KR20000023722A - 벤드 유도 복굴절 보상을 갖는 광섬유 전류 센서 - Google Patents

Abstract

패러데이 효과 전류 센서용 광섬유 서브어셈블리는 정사각형 또는 직사각형 구성으로 관형 홀더(12)에 의해 지지되는 감지용 광섬유를 갖는 데, 여기서 4개의 코너들 중 3개는 총 벤드 유도 복굴절이 제로인 벤드들을 갖도록 고안된다. 이 벤드들은 유효각이 대략 90°인 2개의 루프를 제공함으로써 형성되고, 이 2개의 루프들은 직교 평면들 내에 있어서, 제1 루프에서의 빠른 복굴절 축은 제2 루프에서의 느린 복굴절 축에 평행하고, 제1 루프에서의 느린 복굴절 축은 제2 루프에서의 빠른 복굴절 축에 평행하게 된다. 이와 같은 방식으로, 제1 루프에서 축적된 지연은 제2 루프에서 축적된 지연에 의해 오프셋된다. 이 루프들이 실질적으로 동일하다면, 지연의 오프셋팅은 벤드가 무시할 수 있을 정도로 작은 벤드 유도 복굴절을 나타내도록 효과적으로 완성된다.

Description

벤드 유도 복굴절 보상을 갖는 광섬유 전류 센서{FIBER OPTIC CURRENT SENSOR WITH BEND BIREFRINGENCE COMPENSATION}

자계에 민감한 광섬유가 종래부터 알려져 있으며, 예를 들어 전력 효용을 위한 광 전류 트랜스듀서(OCT's)로서 일반적으로 사용되고 있다. 보통의 OST는 도전체를 감는 코일 내에 형성된 단일 모드 광섬유를 사용한다. 광섬유 코일을 가로지르는 임의의 광의 편광은, 패러데이 회전이나 쿤트 효과로서도 부르는 자기-광학적 패러데이 효과에 의해서, 도체를 통해 흐르는 소정의 전류의 변화에 응답하여 시프트된다. 패러데이 효과는 선형 편광된 광 빔의 편광이 인가된 자계의 방향에서의 물질을 통해 지날 때 회전하는 방식인데, 이것은 패러데이 복굴절(birefringence)의 결과이다. 필드에 민감한 광섬유에 대한 더 이상의 설명은 본 발명의 양수인인 3M사의 미국 특허 제 5,051,577호를 참조하기 바란다.

OCT's 의 응답이 온도 변화에 기인하여 상당히 변화할 수 있다는 것은 종래에도 많이 인식되었으나, -40 ℃ 내지 +80 ℃ 와 같은 넓은 온도 범위에서 변화하는 환경에서 사용될 수 있는 고도로 정밀한 OCT's 에 대해서는 받아들여 지지 않았다. 대개의 기술들은 온도 변화의 영향을 최소화하도록 고안되었다. 가장 기본적인 기술에서는 실험적 데이타에 근거한 출력을 보상하도록 하고 있는데, 즉 실제 측정시에 온도록 한단하는 온도계를 사용하여, 후처리(post-processing) 전자 장치가 그에 따라서 출력을 조절할 수 있도록 한다. 이 기술에 관한 보다 자세한 설명은 미국 특허 제 5,382,901호를 참조하기 바란다. 그 밖의 다른 접근으로는 예를 들어 어닐링 등에 의해, 제조시에 감지용 광섬유의 복굴절을 최소화함으로써 온도 의존성을 최소화하는 것이 있다. 감지용 광섬유의 특수 재료들은 변화하는 버데트 상수에 기인한 섭동을 최소화하는 데에도 사용되는 데, 이것은 Journal of Applied Optics, Vol.30, No.10, pp. 1176-1178(April 1, 1991)의 "몇몇 다이아마그네틱 글래스에서의 버데트 상수의 온도 의존성(Temperature Dependence of the Verdet Constant in Several Diamagnetic Glasses)"에서 개시되어 있다.

