СЕНСОРНОЕ УСТРОЙСТВО СО ВСТРОЕННЫМ РАСЩЕПИТЕЛЕМ ЛУЧА Российский патент 2020 года по МПК G01R15/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к оптическому сенсорному устройству, имеющему расщепитель луча с интегрированной оптикой, например, такому, который используется для измерения тока и напряжения в цепях высокого напряжения.

Уровень техники

Важный класс оптических датчиков основывается на отправке зондирующего светового луча в головку датчика, где две поляризованные компоненты светового луча подвергаются фазовому сдвигу в зависимости от измеряемого параметра (измеряемой величины “measurand”). Поляризованные компоненты отражённого света затем анализируются на предмет их взаимного фазового сдвига.

Некоторые варианты волоконно-оптических датчиков тока, в качестве одного из примеров таких датчиков, например, для использования на высоковольтных подстанциях, обычно используют эффект Фарадея в оптическом волокне [1, 2]. Оптическое волокно наматывается в виде одной или нескольких петель вокруг проводника тока. Магнитное поле тока вводит дифференциальный фазовый сдвиг между поляризованными световыми волнами с круговой левой и правой поляризацией, распространяющимися через оптическое волокно. Существуют различные технологии измерения магнитооптического фазового сдвига. Как правило, высокоэффективные датчики тока используют интерферометрическую технологию, основанную на невзаимной фазовой модуляции, что также известно из оптоволоконных гироскопов [2–4]. Этот способ является сложным и требует дорогостоящих компонентов, в частности встроенного оптического модулятора и поляризационно-стабилизированного волокна (PMF). В более простых схемах поляриметрического обнаружения используются пассивные оптические компоненты, такие как комбинации поляризаторов и волновых пластин [5, 6] или поляризаторов и вращателей Фарадея [7, 8], которые преобразуют магнитооптический фазовый сдвиг в изменение передаваемой оптической мощности. В этом случае волновые пластины (или вращатели) вводят смещение фазы на 90° (или, что эквивалентно, повороту плоскости поляризации на 45°) между световыми волнами, оказывающими взаимное вредное влияние. В этом случае рабочая точка датчика (смещение фазы при нулевом токе) находится в линейном диапазоне функции синусоидального отклика датчика. Часто такие датчики работают с двумя каналами обнаружения. Оптическая мощность в двух каналах изменяется с противоположной фазой в ответ на приложенный ток. Разница двух сигналов, делённая на их сумму, пропорциональна току и не зависит от мощности источника.

В документе WO2007/121592 раскрывается датчик, в котором магнитооптический фазовый сдвиг преобразуется в два сигнала противофазного датчика посредством комбинации интегрально-оптического расщепителя луча, четвертьволновой фазовой пластинки и пластинок поляризатора [5].

В документе WO 2015/090448 раскрываются конкретные способы обработки сигналов для такого датчика [6], а фиг. 1 показывает конфигурацию такого датчика.

Устройство, показанное на фиг. 1, содержит блок электроники датчика или блок 1 оптоэлектроники и головку 2 датчика, подключенную оптическими волокнами 3. В блоке 1 электроники датчика свет от широкополосного источника 4 света деполяризуется и передаётся через одномодовое оптическое волокно SMF1 на расщепитель 5 луча 1 × 3. Поляризатор P1 поляризует свет, затем свет передаётся через промежуточную вставку 7 от первой грани в световод расщепителя 8 луча с интегральной оптикой. Предпочтительно, направление поляризации поляризатора P1 составляет угол 45° по отношению к нормали поверхности расщепителя 8 луча.

На противоположной второй грани расщепителя 8 луча свет передаётся в вывод 9 из оптического волокна, сохраняющего поляризацию проходящего излучения (PMF). Главные оси оптических волокон параллельны и перпендикулярны нормали к поверхности расщепителя 8 луча, т.е. расположены под углом 45° к направлению поляризации поляризатора P1, в результате чего возбуждаются обе ортогональные поляризованные моды оптического волокна PMF.

Свет из оптического вывода 9 оптического волокна PMF, передаётся через волоконный замедлитель 10 перед тем, как он попадает в измерительное оптическое волокно 11. Измерительное оптическое волокно 11 образует виток вокруг проводника 12 тока. Замедлитель 10 преобразует ортогональные линейно поляризованные световые волны, выходящие из PMF, в поляризованные волны с круговой левой и правой поляризацией. Свет отражается от отражающего покрытия, то есть отражателя 13, на дальнем конце измерительного оптического волокна 12, а затем проходит измерительное оптическое волокно 12 во второй раз. После отражения состояния поляризации двух световых волн меняются местами, то есть свет с левым круговым вращением становится с правым круговым вращением, и наоборот. Замедлитель 10 преобразует отражённые круговые волны обратно в ортогональные линейные волны. Возвращающиеся ортогональные волны имеют магнитооптический фазовый сдвиг Δφ в результате эффекта Фарадея (см. уравнение 3 ниже).

В расщепителе 8 луча отражённый свет разделяется на первый и второй детекторные каналы. Четвертьволновая фазовая пластинка QWR на первой грани вводит дифференциальную фазовую задержку 90° (фазовое смещение) между ортогональными волнами двух каналов. Главные оси пластины QWR ориентированы параллельно осям вывода 9 из оптического волокна PMF и под углом 45° к поляризатору P1. Ортогональные волны первого канала создают помехи в поляризаторе P1 (который является общим для канала источника света и канала 1 детектора). Ортогональные волны второго канала создают помехи на поляризаторе P2. Направление поляризации поляризатора P2 находится под углом 90° к направлению поляризатора P1. Затем два одномодовых оптических волокна (SMF 2 и SMF 3) обычно направляют свет двух каналов на фотоприёмники PD1 и PD2 в блоке 1 электроники датчика.

На практике установлено, что конструкция, показанная фиг. 1, демонстрирует определённую степень температурной зависимости и нестабильности сигнала. Такая нестабильность может помешать достижению датчиком заданной точности класса измерений. Варианты применения при высоком напряжении часто требуют точности в пределах ± 0,2% в расширенном температурном диапазоне, например, от -40° до 85° С [9].

Сущность изобретения

Следовательно, проблема, которая должна быть решена с помощью настоящего изобретения, заключается в создании устройства описанного выше типа, которое показывает улучшенную точность.

В первом аспекте изобретения вышеуказанная проблема решается с помощью оптического сенсорного устройства, которое содержит следующие компоненты:

- Источник света: этот источник света генерирует свет, с помощью которого проводится измерение.

- Первое оптическое волокно: свет от источника света передаётся в это первое оптическое волокно.

- Расщепитель луча с интегрированной оптикой: расщепитель луча имеет по меньшей мере один порт на стороне оптоэлектроники, по меньшей мере один первый и по меньшей мере один выходной порт на стороне оптоэлектроники и по меньшей мере один порт на измерительной стороне. Свет, поступающий во входной порт на стороне оптоэлектроники, по меньшей мере, частично передаётся в порт на измерительной стороне, а свет, поступающий в порт на измерительной стороне, разделяется, по меньшей мере, частично на выходных портах на стороне оптоэлектроники. Первое оптическое волокно расположено таким образом, чтобы передавать свет во входной порт на стороне оптоэлектроники.

- Измерительный элемент, у которого (например, круговое и/или линейное) двойное лучепреломление изменяется в зависимости от измеряемой величины. Измерительный элемент расположен таким образом, что свет от порта на измерительной стороне расщепителя луча входит в измерительный элемент, отражается и входит назад в порт на измерительной стороне, так что расщепитель луча может по меньшей мере частично разделить его между выходными портами на стороне оптоэлектроники.

- Расщепитель луча с интегрированной оптикой: свет из указанного первого оптического волокна входит во входной порт на стороне оптоэлектроники расщепителя луча.

- По меньшей мере второе оптическое волокно и третье оптическое волокно: свет из первого и второго выходных портов на стороне оптоэлектроники соответственно входит во второе и третье оптические волокна,

- Фотодетекторы, измеряющие свет, выходящий из второго и третьего оптических волокон.

Расщепитель луча содержит:

а) несколько световодных секций, а также расщепляющих луч разветвлений, расположенных в плоскости световода, и

b) первую и вторую грани на противоположных сторонах расщепителя луча, причём входной порт на стороне оптоэлектроники и выходные порты на стороне оптоэлектроники расположены на упомянутой первой грани, а порт на измерительной стороне расположен на упомянутой второй грани.

Кроме того, в направлении Y, параллельном первой грани, указанный порт на измерительной стороне смещен на ненулевое минимальное смещение «порт-порт» относительно всех входных портов на стороне оптоэлектроники, в частности, относительно всех входных портов на стороне оптоэлектроники, а также относительно первого и второго выходных портов на стороне оптоэлектроники, в частности относительно всех выходных портов на стороне оптоэлектроники.

