JP2009150886A

JP2009150886A - 光ファイバ電流センサおよびそれを用いた電流検知方法

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Publication number: JP2009150886A
Application number: JP2008320977A
Authority: JP
Inventors: Glen A Sanders; グレン・エイ・サンダース; Steve J Sanders; スティーヴ・ジェイ・サンダース
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2009-07-09
Also published as: CA2646838A1; EP2073026A2; US20100309473A1

Abstract

【課題】性能が改善され、コストが低減された、電流を検知するための光ファイバ電流センサ装置を提供する。
【解決手段】装置は、第１および第２の対向する端部を有する光ファイバ１４と、再循環器（２２）であって、光が光ファイバのそれぞれ第１および第２の端部から伝播するとき、光の少なくとも一部は、再循環器によって光ファイバのそれぞれの対向する端部内へ反射され、導かれまたは通されて光ファイバを通って伝播し、貫通した開口部を有する光ループを形成するように構成された再循環器２２とを含む。光が通過するとき、光ループによって取り囲まれた領域を通って電流が流れると、光ファイバの屈折率が変化する。電流の測定におけるショット雑音などの光ノイズ源によって生じる不確実さがより小さくなるので、共振器を用いた設計によって高性能を実現することができる。
【選択図】図１

Description

リングレーザジャイロスコープ（ＲＬＧ）および干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）は、通常、宇宙航行体などの様々な対象物の回転および角度方向を検知するために、多くのシステムで広く用いられる技術となっている。ＲＬＧおよびＩＦＯＧは共に、回転軸に沿った法線を有する領域を取り囲む閉光路を巡る対向する方向に、光を導くことによって動作する。デバイスがこの回転軸の周りに回転されると、一方の方向に進む光に対する光路長は減少し、対向する方向に進む光に対する光路長は増加する。経路長の変化は、２つの光波の間に回転速度に比例した位相シフトを引き起こす。

一般的に言えば、このようなジャイロスコープの信号対雑音比すなわち感度は、閉光路の光路長および直径が増加するに従って向上する。この感度の向上を利用するために、ＲＬＧおよびＩＦＯＧは共に、回転軸の周りに光を複数回、導く。ＲＬＧでは、一連のミラーを用いて軸の周りに光を繰り返し反射させ、高フィネスの共振器を形成する。ＩＦＯＧでは、光は、軸の周りを光ファイバの多数回の巻数を有するコイルを通って進み、結果としてしばしば経路長は数キロメートルになる。ＲＬＧの再循環、およびＩＦＯＧでのファイバの多数回の巻数は共に、センサの性能を向上する手段であり、光路が長いほど、回転に対する信号対雑音比感度が増す。たとえばＩＦＯＧでは、コイルのファイバの巻き数を増すことで、より高性能のセンサとなる。ＲＬＧは、性能を最大にするために再循環を用いるが、ファイバの巻数を増やすことに対する類推により、ＲＬＧ経路長をスケーリングすることは容易にはできない。

近年では、上述のＲＬＧおよびＩＦＯＧの経路長の恩恵を組み合わせて、多重巻光ファイバコイル内に光を再循環させる単一のデバイスとした、共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）が開発されてきている。すなわち、コイル内に光を再循環させることにより、コイルは光共振器の一部となる。通常、共振器は、光を光源からコイル内へ結合し、光をファイバコイル内において複数回再循環させることを可能にし、またはそれを実現する、光学素子（「再循環デバイス」）を用いる。再循環素子は、１つまたは複数の光学素子であり、たとえばミラーまたはファイバカプラでよい。再循環デバイスと多重巻光ファイバコイルを組み合わせることにより、非常に長い経路長の光共振器が形成される。これらのＲＬＧとＩＦＯＧの性能上の恩恵の組合せにより、ＲＦＯＧは、等しいサイズのＲＬＧまたはＩＦＯＧのいずれよりも優れた性能をもたらすことが可能となる。あるいはＲＦＯＧは、所与の性能レベルに対して、ＲＬＧまたはＩＦＯＧのいずれよりも短い光ファイバコイルを用いることができ、したがって大幅に小型化することができる。
米国特許第４，６７３，２９３号

