СРАЩЕННОЕ ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО С ЗАЩИТОЙ СПЛАЙСА, ДАТЧИК ТОКА С ТАКИМ СРАЩЕННЫМ ОПТИЧЕСКИМ ВОЛОКНОМ И СПОСОБ ЗАЩИТЫ СРАЩЕННОГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА Российский патент 2021 года по МПК G02B6/255 

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

Настоящее изобретение относится к сращенному оптическому волокну, оптоволоконному датчику тока, содержащему такое сращенное оптическое волокно, и к способу защиты сплайса сращенного оптического волокна согласно независимым пунктам формулы изобретения.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

Во многих сферах применения требуется соединение оптических волокон. Для сфер применения, где задействованы РМ-волокна (поляризационно-стабилизированные волокна), состояние поляризации света может сохраняться только в том случае, если оси волокон точно совмещены друг с другом на месте стыка, поскольку коэффициент поляризационной экстинкции (PER), т.е. цифра, отражающая коэффициент интенсивности поляризационных перекрестных помех, имеет вид X=tan²α, где величина α обозначает угловое смещение осей.

Одной из таких сфер применения служит оптоволоконный датчик тока (FOCS). Для измерения силы тока датчик FOCS использует поляризацию света. В системе FOCS применяется эффект Фарадея, который преобразует магнитное поле, сгенерированное вокруг токонесущего проводника, в фазовый сдвиг между ортогональными круговыми поляризациями света, который распространяется внутри оптического волокна, намотанного на проводник. Свет генерируется и детектируется в оптоэлектронном блоке (или вторичном преобразователе, SC), тогда как пассивное зондирующее волокно содержится в головке датчика (или первичном преобразователе, PC), которая охватывает токонесущий проводник. В волоконно-оптическом кабеле с РМ-волокнами свет передается между PC и SC в обоих направлениях.

Во время установки системы FOCS преобразователи PC и SC устанавливаются по отдельности в соответствующих им местах, и проходящий между ними волоконно-оптический кабель с РМ-волокнами должен сращиваться непосредственно на месте эксплуатации. Поскольку состояние поляризации света в волоконно-оптическом кабеле с РМ-волокнами поддерживает фарадеевский фазовый сдвиг, индуцированный током, то любое его искажение, например, обусловленное стыком волокон, напрямую влечет за собой изменение измеряемого тока. Теоретически можно обнаружить, что масштабный коэффициент S измерения тока FOCS зависит от коэффициента PER на стыке волокон, что описывается следующим уравнением:

для ,

где величина обозначает коэффициент PER на стыке, а величина S₀ обозначает масштабный коэффициент без учета стыка.

Тогда как стойкий сдвиг масштабного коэффициента измерения тока (например, обусловленный стыком с устойчивым коэффициентом PER) может быть компенсирован надлежащим перемасштабированием системы FOCS при ее установке, колебание коэффициента PER на стыке во время эксплуатации компенсировано быть не может, вследствие чего увеличивается погрешность измерения тока. Поскольку стык обычно находится в шкафу КИП (контрольно-измерительных приборов), где располагается преобразователь SC, его температура будет такой же, что и температура преобразователя SC, варьируясь, как правило, в диапазоне от -25°С до 65°С. Для сохранения устойчивости коэффициента PER на стыке при всех заданных условиях несоосность РМ-волокон на стыке должна оставаться постоянной, а способ сокрытия стыка ни в коем случае не должен приводить к чрезмерно большому колебанию коэффициента PER.

Для трансформатора тока класса IEC 0.2 требуемая точность измерения тока составляет ±0,2% при номинальном токе. Допустимая доля стыка РМ-волокон должна быть намного меньше допустимой максимальной точности всей системы FOCS. К примеру, погрешность, обусловленная стыком волокон, обычно задается на уровне ±0,03% от суммарной погрешности системы, а это означает, что колебание коэффициента PER должно поддерживаться на уровне ниже ±0,015%.

Для соединения оптических волокон существуют хорошо известные способы. Один из несложных способов получения стыка РМ-волокон заключается в использовании пары шпоночных соединителей волокон с угловой ориентацией. Однако этот подход является труднодостижимым для системы класса 0.2 (в плане точности измерения), поскольку для достижения требуемого порога коэффициента PER в ±0,015% угловое смещение осей соединителей РМ-волокон должно оставаться стабильным в пределах ±0,7°. Герметизирующая нагрузка на волокно в пределах соединителей также должна быть стабильной при всех заданных температурах. Опыт показывает, что подход к соединению РМ-волокон, основанный на использовании соединителей, даже со сложным предварительным тестированием и спариванием соединителей оказывается либо слишком ненадежным, либо чрезмерно дорогим для продукта FOCS в плане обеспечения точности измерения.

Еще один подход к соединению волокон предусматривает выполнение сращенного соединения или сплайса между РМ-волокнами. В процессе сращивания концы РМ-волокна с обеих сторон сначала оголяются и очищаются, а затем расщепляются и соединяются посредством плавления в стыковочной машине. Сращивание представляет собой стандартную процедуру по установке волоконно-оптических устройств связи в полевых условиях. Отличие от FOCS состоит в том, что в оптической системе связи обычно сращиваются одномодовые волокна, тогда как в системе FOCS сращиваются РМ-волокна, что требует точного углового выравнивания волокон, а это - в свою очередь - требует наличия более сложной и дорогостоящей стыковочной машины. После сращивания относительное угловое смещение РМ-волокон фиксируется таким образом, чтобы при изменении условий окружающей среды коэффициент PER больше не менялся.

С обеих сторон сплайса сращенного оптического волокна остается два коротких отрезка неизолированного оголенного волокна. Длина отрезка оголенного волокна зависит от модели используемой стыковочной машины и ее настроек, и обычно лежит в пределах 4-25 мм с обеих сторон сплайса. Эти отрезки и сам сплайс должны быть заделаны и защищены по множеству причин: i) место сращивания обладает меньшей механической прочностью в сравнении с обычным волокном и легче разрывается под нагрузкой или при растяжении из-за отсутствия покрытия, повышающего прочность; ii) поверхность оголенного волокна содержит микротрещины, которые часто расширяются при воздействии на них влаги, что приводит к преждевременному повреждению волокна. Как было указано выше, способ защиты применительно к FOCS также не должен вызывать чрезмерное колебание коэффициента PER в зависимости от температуры.

Стандартные защитные приспособления для сплайсов, доступные на рынке, предназначены, главным образом, для защиты сплайсов одномодовых волокон. Эти защитные приспособления широко используются в индустрии услуг волоконно-оптической связи, обеспечивая высокую механическую прочность и качество заделки сплайсов. Большинство производителей FOCS также использует такие защитные приспособления в системах FOCS измерительного класса.

Самая распространенная конструкция, имеющая множество разновидностей, включает в себя термоусадочную муфту из двух трубок, между которыми располагается элемент прочности. Наружная трубка представляет собой термоусадочную трубку, тогда как внутренняя трубка выполнена из плавкого адгезива, такого как сополимер этилена и винилацетата (EVA). Элемент прочности обычно представляет собой стальной стержень, проходящий по длине трубки. Сдвоенная трубка разрезается вдоль оголенного отрезка волокна и нагревается в печке для защитного приспособления сплайсов (которая обычно входит в комплект стыковочной машины). При нагревании внутренняя трубка расплавляется, а наружная трубка сжимается в радиальном направлении, в результате чего после охлаждения образуется твердый пластиковый цилиндр, охватывающий волокно и стальной элемент прочности. Правильно наложенная защитная муфта сплайса характеризуется высокой механической прочностью, и волокно будет надежно защищено от воздействий окружающей среды. Более того, реализация этого способа не представляет большого труда и не требует какого-либо особого обращения с чувствительными материалами.

При использовании защитного приспособления сплайса другой конструкции волокно помещается между металлическими сэндвич-пластинами, покрытыми клеевым слоем, и защитное приспособление сплайса просто обжимается с помощью специального ручного инструмента.

Типичной проблемой, с которой сталкиваются все указанные защитные приспособления сплайсов стандартного типа, является механическое напряжение, воздействующее на волокно. Оголенный отрезок волокна по всей своей длине плотно охватывается адгезивом и герметизирующим материалом, вследствие чего на волокно оказывается постоянное давление, что сильно ухудшает коэффициент PER. Кроме того, поскольку коэффициенты теплового расширения пластмассы (180×10^-6 K^-1 для EVA), нержавеющей стали (~10×10^-6 K^-1) и плавленого кварца волокна (0,59×10^-6 K^-1) очень сильно отличаются друг от друга, то по мере изменения температуры возникают сильные колебания механического напряжения и коэффициента PER. Во время тестирования ни одно из защитных приспособлений сплайсов, которые имеются на рынке, не продемонстрировало гарантированно низкую степень колебания коэффициента PER в заданном диапазоне температур применительно к системе FOCS измерительного класса.