Эта конструкция основана на понимании того, что рассеянный свет возникает на входном порте на стороне оптоэлектроники, а также на порте на измерительной стороне, когда свет входит через любой из этих портов в расщепитель луча. Рассеянный свет имеет тенденцию распространяться в виде сравнительно узкого светового поля через расщепитель луча в направлении к противоположной грани, где он может повторно попадать в сигнальный тракт, если он достигает места расположения портов на измерительной стороне или одного из портов на стороне оптоэлектроники. Такой повторный ввод приводит к нежелательной нестабильности сигнала и неожиданным эффектам в измерениях. Благодаря смещению портов, как заявлено в формуле изобретения, повторного ввода света можно избежать.

Предпочтительно, порт на измерительной стороне смещен вдоль направления Y на ненулевое минимальное смещение «разветвление-порт» относительно любого световодного разветвления, которое пропускает свет от входного порта на стороне оптоэлектроники по своему пути к порту на измерительной стороне. На этих разветвлениях возникает рассеянный свет, распространяющийся в направлении ко второй грани. Посредством такого смещения порта на измерительной стороне можно избежать повторного ввода рассеянного света.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, указанные первый и второй выходные порты на стороне оптоэлектроники, в частности, все выходные порты на стороне оптоэлектроники, смещены вдоль направления Y на ненулевое минимальное смещение «разветвление-порт» относительно любого разветвления, в которое свет от порта на измерительной стороне проходит по пути к любому из входных или выходных портов на стороне оптоэлектроники. В этих разветвлениях генерируется рассеянный свет, распространяющийся в направлении первой грани. Посредством такого смещения портов на стороне оптоэлектроники, можно избежать повторного ввода рассеянного света. Кроме того, также исключается повторный ввод света, рассеянного во входном порте на стороне оптоэлектроники, в месте разветвления.

Во втором аспекте изобретения приведённая выше проблема решается с помощью оптического интерферометрического сенсорного устройства, которое содержит следующие компоненты:

- Источник света: этот источник света генерирует свет, с помощью которого проводится измерение.

- Первое оптическое волокно: свет от источника света передаётся в это первое оптическое волокно.

- Расщепитель луча с интегрированной оптикой: расщепитель луча имеет входной порт на стороне оптоэлектроники, по меньшей мере первый и второй выходные порты на стороне оптоэлектроники и по меньшей мере один порт на измерительной стороне. Свет, поступающий во входной порт на стороне оптоэлектроники, по меньшей мере, частично передаётся в порт на измерительной стороне, а свет, поступающий в порт на измерительной стороне, разделяется, по меньшей мере, частично на выходных портах на стороне оптоэлектроники. Первое оптическое волокно позиционируется таким образом, чтобы вводить свет во входной порт на стороне оптоэлектроники.

- Измерительный элемент, у которого (например, круговое и/или линейное) двойное лучепреломление изменяется в зависимости от измеряемой величины. Измерительный элемент позиционируется таким образом, что свет от порта на измерительной стороне расщепителя луча передаётся в измерительный элемент, отражается и передаётся назад в порт на измерительной стороне, чтобы расщепитель луча мог по меньшей мере частично разделять его между выходными портами на стороне оптоэлектроники.

- По меньшей мере второе оптическое волокно и третье оптическое волокно: свет от первого и второго выходных портов на стороне оптоэлектроники соответственно подаётся во второе и третье оптические волокна.

- Фотодетекторы, измеряющие свет, выходящий из второго и третьего оптических волокон.

- Четвертьволновая фазовая пластинка: эта фазовая пластинка располагается между по меньшей мере одним из оптических волокон и портом на измерительной стороне.

Кроме того, расщепитель луча содержит углубление или щелевое отверстие. Четвертьволновая фазовая пластинка располагается соответственно в упомянутом углублении или щелевом отверстии. Глубина указанного углубления или ширина указанного щелевого отверстия превышает толщину указанной четвертьволновой фазовой пластинки, в частности, по меньшей мере на 5 мкм больше, чтобы облегчить ввод фазовой пластинки. В этом контексте термины «толщина», «глубина» и «ширина» описывают протяженность фазовой пластинки, углубления и щелевого отверстия в направлении, перпендикулярном первой грани порта расщепителя луча.

Эта конструкция основывается на понимании того, что размещение четвертьволновой фазовой пластинки в углублении или щелевом отверстии с достаточным пространством уменьшает механическое напряжение на фазовой пластинке, что, в свою очередь, уменьшает нежелательные возмущения фазовой задержки между состояниями поляризации.

Предпочтительно, входная и/или выходная сторона четвертьволновой фазовой пластинки граничит с прозрачным адгезивным слоем, который заполняет пустоты с одной или обеих сторон фазовой пластинки, при этом модуль Юнга адгезивного слоя меньше по меньшей мере в 10 раз, чем модуль Юнга четвертьволновой фазовой пластинки. Это позволяет адгезиву выходить, когда компоненты подвергаются изменениям температуры, тем самым сохраняя деформацию фазовой пластинки на небольшом уровне.

Предпочтительно, толщина адгезивного слоя составляет по меньшей мере 1 мкм.

Во многих конфигурациях устройство будет содержать первый и второй поляризаторы, расположенные между оптическими волокнами и входным портом на стороне оптоэлектроники, а также между оптическими волокнами и выходными портами на стороне оптоэлектроники расщепителя луча, чтобы создавать определенную поляризацию при входе в расщепитель луча и/или чтобы обеспечить интерференцию мод световой волны, возвращающейся из измерительного элемента.

В этом случае четвертьволновая фазовая пластинка предпочтительно располагается в углублении между по меньшей мере одним из указанных поляризаторов и расщепителем луча.

Изобретение особенно подходит для измерения тока или напряжения. В этих случаях измерительный элемент содержит магнитооптический компонент, намотанный вокруг проводника, несущего ток, или электрооптический компонент, расположенный в электрическом поле, создаваемом напряжением.

Два аспекта настоящего изобретения могут использоваться либо по отдельности, либо в сочетании друг с другом.

Изобретение также относится к использованию сенсорного устройства для определения температуры на четвертьволновой фазовой пластинке или для коррекции измеряемой величины посредством измерения разности между нормализованными сигналами от упомянутых детекторов света, причём указанная разность измеряется в отсутствие фазового сдвига в указанном измерительном элементе или выводится из отфильтрованных по нижним частотам значений указанных сигналов в течение нескольких периодов периодической измеряемой величины. Температура, измеренная таким способом, может, например, использоваться для компенсации температурных эффектов в результатах измерений, то есть может использоваться для корректировки измеряемой величины.

В этом контексте разность между «нормализованными» сигналами является разницей между этими сигналами после необязательного масштабирования одного или обоих сигналов для компенсации, например, для индивидуальных потерь в каждом тракте сигнала.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет более понятым, и задачи, отличные от изложенных выше, станут очевидными, когда будет рассмотрено его последующее подробное описание. Это описание ссылается на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 показывает конфигурацию датчика, описанного в ссылке [6],

На фиг.2 показано рассеяние света в традиционном расщепителе луча,

На фиг.3 показан вариант конфигурации датчика с повышенной точностью,

На фиг.4 показан расщепитель луча из варианта осуществления изобретения, показанного на фиг.3,

На фиг. 5 показан дополнительный вариант расщепителя луча,

На фиг. 6 показан ещё один вариант расщепителя луча,

На фиг. 7 показан ещё один вариант расщепителя луча,

На фиг. 8 показано изменение нормализованного смещения постоянной составляющей в зависимости от температуры расщепителя,

На фиг. 9 показан сигнал датчика в зависимости от температуры расщепителя луча при постоянном подаваемом токе после температурной компенсации, и

На фиг. 10 показано альтернативное сенсорное устройство.

Подробное описание

Недостатки традиционных конструкций

На фиг. 2 показан поляризационный расщепитель для использования в поляриметрическом датчике тока в соответствии со ссылкой [6] (примечание: в отличие от того, что схематически изображено на фиг. 2 и некоторых последующих фигурах, изгибы и соединения световодов не имеют острых углов, а фактически изготовлены с заданной кривизной). Обычно световоды изготавливаются в стеклянной подложке посредством ионного обмена, стимулированного электрическим полем [10]. Основной расщепитель 8 луча с интегрированной оптикой представляет собой оптический делитель 1 × 3 (часто называемый планарным делителем PLC (planar lightwave guide circuit), дополненный оптической системой анализатора и выводами световода, собранными на торцевых гранях, как описано выше.

В варианте, показанном на фиг.2, центральный световод 14, по существу, представляет собой прямое соединение между оптическим волокном PMF на одной грани и центральным одномодовым оптическим волокном (SMF2) на противоположной грани. Два внешних световода 15, 16 ответвляются от центрального световода 14 на асимметричных y-разветвлениях 17, 18 световода [11]. Однако также возможна компоновка световода с симметричными y-разветвлениями, как показано на фиг.1. Предпочтительно, разветвления 17, 18 спроектированы с такими коэффициентами деления, чтобы оптическая мощность, подаваемая в делитель на стороне PMF, делилась поровну между тремя выходными каналами. Первое разветвление справа имеет в этом случае коэффициент деления 1:2, а другое разветвление имеет коэффициент 1:1.

