CN108369250B

CN108369250B - 具有对连接器未对准的容差的光导纤维电流传感器

Info

Publication number: CN108369250B
Application number: CN201680073345.7A
Authority: CN
Inventors: K.博内特; P.加布斯
Original assignee: ABB Grid Switzerland AG
Current assignee: ABB Grid Switzerland AG
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2036-09-27
Also published as: US10877076B2; WO2017063867A1; ES2755735T3; US20180238934A1; EP3362802A1; EP3362802B1; CN108369250A; EP3156808A1

Abstract

光导纤维电流传感器包括光电子模块（1）、传感器头端（8）以及将光电子模块（1）连接到传感器头端（8）的连接光纤（7）。传感器包括第一和第二分束器（20、22），在其之间，测量光在两个分支（21a、21b）中传播。一个光纤连接器（6a、6b）布置在每个分支中以用于将线缆组合件（25）连接到光电子模块。两个连接器（6a、6b）与第二分束器（22）之间的光程长度是不同的，使得归因于连接器（6a、6b）的角未对准而交叉耦合到正交偏振模式中的光波变成与从传感器头端（8）返回的非交叉耦合波不相干。

Description

具有对连接器未对准的容差的光导纤维电流传感器

技术领域

本发明涉及光导纤维电流传感器，具体来说用于电功率传输和工业应用的高压变电站中的电流测量的光导纤维电流传感器。

背景技术

光导纤维电流传感器（FOCS）通常利用熔融硅石感测光纤的线圈中的法拉第效应，其包封电流导体。过去已经研究了大量的各种传感器方案。从参考文献[1、2]已知频繁采用的传感器配置。在这里，两个线性偏振光波通过偏振保持（PM）连接光纤从光电子模块传播到感测光纤线圈，其在反射模式中操作。在线圈入口的四分之一波减速器将波转换成左和右圆形波。圆形波累加与其通过线圈的往返期间的电流成比例的微分磁光相移。波然后再次作为正交线性偏振光波返回到光电子模块，但是与前向传播波相比具有交换的偏振方向。磁光相移基于从光纤陀螺仪已知的检测方案来测量[3]。该方案涉及理想地在与光波的往返时间的两倍对应的频率的两个光波的微分相位的调制。磁光相移然后从检测器信号中的调制频率的各种谐波来得出。开环和闭环检测电路两者均是已知的。在[1、2]中，相位调制器是双折射调制器，其直接调制正交波的微分相位。从参考文献[4、5]已知修改方案。这里，两个线性偏振光波在它们在偏振保持光纤耦合器中组合成正交波之前最初在两个分开的光纤分支中传播。一个或两个光纤分支中的调制器调制单独线性偏振波的相位。

WO 2011/069 558 A1 [6]公开了关于如何单独校准这类传感器的头端和光电子模块，以便在无需后续传感器重新校准的情况下而允许现场的任一个组件的交换的方法。WO 2011/069 558 A1为此目的还公开了沿携带正交偏振模式的光纤的PM光纤连接器。

上述类型的光导纤维电流传感器的光电子模块通过偏振保持（PM）光纤线缆来连接到传感器头端（其在HV变电站中典型地处于高压电位）。为了促进传感器安装或者例如在其寿命结束时的光电子模块的更换，期望在光纤线缆的一端或两端具有光纤连接器。然而，连接器必须不降低传感器精度。具体来说，对于电力计量应用，必须对扩展温度范围保持<±0.2%之内的精度。电积（electro-winning）行业对于一些测量甚至要求< ±0.1%。为了保持这种高精度，连接器处的两个正交光波之间的偏振串扰必须低于-33 dB，优选地甚至低于-36 dB。相比之下，商业上可用的PM连接器典型地指定有-20 dB与-25 dB之间的串扰。这类连接器不适合在具有计量精度的FOCS中使用。典型地，串扰作为连接器套圈中的变化机械光纤应力的结果随温度而改变。例如从-25 dB至-23 dB的偏振交叉耦合的改变将已经引起大约0.4%的比例因子改变。（为了比较，从-35 dB至-33 dB的改变将比例因子仅改变大约0.04%。）

在光纤的正交偏振模式之间的光纤连接器处的交叉耦合生成二级光波。在感测光纤线圈中，二级波及其父波经历相反符号的磁光相移。在现有技术中，二级波干扰其父波，并且由于其相反相移而能够显著影响传感器信号。

发明内容

因此，要通过本发明所解决的问题是提供一种如上所述的光导纤维电流传感器，其具有用于将偏振保持连接光纤连接到光电子模块的连接器，但是其是可靠的，即使连接器重复断开和闭合或者受到可能改变其交叉耦合行为的其它事件。

这个问题通过权利要求1的光导纤维电流传感器来解决。

相应地，该光导纤维电流传感器包括：

-光源，生成具有相干长度Lc的光，

-第一分束器，把来自光源的光分为第一和第二分支，

-第二分束器，组合来自所述第一和第二分支的光，

-偏振保持连接光纤，适合携带第一和第二相互正交偏振模式中的光，并且接收来自所述第二分束器的光以用于通过所述连接光纤的第一经过，

-传感器头端，适合和构造成接收来自所述连接光纤的所述第一和所述第二偏振模式的光波，以生成所述光波之间的电流依赖相移，并且利用切换偏振将所述光波反射回到所述连接光纤中，以用于通过所述连接光纤的第二经过。在这个上下文中，表达“切换偏振”陈述从连接光纤的第一偏振模式所接收的波从传感器头端被反射回到连接光纤的第二偏振模式中，并且从连接光纤的第二偏振模式所接收的波从传感器头端被反射回到连接光纤的第一偏振模式中。

