах spun-волокна локальное двулучепреломление вызывается телами напряжения (например, областями напряжения типа «панда» или «галстук-бабочка») в оболочке волокна. Это напряжение возникает из-за различия коэффициентов теплового расширения нелегированных областей оболочки волокна и обычно легированных B₂O₃ тел напряжения, то есть при охлаждении ниже температуры вытяжки в волокне создается постоянное поле напряжений. При увеличении температуры напряжение снимается. Соответственно, двулучепреломление таких типов волокон обычно уменьшается с увеличением температуры, (см. например [7] для случая волокна, не являющегося spun-волокном с линейным двулучепреломлением), то есть spun-волокно с двулучепреломлением, вызванным телами напряжения в оболочке, обычно вносит, согласно уравнениям (3) и (4), положительный вклад в температурную зависимость сигнала S, дополнительно к положительному вкладу постоянной Верде.

Температурная зависимость двулучепреломления волокна, не являющегося spun-волокном, с линейным двулучепреломлением интенсивно изучается. В частности, преобладание отрицательной температурной зависимости двулучепреломления, вызванного напряжением, было показано в [7], [8].

В волокнах с эллиптическим ядром двулучепреломление вызвано эллиптической формой ядра, а температурная зависимость определяется изменением показателей преломления ядра и оболочки с температурой, а также снятием остаточного напряжения. Обычно последнее чаще всего доминирует [8]. Соответственно, spun-волокна с эллиптическим ядром также показывают снижение линейного двулучепреломления с температурой, и поэтому также вносят положительный вклад в температурную зависимость сигнала датчика [уравнения (3) и (4)].

С другой стороны, широко известно, что в чистом кварце вызванное напряжением двулучепреломление микроструктурированных волокон с линейным двулучепреломлением, которое обычно показывает отрицательную температурную зависимость, сильно снижается, и, соответственно, двулучепреломление преимущественно обусловлено конкретной геометрией волокна. Температурная зависимость может поэтому быть значительно меньше, чем у волокон с вызванных напряжением двулучепреломлением. В ссылке 11, микроструктурированное измерительное spun-волокно с сильным двулучепреломлением использовалось для минимизации температурной зависимости, то есть члена , по сравнению с spun-волокном с двулучепреломлением, вызванным напряжением.

Таким образом, микроструктурированное spun-волокно с сильным двулучепреломлением, которое может использоваться для измерения тока, сделано таким, чтобы член стал отрицательным (то есть и положительны) и компенсировал по меньшей мере частично положительную температурную зависимость постоянной Верде V. В результате измеряемый магнитооптический фазовый сдвиг (сигнал датчика) становится менее зависимым от температуры.

Перенос подробного рассмотрения линейного двулучепреломления в микроструктурированном волокне, не являющемся spun-волокном [9], помогает управлять температурной зависимостью двулучепреломления закрученного микроструктурированного spun-волокна для достижения этой цели.

Фигура 2 показывает вариант осуществления дырчатого измерительного волокна 5, содержащего стеклянное тело 8 с продольно располагающимися полостями 9. Дополнительные возможные конфигурации волокна описаны в [9].

Линейное двулучепреломление B данного дырчатого spun-волокна является функцией длины волны λ, показателей преломления n_glass стекла и n_hole заполняющего полости материала (обычно воздуха), соответственно, шага полостей Λ и диаметра полости d: B(λ,n_glass,n_hole,Λ,d/Λ). Температурная зависимость линейного двулучепреломления в spun-волокне определяется как:

(4)

где γ_glass представляет собой коэффициент теплового расширения стекла. Термооптический коэффициент воздуха n_air/dT≈-10^-6 K^-1 обычно настолько мал, что первый член уравнения (4) обычно превосходит два других [9]. Знак первого члена определяется знаками членов dB/dn_glass и dn_glass/dT. Величина dB/dn_glass зависит от геометрических характеристик волокна. Величина dn_glass/dT сильно зависит от типа используемого стекла, например, dn_SiO2/dT≈10^-5 K^-1 для плавленого кварца [9], и большинство имеющихся оптических стекол имеют dn_glass/dT>0. Имеется также диапазон коммерческих оптических стекол с dn_glass/dT<0, таких как N-FK5, N-FK51A, N-PK52A, P-PK53, N-PSK53A, N-LAK12, N-SF6, N-SF10, N-SF14, N-SF57, N-SF66, P-SF8 [12].

