采用極化測定檢測方法的光纖電流傳感器的制作方法

專利名稱：采用極化測定檢測方法的光纖電流傳感器的制作方法
專利說明采用極化測定檢測方法的光纖電流傳感器 發明領域 本發明涉及利用法拉第效應影響下光波在光纖中傳播的電流測量領域。

背景技術：
利用繞在導體上的光纖中的光波來測量電流，在EP 856,737等文件中已有說明。
在這種裝置中，兩正交的線極化光波通過產生交流(ac)相位調制的電光相位調制器，然后通過極化維持光纖(PMF)發射到測量地，并在那里由延遲器轉變為方向相反的兩個圓極化光波。這些圓極化光波通過纏繞導體的測量光纖。在測量光纖的末端，有一個反射器將光波送回延遲器，并在那里轉回為兩個線極化光波。從延遲器發出的返回光在束分離器中與原來的光分開并被送到檢測器。
或者，也可以采用以光纖回旋模塊為基礎的裝置。


發明內容
本發明的目的是提供可以利用簡單的裝置精確測量電流的方法。
這個目的可以利用權利要求1所述的方法實現。為此將返回光分成兩個或更多的部分。第一部分通過圓分析器，然后由第一檢測器測量，第二部分被送到第二檢測器。這個第二部分光可以按與第一部分不同的方式來分析，例如，通過反向的圓分析器，或通過線分析器，或者可以讓這部分光直接通過(不通過任何極化器)第二檢測器。因此，這種方法可以確定返回光的兩個或更多個特征參量，這樣就可以容易地得到更精確的結果。
“分析器”一詞是指一種光學裝置，它可以讓給定的極化通過檢測器，而同時阻斷相反或垂直的極化。



當你閱讀下面的詳細說明之后，將會更好的了解本發明以及除上面提及以外的其它目的。說明時將參考各附圖，其中 圖1是實施本發明方法的第一裝置； 圖2是實施本發明方法的第二裝置； 圖3是實施本發明方法的第三裝置。
實施本發明的模式 在圖1的裝置中，具有例如10nm左右光譜寬度的低相干寬帶源1的光(例如超發光二極管(SLD)，工作在閥值以下的激光二極管，邊緣發射LED(ELED)，或摻雜過的光纖光源)，通過去極化器2(例如Lyot型光纖極化器，見W.K.Burns，Degree of polarization in the Lyotdepolarizer，Journal of Lightwave Technology LT-1，475(1983))。接下來光在光纖極化器3中被極化。如使用非極化光源，則可省掉去極化器2。
從極化器3出來的極化光，進入集成光學束分離裝置5的極化維持光纖(PMF)輸出端4，其極化方向平行于PMF的快或慢軸線。光纖以對平芯片表面+45°或-45°的雙折射軸線輸出至裝置5。也可以是光纖4按0°或90°角與芯片表面對齊。裝置5的波導最好具有低雙折射。
從裝置5出來的光進入傳輸光纖6，后者是一個PMF，其雙折射軸線以+45°或-45°角與PMF輸出端4對齊。因此，結果是兩個正交極化光波射入傳輸光纖6。它們在感測光纖8的第一端到達1/4波延遲器7。延遲器7將兩個線極化波轉變為第一左和右圓極化光波，后者在感測光纖8中傳播，并在其端部被鏡9反射，從而產生第二右和左極化光波傳回延遲器7。
感測光纖8至少繞導體10一圈。流過導體10的電流的磁場在感測光纖8內產生法拉第效應，它在返回延遲器7的左和右圓極化光波之間造成相移

