JPH01500615A - 光学繊維装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光学繊維装置および方法 本発明は光学繊維に関し、さらに特定すれば、本発明はこのような光学繊維を使 用して磁界を検出する装置に関する。

電力業界では、一般に電流監視装置が広く使用されている。

通常、この監視には大形の高電圧の電流トランスが使用されており、このような ものは大きな絶縁体を必要とし、そのため高価で大形化する不具合があった。さ らに、測定する電力システムの周波数帯域が低い周波数帯域であるため、速い過 渡的な変化（たとえば落雷）等を検出することが困難であった。したがって、従 来の装置に代わって、安価で簡単な装置が要望されている。このような要望を満 足するものとして、光学繊維を使用した電流監視装置がある。このようなものは 、光学繊維が絶縁性材料であり、導電性を有しないので、はとんど絶縁を必要と しない。また、このような装置の検出アームは光学繊維であり、軽量でかつ可撓 性があり、簡単かつ容易に使用することができる。さらに、このものは広い周波 数帯域にわたって使用でき、電力網の速い過渡的な変動を確実に監視することが できる。したがって、このような光学繊維を使用した電流監視装置すなわちトラ ンスを高電圧線やその保護装置の電流測定に使用することは再刊である。

本発明によれば、コイル状に形成された光学繊維のライトガイドを有し、この光 学繊維はその引伸し工程時にスピンがかけられ、これによって光の複屈折が減少 され、ファラデー効果によって磁界を検出するものである。

本発明は以下の図面を参照して部分的に説明される。

第１図は、光学繊維電流検出器を示す図である。

第２図は、２線の光学繊維を巻回した状態を示す図である。

第３図は、光学繊維の一例の断面を示す図である。

第４図は、光学繊維の別の例の断面図である。

光学線電流検出器すなわちトランスホーマー（第１図）は、ファラデー効果、す なわち、光の伝送方向と磁界が一致した場合に、線形の偏光が回転する現象を利 用したものである。

この光学繊維のコイル１は導体２の周囲に巻回されており、この導体に電流が流 れるとこの周囲に磁界３が発生し、この磁界が上記光学繊維内を伝送される光と 相互に影響する。このファラデー効果によって、第１図に示すように、この光学 繊維の出力側に偏光の回転が生じる。この光学繊維には、レーザー装置４から矢 印Ａで示される方向の直線的な偏光が入射され、この偏光の出力は、コイルの１ ループに作用する磁界の積分値（すなわち電流値）に比例して偏光の方向が回転 する。この偏光の回転量は、ループ内部を流れる電流に対応し、このループの形 状には影響されない。この電流をより精密に測定したい場合は、光学繊維のコイ ルの巻数Ｎを大きくすればよく、この場合には偏光の回転量がＮ倍になる。この 偏光の方向の変化（矢印Ｂで示す）は、偏光検出器５によりて検出される。

しかし、上述した光学繊維電流検出器は原理的なものである。実際には、単モー ドの光学繊維には直線的な複屈折があり、その結果楕円形または非対称な避けが たい応力が発生する。これによって、この光学繊維には伝送定数間隔が複屈折Δ βに等しい直交する２つの偏光モードが生じる。したがって、この光学繊維内に 、ビート長さＬ　Ｐ　ｗｍ　２π／Δβ、典型的には約１ｍ程度の光の伝送状態 の変動が生じる。この結果、この線形の複屈折は小さいファラデー回転を抑制し 、よってこの光学繊維電流検出器はその長さがＬ　ｐ　／　２以上では作動しな い。さらに、この光学繊維を巻回したり屈曲させたりすることによってさらに線 形の複屈折が生じ、有効長さがさらに短くなる。また、この複屈折は、一定では なくまた時間とともに変動する。

したがって、このような電流トランスフォーマ−に使用するための光学繊維の設 計が重要な問題となる。すなわち、実際の光学繊維に生じる複屈折によって小さ なファラデー効果が抑制されるので、この線形の複屈折が生じないようにこの光 学繊維を製造することがまず第１に必要となる。しかし、この光学繊維に内部的 な線形複屈折がないとしても、曲げによる応力等の外部的な影響がある。したが って、複屈折の少ない光学繊維であっても、これをケーブルまたはコイルに成形 する場合には十分な注意を払わないと複屈折が発生し、電流の測定精度に影響を 与える。