Еще один распространенный способ защиты неразъемного соединения волокна заключается в повторном покрытии оголенного отрезка волокна определенным материалом до диаметра, равного диаметру исходного покрытия. Обычно материалом, используемым для повторного покрытия, служит УФ-отверждаемый (отверждаемый под действием ультрафиолета) акрилат, который обеспечивает адгезионные и механические свойства, аналогичные исходному покрытию волокна. Недостатки этого способа, помимо необходимости использования дорогостоящей машины для повторного покрытия волокна УФ-отверждаемым материалом и высококачественной стыковочной машины для получения высокопрочного сплайса, включают в себя чувствительность материала для повторного покрытия к условиям хранения и применения и его относительно короткий срок годности.

В документе US 4784458 А1 раскрыто сращенное соединение между одномодовыми поляризационно-стабилизированными волокнами.

В документе WO 03/096090 А1 раскрыт способ получения поляризационно-стабилизированных волоконно-оптических соединителей.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

Следовательно, целью настоящего изобретения является усовершенствование защиты сплайсов в сращенных оптических волокнах с учетом указанных недостатков, в частности, принимая во внимание использование сращенных оптических волокон в тех сферах применения, где требуется высокая точность измерений.

Эта цель достигается с помощью настоящего изобретения, описанного в независимых пунктах его формулы.

Первый аспект настоящего изобретения относится к сращенному оптическому волокну, состоящему из первого и второго поляризационно-стабилизированных оптических волокон, которые соединены друг с другом одним из своих концов посредством сплайса или методом сращивания, в результате чего в точке их соединения образуется сплайс. Вокруг сращенного оптического волокна размещается защитная трубка, охватывающая, по меньшей мере, неизолированный отрезок сращенного оптического волокна, который включает в себя сплайс. Первый конец и второй конец защитной трубки герметично скреплены со сращенным оптическим волокном посредством первого и второго заделочных узлов для защиты сплайса от воздействия механического напряжения и/или влаги. В данном случае защитная трубка может иметь такую длину, что неизолированный отрезок сращенного оптического волокна, содержащий сплайс, и изолированный отрезок сращенного оптического волокна на каждом конце неизолированного отрезка будут располагаться внутри защитной трубки. В вариантах осуществления настоящего изобретения защитная трубка может характеризоваться такой определенной или общей длиной, что первое расстояние от первого конца защитной трубки и/или от первого заделочного узла до местоположения сплайса и второе расстояние от местоположения сплайса до второго конца защитной трубки и/или второго заделочного узла превышают или равны заданному минимальному расстоянию L_m. Указанное минимальное расстояние Lm выбирается таким образом, чтобы оно удовлетворяло следующему уравнению:

,

где величина X_o обозначает максимально гарантированный коэффициент поляризационной экстинкции сплайса; в частности, величина X_o отображает максимальный коэффициент поляризационной экстинкции сплайса, гарантированный сращиванием или используемой процедурой сращивания; величина X_s обозначает максимально гарантированный коэффициент поляризационной экстинкции, в частности, света внутри сращенного оптического волокна на заделанных концах защитной трубки, на соответствующем конце защитной трубки и/или на первом конце и втором конце защитной трубки; в частности, величина X_s обозначает максимальный коэффициент поляризационной экстинкции сращенного оптического волокна в первом и/или втором заделочном узле, гарантированный используемой процедурой заделки; величина A(L) обозначает функцию когерентности длины поляризационно-стабилизированного волокна и, в частности, Фурье-преобразование спектра оптической мощности, например, источника светового излучения, соединенного или подлежащего соединению со сращенным оптическим волокном; а величина X_m обозначает заданное максимально допустимое колебание коэффициента поляризационной экстинкции, при этом, в частности, X_m ≤ 0,02% или 0,1%, в частности, в диапазоне температур от -40°С до 85°С или от -20°С до 55°С; в частности, Х_o ≤ -30 дБ или -25 дБ; и/или X_s ≤ -30 дБ или -40 дБ, в частности, в диапазоне температур от -40°С до 85°С или от -20°С до 55°С.

Сращенное оптическое волокно согласно первому аспекту настоящего изобретения может быть получено способом, который предусматривает:

соединение первого и второго поляризационно-стабилизированньгх оптических волокон с одного их конца посредством сплайса и использование процедуры сращивания, которая гарантирует максимальный коэффициент X0 поляризационной экстинкции сплайса;

размещение защитной трубки вокруг сращенного оптического волокна таким образом, чтобы защитная трубка охватывала, по меньшей мере, неизолированный отрезок сращенного оптического волокна, который включает в себя сплайс; при этом, в частности, защитная трубка имеет такую длину, что неизолированный отрезок сращенного оптического волокна, содержащий сплайс, и изолированный отрезок сращенного оптического волокна на каждом конце неизолированного отрезка будут располагаться внутри защитной трубки; и

герметичное скрепление первого и второго концов защитной трубки со сращенным оптическим волокном посредством первого и второго заделочных узлов с использованием процедуры заделки, гарантирующей максимальный коэффициент X_s поляризационной экстинкции сращенного оптического волокна в первом и/или втором заделочном узле;

при этом определенная или общая длина защитной трубки такова, что первое расстояние от первого конца защитной трубки и/или от первого заделочного узла до местоположения сплайса и второе расстояние от местоположения сплайса до второго конца защитной трубки и/или второго заделочного узла превышают или равны заданному минимальному расстоянию Lm, причем минимальное расстояние Lm выбирается таким образом, чтобы оно удовлетворяло следующему уравнению:

,

где величина A(L) обозначает функцию когерентности длины поляризационно-стабилизированного волокна и Фурье-преобразование спектра оптической мощности, в частности, источника светового излучения, соединенного или подлежащего соединению со сращенным оптическим волокном; а величина X_m обозначает заданное максимально допустимое изменение коэффициента поляризационной экстинкции; при этом, в частности, X_m ≤ 0,02% или 0,1%, в частности, в диапазоне температур от -40°С до 85°С или от -20°С до 55°С; в частности, X_o ≤ -30 дБ или -25 дБ; и/или X_s ≤ -30 дБ или -40 дБ, в частности, в диапазоне температур от -40°С до 85°С или от -20°С до 55°С.

Одно из преимуществ сращенного оптического волокна согласно первому аспекту настоящего изобретения состоит в том, что оно обеспечивает защиту сплайса сращенного оптического волокна от воздействия механического напряжения и/или влаги за счет его заделки внутри защитной трубки. Заделка защитной трубки с ее герметичным скреплением со сращенным оптическим волокном только на его концах уменьшает механическое напряжение, воздействующее на сращенное оптическое волокно, в частности, на отрезок его сплайса, оставшийся без покрытия по итогам процесса сращивания и, соответственно, более чувствительный к механическим напряжениям. Таким образом, для обеспечения защиты неизолированного отрезка сплайса нет необходимости в его повторном покрытии, что упрощает процесс защиты. Кроме того, за счет расчета длины защитной трубки по указанному выше уравнению дополнительно обеспечивается такое уменьшение степени колебания коэффициента PER в зависимости от температуры, что сращенное оптическое волокно может использоваться в тех сферах применения, где требуется высокая точность измерений. Это связано с возможным интерференционным взаимодействием между сплайсом и точками герметизации, что станет понятно после ознакомления с описанием в привязке к фиг. 2.

В одном из особо предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения длина защитной трубки выбрана таким образом, что неизолированный отрезок сращенного оптического волокна, содержащий сплайс, и изолированный отрезок сращенного оптического волокна на каждом из концов неизолированного отрезка располагаются внутри защитной трубки, в частности, таким образом, что пространство, проходящее в поперечном направлении к сращенному оптическому волокну между неизолированным отрезком волокна и защитной трубкой, заполнено воздухом или иным газом, и/или таким образом, что на неизолированном отрезке сращенного оптического волокна не располагаются какие-либо части первого и/или второго заделочных узлов и/или адгезив. Эта мера обеспечивает преимущество, состоящее в том, что заделочный узел может быть наложен только на те отрезки оптического волокна, которые защищены покрытием, вследствие чего механические напряжения, воздействующие на неизолированный отрезок, сводятся к минимуму.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения защитная трубка выполнена из материала с таким коэффициентом теплового расширения, который по существу равен коэффициенту теплового расширения сращенного оптического волокна, предпочтительно - из кварцевого стекла или плавленого кварца. Поскольку и защитная трубка, и сращенное оптическое волокно подвергаются воздействию колебаний температуры, эта мера гарантирует, что защитная трубка и сращенное оптическое волокно будут вести себя по существу одинаково при температурно-зависимом объемном расширении или сжатии, вследствие чего температурно-зависимые колебания механического напряжения в волокне, а также колебания коэффициента PER, обусловленные этим напряжением, сводятся к минимуму.