Таким образом, в одном варианте осуществления волокно может иметь комбинацию величин dB/dn_glass<0 и dn_glass/dT<0, тогда как в другом варианте осуществления волокно может иметь комбинацию величин dB/dn_glass>0 и dn_glass/dT>0. В обоих случаях, как следует из уравнения (4), dB/dT будет положительно.

Температурная зависимость линейного двулучепреломления в дырчатых волокнах, не являющихся spun-волокнами, подробно изучалась, и оказалось, что, регулируя состав стекла и/или структуру волокна, можно достигнуть положительной, нулевой или отрицательной температурной зависимости двулучепреломления в волокне, не являющемся spun-волокном [9].

В работе [9] было показано, что двулучепреломление B как функция n_glass достигает для конфигурации с фигуры 2 локального максимума при заданном n_glass^max. Соответственно, знак первого члена в уравнении (4) может быть положительным (для n_glass<n_glass^max и dn_glass/dT>0 или для n_glass>n_glass^max и dn_glass/dT<0) или отрицательным (для n_glass>n_glass^max и dn_glass/dT>0 или для n_glass<n_glass^max и dn_glass/dT<0).

Величина n_glass^max, при которой B достигает максимума, зависит от структуры волокна, тогда как n_glass можно регулировать составом стекла. Соответственно, величина dB/dT может быть сделана положительной подходящим выбором как геометрии волокна, так и состава стекла. Структура волокна, показанная на фигуре 2, дает положительную температурную зависимость двулучепреломления в широком диапазоне длин волн 0,5 мкм - 1,5 мкм при использовании плавленого кварца; например, на длине волны λ=1,3 мкм эта структура показывает относительную температурную зависимость приблизительно (1/η)^.dη/dT≈+0,4×10^-4°C^-1 и η≈4,8 мм^-1 [9]. Установка скорости вращения spun-волокна α=0,75η приводит к a=2 в температурной зависимости сигнала датчика тока из spun-волокна [см. уравнение (3)]

(1/K)^.dK/dT≈-1,2^.(1/η)^.dη/dT≈-0,5×10^-4°C^-1,

то есть температурная зависимость постоянной Верде V (+0,7×10^-4°C^-1) компенсируется в пределах ±0,1% на 100°C, как показано на фигуре 3.

Преимущественно, температурная зависимость двулучепреломления такова, что (1/B)^.dB/dT лежит в диапазоне от 0,1^.10-⁴/°C до 2^.10-³/°C или от 0,05^.10-⁴/°C до 5^.10-³/°C, и в таком случае обычная температурная зависимость постоянной Верде компенсируется наиболее эффективно.

Дополнительные варианты осуществления spun-волокна с сильным двулучепреломлением с желаемым свойством (1/B)^.dB/dT>0 содержат, как описано далее, (i) spun-волокна с двумя ортогональными вкладами в полное локальное линейное двулучепреломление и (ii) spun-волокна с эллиптическим ядром с пренебрежимо малым вкладом двулучепреломления, вызванного механическим напряжением.

(i) Двулучепреломление B волокна согласно данному варианту осуществления создается суперпозицией двух вкладов ортогональных двулучепреломлений B1 и B2. В указанном температурном диапазоне вклад B1 превосходит вклад B2, так что ʺбыстраяʺ и ʺмедленнаяʺ оси полного двулучепреломления B выровнены с вкладом двулучепреломления B1, и определяется как B=B1-B2. Температурная зависимость меньшего вклада двулучепреломления dB2/dT отрицательна, например, потому что она происходит из вызванного напряжением двулучепреломления, и выбирается такой, что она меньше dB1/dT, то есть dB2/dT<dB1/dT, в указанном температурном диапазоне. Температурная зависимость полного двулучепреломления соответственно вычисляется как: dB/dT=B1/dT-dB2/dT>0. Величины B1, B2, dB1/dT, dB2/dT могут быть выбраны должным образом для расчета B и dB/dT в указанном температурном диапазоне.

