ОПТОВОЛОКОННЫЙ ДАТЧИК ТОКА СО SPUN ВОЛОКНОМ И ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ
FIBER OPTIC CURRENT SENSOR WITH SPUN FIBER AND TEMPERATURE COMPENSATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение касается оптоволоконного датчика тока со spun волокном с высоким двойным лучепреломлением.
Уровень техники
Действие оптоволоконных датчиков тока обычно основано на эффекте Фарадея в сплавленном кремниевом волокне. Вокруг проводника, через который проходит измеряемый ток, формируют катушку измерительного волокна. Эффект Фарадея наблюдается либо как вращение поляризации линейно поляризованного света, либо как дифференциальный сдвиг фаз между световыми волнами с левой и правой круговой поляризацией, что эквивалентно. В последнем случае на входе в измерительное волокно обычно создаются состояния света с круговой поляризацией посредством короткой секции сохраняющего поляризацию волокна, действующей как четвертьволновая пластинка (QWR). Такой датчик затем сконструирован в отражательной конфигурации с зеркалом на противоположном конце измерительного волокна [1, 2]. Альтернативно, датчик может конструироваться как интерферометр Саньяка [2] с QWR (четвертьволновыми пластинками) на обоих концах измерительного волокна и световыми волнами с одним и тем же содержанием круговой поляризации, которые противоположно распространяются в измерительном волокне.
Для точного измерения тока в широком температурном диапазоне важно поддерживать состояние круговой поляризации световых волн в измерительном волокне. Механическое напряжение в волокне, которое может возникать из-за изгиба волокна в виде катушки, упаковки волокна или затвердения покрытия при низких температурах, оказывает значительное влияние на процесс изменения световой поляризации в волокне и может приводить в результате к нестабильному и температурно-зависимому сигналу. Вызванное изгибом напряжение может ограничивать возможное количество витков волокна, особенно при малых диаметрах витков, до нескольких витков. В результате, минимальный обнаруживаемый ток при заданной ширине полосы обнаружения (времени измерения), при этом, соответственно, ограничивается.
Термический отжиг волоконных катушек используется для избавления от напряжения, вызванного изгибом, однако, он имеет тенденцию быть сложной и занимающей много времени процедурой [2, 3]. В [4] и [5] открытое волокно находится в тонком капилляре сплавленного кремния. Способ предотвращает напряжение волокна из-за покрытия и упаковки волокна. Также, удаление покрытия и введение волокна в капилляр требует сил, отнимая много времени.
Ламинг (Laming) и Пайне (Payne) показали, что использование так называемого spun волокна с сильным двойным лучепреломлением в качестве измерительного волокна уменьшает влияние внешних механических возмущений [6]. Обычно spun волокно имеет область внутреннего напряжения в форме спирали, которая приводит в результате к эллиптическому двойному лучепреломлению. Параметр волокна обычно выбирается так, чтобы собственные моды такого волокна были близки к световым волнам с левой и правой круговой поляризацией. Это эллиптическое двойное лучепреломление, по существу, гасит эффекты, нарушающие линейное двойное лучепреломление, например, из-за вызванного изгибом напряжения.
Эллиптическое двойное лучепреломление может также создаваться эллиптической центральной жилой волокна, которая вращается вдоль волокна [7], или соответствующей микроструктурой [8] волокна.
Ламинг (Laming) и Пайне (Payne) также продемонстрировали, что измерение тока может точно зависеть от параметров spun волокна, в частности, от линейной длины биений соответствующей не spun волокну и шагу скрутки, которые сами по себе могут изменяться в зависимости от температуры [6]. Эти эффекты могут быть уменьшены при использовании широкополосного источника света. Дополнительно, Laming и Payne показали, что угловое выравнивание spun волокна относительно направления поляризации входящего света оказывает значительное влияние на характеристики волоконного датчика.
В [9] фазовая пластинка, которая создает световые волны с круговой поляризацией в измерительном (не spun) волокне, была преднамеренно отстроена от точного сдвига фазы на 90°. Световые волны, входящие в измерительное волокно, затем становятся немного эллиптическими. Если фазовая пластинка расстраивается на соответствующую величину, изменение масштабного коэффициента датчика в результате температурной зависимости фазовой пластинки в значительной степени компенсирует температурную зависимость эффекта Фарадея не spun волокна. Сигнал датчика при этом в широких пределах не зависит от температуры. Измерительное волокно [9] было, по существу, отожженным волокном без механических напряжений. В [5] способ был приспособлен для температурной компенсации неотожженных витков волокна, имеющих заданную величину напряжения, вызванного изгибом.
Оптоволоконные датчики тока описанного выше типа могут использовать модулятор для невзаимной модуляции дифференциальной фазы двух интерферирующих световых волн, чтобы работать с интерферометром при оптимальной чувствительности, технология, которая первоначально была разработана для волоконных гироскопов [10].
Альтернативно, оптоволоконные датчики тока могут использовать пассивные оптические элементы, чтобы формировать фазовое смещение световых волн. Соответствующие традиционные конфигурации датчиков используют измерительные волокна с низким двойным лучепреломлением и были раскрыты, например, в [11]. Документ [11] раскрывает оптоволоконный датчик тока, где четвертьволновая пластинка, которая является частью модуля поляризационного делителя, создает фазовое смещение; дополнительно предшествующий уровень техники для этой конфигурации датчика можно найти в [12] и [13]. Дополнительно, документы [6] и [14] представляют предшествующий уровень техники измерения тока spun волокнами с сильным двойным лучепреломлением и только пассивными схемами оптического обнаружения.
Документ [20] описывает термически отожженную считывающую волоконную катушку из крученого волокна с очень низким двойным лучепреломлением. Волокно изготавливается посредством кручения волокна, предварительно сформованного в процессе вытягивания.
Документ [21] описывает оптоволоконное считывание тока, использующее датчик со сменными субмодулями, вводящими две масштабные функции для головки датчика и измерительного блока. На масштабную функцию головки датчика может влиять вызываемое изгибом двойное лучепреломление считывающей волоконной катушки.
Раскрытие изобретения
Проблема, которая должна быть решена настоящим изобретением, обеспечение оптоволоконного датчика тока со spun волокном с сильным двойным лучепреломлением и хорошей температурной компенсацией.
Эта проблема решается датчиком тока по п. 1 формулы изобретения. Соответственно, оптоволоконный датчик тока содержит
источник света, формирующий свет в диапазоне длин волн,
первый линейный поляризатор, принимающий свет от источника света и формирующий поляризованный свет,
фазовую пластинку, принимающую свет из первого линейного поляризатора и имеющую фазовую задержку ρ=n90°+ε, где n - целое число,
измерительное spun волокно, свернутое N раз в контур, размещаемый вокруг проводника, несущего ток I, имеет постоянную Верде V, шаг скрутки p≤100 мм, и в упомянутом диапазоне длин волн средняя линейная длина биений  (в частности, p≤15 мм и ), причем входной конец измерительного spun волокна принимает свет из фазовой пластинки, при этом медленная ось фазовой пластинки находится под углом θ к медленной оси на входном конце,
детектор, выполненный с возможностью определения фазового сдвига Δφ между двумя модами поляризованного света, возвращающегося из измерительного spun волокна и формирующего сигнал, указывающий на ток,
b
min
max
max
min
отличающийся тем, что фазовая задержка ρ является такой, что для заданного номинального магнитооптического фазового сдвига 4NVI, изменение температуры фазовой пластинки приводит к изменению сглаженного по температуре нормализованного масштабного коэффициента датчика , p, θ, NVI, δ), которое компенсирует изменение масштабного коэффициента вследствие изменения температуры измерительного spun волокна, в том смысле, что по меньшей мере для величины 4NVI, которая находится в заданном номинальном диапазоне фазового сдвига [Δφ, Δφ], в котором |Δφ-Δφ|≥10°, мы имеем
, причем
.
0
0
b
Упомянутый, сглаженный по температуре, нормализованный масштабный коэффициент SF' определяется как среднее значение не сглаженного по температуре нормализованного масштабного коэффициента SF=Δφ/(4NVI), по температурному диапазону шириной 20°C (другими словами, SF' определяется как среднее значение SF по диапазону температуры в 20°С), при этом температура T находится в рабочем температурном диапазоне, например, от -55°С до 120°С, а V является константой Верде при эталонной температуре, например, при комнатной температуре. Количественная величина δ представляет общее вызванное изгибом двойное лучепреломление катушки датчика (или, более точно, сдвиг фаз двойного лучепреломления), которое может повлиять на масштабный коэффициент, если он превышает определенный уровень, и может внести дополнительную температурную составляющую в масштабный коэффициент.
b
-4
-4
-4
Другими словами, вышеупомянутые соотношения требуют, чтобы фазовая задержка ρ была выбрана такой, чтобы процентное изменение нормализованного масштабного коэффициента SF, в зависимости от температуры было меньше, чем процентное изменение постоянной Верде V в зависимости от температуры, то есть размер фазовой пластинки такой, что она вводит температурную зависимость, которая компенсирует суммарный вклад в температурную зависимость масштабного коэффициента постоянной Верде V, линейной длины биений , шага скрутки p и двойного лучепреломления δ, вызванного изгибом. Абсолютное значение относительного изменения нормализованного масштабного коэффициента SF' может быть меньше, чем 0,7×10 на °C, предпочтительно меньше, чем 0,2×10 на °C или даже более предпочтительно меньше, чем 0,1×10 на °C в рабочем диапазоне. Неравенство относится к "сглаженному по температуре масштабному коэффициенту" SF', поскольку не сглаженный по температуре нормализованный масштабный коэффициент SF может демонстрировать сравнительно сильные колебания в пределах нескольких °С. Сглаженный по температуре нормализованный масштабный коэффициент SF' может быть получен посредством (взвешенного или невзвешенного) усреднения не сглаженного по температуре нормализованного масштабного коэффициента SF по диапазону температур в 20°С, такого как невзвешенное усреднение
,
0
где T - заданная рабочая температура датчика тока, такая как 20°С.