В вариантах осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, один узел их числа первого и второго заделочных узлов содержит наружную двойную термоусадочную муфту, выполненную с возможностью сжатия в радиальном направлении при воздействии на нее тепла, обеспечивая заделку защитной трубки, содержащей отрезок сращенного оптического волокна со сплайсом, что защищает его от воздействия влаги.

В предпочтительном варианте каждая из наружных двойных термоусадочных муфт первого и второго заделочных узлов содержит наружную трубку и внутреннюю трубку. Первый конец и второй конец защитной трубки располагаются между внутренней трубкой и наружной трубкой соответствующих первой и второй наружных двойных термоусадочных муфт. Эта мера дополнительно повышает устойчивость защитной трубки таким образом, что она остается в предназначенном для нее месте, не имея возможности сместиться в продольном направлении вдоль сращенного оптического волокна.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, один узел из числа первого и второго заделочных узлов содержит капиллярную трубку, расположенную частично внутри защитной трубки и охватывающую отрезок сращенного оптического волокна. Капиллярная трубка герметично скреплена со сращенным оптическим волокном посредством внутренней двойной термоусадочной муфты на конце, обращенном к сплайсу, и герметизирована с помощью внутренней трубки соответствующей наружной двойной термоусадочной муфты на втором конце.

В предпочтительном варианте указанный первый конец капиллярной трубки располагается между внутренней трубкой и наружной трубкой соответствующей внутренней двойной термоусадочной муфты; при этом, в частности, капиллярная трубка выбирается таким образом, чтобы ее длина превышала длину внутренней трубки второй наружной двойной термоусадочной муфты в продольном направлении.

В предпочтительном варианте каждая муфта из числа внутренней и наружной двойных термоусадочных муфт содержит внутреннюю трубку и наружную трубку. Наружные трубки выполняются из материала, который способен сжиматься в радиальном направлении при подводе тепла, а внутренние трубки выполняются из адгезионного материала, который способен расплавляться при подводе тепла. В вариантах осуществления настоящего изобретения материалы, из которых изготовлены внутренние и наружные трубки всех двойных термоусадочных муфт, обладают такими свойствами, что в процессе нагревания за счет подвода тепла заданной температуры внутренние трубки расплавляются до начала сжатия наружных трубок. Эта необязательная мера обеспечивает преимущество, поскольку использование адгезионного материала для изготовления внутренней трубки дополнительно повышает устойчивость оптического волокна внутри защитной трубки. После полного охлаждения адгезива он повысит непроницаемость уплотнения, оказывая равномерно распределенную нагрузку на оптическое волокно и выполняя функцию дополнительной опоры для оптического волокна.

При этом обеспечивается преимущество, состоящее в том, что не требуется никаких усиливающих элементов, в частности, металлического стержня, проходящего параллельно сращенному оптическому волокну, в качестве дополнительного опорного элемента, повышающего механическую прочность сращенного оптического волокна.

Второй аспект настоящего изобретения относится к оптоволоконному датчику тока, предназначенному для измерения силы тока в токонесущем проводнике. Оптоволоконный датчик тока (FOCS) содержит сращенное оптическое волокно согласно первому аспекту настоящего изобретения. Он также содержит первичный преобразователь, пригодный для размещения вокруг проводника. Первичный преобразователь соединен с первым поляризационно-стабилизированным оптическим волокном, которое входит в состав сращенного оптического волокна. Кроме того, предусмотрен вторичный преобразователь, содержащий оптоэлектронный блок и соединенный со вторым поляризационно-стабилизированным оптическим волокном сращенного оптического волокна для генерирования проникающего в него светового излучения и детектирования испускаемого им светового излучения.

В вариантах осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, один узел из числа первого и второго заделочных узлов содержит адгезив, вводимый в первый и второй концы защитной трубки.

Датчик FOCS согласно настоящему изобретению обладает указанными преимуществами и еще одним важным дополнительным преимуществом, которое состоит в том, что он выполнен с возможностью обеспечения высокоточных измерений силы тока в системе класса 0.2 за счет предотвращения чрезмерных колебаний коэффициента PER в зависимости от температуры в сравнении с известными датчиками FOCS аналогичного типа.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен способ защиты сплайса сращенного оптического волокна, в частности, согласно первому аспекту настоящего изобретения, полученного путем соединения двух поляризационно-стабилизированных оптических волокон, от воздействия механического напряжения и/или влаги. Предложенный способ предусматривает следующие стадии:

На стадии а) сращенное оптическое волокно заводится в защитную трубку. Защитная трубка имеет такую длину, что сплайс будет располагаться внутри нее на заданном минимальном расстоянии от первого конца и второго конца защитной трубки.

Далее, в качестве первого альтернативного варианта, следует стадия b), предусматривающая заделку первого конца защитной трубки вокруг сращенного оптического волокна путем нагревания первой наружной двойной термоусадочной муфты, охватывающей часть первого конца защитной трубки и часть сращенного оптического волокна, в результате чего первая наружная двойная термоусадочная муфта обжимает указанные части. Затем на стадии с) осуществляется заделка капиллярной трубки (13) вокруг части сращенного оптического волокна вблизи второго конца защитной трубки. Капиллярная трубка устанавливается, по меньшей мере, частично внутри защитной трубки путем подачи тепла на внутреннюю двойную термоусадочную муфту, охватывающую часть того конца капиллярной трубки, который располагается ближе всего к сплайсу, и часть сращенного оптического волокна. И, наконец, на стадии d) выполняется заделка второго конца защитной трубки вокруг сращенного оптического волокна путем подачи тепла на вторую наружную двойную термоусадочную муфту, охватывающую часть второго конца защитной трубки и часть сращенного оптического волокна, в результате чего указанные части будут обжаты второй наружной двойной термоусадочной муфтой.

В качестве второго альтернативного варианта на указанных стадиях с) и d) заделка выполняется как с первого конца, так и со второго конца защитной трубки. Иначе говоря, во втором альтернативном варианте стадия b) первого альтернативного варианта заменяется стадиями с) и d), которые применяются также и к первому концу защитной трубки.

В качестве третьего альтернативного варианта адгезионный материал вводится в защитную трубку с обоих концов из числа первого и второго конов защитной трубки.

Одно из преимуществ способа согласно третьему аспекту настоящего изобретения состоит в том, что он обеспечивает простую защиту сплайса. Как было указано выше, процесс сращивания требует обязательного снятия покрытия с определенного участка оптических волокон, подлежащих соединению, что неизбежно приводит к снижению механической прочности сращенного оптического волокна вдоль этого участка. Простота сращивания оптического волокна состоит в том, что в этом случае отсутствует необходимость в выполнении сложной операции по повторному нанесению покрытия на указанный участок. Таким образом, отпадает необходимость в использовании дорогостоящих устройств для повторного покрытия волокна УФ-отверждаемым материалом, вследствие чего также сокращаются расходы на монтажные работы.

Еще одно из преимуществ предложенного способа станет очевидным после ознакомления с известным альтернативным вариантом повторного покрытия оголенного отрезка оптического волокна; при реализации этого способа на неизолированный отрезок сращенного оптического волокна оказывается прямое давление, что приводит к повышению коэффициента PER. Поскольку повышенный коэффициент PER локализуется непосредственно вблизи месторасположения сплайса, сопутствующие колебания коэффициента PER в зависимости от температуры являются неприемлемыми для сфер применения, предусматривающих проведение количественных измерений, из-за эффекта интерференции, описанного в привязке к фиг. 2. Такие колебания коэффициента PER могут быть уменьшены только при использовании дорогостоящей стыковочной машины премиум-класса, гарантирующей получение сплайса со сверхмалым коэффициентом PER. Кроме того, чувствительность материала для повторного покрытия к условиям хранения и применения, а также потребность в дорогостоящей машине для повторного покрытия волокна еще больше ограничивает возможность применения способа повторного нанесения покрытия. В настоящем изобретении предусмотрено, что поскольку две точки напряжения, связанные с защитой, отстоят от сплайса на расстояние, по меньшей мере, L_m, это расстояние достаточно для того, чтобы удерживать связанные с интерференцией колебания коэффициента PER ниже предельного уровня, допустимого для сферы применения, предусматривающей проведение количественных измерений. Кроме того, в этом случае требуется стыковочная машина и печка для сплайсов лишь среднего класса.

