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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Anmeldung bezieht sich auf
optische Vorrichtungen, welche Licht zwischen linear und elliptisch
polarisierten Lichtzuständen
umwandeln, und ihre Anwendung in Stromsensoren.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Vorrichtungen, welche linear polarisiertes Licht
in zirkular polarisiertes Licht umwandeln und umgekehrt, sind in
der Literatur bekannt. Um solche optischen Vorrichtungen anzufertigen,
kann man eine doppelbrechende Faser mit zwei Lichtstrahlen gleicher
Frequenz und Amplitude benutzen (oder, äquivalenterweise, einem Strahl,
der die Vektorsumme dieser beiden Strahlen ist). Falls die beiden Strahlen
senkrecht zur optischen Achse propagiert werden, kann sich zirkular
polarisiertes Licht ergeben. Alternativ kann linear polarisiertes
Licht in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt werden, indem ein
Strahl und zwei Fasern benutzt werden.
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In der Praxis beinhaltet das Konstruieren
eines Einstrahlwandlers von linear zu zirkular polarisiertem Licht
erst mit einer Länge
einer Wandelfaser bzw. Umwandlungsfaser, größer als einer vorbestimmten
Länge zu
beginnen und mehrere Schritte bzw. Iterationen des Schneidens und
Messens der Polarisation durchzuführen, bis die Polarisation
als zirkular, innerhalb einer gewissen Spezifikation bzw. Vorschrift,
erachtet wird. Unnötig,
zu sagen, daß das eine mühsame und
langwierige Prozedur ist, die eine Menge Raten voraussetzt. Ein
Wandler von polarisiertem Licht, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1,
ist in US-A-4603941
offenbart.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1,
2, 4 und 5 definiert. Eine Ausführungsform
ist in Anspruch 3 definiert.
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Ein Wandler von polarisiertem Licht
ist offenbart, welcher eine doppelbrechende Faser aufweist, welche
in einem geeigneten Abstand von einem Ende der Faser unter einem
Winkel in eine Korkenzieherform gewunden bzw. gedrillt ist; der
Winkel und der Abstand sind so ausgewählt, daß linear polarisiertes Licht,
das an einem Ende der Faser, am weitesten entfernt von der Korkenzieherform
eintritt, die Faser elliptisch polarisiert verläßt. In vielen Ausführungsformen
ist der Winkel näherungsweise π/4 rad, und
der Abstand ist näherungsweise
ein Viertel einer Schwebungslänge.
Der Wandler von polarisiertem Licht kann eine Glas- bzw: optische
Faser enthalten, welche um eine dadurch laufende zentrale Achse
gewunden bzw. gedrillt ist, wobei die Faser durch die Abwesenheit
von gespleißten
Abschnitten charakterisiert ist.
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Außerdem ist ein Stromsensor
offenbart, welcher eine Quelle linear polarisierten Lichts enthält, wobei
die Quelle linear polarisierten Lichts den davor beschriebenen Wandler
von polarisiertem Licht enthalten kann, welcher das linear polarisierte
Licht in zirkular polarisiertes Licht umwandelt; eine Spule einer
optischen Faser, welche zumindest eine Windung aufweist; einen Richtkoppler,
um das zirkular polarisierte Licht von dem Wandler von polarisiertem Licht
optisch an die Spule zu koppeln, um gegenpropagierende bzw. in Gegenrichtung
fortschreitende Lichtstrahlen innerhalb der Spule zu erzeugen; und ein
optischer Detektor, um die gegenpropagierenden Lichtstrahlen zu
empfangen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches auf ein durch
einen elektrischen Strom erzeugtes magnetisches Feld hinweist. Die
Quelle linear polarisierten Lichts kann ein Diodenlaser sein.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines
Wandlers von polarisiertem Licht ist außerdem offenbart, welches das
Winden bzw. Verdrillen einer doppelbrechenden Faser durch einen
bzw. um einen bzw. unter einem Winkel, welcher näherungsweise π/4 rad sein kann,
beinhaltet, um eine Korkenzieherform zu produzieren; und das Verdrillen
der Faser in einem Abstand von näherungsweise
einem Viertel einer Schwebungslänge
von einem Ende der Faser. Das Verfahren kann außerdem das Heizen bzw. Erhitzen bzw.
Erwärmen
einer doppelbrechenden Faser, welche einen Kern und eine Umhüllung bzw.
Beschichtung bzw. Mantel umfaßt,
beinhalten, um zu bewirken, daß der
Kern und der Mantel interdiftusieren bzw. interdiftundieren bzw.
ineinander einwandern, wodurch der Zustand der Polarisation des
Lichts, das die Faser verlassen kann, geändert wird.
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Das Verdrillen der Faser kann durch
Erhitzen der Faser und durch das Überwachen des im wesentlichen
zirkular polarisierten die Faser verlassenden Lichts feinabgestimmt
bzw. fein eingestellt werden. Die Faser kann bevor, während oder
nach dem Verdrillen erhitzt werden. Der Winkel und der Abstand können so
gewählt
werden, daß am
ersten Ende eintretendes polarisiertes Licht das zweite Ende zufällig polarisiert
verläßt. Die
geeignete Länge
kann größer als
eine Dekohärenzlänge sein.