Существует неизбежная потеря оптической мощности на каждой границе раздела оптическое волокно-световод и на y-разветвлениях 17, 18 световода. Причинами потерь на границе раздела оптическое волокно-световод являются несоответствия показателей преломления и числовых апертур, зазор между SMF и световодами, который необходим для оптической системы анализатора, а также возможное несовпадение осей. Потери на разветвлениях являются собственными потерями излучения [11]. В частности, хотя световая волна, проходящая от конца y-разветвления с одной ветвью, может быть разделена в соотношении 1:1 между двумя ветвями на другой стороне с минимальными потерями, только 50% мощности световой волны в противоположном направлении из одной из двух ветвей будет попадать в световод на стороне одной ветви, а другая половина рассеивается в подложке.

Потерянный свет проходит как ненаправленный рассеянный свет через чип оптического делителя, по существу, параллельно световодам. Области наиболее интенсивного рассеянного света показаны на фиг. 2 заштрихованными областями 19.

Небольшие доли рассеянного света могут в этом случае попадать в PMF 9 или SMF двух каналов детектора, или могут повторно входить в световоды в y-разветвлениях 17, 18 и смешаться с направленным сигнальным светом.

Длина расщепителя 8 луча может быть около 10 мм. Для этого размера было измерено, что ширина пучков рассеянного света при 1310 нм, которые исходят от грани SMF, достигает примерно 100-150 мкм на противоположной грани PMF, тогда как типичное расстояние между световодами на грани SMF составляет 250 мкм. Следовательно, внешние края пучка рассеянного света из исходного канала (SMF 1) могут входить в PMF вместе с излучением из y-разветвлений 17, 18. Аналогичным образом, рассеянный свет от грани PMF и y-разветвлений может входить в два SMF канала детектора (SMF 2, 3). Это особенно верно для SMF внутреннего канала (SMF 2).

Фаза рассеянного света, который повторно входит в оптические волокна, отличается от фазы света, прошедшего через световоды, потому что эффективные показатели преломления световодов и подложки отличаются. Кроме того, как относительная интенсивность повторно вводимого рассеянного света, так и разность фаз изменяются в зависимости от температуры. Следовательно, рассеянный свет изменяет интенсивность интерференции в двух каналах детектора в зависимости от температуры. Поскольку побочные эффекты имеют плохую воспроизводимость, они могут варьироваться и серьезно ухудшать точность датчика. Относительная доля мощности рассеянного света, составляющая всего 1 часть на миллион (ppm), уже приводит к модуляции «от пика к пику» интенсивности интерференции в 0,4% в зависимости от разности фаз между рассеянным светом и направленным светом. Очевидно, что подавление рассеянного света является существенным, если датчик должен достигать точности класса измерения (как правило, ошибка должна составлять < ± 0,2%, как также упоминалось выше).

Другим возмущающим эффектом, который отрицательно влияет на точность измерения, является зависящее от температуры механическое напряжение на пластинке QWR четвертьволновой фазовой пластинки. В результате фазовое смещение интерферирующих световых волн проявляет не только температурную зависимость естественного двойного лучепреломления фазовой пластинки, но также в значительной степени случайное двойное лучепреломление, вызванное механическим напряжением, опять же с плохой воспроизводимостью.

В дальнейшем раскрываются модификации поляризационного оптического делителя, которые должны устранять или уменьшать недостатки, обсуждавшиеся выше.

Улучшенный поляризационный оптический делитель

На фиг.3 показан датчик, аналогичный датчику, показанному на фиг. 1. Он содержит электронный блок 1 датчика с широкополосным источником 4 света, например, суперлюминесцентный диод. Его свет деполяризован в волоконном деполяризаторе Лиота (не показан) и вводится одномодовое оптическое волокно SMF1 для направления в сенсорную головку 2, содержащую расщепитель 5 луча 1 × 3. На расщепителе 5 луча удерживается оптическое волокно SMF1 в первом держателе 20 оптического волокна, позиционированном таким образом, что свет, выходящий из SMF1, проходит через первый поляризатор P1 и четвертьволновую фазовую пластинку QWR, расположенные в углублении на первой грани расщепителя 8 луча с интегрированной оптикой.

Предпочтительно, направление поляризации поляризатора P1 составляет угол 45° относительно нормали к поверхности расщепителя 8 луча. Затем свет вводится в световод расщепителя 8 луча.

На противоположной, второй грани расщепителя 8 луча свет вводится в вывод 9 из оптического волокна, сохраняющего поляризацию (PMF), удерживаемый во втором держателе 21 оптических волокон. Главные оси оптического волокна вывода 9 PMF параллельны и перпендикулярны нормали поверхности расщепителя 8 луча, т.е. составляет угол 45° относительно направления поляризации поляризатора P1. В результате обе моды с ортогональной поляризацией оптического волокна PM возбуждаются с одинаковой амплитудой.

Главные оси QWR выровнены параллельно осям вывода 9 PMF и под углом 45° к поляризатору P1.

Как и в варианте, показанном на фиг. 1, свет от вывода 9 PMF передаётся в фазовую пластинку 10 оптического волокна перед тем, как свет поступает в измерительное оптическое волокно 11. Измерительное оптическое волокно 11 образует намотку с целым числом витков оптического волокна вокруг проводника 12, по которому проходит измеряемый ток. Свет отражается от отражателя 13 на дальнем конце измерительного оптического волокна 12 и затем проходит измерительное оптическое волокно 12 во второй раз. После отражения вид поляризации двух световых волн изменяется, т.е. свет с левой круговой поляризацией преобразуется в свет с правой круговой поляризацией и наоборот.

Фазовая пластинка 10 преобразует отражённые волны с круговой поляризацией обратно в волны с ортогональной линейной поляризацией. Направления поляризации возвращающихся линейных волн также меняются местами по сравнению с распространяющимися вперёд волнами. Возвращающиеся ортогональные волны имеют магнитооптический фазовый сдвиг Δφ в результате эффекта Фарадея (см. уравнение 3 ниже).

В расщепителе 8 луча отражённый свет разделяется на первый и второй каналы. Ортогональные волны первого канала интерферируют в поляризаторе P1 (который является общим для канала источника света и первого канала). Ортогональные волны второго канала интерферируют на поляризаторе P2. Направление поляризации поляризатора P2 составляет угол 90° по отношению к направлению поляризатора P1.

Два одномодовых оптических волокна (SMF2 и SMF3) направляют свет двух каналов в фотодетекторы PD1 и PD2 в электронном блоке 1 датчика.

Световоды расщепителя 8 луча имеют низкое двойное лучепреломление для того, чтобы не изменять состояние поляризации проходящего света. Альтернативно, световоды имеют двойное лучепреломление с главными осями, параллельными и перпендикулярными плоскости чипа SC (чип световода или расщепителя луча). В последнем случае потеря фаз при двойном лучепреломлении ортогональных волн на прямом и обратном ходе лучей компенсируется при условии, что все каналы имеют одинаковое двойное лучепреломление.

Предпочтительно поляризаторы P1, P2 представляют собой тонкие стеклянные пластинки, содержащие ориентированные металлические (например, серебряные) частицы или макромолекулы для поляризации света. Типичная толщина составляет, например 30 мкм. Благодаря малой толщине потери между оптическим волокном и расщепителем луча при вводе света могут сохраняться небольшими. По этой же причине пластинка четвертьволновая фазовая пластинка представляет собой пластинку нулевого порядка. Толщина соответствующей кварцевой фазовой пластинки составляет около 39 мкм для длины волны 1310 нм.

Как правило, измерительное оптическое волокно представляет собой оптическое волокно с низким двойным лучепреломлением или кручёное оптическое волокно с высоким двойным лучепреломлением.

В идеальных условиях (идеальное угловое выравнивание компонентов, отсутствие перекрёстной связи между двумя модами с ортогональной поляризацией, отсутствие асимметричных оптических потерь в двух детекторных каналах, измерительное оптическое волокно без линейного двойного лучепреломления, волоконный замедлитель с точным четвертьволновым сдвигом фазы) сигналы двух детекторов в зависимости от магнитооптического фазового сдвига Δφ следующим образом:

S1 = (So/2) (1 + sin Δφ), (1)

S2 = (So/2) (1 - sin Δφ), (2)

c Δφ = 4ΝVΙ, (3)

где N, V, I - число витков оптоволоконной намотки, постоянная Верде для измерительного оптического волокна (~ 1 μrad/A при 1310 нм) и электрический ток (измеряемая величина соответственно). Величина So пропорциональна мощности источника света.

Разность двух сигналов, делённая на их сумму, даёт выходной сигнал S датчика, который не зависит от мощности источника света (уровень техники):

S = (S1 - S2) / (S1 + S2), (4)

S = sin Δφ. (5)

Для Δφ «1 (что обычно имеет место при нормальных условиях работы) S изменяется линейно с Δφ:

S = Δφ. (6)

Более подробная информация об обработке сигналов была описана в WO 2015/090448A1 [6].