Заметим, что SF' и SF обычно совпадают, если измерительное spun волокно с сильным двойным лучепреломлением выбрано достаточно длинным.
Как более подробно объясняется ниже, полный анализ распространения мод в spun волокне с сильным двойным лучепреломлением такого типа в присутствии магнитного поля показал, что изменение магнитооптического фазового сдвига вследствие изменения рабочей температуры может быть компенсировано путем выбора фазовой пластинки с соответствующей фазовой задержкой ρ.
Номинальный диапазон фазового сдвига, в котором сохраняется компенсация, может быть выбран в соответствии с желаемым рабочим режимом или током устройства и может, например, составлять [0°, 30°] или распространяться, по меньшей мере, на диапазон ±[0°, 30°], и/или ±[30°, 90°], и/или ±[90°, 180°], и/или ±[180°, 360°]. В частности, может использоваться min(|Δφmin|, |Δφmax|)≥30° или min(|Δφmin|, |Δφmax|)≥60, при этом функция min(a, b), возвращается к a, если a<b, и в противном случае возвращается к b.
Фазовая задержка ρ в исключительных случаях может быть равна n*90° (где n - целое число), то есть ε равно нулю, но в большинстве случаев используется отчасти «расстроенная фазовая пластинка, то есть |ε|<30°, в частности 1°<|ε|<30°.
1
2
1
2
Как правило, при выборе угла θ и упомянутой фазовой задержки ρ как указано выше для хорошей температурной компенсации, компоненты светового излучения, связанные в две нециркулярные собственные моды spun волокна, имеют неравные интенсивности I и I, где I:I=0,01…0,99 или 1,01…100.
i
Предпочтительно датчик тока конструируется таким образом, что  для всех возможных комбинаций y=-2,-1,0,1,2, при этом индекс i обозначает волноводные секции с двойным лучепреломлением, через которые свет проходит между вышеупомянутым первым линейным поляризатором и детектором  и является дифференциальной модальной групповой задержкой волноводной секции i с двойным лучепреломлением, по крайней мере одна волноводная секция k является такой, что . Примерами волноводных секций с двойным лучепреломлением являются сохраняющая поляризацию волоконная секция между двумя волоконными соединителями, фазовым модулятором двойного лучепреломления и их сохраняющими поляризацию волоконными окончаниями.
Другие варианты перечисляются в зависимых пунктах формулы изобретения, а также в описании ниже.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет лучше понято и задачи помимо тех, которые сформулированы выше, станут очевидны из последующего подробного их описания. Такое описание ссылается на приложенные чертежи, на которых:
фиг. 1 - (a) входной конец и (b) определение шага скрутки p spun волокна с высоким двойным лучепреломлением;
фиг. 2а и 2b - первые варианты осуществления датчика с невзаимной фазовой модуляцией;
фиг. 3 - нормализованный масштабный коэффициент датчика с невзаимной фазовой модуляцией как функция длины волокна для широкополосного источника света со спектральной шириной (FWHM) 40 нм (a) и 20 нм (b), при этом вычислении варьируется только диаметр катушки измерительного волокна, тогда как количество витков волокна остается постоянным (начало (a) показывает всплеск кривой для спектральной ширины 40 нм, начинающий период колебаний с половинной длиной шага, параметры волокна приводятся в подробном описании);
фиг. 4 - нормализованный масштабный коэффициент датчика с невзаимной фазовой модуляцией как функция линейной длины биений в случае монохроматического источника света (пунктирная кривая) и широкополосного источника света (FHWM 40 нм, сплошная кривая) для θ=-45° (параметры волокна приводятся в подробном описании);
фиг. 5 - нормализованный масштабный коэффициент датчика с невзаимной фазовой модуляцией как функция е, то есть отклонения от точной четвертьволновой задержки для различных угловых ориентации spun волокна относительно осей PM-волокна (параметры волокна приводятся в подробном описании): θ=-45° (пунктирная кривая), θ=0°, 90° (сплошная кривая), θ=45° (пунктирная кривая);
фиг. 6 - (a) требуемое отклонение от полной четвертьволновой задержки 8 как функция угловой ориентации spun волокна θ, чтобы достигнуть температурной компенсации и (b) нормализованный масштабный коэффициент температурно компенсированного датчика как функция температуры для θ=45° и ε≈4° согласно (a);
фиг. 7 - (a) нормализованный масштабный коэффициент датчика с невзаимной фазовой модуляцией как функция магнитооптического сдвига фаз для двух различных конфигураций датчика при -40°C, 20°C и 80°C. Пунктирные линии соответствуют датчику с θ=0° с температурной компенсацией малых фазовых сдвигов, и сплошные линии соответствуют датчику с θ=-45° и ; и (b) нормализованный масштабный коэффициент как функция ∈ для датчика с θ=0° (пунктирная линия и штрихпунктирная линии) и для датчика с θ=-45° (сплошная линия и пунктирная линия) и двух различных магнитооптических сдвигов фаз (пунктирная и сплошная кривые: Δφ≈1°, штрих-пунктирная и пунктирная кривые: Δφ≈80°). В обоих случаях, более сильный сдвиг фаз сглаживает кривую; однако, только в случае θ=±45°, ∈ может быть выбрано так, чтобы масштабный коэффициент был независим от самого сдвига фаз, например, для ∈≈5°…10° в случае θ=-45°;
фиг. 8 - второй вариант осуществления датчика, использующего поляриметрическое фазовое детектирование;
фиг. 9 - нормализованный масштабный коэффициент как функция линейной длины биений для поляриметрического детектирования с широкополосным светом (FWHM = 40 нм) и θ=0°, 90° и ∈=0 (параметры волокна приводятся в подробном описании);
фиг. 10 - нормализованный масштабный коэффициент для поляриметрического детектирования как функция ε для θ=45° (пунктирная линия), θ=0°, 90° (сплошная линия), и θ=-45° (пунктирная линия);
фиг. 11a - оптимальный выбор ∈(θ) для достижения температурной компенсации (поляриметрическое детектирование);
фиг. 11b - зависимость нормализованного масштабного коэффициента от температуры для температурно компенсированного датчика (для поляриметрического детектирования) с θ=0°, 90° и ∈≈-19° согласно фиг. 11а;
фиг. 12 - третий вариант осуществления датчика, использующего фарадеевский вращатель и поляриметрическое фазовое детектирование, имеющее PM-волокно, ориентированное при 0°/90°;
фиг. 13 - нормализованный масштабный коэффициент для датчика, соответствующего фиг. 12, как функция линейной длины биений для различных угловых ориентаций spun волокна варианта осуществления, показанного на фиг. 12;
фиг. 14 - четвертый вариант осуществления датчика, использующего фарадеевский вращатель и поляриметрическое фазовое детектирование, имеющего PM-волокно, ориентированное по углом 45°;
фиг. 15а - нормализованный масштабный коэффициент как функция линейной длины биений, и
фиг. 15b - нормализованный масштабный коэффициент как функция отклонения от четвертьволновой задержки для различных угловых ориентаций spun волокна.
Осуществление изобретения
Определения
В контексте настоящего раскрытия spun волокно с сильным двойным лучепреломлением определяется как волокно с присущим ему линейным двойным лучепреломлением, характеризующееся в интересующем диапазоне волн средней линейной длиной биений , и которое было скручено во время процесса производства с шагом скрутки p≤100 мм. Процесс фиксирует в волокне постоянно скрученное состояние. В результате волокно становится циркулярно двулучепреломляющим.
Альтернативный способ формирования двулучепреломления с круговой поляризацией заключается в скручивании одномодового волокна вдоль его продольной оси после изготовления и удержания волокна в этом положении, противодействуя упругой силе раскручивания. Раскрытие изобретения относится к первому типу волокна, но может быть приспособлено также и к последнему типу.
"Фарадеевский вращатель" в смысле, используемом здесь, является оптическим компонентом, содержащим магнитооптический материал и постоянный магнит, вызывающий фарадеевское вращение поляризации линейно поляризованного света на заданный ненулевой угол, обычно на угол по меньшей мере 5°, например, 22,5°±10°, даже при отсутствии любого дополнительного внешнего магнитного поля. Следовательно, измерительное волокно не является фарадеевским вращателем в этом смысле, хотя оно и демонстрирует индуцированный магнитным полем фарадеевский эффект, потому что оно демонстрирует фарадеевское вращение только в присутствии внешнего магнитного поля (то есть внешнего магнитного поля проводника с током).