Zum Beispiel kann im wesentlichen polarisiertes Licht durch das
erste Ende der Faser eintreten, während im wesentlichen zufällig polarisiertes
Licht das zweite Ende der Faser verläßt.
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Ein Verfahren, um einen elektrischen
Strom in einem Leiter zu erkennen bzw. zu detektieren, ist außerdem offenbart,
welches das Vorsehen einer Quelle linear polarisierten Lichts beinhaltet;
das Umwandeln des linear polarisierten Lichts in zirkular polarisiertes
Licht, wobei ein Wandler von polarisiertem Licht, wie oben beschrieben,
benutzt wird; das Vorsehen einer Spule einer optischen Faser, welche
zumindest eine Windung aufweist; mit einem Richtkoppler das zirkular
polarisierte Licht von dem Wandler von polarisiertem Licht zu einer
Spule zu koppeln, um gegenpropagierende Lichtstrahlen innerhalb
der Spule zu kreieren; und das Empfangen der gegenpropagierenden
Lichtstrahlen mit einem optischen Detektor, um ein Ausgangssignal
zu erzeugen, welches auf ein durch einen elektrischen Strom erzeugtes
magnetisches Feld reagierend ist bzw. anspricht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 stellt
ein konventionelles Verfahren zur Herstellung eines Wandlers von
linear zu zirkular polarisiertem Licht durch Spleißen zweier
richtig orientierter Fasern dar.
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2 ist
ein Schema einer verdrillten Faser der vorliegenden Erfindung, das
die Notwendigkeit, die Fasern zusammen zu spleißen, vermeidet bzw. vorbeugt.
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3 stellt
dar, wie Feinabstimmung der Polarisation erreicht werden kann, indem
durch Heizen bzw. Erhitzen bzw. Erwärmen der Faser bewirkt wird, daß der Kern
in den Mantel diffundiert bzw. wandert.
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4 stellt
einen Stromsensor dar, welcher einen Polarisationswandler enthält.
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Detaillierte
Beschreibung von bestimmten Ausführungsformen
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Es ist oft wünschenswert, die Polarisation
eines Lichtstrahls von einem Zustand in einen anderen umzuwandeln.
Zu diesem Zweck wurden optische Vorrichtungen hergestellt, welche
linear polarisiertes Licht einführen
und elliptisch polarisiertes Licht ausgeben. Diese Vorrichtungen
funktionieren typischerweise, indem sie bewirken, daß einer
der zwei einfallenden linear polarisierten Lichtstrahlen hinter
dem anderen um eine vorgewählte
Phasendifferenz zurückbleibt.
Verändern
der relativen Phase der zwei einfallenden Strahlen hat den Effekt,
den Polarisationszustand des Lichts, das aus der optischen Vorrichtung
austritt, zu ändern.
Bevor betrachtet wird, wie diese Vorrichtungen des Standes der Technik
die Transformation von linear zu elliptisch polarisiertem Licht
durchführen,
und bevor die detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargelegt wird, wird es nützlich sein,
in Erinnerung zu bringen, wie elliptisch polarisiertes Licht entsteht.
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Zwei ortho gonale elektrische Felder
Ex und Ey, die beide
in der z-Richtung propagieren, können durch
die folgenden zwei Formeln beschrieben werden
Ex =
i E0x cos(kz – ωt) (1) und Ey =
j E0y cos(kz – ωt + δ), (2) wo i und
j Einheitsvektoren in den x- und y-Richtungen sind, k die Ausbreitungsnummer
ist, ω die
Kreisfrequenz ist und δ die
relative Phasendifferenz zwischen den zwei Moden ist. Das gesamte
elektrische Feld E ist einfach durch die Vektorsumme Ex +
Ey gegeben. Ein Beobachter, welcher an einem
festen Punkt auf der z-Achse steht und die Komponenten Ex und Ey des gesamten
elektrischen Feldes gleichzeitig mißt, würde feststellen, daß diese
Komponenten auf die Kurve (Ex/E0x)2 + (Ey/E0x)2 – 2(Ex/E0x)(Ey/E0y)cos δ =
sin2δ (3) fallen würden. Gleichung
(3) ist die bekannte Gleichung einer Ellipse, die einen Winkel α mit dem
(Ex, Ey)-Koordinatensystem
eingeht, wo tan 2α = (2 E0x E0y cos δ) ÷ (E0x
2 – E0y
2). (4) Also entspricht
E elliptisch polarisiertem Licht. Aus Gleichung (3) kann gesehen
werden, daß die
Phasendifferenz δ einige
der Kennzeichen der Ellipse vorschreibt. Zum Beispiel, falls δ gleich einem
geraden Vielfachen von 2π wäre (d. h.
falls Ex und Ey in Phase
sind), dann reduziert sich Gleichung (3) zu Ey =
(E0y/E0x)Ex, welche die Gleichung einer geraden Linie
ist; in diesem Fall ist E linear polarisiert. Auf der anderen Seite,
falls δ gleich ± π/2, ± 3π/2, ± 5π/2, ... ist,
und angenommen E0x = E0y =
E0, reduziert sich Gleichung (3) zu E0x
2 + E0y
2 = E0
2,
welche die Gleichung eines Kreises ist. In diesem Fall ist E zirkular polarisiert.