온도 감도는 벤드 유도 복굴절에 의해 야기될 수도 있다. 이것은, 예를 들어 전류 통로인 도체 주위에 배치될 두개 이상의 직선부들에 배치되고, 광섬유의 루프들이 그 직선부들의 말단에 형성되는 곳에서 발생할 수 있다. 직선부들이 온도의 함수로서의 복굴절의 매우 미세한 변화를 나타내더라도, 루프는 극도로 민감해질 수 있다. Optics Letter, Vol.16, No.9, pp. 687-689(May 1, 1991)의 "패러데이 회전 광섬유 전류 센서에서 복굴절 요소들 사이의 지리적 분리(Geometrical Seperation Between the Birefringence Components in Faraday-Rotation Fiber-Optic Current Sensors)"에 기술된 감지용 헤드는 벤드 유도 복굴절이 2π의 정수배가 되도록 반지름 및 루프의 감은 회수를 선택함으로써 이 효과를 최소화한다. 모든 코너에서의 루프는 같은 평면 내에 있게 된다. 상기 감지용 헤드에서, 단일 감지용 광섬유는 도체 주위에 일반적으로 정사각형(square)를 형성하는 4개의 직선부들로 형성되어 진다. 이와 같은 구성이 벤드 유도 복굴절을 야기하는 동안은, 온도가 극치인 많은 분야의 응용에 부적절하며, 또한 "무한(endless)" 케이블, 즉 센서를 통해 통과할 수 없는 지금의 케이블 상에 센서를 실장하는 OCT's 의 보통의 단점을 갖는다. 정방형 센서뿐만 아니라 센서 코일도 코일 루프들간, 또는 정방형 감지용 광섬유의 측면들간에 충분한 공간을 제공함으로써 무한 케이블 상에 배치할 수 있도록 구성될 수 있지만, 이것은 센서의 크기를 증가시켜 그 정밀도에 영향을 줄 수 있다.

동일한 보상 구조가 미국 특허 제 4,615,582호에서 개시되고 있으나, 단지 180° 턴(turn)만이 사용될 뿐, 온도 의존성은 설명되어 있지 않다. 180° 턴은 제로 네트 복굴절을 갖는 폐루프 또는 폐경로(감지용 전류에는 필수적이지만, 자계에는 필수적이지 않은)의 형성을 허용하지 않지만, 측정부의 길이에 걸쳐 단일 반향인 자계의 감지에 사용된다. 또한, 직선부들에서의 광의 패러데이 회전은 이러한 구조가 온도에 안정하지 않은 특정하게 알려진 복굴절(180°지연) 을 갖는 파장판을 발생시키는 것에도 의존하기 때문에 불완전한 제거를 하게 된다. '582 특허는 전류 센서에 관한 것이 아니라, 특정한 패러데이 회전양을 광 신호로 유도하는 디바이스에 관한 것이다.

또 다른 보상 구조가 Journal of Applied Optics, Vol.30, No.10, pp. 1176-1178(April 1, 1991)의 "고도계용 온도 인센서티브 광섬유 코일 센서(Temperature Insensitive Fiber Coil Sensor for Altimeters)"에서 보여진다. 이 논문에서는 깨져서 사용할 수 없는 편광 유지용 광섬유(polarization maintaining fiber)의 사용에 대하여 설명되어 있다. 편광 유지용 광섬유는 고유 선형 복굴절성때문에 전류 센서로서 사용될 수 없으며, 광섬유의 이음(splicing)이 센서의 제조시에 필요하게 될 경우에 다른 관심사가 발생된다. 그러므로, 어닐링이나 센서 광섬유의 이음없이도 향상된 온도 의존성을 가지며, 특정 재료, 특정 광학 소자 또는 특별 처리된 광섬유를 사용하지 않고 제조될 수 있는 광섬유 전류 센서를 개발하는 것이 바람직하다. 광섬유의 직선부들이 벤드 유도 복굴절을 최소화하는 데 활용되어 이와 같은 직선부들의 코너에서 발생된 벤드 유도 복굴절을 보상한다면, 더 큰 장점을 갖는다.