-检测器，定位成检测由在其通过所述连接光纤的第二经过之后的所述波的干扰引起的光强度。由于光波的相移并且因而所得到光强度取决于电流，所以检测器能够测量电流。

传感器还包括两个连接器：

-第一可释放连接器布置在所述第一分支中，以及

-第二可释放连接器布置在所述第二分支中。

在这个上下文中，“可释放连接器”指定能够重复释放（断开）和重新连接（闭合）的连接器。

这个设计例如允许改变系统中的光程，并且由此生成各种分支之间以及交叉耦合与非交叉耦合光波之间的路径差，以便使非期望的干扰最小化。备选地，或作为其补充，它允许在偏振器的两侧包封每个连接器，由此阻挡任何交叉耦合光波。

在实施例中，第一分支有利地适合在所述第一连接器与所述第一和第二分束器的“选择分束器”之间携带第一和第二偏振模式中的光，以及第二分支适合在所述第二连接器与所述选择分束器之间携带第一和第二偏振模式中的光，其中术语“选择分束器”指定分束器之一（对于更详细解释，进一步参见下文）。当连接器完美对准（即不存在角未对准）时，传播向传感器头端的光处于第一和第二分支的“第一偏振模式”中。连接器与分束器之间的第一和第二分支的组合件是不对称的，如由下面等式所表达：

abs（L11 + L21 – L12 – L22） > Lc，其中

L11是第一连接器与选择分束器之间的第一分支中的第一偏振模式的光程长度，

L12是第一连接器与选择分束器之间的第一分支中的第二偏振模式的光程长度，

L21是第二连接器与选择分束器之间的第二分支中的第一偏振模式的光程长度，以及

L22是第二连接器与选择分束器之间的第二分支中的第二偏振模式的光程长度。

如上所提及，Lc是来自光源的光的相干长度。

函数abs（x）指定x的绝对值。

在这个上下文中，偏振模式的“光程长度”要被理解为群折射率（如由这种偏振模式的光所看到）和沿路径所积分的路径的几何长度的乘积的积分。例如，如果第一分支的第一偏振看到沿第一连接器与第一耦合器之间的整个路径的折射率n1，并且这个路径具有几何长度l1，则光程长度等于乘积n1·l1。

本发明基于以下理解：如以下更详细描述的，连接器的未对准引起交叉耦合光插入到连接器与第二分束器之间的分支中的非期望偏振模式中。这个交叉耦合光传播到传感器头端并返回，其中它作为传入光连同也从传感器头端返回的传入一级光（即，非交叉耦合光）一起到达检测器。对于连接器与选择分束器之间的第一和第二分支的组合件的对称布置，传入交叉耦合光能够具有或者能够得到与传入一级光相干的分量，这又将引起生成所测量数据的误差的信号。然而，通过使用如上所述的不对称设计，传入杂散光将不会与传入一级光相干，并且因此将不会或者仅微弱地影响干涉仪的测量。

本发明采用生成一级波与交叉耦合二级波之间的路径差的方式来修改FOCS光学电路。路径差大于光源的相干长度，使得二级（交叉耦合）波不再干扰一级波。因此，二级波对传感器信号的影响极大地减小。虽然在现有技术中，连接器处的偏振-交叉耦合必须保持低于-33 dB以将改变交叉耦合的信号改变限制到<0.1%，但是采用本发明，仅要求例如-16.5 dB的远没那么有挑战性的限制。

在典型实施例中，第一分支包括第一和第二双折射光纤段，其在90°的相互角下连接在其慢光纤轴之间，例如在90°接头。有利地，另一方面，第二分支没有包括在90°的相互角下连接的第一和第二双折射光纤段，而是仅包括单个双折射光纤段。（注：本文中，术语“单个双折射光纤段”还包括由通过（一个或多个）0°接头所接合的两个或更多双折射光纤段所组成的光纤段，即接合光纤段的慢轴是平行的）。

在那种情况下（即，当第一分支中存在两个这类光纤段时），这些光纤段能够在下列位置相遇：

（a）在所述第一连接器与所述选择分束器之间的位置；

（b）在所述第一连接器与不是选择分束器的分束器之间的位置；或者

（c）在第一连接器。

变体（a）允许将连接器定位成靠近检测器。变体（b）为位于连接器与传感器头端之间的组件提供更简单设计。变体（c）允许在连接器中集成90°接头功能性。

在另一个有利实施例中，传感器能够包括至少一个相位调制器，其适合调制第一和/或第二分支中的光的相位。因此，两个分支能够用于相位调制检测技术。

传感器能够包括连接器与传感器头端之间（即，它们之间的光程中）的线缆组合件。这个线缆组合件包括所述连接光纤和所述第二分束器，并且它分别结束于所述第一和所述第二连接器的第一和第二耦合构件中。