Natürlich
sind zirkular und linear polarisiertes Licht nur Spezialfälle von
elliptisch polarisiertem Licht, eine Linie und ein Kreis sind spezielle
Typen einer Ellipse.
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Von den obigen Überlegungen ist klar, daß, falls
zwei senkrechte Lichtmoden mit gleichen Amplituden, wie durch Gleichungen
(1) und (2) mit E0x = E0y beschrieben,
in eine optische Vorrichtung eindringen und sich fortsetzt, um die
Vorrichtung mit einer Phasenverschiebung von π/2 zu verlassen, wäre das Resultat
zirkular polarisiertes Licht. Typische optische Vorrichtungen, die
dazu dienen linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes
Licht umzuwandeln, arbeiten nach diesem Prinzip.
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Zum Beispiel sind doppelbrechende
Lichtleitfasern anisotrop, das bedeutet, daß sie nicht die gleichen optischen
Eigenschaften in allen Richtungen aufweisen. Solche Fasern weisen
die folgenden Eigenschaften auf: Falls sich zwei linear polarisierte Lichtstrahlen
entlang der Faser ausbreiten bzw. bewegen, oder entlang der zwei
Achsen, und des weiteren ein Strahl entlang der y-Achse polarisiert
ist und der andere entlang der z-Achse, dann wird, während sich
der entlang der y-Achse polarisierte Strahl mit einer Geschwindigkeit
v bewegt der andere Strahl, welcher entlang der x-Achse polarisiert
ist, eine andere Geschwindigkeit aufweisen. In einer doppelbrechenden
Faser kann sich der Term „optische
Achse" entweder
auf die schnelle oder die langsame Achse beziehen, welche hier als
die x- und y-Achsen genommen werden, beide rechtwinklig zur Ausbreitungsachse,
welche hier als die z-Achse
genommen wird. Zwei solche Strahlen, welche sich rechtwinklig zu
der optischen Achse bewegen, können
in Phase in die Faser eindringen, werden aber aufgrund ihrer ungleichen
Geschwindigkeiten mit einer von Null verschiedenen Phasendifferenz δ austreten.
Das Resultat, wie oben gesehen, ist elliptisch polarisiertes Licht.
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In der Zeit Δt, die der sich schneller bewegende
Strahl benötigt,
um die doppelbrechende Faser zu durchqueren, wird der schnellere
Strahl mit der Geschwindigkeit vfast den
langsameren Strahl mit der Geschwindigkeit vsl
ow um eine Distanz (vfast – vslow)Δt hinter
sich lassen. Diese zuletzt genannte Distanz beinhaltet (vfast – Vslow)Δt/λslow Wellen
des sich langsamer bewegenden Strahls mit der Wellenlänge λslow. Unter
Beachtung von Δt
= L/vfast, wo L die Faserlänge ist,
ist die Phasendifferenz zwischen zwei Strahlen gegeben durch δ = 2π(vfast – vslow)L/(λslow vfast). (5)
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Diese letzte Gleichung kann umgeschrieben werden
durch Substitution von vfast = λfast ν, (6) und vslow = λslow ν (7) wo ν die gemeinsame
Frequenz des langsamen und schnellen Strahls ist, um L = (δ/2π)(1/λslow – 1/λfast)–1 (8) zu erhalten.
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Diese letzte Gleichung macht klar,
daß man eine
doppelbrechende Faser abstimmen kann, um als Wandler von linear
polarisiertem Licht in elliptisch polarisiertes Licht, einfach durch
die Wahl der richtigen Länge
L der Faser, zu dienen, obwohl diese Länge anhand der Gleichungen
(7) und (8) von der Frequenz des Lichts abhängt. Die Länge der Faser, die zu einer
Phasendifferenz von 2π führt und
die daher die Polarisation unverändert
läßt, ist
als Schwebungslänge,
angegeben durch Lb, bekannt und wird in
der unteren Diskussion eine Rolle spielen.
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Um optische Vorrichtungen zu machen,
welche linear polarisiertes Licht in elliptisch polarisiertes Licht
umwandeln, kann man eine doppelbrechende Faser benutzen, und zwar
mit zwei Lichtstrahlen von gleicher Frequenz und Amplitude (oder äquivalent dazu,
einen Strahl, welcher die Vektorsumme dieser beiden Strahlen ist,
da, wie im Stand der Technik bekannt ist, ein einzelner Strahl linear
polarisierten Lichts als die Vektorsumme von zwei Strahlen, jeder mit
einer einfach linear polarisierten Komponente, beschrieben werden
kann; umgekehrt können
zwei linear polarisierte Strahlen zu einem einfach linear polarisierten
Strahl vektorsummiert werden). Alternativ können Polarisationskomponenten
mit ungleicher Amplitude angewendet werden. Wie oben diskutiert wurde,
falls zwei Strahlen senkrecht zu der x-Achse propagiert werden,
und ihre Polarisationen entlang der x- und der y-Achsen sind, kann
elliptisch polarisiertes Licht resultieren. Alternativ kann linear
polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt
werden, indem ein Strahl und zwei Fasern, von denen eine doppelbrechend
und von der Länge
Lb/4 ist, benutzt werden.
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In bezug auf 1 kann ein solcher Einstrahlwandler von
linear polarisiertem Licht zu zirkular polarisiertem Licht hergestellt
werden, indem zwei Silica- oder Glasfasern verschmolzen werden.