最近、螺旋状コアを有し、円形の複屈折をする光学繊維が報告されており、この ものは高い円形複屈折を示す。このようなものは、内部および外部の線形複屈折 が高い円形複屈折に打消され、このような光学繊維は電流検出には好適する。

しかし、実際には、この光学繊維は螺旋状コアを有するため剛性が高く、十分に 大きな径のコイルにしか成形できないので、コイルが大形になってしまう。さら に、この光学繊維の接続や他の繊維との接続に注意を必要とする。

本発明は上記のような不具合を解消するためのもので、以下実施例を参照して本 発明を説明する。

まず、その引伸し工程においてねじられた高い線形複屈折を有する光学繊維を用 意する。このねじりは、低い複屈折の繊維を製造する場合のように、その複屈折 率Δβがねじり率τより小さくならないようにする。この場合、ねじり／複屈折 比は工ないし２程度とし、線形複屈折が部分的にのみねじりによって打消される ようにする。さらに、この光学繊維が高温でせん断応力を維持できない粘性状態 では、このねじりによる円形の複屈折は生じない。

この光学繊維にねじりによる高い複屈折を与えるには、以下のようにする。たと えば、ボウ・タイ形の光学繊維の線形複屈折の第１の軸の回転は、回転座標すな わちポアンカレ球における円形複屈折と同等である。その結果、楕円形複屈折が 光学繊維内に生じ、その度合いはねじり比２τ／Δβに対応する。このねじりを 与えられた光学繊維のカップルモードの分析によれば、この線形複屈折Δβが高 く、またΔβ−（１−２）τであれば、この光学繊維には高い楕円形複屈折が生 じる。この楕円形複屈折は、ねじり比２τ／Δβによって調整することができる 。この２τ／Δβが２に近いか、またはそれ以上の場合には、この光学繊維は円 形複屈折と同様の特性を有し、ファラデー効果による検出精度が高くなる。

このねじり比を高くすることによって電流の検出精度が高くなるが、残余の楕円 形複屈折は急激に低下する。すなわち、このねじりを大きくすると、この光学繊 維は上述した大きなねじりと低い複屈折の限界に近付くからである。よって、こ のねじり比が２という値は、高い検出精度と、外部からの影響を打消すための残 留複屈折を十分に得られることとの両方を満足させるの丁度よい値である。よっ て、この局部的（線形の）複屈折および合成（楕円形）複屈折の両方が大きく、 外部の影響による線形の複屈折が加えられた場合、その微視的な（マイクロベン ディングのような）、または巨視的な（繊維の巻回等による応力）が高いレベル の内部の複屈折によって打消される。したがって、このような光学繊維を成形し て電流トランスホーマーを形成する場合、低い複屈折の光学繊維の場合のように 特別の注意を払う必要がない。またこのような光学繊維は、現在の製造技術で容 易に製造でき、また接続等も容易におこなえる長所がある。

また、この光学繊維は楕円形の複屈折であるから、入力が線形の偏光であっても 、出力は楕円形の偏光となる。この光学繊維内のファラデー効果により、電流に よって出力光の楕円形偏光の偏光面が回転し、この偏光面の回転は偏光検出器に よって検出される。この偏光面のわずかな回転は電流に正確に比例する。さらに 、この電流による偏光面の回転の精度は、完全な等方性の光学繊維におけるねじ り比２τ／Δβの値と同様である。さらに、コイルの合計ねじり数は０．７３６ Ｘ１０”ＩＮより大きいことが必要であり、ここでＩは電流のアンペア、Ｎはコ イルの巻数である。

しかし、この新たな光学繊維の欠点としては、この楕円形の複屈折が温度によっ て影響されることであり、これは製造開始時の線形複屈折繊維のΔβが温度によ って変化するためである。この影響によって、出力光の偏光の状態が温度によっ て変化し、ファラデー効果による回転を測定することが困難になる。このような 不具合を解消するひとつの方法は、出力の偏光の状態を電気的に補正することで ある。しかし、一般的には、この光学繊維を温度補償し、偏光の状態を簡単に補 正することが実際上は良い。この温度補償は各種の方法によっておこなうことが できる。