<발명의 요약>

본 발명은 제1 및 제2 단부들과 중간 감지부를 갖는 광섬유, 및 실질적인 폐경로로 광섬유의 감지부를 유지하기 위한 수단을 포함하고, 상기 감지부는 4개의 코너를 갖는 직사각형을 일반적으로 정의하는 4개의 직선부들로 형성되고, 4개의 코너들 중 적어도 하나는 대략 90°의 유효각을 갖는 턴 또는 벤드를 가지고, 상기 턴은 벤드 유도 복굴절을 보상하도록 구성된 패러데이 효과 센서용 광섬유 서브어셈블리를 제공한다. 더 구체적으로, 상기 턴은 제1 루프에서 축적된 지연이 제2 루프에서 축적된 지연에 의해서 오프셋되도록 구성된 제1 및 제2 90° 루프들을 갖는다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 루프는 각각 1/4 턴 루프들이며, 또 다른 실시예에서는 각각 3/4 턴 루프이다. 이와 같은 제1 및 제2 루프는 직교하는 평면 내에 있는 데, 여기서 제1 루프에서 빠른 복굴절 축(fast axis of birefringence)은 제2 루프에서 느린 복굴절 축(slow axis of birefringence)과 평행하고, 제1 루프에서 느린 복굴절 축은 제2 루프에서 빠른 복굴절 축에 평행하다. 루프들이 실질적으로 동일하다면, 지연의 오프셋은 벤드가 무시할 수 있는 벤드 유도 복굴절성을 나타내도록 효과적으로 완성된다. 직사각형의 4개의 코너 중 바람직한 3개가 이와 같은 구성을 갖는데, 여기서 광 감지용 광섬유는 관형 홀더(tubular holder)에 의해 지지된다. 상기 홀더에 의해 형성된 경로, 즉 광 감지용 광섬유의 폐경로는 정사각형인 것이 가장 바람직하다. 힌지는 홀더의 2개의 인접한 직선부들 사이에서 피벗 운동(pivotal movement)을 할 수 있도록 관형 홀더 내에 구비되어, 센서 서브어셈블리가 지금의 전류 통과 도체 주위에 배치될 수 있도록 할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 관형 부재는 하나가 다른 하나의 내부에 놓인 2개의 직사각형을 정의하는 실질적인 폐경로로 형성된다.

본 발명은 일반적으로 패러데이 효과 광섬유 전류 센서에 관한 것으로, 특히 벤드 유도 변화를 보상하는 향상된 센서 및 그 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따라서 구성된 패러데이 효과 센서용 광섬유 서브어셈블리의 투시도.

도 2는 직교 평면 내에 놓인 벤드에서 2 루프 부분들을 도시하는, 도 1의 관형 홀더의 한 코너의 상세도.

도 3은 입력 편광용 광섬유 주위의 또 다른 튜브 및 튜브 2개 모두에 부착된 이음 프로텍터를 갖는, 도 1의 관형 홀더의 입력 단의 측입면도.

도 4는 관형 홀더에 의해 정의된 2개의 겹친 정사각형들을 갖는, 광섬유 서브어셈블리의 또 다른 실시예를 도시하는 도면.

도 5는 도 2와 동일하지만 3/4 턴 루프들을 갖는 벤드를 도시하는 상세도.

도 6A 및 6B는 각각 도 5의 3/4 턴 루프들을 갖는 광섬유를 지지하는 데 사용될 수 있는 맨드럴(mandrel)의 평면도 및 측입면도.

지금 부터는 도면을 참조하는 데, 특히 도 1은 본 발명에 따라서 구성된 패러데이 효과 센서용 광섬유 서브어셈블리의 일 실시예(10)를 도시한다. 광섬유 서브어셈블리(10)는 광 감지용 광섬유(도 1에서 도시 생략)를 포함하는 관형 홀더(12), 상기 감지용 광섬유의 제1단부에 연결된 입력 광섬유(14), 및 상기 감지용 광섬유의 제2단부에 연결된 출력 광섬유(16)로 일반적으로 구성된다. 관형 홀더(12)는 실질적인 폐경로 형태로 형성되는 데, 즉 이 경로는 감지용 광섬유의 입력 및 출력 단들이 다른 입력 및 출력 광섬유들에 연결될 필요때문에 완전히 닫혀있지는 않지만, 이 경로는 자계가 암페어 법칙에 따라 센서를 통해 흐르는 전류에 실질적으로 비례하도록 전류 통과 도체 주위를 효과적으로 둘러쌀 수 있다는 의미에서 실질적으로 닫혀 있다. 이와 같이, 센서의 응답은 일반적으로는 단지 관형 홀더(12)로 한정된 경로 또는 루프를 통해 흐르는 전류에 대한 것이며, 본질적으로 센서는 루프 외부의 전류에 대해 네트 응답을 가질 필요가 없다. 홀더(12)의 전체 형태는 직사각형인 데, 4개의 직선부들(18, 20, 22 및 24)을 갖는 정방형인 것이 바람직하다. 나중에 분명하게 되겠지만, 본 명세서에서 개시된 발명의 개념은 관형 홀더(12)에 의해 정의된 코너들이 직각일 경우에 최대 장점을 갖지만, 이 코너들이 정확하게 90°가 아닌 경우에도 중요한 장점은 달성될 수 있으므로, 이와 같이 그 형태가 일반적으로는 직사각형일 수 있음을, 그러나 완전한 직사각형이 아닐 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