ＲＦＯＧに関する１つの潜在的な難しさは、回転でなく、通常の光ファイバによって得られる（有限の非線形性を有する）ガラス媒体内を単色光が伝播することに起因して、位相シフトが生じ得ることである。これらの位相シフトは、ジャイロスコープではレートバイアスオフセットとして現れる。回転測定用のＲＦＯＧに伴うこれらのバイアスオフセットの問題は、電流の存在に起因しない位相シフトが生じ得るという点で、電流検知にも当てはまる。これらの誤差は、具体的には光カー効果として、通常の光ファイバによって得られるようなガラス媒体中の、単色光の伝播に起因すると考えることができる。

より最近では、ＩＦＯＧで用いられるものと同様なサニャック干渉計が、電流などのその他の現象を検知するのに用いられてきている。通常、このようなセンサおよびＲＦＯＧの実装は難しく、高価である。この費用の１つの原因は、これまでの設計は、高コストの個別の光学部品を多く組み込んでおり、それぞれが高価なパッケージングを有し、しばしば光ファイバへの光学的結合を有することである。通常、これらのセンサの組み立ては、手作業によるスプライシング、およびファイバにピグテール接続された多数の構成部品の扱いを必要とし、これらは手間がかかりコストが高くつく。これらのセンサを小型にまとめることは、手作業によりファイバを詰め込み、個別部品を手作業でパッケージングする能力によっても制限される。より高度に集積化された、低コスト、小型で、かつ高性能のデバイスが望ましい。

したがって、性能が改善され、コストが低減された光ファイバ電流センサを提供することが望ましい。さらに、本発明の他の望ましい特徴および特性は、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲を、添付の図面および上述の技術分野および背景と併せ読めば明らかになるであろう。

電流を検知するための装置が提供される。装置は、第１および第２の対向する端部を有する光ファイバと、再循環デバイスを含む。光が、光ファイバのそれぞれ第１および第２の端部から伝播するとき、光の少なくとも一部は、再循環器によって光ファイバのそれぞれの対向する端部内へ導かれまたは通されて光ファイバを通って伝播し、光リング共振器を形成する。さらに、再循環デバイスはまた、レーザ光源から共振器内への光の導入をもたらし、かつ共振器から光の一部を取り出すための取り出し口を形成することができる。光が通過するとき、光ループによって取り囲まれた領域を通って電流が流れると、光ファイバの屈折率が変化する。電流の測定におけるショット雑音などの光ノイズ源によって生じる不確実さがより小さくなるので、共振器を用いた設計によって高性能を実現することができる。さらなる性能向上は、磁気光学的すなわちファラデー効果係数が向上されたファイバを用いることによって得られる。さらに、光カー効果を犠牲にせずに、大きなベルデ定数のファイバを用いた共振器の恩恵を実現するのを可能にする、カー効果補償を生じる手段がもたらされる。共振器の使用はまた、再循環デバイス内で用いられるファイバをより少なくすることができるので、サニャック干渉計（ＩＦＯＧ型の設計）よりもコストが低減される。小型化およびさらなるコスト低減は、パッケージングされていない光学部品を極めて小さなシリコンチップ、すなわちシリコン光学ベンチ上に配置することによってもたらされる。シリコン光学ベンチは、低コストのバッチシリコン処理技術を用いて、基板上または基板内に光学的品位の表面を形成できるという利点を有する。別の利点は、基板上または基板内に形成できない素子は別の場所で作製するが、チップ上の正確に画定され位置合わせされた場所に配置することができることであり、したがって組み立てコストが低減される。シリコンは、単一の量産可能なパッケージ内に光学系と電子回路の両方を含めることを可能にする。

以下に本発明について、同じ番号は同じ要素を表す、以下の図面に関連して説明する。

基板および光ファイバを含む、本発明の一実施形態による電流センサシステムの平面概略図である。導線の設置を示す、図１の電流センサシステムの一部分の平面図である。

以下の詳細な説明は、単に例示的な性質のものであり、本発明または本発明の応用分野および使用を限定するものではない。さらに、上記の技術分野、背景、および概要または以下の詳細な説明に示される、いかなる明示的または暗黙の理論によっても限定されることを意図するものではない。図１および２は単に例示的なものであり、原寸に比例して描かれていないことに留意されるべきである。