Eine dieser Fasern ist die Übertragungsfaser 2,
welche Licht zu einer zweiten doppelbrechenden Faser, bekannt als
die Umwandlungsfaser 4, bringt bzw. liefert. Die Umwandlungsfaser 4 ist
zu einer Länge
Lb/4 geschnitten. Zusätzlich ist die relative Orientierung
der zwei Fasern derart gewählt,
daß die
Richtung der Polarisation eines Lichtstrahls, welcher sich in der Übertragungsfaser 2 fortbewegt,
bezüglich
der optischen Achse der optischen Achse der Umwandlungsfaser um π/4 rad gedreht
ist, wie durch den Querschnitt 6 der Übertragungsfaser und durch
den Querschnitt 8 der Umwandlungsfaser gezeigt ist. So
ein Vorgang kann mit einem standard kommerziell erhältlichen Fusionsspleißer gemacht
werden. Allerdings hat jede Fehlausrichtung der Fasern zur Folge,
daß etwas Licht
an der Spleißstelle 10 verloren
geht. Außerdem, wie
Gleichung 5 klarmacht, wachsen Fehler in der Phasendifferenz δ linear mit
Fehlern in der Faserlänge
L. In der Praxis beinhaltet das Konstruieren eines Einstrahlumwandlers
von linear zu zirkular polarisiertem Licht erst mit einer Länge einer
Umwandlungsfaser 4, größer als
Lb/4 zu beginnen und mehrere Schritte bzw.
Iterationen des Schneidens und Messens der Polarisation durchzuführen, bis
die Polarisation als zirkular innerhalb einer gewissen Spezifikation,
erachtet ist. Unnötig
zu sagen, daß das
eine mühsame
und langwierige Prozedur ist, die eine Menge Raten voraussetzt.
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Die vorliegende Erfindung löst einige
der vorher genannten Probleme, indem eine Alternativmethode zur
Herstellung eines Einstrahlwandlers von polarisiertem Licht vorgestellt
ist. In bezug auf 2 wird,
anstatt 2 Fasern um π/4
rad versetzt zu spleißen,
in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung eine einzelne doppelbrechende
Faser 12 unter diesem Winkel gewunden bzw. verdrillt. Der
verwundene bzw. verdrillte Bereich 14 in der Faser kann
durch Heizen bzw. Erhitzen bzw. Erwärmen der doppelbrechenden Faser 12 unter
Verwendung von Bogenelektroden 16 erreicht werden.
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In bezug auf 3 wird anstatt der mühsamen Schritte des Schneidens
und Überwachens
in den Verfahren der vorliegenden Erfindung die Feinabstimmung erreicht,
und zwar durch Erhitzen mit einem von Bogenelektroden 22 hergestellten
Diffusionsbogen 26, um die Diffusion bzw. das Diffundieren bzw.
das Einwandern des Faserkerns in die Umhüllung bzw. den Mantel bzw.
die Beschichtung zu bewirken. Das Erhitzen kann andauern, bis ein
Polarisationsmonitor bzw. eine Polarisationsüberwachung 24 anzeigt,
daß der
richtige Polarisationszustand erreicht ist. Der Effekt der Diffusion
ist, die Felder der Fasermoden auszudehnen und so die effektive
Differenz vfast – vslow zu
reduzieren.
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Die Schritte des Verdrillens und
der Diffusion sind konzeptionell unabhängig, und jeder kann profitabel
benutzt werden, um Wandler von linear zu elliptisch polarisiertem
Licht zu machen. Variieren des Winkels, unter welchem die doppelbrechende
Faser 12 verdrillt ist, kommt dem Variieren der Amplituden E0x und E0y von Gleichung
(3) gleich und resultiert in verschiedenen Zuständen von elliptisch polarisiertem Licht.
Der Schritt der Diffusion, auf der anderen Seite, kann jederzeit
benutzt werden, wann immer etwas Feinabstimmung der Polarisation
benötigt
ist. Zum Beispiel nach Spleißen
zweier Fasern geeigneter Länge
gemäß konventioneller
Verfahren, kann der Zustand der Polarisation feinabgestimmt werden,
indem bewirkt wird, daß der
Kern in die Umhüllung
diffundiert.
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Man kann einen Wandler auch unter
Verwendung einer doppelbrechenden Faser und zwei Strahlen linear
polarisierten Lichts herstellen. Falls die zwei Strahlen senkrecht
zu der x- (d. h. der optischen) Achse propagiert werden, und ihre
Polarisationen entlang der x- und y-Achsen sind, entsteht elliptisch
polarisiertes Licht. Nach dem Schneiden einer einzelnen Faser zu
einer geeignet Länge
kann Feinabstimmung der gesuchten Polarisation erreicht werden,
indem durch Erhitzen der Faser die Diffusion des Kerns in die Umhüllung, wie
oben erwähnt,
erreicht wird.