Еще одно из преимуществ предложенного способа, относящееся к использованию капиллярной трубки на стадии с) этого способа, состоит в том, что во время охлаждения заделки на втором конце (и первом конце в указанном втором альтернативном варианте) вторая наружная двойная термоусадочная муфта, воздействующая непосредственно на участок волокна на дальнем от сплайса конце капиллярной трубки, проявляет тенденцию к смещению заделанного оптического волокна внутри капиллярной трубки вправо (см. фиг. 4). Вместе с тем, внутренняя двойная термоусадочная муфта, воздействующая непосредственно на участок волокна на ближнем к сплайсу конце капиллярной трубки, проявляет тенденцию к смещению заделанного оптического волокна внутри капиллярной трубки влево (см. фиг. 4). Эти два эффекта компенсируют друг друга, вследствие чего заделанное оптическое волокно после охлаждения заделки остается примерно на том же месте относительно защитной трубки. Это сводит к минимуму смещение волокна и защитной трубки по отношению друг к другу после заделки, минимизируя тем самым напряжение, действующее на волокно.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления предложенного способа стадия заделки второго конца защитной трубки вокруг сращенного оптического волокна выполняется по истечении заданного интервала времени после завершения заделки первого конца защитной трубки вокруг сращенного оптического волокна. В предпочтительном варианте этот заданный интервал времени равен, по меньшей мере, минимальному времени охлаждения соответствующей наружной двойной термоусадочной муфты или адгезива на первом конце защитной трубки. Этим обеспечивается преимущество, состоящее в уменьшении механического воздействия на участок волокна, расположенный внутри защитной трубки, поскольку продольное сжатие муфт или адгезива для заделки первого конца во время процесса охлаждения будет завершено до заделки второго конца. Иначе говоря, благодаря свободе смещения сращенного оптического волокна через пока еще не заделанный второй конец волокно может свободно смещаться до тех пор, пока не будет завершен процесс охлаждения заделки первого конца защитной трубки. Таким образом, время выдержки после заделки первого конца устраняет какое-либо негативное влияние смещения волокна во время заделки первого конца.

Предпочтительно, чтобы подготовительная стадия а') выполнялась перед стадией а) предложенного способа. Подготовительная стадия а') предусматривает соединение первой наружной двойной термоусадочной муфты с первым концом защитной трубки и второй наружной двойной термоусадочной муфты со вторым концом защитной трубки путем предварительного нагрева соответствующей наружной двойной термоусадочной муфты таким образом, чтобы ее свободный конец оставался открытым. Это упрощает монтаж сращенного оптического волокна согласно настоящему изобретению на месте эксплуатации; по сути, готовый защитный элемент, состоящий из защитной трубки с наружными муфтами, может быть просто надет на сращенное оптическое волокно, подлежащее защите, и герметизирован.

При этом обеспечивается преимущество, состоящее в том, что сращенное оптическое волокно согласно второму аспекту заявленного изобретения используется в оптическом измерительном устройстве, указанном выше, но не ограниченном датчиком FOCS, или в устройстве волоконно-оптической связи.

Также обеспечивается преимущество, состоящее в том, что оптоволоконный датчик тока согласно третьему аспекту настоящего изобретения используется для измерения переменных или постоянных токов, в частности, постоянных токов силой до 600 кА, в частности, в автоматическом выключателе, или на подстанции, или в установке по производству алюминия.

Краткое описание фигур

Варианты осуществления, дополнительные преимущества и сферы применения настоящего изобретения проистекают из зависимых пунктов формулы, комбинаций пунктов формулы и последующего описания, раскрытого в привязке к чертежам, где:

На фиг. 1 показан схематический вид оптоволоконного датчика тока согласно настоящему изобретения в конфигурации измерения силы тока, проводимого токонесущим проводником;

На фиг. 2 показан схематический вид в разрезе сращенного оптического волокна с защитой согласно настоящему изобретению;

На фиг. 3 и 4 показаны схематические виды в разрезе альтернативных вариантов заделки для защиты сплайса в сращенном оптическом волокне согласно настоящему изобретению.

Одинаковые ссылочные позиции на чертежах обозначают одинаковые компоненты или компоненты, выполняющие схожие функции.

Подробное раскрытие настоящего изобретения

Термин «сращенное оптическое волокно» обозначает оптическое волокно, полученное путем соединения двух оптических волокон методом сращивания. Для упрощения сращенное оптическое волокно считается общим термином, который, соответственно, может включать себя защиту согласно настоящему изобретению, но может также указывать лишь на факт выполнения сращивания, что зависит от контекста. В частности, этот термин также должен подчеркивать, что в целях настоящего изобретения не имеет значения, был ли каким-либо образом обработан отрезок сращенного оптического волокна со сплайсом перед наложением защиты сплайса согласно настоящему изобретению.

Термин «коэффициент поляризационной экстинкции» (PER) служит общим определением, обозначающим отношение интенсивности светового излучения в нежелательном состоянии поляризации в поляризационно-стабилизированном волокне к интенсивности светового излучения в требуемом состоянии поляризации в поляризационно-стабилизированном волокне; т.е. чем меньше коэффициент поляризационной экстинкции, тем лучше сохраняется требуемое состояние поляризации в поляризационно-стабилизированном волокне, например, включая места искажений, такие как сплайс. Колебание коэффициента поляризационной экстинкции определяется как абсолютное изменение коэффициента поляризационной экстинкции в заданных условиях окружающей среды, таких как диапазон температур.

На фиг. 1 показан схематический вид оптоволоконного датчика 1 тока согласно настоящему изобретению в конфигурации измерения тока С, проводимого токонесущим проводником 4. Сращенное оптическое волокно с защитой согласно настоящему изобретению обозначено позицией 2 и образовано первым и вторым поляризационно-стабилизированными оптическими волокнами 3а и 3b, которые соединены друг с другом с одного из концов методом сращивания. Сплайс 3 образует стыковое соединение двух волокон 3а и 3b. Справа на фигуре показано, что первое оптическое волокно За соединено другим своим концом с первичным преобразователем (PC) 5, а второе оптическое волокно 3b соединено другим своим концом со вторичным преобразователем (SC) 6. Вторичный преобразователь 6 содержит оптоэлектронный блок 6а, который оптически активирует сращенное оптическое волокно 2, т.е. посылает свет, проникающий в сращенное оптическое волокно 2, и принимает свет, испускаемый этим волокном. Понятно, что вторичный преобразователь 6 также содержит все остальные элементы, необходимые для обработки и анализа сигналов, и соединен с интерфейсом пользователя известного типа или содержит такой интерфейс.

Первичный преобразователь 5 содержит оптическое волокно 5а, которое соединено с частью первого поляризационно-стабилизированного оптического волокна За, и которое охватывает токонесущий проводник 4. Измерение основано на известных принципах, описанных в начале документа, и поэтому далее по тексту подробно не разъясняется.

На фиг. 2 показан схематический вид в разрезе сращенного оптического волокна 2 с защитой согласно настоящему изобретению. Сращенное оптическое волокно 2 охватывается защитной трубкой 7, которая соединена с этим волокном посредством заделочных узлов 9, предусмотренных на каждом из ее концов, а именно на первом конце 11а и на втором конце 11b. Заделочные узлы 9, показанные на этой фигуре, носят лишь иллюстративный характер и представляют собой прототипы для конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, описанных в привязке к фиг. 3 и 4.

С одной стороны диаметр защитной трубки выбирается таким образом, чтобы он был достаточно большим для обеспечения возможности умеренного изгибания волокна, но чтобы изогнутое оптическое волокно не упиралось во внутреннюю стенку при небольшой разнице в длине между сращенным оптическим волокном 2 и защитной трубкой 7. С другой стороны диаметр защитной трубки выбирается таким образом, чтобы он был достаточно небольшим с тем, чтобы во время заделки можно было без труда удерживать сращенное оптическое волокно 2 по центру. В предпочтительном варианте диаметр защитной трубки лежит в пределах 1-25 мм, а в более предпочтительном варианте - в пределах 1-5 мм.

В вариантах осуществлении настоящего изобретения одно из волокон из числа первого и второго оптических РМ-волокон 3а и 3b вставляется в защитную трубку 7 до начала сращивания таким образом, чтобы защитная трубка 7 могла свободно смещаться вдоль соответствующего оптического РМ-волокна. После сращивания защитная трубка 7 смещается в предназначенное для нее место, где она охватывает сплайс 3 и неизолированные отрезки 8а сращенного оптического волокна 2. В альтернативном варианте допустимо использование защитной трубки 7, которая может быть обжата вокруг уже сращенного оптического волокна 2 при условии, что защитная трубка 7 выполнена из материала, который пригоден для обжатия и одновременно удовлетворяет другим требованиям, таким как коэффициент теплового расширения, аналогичный коэффициенту теплового расширения сращенного оптического волокна 2. В сферах применения, где оптические РМ-волокна 3а и 3b сращиваются до их соединения с первичным и вторичным преобразователями 5 и 6, соответственно, защитная трубка 7 надевается на один из концов сращенного оптического волокна 2 до соединения этого конца с заданным преобразователем 5 или 6.