在从属权利要求或者权利要求组合中以及在以下描述中列出了其它有利实施例。

附图说明

从以下对本发明的详细描述，将会更好地了解本发明，并且除了以上所陈述的那些目的之外的目的将变得显而易见。这类描述参照附图，其中：

图1示出采用双折射调制器和PM光纤连接器的传感器配置（现有技术），

图2示出采用y型调制器和PM光纤连接器的传感器配置，

图3示出光纤连接器处的偏振交叉耦合：第2连接器套圈中的主光纤轴x'、y'相对于第一套圈中的轴x、y被旋转（未对准）角α；因此，具有沿x和y的偏振的正交波的前向传播对被分为具有沿x'和y'的偏振的两对正交波，

图4示出在图1、图2（现有技术）的传感器配置的连接器处的偏振交叉耦合（光波的相对相位对于零电流（

= 0）是有效的）的情况下返回到光电子模块（在第2次通过连接器之后）的具有沿x和y的偏振的光波，以及如果电流被施加，则波在如由箭头所示方向上相移量2

，

图5示出具有PM光纤连接器的传感器配置的第一实施例，

图6示出在连接器处的偏振交叉耦合（其中被调制器所阻挡的C波被忽略）的情况下的对于图5的配置的干扰光波，

图7示出对于现有技术（虚线）和根据本技术（实线）的光导纤维电流传感器的归一化传感器信号对连接器未对准，

图8示出对于实际相关范围中的小未对准角的图7的缩放段，

图9示出对于现有技术（虚线）和根据本技术（实线）的光导纤维电流传感器的归一化传感器信号对光纤连接器处的偏振交叉耦合—点线示出未对准角与偏振交叉耦合之间的关系，

图10示出对于实际相关范围中的小未对准角的图9的缩放段，

图11示出作为光纤线缆组合件的部分的PM耦合器，

图12示出具有PM光纤连接器的传感器配置的第二实施例，

图13示出具有PM光纤连接器的传感器配置的第三实施例，

图14示出具有PM光纤连接器的传感器配置的第四实施例，

图15示出具有PM光纤连接器的传感器配置的第五实施例，以及

图16示出具有PM光纤连接器的传感器配置的第六实施例。

具体实施方式

实现本发明的模式

定义：

波导（尤其是光纤）的“偏振模式”被理解为表示具有共同光偏振的一个或多个波导模式。

具有“第一和第二偏振模式”的波导或光纤或者任何类似表达被理解为表示具有（一个或多个）第一波导模式和（一个或多个）第二波导模式的波导，其中光具有不同偏振。

“分束器”是允许把来自源通道的光分为至少两个分支或者把来自至少两个分支的光组合为共同目的地通道的装置。例如，这类分束器例如能够是光纤耦合器、集成分束器和/或利用表面的部分反射的装置。

具有偏振保持光纤连接器的现有技术传感器配置：

图1描绘根据现有技术[1、2、6]的光导纤维电流传感器。

它包括具有光源2的光电子模块1。来自光源2的光通过1×2光纤耦合器3和偏振器4来发送到相位调制器5中，并且从那里到连接器6。具有正交偏振方向的两个线性偏振光波通过偏振保持连接光纤7来发送到传感器头端8。偏振器4典型地是光纤偏振器。它可由偏振光纤或者具有光纤尾光纤的分立偏振器元件来表示。在后者情况下，至少线圈侧尾光纤是偏振保持光纤。

传感器头端8包括光导纤维四分之一波减速器9（适当长度的一短段双折射光纤），其从连接光纤7接收光，并且将它发送到感测光纤10中，所述感测光纤10盘绕电流导体11，其中将要测量电流。反射镜12布置在感测光纤10的末端。典型地，反射镜12实现为光纤尖头上的反射涂层。

典型地，光源2是宽带半导体源，例如超发光二极管。感测光纤10的入口处的四分之一波减速器9将线性波转换为左和右圆偏振光波。波在感测光纤10的远端由反射镜12反射，然后它们以交换的偏振态沿其光程折回到光电子模块1，并且它们最终在光纤偏振器4相互干扰。

两个光波累加光纤线圈中作为法拉第效应的结果的微分磁光相移Δφ。它通过由处理单元13所操作的闭环检测电路来测量，所述处理单元13控制相位调制器5，其调制正交偏振态的微分相位。通常采用集成光铌酸锂调制器。磁光相移Δφ表示为Δφ＝4

，其中

=V·N·I。V是熔融硅石感测光纤的维尔德（Verdet）常数（在1310 nm的1.0 μrad/A），N是光纤线圈环路的数量，以及I是电流。代替闭环，可采用开环检测。在后者情况下，常常利用更简单压电调制器[1、2]。[3]中描述细节。

鉴于以下小节，应当注意，利用低相干源，正交光波在其从光纤偏振器4之后的45°接头向感测光纤10的传播期间，作为PM连接光纤7和调制器5中的微分群延迟的结果而丢失其相干性。由于波以交换的偏振态从反射镜12返回，所以群延迟在返回路径上反转，并且当波再次到达偏振器4时恢复相干性。在理想条件下，定义为K=（I₁-I₂）/（I₁+I₂）的干扰条纹可见度K则等于一。在这里，I₁、I₂是分别在相长和相消干扰的光强度。