図１および２は、電流検知システム１０を示す。システム１０は、第１および第２の対向する端部を有する光ファイバと、再循環器を含む。光が光ファイバのそれぞれ第１および第２の端部から伝播するとき、光の少なくとも一部は、再循環器によって光ファイバのそれぞれの対向する端部内へ反射されて光ファイバを通って伝播し、光ループを形成する。光ループによって取り囲まれた領域を通って電流が流れると、光ファイバの屈折率は、光ループを巡る第１の方向の光伝播に対しては、第１の値から第２の値に変化し、光ループを巡る光伝播の第２の方向では、第３の値（たとえば、第１の値）から第４の値に変化する。

一実施形態では、リング共振器を貫通する電流を検知する方法および装置が提供される。リング共振器は基板を含み、基板は、その上に取り付けられまたは形成され、光ファイバコイルに光学的に結合された１つまたは複数の反射器を有する。反射器およびファイバは、閉光路すなわちループを画定する。光路は、第１および第２の光ビームのそれぞれを、異なる方向に複数回、閉光路を巡って導く。第１および第２の光ビームのそれぞれは、閉光路を循環するとき、共振状態を受ける。導線は、リング共振器を貫通して配置される。導線を通って電流が導通されると、対向する方向に伝播する第１および第２の光ビームは、屈折率の変化を受け、それにより、対向する方向に対するそれぞれの共振周波数が変化される。共振周波数の差が求められ、導線を通って流れる電流を計算するために用いられる。

図１は、本発明の一実施形態による光ファイバ電流センサ（または電流センサシステム）１０を示す。光ファイバ電流センサ１０は、集積光チップ（ＩＯＣ）１２と、光ファイバ（または光ファイバケーブル）１４を含む。実施形態ではＩＯＣ１２は、基板１６を含み、基板１６は、その上に形成（または配置）された第１および第２の光源１８および２０、再循環器２２、第１および第２のビームスプリッタ２４および２６、第１および第２の光検出器２８および３０、コントローラ３２、および送信器３４を有する。以下に詳細に説明するように、電流センサ１０は、当業者には理解されるようにジャイロスコープ、具体的には共振器光ファイバジャイロ（ＲＦＯＧ）と同様に実装されると理解することができる。

基板１６は、ほぼ矩形（たとえば、正方形）であり、一辺の長さ３６は、たとえば５ミリメートル（ｍｍ）と１．５ｃｍの間など、３センチメートル未満で、厚さは、たとえば約６００マイクロメートルと１００マイクロメートル（μｍ）の間である。一実施形態では、基板１６はシリコンからなる。これらの寸法、形状、および材料は例示のみであり、基板１６は、数多くの寸法、形状、および材料のうちの任意の１つにより実装できることが理解されよう。

少なくとも図示の実施形態では、第１および第２の光源１８および２０は、基板１６の対向する隅部近くに配置され、基板１６の第３の隅部および／または再循環器２２へ方向付けられまたは「照準を定め」られる。一実施形態では、第１および第２の光源１８および２０は、基板１６上に形成されまたは取り付けられたレーザダイオードである。レーザダイオードは、ドープされた結晶ウェハの表面上に非常に薄い層をドープして、「ｎ型」領域および「ｐ型」領域を有するｐ−ｎ接合すなわちダイオードを形成することによって形成することができる。具体的には示されていないが、第１および第２の光源１８および２０は、外部キャビティレーザダイオードとすることができ、一般に理解されるように、それから放射されるレーザ光の周波数を同調および／または調整するためのキャビティ長の変調機構を含むことができる。

再循環器２２は、基板１６の隅部近くに配置され、それに対して光源１８および２０の照準が定められる。一実施形態では、再循環器２２は、非常に高い反射率（たとえば９５％を超える）およびゼロでない透過率を有するミラーである。一般に理解されるように再循環器２２は、望ましい偏光状態に対しては、望ましい偏光状態と直交する偏光状態に対する反射率よりも大幅に高い反射率をもつことができる。以下により詳細に説明するように、再循環器２２は、光源１８および２０から伝播する光を光ファイバ１４に集束し、光ファイバ１４の各端部から伝播する光を光ファイバ１４の反対側の端部に向けてかつその中へ反射し集束するように形作られる。再循環器２２の部分的な透過率により、光源１８および２０のそれぞれからの光の一部分が光ファイバ１４へ入り、光ファイバ１４内を循環する光の一部分がビームスプリッタ２４および２６へ透過することが可能になる。