。
感測光纖最好按EP856，737中所述置備(對小于300-500mm小線圈直徑情況的熱退火光纖)，或按EP1,512,981中所述封裝(對較大線圈直徑和希望線圈為柔性的情況)。
在延遲器7中，第二右和左線極化光波被轉變為返回線光波，其取向沿著PMF 6的主軸線。返回光波的極化方向與在PMF 6中向前傳播的波相反。
在裝置5中，返回光在三個束分離器12、13、14處被分離為幾部分。其中的三部分將用于下面要講到的測量中。
第一部分到達由第一1/4波延遲器15a和第一線極化器15b形成的第一圓分析器，在那里1/4波延遲器15a的快和慢軸線與光纖6的快和慢軸線平行對齊或正交，且極化器15b與它們成約45°下的角。從第一圓分析器15a、15b(例如左圓分析器)出來的光用第一光檢測器16分析。
返回光的第二部分到達由第二1/4波延遲器17a和第二線極化器17b形成的第二圓分析器，在那里1/4波延遲器17a的快和慢軸線與光纖6的快和慢軸線平行對齊或正交，且極化器15b與它們成約-45°下的角。從第二圓極化器17a、17b(它與第一極化器的極化相反)出來的光用第二光檢測器18分析。
返回光的第三部分到達相對PMF 6的軸線以45°左右安置的線極化器19。從極化器19出來的光在檢測器20中測量。
經過檢測器16、18、20測量的信號被送到信號處理器21。
下面計算從各檢測器16、18、20得到的信號。
從第一檢測器16和第二檢測器18得到的信號是
式中I0與到達延遲器/極化器15a、17a和19的光功率成正比，V是干涉條紋能見度(在理想干涉條件下V等于1(V is equal tounity)。為簡單起見，假定束分離器12、13、14的分離比使得在所有輸出通道中的光功率相同。相

由下式給定
式中kv是Verdet常數(例如在1310nm時為1.0μrad/A)，N是感測光纖圈數，I是電流。在1310nm且N＝1，

時，相應的電流約為±390kA。
延遲器15a，17a在兩個返回線性光波之間引起約90°的相位偏離。這兩個波在分析器15b，17b處產生干涉。由于90°的相移，只要相移(電流)足夠小，在分析器15b，17b以后的干涉信號很接近于與磁光相移(電流)成線性變化。在相移

接近于±π/2或±90°時，需要在信號處理器21中進行正弦傳遞函數的線性化。
在小電流下，方程(1)近似變成
從檢測器20來的信號IL為
對小的

，IL可用下式近似 IL＝I0·(1+V).(4) 對于交變電流，

等于
式中

為磁光相位調制的幅度，ω為電流角頻率，t為時間。
因此，方程(3)的ac和dc分量為
Idc＝I0.(6a) 這些值可從信號處理器21提取。將(6)式除以(6a)給出信號

它比例于電流的波形而與光強度的變化(例如由于源功率變化或光損耗變化)無關。
但是，這種方法只限于ac電流，而且精確度有限。下面對改進的方法加以說明。
在第一個優選實施例中，求解方程組(1)和(4)以得到

的值。即使這些方程有三個未知數(I0，V和

)，這還是可能的，因為有三個獨立的方程 S＝(I+-I-)/(I++I-)(7)
在方程(8)的線性近似中，我們有
S′＝IL/(I++I-)(9) ＝(1+V)or V＝S′-1 (9a) 因此，我們有
換句話說，信號S’可用來對信號S因條紋能見度V的變化進行補償。
這里展示的方法也可用于法拉第效應對溫度依賴關系的補償。可以采用兩種機制，即“內在補償”和“外在補償”，下面對兩者加以解析。
內在補償 光纖線圈處延遲器7的延遲ρ一般隨溫度有些變化。例如，延遲可能以(1/ρ)(δρ/δT)＝-2.2·10-4℃-1的速率下降(見K.Bohnert etal.，J.Lightwave Technology 20，267-276，2002)。這會影響有效的條紋能見度，并且因而影響I±和IL的關系。設ε為延遲器7與π/2的偏差，我們可以從Jones光傳播矩陣表述得到
這里假定為理想的干涉條件，即當ε＝0時V＝1。
對于小的