Spun волокна с высоким двойным лучепреломлением
Spun волокна с высоким двойным лучепреломлением предпочтительно изготавливаются посредством кручения заготовки линейного двулучепреломляющего волокна (например, волокна со структурой галстука-бабочки (bow-tie), как показано на фиг. 1(a)) во время процесса вытягивания, так чтобы локальные главные оси линейного двойного лучепреломления (медленная и быстрая оси (оси наименьшей и наибольшей скоростей распространения света)) вращались вдоль spun волокна. Линейное двойное лучепреломление означает, что показатели преломления различаются для направлений линейной поляризации вдоль медленной и быстрой осей Fs, Ff, как показано на фиг. 1(a), то есть .
Быстрая и медленная оси вращаются вдоль оси волокна, как показано на фиг. 1(b). Шаг скрутки p определяется длиной, на которой оси при вращении выполняют полный оборот.
На фиг. 1а показан угол θ, который в последующих разделах определяется углом между медленной осью Rs фазовой пластинки, расположенной перед spun волокном, и медленной осью Fs входного конца spun волокна. Угол θ измеряется в направлении вращения spun волокна.
Линейное двойное лучепреломление не spun волокна часто задается как линейная длина биений, которая определяется следующим образом
LB
LB
LB
LB
LB
LB
Соответствующий сдвиг фаз при двойном лучепреломлении на единицу длины волокна равен η=2π/L. Даже при том, что этот параметр не является непосредственно доступным в результате измерения на spun волокне, линейная длина биений соответствующего не spun, то есть линейно двулучепреломляющего, волокна все еще используется в качестве параметра для описания spun волокна. Сдвиг фаз при линейном двулучепреломлении spun волокна согласно уравнению (1) зависит от длины волны, даже если  не зависит от длины волны. Другим важным параметром волокна является шаг скрутки или длина шага p=2π/α, где α является количеством радиан на единицу длины, на которое поворачивается волокно во время процесса вытягивания. Для применений измерения тока параметры spun волокна должны выбираться таким образом, чтобы p<L; в противном случае, волокно ведет себя скорее как волокно, сохраняющее поляризацию (РМ), и становится в значительной степени нечувствительным к эффекту Фарадея. В случае p <<L, spun волокно может терять свою стойкость линейного двойного лучепреломления к внешнему возмущению, как обсуждается в конце этого параграфа. Как p, так и L в настоящий момент технически ограничиваются значениями  и типичными являются отношения L/p=1…4. Дополнительно, волокно описывается его длиной 1 и углом θ медленной оси Fs входного конца spun волокна относительно медленной оси Rs фазовой пластинки (смотрите фиг. 1а). Развитие поляризации монохроматического света, вводимого в прямое spun волокно, полностью описывается этими четырьмя параметрами (в отсутствие магнитного поля) и может быть вычислено, как описано в [15].
LB
Для каждой системы spun волокон, представленной p, L, l и θ, существуют два состояния поляризации, которые не изменяются при прохождении через волокно. Эти состояния обозначаются как собственные состояния или собственные моды. Если l=n.p/2, где n - целое число, собственные состояния приобретают простую форму:
LB
2iθ
где LCP (или RCP) обозначает состояние круговой левосторонней (или правосторонней) поляризации и x=2⋅L/p>>1 является отношением линейной длины биений к шагу скрутки. Два собственных состояния обладают, по существу, круговой левосторонней или правосторонней поляризацией и соответственно записываются как LCP* (или RCP*). Зависимость фазы e при угловом выравнивании является критичной для раскрытого изобретения. В отличие от PM-волокна, то есть линейного двулучепреломляющего волокна, которое имеет линейно поляризованные собственные моды, собственные моды spun волокна близки к круговой поляризации. Соответственно, spun волокно часто обозначается как круговое двулучепреломляющее. В более строгой терминологии, двойное лучепреломление spun волокна называется эллиптически двулучепреломляющим. Состояния LCP* и RCP* служат для обоснованного выбора параметров, близких к циркулярно поляризованным состояниям, и соответственно получают относительный сдвиг фаз в присутствии магнитного поля, направленного вдоль волокна, в результате эффекта Фарадея. Заметим, что магнитное поле изменяет, главным образом, относительную фазу, то есть собственные значения системы spun волокон, но в значительной степени оставляет незатронутыми собственные моды.
LB
EB
Основная мотивация для использования spun волокон с высоким двойным лучепреломлением заключается в устойчивости развития поляризации к механических возмущениям волокна. В дальнейшем, линейная длина биений в результате внешних возмущений (особенно из-за изгиба волокна в катушку), обозначается как . Интуитивно, можно ожидать, что стойкость spun волокна задается исключительно линейной длиной биений, то есть развитием поляризации в spun волокне, незатронутом внешними возмущениями, если . Однако, фактическое (эллиптическое) двойное лучепреломление в spun волокне является также функцией длины шага и может быть определено из собственных значений, соответствующих собственным состояниям в уравнении. (2). Для p<L результирующая эллиптическая длина биений L может быть аппроксимирована как:
Численные вычисления, содержащие внешнее линейное двойное лучепреломление, показывают, что для  развитие поляризации не затрагивается механическим возмущением. Для широкого диапазона параметров датчика (рабочая длина волны, диаметр считывающей катушки и диаметр волокна) это условие выполняется хорошо. В случае малых диаметров катушки волокна (<10 см) на масштабный коэффициент может влиять вызванное изгибом линейное двойное лучепреломление , где r - радиус оптического волокна и R - радиус волоконной катушки. Температурная зависимость вызванного изгибом двойного лучепреломления  затем приводит к дополнительной зависимой от температуры составляющей в сигнал датчика. Эта составляющая не рассматривается в явном виде в вычислениях, приведенных ниже. Однако, если нужно, она может быть компенсирована таким же образом, как другие составляющие, которые рассматриваются ниже, путем соответствующей корректировки фазовой пластинки.
Датчик с невзаимной фазовой модуляцией
На фиг. 2а, 2b показаны конфигурации отражающего датчика, использующие активно модулированное фазовое смещение в схеме управления с замкнутым контуром, использующей невзаимную фазовую модуляцию [1, 2, 17]. Раскрытое изобретение, однако, в равной степени применяется к схемам регулирования без обратной связи [2] или ко множеству других возможных модификаций. Изобретение также применяется к датчикам, использующим пассивные поляриметрические схемы детектирования. Вариант осуществления раскрытого изобретения для этих случаев дополнительно описывается ниже.
3
Конфигурация активно модулированного датчика, показанная на фиг. 2а, описывается следующим образом [1, 2]: Выход широкополосного источника 10 света вводится в две собственные моды PM-волокна (волокно, сохраняющее поляризацию) 11, например, посредством 45° соединителя 12 на выходе линейного поляризатора (волоконного поляризатора) 13. Фазовый модулятор 14, например, фазовый модулятор LiNbO, формирует модулированный дифференциальный сдвиг фаз между этими двумя световыми волнами.
*
*
*
В случае предшествующего уровня техники с измерительным волокном с низким двойным лучепреломлением, две линейные поляризации света в PM-волокне проецируются четвертьволновой пластинкой (QWR) на состояния круговой поляризации света в измерительном волокне. Как обсуждено в конце этого абзаца, эта фазовая пластинка может быть выбрана так, чтобы немного отклоняться от точной задержки на четверть волны или 90° на величину ε, чтобы учесть температурно зависимые эффекты. Два состояния с круговой поляризацией в измерительном волокне получают относительный сдвиг фаз, пропорциональный приложенному току I, постоянной Верде V измерительного волокна и количеству оборотов волокна или контуров N катушки 19, образованной измерительным волокном. Этот сдвиг фаз обозначается как невзаимный, что означает, что далее он накапливается на обратном пути после отражения и составляет в итоге значение 4NVI, кратко записанное как 4NVI.