Фиг. 4 более подробно показывает световодную схему расщепителя 8 луча, показанного на фиг. 3. Компоновка изменена с целью предотвращения интерференции рассеянного света с направленным светом. Расщепитель 8 луча содержит несколько световодных секций W1–W5, расположенных в плоскости (плоскости световода), а также несколько разветвлений J1, J2, расщепляющих луч.

Первая световодная секция W1 проходит между первой гранью 22 расщепителя 8 луча и первым разветвлением J1. Вторая световодная секция W2 проходит между первой гранью 22 и вторым разветвлением J2, и третья световодная секция W3 также проходит между первой гранью 22 и вторым разветвлением J2. Четвертая световодная секция W4 проходит между первым разветвлением J1 и вторым разветвлением J2. Пятая световодная секция W5 проходит между первым разветвлением J1 и второй гранью 23 расщепителя 8 луча.

Первая световодная секция W1 соединена с одномодовым оптическим волокном SMF1, вторая световодная секция W2 соединена с одномодовым оптическим волокном SMF2, третья световодная секция W3 соединена с одномодовым оптическим волокном SMF3, а пятая световодная секция W3 соединена с оптическим волокном PMF, сохраняющим поляризацию проходящего излучения.

Расщепитель 8 луча образует четыре порта PT1, PT2, PT3 и PT5, через которые свет может входить и/или выходить из световодов. Порт PT1 располагается там, где первая световодная секция W1 заканчивается на первой грани 22. Порт PT2 располагается там, где вторая световодная секция W2 заканчивается на первой грани 22. Порт PT3 располагается там, где третья световодная секция W3 заканчивается на второй первой грани 22. Порт PT5 располагается там, где пятая световодная секция W5 заканчивается на второй грани 23.

Порт PT1 также обозначается как входной порт на стороне оптоэлектроники, поскольку оно принимает свет от блока 1 электроники датчика и передаёт его в расщепитель 8 луча. Порты PT2, PT3 также называются выходными портами на стороне оптоэлектроники, поскольку они излучают свет для отправки обратно к блоку 1 электроники датчика. Порт PT5 также называется портом на измерительной стороне, поскольку через него излучается и принимается свет в/из измерительный элемент, сформированный компонентами 10, 12 и 13.

Порты PT1, PT2, PT3 обычно разнесены на равные расстояния «a», при этом расстояние между канавками держателя 20 оптического волокна обозначено как «a». Альтернативно, если одна или несколько канавок держателя 20 оптического волокна остаются пустыми, расстояние между портами может быть целым кратным расстоянию «а».

Свет из одномодового оптического волокна SMF1 поступает через порт PT1 в первую световодную секцию W1 и частично передаётся к пятой световодной секции W5 для выхода через порт PT5 в оптическое волокно PMF, сохраняющее поляризацию проходящего излучения.

Свет, возвращающийся из оптического волокна PMF, подаётся через порт PT5 в пятую световодную секцию W5 и разделяется в первом разветвлении J1, например, равными частями в первую секцию световода 1 (и, следовательно, входной порт PT1 на стороне оптоэлектроники) и четвертую секцию 4 световода (и, следовательно, во второе разветвление J2). Свет, поступающий через четвертую секцию W4 световода во втором разветвлении J2, разделяется, например, равными частями между второй секцией W2 световода (и, следовательно, первый выходной порт PT2 на стороне оптоэлектроники) и третьей секцией W3 световода (следовательно, второй выходной порт PT3 на стороне оптоэлектроники), которые должны быть соединены на выходных портах PT2 и PT3 на стороне оптоэлектроники, соответственно во втором и третьем одномодовом оптическом волокне SMF2 и SMF3.

Расположение портов и разветвлений в расщепителе 8 луча оптимизировано для уменьшения нежелательного входа света. Это объясняется ниже со ссылкой на систему X/Y координат, показанную на фиг. 4. В этой системе X обозначает направление между гранями 22 и 23, то есть основное направление, вдоль которого свет распространяется в расщепителе 8 луча. Y обозначает направление, параллельное первой грани 22 и параллельное плоскости световода.

Как можно увидеть, все световодные разветвления J1, J2, а также порт PT1, PT2, PT3, PT5 взаимно смещены вдоль направления Y.

В частности, порт PT5 на измерительной стороне взаимно смещен относительно всех портов PT1 - PT3 на стороне оптоэлектроники на ненулевое минимальное смещение. Это минимальное смещение зависит от расстояния L между гранями 22, 23 и составляет (для типичных значений расходимости полей рассеянного света) по меньшей мере L/20, предпочтительно по меньшей мере L/10. Хорошее минимальное смещение для расщепителя 8 луча типичного размера составляет 250 мкм, и, в частности, оно может быть равно расстоянию «a».

В настоящем варианте осуществления изобретения разветвления J1, J2 световода смещены в поперечном направлении вдоль оси Y на расстояние a/2 от портов PT1, PT2, PT3. Прямолинейные части световодных секций W1, W2, W3, то есть части, проходящие параллельно направлению X, разделены расстоянием «а». Поэтому свет, который излучается от световодных разветвлений J1, J2 (как показано на фиг. 4), с наименьшей вероятностью будет попадать в SMF.

В общих чертах, порт PT5 на измерительной стороне предпочтительно смещен (вдоль направления y) на ненулевое минимальное значение «разветвление-порт» по отношению к любому разветвлению (разветвление J1 в варианте осуществления на фиг. 4), через которое свет от входного порта PT1 на стороне оптоэлектроники проходит по своему пути к порту PT5 на измерительной стороне.

Аналогичным образом, используемые выходные порты на стороне оптоэлектроники (в случае, показанном на фиг. 4, порты PT2 и PT3) смещены (вдоль y) на ненулевое минимальное значение «разветвление-порт» от любого разветвления (J1, J2 для фиг. 4), через которое свет проходит от порта PT5 на измерительной стороне к любому из используемых портов на стороне оптоэлектроники (PT1 - PT3).

Это минимальное смещение «разветвление–порт» зависит от расстояния L между разветвлением и соответствующей гранью. Если наибольшее из упомянутых расстояний равно D, смещение «разветвление–порт» предпочтительно составляет по меньшей мере D/20, предпочтительно, по меньшей мере D/10. Хорошее минимальное смещение для расщепителя 8 луча типичного размера (L порядка 10 - 30 мм) составляет 125 мкм.

Расстояние «a» выбирается достаточно большим, чтобы уменьшать попадание рассеянного света от y-разветвлений J1, J2 в SMF до уровней меньше критического. Предпочтительно, это расстояние должно составлять по меньшей мере 250 мкм.

Предпочтительное расстояние составляет а = 500 мкм. Другое предпочтительное расстояние составляет а = 250 мкм. Более короткое расстояние световода уменьшает достижимую длину чипа расщепителя луча.

Предпочтительно, вдоль направления Y:

- первое разветвление J1 расположено между входным портом PT1 на стороне оптоэлектроники и первым выходным портом PT2 на стороне оптоэлектроники предпочтительно в центре; и/или

- второе разветвление J2 расположено между первым и вышеуказанными вторыми выходными портами PT2, PT3 на стороне оптоэлектроники предпочтительно в центре.

Пятый порт PT5 и, следовательно, PMF смещены в поперечном направлении от портов PT1, PT2, PT3, в частности, от первого порта PT1, где большое количество света рассеивается в направлении второй грани 23.

Предпочтительно, пятый порт PT5 смещен вдоль направления «y» от первого порта PT1 на расстояние «a» (или более).

Также предпочтительно, порт TP5 на измерительной стороне смещен вдоль направления y от первого разветвления J1 на расстояние «а» (или более), потому что большое количество света рассеивается от первого разветвления J1 в направлении второй грани 23.

Кроме того, второй и третий порты PT2 и PT3 предпочтительно смещены вдоль направления y от пятого порта PT5 на расстояние, составляющее по меньшей мере a, и/или от первого разветвления J1 и/или второго разветвления J2 по меньшей мере на а/2.

Таким образом, эффективно предотвращается попадание рассеянного света от источника SMF (SMF1) и разветвлений световода в оптическое волокно PMF. И, наоборот, рассеянный свет, генерируемый при переходе от PMF к пятому порту PT5, не может попадать в световоды на y-разветвлениях или в одномодовые оптические волокна SMF.

На фиг. 4 показана дополнительная модификация для предотвращения механического напряжения на пластинке четвертьволновой фазовой пластинки QWR.