この方法として、互いに接続され、長さが同じでかつ温度特性が等しい一２本の 光学繊維に、互いに反対方向のねじりを与えることにある。これら２本の光学繊 維の第１の軸は接続部において直交し、すなわち速い方および遅い方の複屈折軸 が交換される。一方の光学繊維は右方向にねじられ、また他方の光学繊維は左方 向にねじられる。

第２図に示すように、２本の光学繊維２１．２２が巻芯２３の周囲に（並列して ）巻回される。一方の光学繊維の始端および終端をそれぞれ２４．２５で示し、 また他方の光学繊維の始端および終端をそれぞれ２６．２７で示す。これらの端 部２６と２５は接続部２８で互いに接続されており、端部２４に入射した光は２ ５．２６を通り、端部２７から出力する。温度変化の影響はこれら２本の光学繊 維について反対であり、これら２本の光学繊維は互いに熱的に結合されているの で、温度補償が確実になされる。

高複屈折の光学繊維では、温度１′Ｃにつき０．１５％ずつ複屈折率Δβが低下 する。また、この複屈折率Δβは波長Ａに逆比例する。よって、使用する光の波 長が多少変化しても、この光学繊維の出力の偏光状態は補償される。

この高複屈折光学繊維は温度に対する複屈折率の変動をきわめて小さく設計する ことができる。この光学繊維の複屈折は、クラッド層（ボウ・タイ型繊維のよう な）ガラスの高い熱膨張率による熱応力、またはコアの楕円率によって生じる。

しかし、前者は明らかに温度により大きな影響を受け、また後者は幾何学的な形 状にのみ影響され、温度には影響されない。ところが、幾何学的な形状によって 高い複屈折を得るには、楕円型のコアとクラッド層との間に大きな屈折率の差が なければならない。一般に、このようにしてコアとクラッド層との間の熱膨張率 の差が大きくなると、温度変化による応力による複屈折の変化の成分が幾何学的 な成分の約３０％にもなる。したがって、応力によって複屈折を得る光学繊維で あっても、この応力による複屈折の影響を完全に解消することが好ましい。

これを達成するひとつの方法として、コアの膨張率をクラッドに合致させること である。また、別の方法としては、第３図に示すように、幾何学的な形状によっ て複屈折を得る光学繊維において、応力による複屈折を零にすることであり、こ こで、αｌ、α２およびα３はそれぞれ基材（すなわち外側クラッド３１、内側 クラッド３２および楕円型コア３３の材料の）膨張係数を示すものとする。この コア（たとえば楕円率２：１）が膨張率α２−α３の円形の内側クラッド内に埋 設されており、この中心部が均一な膨張率になるように構成されている。したが って、熱応力は等方向となり、全体の複屈折が無視できるようになる。これによ って、温度による全体の複屈折（幾何学形状および応力による）の温度に対する 変化が小さくなる。

また、このコアの高い膨張係数による熱応力をバランスさせる別の方法を第４図 に示す。このものは、クラッド４３の内部にある高い膨張率の部分４２によって コア４１に熱応力が生じる。この応力を発生する部分の形状は、従来からある各 種のものが使用される。（たとえば、円形、ボウ・タイ形、楕円クラッド形等） 膨張率がα２〉αｌである場合には、この部分の楕円形のコアに対する位置関係 は第４図に示す如くである。もし、α、〉α２である場合には、この部分は第４ 図とは直交する方向に配置される。

実際には、このボウ・タイ形の光学繊維は、このボウ争タイ形の部分とシリカの クラッドとのポアソン比の相違によって引伸ばされ、内部の線形複屈折を増大さ せる。温度が高くなると、この複屈折は減少する。したがって、温度による複屈 折の減少はこの軸方向の膨張によって相殺することができる。

この軸方向の温度膨張は、たとえば合成樹脂等の熱膨張率の大きな材料をこの繊 維に接触させることによって発生させることができる。計算の結果によれば、ア ルミニウム製の巻芯にこの光学繊維を巻回すれば、このアルミニウムの熱膨張に よって繊維が引伸ばされ、その応力によって複屈折が増大し、温度変化による複 屈折の減少を相殺することができる。

たとえば、本発明の光学繊維形電流トランスホーマーは以下のように設計されか つ構成される。

まず、標準の線形複屈折形の光学繊維（ボウ・タイ形）のプリフォームをＭＣＶ Ｄ法によって製造し、これを内径および外形がそれぞれ１１ｍｍ、１４ｍｍのガ ラススリーブ内に挿入する。このプリフォームの直径は１０．５ｍｍである。