0
0
Отраженные световые состояния с круговой поляризацией затем проецируются на две моды с линейной поляризацией PM-волокна четвертьволновой пластинки, где волновой пакет, выровненный вдоль медленной (или быстрой) оси PM-волокна на пути приходящего света, теперь выравнивается с быстрой (или медленной) осью. Другими словами, с помощью HLP и VLP, обозначающих две линейные поляризации в PM-волокне и RCP и LCP, правосторонняя и левосторонняя круговые поляризации света, развитие поляризации света может быть описано в случае точного четвертьволнового замедления как . (Здесь, поляризации развиваются либо в соответствии с незаключенными в скобки поляризациями, либо, альтернативно, в соответствии с заключенными в скобки поляризациями). Мощность света, обнаруженная на фото детекторе 15, является функцией относительного сдвига фаз между ортогональными линейно поляризованными волнами света, которые интерферируют в волоконном поляризаторе 13. В случае идеального датчика, то есть датчика с измерительным волокном, свободного от линейного двойного лучепреломления, и фазовой пластинки с полной четвертьволновой задержкой, полученный магнитооптический сдвиг фаз Δφ равен идеальному сдвигу фаз 4NVI. Нормализованный масштабный коэффициент, определяемый как Δφ/(4NVI), тогда равен единице при эталонной температуре, используемой для определения V. Если задержка отклоняется от 90° на величину ε, масштабный коэффициент показывает близость к параболической зависимости от ε (приблизительно пропорциональный 1/cos ε). Величина ε температурно зависима и на предшествующем уровне техники [2, 5, 17] регулируется так, чтобы результирующая температурная зависимость масштабного коэффициента
компенсировала изменения масштабного коэффициента за счет температурной зависимости постоянной Верде V. В случае spun волокна с высоким двойным лучепреломлением, такого как измерительное волокно 17, как показано в фиг. 2а, свет от PM-волокна 11 также проходит через фазовую пластинку 16 и входит в измерительное волокно 17, в конце которого располагается отражатель 18. Измерительное волокно 17 скручивается в катушку 19 из N витков или контуров вокруг проводника 20 с током, несущего ток I, где N - целое число. Свет отражается отражателем 18, возвращается обратно через измерительное волокно 17, фазовую пластинку 16, PM-волокно 11, фазовый модулятор 14, сращивание 12 и поляризатор 13 и достигает фото детектора 15, где его интенсивность измеряется.
Состояния света с круговой или близкой к круговой поляризацией, введенного в измерительное spun волокно 17, обычно не совпадает с теми, которые близки к круговым собственным состояниям spun волокна, представленным в уравнении (2). Соответственно, в целом, каждая из двух введенных световых волн разделяется на собственные моды измерительного spun волокна 17. Эти состояния света отражаются отражателем 18 и проходят в обратном направлении вдоль волокна. Фазовая пластинка снова преобразует их в наборы ортогональных линейно поляризованных волн. Интерференция между этими различными состояниями в поляризаторе 13 определяет сигнал на фото детекторе 15. Этот сигнал анализируется блоком 21 управления. В случае управления в замкнутом контуре, блок 21 управления использует сигнал для формирования обратной связи для фазового модулятора 14. Обратная связь накладывается на модуляцию прямоугольными импульсами с частотой, которая определяется временем прохождения туда и обратно световых волн в оптической схеме, как объясняется в [10] для случая волоконных гироскопов. Сигнал обратной связи компенсирует сдвиг фаз, вызванный током волн света, то есть их сдвиг фаз, когда они интерферируют на поляризаторе, равен нулю. Выходной сигнал датчика получают из сигнала обратной связи.
3
В случае работы с незамкнутым контуром сдвиг фаз, вызванный током, обычно получают из 1-ой и 2-ой гармоник частоты модуляции в сигнале детектора [2, 10]. Вариант осуществления, показанный на фиг. 2b, отличается от варианта осуществления, показанного на фиг. 2а, по типу модулятора и способу, посредством которого формируются ортогональные линейно поляризованные световые волны [17]. Вариант осуществления использует модулятор 31 Y-типа LiNbO, такой, как используется в волоконных гироскопах. Предпочтительно волноводы формируются посредством обмена протонами. Далее модулятор также действует как поляризатор, то есть содержит поляризатор 13, показанный в фиг. 2а, Две световые волны объединяются посредством соединителя 33 волокна, сохраняющего поляризацию. 90°-смещение 32 в ориентации главных осей волокна в одном из двух ответвлений волокна между модулятором и соединителем должно объединять эти две световые волны, появляющиеся с параллельными поляризациями от модулятора в световых волнах с ортогональными поляризациями в PM-волокне 11. Более подробная информация приводится в [17] и содержится в описании во всей ее полноте посредством ссылки. Альтернативно, волноводы модулятора могут формироваться посредством прямой диффузии Ti. В этом случае модулятор 31 не поляризует и, как на фиг. 2а, перед модулятором необходим дополнительный поляризатор (не показан на фиг. 2b). Дополнительные варианты осуществления этой схемы датчика раскрываются в документе [19] и содержатся здесь в описании во всей их полноте посредством ссылки.
LB
На масштабный коэффициент конфигураций датчика на фиг. 2а и фиг. 2b обычно влияют линейная длина биений L измерительного spun волокна 17, шаг скрутки p, задержка фазовой пластинки 16, угол θ ориентации измерительного spun волокна 17 (то есть вход измерительного spun волокна) относительно фазовой пластинки 16, длина 1 измерительного spun волокна 17 и спектр источника 10 света. Эти зависимости дополнительно разъясняются далее.
(Примечание. Вычисления, показанные в этом документе, проводятся посредством исчисления Джонса [16], в котором каждый оптический элемент представляется матрицей 2×2. Для численного анализа нижеследующие параметры выбраны исключительно для примера, если не заявлено иное:
-6
-4
-4
-4
LB
LB
LB
V=0.992×10 rad/A dV/VdT=0.7×10/°С N=8 I=11.7 mm dL/LdT=4×10/°C p=2.9 mm p=2.9 mm d∈/∈dT=-2.2×10/°C).
На фиг. 3 показан нормализованный масштабный коэффициент конфигураций датчика, показанных на фиг. 2 (то есть фиг. 2а, 2b), как функция длины измерительного волокна для установленного набора параметра и для двух широкополосных спектров света различной ширины (с формой Гаусса, смотрите фиг. 3a и 3b, соответственно). Это вычисление показывает, что масштабный коэффициент колеблется с периодом половины длины шага. Это является проявлением интерференции между световыми волнами, распространяющимися в двух различных собственных модах spun волокна. (Если длина spun волокна является множителем половины шага скрутки, все световые волны, распространяющиеся в медленном (или быстром) режиме в направлении приходящего света, возвращается после отражения в быстром (или медленном) режиме и, следовательно, при отсутствии приложенного электрического тока все состояния света восстанавливают свою начальную относительную фазу. Однако, если длина волокна произвольна, некоторая доля света распространяется в обоих направлениях в одной и той же моде spun волокна. Интерференция между неизменяемыми световыми волнами ответственна за интерференционные полосы, показанные на фиг. 3a и фиг. 3b.
Когерентность световых волн, распространяющихся в двух различных собственных модах spun волокна, уменьшается с увеличением дальности распространения, то есть с увеличением дифференциальной групповой задержки между этими двумя световыми волнами. Следовательно, как показано на фиг. 3a, 3b, амплитуда наблюдаемых колебаний уменьшается с изменением длины измерительного волокна и становится незначительной, когда задержка между собственными состояниями в измерительном волокне становится намного больше, чем время когерентности используемого света. Сама длина когерентности обратно пропорционально к ширине Δλ спектра источника 10 света. При использовании источника света с шириной спектра (полной шириной на уровне половины от максимума) 40 нм (такие источники света уже широко использовались на предшествующем уровне техники, чтобы уменьшить влияние любых нежелательных эффектов интерференции) и измерительного spun волокна с обоснованными параметрами шага и линейной длины биений, длина в несколько метров достаточна, чтобы полностью подавить колебания. Это условие может быть математически выражено как
,
где λ - центральная длина волны источника 10 света, и Δλ - полная спектральная ширина по половине максимума спектра от источника 10 света (где  и  обозначают среднее число длин волн в линейной длине биений и отношения вращения). Соответственно, в большинстве случаев длина l измерительного волокна может быть выбрана так, чтобы непрактичное определение длины волокна с субмиллиметровой точностью будет ненужным. Математические выражения, приведенные в этом документе, все получены при предположении, что условие  хорошо выполняется.
Если сигнал датчика все еще показывает остаточные колебания с температурой, имеющей амплитуду, например, до 0,2%, математические выражения, полученные далее, представляют все еще приемлемые оценки, пока рассматривается сигнал со сглаженной температурой. Соответственно, мы определяем нормализованный масштабный коэффициент SF' со сглаженной температурой (Т), который получают, применяя низкочастотный фильтр с граничной частотой 1/(20°С) до SF(T). Другими словами, нормализованный масштабный коэффициент SF' со сглаженной температурой определяется как среднее значение неусредненного нормализованного масштабного коэффициента SF.
На фиг. 4 показан масштабный коэффициент как функция линейной длины биений для монохроматического источника света, а также для источника света с шириной 40 нм (FWHM). В случае монохроматического света масштабный коэффициент сильно колеблется в соответствии с длиной биений. Так как длина биений волокна является температурно зависимой, эти колебания будут препятствовать точному измерению тока. При использовании волокна достаточной длины и широкополосного источника света, эти колебания полностью подавляются и масштабный коэффициент для ε=0 почти независим от длины биений. Подавление колебаний является результатом того факта, что в результате групповой задержки в измерительном spun волокне различные моды, вызывающие колебания, становятся некогерентными.