Первая грань 22 расщепителя 8 луча имеет углубление 24, в котором четвертьволновая фазовая пластинка QWR расположена таким образом, что она не подвергается механическому напряжению. Углубление 22 может иметь глубину (в направлении x) в диапазоне, например, от 40 мкм до 150 мкм, в частности, в диапазоне 45 - 100 мкм (для сравнения, кварцевая четвертьволновая фазовая пластинка при 1310 нм имеет толщину 39 мкм, как указывалось выше). Четвертьволновая фазовая пластинка QWR закрепляется в углублении, например, с помощью слоя мягкого адгезива 25, такого как мягкий силикон, акрилат, уретанакрилат или слой адгезива с температурой стеклования ниже -40° C. Следовательно, четвертьволновая фазовая пластинка QWR не испытывает механического напряжения в широком температурном диапазоне, в частности в диапазоне от -40° C до 85° C. В отличие от традиционных устройств [5, 6], фазовая пластинка жёстко приклеена между держателем оптического волокна и чипом расщепителя луча, и поэтому она подвержена двойному лучепреломлению, вызванному механическим напряжением.

Предпочтительно слои мягкого адгезива 25 расположены с обеих сторон четвертьволновой фазовой пластинки QWR. Толщина каждого слоя адгезива 25 предпочтительно составляет по меньшей мере 1 мкм.

Углубление 22 с фазовой пластинкой может быть помещено в канал источника, то есть на входной порт PT1 на стороне оптоэлектроники, или в два канала детектора, то есть на выходные порты PT2, PT3 на стороне оптоэлектроники.

Однако расположение фазовой пластинки в канале источника между входным портом PT1 на стороне оптоэлектроники и разветвлением на измерительной стороне рядом с входным портом PT1 на стороне оптоэлектроники, то есть разветвлением J1 в варианте осуществления на фиг. 4, является предпочтительным. В отличие от случая с местоположением в двух каналах детектора (см. фиг. 2), в этом случае остаточные искажения смещения фазы или перекрёстная связь между состояниями с ортогональной поляризацией из-за остаточного напряжения являются синфазными для обоих детектируемых сигналов, т.е. этот выбор для положения фазовой пластинки уменьшает влияние механического напряжения на окончательный выходной сигнал датчика.

Другая модификация расщепителя, в соответствии с настоящим изобретением, показана на фиг. 5. Модификация в значительной степени эквивалентна модификации на фиг. 4, но теперь порт PT5 на измерительной стороне передвинут к противоположному краю чипа расщепителя 8 луча, т.е. он расположен (если смотреть в направлении y) на противоположной стороне от четвертьволновой фазовой пластинки QWR. Опять же, порт PT5 на измерительной сторон смещен в поперечном направлении вдоль направления y на расстояние, по меньшей мере равное значению a, от ближайшего порта (в данном случае PT3) на первой грани 22. Преимущество этой модификации состоит в том, что углубление 24 для фазовой пластинки QWR имеет меньшую глубину (вдоль поперечного направления Y). Следовательно, для склеивания держателя 20 оптического волокна с расщепителем 8 луча имеется большая площадь поверхности на первой грани 22 (при условии, что чипы имеют одинаковую ширину). Недостатком является большее боковое смещение секции W5 световода от разветвления J1 и, следовательно, большее значение длины расщепителя луча вдоль направления X, если радиусы световода остаются неизменными.

Фиг. 6 показывает дополнительный расщепитель 8 луча, в соответствии с настоящим изобретением. Модификация включает в себя традиционный расщепитель PLC 1 × 4, снова дополненный оптикой анализатора для использования в поляриметрическом датчике тока. В этом варианте осуществления изобретения имеется один входной порт PT1 на стороне оптоэлектроники и три выходных порта PT2 - PT4 на стороне оптоэлектроники, в то время как всё ещё имеется только один порт PT5 на измерительной стороне.

В этом варианте осуществления расщепитель 8 луча содержит первое разветвление J1, второе разветвление J2 и третье разветвление J3. Первое разветвление J1 разделяет свет от порта PT5 на измерительной стороне между вторым и третьим разветвлениями J2, J3, в то время как второе разветвление J2 разделяет свет от первого разветвления J1 между вторым выходным портом PT3 на стороне оптоэлектроники и третьим выходным портом PT4 на стороне оптоэлектроники. Третье разветвление J3 разделяет свет от первого разветвления J1 между входным портом PT1 на стороне оптоэлектроники и первым выходным портом PT2 на стороне оптоэлектроники.

В отличие от чипа разветвителя PLC 1 × 3 (фиг. 2), световодные разветвления J1, J2, J3 являются симметричными (все с коэффициентом разделения 1: 1).

За исключением разветвления J1, которое является самым близким к порту PT5 на измерительной стороне, ни одно из разветвлений не совпадает с портом световода к оптическому волокну. (Разветвление J1 находится на одной прямой линии с PMF, но не с портами PT1, PT2, PT3, PT4 на стороне оптоэлектроники.) Следовательно, PMF также не находится на одной прямой линии с каким-либо из одномодовых оптических волокон SMF каналов детектора. Следовательно, поляризационный разветвитель 1 × 4 также значительно уменьшает влияние рассеянного света по сравнению с поляризационным разветвителем 1 × 3 современного уровня техники. Следует обратить внимание, что сигналы каналов 2 и 3 являются эквивалентными. Один из двух каналов может служить резервным каналом. Альтернативно, если поляризатор P1 охватывает каналы Ch1 и Ch2, а поляризатор P2 охватывает каналы Ch3 и Ch4, сигналы каналов Ch3 и Ch4 являются эквивалентными.

Небольшой недостаток поляризационного разветвителя 1 х 4 по сравнению с поляризационным разветвителем 1 х 3 состоит в том, что для данной мощности источника света оптическая мощность, поступающая на фотодетекторы, является более низкой на (теоретический) коэффициент 1,74.

Вместо разветвителя с интегральной оптикой 1 × 3 или 1 × 4 (поляризации) может быть реализован разветвитель с интегральной оптикой (поляризации) M х N (с M = 1, 2,…, в частности с M = 1 и N = 5, 6, 7,…). Это позволяет подключаться, по меньшей мере, к двум, в частности, по меньшей мере, к четырем выходным портам на стороне оптоэлектроники для обеспечения, по меньшей мере, двух избыточных сигналов, показывающих измеряемую величину. Эти избыточные сигналы обычно генерируются, по меньшей мере, в двух отдельных оптоэлектронных модулях или сенсорных электронных модулях 1. Например, разветвитель 1 х 6 может быть подготовлен для обеспечения двух пар эквивалентных сигналов детектора и одного запасного сигнала (или трёх пар эквивалентных сигналов детектора, если также использовать сигнал, возвращающийся через оптическое волокно исходного канала источника). Это позволяет работать одной сенсорной головке с несколькими электронными блоками 1 обработки избыточных сигналов или передавать сигналы в электронную аппаратуру, находящуюся в других местах.

В принципе, вместо размещения четвертьволновой пластинки QWR в углублении 24 на первой грани 22, расщепитель 8 луча может иметь щелевое отверстие 26 для размещения в нем фазовой пластинки QWR, как показано на фиг. 7. Четвертьволновая пластинка QWR вклеивается в щелевое отверстие 26 с помощью мягкого адгезива 25 по меньшей мере на одной стороне, предпочтительно с обеих сторон. Толщина (в направлении X) каждого адгезивного слоя предпочтительно составляет по меньшей мере 1 мкм.

Однако такая компоновка менее предпочтительна, поскольку ненаправленный свет перед щелевым отверстием 26 может объединяться с направленным светом в световоде после щелевого отверстия, и это снова будет приводить к нежелательной интерференции света.

Рабочие параметры

Как разъясняется в ссылке № 5, в случае измерения переменного тока можно использовать изменение фазового смещения в зависимости от температуры в качестве меры для температуры в месте расположения расщепителя и оптоволоконной намотки. Смещение фазы выводится из фильтрованной посредством фильтра нижних частот разности сигналов двух детекторов, разделённой на их сумму (здесь называется нормализованным смещением постоянной составляющей тока).

В этом контексте «фильтрованная посредством фильтра нижних частот» означает среднее усреднение сигналов за множество периодов периодической измеряемой величины, таких как сигнал периодического тока или напряжения.

Следовательно, можно компенсировать любую остаточную температурную зависимость датчика. Очевидно, что фазовая пластинка, практически не подверженная механическим напряжениям, является необходимым условием для этого способа. Только зависящее от температуры естественное двойное лучепреломление фазовой пластинки в этом случае определяет фазовое смещение, а не двойное лучепреломление, вызванное механическим напряжением.

На фиг.8 показано изменение нормализованного смещения постоянного тока датчика с расщепителем 8 луча, как описывается здесь, в зависимости от температуры расщепителя. Очевидно, что смещение постоянной составляющей (то есть смещение фазы) изменяется линейно с температурой и не подвержено влиянию механического напряжения или других возмущающих эффектов. Температура может быть выведена из смещения постоянной составляющей с точностью около ± 5° C.