Еще одна необязательная стадия, которая может быть выполнена перед заделкой защитной трубки 7 вокруг сращенного оптического волокна 2, предусматривает нанесение гидрофобного вещества (например, силанового раствора 3М AP1 15) на неизолированный отрезок 8а сращенного оптического волокна 2. Такая обработка используется для предотвращения воздействия влаги на стекло.

Как можно видеть на фигуре, и как было указано выше, в предпочтительном варианте заделываются только изолированные отрезки 8b сращенного оптического волокна 2.

Сплайс 3 располагается внутри защитной трубки 7 на расстояниях L₁ и L₂ от соответствующих концов 11b и 11а защитной трубки 7, общая длина которой равна величине L₀. В проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения, который показан на фиг. 2, эти расстояния L₁ и L₂ предпочтительно равны друг другу, однако они могут быть неодинаковыми при условии, что самое короткое из них не будет меньше минимального расстояния L_m, определение которого будет подробно описано ниже.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения длина L₀ защитной трубки 7 и расстояния L₁ и L₂ от сплайса 3 до каждого из концов 11а и 11b защитной трубки 7 выбираются таким образом, чтобы они удовлетворяли следующему уравнению:

,

где величина X_o обозначает максимально гарантированный коэффициент поляризационной экстинкции сплайса 3; величина X_s обозначает максимально гарантированный коэффициент поляризационной экстинкции на соответствующих концах 11а и 11b защитной трубки 7; величина A(L) обозначает функцию когерентности длины поляризационно-стабилизировэнного волокна 3а и 3b; а величина X_m обозначает заданное максимально допустимое колебание коэффициента поляризационной экстинкции.

В случае со сплайсом, укрытом в защитную трубку 7, которая описана в настоящем документе, в трех четко различимых точках наблюдаются поляризационные перекрестные помехи, упомянутые в начале. Первой точкой является сам сплайс 3, где поляризационные перекрестные помехи обусловлены несоосностью оптических РМ-волокон 3а и 3b в процессе сращивания. Максимальный гарантированный коэффициент PER зависит от оборудования, используемого для сращивания. При использовании стыковочной машины среднего класса величина этого коэффициента обычно составляет до -30 дБ, что достигается без приложения каких-либо особых усилий; но величину, превышающую -35 дБ, часто сложно гарантировать, даже прикладывая для этого определенные усилия. Коэффициент PER самого сплайса сохраняется неизменным при всех температурах.

Поляризационные перекрестные помехи также наблюдаются в сращенном волокне 3 или в первом и втором поляризационно-стабилизированных волокнах 3а и 3b на обоих концах 11а и 11b защитной трубки 7 сплайса, где герметизирующий материал прикладывает напряжение к изолированному отрезку 8b сращенного оптического волокна 2. Значения напряжения и коэффициента PER обычно повышаются при низких температурах по мере отверждения адгезива и покрытия. Эксперименты, проведенные в отношении двойных термоусадочных муфт (описанных в привязке к фиг. 3 и 4), которые накладывались на волокно PANDA, широко представленное на рынке, показали, что в диапазоне температур от -25°С до 80°С максимальный коэффициент PER может достигать -50 дБ; причем при более низких температурах можно ожидать еще более высоких значений коэффициента PER. Испытания, проведенные с использованием общераспространенных адгезивов, наносимых на волокно PANDA, широко представленное на рынке, показали аналогичные значения.

Максимальный коэффициент PER (света внутри сращенного оптического волокна 2) в -50 дБ на заделанных концах 11а и 11b защитной трубки 7 (соответствующий максимум 0,002% повышения масштабного коэффициента соответствующего датчика тока) на первый взгляд может показаться безвредным; однако при изучении коэффициента PER защищенного сращенного оптического волокна 2 необходимо рассматривать в целом весь узел, состоящий из волокна и защиты, а это означает, в частности, что следует также учитывать любое интерференционное взаимодействие между отдельными точками локализации коэффициента PER.

Допустим, что сплайс 3 характеризуется коэффициентом PER, который обозначен величиной X_o, а заделочные концы 11а и 11b характеризуются коэффициентами PER, которые обозначены величинами X₁ и X₂, соответственно; при этом расстояние между заделочным концом 11b с X₁ и местоположением сплайса с X_o обозначено величиной L₁, а расстояние между местоположением сплайса и заделочным концом 11а с X₂ обозначено величиной. Таким образом, общий коэффициент PER заделанной защиты сплайса с учетом интерференции рассчитывается следующим образом:

,

где обозначает дифференциальный фазовый сдвиг поляризации на участках РМ-волокна между сплайсом 3 и заделочными концами 11а и, 11b; величина обозначает длину биений РМ-волокна; а величина A(L) обозначает функцию когерентности длины L РМ-волокна.

В физическом смысле функция A(L) когерентности является Фурье-преобразованием спектра оптической мощности; следовательно, ее ширина (известная как длина когерентности) обратно пропорциональна ширине спектральной полосы. Для гауссова спектра с полосой FWHM (полная ширина на половине высоты) Δλ_1/2 с центром на волне λ₀ функция когерентности представляет собой гауссову функцию:

с длиной когерентности

Например, суперлюминесцентный диодный источник характеризуется полосой FWHM Δλ_1/2 в 35 нм при 1310 нм. Волокно PANDA РМ 1300, широко представленное на рынке, характеризуется длиной L_B биений, равной 3,6 мм. Для этой системы длина когерентности в волокне PANDA составляет ΔL_c=50 мм, а это означает, что степень A(L) когерентности падает до e^-1/2=61% на расстоянии 50 мм от места локализации поляризационной перекрестной помехи в волокне PANDA.

Для упрощения допустим, что L₁ = L₂ = L, φ₁ = φ₂ = φ, a X₁ = X₂ = X_s. Таким образом, общий коэффициент PER может быть записан следующим образом:

Для примера возьмем X_s ≤ -50 дБ = 0,001%. Следовательно, колебание температуры X_s и второй интерференционный член оказывают незначительной влияние на общий коэффициент PER. Более того, принимая во внимание тот факт, что X_o является постоянной величиной, единственным значимым членом, оказывающим влияние на температурные колебания общего коэффициента PER, является

Для уменьшения его температурных колебаний необходимо или минимизировать колебание фазового сдвига φ=2πL/L_B в заданном диапазоне температур, или уменьшить амплитуду помех.

В предшествующем подходе предусмотрена возможность регулирования расстояния L между местоположением сплайса 3 и заделочными концами 11а и 11b. Волокно PANDA РМ 1300, широко представленное на рынке, характеризуется температурным коэффициентом c_b=dL_b/L_bdT на длине биений, составляющим около 6,5×10^-4 K^-1. При параметрах источника светового излучения и волокна, указанных выше, и ΔT=90 K (диапазон температур SC лежит в пределах от -25°С до 65°С) колебание φ(T) уже достигает величины П (соответствующей половине цикла колебаний или, например, полному изменению амплитуды между минимумом и максимумом), если L=L_b/(2c_bΔT)=31 мм. Выведение длины L в виде небольшой доли этой величины представляется нецелесообразным, поскольку процесс сращивания требует удаления покрытия с волокна, в результате чего с каждой его стороны остается оголенный отрезок 8а длиной до 25 мм. Необходимо также, чтобы герметизирующий материал покрывал несколько миллиметров изолированного волокна с целью обеспечения его надежной изоляции.

В последнем подходе единственной регулируемой переменной также является величина L, но в этом случае предусмотрено следующее: чем больше расстояние L, тем меньше функция A(L) когерентности. Для поддержания колебаний масштабного коэффициента защищенного сплайса 3 на уровне ниже ±0,03% с использованием суммарной погрешности, представленной в качестве примера в разделе «Предшествующий уровень техники настоящего изобретения», колебание коэффициента PER должно быть меньше ±0,015%. Это означает, что Для достижения целевого показателя при использовании наихудших значений X_o=-30 дБ и X_s=-50 дБ применимо следующее: A(L)<A_m=0,375. При использовании параметров источника светового излучения и волокна, указанных выше, это обеспечивает минимальное разделение сплайса и заделки

Минимальное разделение сплайса и заделки Lm может быть уменьшено, если может быть гарантирован более низкий коэффициент PER сплайса (например, с помощью надежной программы регулирования коэффициента PER или стыковочной машины высокого класса).

Максимальный гарантированный коэффициент X_o поляризационной экстинкции сплайса зависит от качества используемой стыковочной машины и условий эксплуатации.