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Die vorliegende Erfindung zeigt ein
günstigeres
bzw. geeigneteres Verfahren auf, um einen Wandler von polarisiertem
Licht herzustellen. Der erste Schritt der Methode vermeidet die
Notwendigkeit, eine Übermittlungsfaser 2 an
eine Umwandlungsdoppelbrechende-Faser 4 der Länge Lb/4 zu spleißen, mit dem Ziel, einen Wandler
von linear zu zirkular polarisiertem Licht zu produzieren. Anstelle dessen
wird eine günstige
bzw. geeignete Länge
einer doppelbrechenden Faser 12 zu dem Erweichungspunkt
des Glases erwärmt
und dann unter einem Winkel von näherungsweise π/4 rad verdrillt, wobei
die Richtung des verdrillten Bereiches 14 (d. h. in oder
gegen den Uhrzeigersinn) bestimmt, ob das emittierte Licht rechts
oder links zirkular polarisiert ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
sollte das Verdrillen über
eine so kurze Länge
als möglich
vorkommen. Verdrillen einer einzelnen Faser um π/4 rad, anstatt zwei Fasern
um diesen Winkel versetzt zu spleißen, hält optische Verluste niedrig.
Welche Verluste auftreten, sind in der Praxis kaum meßbar.
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Im nächsten Schritt der Erfindung
wird das Feinabstimmen in der folgenden Art und Weise durchgeführt. Erst
wird die doppelbrechende Faser 12 geschnitten bzw. abgeschnitten,
so daß ihre
Länge von
dem verdrillten Bereich 14 zum Ende der Faser etwas größer als
Lb/4 ist. Die verdrillte doppelbrechende
Faser 12 ist zwischen den Bogenelektroden 22 eines
Faserfusionsspleißers
positioniert, wo die Bogenelektroden 22 weiter aus der
Faser zurückgezogen
sind, als ihre Position in einem normalen Spleißvorgang. Ein Diffusionsbogen 26 ist
von einem Strom betroffen bzw. durchflossen , welcher niedriger ist
als der, der zum Spleißen
benutzt wird, um die Temperatur der doppelbrechenden Faser 12 zu
einem Punkt unter der des Schmelzpunktes zu erhöhen, aber wo der Faserkern
beginnt in seine Umhüllung
zu diffundieren. Der Effekt der Diffusion ist, die Felder der Fasermoden
auszudehnen und somit den effektiven Propagationsindex zu reduzieren.
Das aus dem Wandler austretende Licht wird während dieses Vorgangs mit Hilfe
eines Polarisationsmonitors 24 überwacht, und die Diffusion
wird angehalten, wenn das Licht zirkular polarisiert ist. 3 zeigt die Anordnung.
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Obwohl, was oben beschrieben wurde,
eine bevorzugte Methode, zur Herstellung eines Einstrahlwandlers
von linear zu zirkular polarisiertem Licht mit den Schritten Verdrillen
und Diffusion ist, soll verstanden werden, daß diese zwei Schritte unabhängig sind und
jeder profitabel einzeln benutzt werden kann. Zum Beispiel, um einen
Einstrahlwandler von linear zu zirkular polarisiertem Licht zu bilden,
kann eine einzelne doppelbrechende Faser wie oben beschrieben verdrillt
werden und dann nicht durch die bevorzugte Methode der Diffusion
fein abgestimmt werden, sondern durch eine konventionelle Methode
mit Schritten des Schneidens der Faser zu einer geeigneten Länge und
der Überwachung
der Polarisation.
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Alternativ können zwei Fasern wie in gewöhnlichen
Vorangehensweisen zusammengespleißt werden. Die Umwandlungsfaser
würde dann zu
einer Länge
von näherungsweise
Lb/4 geschnitten werden. Allerdings, nicht
wie in den gewöhnlichen Methoden,
welche dann durch Schritte des Schneidens und Überwachens feinabstimmen, könnte das Abstimmen
damit vorangehen, indem der Kern veranlaßt wird, in die Umhüllung zu
diffundieren, wie oben beschrieben.
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Schließlich, anstatt eine doppelbrechende Faser
unter einem Winkel von π/4
rad zu verdrillen, was einer Wahl von E0x =
E0y in Gleichung (3) entspricht, könnte die
Faser unter variierenden Winkeln verdrillt werden. Dies wäre effektiv äquivalent
zum Variieren der Amplituden E0x und E0y. Wie aus dieser Gleichung gesehen werden
kann, sogar, falls die Länge
der Faser zu einer Phasendifferenz von π/4 rad führen würde, wäre das Resultat im allgemeinen elliptisch
polarisiertes Licht, d. h. nicht zirkular.
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Die obigen Verfahren haben das Herstellen eines
Einstrahlwandlers von linear zu zirkular oder in dem Fall, wo der
Verdrillungswinkel nicht π/4
rad ist, elliptisch polarisierten Lichts beinhaltet. Wie oben erwähnt, kann
man auch einen Wandler unter Benutzung einer doppelbrechenden Faser
und zwei Strahlen linear polarisierten Lichts (natürlich sind
zwei Strahlen superpositionierten Lichts äquivalent zu einem einzelnen
Strahl gleich der Vektorsumme der zwei einzelnen bzw. konstituierenden
Strahlen) bauen. Falls die zwei Strahlen entlang der z-Achse senkrecht
zu der x- (d. h. der optischen) Achse propagiert werden, und ihre
Polarisationen entlang der x- und y-Achsen sind, kann elliptisch
polarisiertes Licht resultieren. Nach den Gleichungen 3, 4 und 5
ist die Art des elliptisch polarisierten Lichts, welches entsteht, von
der Länge
der Faser L abhängig.