第１のビームスプリッタ２４は、第１の光源１８と再循環器２２の間に配置され、第２のビームスプリッタ２６は、第２の光源２０と再循環器２２の間に配置される。詳しくは示されていないが、第１および第２のビームスプリッタ２４および２６は、好ましくは、第１および第２の光源１８および２０のそれぞれと再循環器２２を相互に結ぶ線に対して、ある角度（たとえば４５度）に方向付けられる。

第１および第２の光検出器２８および３０は、基板１６上で、基板１６の中心部近くにてそれぞれ第１および第２のビームスプリッタ２４および２６の側方に配置される。さらに、具体的には示されていないが、第１および第２の光検出器２８および３０は、それぞれ第１および第２のビームスプリッタ２４および２６の中心部に向けられる。一実施形態では、第１および第２の光検出器２８および３０は、それぞれ、基板１６上に形成されたゲルマニウムドーピング領域を有するフォトダイオードを含む。別の実施形態では、光検出器２８および３０は、たとえばゲルマニウムまたはインジウムガリウムヒ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）からなる個別の光検出器チップを含む。

一実施形態では、コントローラ３２（または処理サブシステム）は、基板１６上または基板１６内に形成され、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、および／または以下に述べる方法およびプロセスを行うためにマイクロプロセッサによって実行されるべき、コンピュータ読取り可能媒体上に記憶された命令など、様々な回路および／または集積回路（たとえばマイクロプロセッサおよび電源）を含む、電子回路構成要素を含むことができる。図示のように、コントローラ３２は、第１および第２の光源１８および２０、第１および第２の光検出器２８および３０、および送信器３４と動作可能に通信し、かつ／または電気的に接続される。送信器３４は基板１６上に形成され、一般に理解されるように、たとえば無線周波数（ＲＦ）送信器を含む。

一実施形態では、ＩＯＣ１２および／または基板１６は、一般に理解されるような「シリコン光学ベンチ」であり、基板１６内に形成された一連のトレンチ（すなわち導波路）３８を含む。トレンチ３８は、第１および第２の光源１８および２０、第１および第２のビームスプリッタ２４および２６、第１および第２の光検出器２８および３０、および再循環器２２を相互接続する。基板１６はまた、基板１６のそれぞれの隅部の近くの外壁内に形成された、２つの溝４２を含む。光学部品は基板１６から形成され、または基板１６内に埋め込まれる。

光ファイバ１４は、第１の端部４４および第２の端部４６を有し、一実施形態では、直径がたとえば１５ｍｍから１５０ｍｍのコイルに巻かれる。一実施形態では、光ファイバ１４は、曲げ損失が極めて低く、通常１０^−６ｒａｄ／Ｇ／ｃｍより大きなベルデ定数を有する、ガラスベースの中実コアの光ファイバである。別法として光ファイバ１４は、高いベルデ定数の材料によって充填された中空コアのファイバでもよい。図示のように、光ファイバ１４の第１の端部４４は、第１の光源１８に対向する溝４２内に挿入され、再循環器２２に物理的に取り付けられる。光ファイバの第２の端部４６は、第２の光源２０に対向する溝４２内に挿入され、基板１２に物理的に取り付けられる。ファイバの端部は、ファイバと自由空間の間の光の遷移に対する損失および後方反射を最小にするために、反射防止コーティングされ、角度研摩される。光ファイバ１４の中心部は、基板１６のそれぞれの隅部の周りに、ほぼ円形状に曲げることができる。

以下により詳しく述べるように、再循環器２２と、光ファイバ１４の第１および第２の端部４４および４６は、再循環器２２が、第２の端部４６から大部分の光を受け取って、第１の端部４４内へ反射するように配置され、それにより第１の（すなわち時計（ＣＷ））方向に進む光に対する共振器を形成する。同様に、再循環器２２は、光ファイバ１４の第１の端部４４から出る光の大部分を、第２の端部４６内へ反射するように配置され、それにより第２の（すなわち反時計（ＣＣＷ））方向における共振器を形成する。再循環器２２は、ファイバ端部からファイバ端部への光損失を最小にするように光を集束または空間的に調整する。

したがって、光ファイバ１４および再循環器２２は共同して、貫通する開口部６２を有する光リング共振器または共振光路ループを形成する。光リング共振器は、ＣＷおよびＣＣＷ方向において、それぞれ各方向での共振器経路（すなわち光路ループ）内の往復光路長によって決まる共振周波数を有する。