Следовательно, в более общем смысле сенсорное устройство может быть использовано для определения температуры на четвертьволновой пластинке QWR посредством измерения разности между сигналами из фотодетекторов PD1, PD2 в отсутствие смещения фазы в указанном измерительном элементе (например, при нулевом токе или напряжении в детекторе тока или напряжения) или могут быть выведены из фильтрованных посредством фильтра нижних частот значений указанных сигналов за несколько периодов периодической измеряемой величины.

На фиг. 9 показан сигнал датчика в зависимости от температуры расщепителя при постоянном подаваемом токе после температурной компенсации. Изменение сигнала находится в пределах < ± 0,1% в диапазоне температур от -40° C до 80° C, т.е. датчик подходит для измерения с точностью класса 0,2. Для сравнения: для неоптимизированных расщепителей луча существующего уровня техники могут возникать возмущения сигнала в несколько десятых процента.

Преимущества

В результате технологий, описанных в данном документе, расщепитель 8 поляризованных лучей (в данном документе обычно называемый расщепитель) может находиться при температуре из широкого температурного диапазона (например, от -40° C до 85° C). Следовательно, расщепитель 8 поляризованных лучей не нуждается в контроле температуры [6] и может быть размещён вместе с намоткой измерительного оптического волокна в общем корпусе (Примечание: технология, конечно, также полезна для расщепителей, находящихся в среде с контролируемой температурой). Некоторые важные преимущества, которые вытекают из этой компоновки, заключаются в следующем:

- Волоконно-оптическая линия связи между оптоэлектронным модулем (который обычно располагается в диспетчерской подстанции или обогреваемой наружной кабине) и корпусом волоконной намотки состоит из стандартных одномодовых оптических волокон. (Короткая секция оптического волокна, сохраняющего поляризацию, между расщепителем и намоткой находится внутри корпуса головки датчика.) В отличие от этого, расщепитель, для которого требуется температурный контроль, должен быть установлен в оптоэлектронном модуле 1 или в отдельном корпусе под потенциалом земли, между оптоэлектронным модулем 1 и волоконной намоткой под высоким напряжением. В этом случае по меньшей мере часть волоконно-оптической линии связи является оптическим волокном, поддерживающим поляризацию, что увеличивает сложность и значительно добавляет стоимость.

- Кроме того, отсутствие линии связи, поддерживающей поляризацию, делает датчик менее чувствительным к механическим напряжениям в оптическом волокне. Такое механическое напряжение может возникать, например, в оптоволоконных разъёмах (если таковые имеются) или на оптоволоконных сквозных соединениях, если датчик встроен, например, в автоматический выключатель [12, 13] или высоковольтный изолятор.

- Волоконно-оптическая линия связи может иметь стандартные разъёмы с одномодовым оптическим волокном, и не требует сложных и дорогих соединителей, поддерживающих поляризацию света.

- Кроме того, стандартная волоконно-оптическая линия связи может быть намного длиннее, чем линия, поддерживающая поляризацию; > 10 км против < 500 м.

- Возможность использования длинных волоконно-оптических кабелей позволяет измерять ток в удаленных местоположениях, где поблизости нет источника питания. Соответствующим применением является «защита смешанной линии». Здесь измеряется ток при переходе от воздушной линии электропередачи к подземному силовому кабелю. Такие местоположения могут находиться за много километров от ближайшей подстанции.

Замечания

Как упоминалось выше, световоды в расщепителе 8 луча могут быть выполнены с двойным лучепреломлением, причем величина двойного лучепреломления зависит от технологии изготовления. Например, потеря фазы за один проход может соответствовать 150 градусам для расщепителя длиной 10 мм. Световоды с сильным двойным лучепреломлением могут быть изготовлены посредством придания световодам эллиптической формы. В этом случае двойное лучепреломление на прямом и обратном путях может быть выбрано по-разному (путём подходящей конструкции маски для изготовления световода), в результате чего разность соответствует 90° (или 90° + n 180°, n=1,2, 3,…), с допуском, например, +/– 10°, в частности +/– 5°. В этом случае можно было бы избежать использования дополнительной четвертьволновой фазовой пластинки для смещения фазы.

В более общем смысле световодные секции расщепителя 8 луча предпочтительно имеют двойное лучепреломление и вводят сдвиг фазы 90° + n 180°, где n равно нулю или положительному целому числу, между двумя поляризационными состояниями света, проходящего от входного порта PT1 на стороне оптоэлектроники к порту PT5 на измерительной стороне и возвращающегося назад с изменёнными направлениями поляризации к одному из выходных портов PT2–PT4 на стороне оптоэлектроники.

В случае световодов с двойным лучепреломлением, (отсутствующее) двойное лучепреломление углубления приводит к дополнительному (зависящему от температуры) вкладу в смещение фазы ортогональных световых волн. В зависимости от относительной ориентации медленной оси фазовой пластинки и световодов, дополнительный вклад добавляется или вычитается из потери фазы на фазовой пластинке. Это может быть использовано для усиления или уменьшения температурной зависимости смещения фазы.

Усовершенствования расщепителя луча, согласно настоящему изобретению, включают в себя как новую схему световода для подавления рассеянного света, так и углубление или щелевое отверстие в расщепителе луча для установки фазовой пластинки, не подверженной механическому напряжению. В принципе, расщепители поляризованного луча (или кратко расщепители луча или оптические делители) также возможны, когда реализуется только одно из двух средств измерения.

Как упоминалось в ссылке 6, торцевые грани 22, 23 расщепителя могут быть отполированы под углом (например, под углом 8° относительно нормали к плоскости световода) для уменьшения обратных отражений. Это может относиться только к одной грани (например, грани PMF) или к обеим граням.

Расщепитель 8 луча содержит подложку и световодные секции, а также встроенные в них разветвления.

Как правило, подложка расщепителя луча состоит из стекла. Но также возможны расщепители луча на основе полимеров [14, 15] или кристаллических подложек, например, кремния Si или фосфида индия InP [16, 17].

В качестве альтернативы ионному обмену световоды расщепителя луча также могут быть изготовлены с помощью прямой лазерной записи [18] или технологии кремний-на-изоляторе (SOI).

Тонкопленочные поляризаторы могут иметь активную сторону (или поверхность), где сконцентрированы поляризующие частицы. В этом случае активная сторона предпочтительно обращена к расщепителю 8 луча. Следовательно, возможное двойное лучепреломление в объёме пластин поляризатора (например, от склеивания) не может влиять на разность фаз между двумя модами с ортогональной поляризацией.

В более общем смысле, если поляризаторы имеют первую сторону, которая имеет более сильное анизотропное (зависящее от поляризации) поглощение, чем вторая сторона, первая сторона предпочтительно должна быть обращена к расщепителю 8 луча.

Вместо одномодовых оптических волокон SMF 2 и SMF 3 могут использоваться многомодовые оптические волокна. Благодаря большему размеру сердцевины (например, 62,5 мкм вместо сердцевины SMF с размером 9 мкм) уменьшаются потери ввода света из световодов SC в оптические волокна.

Предпочтительно, в двух каналах детектора после поляризаторов P1, P2 имеются волоконные деполяризаторы Лио, чтобы избежать зависящих от поляризации потерь на пути к фотодетекторам. Такая потеря может увеличивать измерительность к механическим возмущениям оптических волокон. Волоконные деполяризаторы Лио состоят из двух отрезков PMF с медленными осями под углом 90° и с соотношением длин 2:1. Вместо волоконного деполяризатора Лио можно использовать только один отрезок PMF (т.е. оптическое волокно с двойным лучепреломлением) в каждом канале детектора, который соединяется выводом с устройством 5 расщепителя луча с главной осью под углом 45° (с допусками +/– 10°, в частности +/– 5°) к направлениям поляризации поляризаторов P1, P2. Длина PMF-отрезка выбирается таким образом, чтобы групповая задержка из-за двойного лучепреломления была больше длины когерентности источника света. Обычно отрезок оптического волокна длиной по меньшей мере 10 см, в частности по меньшей мере 20 см, удовлетворяет этому требованию. Соответствующий набор оптических волокон 27, 28 с двойным лучепреломлением показан на фиг. 10.

Следует отметить, что изобретение применимо не только к описанной выше конфигурации датчика, но и к различным его модификациям. На фиг. 10 показан вариант датчика, который работает с линейно поляризованным светом вместо двух световых волн (некогерентных) с круговой поляризацией в оптоволоконной намотке. Как поляризационный расщепитель, так и оптоволокнная намотка не имеют четвертьволновой фазовой пластинки. Предполагается, что световоды расщепителя луча не имеют двойного лучепреломления. Поляризатор P1 поляризует свет от источника. Поляризованный свет совершает круговой проход через оптоволоконную намотку и возвращается в поляризаторы P2, P3 каналов детектора. Поляризаторы P2, P3 выровнены под углом ± 45° к P1. Измерительное оптическое волокно напрямую присоединено к поляризационному расщепителю. Два сигнала S1, S2 детектора снова задаются уравнением 1, 2 с той разницей, что член Δφ теперь является углом, на который поляризация поворачивается в оптоволоконной намотке в результате эффекта Фарадея: Δφ = 2VNI. Отражатель такой же, как описан ранее, просто отражающее покрытие на торце оптического волокна. В качестве альтернативы, отражатель может представлять собой поворотное зеркало Фарадея с углом 45°. Двойной проход света через устройство поворачивает поляризацию на 90°. Нарушение линейного двойного лучепреломления в измерительном оптическом волокне, например, на держателе оптических волокон расщепителя в этом случае по меньшей мере частично компенсируется.