Фигура 4 показывает примерное сечение такого волокна. Оно содержит ядро 10, окруженное оболочкой 12, причем ядро 10 имеет более высокий показатель преломления, чем оболочка 12. Обычно ядро 10 образовано областью, имеющей более высокий уровень легирования, чем оболочка 12.

Ядро 10 имеет направление X1 продольной оси, которое определяет направление наибольшей радиальной протяженности ядра 10. В направлении X2, перпендикулярном направлению X1 продольной оси, два тела 11 напряжения образованы, например, структурой типа ʺгалстук-бабочкаʺ и помещены в оболочку 12. Тела напряжения могут быть образованы областями, имеющими более высокий уровень легирования, чем остальная оболочка 12. В направлении X1 продольной оси таких тел напряжения нет. В данном контексте термин ʺтело напряженияʺ обозначает область, которая, по меньшей мере при одной температуре T, повышает механическое напряжение внутри оболочки 12.

В этом варианте осуществления двулучепреломление B1 вызвано эллиптическим ядром 10, и B2 вызвано телами напряжения, то есть структурой 11 типа ʺгалстук-бабочкаʺ. Здесь оба члена dB1/dT и dB2/dT обычно отрицательны, но абсолютная величина dB2/dT может быть, например, в пять раз больше абсолютной величины dB1/dT, так что полное двулучепреломление B возрастает с увеличением температуры. Два вклада двулучепреломления могут, в общем, вноситься всеми упомянутыми выше средствами конструирования, то есть, эллиптической оболочкой, эллиптическим ядром, микроструктурированием, телами напряжения в оболочке волокна (например типа ʺпандаʺ или ʺгалстук-бабочкаʺ).

(ii) Взаимодействие двулучепреломлений, вызванных напряжением и геометрией, в волокнах, не являющихся spun-волокнами, с эллиптическим ядром хорошо описано на предыдущем уровне техники [8]. Хотя обычно вызванный напряжением вклад доминирует и, соответственно, полное двулучепреломление показывает отрицательную температурную зависимость, то есть dB/dT<0, существуют диапазоны параметров, где вызванный напряжением вклад B_stress становится пренебрежимо малым (см. фигуру 5 в ссылке [8]). Температурная зависимость вызванного геометрией вклада B_geo зависит от температурной зависимости разности показателей преломления ядра и оболочки, d(n_core-n_cladding)/dT, и в случае наиболее распространенного состава стекла для волокон (оболочка SiO₂, ядро SiO₂/GeO₂) вызванное геометрией двулучепреломление положительно (см. фигуру 6 в ссылке [8]). Следовательно, вращение преформы соответственно сконструированного волокна с эллиптическим ядром в процессе вытягивания приводит к получению spun-волокна с dB/dT>0.

Хотя здесь показаны и описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, следует ясно понимать, что изобретение не ограничивается ими, а, наоборот, может осуществляться и использоваться различными способами в пределах объема нижеследующей формулы изобретения.

ССЫЛКИ

1. R. I. Laming and D. N. Payne, "Electric current sensors employing spun highly birefringent optical fibers," Journal of Lightwave Technology 7, 2084-2094 (1989).

2. J. Noda, K. Okamoto, and Y. Sasaki, "Polarization-maintaining fibers and their applications," Journal of Lightwave Technology 4, 1071-1089 (1986).

3. A. Michie, J. Canning, I. Bassett, J. Haywood, K. Digweed, M. Aslund, B. Ashton, M. Stevenson, J. Digweed, A. Lau, and D. Scandurra, "Spun elliptically birefringent photonic crystal fibre," Optics Express 15, 1811-1816 (2007).