通常，来自光源2的光由光导纤维Lyot去偏振器（未示出）来去偏振，其放置在光源2与光纤耦合器3之间。

图2描绘修改传感器配置，其允许使用具有利用相反相位操作的两个集成相位调制器5的y分支集成光相位调制模块5'，如常用于光纤陀螺仪中而不是双折射调制器中[4、5]。在给定示例中，调制模块5'的波导通过质子交换进行。因此，它们仅支持芯片的平面中的偏振，即，调制模块5'还充当偏振器。利用平行线性偏振从调制器发出的两个前向传播光波（沿y的偏振，其中y与芯片平面平行）在偏振保持分束器15中组合成正交波。为此目的，分束器15的两个输入光纤引线之一在接头16在双折射轴的取向上以90°偏移从调制器接续到光纤。传感器头端8与图1中相同。返回正交波在分离器15分为上和下光纤分支，使得一对正交波耦合到两个调制器分支的每个中。与调制模块5'的传输方向（y方向）平行偏振的两个波（已经沿互逆路径传播）被带来干扰。具有沿x的偏振的另外两个波被偏振调制器所阻挡。这些波沿非互逆路径传播，因为一个波通过上光纤分支来回传播，而另一波已经通过下分支传播。两个光纤分支的不相等长度（下分支中的延迟回路）在它们应当通过调制器部分泄漏的情况下防止这些波的干扰。以x偏振返回的波的光程差对应于延迟回路长度的两倍，并且比宽带光源2的相干长度Lc要长得多。

在电功率传输的高压变电站中，传感器的光电子模块1处于地电位（例如在室外机柜中或者在变电站控制房中），以及传感器头端（光纤线圈）8处于高压电位（例如在独立式支持绝缘体顶部或者集成到断路器中），其具有在它们之间的偏振保持连接光纤7。已知通过连接器6将连接光纤7连接到光电子模块1，所述连接器6位于调制器5'与连接光纤7之间（根据图1的传感器配置）或者分束器15与连接光纤7之间（根据图2的传感器配置）[6]。

优选地，连接器6安装在光电子模块1的壳体。连接器是期望的，因为它使传感器模块的安装和更换更容易，并且它避免需要现场的光纤接续。另一方面，连接器能够是在光纤中传播的两个正交偏振模式之间的不利串扰的来源。串扰由两个接合光纤段的主轴的角对准的容差引起以及由源自将光纤胶合到连接器套圈中的应力引起。轴对准能够由于各种连接器部分的机械容差并且由于连接器套圈中的改变光纤应力而在重复的连接器断开/闭合改变。典型地，应力还随时间和温度而改变。由于串扰影响传感器比例因子，所以它必须保持为低于临界极限。如果传感器用于电力计量，则连接器应当影响比例因子明显小于0.1%。为此，偏振交叉耦合必须保持低于-33 dB。这对应于仅1.2°的光纤轴之间的最大允许未对准。典型商业上可用的PM连接器将偏振仅保持在大约> -25 dB之内。在现有技术中，-25 dB与-22 dB之间的串扰的改变将传感器信号改变0.6%。（对应未对准角分别为3.2°和4.5°。）在许多传感器应用中，这类变化不是可接受的。注：原则上，例如25 dB的有限偏振串扰仍然产生稳定传感器信号，只要串扰保持为恒定。能够通过校准来考虑修改的传感器比例因子。然而，如所注释的，这类串扰一般在连接器断开/闭合操作时并且随时间和温度而变化，这能够导致明显大于0.1%或0.2%的信号变化。

连接器处的偏振交叉耦合以及对传感器信号的影响（现有技术）：

作为连接器的两侧之间的主光纤轴的角偏移α的函数的归一化传感器信号S能够从光传播的Jones矩阵描述来确定，并且假定法拉第效应引起的相移为4

<<1，给出为

S = 1 / cos（2α）。　　　　　　（1）

本文中，完美对准的传感器信号被假定为等于一。等式（1）对于图1、图2的传感器配置是有效的，其中连接器位置如所指示（技术水平）。角偏移导致偏振交叉耦合，并且因而导致传播向光纤线圈的光波的二级对（图3）。

在返回路径上，一级波和二级波两者均在连接器处遭受进一步交叉耦合。因此，存在到达偏振器的四对正交光波（图4）：一对正交主波A_x、A_y，其具有幅度cos²α，并且其没有经历任何交叉耦合（在这里，原始波的幅度被假定为一）；一对三级波B_x、B_y，其具有幅度sin²α，其由两种路径（即，前向和返回路径）上的交叉耦合引起，以及两对C_1x、C_1y、C_2x、C_2y，其具有幅度cosα·sinα，其由前向路径或返回路径上的单串扰引起。波的幅度和相位能够写作

在这里，Δθ表示作为未补偿微分群延迟ΔLc的结果的准静态相移（参见下文）。

波B_x、B_y相对于A_x、A_y波具有180°相移（由于光纤减速器处的偏振旋转的相反指向），并且经历相反方向的磁光相移2

。和波（A_x+B_x）、（A_y+B_y）的所得到磁相移大于单独波A_x、B_x、A_y、B_y的相移2

，并且由2

/cos（2α）给出。所检测传感器信号根据等式（1）来增强。（注：B波的相反法拉第相移的原因是如下事实：它们已经作为交叉耦合的结果而与A波的指向相反的指向的圆偏振通过光纤线圈来传播。）