そして、このプリフォームを引伸し、通常のねじりのない線形複屈折光学繊維を 形成し、このものはＢ〜２．ｌＸ１０−’（６３３ｎｍにおいてΔβ−２．０９ Ｘ１０３ラジアン／ｍ。

３ｍｍのビート長さに対応）である。この測定結果に基づいて、２τ／Δβ−２ 、すなわち３３０回／ｍ（３ｍｍピッチ）の基準に従ってこの繊維のねじり率を 決定する。このねじり率にしたがって、引伸しの際に直流モータによってこの繊 維を回転させ、所定のねじりを与える。このモーターの回転速度は繊維のねじり が１メートルにつき３３０回となるように制御する。この引伸しの際に、この繊 維に従来から使用されているような紫外線硬化形のアクリレート樹脂を被覆する 。

このようにねじりによって高い複屈折を与えられた光学繊維は、直径が１００μ ｍ（被覆を除く）であり、６３３ｎｍにおいて単モードである。

そして、このような光学繊維を直径３３ｍｍの巻芯に１６５回巻回する。そして 、電流が流れる導体をこの巻芯内に挿入し、このコイルに線形の偏光を入射する 。このコイルからの出力の偏光の状態は偏光計およびフォトダイオードによって 測定する。理論値によく合致するファラデー回転を測定することによって４０Ｏ Ａの電流まで測定できる。しかし、この装置には温度による影響がある。これを 実験的に確認するには、通常のねじりを与えられた低い複屈折の光学繊維を使用 してこれと同じコイルを製作し、これにファラデー回転が発生しなければ、この コイルに苛酷な曲がりや圧力による複屈折が生じていないことが確認できる。

また、別の温度補償の方法は以下のようにおこなうことができる。上記した方法 と同じ方法で２０ｍの長い繊維を引伸ばす。そして、この繊維の２つの長さ部分 に、ねじり率が同じで方向が反対のねじりを与える。この２本の線を平行に２本 よりにして直径５５ｍｍの巻芯に巻回し、紫外線硬化接着剤で固める。そして、 これら繊維のボウ・タイ部分を直交させ、これら繊維の接続部分で線形複屈折の 光学軸が９０″回転するようにする。

上述したと同様な方法で電流を測定し、電流に対する繊維の反応が変化しなけれ ば、温度変化による影響がないと判定できる。

国際揖杏翰牛 ″Ｎ″−１＾−一一　ＰＣＴ／ＧＢ　ＩＩフ１００３４５ＡＮＮＥＸ　ＴＯＴニ ーＥ　ＩＮＴＥＲＮＡＴｒＣＮＡｒ、ＳＥ；−ＲＣＨＲＥＰＯＲＴ　ＯＮ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．コイル状の光学繊維からなる光ガイド内のファラデー効果によって電界を検 出する装置であって、上記コイルは、引伸し工程において与えられたねじりによ って複屈折が減少されている光学繊維によって形成されていることを特徴とする 磁界の検出装置。
2. ２．前記光学繊維は高い初期複屈折を有する光学繊維であることを特徴とする前 記請求の範囲第１項記載の磁界検出装置。
3. ３．前記線形複屈折は、この繊維のねじりによる圧縮より小さくないことを特徴 とする前記請求の範囲第２項記載の磁界検出装置。
4. ４．ねじり／複屈折比は１から２の程度であることを特徴とする前記請求の範囲 第３項記載の磁界検出装置。
5. ５．ねじり／複屈折比は２であることを特徴とする前記請求の範囲第３項記載の 磁界検出装置。
6. ６．外部の温度による影響を補償する手段が設けられていることを特徴とする前 記請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか１に記載の磁界検出装置。
7. ７．前記外部の温度による影響を補償する手段は、この光学繊維の光ガイドを伝 送される光の作動波長を調整する手段を備えていることを特徴とする前記請求の 範囲第６項記載の磁界の検出装置。
8. ８．前記外部の温度による影響を補償する手段は、同じ長さでかつ同じ温度特性 を有しねじりの方向が反対の一対の２本より光学繊維からなるコイルを備えてい ることを特徴とする前記請求の範囲第６項記載の磁界の検出装置。