В другой версии датчика свет, возвращающийся к поляризационному расщепителю, может быть разделён на три канала детектора. Поляризатор 3-го канала параллелен поляризатору канала источника. 3-й канал служит в качестве измерителя контрастности полосы, как раскрыто в ссылке 5.

Кроме того, следует отметить, что поляризационный расщепитель не только подходит для использования в оптическом датчике тока, но также может использоваться в других типах датчиков, где измеряемая величина вызывает дифференциальный сдвиг фазы между модами с ортогональными поляризациями. Примером является оптический датчик напряжения, как описано в ссылке 6, где напряжение, приложенное к электрооптическому кристаллу, генерирует дифференциальный сдвиг фазы.

В вышеописанных вариантах осуществления изобретения смещение между используемыми портами на стороне оптоэлектроники и портом на измерительной стороне имеется вдоль направления Y. Однако для расщепителя луча, сегменты световода которого расположены в трёх измерениях, а не только в одной плоскости, смещение также может быть вдоль направления, перпендикулярного поверхности расщепителя луча. Это также относится к смещениям между световодными разветвлениями и портами на стороне оптоэлектроники, а также портом на измерительной стороне.

Несмотря на то, что здесь показаны и описаны предпочтительные в настоящее время варианты осуществления изобретения, следует чётко понимать, что изобретение не ограничивается этим, но может быть иным образом воплощено и реализовано в рамках объёма последующей формулы изобретения.

Цитированные ссылки

1. G. Frosio and R. Dändliker, “Reciprocal reflection interferometer for a fiber-optic Faraday current sensor”; Appl. Opt. 33(25), 6111-6122, 1994.

2. K. Bohnert, P. Gabus, J. Nehring, and H. Brändle, "Temperature and vibration insensitive fiber-optic current sensor," Journal of Lightwave Technology, Vol. 20, pp. 267-276, 2002.

3. K. Bohnert, P.Gabus, J. Nehring, H. Brändle, and M. G. Brunzel, „Fiber-optic current sensor for electro-winning of metals“, J. Lightw. Technol. 25(11), 3602, 2007.

4. “The fiber-optic gyroscope”, Herve Lefevre, Artech House, Boston, London, 1993.

5. WO2007/121592A1, “Fiber-optic current sensor with polarimetric detection scheme”. Inventors: K. Bohnert, A. Frank, H. Brändle.

6. WO2015/090448A1, “Optical sensors”. Inventors: K. Bohnert, A. Frank, G. Müller, L. Yang.

7. K. Kurosawa at al., “Flexible fiber Faraday effect current sensor using flint glass fiber and reflection scheme”, IEICE Trans. Electron. E83C, 326, 2000.

8. WO2014/006121, „Temperature-compensated fiber-optic current sensor“. Inventors: G. Müller, A. Frank, K. Bohnert, X. Gu.

9. Standard of the International Electrotechnical Comission (IEC), IEC60044-8, Instrument transformers – Part 8: Electronic current transformers.

10. K. Forrest et al., “Channel waveguides in glass via silver – sodium field assisted ion exchange”, J. Lightw. Technol. LT-4 (2), 140, 1986.

11. M. Izutsu et al., “Operation mechanism of the single-mode optical waveguide y-junction”, Opt. Lett. 7(3), 136, 1982.

12. WO2008/080878A1, Inventors: U. Akesson, D. Andersson, L. Sköld, Y. Petersson, “Circuit breaker”.

13. US 6 608 481 B1, Inventors: C. Piazza, E. Centenaro,K. Bohnert, P. Gabus, H. Brändle, R. Cameroni, “Pole of a circuit breaker with an integrated optical current sensor”.

14. V. Prajzler et al., “Design and modeling of symmetric three branch polymer planar optical power dividers”, Radioengineering 22(1), 233, 2013.

15. M.-C. Oh, et al., “Polymer waveguide integrated-optic current transducers”, Opt. Express 19(10), 9392, 2011.

16. Y. Xu, “Proposal for compact polarization splitter using asymmetrical three-guide directional coupler”, IEEE Photon. Technol. Lett. 27(7), 782, 2015.

17. L. Han et al., ”A high extinction ratio polarization beam splitter with MMI couplers on InP substrate”, IEEE Photon. Technol. Lett. 27(7), 782, 2015.

18. M. Beresna, M. Gecevicius, and P. G. Kazansky, “Ultrafast laser direct writing and nanostructuring in transparent materials”, Advances in Optics and Photonics 6, 293–339 (2014).

Список ссылочных позиций

1 — сенсорный электронный блок/оптоэлектронный модуль,

2 — сенсорная головка,

3 — оптические волокна,

4 — источник света,

5 — расщепитель луча,

7 — прослойка,

8 — расщепитель луча с интегрированной оптикой,

9 — вывод с оптоволокном PMF,

10 — замедлитель,

11 — измерительное оптическое волокно,

12 — проводник,

13 — отражатель,

14 — центральный световод,

15, 16 — внешние световоды,

17, 18 — y-образные разветвления,

19 — внутренние области рассеянного света,

20, 21 — держатель оптического волокна,

22, 23 — первая и вторая грани,

24 — углубление,

25 — адгезив,

26 — щелевое отверстие,

27, 28 — оптические волокна с двойным лучепреломлением,

а — расстояние между оптическими волокнами,

Ch1 ... Ch4 — каналы,

J1, J2, J3 — разветвления,

P1, P2 — поляризаторы,

PD1, PD2 — фотодетекторы,

PT1, PT2, PT3, PT5 — порты,

QWR —: четвертьволновая фазовая пластинка,

SMF 1, SMF 2, SMF3 — одномодовые оптические волокна,

W1, W2... — светосветоводные секции.

Изобретение относится к оптическому сенсорному устройству для измерения электрической величины, тока или напряжения, в цепях высокого напряжения, имеющему расщепитель луча с интегрированной оптикой. Оптическое интерферометрическое сенсорное устройство содержит интегрированный расщепитель (8) луча, имеющий первую грань (22) и вторую грань (23) с расположенными на них оптическими портами (РТ1–РТ5). На расщепителе (8) луча расположены расщепляющие луч разветвления (J1, J2), а также порты (РТ1–РТ3) на стороне оптоэлектроники и порт (РТ5) на измерительной стороне, которые взаимно смещены вдоль направления первой грани (22). Это смещение уменьшает нежелательные эффекты интерференции, вызванные рассеянным светом. Кроме того, четвертьволновая фазовая пластинка (QWR) размещена в углублении (24) расщепителя (8) луча, вместе с примыкающими к ней слоями мягкого адгезива для уменьшения механического напряжения. Технический результат заключается в создании устройства с улучшенной точностью. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Оптическое сенсорное устройство для измерения электрической величины, тока или напряжения, в цепях высокого напряжения, содержащее:

источник (4) света,

первое оптическое волокно (SMF1), причем свет от источника (4) света вводится в первое оптическое волокно (SMF1),

расщепитель (8) луча с интегрированной оптикой, содержащий по меньшей мере один входной порт (РТ1) на стороне оптоэлектроники, первый и второй выходные порты (РТ2, РТ3) на стороне оптоэлектроники и порт (РТ5) на измерительной стороне, при этом свет, входящий во входной порт (РТ1) на стороне оптоэлектроники, по меньшей мере частично проходит в порт (РТ5) на измерительной стороне, а свет, входящий в порт (РТ5) на измерительной стороне, разделяется по меньшей мере частично между первым и вторым выходными портами (РТ2, РТ3) на стороне оптоэлектроники, причём первое оптическое волокно (SMF1) расположено с возможностью передавать свет во входной порт (РТ1) на стороне оптоэлектроники,

измерительной элемент (10, 11, 13), двойное лучепреломление которого изменяется в зависимости от измеряемой величины, при этом свет из порта (РТ5) на измерительной стороне входит в измерительный элемент (10, 11, 13), отражается и возвращается назад в порт (РТ5) на измерительной стороне,

по меньшей мере второе (SMF2) и третье (SMF3) оптического волокна, причем свет из первого и второго выходных портов (РТ2, РТ3) на стороне оптоэлектроники вводится во второе и третье оптические волокна (SMF2, SMF3) соответственно,

фотодетекторы (PD1, PD2) для измерения света, выходящего из второго и третьего оптических волокон (SMF2, SMF3),

при этом расщепитель (8) луча содержит:

а) несколько световодных секций (W1–W5) и расщепляющих луч разветвлений (J1–J3), и

b) первую и вторую грани (22, 23) на противоположных сторонах расщепителя (8) луча с интегрированной оптикой, причём входной порт (РТ1) на стороне оптоэлектроники и выходные порты (РТ2–РТ4) на стороне оптоэлектроники расположены на первой грани (22), а порт (РТ5) на измерительной стороне расположен на второй грани (23),

при этом порт (РТ5) на измерительной стороне смещен на ненулевое минимальное смещение «порт-порт» в направлении Y, параллельном первой грани (22), относительно входного порта (РТ1) на стороне оптоэлектроники, а также первого и второго выходных портов (РТ2, РТ3) на стороне оптоэлектроники,

отличающееся тем, что порт (РТ5) на измерительной стороне смещен в направлении Y на ненулевое минимальное смещение «разветвление – порт» относительно разветвления (J1-J3), которое пропускает свет от входного порта (РТ1) на стороне оптоэлектроники по своему пути к порту (РТ5) на измерительной стороне.