C波的对（C_1x、C_1y和C_2x、C_2y）的光纤链路中的x与y偏振之间的微分群延迟在返回路径上没有完全补偿。相对于A和B波的其余延迟为±ΔL_C。在这里，ΔL_C = ΔL_PM1 + ΔL_M +ΔL_PM2是从连接器回到45°接头的路径上的微分延迟（图1），并且由调制器之前和之后的PM光纤段中的延迟ΔL_PM1、ΔL_PM2以及调制器本身中的延迟ΔL_M来组成。由于这个延迟比光源2的相干长度要大得多，所以波对C_1x、C_1y和C_2x、C_2y相互不相干，并且因而不对所检测磁光相移有贡献。波C_1x和C_2x在零电流是同相的，而它们在π的磁光相移相互消灭。同样的情况对于C_1y和C_2y成立。在非零电流，C波在检测器产生电流依赖背景光（但是没有进入传感器信号）。注意，在α=45°的极端情况下，全部返回波具有1/2的幅度。A和B波相互消灭，并且不再得到有意义信号。

注：如果存在不仅来自连接器未对准、而且还来自连接器套圈中的光纤应力的偏振交叉耦合，则传感器信号变化可比由等式（1）所示的更大。通常，主要影响仍然归因于未对准。

具有对连接器偏振交叉耦合的降低灵敏度的FOCS：

因此，期望与现有技术相比充分降低对连接器处的偏振交叉耦合的传感器信号的影响。我们在理论和实验上已经发现，如果光纤连接器没有放入分束器15与连接光纤7之间的光纤线（现有技术），但是如果改为连接器适当地放置在例如调制模块5'与分束器15之间的两个分支的每个中，则能够极大地缓和对于根据图2的传感器配置的PM连接器的偏振消灭比（PER）的需求。

这类实施例在图5中示出。它再次具有光电子模块1，其典型地位于地电位，并且通过连接光纤7来连接到传感器头端8。

光电子模块1包括光源2，其例如能够是宽带半导体光源（例如超发光二极管），并且其生成具有相干长度Lc的光。来自光源2的光通过1×2光纤耦合器3来发送到调制模块5'中。调制模块5'包括将波束分为两个分支21a、21b的第一分束器20。调制模块5'还包括被操作以将相反符号的相移引入两个分支21a、21b的光波中的两个相位调制器5。

两个分支21a、21b在第二分束器22中重新组合。90°接头16布置在第一分支21a中的调制模块5'与第二分束器22之间，而延迟线23布置在第二分支21b中的调制模块5'与第二分束器22之间，正如图2的实施例中一样。（延迟线23还也可位于第一分支21a中。）

与图2的实施例相反，现在存在两个连接器6a、6b，其中第一连接器6a布置在第一分支21a中，而第二连接器6b布置在第二分支21b中。

再次如图2的实施例中一样，来自第二分束器22的两个线性偏振光波通过偏振保持连接光纤7来发送，并且发送到传感器头端8。

传感器头端8例如再次包括光导纤维四分之一波减速器9（适当长度的一短段双折射光纤），其从连接光纤7接收光，并且将它发送到感测光纤10中，所述感测光纤10盘绕电流导体11，其中电流将要被测量。反射镜12布置在感测光纤10的末端。

感测光纤10的入口处的四分之一波减速器9将线性波转换为左和右圆偏振光波。波在感测光纤10的远端由反射镜12反射，然后它们以交换的偏振态沿其光程折回到光电子模块1，以及它们最终在第一分束器20进行干扰，并且所得到干扰信号在光检测器24中检测。

必须注意，至少在连接器6a、6b与第二分束器22之间，两个分支21a、21b能够携带第一和第二偏振模式中的光。在第一分支21a中，对于连接器6a与90°接头16之间的光纤段，第一偏振模式例如对应于沿图5的方向y的光偏振，并且对应于与90°接头16与第二分束器22之间的绘制平面垂直的偏振。在第二分支中，第一偏振模式对应于沿方向y的光偏振。第二偏振模式对应于与第一偏振模式垂直的光偏振。

当每个连接器6a、6b处于完美角对准时，传播向传感器头端的光处于第一和第二分支21a、21b的第一偏振模式。然而，连接器6a、6b的角未对准将把光耦合到其它（第二）偏振模式中。

现在参照图6来解释这个（和以下）实施例的基本物理原理，图6描绘在通过光电路的往返之后在第一分束器20进行干扰的光波（忽视被偏振调制器模块5'所阻挡的波）。

假定连接器6a、6b两者均具有角偏移或未对准角α。存在进行干扰的两对光波：

-（i）两个主波A_LB、A_UB，其分别通过第一和第二分支21a、21b（LB、UB）返回，并且没有经历任何交叉耦合。它们等效于图3中的波A_x、A_y，并且再次具有幅度cos²α。

-（ii）幅度sin²α的波B_LB、B_UB，其由双重交叉耦合（在每个连接器6a、6b的交叉耦合）引起。

然而，与图3的状况的基本差异在于，B波的对已经遭受相对于A波的ΔL的光程延迟，并且因而不能再干扰A波。延迟源于如下事实：B波在从连接器6a、6b之一到第二分束器22的前向路径上传播，并且在从第二分束器22到另一连接器6b、6a的返回路径上传播，其具有与其一级（父）波的偏振正交的偏振方向。延迟通过光程差给出