Nach dem Schneiden der doppelbrechenden Faser zu einer geeigneten
Länge kann
das Feinabstimmen mit der Polarisation durch Diffusion des Kerns
in die Umhüllung, wie
oben beschrieben, voranschreiten.
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Der Wandler von linear zu zirkular
polarisiertem Licht, wie oben beschrieben, kann in einem Stromsensor
unter Ausnutzung des Faraday-Effekts in einem Sagnac-Interferometer benutzt
werden. Ein wesentliches Merkmal eines Sagnac-Interferometers ist ein Aufspalten eines
Lichtstrahls in zwei Strahlen. Durch Benutzung von Spiegeln oder
optischen Fasern sind beide Lichtstrahlen so gemacht, zumindest eine
Schleife zu durchqueren, aber in entgegengesetzte Richtungen. Am
Ende der Reise um die Schleife bzw. der Umrundung der Schleife werden beide
Strahlen rekombiniert und erlauben damit das Auftreten von Interferenz.
Jegliche Störung,
welche einen oder beide Strahlen beeinflußt, während sie die Schleife durchqueren,
weist die Möglichkeit
auf, das beim Rekombinieren der Strahlen beobachtete Interferenzmuster
zu verändern.
Das Rotieren der Vorrichtung ist die traditionelle Störung, die
mit Sagnac's Namen
in Verbindung gebracht wird. Eine andere Störung, die zum Faraday-Effekt
führt,
beinhaltet das Anlegen eines externen magnetischen Feldes an das Medium,
welches die Schleife bildet, durch welche das Licht reist. Unter
dem Einfluß eines
solchen Feldes werden die Eigenschaften des lichtübertragenden
Mediums, welches die Schleife bildet, verändert, um so eine Veränderung
in der Richtung der Polarisation des Lichtes zu bewirken. Im Gegenzug
resultiert diese Veränderung
in der Richtung der Polarisation in einer Veränderung des beobachteten Interferenzmusters.
Diese Arten von Störungen,
welche zu einer Modifikation in dem beobachteten Interferenzmuster
führen,
sind als nicht-reziproke Störungen
bekannt. Sie werden so genannt, weil, anders als in reziproken Effekten,
in welchen sich die in einem Strahl produzierte Änderung mit der in dem anderen
produzierten aufhebt, sich die in beiden Strahlen produzierten Änderungen
verstärken,
um eine Modifikation in dem resultierenden Interferenzmuster hervorzubringen.
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In 4 ist
ein Schema eines Sagnac-Interferometer-Stromsensors der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Der Lichtstrahl 31 tritt aus einer
Laserquelle 32 aus, welche bevorzugterweise ein Diodenlaser
ist, welcher vorherrschend in einer einfachen transversalen Mode
oszilliert und weicher ein breites und gaussförmiges optisches Spektrum aufweist,
so daß Rückstreurauschen
und Kerr-Effektprobleme reduziert sind. Der Lichtstrahl 31 passiert
durch einen ersten Direktkoppler 33, welcher den optischen
Detektor 34 isoliert und dann einen Wandler 35 von
linear zu zirkular polarisiertem Licht, um einen einzigen Polarisationszustand
sicherzustellen bzw. zu gewährleisten,
welcher in einer bevorzugten Ausführungsform zirkulare Polarisation
ist. Der Lichtstrahl wird dann durch den zweiten Richtkoppler 36 zweigeteilt.
Ein Strahl wird in ein Ende einer Meßspule 41 geleitet,
welche Schlaufen einer polarisationerhaltenden Faser 37 aufweist;
diese polarisationerhaltende Faser 37 ist nicht doppelbrechend:
Der andere Lichtstrahl aus dem Richtkoppler 36 wird durch
einen Phasenmodulator 40 in das andere Ende der Meßspule geleitet,
welche Schlaufen polarisationerhaltenader Faser 37 aufweist.
Aus den zwei Faserenden austretendes Licht wird durch den Richtkoppler 36 rekombiniert
und durch einen optischen Detektor 34 detektiert bzw. nachgewiesen.
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Ein stromführendes Kabel 38,
mit seinem begleitenden magnetisches Feld 39, verläuft aus
der Seite heraus. Das magnetische Feld 39 verändert die physikalischen
Eigenschaften der Meßspulen
aus polarisationerhaltender Faser 37. Die zirkulare Polarisation
beider um die Meßspule
der polarisationerhaltenden Faser 37 verlaufenden Strahlen
ist damit modifiziert. Insbesondere bewirkt das magnetische Feld
eine Phasenverschiebung (welche nicht verwechselt werden sollte
mit der Phasendifferenz δ aus Gleichung
(2)), welche einer Rotation der Richtung des elektrischen Feldes
entspricht. Diese Phasenverschiebung resultiert in einer Änderung
in der Interferenz, wenn beide Lichtstrahlen an dem Richtkoppler 36 wiedervereint
werden, bevor sie durch den Wandler 35 von linear zu zirkular
polarisiertem Licht zu dem optischen Detektor 34 passieren.
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Wie oben erwähnt, ist in einer bevorzugten Ausführungsform
der Zustand der Polarisation des Lichtstrahls, welcher in die Meßspule aus
polarisationerthaltender Faser 37 eintritt, nach Verlassen
des Wandlers 25 von linear zu zirkular polarisiertem Licht, zirkular.