종래에 알려져 있던 정방형 패러데이 센서는 감지용 광섬유의 휘어진 코너들에서 벤드 유도 복굴절을 나타내는데, 이것은 그 온도 감성에 악영향을 미쳤다. 상술한 감지용 헤드(1991년 5월 1일자 Optics Letters)는 벤드 유도 복굴절을 2π의 정수배로 하여 이 효과를 최소화하였으나, 이것은 복굴절을 제거할 수 없었다. 대조적으로, 본 발명은 제1 루프에 축적된 지연이 제2 루프에 축적된 지연에 의해 오프셋되도록 벤드에 2개의 서로 다른 루프부들을 제공함에 의해서, 무시할 수 있을 정도로 작은 벤드 유도 복굴절을 나타내는 감지용 광섬유의 벤드를 제공한다. 이것은 도 2에 도시되어 있는 데, 이 도면은 관형 홀더(12)의 한 코너의 상세를 도시한다. 도시된 코너는 직선부들(20 및 22)이 서로 만나지만, 동일 평면이 도 1의 다른 2개의 휘어진 코너에 (역으로) 제공되는 것이다. 이와 같은 홀더(12)의 코너는 두개의 루프(26 및 28)를 갖는 데, 루프(26)는 직선부(20)로부터 발생하며, 루프(28)는 직선부(22)로부터 발생한다. 이 두개의 루프(26 및 28)는 벤드의 중심부에서 합쳐(join)진다. 본 실시예에서, 각 루프와 관련된 커브들은 루프들(26 및 28)과 각각 관련된 점선들(30 및 32)에 의해 도시된 바와 같이 원형이다. 2개의 루프에 의해 정의된 각 평면들(즉, 2개의 원형 점선의 평면들)은 일반적으로 직교한다. 이와 같은 방식으로, 제1 루프에서 빠른 복굴절 축은 제2 루프에서 느린 복굴절 축과 평행하다(그리고, 제1 루프에서 느린 복굴절 축은 제2 루프에서 빠른 복굴절 축과 평행하다). 이와 같이 단일 벤드에서 두개의 루프가 결합하는 전체 효과는 벤드 유도 복굴절을 보상하거나 오프셋한다.

상기 보상 효과는 전체 복굴절이 완벽하게 제거되지 않는 경우에 장점을 가질 수 있지만, 본질적으로 동일한 두개의 루프를 제공함으로써, 벤드가 무시할 수 있을 정도로 작은 벤드 유도 복굴절을 나타내도록(그리고, 광의 편광 상태가 광 변화 방향에 대해 선형에서 타원형으로 변화되지 않도록) 지연 오프셋이 효과적으로 완결될 수 있다. 벤드 유도 복굴절은 센서의 온도 의존성이 본질적으로 선형 복굴절에 기인한다는 의미에서 무시할 수 있다. 직선부들(18, 20, 22, 24)에서는 어떠한 벤드 유도 복굴절도 없다. 도시된 루프들의 곡률은 원형이지만, 다른 커브들(타원형 등)이 주어진 벤드에서의 두개의 루프가 모두 실질적으로 동일 형태를 갖도록 적절히 제공될 수 있다. 도시된 실시예에서, 각 루프의 반지름은 동일해야 한다.

도 1의 관형 홀더(12)에 의해 형성된 정방형의 코너들 중 3개만이 본 명세서에서 교시된 형태로 휘어져 있지만, 4개의 코너 모두가 이와 같은 벤드를 가질 수도 있는 데, 예를 들어 출력 광섬유는 입력 광섬유와 동일한 방향(평행하게)으로 서브어셈블리로부터 나오도록 될 수도 있다.