ΔL = L11 + L21 – L12 – L22，　　　　　　　　（3）

其中

L11是第一连接器6a与第二分束器22之间的第一分支21a中的第一偏振模式的光程长度，

L12是第一连接器6a与第二分束器22之间的第一分支21a中的第二偏振模式的光程长度，

L21是第二连接器6b与第二分束器22之间的第二分支21b中的第一偏振模式的光程长度，以及

L22是第二连接器6b与第二分束器22之间的第二分支21b中的第二偏振模式的光程长度。

如所提及的，光程长度通过有效或群折射率乘以对相应通道的长度所积分的几何长度的乘积的积分来给出。

在图5的实施例中，第一分支21a在第一连接器6a与第二分束器22之间由具有连接在90°接头16的光纤段的相应长度l1和l'1的两段来组成，而第二分支21b在第二连接器6b与第二分束器22之间由长度l2的单个光纤段（或者例如通过0°接头所连接的若干光纤段）来组成。假定全部这些光纤段由其两种偏振模式中的具有折射率n'和n''的相同类型的双折射光纤来制作。

并且因此

　　　　（3'）

其中

是在第一和第二分支中使用的光纤的群双折射。

如稍后参照图13和图14所述，如果90°接头16没有布置在第一连接器6a与第二分束器22之间，而是布置在第一连接器6a与第一分束器20之间，则ΔL为

。　　　　　（3”）

B波的微分磁光相移在符号上再次与A波之一相反。由仅在一个连接器处的交叉耦合引起的光波（对应于图4的C波，但在图6中未示出）以沿x的偏振返回到偏振调制器，因此被阻挡而没有到达检测器24。

关于B波，如果它们与A波相干则它们仅干扰A波。换言之，A与B波之间的延迟ΔL>Lc的引入（其中Lc是所使用的光的相干长度）消除A与B波之间的相干性。因此，B波对传感器信号的影响极大地降低。在图1和图2（现有技术）的实施例中，检测器处的干扰强度通过全部A和B光场之和的平方（考虑其幅度和相位），即通过I~（A_x+B_x+A_y+B_y）²，来确定。相反，本技术中的干扰强度通过A场之和的平方加上B场之和的平方来确定：I~（A_LB+A_UB）²+（B_LB+B_UB）²。因此，B波对传感器信号的影响剧烈地变得更小。B波的相反法拉第相移现在导致传感器信号的减小。作为α的函数的信号则由下式给出

S=cos（2α）/[（1/4）cos（4α）+3/4]　　　　（4）

注意，信号在α=45°消失。图7、图8中的虚和实曲线分别示出对于图1、图2（现有技术，等式（1））和图5（本发明，等式（4））的传感器配置，作为未对准角α的函数的传感器信号的变化。在图9、图10中，信号改变作为连接器偏振交叉耦合的函数来绘制。偏振交叉耦合是偏振消灭比（PER）的负数。PER通过下式（图9、图10中的点曲线）与α相关：

PER（dB）=-10 log（tan²α）　　　　（5）

从图7-10显而易见，在现有技术中（虚曲线），-30 dB的交叉耦合（对应于两个连接器侧之间1.8°的相对未对准，其能够随技术水平PM连接器而发生）引起0.2%的信号改变（相对完美连接器），即，传感器于是处于具有类0.2精度的计量的边界。相反，利用本技术（实曲线），0.2%的信号改变将仅在与-15 dB的偏振交叉耦合对应的10.04°的未对准发生。因此，本技术极大地降低对PM连接器的需求。甚至±5度之内的未对准也改变传感器信号不超过大约±0.01%。

在实际传感器应用中，连接器优选地安装在光电子器件1的壳体的壁。

每个连接器6a、6b包括第一和第二连接器构件，其在闭合连接器时配对。在如图11所示的有利实施例中，第一连接器构件6a-1、6b-1是布置在连接器6a、6b与传感器头端8之间的线缆组合件25的部分。线缆组合件25包括：包围连接光纤7的柔性线缆主体26和包含第二分束器22的端子段27，以及将第二分束器22连接到连接光纤7的接头28。两个扇出29（在其末端具有连接器构件6a-1、6b-1）端接线缆组合件25。

为了冗余的目的，线缆组合件25可包含两个连接光纤，并且因此包含具有用于四个连接器的四个连接器构件的两个第二分束器。

端子段27能够是柔性或刚性的。

第二分束器22例如可以是熔融光纤耦合器或者通过光纤侧抛光所制作的耦合器。优选耦合器版本是熔融PM耦合器，其由具有光纤双折射的小温度系数的椭圆芯光纤来制作。备选地，可使用集成光波导分离器或光纤尾光纤块偏振分束器。

代替在光电路的两个分支中使用两个分开的连接器对，可设想使用共同连接器对，其中每个连接器套圈具有用于两个光纤的膛。

图12-14示出图5的传感器配置的可能修改的一些。

在图12的实施例中，偏振y分支调制器模块通过PM光纤耦合器（其形成第一分束器20）、继之以两个光纤偏振器30和集成光相位调制器5（优选地为铌酸锂调制器，其适合引入干扰光波之间的微分相位调制）的组合来替代。代替铌酸锂调制器，在一个（或两个）光纤分支中可使用压电调制器[4]。

应当注意，与图1的传感器配置相比，图12的配置不仅对光纤连接器处的偏振交叉耦合更容错，而且还对调制器5处的交叉耦合同等地容错。这意味着，对调制器5的偏振消灭比的需求采用与它们对于连接器被缓解的相同方式来缓解。

图5中的y型调制器模块5'和第二分束器22的位置能够被交换。然而，在这种情况下，调制器模块必须支持两种正交偏振模式。在这种情况下，由等式（3）所要求的群延迟将主要由调制器来引入，即，从调制器模块到连接器的光纤段能够具有相同或相似长度。如果共同连接器对（具有两个光纤膛的套圈）用于两个分支，则这是特别便利的。