Даже если длина измерительного волокна и используемый источник света выбраны так, чтобы вышеупомянутые колебания масштабного коэффициента были подавлены, выбор θ все еще влияет на масштабный коэффициент при ε≠0, где введенные состояния света имеют конечную эллиптичность и, следовательно, угловую ориентацию. На фиг. 5 показан масштабный коэффициент как функция ε для различных θ. Фактически, можно видеть, что для широкополосного источника света и достаточно длинного измерительного spun волокна зависимость масштабного коэффициента при малых магнитооптических сдвигах фаз (4VNI<<1) может быть аппроксимирована как
(Заметим, что приведенные здесь аналитические результаты являются только лишь аппроксимациями. Вычисления масштабного коэффициента на чертежах, однако, основаны на вычислениях без аппроксимаций).
Температурно зависимыми количествами в этом уравнении являются ε, V и  (то есть  обозначает среднее число длин волн в линейной длине биений и отношении вращения). Параметры ε и θ, однако, могут быть выбраны так, чтобы масштабный коэффициент стал почти независимым от температуры. На фиг. 6а показан соответствующий выбор задержки ε как функции ориентации θ spun волокна, чтобы достигнуть температурной компенсации (например, ∈(θ=-45°) ≈ 19°, ∈(θ=0,90°) ≈ 10° и ∈(θ=45°) ≈ 4°) При соответствующим выборе задержки измерение тока, которое нечувствительно к температуре в пределах 0,1%, может быть проведено в широком температурном диапазоне (смотрите фиг. 6b).
Далее, специальные варианты выбора θ обсуждаются более подробно и дополнительно объясняется зависимость масштабного коэффициента от θ и ε. В случае θ=-45° и θ=45°, уравнение (4) приобретает вид:
.
Для  каждая из собственных мод PM-волокна проецируется на собственные состояния измерительного spun волокна.
Примечание. Для двух собственных мод PM-волокна, обозначенных как HLP и VLP, развитие поляризации света в этом случае происходит по следующей схеме: . Возвращаемая поляризация VLP' (HLP') содержит составляющие компоненты с неменяющейся поляризацией, поскольку задержка туда и обратно фазовой пластинки составляет  и, соответственно, отличается от точной полуволновой задержки, которая дает в результате вращение на 90° (HLP(VLP)→VLP(HLP)). Конфигурация  соответствует датчику, использующему измерительное волокно с низким двойным лучепреломлением с ∈=0, и эффективной постоянной Верде, уменьшенной на коэффициент  (смотрите выше). Во всех других случаях (с четвертьволновой пластинкой, ориентированной с ±45° к PM-волокну), каждое из двух состояний линейного поляризованного света в PM-волокне проецируется на наложение собственных состояний измерительного spun волокна. При θ=0°, 90° наложение содержит как собственные состояния, чтобы уравнять количества, так и для всех характеристик датчика все конкретные особенности измерительного spun волокна с усреднением, и уравнение (4) принимает вид:
.
Это выражение совпадает с выражением для волокна с низким двойным лучепреломлением при отсутствии какого-либо остаточного линейного двойного лучепреломления. Соответственно, выбор θ=0°, 90° позволяет проектировать температурно компенсированный датчик тока без точного знания параметров измерительного spun волокна и их температурных зависимостей. Однако, для θ=±45°, то есть в экстремуме ∈(θ), соответствующий выбор ε наименее чувствителен к небольшим отклонениям θ от его номинального значения (смотрите фиг. 6а).
Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления  равен 0±10°, 45°±10° или 90°±10°, в частности 0±5°, 45°±5° или 90°±5°.
Выбор этих параметров также значительно влияет на нелинейность тока обнаруженного сигнала, которая обсуждается в следующем разделе.
Конфигурация датчика с минимизированной нелинейностью тока
Как уже обсуждалось в предыдущем разделе, развитие различных состояний света в измерительном волокне обычно является очень сложным и линейное соотношение тока-сдвига фаз, приведенное в предыдущем разделе, в большинстве случаев является только приближением.
На фиг. 7а (пунктирные линии) показана зависимость масштабного коэффициента от магнитооптического сдвига фаз для присущей датчику температурно компенсированной конфигурации (смотрите фиг. 6b) и три различные температуры. Присущая датчику температурная компенсация эффективна при магнитооптических сдвигах фаз , но постепенно становится менее эффективной по мере того, как Δφ приближается к 180° в результате нелинейности. Нелинейность зависит от ∈ и, таким образом, меняется в зависимости от температуры, как можно видеть на фиг. 7а.
min
max
min
max
min
max
Примечание. В принципе, ∈ может быть также выбрано так, что полная температурная компенсация достигается, например, при Δφ=90°. Это может быть предпочтительным в случаях, когда номинальный ток соответствует сдвигам фаз этой величины. В этом случае, температурная компенсация является только частной производной при малой Δφ. Следовательно, в более общих чертах и как упомянуто выше в разделе "Раскрытие изобретения", датчик тока разрабатывается так, что температурная компенсация достигается в пределах "номинального диапазона сдвига фаз" [Δφ, Δφ] с шириной, по меньшей мере, 10°, в частности, по меньшей мере, 30°. Этот номинальный диапазон сдвига фаз может быть близок к нулю, например, [0°, 30°], или может быть в диапазоне, далеком от ноля, то есть min(|Δφ|, |Δφ|)≥30°, в частности, min(|Δφ|, |Δφ|)≥60°.
Также, в случае измерительного волокна с низким двойным лучепреломлением, сам по себе масштабный коэффициент меняется в зависимости от сдвига фаз для ∈≠0, тогда как для ∈=0 масштабный коэффициент независим от магнитооптического сдвига фаз (предполагая, что не существует вызванное изгибом двойное лучепреломление волокна) [17]. Эквивалентное поведение достигается в случае spun волокна с высоким двойным лучепреломлением, вводя чистые собственные состояния измерительного волокна (смотрите выше). С этой целью, параметры раскрытой конфигурации датчика устанавливаются равными θ=±45° и  (±5°) и нелинейность тока для обнаруженного сдвига фаз в значительной степени исчезает (смотрите фиг. 7а (сплошные линии) и фиг. 7b). Эта конфигурация датчика предпочтительна, если номинальный ток формирует сдвиги фаз настолько большие, что температурная компенсация через четвертьволновая пластинка становится трудной. В этом случае, температурная компенсация может быть достигнута независимым измерением температуры и коррекцией электронного сигнала.
Датчик с поляриметрическим детектированием
В вариантах осуществления, показанных на фиг. 2, невзаимная фазовая модуляция использовалась, чтобы обнаруживать сдвиг фаз между возвращающимися световыми волнами. В этом разделе описывается датчик, использующий поляриметрическое детектирование.
На фиг. 8 показана предпочтительная конфигурация этого типа датчика. Несколько других типов представлены в документе [11], раскрытие которого содержится в настоящей заявке во всей его полноте посредством ссылки. Деполяризованный свет от широкополосного источника 10 света посылается через одномодовое волокно 28 и первый поляризатор P1 к интегрированному оптическому модулю 22 светоделителя 3×1. Модуль 22 светоделителя имеет первый, второй, третий и четвертый порты 23а, 23b, 23c, 23d. Свет, поступающий от первого порта 23а, делится и распределяется во второй, третий и четвертый порты 23b, 23c, 23d. Свет, поступающий через второй порт 23b, выходит через первый порт 23а. Первый порт 23а и второй порт 23b обычно располагаются между поляризатором P1 и измерительным волокном 17, так что свет от поляризатора P1 входит во второй порт 23b и свет от измерительного волокна 17 входит в первый порт 23a.
Сборочный узел детектора варианта осуществления, показанного на фиг. 8, содержит первый фотодетектор 15а и второй фотодетектор 15b и первый и второй линейные поляризаторы P1 и P2. Первый линейный поляризатор P1 располагается между источником 10 света и вторым портом 23b, а также между третьим портом 23c и первым фотодетектором 15а и он располагается под углом 45° относительно PM-волокна 11. Второй поляризатор P2 располагается между четвертым портом 23d и вторым фотодетектором 15b и располагается под углом -45°, то есть оси поляризации поляризаторов Р1 и Р2 взаимно перпендикулярны.
Стеклянная пластина 24 разделителя располагается в качестве разделителя между первым поляризатором P1 и вторым портом 23b, и четвертьволновая пластинка 25 располагается между первым поляризатором P1 и третьим портом 23c, а также между вторым поляризатором P2 и четвертым портом 23d.
Поляризатор P1 линейно поляризует свет перед тем, как свет попадает во второй порт 23b модуля 22 делителя. На противоположном конце делителя в первом порту 23а линейно поляризованный свет вводится в две линейные собственные моды PM-волокна 11. С этой целью главные оси волокна выравниваются под углом 45° к направлению поляризации поляризатора P1. Фазовая пластинка 16 PM-волокна преобразует две ортогональные волны с линейной поляризацией в световые волны с круговой или почти круговой поляризацией, прежде чем свет попадет в измерительное spun волокно 17 с высоким двойным лучепреломлением. Свет отражается на дальнем конце измерительного spun волокна отражателем 18, проходит обратно через измерительное волокно 17 и преобразуется снова в ортогональные линейно поляризованные световые волны, когда проходит фазовую пластинку 16 во второй раз. Состояния поляризации возвращающихся линейно поляризованных волн меняются местами по сравнению с волнами прямого распространения. Свет, возвращающийся в третий порт 23c, проходит четвертьволновую пластинку 25 и снова поляризатор P1. Свет, возвращающийся в четвертый порт 23d, проходит через ту же самую четвертьволновую пластинку 25 и поляризатор P2. Главные оси четвертьволновой пластинки 25 выравниваются параллельно осям PM-волокна 11. Два одномодовых волокна 26, 27 направляют свет от третьего и четвертого портов 23c, 23d к фотодетекторам 15а, 15b, которые дают в результате интенсивности света, которые, в свою очередь, должны оцениваться средством обработки (не показано) как описано ниже со ссылкой на уравнения (5) и (6).