電気導線（たとえば線材）６４は、共振器によって取り囲まれた領域６２を貫通して挿入される。導線６４は、共振器を貫通して挿入する前に切断される。図に示されていないが、導線６４は、宇宙航行体内の電気システムまたは、たとえば自動車内の燃料電池、発電機またはモータ、あるいは溶接システム用の、電力設備など、より大きな電気システムの構成要素とすることができる。

動作時はコントローラ３２は、第１および第２の光源１８および２０が（たとえば波長が約８３０、１３１０、および／または１５５０ｎｍの）レーザ光などの光をそれぞれ第１および第２のビームスプリッタ２４および２６に向かって放射するように、第１および第２の光源１８および２０を活動化する。より具体的には、第１の光源１８は、レーザ光の第１のビームまたは部分を第１のビームスプリッタ２４に向かって放射し、第２の光源２０は、レーザ光の第２のビームまたは部分を第２のビームスプリッタ２６に向かって放射する。ビームスプリッタ２４および２６は、光源１８および２０からの光の大部分がそれらを通過するように配置される。第１および第２の光ビームは、トレンチ３８の内側の自由空間を通って再循環器２２に向かって伝播する。具体的には示されていないが、センサ１０はまた、レーザ光が円偏光されることを確実にするために、光が再循環器２２に到達する前に通過する１つまたは複数の波長板を含むことができる。

共振器が共振状態またはほぼ共振状態にあると仮定すると、第１のビームの少なくとも一部分は、再循環器２２を通過しまたは再循環器２２によって光ファイバ１４の第１の端部４４へ透過される。同様に第２のビームの少なくとも一部分は、再循環器２２を通って光ファイバ１４の第２の端部４６へ通過する。したがって、第１のビームは光ファイバ１４を通ってすなわち共振器を巡って第１の方向すなわち時計方向（ＣＷ）に伝播し、第２のビームは共振器を巡って第２の方向すなわち反時計方向（ＣＣＷ）に伝播する。

共振器が共振状態またはほぼ共振状態にあると仮定すると、第１および第２のビームは、それぞれ対向する方向に光ファイバ１４を通って進み続ける。次いで第１のビームは光ファイバ１４の第２の端部４６から伝播し、第２のビームは光ファイバの第１の端部４４から伝播する。第１のビームが光ファイバ１４の第２の端部４６から出るとき、光波は空間的に発散し、すなわち「ファンアウト」する。しかし光が再循環器２２に当たると、第１のビームの大部分は反射され、光ファイバ１４の第１の端部４４に向かって再コリメートされることが可能になる。同様に、第２のビームは光ファイバ１４の第１の端部４４から出て、再循環器２２によって第２のビームの大部分は反射され、光ファイバ１４の第２の端部４６に向かって再コリメートされることが可能になる。光ファイバ１４を通って循環する光が共振器経路内で共振するとき、このプロセスは持続的に繰り返される。

先に述べたように、再循環器２２によって第１および第２のビームのすべてが反射されるわけではない。共振器が共振状態またはほぼ共振状態にあるときは、それぞれの比較的小さな部分が再循環器２２を通過する（すなわち透過される）。より具体的には、第１のビームの少なくとも一部は再循環器２２によって透過され、第２のビームスプリッタ２６に向かって伝播し、第２のビームの少なくとも一部は再循環器２２によって透過され、第１のビームスプリッタ２４に向かって伝播する。具体的には示されていないが、第２のビームスプリッタ２６は、第１のビームの一部分を第２の光検出器３０へ反射し、第１のビームスプリッタ２４は、第２のビームの一部分を第１の光検出器２８へ反射する。光検出器２８および３０は、ビームスプリッタ２４および２６から戻る光の部分を検出することができる。検出される光の部分は、位相シフト、すなわち電流の流れを取り囲む共振器を巡って伝播する間に、第１および第２のビームが受ける実効光路の変化によって引き起こされる、２つの方向（すなわち、ＣＷおよびＣＣＷ）での共振周波数差を示す中心周波数をもつ、共鳴線形状を有する。