代替使用第一分束器20之后的两个偏振器，可使用第一分束器20之前的单个偏振器。

如所提及并且如图13所示，90°接头16能够布置在第一分束器20与第一连接器6a之间。

此外，在不那么有利的解决方案中，调制器5可放置在第二分束器22之后，如图14所示，其中与图1中相似，它充当双折射调制器。（在这里，调制器连同分束器一起成为线缆组合件25的部分。）

图14还示出，如果第一连接器6a接管其功能，即如果第一连接器6a在它所连接的光纤之间将偏振交换90°，则能够免除90°接头16。

大体上，图12-14的光电子检测器24还能够连接到源侧PM耦合器（第一分束器20）的光纤活动端，这节省初始1×2耦合器3。然而，这不是优选布置，因为通过耦合器的干扰光波的光程变为非互逆的，这能够引起所检测信号的不稳定性。

图15示出传感器配置，其具有在连接器6a、6b之前和之后两者的偏振器30、30'，即它与图13的实施例的不同之处在于，存在连接器6a、6b与第二分束器22之间的偏振器30'的第二集合，其具有分支21a、21b的每个中的一个第二偏振器30'。（偏振器30、30'再次可由偏振光纤或分立偏振器元件来制作，其在两侧具有偏振保持光纤尾光纤。）在连接器6a、6b之前和之后的偏振器30、30'抑制前向或后向传播期间在连接器处交叉耦合的任何光波，即仅A波对信号有贡献。因此，所测量的磁光相移变成独立于α。（信噪比仍然将随着增加α而降低）。在这种情况下，在假定完美偏振器时无需观测对连接器位置的上述要求（等式3'、3''）。（在不完美偏振器的情况下，根据等式3'、3''的连接器定位仍然是有利的）。备选地，代替第一耦合器20与连接器6a、6b之间的两个偏振器，可以仅使用第一耦合器20的源侧（即在耦合器3与耦合器20之间的光程中）的单个偏振器。

图16示出另外的但不那么有利的传感器配置，其具有连接器6a、6b与第二耦合器22之间的偏振器30'，即没有第一耦合器20与连接器6a、6b之间的任何偏振器30。在这里，等式3'、3''必须再次被观测，但是现在应用于第一耦合器20与连接器6a、6b之间的光纤段，如图16中通过长度l1、l'1和l2所表示。此外，第一耦合器20与连接器6a、6b之间的两个光纤段的每个中的正交模式之间的微分群延迟必须大于相干长度Lc。

因此，换言之，例如在图13的实施例中，分支21a、21b适合在连接器6a、6b与第二分束器22之间携带第一和第二偏振模式中的光。另一方面，在图16的实施例中，分支21a、21b适合在连接器6a、6b与第一分束器20之间携带第一和第二偏振模式中的光。因此，在包含两种实施例的更一般方面，分支21a、21b适合在连接器6a、6b与所述第一和第二分束器20、22的“选择”分束器之间携带第一和第二偏振模式中的光。在图13的实施例中（以及在图5、图12、图14的实施例中），选择分束器是第二分束器22。在图16的实施例中，选择分束器是第一分束器20。

在本发明的一般实施例中并且可适用于本文所公开的全部其它实施例，优选的是，第一分支21a中的第一可释放连接器6a以及第二分支21b中的第二可释放连接器6b布置在使得通过将第一可释放连接器6a和第二可释放连接器6b断开，传感器头端8与光源2和/或与检测器24、优选地与光源2和检测器24是可分离的或者是完全可分开的位置中。

在本发明的又一些一般实施例中并且可适用于本文所公开的全部其它实施例，进一步优选的是，第一分支21a中的第一可释放连接器6a以及第二分支21b中的第二可释放连接器6b布置在使得通过将第一可释放连接器6a和第二可释放连接器6b断开，包括传感器头端8和第二分束器22的第一组组件与包括光源2、检测器24和第一分束器20的第二组组件是可分离的或者是完全可分开的位置中。

注：

在上述传感器配置中，偏振交叉耦合不仅在连接器6a、6b和调制器5发生，而且在某种程度上还在各种PM光纤段之间的接头发生。这类光纤段是例如调制器5或调制器模块5'和连接器6a、6b的尾光纤。为了避免由二级光波（其由接头处的交叉耦合引起）对传感器信号的扰动，单独光纤段的长度应当在使得二级波的对累加往返群延迟（其比光源的相干长度Lc更长）的范围之内选择。在本技术的传感器配置中，两个分支21a、21b（其包括调制器和连接器尾光纤）中的PM光纤段的长度能够除由等式（3）所给出的限制之外，自由地被选择。这给出传感器组合件中的更大灵活性，并且促进光电子模块的潜在交换。