4. I. G. Clarke, "Temperature-stable spun elliptical-core optical-fiber current transducer," Optics Letters 18, 158-160 (1993).

5. WO 2007/121592.

6. P. A. Williams, A. H. Rose, G. W. Day, T. E. Milner, and M. N. Deeter, "Temperature dependence of the Verdet constant in several diamagnetic glasses," Applied Optics 30, 1176-1178 (1991).

7. A. Ourmazd, M.P. Varnham, R.D. Birch, and D.N. Payne, ʺThermal properties of highly birefringent optical fibers and preforms,ʺ Applied Optics 22, 2374-2379 (1983).

8. W. Urbanczyk, T. Martynkien, and W. J. Bock, "Dispersion Effects in Elliptical-Core Highly Birefringent Fibers," Applied Optics 40, 1911-1920 (2001).

9. T. Martynkien, M. Szpulak, and W. Urbanczyk, "Modeling and measurement of temperature sensitivity in birefringent photonic crystal holey fibers," Applied Optics 44, 7780-7788 (2005).

10. J. R. Qian, Q. Guo, and L. Li, "Spun linear birefringent fibres and their sensing mechanism in current sensors with temperature compensation," IEE Proc.-Optoelectron. 141, 373-380 (1994).

11. A. Michie, J. Canning, I. Bassett, J. Haywood, K. Digweed, B. Ashton, M. Stevenson, J. Digweed, A. Lau, and D. Scandurra, "Spun elliptically birefringent photonic crystal fibre for current sensing," Measurement Science and Technology 18, 3070 (2007).

12. "Optical Glass - Data Sheets," (Schott North America Inc., 2013).

13. K. Bohnert, P. Gabus, J. Nehring, and H. Brändle, ʺTemperature and vibration insensitive fiber-optic current sensor,ʺ Journal of Lightwave Technology 20, 267-276 (2002).

Ссылочные позиции

1: источник света

2: измерительный блок

3: волокно, сохраняющее поляризацию

4: конвертер поляризации

5: измерительное волокно

6: зеркало

7: проводник тока

8: стеклянное тело

9: полости

10: эллиптическое ядро

11: структура типа ʺгалстук-бабочкаʺ

12: оболочка

X1, X2: направления оси ядра.

Группа изобретений относится к области для измерения тока или магнитного поля. Датчик тока содержит двулучепреломляющее волокно, имеющее локальное линейное двулучепреломление B≠0, в котором относительная температурная зависимость (1/B)^.dB/dT упомянутого двулучепреломления больше нуля для по меньшей мере одной длины волны λ и для по меньшей мере одной температуры T между -60°C и 120°C. При этом эта положительная относительная температурная зависимость приводит к собственной по меньшей мере частичной компенсации температурной зависимости постоянной Верде материала волокна. Кроме того, датчик тока содержит источник света, создающий свет по меньшей мере одной длины волны λ, и измерительный блок, измеряющий фазовый сдвиг между двумя модами поляризации, прошедшими через упомянутое волокно. Технический результат - понижение температурной зависимости волокна и датчика тока. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двулучепреломляющее spun-волокно, имеющее локальное линейное двулучепреломление B≠0, в котором относительная температурная зависимость (1/B)^.dB/dT упомянутого двулучепреломления больше нуля для по меньшей мере одной длины волны λ и для по меньшей мере одной температуры T между -60°C и 120°C, и эта положительная относительная температурная зависимость приводит к собственной по меньшей мере частичной компенсации температурной зависимости постоянной Верде материала волокна.

2. Волокно по п.1, в котором, по меньшей мере при упомянутой длине волны λ и упомянутой температуре T, скорость вращения α упомянутого волокна такова, что 2^.α/η лежит между 1 и 10, причем η представляет собой фазовый сдвиг двулучепреломления на единицу длины, связанный с локальным линейным двулучепреломлением B и определяемый как η=2π^.B/λ.