Примечания.
- Предпочтительно волноводы модуля делителя имеют низкое двойное лучепреломление, чтобы не вносить дополнительные фазовые изменения и не изменять состояние поляризации света.
- Предпочтительно главные оси PM-волокна 11 параллельны и перпендикулярны к нормали чипа модуля 22 светоделителя, то есть поляризаторы P1 и P2 расположены под углом ±45° к нормали делителя.
- В другой предпочтительной ориентации главные оси PM-волокна 11 расположены под углом 45° к нормали чипа модуля 22 светоделителя, то есть поляризаторы P1 и P2 расположены под углом 0° и 90°, соответственно, или под углом 90° и 0°, соответственно, к нормали чипа модуля 22 светоделителя.
- Предпочтительно свет деполяризуется волоконными деполяризаторами (не показаны) после прохождения поляризаторов P1 и P2 на обратном пути и перед тем, как попадает в одномодовые волокна 26, 27.
- По практическим причинам (малый промежуток между портами) поляризатор P1 является общим поляризатором для второго и третьего портов 23b, 23c. Альтернативно, могут использоваться два отдельных поляризатора. Точно также, четвертьволновая пластинка 25 является общей для третьего и четвертого портов 23c, 23d.
- Снова по практическим причинам, пассивная четвертьволновая пластинка или, как упоминалось, стеклянная пластина 24, действует в качестве разделителя между вторым портом 23b и поляризатором P1. ("Пассивная четвертьволновая пластинка" является фазовой пластинкой, у которой одна из его главных осей параллельна направлению поляризации поляризатора P1.)
- Расстояние между лицевой стороной интегрированного модуля светоделителя и одномодовыми волокнами должно быть малым, чтобы минимизировать вносимые потери. Поэтому поляризаторы P1 и P2 предпочтительно являются тонкопленочными поляризаторами и четвертьволновая пластинка является устройством нулевого порядка.
- Предпочтительно деполяризаторы являются волоконными деполяризаторами Лио, состоящими из двух секций сохраняющего поляризацию волокна с их главными осями, выровненными под углом 45° друг к другу, и отношением длин волоконных секций 2:1.
- Вместо одномодовых волокон 26, 27 могут использоваться два многомодовых волокна.
- Как альтернатива вышеупомянутым ориентациям, оси фазовой пластинки 25 могут выравниваться под углом 45° к осям PM-волокна 11 и поляризаторы в портах 23c, 23d могут выравниваться под углами +45° и -45° к быстрой оси фазовой пластинки 25.
Четвертьволновая пластинка 15, показанная на фиг. 8, вводит 90-градусный сдвиг фаз между ортогональными возвращающимися волнами. Мощность света, обнаруженная на двух фотодиодах, в случае измерительного волокна с низким двойным лучепреломлением без линейного двойного лучепреломления и с 90-градусной фазовой пластинкой определяется как
0
Здесь, S является интенсивностью света, обнаруженной двумя фотодетекторами при отсутствии приложенного электрического тока. Значение Δφ опять означает магнитооптический сдвиг фаз, который может соответственно быть получен из обнаруженных мощностей света следующим образом:
b
Примечание. Так как оптическая цепь схем поляриметрического детектирования отличается от оптических цепей активно модулируемых схем, полученный магнитооптический сдвиг фаз Δφ при заданном токе I обычно отличается для различных вариантов осуществления датчика (в частности, в случаях с ∈≠0 и/или δ≠0).
Если фазовая пластинка отклоняется от 90° на величину ∈, нормализованный масштабный коэффициент меняется по закону ~ cos ∈ при низких токах. Благодаря температурной зависимости задержки, регулировка ∈ позволяет внутреннюю компенсацию температурной зависимости постоянной Верде подобно конфигурации датчика, использующей схему обнаружения с активной модуляцией, как описано выше. При использовании измерительного spun волокна с высоким двойным лучепреломлением масштабный коэффициент зависит также от линейной длины биений, ее температурной зависимости, шага скрутки, угловой ориентации измерительного spun волокна (то есть входа волокна) относительно осей фазовой пластинки, и вызванного изгибом двойного лучепреломления. Кроме того, для заданной длины когерентности источника света длины секций PM-волокна и измерительного spun волокна предпочтительно должным образом подбираются для получения стабильного сигнала. Далее мы раскрываем, как свойственная датчику температурная компенсация может быть достигнута для конфигурации датчика, показанной на фиг. 8, используя измерительное spun волокно с высоким двойным лучепреломлением. Примечание: термин "линейная длина биений" снова означает длину биений, которую может иметь соответствующее не spun волокно.
Как в случае описанной выше конфигурации модулятора, резко выраженные колебания масштабного коэффициента как функция длины волокна и линейной длины биений может быть подавлена, выбирая широкополосный источник света и волокно с достаточной длиной, чтобы достигнуть требуемой точности. Масштабный коэффициент опять колеблется как функция длины измерительного spun волокна с периодом, равным половине шага скрутки. Амплитуда этих колебаний уменьшается с длиной измерительного волокна, как в случае установки модулятора, и может соответственно подавляться до требуемой точности, выбирая соответствующую длину измерительного волокна. Однако, дальнейшие вычисления показывают, что зависимые от длины изменения масштабного коэффициента сохраняются при длине измерительного волокна, большей, чем в случае датчика с активной фазовой модуляцией. Соответственно, мы выбираем для последующих вычислений основную конфигурацию датчика с N=16 витков волокна вместо 8 витков, как было выше (в обоих случаях используется диаметр считывающей катушки 170 мм, при котором для типичных параметров измерительного spun волокна двойным лучепреломлением, вызванным изгибом, можно полностью пренебречь). Кроме этого, все параметры являются такими же, как и выше. Однако, все заявленные признаки этой конфигурации датчика могут также быть реализованы в случае более короткого измерительного волокна, но точные результаты для масштабного коэффициента и т.д. могут несколько зависеть от длины волокна.
В случае конечной перекрестной связи между двумя собственными модами секции PM-волокна между четвертьволновой пластинкой и делителем, могут возникать возмущающие эффекты интерференции. Эти эффекты могут быть значительно уменьшены соответствующим выбором длины PM-волокна 11.
На фиг. 9 показан масштабный коэффициент конфигурации датчика, показанной на фиг. 8, для определенного набора параметров как функция линейной длины биений. В отличии от соответствующих датчиков с активной фазовой модуляцией, значительное уменьшение масштабного коэффициента наблюдается в направлении малых длин биений.
Можно видеть, что масштабный коэффициент при малых токах и при достаточно длинном измерительном spun волокне и θ=±45° определяется выражением:
тогда как соответствующее выражение для считываний при θ=0°, 90° имеет вид
Здесь,  обозначает усредненное отношение длин волн линейной длины биений для шага скрутки. Просим заметить, что для ∈=0 выражения для уравнений (7) и (8) совпадают. Дополнительно, на фиг. 10 показан масштабный коэффициент как функция ∈=0 для различных угловых ориентаций измерительного spun волокна относительно осей PM-волокна. Эти зависимости могут пониматься аналогично приведенному выше обсуждению для конфигурации датчика с активной фазовой модуляцией. При ∈=0 масштабный коэффициент почти независим от угловой ориентации, если измерительное spun волокно достаточно длинное и поэтому три кривые пересекаются в точке ∈=0. В отличии от случая активной модуляции, масштабный коэффициент для всех вариантов θ зависит от параметров измерительного spun волокна (смотрите уравнения (7) и (8)), в том числе, от длины биений. Соответственно, температурная компенсация датчика во всех случаях требует не только компенсировать температурную зависимость постоянной Верде, но также и одну из . Снова это делается адекватным выбором параметров фазовой пластинки. Для всех наборов параметров измерительного spun волокна ∈ может выбираться так, чтобы масштабный коэффициент стал независимым от температуры. На фиг. 11а показан соответствующий выбор ∈(θ), чтобы достигнуть температурной компенсации для примерного набора параметров, тогда как на фиг. 11b показана зависимость масштабного коэффициента от температуры для соответствующего датчика с θ=0° 90° и ∈≈-19°. Очевидно, что масштабный коэффициент, по существу, не зависит от температуры.
Датчик с поляриметрическим детектированием и фарадеевским вращателем
Альтернативные конфигурации варианта осуществления, показанного на фиг. 8, используют фарадеевский вращатель, чтобы ввести необходимое фазовое смещение для оптимизации реакции датчика на ток. Как и в предыдущем случае, температурная зависимость дополнительной фазовой пластинки используется для компенсации температурной зависимости измерительного spun волокна. Снова, как в ранее раскрытых конфигурациях датчика, использующих измерительное spun волокно, измерительное spun волокно должен быть выбран достаточно длинным для заданной ширины спектра используемого источника света, так чтобы колебания масштабного коэффициента с длиной биений были в пределах требуемого предела точности.