，方程(11)變為
ε隨溫度的變化可用來內在地補償Verdet常數對溫度的依賴關系。Verdet常數kv，且因此在給定電流下的

隨溫度以0.7*10-4℃-1的速率增加。如果延遲器是在約77°(即ε＝-13°)的室溫延遲下制備的，則

的增加恰好被cos ε項的減少所補償-也就是說，方程(12)中乘積

變得與溫度無關(假定延遲器和感測光纖具有相等的溫度)。
注意對于上面給定的ρ與溫度的關系，如果溫度從-40℃升到80℃，ρ從約78°(ε＝-12°)減少至76°(ε＝-14°)。因此(cos ε)項以一個因數1.008減小，同時Verdet常數kv以大約相同的因數增加。
在K.Bohnert et al.，J.Lightwave Technology 20，267-276，2002和EP1,115,000中，采用干涉檢測概念來測量法拉第效應。這里也采用延遲器作內在溫度補償。在這種場合下，利用再生相移上的延遲變化。如果采用相同類型的延遲器，則為補償必須把延遲設置為100°左右。
從IL提取溫度信號 換一種方式，可以再利用在不同于π/2的光纖線圈處的延遲，從檢測器20處的信號IL提取溫度。假定V＝1，我們得到
另外，I±還是
在足夠小的電流下，方程(13)變成 IL＝I0·(1+cos2ε). (15) 用和I++I-去除IL，得到 I′L＝IL/(I++I-)＝(1+cos2ε)(16) 因為ε隨溫度變化，可以將信號IL’定標，使它成為溫度的度量。為使結果無歧義，ε必須選成使延遲在工作溫度范圍內保持小于90°或大于90°。若小電流近似不正確，則可在交流電流的零交點處確定方程(15)的信號IL，這時方程(13)中的cos2

項不存在。
對于小電流，比(I+-I-)/(I++I-)給出
(17)中的cos ε項從(16)中得到，即

用IL，I+和I-來表示。
然后利用從(16)提取的溫度在信號處理器中對

作溫度補償。
進一步的一般提示 如上所述，即使事先不知道V和I0的值，知道了三個信號I+，I-和IL，就可以得到很精確的相移

和電流結果。但是，必須指出，即使知道三個信號I+，I-和IL中的兩個，也比以前的方法要好。
例如，圖2表示只測量I+和I-的裝置。在這種情況下，假定V已知或已按不同的方法測量出，則按方程(8)計算S后就可計算
另一方面，知道了I+和IL(或者，I-和IL也一樣)，還可通過I+除以IL消除I0
同時，假定V已知或已按不同的方法測量出，則可以計算出相移
圖3表示適合于實施本發明第三實施例的裝置。
圖3還表示對使用外延遲器15a(或17a)的一種替代方案，即把雙折射波導22和π/2的相移結合起來，從其中出來的光被直接送到檢測器16。也可以讓π/2相移處在束分離器的入口支管內，以在分析器后產生I+和I-。
眾所周知，紫外曝光可以改變雙折射或在光波導內引起雙折射，例如可參見Meyer，P.-A.Nicati，P.A.Robert，D.Varelas，H.-G.Limberger，and R.P.Salathe，Reversibility of photoinducedbirefringence in ultralow-birefringence fibers，Optics Letters，21，1661(1996)，或T.Erdogan和V.Mizrahi，“photosensitive Ge-doped silica optical fibers”中的Charactererization of UV-induced birefringerce，Journal of the Optical Society ofAmerica B11，2100(1994)。在圖3的裝置中，為產生引起π/2相移的雙折射，波導22曾被UV輻射照射過。
原則上，在引起π/2相位延遲的分離器兩支的雙折射也可以用其它方法實現，例如稍微不圓的波導幾何形狀，在波導上有較薄的表面層，或固有應力。
在以上各實施例中，信號IL是在用檢測器20測量前將返回光送到線極化器19而產生的。必須指出，極化器19也可以不用，在這種情況下方程(4)應用下式代替 IL＝IO.(19) 另外，為計算