Folglich ist die polarisationerhaltende Faser 37 der Spule
zirkular gekernt bzw. im Kern zirkular. Allerdings, wenn die Faser 37 einer
Spule gebogen ist, treten Spannungen auf, welche zu anisotropischen
Effekten führen.
Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, die Faser 37 zur Übertragung
des Lichts durch das Kühlen bzw.
Ausglühen
bzw. Tempern bzw. Vergüten
der Faser 37, während
sie in einer Spule ist, vorzubereiten. Es ist wünschenswert, die Faser so symmetrisch
als möglich
zu halten; in der Abwesenheit eines externen magnetischen Feldes, zielt
man darauf ab, die Phase des übertragenen Lichtes über die
Länge der
Meßspule,
welche ungefähr
6 m lang ist, nicht merklich zu ändern.
Idealerweise soll die Schwebungslänge nicht weniger als 6 m sein;
allerdings ist in dem gegenwärtigen
Fall die Schwebungslänge
näherungsweise
3 mm. Somit sollte man mit einer Faser beginnen, welche so symmetrisch
als möglich
ist. Man kann die Fasern von einer Vorform ziehen, während die
Vorform umsponnen bzw. gedreht wird, und zwar mit dem Ziel eine möglichst
symmetrische Faser zu produzieren. Wie oben erwähnt, kann, nachdem die Faser
zu einer Spule gewunden ist, Kühlen
dabei helfen, alle Spannungen zu eliminieren.
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Der Wandler 35 von linear
zu zirkular polarisiertem Licht ist der oben diskutierte Wandler,
wobei eine doppelbrechende Faser unter einem Winkel von 45° verdrillt
wird, wonach sie bei näherungsweise
einem Viertel einer Schwebungslänge
abgeschnitten ist. Feinabstimmen kann dann, wie oben beschrieben,
voranschreiten, mit einem Zusatz: das dem verdrillten Bereich nächste Ende
wird zuerst zu der zirkular gekernten Faser gespleißt, welche
zu einer Meßspule
aus polarisationerhaltender Faser 37 gewunden ist. Nur
dann schreitet die Feinabstimmung durch Heizen bzw. Erwärmen bzw.
Erhitzen fort.
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Beim Messen der Phasendifferenz α, welche sich
aus dem Farraday-Effekt ergibt, ist es hilfreich, sich zu erinnern,
daß die
gemessene optische Leistung proportional ist zum Quadrat des Absolutwertes des
detektierten elektrischen Feldes. Durch Ignorieren der nichtreziproken
Leistungsdifferenz, welche für
die typischerweise benutzte Spulenlänge vernachlässigbar
ist, stellt sich die detektierte Leistung als proportional zu (1
+ cos α)
heraus. Dieser Faktor stellt eine gewisse Schwierigkeit dar, wenn
versucht wird die typischerweise kleinen Phaseverschiebungen α zu messen.
Insbesondere ist die Rate der Änderung
von 1 + cos α asymptotisch
zu -α während sich α Null annähert, was
es schwierig macht, Änderungen
in der Phasenverschiebung experimentell zu messen. Es wird deshalb
notwendig, eine Vorphasendifferenz zu addieren, um das abgetastete
bzw. geprüfte
Signal so zu verschieben, um somit Beides, die Maxima und Minima
der Sinuskurven bzw. Sinosoiden zu vermeiden. Der Phasenmodulator 40 in 4 führt diese Funktion aus, indem
die gewünschte
Größe der Phasendifferenzmodulation
kreiert bzw. geschaffen wird. Da der Phasenmodulator 40 an
einem Ende der polarisationerhaltenden Faser 37 positioniert
ist, erhalten die beiden gegenpropagierenden Lichtstrahlen die gleiche
Phasenmodulation aber zu unterschiedlichen Zeiten, wodurch eine
nichtreziproke Phasendifferenzmodulation zwischen den interferierenden
Strahlen realisiert wird. Da das abgetastete Signal auf einem Hochfrequenzträger (d.
h. dem Phasenmodulationssignal) vorgespannt (engt.: biased) ist,
ist elektronisches Rauschen im wesentlichen eliminiert, während Meßgenauigkeit
erhöht
ist.
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Für
den Stromsensor der 4 wird
eine einheitliche Länge
der optischen Faser für
die polarisationerhaltende Faser 37 benutzt, mit einem
sich von einem Ende der Spule erstreckenden Faserabschnitt, welcher
benutzt wird, um eine Lichtbahn bzw. einen Lichtweg zwischen der
optischen Quelle 32, dem Richtkoppler 33, dem
Wandler 35 von linear zu zirkular polarisiertem Licht und
dem Koppler 36 herzustellen. Ein Faserabschnitt, welcher
sich von dem anderen Ende der polarisationerhaltenden Faser 37 erstreckt,
stellt eine Lichtbahn zwischen dem entsprechenden Spulenende, dem
Phasenmodulator 40 und dem Richtkoppler 36 her.
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Zur Optimierung der Wirkungsweise
des Stromsensors der 4,
muß die
magnetische Feldsensibilität
maximiert werden, und die Rauschsensibilität muß minimiert werden. Um dies
zu erreichen, ist es wünschenswert,
die Transit- .bzw.