如所提及，调制器5能够是（尤其是使用Pockels效应的）光电子调制器，或者它能够包括对光导起作用的压电致动器，以便调制所述波导的折射率。

参考文献：

。

附图标记：

1：光电子模块

2：光源

3：光纤耦合器

4、30、30'：偏振器，典型地为光纤偏振器

5、5'：调制器

6、6a、6b：连接器

7：连接光纤

8：传感器头端

9：四分之一波减速器

10：感测光纤

11：电流导体

12：反射镜

13：处理单元

14：45°接头

15：分束器

16：90°接头

20：第一分束器

21a、21b：分支

22：第二分束器

23：延迟线

24：光检测器

25：线缆组合件

26：护套

27：端子段

28：接头

29：扇出。

Claims

1.一种光导纤维电流传感器，包括光源（2），生成具有相干长度Lc的光，第一分束器（20），把来自所述光源（2）的所述光分为第一和第二分支（21a、21b），第二分束器（22），组合来自所述第一和第二分支（21a、21b）的所述光，偏振保持连接光纤（7），适合携带第一和第二相互正交偏振模式中的光，并且接收来自所述第二分束器（22）的光以用于通过所述连接光纤（7）的第一经过，传感器头端（8），其中所述传感器头端（8）适合和构造成接收来自所述连接光纤（7）的所述第一和所述第二偏振模式的光波，以生成所述光波之间的电流依赖相移，并且利用切换偏振将所述光波反射回到所述连接光纤（7）中，以用于通过所述连接光纤（7）的第二经过，检测器（24），定位成检测由在其通过所述连接光纤（7）的第二经过之后的所述波的干扰引起的光强度，第一分支（21a）中的第一可释放连接器（6a），以及所述第二分支（21b）中的第二可释放连接器（6b），其中，所述第一分支（21a）适合在所述第一连接器（6a）与所述第一或所述第二分束器（20、22）的选择分束器之间携带第一和第二偏振模式中的光，以及其中所述第二分支（21b）适合在所述第二连接器与所述选择分束器之间携带第一和第二偏振模式中的光，其中在没有所述连接器（6a、6b）的角未对准的情况下，传播向所述传感器头端（8）的光处于所述第一和第二分支（21a、21b）的所述第一偏振模式中，以及其中abs（L11 + L21 – L12 – L22） > Lc 其中L11是所述第一连接器（6a）与所述选择分束器之间的所述第一分支（21a）中的所述第一偏振模式的光程长度，L12是所述第一连接器（6a）与所述选择分束器之间的所述第一分支（21a）中的所述第二偏振模式的光程长度，L21是所述第二连接器（6b）与所述选择分束器之间的所述第二分支（21b）中的所述第一偏振模式的光程长度，以及L22是所述第二连接器（6b）与所述选择分束器之间的所述第二分支（21b）中的所述第二偏振模式的光程长度。

2.如权利要求1所述的传感器，其中，所述第一分支（21a）包括在90°的相互角下连接在其快与慢主轴之间的第一和第二双折射光纤段（l1、l'1）。

3.如权利要求2所述的传感器，其中，所述第一和所述第二双折射光纤段（l1、l'1）在所述第一连接器（6a）与所述选择分束器之间的位置（16）相遇。

4.如权利要求2所述的传感器，其中，所述第一和所述第二双折射光纤段（l1、l'1）在所述第一连接器（6a）与不是所述选择分束器的所述分束器之间的位置（16）相遇。

5.如权利要求2所述的传感器，其中，所述第一和所述第二双折射光纤段（l1、l'1）在所述第一连接器（6a）相遇。

6.如以上权利要求中的任一项所述的传感器，包括至少一个相位调制器（5），其适合调制所述第一和/或所述第二分支（21a、21b）中的所述光的相位，尤其适合引入干扰光波之间的微分相位调制。

7.如权利要求5所述的传感器，其中，相位调制器（5）布置在所述连接器（6a、6b）与所述第一分束器（20）之间。

8.如权利要求6所述的传感器，还包括调制器模块（5'），其集成所述第一分束器（20）、所述调制器（5）和至少一个偏振器，以用于偏振从所述调制器模块5'传播向所述第二分束器（22）的所述波。

9.如权利要求1-5中的任一项所述的传感器，还包括线缆组合件（25），其布置在所述连接器（6a、6b）与所述传感器头端（8）之间，其中所述线缆组合件（25）包括所述连接光纤（7）和所述第二分束器（22），并且分别结束于所述第一和所述第二连接器（6a、6b）的第一和第二连接器构件（6a-1、6b-1）中。

10.如权利要求1-5中的任一项所述的传感器，还包括所述连接器（6a、6b）与所述第二分束器（22）之间的所述第一和/或所述第二分支（21a、21b）中的偏振器（30'）。

11.如权利要求1-5中的任一项所述的传感器，还包括所述连接器（6a、6b）与所述第一分束器（20）之间的所述第一和/或所述第二分支（21a、21b）中的偏振器（30）。

12.如权利要求1-5中的任一项所述的传感器，还包括一侧上的所述检测器（24）和所述光源（2）与另一侧上的所述第一分束器（20）之间的偏振器（5'）。

13.如权利要求1-5中的任一项所述的传感器，其中，所述第一分支（21a）中的所述第一可释放连接器（6a）以及所述第二分支（21b）中的所述第二可释放连接器（6b）布置在使得通过将所述第一可释放连接器（6a）和所述第二可释放连接器（6b）断开，所述传感器头端（8）与所述光源（2）和/或与所述检测器（24）可分离的位置中。

14.如权利要求1-5中的任一项所述的传感器，其中，所述第一分支（21a）中的所述第一可释放连接器（6a）以及所述第二分支（21b）中的所述第二可释放连接器（6b）布置在使得通过将所述第一可释放连接器（6a）和所述第二可释放连接器（6b）断开，包括所述传感器头端（8）和所述第二分束器（22）的第一组组件与包括所述光源（2）、所述检测器（24）和所述第一分束器（20）的第二组组件可分离的位置中。