도 3은 광 감지용 광섬유(34)를 입력 광섬유(14)에 부착하는 한가지 방법을 도시한다. 우선, 감지용 광섬유(34)는 소량의 에폭시(36)에 의해 관형 홀더(12) 내에서 보호되는 데, 여기서 감지용 광섬유(34)의 최종 단은 관형 홀더(12)의 끝으로부터 단지 경미하게 연장된다. 이음부(38)는 감지용 광섬유(34)와 입력 광섬유(14) 사이에서 융접 이음(fusion splicing)등에 의해 형성된다. 입력 광섬유(14)를 둘러싸는 또 다른 관형 부분(40)이 이음부(38) 부근에 배치된다(입력 광섬유(14)는 이음부 제조에 앞서서 튜브(40) 내에 삽입될 수 있다). 튜브(40)는 관형 홀더(12)의 외경(outer diameter)과 거의 같은 외경을 갖는다. 또 다른 소량의 에폭시(42)가 입력 광섬유(14)를 튜브(40)로 보호한다. 튜브(40) 및 관형 홀더(12)의 외경보다 약간 더 큰 내경(inner diameter)을 갖는 이음 프로텍터(44)는 관형 홀더(12) 및 튜브(40)의 끝들 위에 놓여지고, 부가적인 에폭시(46)를 사용하여 보호된다.

동일한 방법이 출력 광섬유(16)를 감지용 광섬유(34)의 다른 쪽 끝에 부착되도록 사용된다. 다시 말하면, 감지용 광섬유는 관형 홀더의 경보보다 더 긴 것이 바람직한데, 감지용 광섬유(34)의 일단은 관형 홀더(12)의 제1단부에서 나오며, 감지용 광섬유(34)의 다른 일단은 관형 홀더(14)의 제2단부에서 나온다. 그러나, 관형 부재의 경보보다 더 짧은 감지용 광섬유를 가지는 것도 가능하다. 예를 들어, 감지용 광섬유는 입력 광섬유에 연결된 후, 감지용 광섬유의 다른 일단이 관형 홀더의 출력 단을 나올 때 까지 관형 홀더 내로 더 삽입될 수 있다. 다음으로, 출력 광섬유가 감지용 광섬유에 이어지는 데, 이 감지용 광섬유는 양 이음부들이 관형 홀더의 각각의 단자부들에 의해 둘러싸여 이음 프로텍터들(44)에 대한 필요를 제거하도록 재삽입된다.

이음 프로텍터들이 각 단에 사용될 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 보강 막대(48, reinforcement bar)를 양 프로텍터들에 부착시켜 더 큰 구조적 안전성을 관형 홀더(12)가 가질 수 있도록 함으로써 더욱 보호될 수 있다. 보강 막대(48)는 각 이음 프로텍터의 중심부들에 부착되며, 각 이음 프로텍터와 직교하는 것이 일반적이다.

상기 양호한 실시예에서, 관형 홀더(12)는 내경 1 ㎜ 외경 3 ㎜ 인 글래스(파이렉스) 튜브이고, 이음 프로텍터들(44)은 내경 3 ㎜ 외경 5 ㎜ 인 글래스(파이렉스)이고, 보강 막대(48)는 외경이 2 ㎜ 인 글래스(파이렉스)이다. 관형 홀더(12)에 동일한 재료를 사용하여, 모든 지지 부품들이 동일한 팽창 계수를 갖기 때문에, 이음 프로텍터들(44) 및 보강 막대(48)는 온도 감수성을 더 저하시킬 수 있고, 광섬유들(글래스)에 더욱 밀접하게 될 수 있다. 맨드럴 또는 몰드에 대하여 관형 홀더에 열을 가해 변형시킴으로써, 관형 홀더(12)는 적절한 형태로 형성될 수 있다. 관형 홀더(12)의 폐경로를 통해 이어질 수 없는 지금의 도체 주위에 서브어셈블리가 배치될 수 있도록, 힌지(50, hinge)가 예를 들어 3개의 코저 벤드들에 형성될 수 있다.