Durchgangszeit t, welche von den gegenpropagierenden Lichtstrahlen
benötigt
wird, um die Länge
der Faserspule zu durchqueren, mit der Phasenmodulationsfrequenz
fm gemäß der folgenden
Beziehung anzupassen: ωmt = π (9) wo ωm die Kreis- bzw. Winkelfrequenz der Modulationsquelle
ist und gleich 2πfm ist. Was die Gruppengeschwindigkeit vg der durch die Faser geführten optischen Welle betrifft,
so ist die Durchgangszeit t definiert als t = Lf/vg (10) wo Lf die Länge
der polarisationerhaltenden Faser 37 ist. Substitution
der Gleichung (10) in Gleichung (9) liefert den folgenden Ausdruck
für die
Modulationsfrequenz fm = vg/2Lf. (11)
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Da die Gruppengeschwindigkeit vg näherungsweise
gleich zu c/n ist, wo c die Lichtgeschwindigkeit in Vakuum ist,
und n der durchschnittliche Brechungsindex des Faserkerns und der
Umhüllung
ist, repräsentiert
die Größe vg eine Konstante. Folglich ist die Modulationsfrequenz
fm invers proportional zu der Länge
der polarisationerhaltenden Faser Lf.
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Es existiert daher gegenwärtig eine
Technik zum Messen des Stroms durch einen Leiter: als Folge des
Biot-Savartenschen Gesetzes, führt
ein unendlich langer, leitender, z. B. einen Strom i führender Draht
zu einem magnetischen Feld, dessen Größe in einem Abstand R von dem
Draht μ0i ÷ (2πR) ist, wo μ0 die
Permeabilität
des freien Raums ist. Falls das oben beschriebene Sagnac-Inferometer
in das magnetische Feld eingetaucht ist, werden sich die Eigenschaften
der polarisationerhaltenden Faser 37, welche die Spule
bildet, ändern,
um das beobachtete Interferenzmuster zu beeinflussen. Damit kann
von der Veränderung
in diesem Muster der Strom i abgeleitet werden. Ähnliche Stromsensoren sind
im Stand der Technik bekannt, z. B. in Interferometervorrichtung zum
Messen von magnetischen Feldern und elektrische Stromaufnahme umfassend
eine Vorrichtung (engt.: Interferometer device for measurement of
magnetic fields and electric current pickup comprising a device),
US Patentanmeldung, angemeldet am 14. Mai 1985, Anmeldenummer 4,560,867,
benennend Papuchon, Michel; Arditty, Herve; Puech, Claude als Erfinder,
welches hier durch Referenz eingefügt ist. Die Ausführung von
Stromsensoren ist ähnlich
zu der von faseroptischen Rotationssensoren des Typs, wie sie in
Glasfaserrotationssensor oder Gyroscop mit verbesserter Sensorspule
(engt.: Fiber Optic Rotation Sensor or Gyroscope with Improved Sensing Coil),
US Patentanmeldung, angemeldet am 7. April 1995, Anmeldenummer 5,552,887,
benennend Dyott, Richard B. als Erfinder, welches hier durch Referenz
eingefügt
ist, vorkommen.
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Der zuvor genannte Stromsensor hat.
mehrere attraktive Merkmale. Er weist keine beweglichen Teile auf,
wobei sich erhöhte
Verläßlichkeit
ergibt. Es gibt keine Querachsensensibilitäten gegenüber Vibration, Beschleunigung
oder Schock. Der Stromsensor ist stabil hinsichtlich Temperaturfluktuationen
und weist eine lange Betriebszeit auf, was ihn in einer breiten
Vielzahl von Anwendungen nützlich
macht, beinhaltend Landnavigation, Positionierung, Robotik und Instrumentierung
bzw. gerätetechnische
Ausrüstung
bzw. Geräteausrüstung.
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Eine Anwendung des Stromsensors ist
zum Messen von Hochspannungen (> 0,1
MV) in Leitern, welche in Spannungstransformatoren gegenwärtig sind.
Ungefähr
6 m polarisationerhaltende Faser werden zu einer mehrwindigen Schleife
gewunden, an Ort und Stelle vergütet,
und dann wird der Leiter durch die Meßspule gefädelt. Der Stromsensor kann auch
als Ausschaltvorrichtung benutzt werden, welche sehr schnell einen
Kurzschluß detektieren
würde.
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Es wird vom Fachmann verstanden,
daß perfekt
linear oder zirkular polarisiertes Licht eine Idealisierung ist,
welche nicht realisiert werden kann. Das heißt, in der Praxis können unkontrollierbare
Faktoren existieren, die zu einigen Abweichungen von perfekt linear
oder zirkular polarisiertem Licht führen. Daher soll verstanden
werden, daß,
wenn Bezug zu linear oder zirkular polarisiertem Licht gemacht wird, die
Bedeutung dieser Ausdrücke
so genommen werden soll, daß sie
wirkungsvoll bzw. effektiv oder näherungsweise linear oder zirkular
polarisiertes Licht bedeuten.
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Während
die Erfindung in Verbindung mit den gezeigten und im Detail beschriebenen
bevorzugten Ausführungsformen
offenbart wurde, zeigen sich dem Fachmann leicht verschiedene Modifikationen
und Verbesserungen davon. Folglich ist der Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche eingeschränkt.