При использовании стыковочной машины среднего класса величина этого коэффициента обычно составляет до -30 дБ или -25 дБ, что достигается без приложения каких-либо особых усилий, тогда как величину, превышающую -35 дБ, часто сложно гарантировать, даже прикладывая для этого определенные усилия. При использовании стыковочной машины высокого класса широко достижимой величиной является -40 дБ. Максимальный гарантированный коэффициент Xs поляризационной экстинкции заделочных концов зависит от способа или процедуры заделки и/или используемого материала, а также от требуемого диапазона температур, поскольку используемый материал может сжиматься и/или отверждаться при низких температурах. Для некоторых двойных термоусадочных муфт достижима величина -50 дБ в широком диапазоне температур; для других герметизирующих материалов или процедур, например, для адгезива, вводимого в защитную трубку через ее концы, обычной является величина, меньшая или равная -40 дБ или даже -30 дБ. Максимально допустимое колебание коэффициента поляризационной экстинкции всего защищенного отрезка Xm сплайса определяется требуемой точностью всей системы оптоволоконного датчика тока, количеством сплайсов в системе и возможным колебанием масштабного коэффициента других компонентов в системе. Например, точность датчика тока класса 0.2 должна составлять < ±0,2%, включая вклад всех его компонентов в обеспечение точности. Если в системе предусмотрен только один защищенный отрезок сплайса, то в зависимости от рабочих характеристик прочих компонентов максимально допустимое колебание коэффициента поляризационной экстинкции этого отрезка может составлять 0,015%. При наличии в одной системе двух статистически независимых защищенных отрезков сплайса максимально допустимое колебание коэффициента поляризационной экстинкции каждого из них составило бы 0,011%. В других сферах применения величина X_m может быть меньше или равна 0,02% или даже 0,1%. Диапазоны температур, воздействию которых подвергается сплайс, обычно лежат в пределах от -40°С до 85°С или от -20°С до 55°С.

На фиг. 3 и 4 показаны схематические виды в разрезе альтернативных вариантов заделки для защиты сплайса в сращенном оптическом волокне 2 согласно настоящему изобретению. Заделочный узел 9 на двух концах защитной трубки 7, показанный на двух фигурах, отображает указанный первый альтернативный вариант реализации способа согласно третьему аспекту настоящего изобретения, тогда как герметизация обоих концов защитной трубки 7, проиллюстрированная на фиг. 4 отображает второй альтернативный вариант реализации способа согласно третьему аспекту настоящего изобретения. Третий альтернативный вариант (герметизация с помощью адгезива) на фигурах не показан. Он предусматривает введение адгезива в защитную трубку 7 с обоих концов 11а и 11b, при этом в предпочтительном варианте до введения адгезива со второго конца 11b защитной трубки 7 выдерживается определенное время до тех пор, пока полностью не остынет адгезив на первом конце 11а защитной трубки.

На фиг. 3 показан первый конец 11а защитной трубки 7 в заделанном состоянии. Первое поляризационно-стабилизированное оптическое волокно 3а представлено с участком 8а, с которого удалено покрытие для выполнения процесса сращивания, и с участком 8b, на котором покрытие оставлено. Первая наружная двойная термоусадочная муфта 10 показана в сжатом состоянии после того, как она была подвергнута воздействию тепла. Эта муфта состоит из наружной трубки 10а и внутренней трубки 10b. Внутренняя трубка 10b расплавилась во время подачи тепла, и наружная трубка 10а обжала внутреннюю трубку 10b и первый конец 11а защитной трубки 7, в результате чего было образовано уплотнение, защищающее от воздействия влаги и/или механического напряжения. Кроме того, двойная термоусадочная муфта этого типа повышает устойчивость РМ-волокна 3а, которое характеризуется устойчивой посадкой после остывания внутренней трубки 10b.

На фиг. 4 показан второй конец 11b защитной трубки 7 в заделанном состоянии. Второе поляризационно-стабилизированное оптическое волокно 3b представлено с участком 8а, с которого удалено покрытие для выполнения процесса сращивания, и с участком 8b, на котором покрытие оставлено. Вторая наружная двойная термоусадочная муфта 12 показана в сжатом состоянии после того, как она была подвергнута воздействию тепла. Эта муфта состоит из наружной трубки 12а и внутренней трубки 12b. Внутренняя трубка 12b частично расплавилась во время подачи тепла, и наружная трубка 12а обжала внутреннюю трубку 12b и второй конец 11b защитной трубки 7, в результате чего было образовано уплотнение, защищающее от воздействия влаги и/или механического напряжения. Кроме того, двойная термоусадочная муфта этого типа повышает устойчивость РМ-волокна 3b, которое характеризуется устойчивой посадкой после остывания внутренней трубки 12b. Перед этим во вторую наружную двойную термоусадочную муфту 12 была введена и зафиксирована внутри нее капиллярная трубка 13, как это было описано выше. Внутренняя двойная термоусадочная муфта 14 герметично стыкует обращенный в сторону сплайса конец капиллярной трубки 13, показанный в левой части фигуры, со вторым поляризационно-стабилизированным оптическим волокном 3b. Как и в случае с наружной двойной термоусадочной муфтой 12 внутренняя двойная термоусадочная муфта 14 также содержит наружную трубку 14а и внутреннюю трубку 14b, динамические характеристики которых аналогичны тем, которые были описаны выше в отношении второй наружной двойной термоусадочной муфты 12. В данном случае внутренняя трубка расплавляется вокруг части изолированного отрезка 8b РМ-волокна 3b. В предпочтительном варианте капиллярная трубка 13 или капиллярные трубки 13 выбираются таким образом, чтобы их длина превышала длину внутренней трубки 12b второй наружной двойной термоусадочной муфты 12 в продольном направлении. Капиллярная трубка 13 обеспечивает преимущество, состоящее в том, что она выполняет функцию элемента усиления для участка РМ-волокна 3b в месте заделки, а также предотвращает прямой контакт внутренней трубки 12b с РМ-волокном.

В предпочтительном варианте заделочные стадии b) и d) способа согласно третьему аспекту настоящего изобретения выполняются таким образом, что указанные концы 11a и 11b защитной трубки 7 оказываются между внутренними трубками 10b и 12b и наружными трубками 10а и 12а соответствующих первой и второй наружных двойных термоусадочных муфт 10 и 12. Аналогичным образом заделочная стадия с) альтернативного варианта, показанного на фиг. 4, также выполняется таким образом, что указанный конец капиллярной трубки 13 оказывается между внутренней трубкой 14b и наружной трубкой 14а соответствующей внутренней двойной термоусадочной муфты 14.

Капиллярная трубка 13 также обеспечивает преимущество, указанное в начале, которое подробнее будет описано ниже. Обычно под действием тепла термоусадочные трубки сначала сжимаются в радиальном направлении, а затем по мере охлаждения они дополнительно сжимаются в продольном направлении. В защитной трубке 7, герметизируемой с помощью двойных термоусадочных муфт 10 и 12 с обоих концов, такое поведение означает, что РМ-волокна 3а и 3b на концах 11а и 11lb защитной трубки 7 в процессе охлаждения могут втягиваться в защитную трубку 7 под действием двойных термоусадочных муфт 10 и 12, заставляя сращенное оптическое волокно 2 внутри защитной трубки 7 изгибаться или даже слегка свертываться, в результате чего может повышаться напряжение, действующее на сплайс. Для устранения этой проблемы в одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения предусмотрено следующее: с помощью двойной термоусадочной муфты 10, показанной на фиг. 3, заделывается только один конец (например, первый конец 11а) защитной трубки 7, тогда как второй конец 11b защитной трубки 7 заделывается с помощью двух таких муфт, как внутренняя и наружная термоусадочные муфты 14 и 12, и капиллярной трубки 13. С помощью двойной термоусадочной муфты 12 большего диаметра второй конец 11b защитной трубки 7 герметично скрепляется с капиллярной трубкой 13, которая содержит РМ-волокно 3b. Внутренний конец капиллярной трубки 13 (слева на фигуре) герметично скрепляется с РМ-волокном 3b с помощью внутренней двойной термоусадочной муфты 14 меньшего диаметра, тогда как наружный конец (справа на фигуре) остается открытым.

На практике сначала нагревается и герметизируется первый конец 11а защитной трубки 7. Затем после полного охлаждения первого конца 11а нагревается второй конец 11b защитной трубки 7. В процессе охлаждения происходит сжатие в длину, как меньшей в диаметре внутренней термоусадочной муфты 14, так и большей в диаметре наружной термоусадочной муфты 12, во время чего первая из указанных муфт втягивает заделанное волокно (справа на фигуре) в капиллярную трубку 13, а вторая втягивает капиллярную трубку 13 (слева на фигуре) в защитную трубку 7. Суммарные воздействия в значительной степени компенсируют одно другое, благодаря чему заделанное сращенное оптическое волокно 2 удерживается примерно на одном и том же месте относительно защитной трубки 7 после охлаждения заделки.

Как было указано выше, стадии b)-d) способа согласно третьему аспекту настоящего изобретения предпочтительно выполняются только применительно к изолированным участкам сращенного оптического волокна для уменьшения механического напряжения, действующего на неизолированный отрезок сращенного оптического волокна 2.