3. Волокно по любому из предшествующих пунктов, причем упомянутое волокно является микроструктурированным волокном, которое содержит полости (9), в частности воздухозаполненные полости (9), располагающиеся вдоль упомянутого волокна.

4. Волокно по п.3, причем упомянутое волокно состоит из стекла, имеющего показатель преломления n_glass, и причем, по меньшей мере при упомянутой температуре T и длине волны λ,

(a) dB/dn_glass<0 и dn_glass/dT<0 или

(b) dB/dn_glass>0 и dn_glass/dT>0.

5. Волокно по любому одному из пп. 1 или 2, содержащее эллиптическое ядро (10) и оболочку (12), в котором, по меньшей мере при упомянутой длине волны и температуре, вызванное напряжением двулучепреломление B_stress меньше вызванного геометрией двулучепреломления B_geo: |B_stress|<|B_geo|.

6. Волокно по любому из предшествующих пунктов, в котором упомянутое локальное линейное двулучепреломление B состоит из двух отдельных вкладов двулучепреломлений B1 и B2, имеющих ортогональные ʺмедленныеʺ оси по меньшей мере при упомянутой длине волны и температуре, причем |B1|>|B2| и dB2/dT<dB1/dT.

7. Волокно по любому из предшествующих пунктов, содержащее эллиптическое ядро (10), окруженное оболочкой (12), в котором упомянутое эллиптическое ядро (10) имеет показатель преломления, больший, чем упомянутая оболочка (12), и в котором по меньшей мере два тела (11) напряжения расположены в упомянутой оболочке (12) вдоль направления (X2), перпендикулярного направлению (X1) продольной оси упомянутого ядра (10), и, в частности, в котором упомянутые тела (11) напряжения образованы областями, имеющими более высокий уровень легирования, чем остальная упомянутая оболочка (12).

8. Волокно по любому из предшествующих пунктов, в котором температурная зависимость двулучепреломления такова, что (1/B)^.dB/dT лежит между 0,1^.10-⁴/°C и 2^.10-³/°C или между 0,05^.10-⁴/°C и 5^.10-³/°C.

9. Волокно по любому из предшествующих пунктов, причем упомянутое волокно состоит из диамагнитного стекла, в частности из плавленого кварца.

10. Волокно по любому из предшествующих пунктов, в котором упомянутая по меньшей мере одна длина волны лежит в диапазоне между 400 нм и 2000 нм, в частности между 1000 нм и 1700 нм.

11. Волокно по любому из предшествующих пунктов, причем упомянутое волокно является, по меньшей мере при упомянутой одной длине волны λ, одномодовым волокном.

12. Волокно по любому из предшествующих пунктов, в котором упомянутая относительная температурная зависимость (1/B)^.dB/dT упомянутого двулучепреломления больше нуля для всех температур между -40°C и 85°C.

13. Волокно по любому из предшествующих пунктов, причем, при упомянутой температуре T и длине волны λ, волокно имеет локальное линейное двулучепреломление по меньшей мере 1,3^.10^-5, в частности по меньшей мере 2,6^.10^-5.

14. Волокно по п.1, в котором локальное линейное двулучепреломление B=n₁-n₂ определяется как разность показателей преломления n₁, n₂ для двух ортогональных состояний линейной поляризации.

15. Датчик тока, содержащий:

- двулучепреломляющее spun-волокно (5) по любому из предшествующих пунктов,

- источник (1) света, создающий свет упомянутой по меньшей мере одной длины волны λ, и

- измерительный блок (2), измеряющий фазовый сдвиг Δϕ между двумя модами поляризации, прошедшими через упомянутое волокно (5).

16. Датчик тока по п.15, в котором упомянутый фазовый сдвиг определяется как

,

где K представляет собой масштабный коэффициент spun-волокна, V представляет собой постоянную Верде и I представляет собой измеряемый ток, и в котором

.

17. Применение волокна по любому из пп. 1-14 для измерения электрического тока или магнитного поля.