본 발명에서 사용된 양호한 형태의 광섬유는 미국 코네티컷주 웨스트 해븐 소재의 3M Specialty Optical Fibers 로부터 입수할 수 있다. 입력 광섬유(14)는 부품 번호 FS-PZ-4611/200SA 로 입수할 수 있는 편광용(PZ) 광섬유(오퍼레이팅 파장이 850 ㎚)이다. 출력 광섬유(16)는 부품 번호 FS-PM-4611/200SA 로 입수할 수 있는 편광 유지용(PM) 광섬유(오퍼레이팅 파장이 820 ㎚)이다. 감지용 광섬유(34)는 온도 순환용 이중 아크릴 코팅(acrylate coating)을 갖는 부품 번호 FS-SM-4611(오퍼레이팅 파장이 780 ㎚)로 입수할 수 있는 실 형태(spun)의 어닐링되지 않은 단일 모드 광섬유이다. 이와 같은 코팅은 PM 광섬유, 소프트 실리콘 내부 코팅 및 하더 아크릴 외부 코팅과 동일하다. 내부 코팅은 전체 온도 범위 내내 겔 형태를 유지할 수 있는 낮은 Tg를 가지므로, 직선부들에서 쌍굴절을 야기할 수 있는 광섬유에 압력을 가하지 않는다. 또한, 광섬유는 미터 당 5회 내지 40회로 감기어(대략 2.5-20 ㎝의 감긴 비트 길이는 직선 비트 길이가 대략 100 m인 광섬유를 만든다) 센서의 직선부들에서 선형 복굴절을 감소시킨다. 출력 광섬유의 복굴절 축들이 전류가 제공되지 않는 감지용 광섬유의 외부로 입사하는 광의 편광면에 대하여 45°의 각도가 되도록 출력 광섬유는 감지용 광섬유에 연결된다. 광섬유들을 부착하는 데 사용되는 접착제로는 뉴저지주 뉴브런스위크 소재의 Norland Products 로부터 입수할 수 있는 UV cured epoxy NOA #72 가 적합하다. 이음 프로텍터들(44)을 튜브들(40)에 부착하고, 보강 막대(48)를 이음 프로텍터들(44)에 부착하기 위한 접착제로는 코네티컷주 소재의 Electronic Materials of Danvury 사 제품 중 부품 번호 XP1060-930-45-1A가 이용 가능하다.

벤드 유도 복굴절에 기인한 광섬유 서브어셈블리(10)의 온도 감수성은 서브어셈블리 제조를 복잡하게 할 수 있는 단계인 감지용 광섬유 어닐링 단계없이도 최소화된다. 예를 들어, 어닐링은 파이렉스보다 고품질의 글래스를 필요로하며, 감지용 광섬유 상에 이중 아크릴 코팅을 기화(vaporize)시킬 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 감지용 광섬유(34)에 대하여 어닐링된 광섬유를 사용할 수 있는 것은 분명하지만, 만족스러운 결과는 서브어셈블리(10)의 코너들에서 총 복굴절이 0인 어닐링되지 않은 광섬유를 사용할 때 얻을 수 있다. 본 발명의 복굴절 보상 구조의 또 다른 장점은 파장에 대한 독립성(wavelength independent)에 있다.

서브어셈블리(10)의 길이(dimensions)는 모니터될 도체의 크기 또는 형태에 따라서 변화될 수 있다. 이하의 근사 길이들은 단지 그 예일 뿐이다. 관형 홀더(12)는 모서리들의 길이가 10 ㎝ (정방형의 일부를 한 코너에 형성하는 이음 프로텍터들(44)의 부분들을 포함함)인 정방형(square)을 형성한다. 루프들(26 및 28)은 반지름이 2 ㎝ 이다. 광 감지용 광섬유(34)의 길이는 54 ㎝ 이다(감지용 광섬유의 각 단부는 관형 홀더(12)의 외부로 2 ㎝ 연장된다). 튜브들(40)의 길이는 4 ㎝ 이고, 이음 프로텍터들(44)의 길이는 5 ㎝ 이며, 보강 막대(48)의 길이는 5 ㎝ 이다.