Стадия а) способа согласно настоящему изобретению предпочтительно выполняется таким образом, чтобы продольная ось сращенного оптического волокна 2 по существу совпадала с продольной осью защитной трубки 7. Иначе говоря, в предпочтительном варианте РМ-волокна 3а и 3b отцентрованы внутри защитной трубки 7.

Сращенное оптическое волокно согласно настоящему изобретению обеспечивает ряд преимуществ; оно хорошо защищает сплайс от воздействия механического напряжения и/или влаги. В частности, уменьшение колебания коэффициента PER за счет принятия различных мер согласно настоящему изобретению приводит к существенному повышению точности отображения состояния поляризации света, проходящего через сращенное оптическое волокно, что приводит к значительному повышению точности измерений в датчиках FOCS.

Если говорить о вариантах осуществления способа согласно настоящему изобретению, то первый альтернативный вариант является предпочтительным за счет оптимального соотношения между качеством заделки и простотой и снижением затрат. Второй альтернативный вариант является более сложным, но он может обеспечить лучшую защиту на обоих концах трубки. Третий альтернативный вариант обеспечивает самое быстрое и дешевое решение за счет снижения качества заделки в отношении напряжения, действующего на сращенное оптическое волокно.

Хотя в настоящем документе проиллюстрированы и описаны предпочтительные на данный момент времени варианты осуществления настоящего изобретения, следует четко понимать, что заявленное изобретение ими не ограничено, и оно может быть воплощено и реализовано на практике иным образом в пределах объема последующей формулы изобретения. Следовательно, такие термины как «предпочтительный», или «в частности», или «особенно», или «обеспечивающий преимущество», или иные термины подобного рода обозначают лишь необязательные и иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения.

Перечень ссылочных позиций

1 = оптоволоконный датчик тока (FOCS)

2 = сращенное оптическое волокно

3 =сплайс

3а = первое поляризационно-стабилизированное волокно (РМ-волокно)

3b = второе поляризационно-стабилизированное волокно (РМ-волокно)

4 = токонесущий проводник

5 = первичный преобразователь FOCS

5а = оптическое волокно первичного преобразователя

6 = торичный преобразователь FOCS

7 = защитная трубка

8а = неизолированный отрезок сращенного оптического волокна

8b = изолированный отрезок сращенного оптического волокна

9 = заделочный узел

10 = первая наружная двойная термоусадочная муфта

10а = наружная трубка первой наружной двойной термоусадочной муфты

10b = внутренняя трубка первой наружной двойной термоусадочной муфты

11а = первый конец защитной трубки

11b = второй конец защитной трубки

12 = вторая наружная двойная термоусадочная муфта

12а = наружная трубка второй наружной двойной термоусадочной муфты

12b = внутренняя трубка второй наружной двойной термоусадочной муфты

13 = капиллярная трубка

14 = внутренняя двойная термоусадочная муфта

14а = наружная трубка внутренней двойной термоусадочной муфты

14b = внутренняя трубка внутренней двойной термоусадочной муфты

С = направление электрического тока

L0 = общая длина защитной трубки

L1 = расстояние от сплайса до первого конца защитной трубки

L2 = расстояние от сплайса до второго конца защитной трубки

Изобретение относится к сращенному оптическому волокну, оптоволоконному датчику тока, содержащему такое сращенное оптическое волокно, и к способу защиты сплайса сращенного оптического волокна. Заявленное сращенное оптическое волокно (2) содержит первое и второе поляризационно-стабилизированные оптические волокна (3а; 3b), которые соединены друг с другом одним из своих концов методом сращивания, в результате чего в точке их соединения образуется сплайс (3), причем вокруг сращенного оптического волокна (2) размещается защитная трубка, охватывающая, по меньшей мере, неизолированный отрезок сращенного оптического волокна (2), который включает в себя сплайс (3). Первый конец и второй конец защитной трубки (7) герметично скреплены со сращенным оптическим волокном (2) посредством первого и второго заделочных узлов (9) для защиты сплайса (3) от воздействия механического напряжения и/или влаги. При этом защитная трубка (7) имеет такую длину (L₀), что неизолированный отрезок (8а) сращенного оптического волокна (2), содержащий сплайс (3), и изолированный отрезок сращенного оптического волокна (2) на каждом конце неизолированного отрезка (8а) располагаются внутри защитной трубки (7). Защитная трубка (7) характеризуется такой длиной (L₀), что первое расстояние (L₁) от первого конца (11а) защитной трубки (7) и/или от первого заделочного узла до местоположения сплайса и второе расстояние (L₂) от местоположения сплайса до второго конца (11b) защитной трубки (7) и/или второго заделочного узла превышают или равны заданному минимальному расстоянию L_m, причем минимальное расстояние L_m выбирается таким образом, чтобы оно удовлетворяло следующему уравнению:

,

где величина X_o обозначает максимально гарантированный коэффициент поляризационной экстинкции сплайса (3); величина X_s обозначает гарантированный коэффициент поляризационной экстинкции на заделанных концах (11а; 11b) защитной трубки (7); величина A(L_m) обозначает функцию когерентности длины поляризационно-стабилизированного волокна (3а; 3b) и Фурье-преобразование спектра оптической мощности; а величина X_m обозначает заданное максимально допустимое колебание коэффициента поляризационной экстинкции; при этом, в частности, X_o ≤ (-25) дБ, X_s ≤ (-30) дБ, a X_m ≤ 0,01% для поддержания колебаний масштабного коэффициента защищенного сплайса (3) на уровне ниже ±0,03%. Технический результат - повышение точности измерений за счет улучшения защиты сплайсов в сращенных оптических волокнах от воздействия механического напряжения и/или влаги. 6 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Сращенное оптическое волокно (2), содержащее первое и второе поляризационно-стабилизированные оптические волокна (3а; 3b), которые соединены друг с другом одним из своих концов методом сращивания, в результате чего в точке их соединения образуется сплайс (3), причем вокруг сращенного оптического волокна (2) размещается защитная трубка, охватывающая, по меньшей мере, неизолированный отрезок сращенного оптического волокна (2), который включает в себя сплайс (3), причем первый конец и второй конец защитной трубки (7) герметично скреплены со сращенным оптическим волокном (2) посредством первого и второго заделочных узлов (9) для защиты сплайса (3) от воздействия механического напряжения и/или влаги;

при этом защитная трубка (7) имеет такую длину (L₀), что неизолированный отрезок (8а) сращенного оптического волокна (2), содержащий сплайс (3), и изолированный отрезок сращенного оптического волокна (2) на каждом конце неизолированного отрезка (8а) располагаются внутри защитной трубки (7), и

защитная трубка (7) характеризуется такой длиной (L₀), что первое расстояние (L₁) от первого конца (11а) защитной трубки (7) и/или от первого заделочного узла до местоположения сплайса и второе расстояние (L₂) от местоположения сплайса до второго конца (11b) защитной трубки (7) и/или второго заделочного узла превышают или равны заданному минимальному расстоянию L_m, причем минимальное расстояние L_m выбирается таким образом, чтобы оно удовлетворяло следующему уравнению:

,

где величина X_o обозначает максимально гарантированный коэффициент поляризационной экстинкции сплайса (3); величина X_s обозначает гарантированный коэффициент поляризационной экстинкции на заделанных концах (11а; 11b) защитной трубки (7); величина A(L_m) обозначает функцию когерентности длины поляризационно-стабилизированного волокна (3а; 3b) и Фурье-преобразование спектра оптической мощности; а величина X_m обозначает заданное максимально допустимое колебание коэффициента поляризационной экстинкции; при этом, в частности, X_o ≤ (-25) дБ, X_s ≤ (-30) дБ, a X_m ≤ 0,01% для поддержания колебаний масштабного коэффициента защищенного сплайса (3) на уровне ниже ±0,03%.

2. Сращенное оптическое волокно по п. 1, в котором защитная трубка (7) выполнена из материала с таким коэффициентом теплового расширения, который по существу равен коэффициенту теплового расширения первого и второго поляризационно-стабилизированных оптических волокон (3а; 3b), в частности из кварцевого стекла или плавленого кварца.

3. Сращенное оптическое волокно по любому из предшествующих пунктов, в котором защитная трубка (7) имеет диаметр, значение которого лежит в диапазоне 1-25 мм, в частности в диапазоне 1-5 мм.

4. Сращенное оптическое волокно по любому из предшествующих пунктов, в котором по меньшей мере один узел из числа первого и второго заделочных узлов (9) содержит наружную двойную термоусадочную муфту (10; 12), выполненную с возможностью сжатия в радиальном направлении при воздействии на нее тепла, обеспечивая заделку защитной трубки (7), содержащей отрезок сращенного оптического волокна (2) со сплайсом (3), с целью предотвращения воздействия на него влаги.