2. Сенсорное устройство по п. 1, в котором расщепитель (8) луча с интегрированной оптикой имеет длину L в направлении, перпендикулярном первой грани (22), причем указанное минимальное смещение «порт – порт» составляет по меньшей мере L/20, в частности по меньшей мере L/10.

3. Сенсорное устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором указанное минимальное смещение «порт – порт» составляет по меньшей мере 250 мкм.

4. Сенсорное устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором первый и второй выходные порты (РТ2, РТ3) на стороне оптоэлектроники смещены в направлении Y на ненулевое минимальное смещение «разветвление – порт» относительно разветвления (J1-J3), которое пропускает свет от порта (РТ5) на измерительной стороне по своему пути к любому из входных или выходных портов (РТ1-РТ3) на стороне оптоэлектроники.

5. Сенсорное устройство по п. 3 или 4, в котором указанное минимальное смещение «разветвление – порт» составляет по меньшей мере D/20, в частности по меньшей мере D/10, где D является наибольшим расстоянием от указанных разветвлений (J1-J3) до любой из граней (22, 23).

6. Сенсорное устройство по любому из пп. 3-5, в котором указанное минимальное смещение «разветвление – порт» составляет по меньшей мере 125 мкм.

7. Сенсорное устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором световодные секции (W1–W5) обладают свойством двойного лучепреломления и вводят сдвиг фазы 90° + n 180°, где n - ноль или положительное целое число, между двумя поляризационными состояниями света, проходящего от входного порта (PT1) на стороне оптоэлектроники к порту (PT5) на измерительной стороне, и возвращающегося назад, с поменянными направлениями поляризациями, к одному из выходных портов (PT2-PT4) на стороне оптоэлектроники.

8. Сенсорное устройство по любому из предыдущих пунктов, содержащее:

четвертьволновую фазовую пластинку (QWR), расположенную между по меньшей мере одним из оптических волокон (SMF1, SMF2 и SMF3) и портом (PT5) на измерительной стороне,

при этом расщепитель (8) луча содержит углубление (24) или щелевое отверстие (26), причём четвертьволновая фазовая пластинка (QWR) расположена в углублении (24) или щелевом отверстии (26), при этом глубина углубления (24) или ширина щелевого отверстия (26) превышает ширину четвертьволновой фазовой пластинки (QWR), в частности по меньшей мере на 1 мкм.

9. Сенсорное устройство по п. 8, в котором входная сторона и/или выходная сторона четвертьволновой фазовой пластинки (QWR) примыкает к прозрачному адгезивному слою (25) толщиной по меньшей мере 5 мкм, причем модуль Юнга указанного адгезивного слоя меньше по меньшей мере в 10 раз, чем модуль Юнга указанной четвертьволновой фазовой пластинки.

10. Сенсорное устройство по п. 9, в котором клеевой слой (25) является силиконом, акрилатом, уретанакрилатом или адгезивом с температурой стеклования ниже -40°C.

11. Сенсорное устройство по любому из предыдущих пунктов, содержащее по меньшей мере первый и второй поляризаторы (Р1–Р3), расположенные между оптическими волокнами (SMF) и входным портом (PT1) на стороне оптоэлектроники и выходными портами (PT2–РТ4) на стороне оптоэлектроники.

12. Сенсорное устройство по любому из пп. 8–10, 11, в котором четвертьволновая фазовая пластинка (QWR) расположена в углублении (24) между по меньшей мере одним из поляризаторов (Р1–Р3) и расщепителем (8) луча с интегрированной оптикой.

13. Сенсорное устройство по п. 11 или 12, в котором поляризаторы (Р1–Р3) имеют первую сторону с более сильным анизотропным поглощением, чем вторая сторона, при этом поляризаторы (Р1–Р3) расположены таким образом, что указанная первая сторона обращена к расщепителю (8) луча с интегрированной оптикой.

14. Сенсорное устройство по любому из пп. 11-13, дополнительно содержащее первое и второе оптические волокна (27, 28) с двойным лучепреломлением, расположенные между вторым и третьим оптическими волокнами (SMF2, SMF3) и расщепителем (8) луча с интегрированной оптикой, при этом главные оси указанных оптических волокон с двойным лучепреломлением расположены под углом 45° к направлению поляризации поляризаторов (Р1–Р3), а групповая задержка двойного лучепреломления оптических волокон (27, 28) с двойным лучепреломлением превышает длину когерентности источника (4) света.

15. Сенсорное устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором измерительный элемент (10, 11, 13) содержит магнитно-оптический компонент или электрооптический компонент (11), и указанное сенсорное устройство приспособлено для измерения тока или напряжения.

16. Сенсорное устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором расщепитель (8) луча с интегрированной оптикой содержит первое разветвление (J1) и второе разветвление (J2), причем первое разветвление (J1) расщепляет свет от порта (PT5) на измерительной стороне на свет к входному порту (PT1) на стороне оптоэлектроники и ко второму разветвлению (J2), а второе разветвление (J2) расщепляет свет от первого разветвления (J1) на свет к первому выходному порту (PT2) на стороне оптоэлектроники и ко второму выходному порту (PT3) на стороне оптоэлектроники.

17. Сенсорное устройство по п. 16, в котором, относительно указанного направления Y,

- первое разветвление (J1) расположено между входным портом (PT1) на стороне оптоэлектроники и первым выходным портом (PT2) на стороне оптоэлектроники, в частности в центре между ними, и/или

- второе разветвление (J2) расположено между первым и вторым выходными портами (PT2, РТ3) на стороне оптоэлектроники, в частности, в центре между ними.

18. Сенсорное устройство по любому из пп. 8-14, 16, 17, в котором указанная четвертьволновая фазовая пластинка расположена между первым оптическим волокном (SMF1) и первым разветвлением (J1).

19. Сенсорное устройство по любому из пп. 1-15, в котором расщепитель (8) луча содержит первое разветвление (J1), второе разветвление (J2) и третье разветвление (J3), при этом первое разветвление (J1) расщепляет свет от порта (PT5) на измерительной стороне на свет ко второму и к третьему разветвлениям (J2, J3), второе разветвление (J2) расщепляет свет от первого разветвления (J1) на свет ко второму выходному порту (PT3) на стороне оптоэлектроники и к третьему выходному порту (PT4) на стороне оптоэлектроники, а третье разветвление (J3) расщепляет свет от первого разветвления (J1) на свет к входному порту (PT1) на стороне оптоэлектроники и к первому выходному порту (PT2) на стороне оптоэлектроники.

20. Сенсорное устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором используется расщепитель луча M × N с интегрированной оптикой, где M - целое число, равное 1, 2,…, в частности M = 1, и N – целое число, равное 5, 6, 7,…; указанный расщепитель луча с интегрированной оптикой обеспечивает наличие по меньшей мере двух, в частности, по меньшей мере четырех выходных портов на стороне оптоэлектроники для соединения с двумя отдельными сенсорными электронными блоками (1), выполненными с возможностью генерировать по меньшей мере два избыточных сигнала, характеризующих измеряемую величину.

21. Применение оптического сенсорного устройства для измерения электрической величины, тока или напряжения, в цепях высокого напряжения по любому из пп. 1-20 для определения температуры на четвертьволновой фазовой пластинке (QWR) путем измерения различия между нормализованными сигналами от фотодетекторов (PD1 и PD2), причём указанное различие измеряют при отсутствии фазового смещения в измерительном элементе (10, 11, 13) или выводят из фильтрованных по нижним частотам значений указанных сигналов за несколько периодов периодической измеряемой величины.

22. Применение оптического сенсорного устройства для измерения электрической величины, тока или напряжения, в цепях высокого напряжения по любому из пп. 1-20 для корректировки измеряемой величины путем измерения различия между нормализованными сигналами от фотодетекторов (PD1 и PD2), причём указанное различие измеряют при отсутствии фазового смещения в измерительном элементе (10, 11, 13) или выводят из фильтрованных по нижним частотам значений указанных сигналов за несколько периодов периодической измеряемой величины.