На фиг. 12 показана установка, соответствующая раскрытой конфигурации. Свет формируется источником 10 света, поляризуется поляризационным светоделителем 29 (который действует как "первый поляризатор" в смысле пунктов формулы изобретения) и вводится в одну моду PM-волокна 11, то есть PM-волокно 11 имеет ориентацию 0° или 90° относительно направления поляризации поляризационного светоделителя 29. Свет из PM-волокна 11, который линейно поляризован, входит в (расстроенную) полуволновую фазовую пластинку 16, причем свет, входящий в фазовую пластинку 16 из PM-волокна 11, поляризован под углом 45° к главным осям фазовой пластинки. Он проходит фазовую пластинку 16 и подается в измерительное spun волокно 17 с высоким двойным лучепреломлением. Затем свет проходит зеркало 30 фарадеевского вращателя, которое имеет сдвиг фаз 45° при одном проходе, что соответствует углу вращения α=22,5° при одном проходе. От зеркала 30 свет проходит обратно через измерительное волокно 17, фазовую пластинку 16 и PM-волокно 11. В поляризационном светоделителе 29 свет разделяется на лучи с двумя ортогональными поляризациями, которые посылаются на первый фотодетектор 15а и второй фотодетектор 15b, соответственно.
В случае измерительного волокна с низким двойным лучепреломлением линейно поляризованный свет в измерительном волокне получает фарадеевское вращение (учитывая вклад, вносимый зеркалом) 2NVI+45°=Δφ/2+45°, где Δφ=4NVI обозначает магнитооптический сдвиг фаз. Поляризационный светоделитель проецирует возвращающийся повернутый свет на два ортогональных состояния с линейной поляризацией, мощность света которых измеряется двумя фотодетекторами 15а, 15b. Если для фазовой пластинки установлена точная задержка на полволны, сигнал на фотодетекторах описывается выражениями
Как и в предыдущих вариантах осуществления, как описано выше, при ссылке на уравнения (5) и (6) магнитооптический сдвиг фаз Δφ=4NVI может соответственно быть получен от обнаруженных сигналов мощности света следующим образом:
Оптимальное угловое смещение зеркалом вращения равно 2α=45°, что достигается зеркалом вращения 22,5° (одиночный проход). Тем не менее, благодаря температурной зависимости зеркала вращения, угловое смещение обычно является функцией температуры α(T).
При использовании spun волокна с высоким двойным лучепреломлением в качестве измерительного волокна 17, на масштабный коэффициент оказывает влияние выбор θ. Для θ=±45° масштабный коэффициент при малых токах определяется выражением
тогда как соответствующее выражение для θ=0°, 90° имеет вид:
Соответственно, установка θ на 0°, 90° снова предпочтительна, поскольку при этом значительно уменьшается зависимость масштабного коэффициента от температурно-зависимой длины биений измерительного spun волокна (смотрите фиг. 13). Однако, общая температурная зависимость масштабного коэффициента в этой конфигурации датчика содержит несколько составляющих от индивидуальных компонент, которые, без фазовой пластинки 16 могут не регулироваться, чтобы, по существу, компенсировать друг друга, таких как: температурная зависимость второго порядка за счет зеркала фарадеевского вращения, линейное изменение масштабного коэффициента из-за изменения постоянной Верде от температуры, и хотя и минимизированное изменение масштабного коэффициента из-за изменения длины биений измерительного spun волокна от температуры. Эти зависимые от температуры изменения масштабного коэффициента могли компенсироваться во время обработки сигналов, извлекая температуру, например, из результатов измерения смещения постоянного тока. В другом варианте осуществления немного расстроенная полуволновая фазовая пластинка 16 в месте соединителя между PM-волокном 11 и измерительным spun волокном 17 с высоким двойным лучепреломлением используется, чтобы компенсировать такие температурные зависимости. Фазовая пластинка 16 представляет дополнительный температурно зависимый компонент, задержка которого может регулироваться, чтобы компенсировать температурную зависимость, вызванную изменением постоянной Верде и длины биений измерительного spun волокна. Что касается минимизированной зависимости масштабного коэффициента от длины биений, то конфигурация с θ=0°, 90° является предпочтительной. Чтобы достигнуть температурной компенсации для 0=0°, 90°, задержка должна быть установлена на немного меньшие значения, чем 180°. Для θ=±45° соответствующие значения задержки смещаются на , как ранее, в случае конфигураций датчика, использующих измерительное spun волокно.
Угол между главными осями PM-волокна 11 и главными осями фазовой пластинки 16 в варианте осуществления, показанном на фиг. 14, равен 45°, то есть угол между направлением поляризации света, выходящего из поляризующего светоделителя 29 в направлении измерительного волокна 17, и главными осями фазовой пластинки 16 равен 0° и 90°, соответственно.
Далее мы раскрываем дополнительные конфигурации датчика, использующие зеркало с фарадеевским вращением. Основное отличие от предыдущей конфигурации (фиг. 12) следует из того факта, что PM-волокно 11 ориентируется под углом 45° относительно осей поляризационного светоделителя, как показано на фиг. 14. Соответственно, свет вводится в две собственные моды секции 11 PM-волокна и четвертьволновая пластинка 16 используется, чтобы проецировать линейно поляризованные состояния на два ортогональных и, в целом, эллиптических состояния света в измерительном spun волокне 17. Четвертьволновая пластинка 16 снова регулируется, так чтобы ее температурная зависимость уравновешивала температурную зависимость постоянной Верде и другие температурно зависимые составляющие, являющиеся результатом использования измерительного spun волокна с высоким двойным лучепреломлением.
Масштабный коэффициент может быть получен как в предыдущих случаях. Для θ=±45° масштабный коэффициент становится приблизительно равным:
в то время как соответствующее выражение для θ=0°, 90° выглядит следующим образом
Просим заметить, что для ∈=0 уравнения (13) и (14) совпадают. Соответствующие кривые показаны на фиг. 15а и 15b. Как и в ранее обсуждавшихся конфигурациях, используя четвертьволновую пластинку, можно регулировать ∈ в зависимости от θ, чтобы достигнуть соответствующей температурной компенсации масштабного коэффициента из-за температурно зависимых составляющих постоянной Верде и линейной длины биений.
Так как зависимость масштабного коэффициента от ∈ задается падающими открытыми параболами (смотрите фиг. 15b), ∈ не может, однако, регулироваться, чтобы, по существу, компенсировать температурную зависимость масштабного коэффициента второго порядка, поскольку любое изменение из-за фарадеевского вращения на 22,5° в одиночном проходе приводит в результате к уменьшению чувствительности датчика, то есть также к падению масштабного коэффициента. Однако, при использовании расстроенной полуволновой фазовой пластинки 16 вместо четвертьволновой пластинки 16, то есть устанавливая ∈'=∈-90°, уравнения (13, 14) принимают вид:
Угол между главными осями PM-волокна 11 и главными осями PBS 29 в этом случае все еще равен 45°, то есть угол между направлением поляризации света, выходящего из поляризующего светоделителя 29 в направлении измерительного волокна 17, и главными осями фазовой пластинки 16, равен 0° и 90°, соответственно.
Знак "минус" перед косинусом приводит в результате к направленным вверх открытым параболам и, соответственно, полуволновая задержка позволяет собственную компенсацию температурной зависимости второго порядка масштабного коэффициента в результате температурной зависимости зеркала фарадеевского вращения, однако, за счет масштабного коэффициента, уменьшенного примерно в два раза.
Примечания
В представленных вариантах осуществления угол между главными осями четвертьволновой или полуволновой фазовой пластинки и PM-волокна устанавливается равным 45°. Если этот угол отличается от 45°, длина фазовой пластинки и/или угловая ориентация spun волокна должны соответственно адаптироваться, чтобы достигнуть тех же самых характеристик датчика.
Фактический вариант осуществления раскрытого изобретения может использовать, например, волокно с эллиптической центральной жилой для четвертьволновой пластинки, которое предпочтительно, благодаря относительно низкой температурной зависимости. Если, например, для компенсации необходима более сильная или более слабая температурная зависимость фазовой пластинки, фазовая пластинка может альтернативно быть изготовлена из волокна типа Panda, Bow-Tie, или микроструктурированного сохраняющего поляризацию волокна. В принципе, QWR может изготавливаться из любого "типа PM-волокна. Другой альтернативой является изготовление QWR из spun волокна с переменной длиной шага [18].