5. Сращенное оптическое волокно по п. 4, в котором каждая муфта из числа первой наружной двойной термоусадочной муфты (10; 12) первого заделочного узла (9) и/или второй наружной двойной термоусадочной муфты (10; 12) второго заделочного узла (9) содержит наружную трубку (10а; 12а) и внутреннюю трубку (10b; 12b), причем первый конец и второй конец защитной трубки (7) располагаются между внутренней трубкой (10b; 12b) и наружной трубкой (10а; 12а) соответствующих первой и второй наружных двойных термоусадочных муфт (10; 12).

6. Сращенное оптическое волокно по любому из предшествующих пунктов, в котором по меньшей мере один узел из числа первого и второго заделочных узлов (9) содержит капиллярную трубку (13), расположенную частично внутри защитной трубки (7) и охватывающую отрезок сращенного оптического волокна (2), причем капиллярная трубка (13) герметично скреплена со сращенным оптическим волокном (2) посредством внутренней двойной термоусадочной муфты (14) на первом конце, обращенном к сплайсу (3), и герметизирована с помощью внутренней трубки (12b) соответствующей наружной двойной термоусадочной муфты (12) на втором конце.

7. Сращенное оптическое волокно по п. 6, в котором указанный первый конец капиллярной трубки (13) располагается между внутренней трубкой (14b) и наружной трубкой (14а) соответствующей внутренней двойной термоусадочной муфты (14); при этом, в частности, капиллярная трубка (13) выбрана таким образом, что ее длина превышает длину внутренней трубки (12b) второй наружной термоусадочной муфты (12) в продольном направлении.

8. Сращенное оптическое волокно по любому из пп. 5-7, в котором наружные трубки (10а; 12а; 14а) по меньшей мере одной из двойных термоусадочных муфт (10; 12; 14) выполнены из материала, который способен сжиматься в радиальном направлении при подводе тепла, а внутренние трубки (10b; 12b; 14b) выполнены из адгезионного материала, который способен расплавляться при подводе тепла; при этом, в частности, материалы, из которых изготовлены внутренние и наружные трубки двойных термоусадочных муфт, обладают такими свойствами, что в процессе нагревания за счет подвода тепла заданной температуры внутренние трубки частично расплавляются до начала сжатия наружных трубок.

9. Способ получения сращенного оптического волокна, включающий:

соединение первого и второго поляризационно-стабилизированных оптических волокон с одного их конца посредством сплайса и использование процедуры сращивания, которая гарантирует максимальный коэффициент X_o поляризационной экстинкции сплайса;

размещение защитной трубки вокруг сращенного оптического волокна таким образом, что защитная трубка охватывает, по меньшей мере, неизолированный отрезок сращенного оптического волокна, который включает в себя сплайс, причем, в частности, защитная трубка имеет такую длину, что неизолированный отрезок сращенного оптического волокна, содержащий сплайс, и изолированный отрезок сращенного оптического волокна на каждом конце неизолированного отрезка располагаются внутри защитной трубки; и

герметичное скрепление первого и второго концов защитной трубки со сращенным оптическим волокном посредством первого и второго заделочных узлов с использованием процедуры заделки, гарантирующей максимальный коэффициент X_s поляризационной экстинкции сращенного оптического волокна в первом и/или втором заделочном узле;

при этом определенная или общая длина защитной трубки такова, что первое расстояние от первого конца защитной трубки и/или от первого заделочного узла до местоположения сплайса и второе расстояние от местоположения сплайса до второго конца защитной трубки и/или второго заделочного узла превышают или равны заданному минимальному расстоянию L_m, причем минимальное расстояние L_m выбирается таким образом, чтобы оно удовлетворяло следующему уравнению:

,

где величина X_o обозначает максимально гарантированный коэффициент поляризационной экстинкции сплайса (3); величина X_s обозначает гарантированный коэффициент поляризационной экстинкции на заделанных концах (11а; 11b) защитной трубки (7); величина A(L) обозначает функцию когерентности длины поляризационно-стабилизированного волокна (3а; 3b) и Фурье-преобразование спектра оптической мощности, в частности, источника светового излучения, соединенного или подлежащего соединению со сращенным оптическим волокном; а величина X_m обозначает заданное максимально допустимое колебание коэффициента поляризационной экстинкции; при этом, в частности, X_o ≤ (-25) дБ, X_s ≤ (-30) дБ, a X_m ≤ 0,01% для поддержания колебаний масштабного коэффициента защищенного сплайса (3) на уровне ниже ±0,03%.

10. Использование сращенного оптического волокна (2) по любому из пп. 1-8 в волоконно-оптическом устройстве связи или в оптическом измерительном устройстве.

11. Оптоволоконный датчик (1) тока для измерения тока (С) в токонесущем проводнике (4), содержащий сращенное оптическое волокно (2) по любому из пп. 1-8 и дополнительно содержащий:

первичный преобразователь (5), пригодный для размещения вокруг проводника (4), причем первичный преобразователь (5) соединен с первым поляризационно-стабилизированным оптическим волокном (3а) сращенного оптического волокна (2); и

вторичный преобразователь (6), содержащий оптоэлектронный блок (6а) и соединенный со вторым поляризационно-стабилизированным оптическим волокном (3b) сращенного оптического волокна (2) для генерирования проникающего в него светового излучения и детектирования испускаемого им светового излучения.

12. Использование оптоволоконного датчика тока по п. 11 для измерения переменных и постоянных токов, в частности постоянных токов силой до 600 кА, в частности, в автоматическом выключателе, на подстанции или в установке по производству алюминия.

13. Способ защиты сплайса (3) сращенного оптического волокна (2) по любому из пп. 1-8, в котором сращенное оптическое волокно (2) образуется посредством соединения двух поляризационно-стабилизированных оптических волокон (3а; 3b) для защиты от воздействия механического напряжения и/или влаги, причем этот способ предусматривает:

стадию а) размещения сращенного оптического волокна (2) в защитной трубке (7), причем защитная трубка (7) имеет такую длину (L), что сплайс (3) располагается внутри нее, по меньшей мере, на заданном минимальном расстоянии (L_m) от первого конца (11а) и второго конца (11b) защитной трубки (7);

стадию b) заделки первого конца (11а) защитной трубки (7) вокруг сращенного оптического волокна (2) путем подачи тепла на первую наружную двойную термоусадочную муфту (10), охватывающую часть первого конца (11а) защитной трубки (7) и часть сращенного оптического волокна (2), в результате чего первая наружная двойная термоусадочная муфта (10) обжимает указанные части; и последующую

стадию с) заделки капиллярной трубки (13) вокруг части сращенного оптического волокна (2) вблизи второго конца (11b) защитной трубки (7), причем капиллярная трубка (13) устанавливается по меньшей мере частично внутри защитной трубки (7) путем подачи тепла на внутреннюю двойную термоусадочную муфту (14), охватывающую часть того конца капиллярной трубки (13), который располагается ближе всего к сплайсу (3), и часть сращенного оптического волокна (2); и

стадию d) заделки второго конца (11b) защитной трубки (7) вокруг сращенного оптического волокна (2) путем подачи тепла на вторую наружную двойную термоусадочную муфту (12), охватывающую часть второго конца (11b) защитной трубки (7) и часть сращенного оптического волокна (2), в результате чего указанные части обжимаются второй наружной двойной термоусадочной муфтой (12); или:

пропуск стадии b) и применение стадий с) и d) заделки как к первому концу (11а), так и ко второму концу (11b) защитной трубки (7); или:

пропуск стадий b), с) и d) и введение вместо этого адгезионного материала в защитную трубку (7) как с первого конца (11а), так и со второго конца (11b) защитной трубки (7).

14. Способ по п. 13, в котором подготовительная стадия а') выполняется перед стадией а) предложенного способа и предусматривает:

соединение первой наружной двойной термоусадочной муфты (10) с первым концом защитной трубки и второй наружной двойной термоусадочной муфты (12) со вторым концом защитной трубки путем предварительного нагрева соответствующей наружной двойной термоусадочной муфты (10) таким образом, чтобы ее свободный конец оставался открытым.

15. Способ по п. 13 или 14, в котором перед выполнением стадии (а) на неизолированный отрезок (8а) сращенного оптического волокна (2), содержащий сплайс, наносится гидрофобное вещество, в частности силановый раствор,

причем стадии a)-d) выполняются только применительно к изолированным участкам (8b) сращенного оптического волокна (2), или адгезив наносится только на изолированные участки (8b) сращенного оптического волокна (2), и/или

стадия заделки второго конца (11b) защитной трубки (7) вокруг сращенного оптического волокна (2) выполняется по истечении заданного интервала времени после завершения заделки первого конца (11а) защитной трубки (7) вокруг сращенного оптического волокна (2), причем заданный интервал времени равен, по меньшей мере, минимальному времени охлаждения соответствующей наружной двойной термоусадочной муфты (10) или адгезива на первом конце (11а) защитной трубки (7).