当業者には理解されるように、導線６４を通って電流が導通される、すなわち流れるとき、共振器の開口部６２内に磁界が発生される。発生された磁界は、光ファイバ１４を通過する円偏光された光に対する屈折率の変化を引き起こす。より具体的には、電流およびその結果生ずる磁界は、共振器を巡って一方の方向（ＣＷまたはＣＣＷ）に伝播する光ビームに対する屈折率を実効的に増加し、対向する方向に伝播する光ビームに対する屈折率を実効的に減少する。したがって、開口部６２を貫通して導通する電流は、たとえばＣＷ方向に伝播する光に対する屈折率を第１の値から第２の値に変化させ、ＣＣＷ方向に伝播する光に対する屈折率は第３の値から第４の値に変化する。両方向性の、すなわち光が共通の経路に沿って対向する方向に進むデバイスの設計により、ファラデー効果を除いて、第１および第３の値はほぼ等しくなり得る。屈折率の変化は、第１および第２のビームに対する実効光路長を変化させ、それにより共振器内でのそれらの共振周波数をシフトさせる。

光検出器２８および３０は、光ビームの強度を検出する。したがって、第１および第２の光検出器２８および３０は、第２の光検出器３０での第１のビーム中、および第１の光検出器２８での第２のビーム中の個々の光波の（共振器内での）強め合う干渉の有無を表す電気信号を、コントローラ３２へ送る。このような干渉は、一般に理解されるように、各光検出器２８および３０での共振の落ち込みとして現れる。コントローラ３２は、光検出器２８および３０によって供給される情報を用いて、第１および第２の光源１８および２０を、導線６４を通って流れる電流の大きさに対して共振が起きるそれぞれの周波数に同調させる。次いでコントローラ３２は、第１および第２のビームに対する共振周波数の差を計算し、共振周波数の差に基づいて、導線６４を通って流れる電流の大きさを決定する。電流の大きさの決定は、ファイバコイル１４ならびに光源１８および２０の既知の性質に基づいて行うことができる。

他の実施形態では、光学部品の異なる構成を用いることができる。たとえば、共振器内への光の集束およびコリメーションは、各ビームスプリッタと再循環器の間の基板１６上に形成または配置されたレンズによって行うことができる。トレンチは、基板内に形成された導波路で置き換えてもよい。

コントローラ３２は、レーザ１８および２０の電流、したがってレーザ１８および２０のパワーを、それらの平均パワーに対する等しい割合だけ変調する。カー効果が補償されない場合は、電流による変調はまた、検出器２８および３０上での光パワーの変調、およびより重要な点としてＣＷおよびＣＣＷビームの共振周波数差の変調を生ずる。コントローラ３２は、この周波数差変調を測定し、次いで差変調をゼロにするように２つのレーザ１８および２０のＤＣ電流を調整し、それによってカー効果を補償する。

別法として、レーザ２０とスプリッタ２６の間、およびレーザ１８とスプリッタ２４の間に配置された２つの光減衰器（図示せず）を使用することができる。コントローラ３２は、各光ビームのパワーを等しい割合だけ減衰するように減衰器を変調し、結果として生ずる共振周波数差の変調を求める。付いでコントローラは、周波数差変調をゼロにするように光減衰器のＤＣレベルをサーボ制御し、それによってカー効果を補償する。カー効果補償を行うためのフィードバック制御回路を含むＲＦＯＧの実施例は、米国特許第４，６７３，２９３号に記載されており、それを参照により本明細書に組み込む。

本発明の好ましい実施形態について図示し説明してきたが、上記のように、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多くの変更を加えることができる。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示に限定されない。代わりに、本発明は専ら添付の特許請求の範囲に即して判断されるべきである。

１０システム
１２集積光チップ（ＩＯＣ）
１４光ファイバ
１６基板
１８光源
２０光源
２２再循環器
２４ビームスプリッタ
２６ビームスプリッタ
２８光検出器
３０光検出器
３２コントローラ
３４送信器
３６一辺の長さ
３８トレンチ
４２溝
４４端部
４６端部
６２開口部
６４導線