Длина spun волокна 17 и длина пути от поляризатора (13, P1, P2, 29) (или поляризационного модулятора 31) к фазовой пластинке 16 выбираются так, что паразитные световые волны, которые могут формироваться за счет модальной перекрестной связи вдоль этой траектории, накапливают дифференциальные групповые задержки таким образом, что они некогерентны, когда возвращаются к поляризатору (или поляризационному модулятору). Математически, это правило проектирования может быть выражено следующим образом: Все участвующие длины волокон должны выбираться так, чтобы
i
для всех возможных комбинаций y=-2,-1,0,1,2, где индекс i обозначает оптические траектории i между двумя точками перекрестной связи оптической цепи и . является дифференциальной модальной групповой задержкой оптической траектории i, по меньшей мере с такой одной оптической траекторией k, что . Точка перекрестной связи является точкой, где собственные моды первой оптической траектории не связываются друг с другом в собственные моды второй оптической траектории, присоединенной к первой оптической траектории. Например, точка перекрестной связи может задаваться соединителем волокон, фазовой пластинкой, зеркалом или волоконным приспособлением в интегральном оптическом чипе. Длина фазовой пластинки 16 может также быть выбрана таким образом, чтобы соответствующий сдвиг фаз был близок к 90°+n×180°, если фазовая пластинка 16 является расстроенной четвертьволновой пластинкой (то есть во всех вариантах осуществления, кроме показанного на фиг. 12), или n×180°, если фазовая пластинка 16 является расстроенной полуволновой фазовой пластинкой (то есть вариантом осуществления, показанным на фиг. 12 или фиг. 14), где n - положительное целое число. Это особенно предпочтительно, чтобы увеличить температурную зависимость задержки.
В случае установок фарадеевских вращателей угол вращения, при одиночном проходе, отклоняющийся от 22,5°, может быть выбран так, чтобы результирующая температурная зависимость первого порядка масштабного коэффициента уравновешивала другие составляющие общей температурной зависимости. Как правило, фарадеевский вращатель готовится, чтобы иметь для центральной длины волны источника 10 света, вращение 22,5°+j⋅45°±10°, в частности, 22,5°+j⋅45°±5°, где j - целое число, в том числе 0.
Вместо зеркала 30 фарадеевского вращения на конце измерительного волокна 17, в любом положении между концом волокна и фазовой пластинкой может использоваться передающий фарадеевский вращатель, отдельный от зеркала. Предпочтительные параметры датчика могут в этом случае немного отличаться.
Фактический тип измерительного spun волокна, который используется для раскрытого изобретения, может выбираться свободно. Микроструктурированные волокна или spun волокна с эллиптической центральной жилой могут быть предпочтительны, благодаря их низкой температурной зависимости. Однако изобретение одинаково применимо к spun волокнам типа Panda или Bow-Tie и предоставляет присущую им температурную компенсацию даже для spun волокон с сильно зависящим от температуры двойным лучепреломлением.
Как уже сказано, схема обнаружения, представленная на фиг. 2, может быть модифицирована: например, может использоваться схема обнаружения с разомкнутым контуром или электрооптический модулятор может быть заменен магнитооптическим или пьезоэлектрическим модуляторами [2]. Точно также, поляриметрические схемы детектирования (например, как показано на фиг. 8) могут быть различными.
Устройства, описанные выше, объединяют преимущества spun волокна с высоким двойным лучепреломлением, а именно, простой сборочный узел катушки (не требуется удаление покрытия, не требуется никакое размещение голого кремниевого волокна в стеклянном капилляре, широкий диапазон возможных диаметров катушки волокна (от нескольких сантиметров до нескольких метров) и отсутствие ограничения числа витков волокна (давая, таким образом, высокую разрешающую способность по току) при низкой собственной температурной зависимости.
Следует заметить, что вместо использования PM-волокна 11 свет от поляризатора и светоделителя может также напрямую подаваться в фазовую пластинку.
Фазовая пластинка 16 обычно путем сращивания соединителя с измерительным волокном. В зависимости от типа машины для сращивания (устройства соединения нитей или устройства соединения с плавлением дугой), типа волокна, и настроек устройства соединения (тепловая энергия и длительность), процесс соединения может изменять свойства spun волокна вблизи места соединения. В результате, эффективная угловая ориентация θ spun волокна относительно осей фазовой пластинки может немного изменяться во время процесса. Раскрытая здесь концепция температурной компенсации все еще возможна за счет соответствующей адаптации ∈, В этом случае, θ=±45° предпочтительно, так как здесь оптимальный выбор задержки ∈ наименее чувствителен к θ (смотрите, например, фиг. 6а). Альтернативно, углу θ может быть дано соответствующее смещение, которое компенсирует эффект процесса соединения. Кроме того, чтобы уменьшить этот эффект, процедура соединения и используемые типы волокон могут быть оптимизированы.
Датчики, соответствующие этому раскрытию, пригодны для измерений как на переменном токе, так и на постоянном токе.
Технология приспосабливает механизм собственной температурной компенсации, который был известен на предшествующем уровне техники для измерительных волокон с низким двойным лучепреломлением, к случаю измерительных волокон с высоким двойным лучепреломлением. Кроме того, раскрывается конфигурация датчика, который оптимизируется для минимизированной нелинейности тока, то есть для больших электрических токов.
Параметры spun волокна, фазовой пластинки волны на входе в spun волокно и источника света могут быть выбраны так, что температурная зависимость и/или нелинейность датчика минимизируются. Эти параметры содержат линейную длину биений, шаг скрутки и модальную групповую задержку spun волокна, фазовую задержку и ориентации главных осей фазовой пластинки относительно осей spun волокна и длину когерентности источника света.
Раскрытая конфигурация датчика может быть предпочтительно разработана в соответствии со следующей стратегией:
- выбирается минимальная длина spun волокна относительно спектральной ширины источника света;
- длина фазовой пластинки и ориентация фазовой пластинки относительно осей spun волокна регулируются в зависимости от параметров spun волокна, так чтобы температурная зависимость или нелинейность тока датчика были минимизированы.
Литература
[1] G. Frosio and R. Dändliker, Reciprocal reflection interferometer for a fiber-optic Faraday effect current sensor, Appl. Opt. 33, 6111 (1994).
[2] K. Bohnert, P. Gabus, J. Nehring, and H. Brändle, "Temperature and vibration insensitive fiber-optic current sensor", J. Lightwave Technology 20, 267 (2002).
[3] D. Tang, A.H. Rose, G.W. Day, and S.M. Etzel, "Annealing of linear birefringence in single-mode fiber coils: applications to optical fiber current sensors", J. Lightwave Technology 9, 1031 (1991).
[4] EP 1512981 A1.
[5] EP 2306212.
[6] R.I. Laming and D.N. Payne, Electric current sensors employing spun highly birefringent optical fibers, J. Lightwave Technology 7, 2084 (1989).
[7] I.G. Clarke, Temperature-stable spun elliptical-core optical-fiber current transducer, Opt. Lett. 18, 158 (1993).
[8] A. Michie et al., Spun elliptically birefringent photonic crystal fibre, Opt. Expr. 15, 1811 (2007).
[9] DE 10000306.
[10] "The fiber-optic gyroscope", Herve Lefevre, Artech House, Boston, London, 1993.
[11] WO 2007/121592.
[12] F. Briffod et al., Polarimetric current sensor using in-line Faraday rotator, IEICE Trans. Electron. Vol. E83-C, 331 (2000).
[13] K. Kurosawa et al., Flexible fiber Faraday effect current sensor using flint glass fiber and reflection scheme, IEICE Trans. Electron. Vol. E83-C, 326 (2000) and Optical Fibre Sensors Conference 13, 1999 April 12-16, 1999, Kyongju, Korea.
[14] J.R. Qian, Q. Guo, and L. Li, Spun linear birefringence fibres and their sensing mechanism in current sensors with temperature compensation, IEE Proc. Optoelectronics 141, 357 (1994).
[15] R. Dändliker, Rotational Effects of Polarization in Optical Fibers. In: Anisotropic and Nonlinear Optical Waveguides, C.G. Someda and G. Stegman (Eds.), Elsevier (1992).
[16] R.C. Jones, A new calculus for the treatment of optical systems, J. Opt. Soc. Am. 31, 48 (1941).
[17] K. Bohnert et al., Fiber-Optic Current Sensor for Electrowinning of Metals, J. Lightwave Technology 25, 3602 (2007).
[18] H. Huang, Fiber optic analogs of bulk-optic waveplates. Appl. Opt. 36, 4241 (1997).
[19] EP 1154278 A2.
[20] WO 95/23977 A1.
[21] 2011/069558 A1.
Перечень ссылочных позиций:
10 Источник света
11 Волокно, сохраняющее поляризацию
12 Соединитель с углом 45°
13 Линейный поляризатор
14 Фазовый модулятор
15 Фотодетектор
16 Фазовая пластинка
17 Измерительное волокно, измерительное spun волокно
18 Отражатель.
19 Катушка
20 Проводник тока
21 Блок управления
22 Модуль светоделителя
23a-23d Порты
24 Стеклянный разделитель
25 Четвертьволновая пластинка
26-28 Одномодовые волокна
29 Поляризационный светоделитель
30 Вращатель на 22,5°/зеркало
31 Y-модулятор
32 Смещение на 90°
33 Волоконный соединитель, сохраняющий поляризацию
P1, P2 Поляризаторы
Rs Медленная ось устройство задержки
Fs Медленная ось входного конца измерительного волокна
Ff Быстрая ось входного конца измерительного волокна