和/或V，可以將方程(12)與方程(1)或(3)的I+和/或I-表達式結合起來。
也可以利用離散的束分離器、延遲器和極化器代替象裝置5那樣的整體束分離器，來實施現在的方法。
本發明是參照帶鏡子的感測光纖來說明的。但是，它也可以用于圓光波只通過感測光纖一次的裝置。
參考標號一覽 1光源 2去極化器 3光纖極化器 4PMF輸出端 5束分離裝置 6傳輸光纖 7延遲器 8感測光纖 9鏡子 10導體 12，13，14束分離器 15a，17a第一和第二1/4波延遲器 15b，17b第一和第二分析器 16，18，20第一，第二和第三檢測器 21信號處理器 22雙折射波導
權利要求
1.測量電流的方法，包括以下步驟
將左和右圓極化光波沿圍繞該電流伸展的感測光纖(8)發送至少一次，
讓該右和左圓極化光波通過光延遲器(7)用于產生兩個正交線極化返回光波，
該方法的特征在于下面的步驟
將返回光波的第一部分發送到第一檢測器(16)，返回光波的第二部分發送到第二檢測器(18)，以測量至少兩個信號(I+，I-，IL)，其中返回光波的第一部分在碰到第一檢測器(16)之前通過第一圓分析器(15a，15b)。
2.如權利要求1的方法，其中返回光波的第二部分在碰到第二檢測器(18)之前通過第二圓分析器(17a，17b)，其中第二圓分析器(17a，17b)的極化與第一圓分析器(15a，15b)相反。
3.如權利要求2的方法，其中第一檢測器(16)產生信號I+，第二檢測器(18)產生信號I-，尤其是，該方法還包括計算步驟
S＝(I+-I-)/(I++I-)。
4.如權利要求1的方法，其中返回光波的第二部分在碰到檢測器之前通過線分析器。
5.如權利要求3的方法，其中返回光波的第三部分被送到第三檢測器(20)。
6.如權利要求5的方法，其中返回光波的第三部分在碰到第三檢測器(20)之前通過線分析器(19)。
7.如權利要求3和權利要求5或6中任一項的方法，其中第三檢測器(20)產生信號IL，尤其是，該方法還包括計算步驟
IL/(I++I-)。
8.如權利要求7的方法，其中
式中
為由感測光纖(8)中圓極化光波之間的法拉第效應引起的相移，V表示干涉條紋能見度，其中該方法還包括根據信號IL，I+和I-計算
的步驟。
9.如上述任一項權利要求的方法，還包括從上述信號估算延遲器(7)處的溫度或與溫度有關的修正因子的步驟。
10.如權利要求9和權利要求5至8中任一項的方法，其中延遲器(7)具有不等于90°的相移，和/或其中上述溫度和/或修正因子是從IL/(I++I-)估算的，此處IL為第三檢測器(20)產生的信號。
11.如上述任一項權利要求的方法，其中上述第一和/或第二圓分析器(15a，15b，17a，17b)由1/4波延遲器(15a，17a)和線分析器(15b，17b)組成。
12.如上述任一項權利要求的方法，其中返回光波通過集成光學裝置(5)，上述集成光學裝置(5)包括產生該第一和第二部分的至少一個束分離器(12，13，14)，尤其是至少兩個束分離器。
13.如權利要求12的方法，其中集成光學裝置(5)包含至少一個集成1/4波延遲器(22)，上述集成1/4波延遲器(22)與至少一個外線極化器(15b)協同以形成上述圓分析器。
14.如上述任一項權利要求的方法，其中延遲器(7)具有等于90°+ε的相移，此處ε為不為零的偏離，該偏離被選成使得
與溫度無關，此處
為上述光纖中右和左圓極化光波之間引起的相移。
全文摘要
利用感測光纖(8)內的法拉第效應來測量導體(10)中的電流。從感測光纖(8)返回的光被分成至少兩部分，其中至少一部分由第一圓分析器(15a，15b)分析，以產生第一信號。第二部分可由第二圓分析器(17a，17b)等來分析，第三部分可由線分析器(19)分析。結合這樣得到的各信號，可以有效而精確地測量返回光內電流誘發的相位延遲。
文檔編號G01R15/24GK101427142SQ200680054375
公開日2009年5月6日 申請日期2006年4月25日 優先權日2006年4月25日
發明者K·博納特, A·弗蘭克, H·布蘭德爾 申請人:Abb研究有限公司