Claims

電流を検知するための共振器装置であって、
第１および第２の対向する端部を有する光ファイバ（１４）と、
再循環器（２２）であって、光が、前記光ファイバの前記それぞれ第１および第２の端部から伝播するとき、前記光の少なくとも一部は、前記再循環器によって前記光ファイバの前記それぞれの対向する端部内へ導かれて前記光ファイバを通って伝播し、貫通した開口部を有する光ループを形成するように構成された再循環器と、
少なくとも１つの光ファイバのループを備え、前記少なくとも１つのループによって取り囲まれた領域を貫通する電流を検知するように構成された検知構成要素（１０）と
を備え、前記光ファイバは、少なくとも１０^−６ラジアン／ガウス−ｃｍのベルデ定数を有し、
前記光の第１の部分は前記光ループを巡って第１の方向に伝播し、前記光の第２の部分は前記光ループを巡って第２の方向に伝播し、前記ループによって取り囲まれた領域を通って流れる電流が変化すると、屈折率が、前記光ファイバを巡る第１の方向では第１の値から第２の値に、前記光ファイバを巡る第２の方向では第３の値から第４の値に変化し、前記光ファイバの前記端部は前記再循環器の近傍に固定して配置され、前記センサ構成要素は、
前記再循環器によって透過された光の前記第１の部分の少なくとも一部を捕捉するように構成された第１の光検出器、および前記再循環器によって透過された光の前記第２の部分の少なくとも一部を捕捉するように構成された第２の光検出器と、
前記再循環器に向かって光の前記第１および第２の部分を放射するように動作可能な少なくとも１つの光源および対応する光減衰器であって、前記再循環器はさらに、光の前記第１および第２の部分が前記再循環器によって透過されて前記光ファイバの前記それぞれ第１および第２の端部内へ伝播するように構成され、前記少なくとも１つの光源は、前記光の前記それぞれ第１および第２の部分を放射するための第１および第２の同調可能な光源を備える、少なくとも１つの光源および対応する光減衰器と、
前記第１および第２の同調可能な光源、ならびに前記第１および第２の光検出器と動作可能に通信し、前記第１および第２の同調可能な光源を同調させ、前記共振器装置の第１および第２の共振周波数を決定するように構成され、前記第１および第２の共振周波数の差を求めるように構成され、前記差は前記光ループの前記開口部を通って流れる電流に比例する、プロセッサと
を備える、装置。
前記プロセッサは、前記光源周波数を前記第１および第２の共振周波数に維持するために、周波数制御信号またはパワー制御信号を前記少なくとも１つの光源または光減衰器に供給するように構成され、前記第１および第２の共振周波数の差は前記光ループの前記開口部を通って流れる電流に関係し、あるいは非線形効果を補償するために光の前記第１および第２の部分の光パワーを制御するように構成され、前記非線形効果の１つはカー効果である、請求項１に記載の装置。
光共振器によって行われる電流検知方法であって、
光を光ファイバの第１および第２の端部内へ伝播するステップと、
前記伝播された光の少なくとも一部を、再循環器によって前記光ファイバの前記それぞれの対向する端部内へ反射するステップと、前記光ファイバは開口部を形成し、
前記光共振器の共振周波数を決定するステップと、
前記開口部によって取り囲まれた領域を通って流れる電流による共振周波数のシフト、および前記光共振器の決定された共振周波数を、検知するステップと
を含み、前記光ファイバは、通常１０^−６ラジアン／ガウス−ｃｍより大きなベルデ定数を有し、
前記伝播するステップは、前記光の第１の部分を前記光ループを巡って第１の方向に、前記光の第２の部分を前記光ループを巡って第２の方向に伝播するステップを含み、前記光ループの前記開口部を通って流れる電流が変化すると、屈折率は、第１の方向では第１の値から第２の値に、第２の方向では第３の値から第４の値に変化し、前記光ファイバの前記端部は、前記再循環器の近傍に固定して取り付けられ、前記端部は、ガラスはんだまたは光エポキシのうちの少なくとも１つによって基板に取り付けられ、前記光の前記第１および第２の部分の少なくとも一部は前記再循環器によって透過され、
前記検知するステップは、前記再循環器によって透過された光の前記第１の部分の少なくとも一部を第１の光検出器にて、前記再循環器によって透過された前記光の前記第２の部分の少なくとも一部を第２の光検出器にて捕捉するステップを含み、
前記伝播するステップは、光の前記第１および第２の部分を少なくとも１つの光源から前記再循環器に向かって放射するステップを含み、前記少なくとも１つの光源は第１および第２の同調可能な光源を備え、前記第１および第２の同調可能な光源を同調させるステップと、前記捕捉された光の第１および第２の部分に基づいて前記光共振器の第１および第２の共振周波数を決定するステップをさらに含む、方法。