광섬유 서브어셈블리(10)는 완전한 패러데이 센서 시스템의 종래의 다양한 부품들과 함께 사용할 수 있도록 의도되었다. 이들 부품들이 본 발명의 범위 밖이더라도, 전형적인 예로는: 입력 광섬유(14)에 연결된 광원(영국 윈체스터 소재 Point Source Ltd 사 제품인 레이저 다이오드 광학 패키지; 또는 그 대체로서 캐나다 버드러일 소재의 EG&G Optoelectronics 사 제품인 슈퍼 형광 다이오드 등); 및 출력 광섬유(16)에 연결된 검출기(플로리다주 올랜도 소재의 Graseby Optronics 사 제품인 Si 광검출기 모델 번호 260 등)가 있다. 폴라라이저(polarizer) 또는 편광용 빔 스플리터는 PM 출력 광섬유(16)의 축들에 정렬된다. PZ 광섬유는 PM 출력 광섬유를 대체하여 사용될 수 있다.

도 4는 패러데이 효과 전류 센서용 광섬유 서브어셈블리에 사용하는 대체적인 관형 홀더(52)를 도시하는 데, 이것은 관형 홀더(52)가 두개의 정사각형으로 유효하게 형성될 수 있으며, 그 중 하나는 다른 하나의 내부에 놓여 센서의 감도를 향상시킨다는 점을 제외하고는 관형 홀더(12)와 동일하다. 2개 이상의 정사각형이 동일한 방식으로 형성될 수 있다. 복수개의 힌지들이 이와 같은 복수의 정사각형 센서들에 제공되어 서브어셈블리가 지금의 도체 주위에 배치될 수 있도록 한다.

도 1, 2 및 4에서, 루프 부분들(26 및 28) 각각은 전체적으로 약 90°의 각도로 휘어지는데, 이 루프들이 1/4 턴 루프들이다(이와 같이 "루프"라는 용어는 360°이상의 완전한 감김을 필요로 하는 것을 의미하지는 않는다). 본 기술 분야의 숙련된 기술자들은 다른 형태의 루프들도 대략 90°의 유효각을 갖는다면 이와 동일하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 5는 3/4 턴 루프들(54 및 56)인 2개의 원을 갖는 광섬유 벤드를 도시한다. 이들 루프들도 또한 90°의 유효각을 가지며, 직교하는 평면들 내에 형성된다. 물론, 이보다 큰 루프들이 도 2 또는 도 5 중 어느 하나의 도형(geometry)에 한번 이상의 완전한 회전을 단순히 더함으로써 형성될 수 있다. 다시 말하면, 2개의 원형 루프는 수학식 T = [(n-2)-1]/4 (여기서 n은 1 이상의 정수)에 의해 주어지는 동일한 감긴 회수 T를 가질 수 있다.

도 5의 감김(winding)은 도 6A 및 6B에 도시된 바와 같이 두개의 평향한 막대들이 다른 두개의 막대들과 겹치는 정사각형 형태로 조립된 4개의 부재들 또는 막대들로 구성된 맨드럴 또는 프레임(58) 상에서 종래와 같은 방법으로 행해질 수 있다. 환형 그루브들(annular grooves)은 도 5의 도형에서 감지용 광섬유를 인도하는 막대들을 따라서 적절한 위치들에 형성될 수 있다. 예시적인 프레임(58)은 외주가 1 인치(2.54 ㎝)인 막대들을 갖는 데, 각 막대의 대략 1 인치(2.54 ㎝)는 코너 교차점들 위로 연장된다.

본 발명은 패러데이 전류 센서에서의 정밀도를 향상시키기 위한 다른 기술들과 결합될 수 있다. 미국 특허 출원 제 08/539,059호에서 교시된 방법은 버데트 상수에서의 변화를 보상하기 위해 감지용 광섬유의 양호한 감지용 축을 선택함으로써 더욱 향상된 것을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 미국 특허 출원 제 08/561,810호의 차동 전류 센서용 2개의 서브어셈블리들을 제공하는 데 사용될 수 있다.

본 발명이 특정한 실시 형태들과 관련하여 설명되었지만, 이와 같은 설명은 제한적인 의미로 해석되는 것을 의미하지는 않는다. 본 발명의 대체 실시예들 뿐만 아니라 개시된 실시예의 다양한 변형들이 본 발명의 상세한 설명을 참조한다면 본 분야의 숙련된 기술자들에게는 분명할 것이다. 그러므로, 이와 같은 변형들이 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어남이 없이 행해질 수 있도록 의도되었다.

Claims (22)

1. 패러데이 효과 센서용 광섬유 서브어셈블리에 있어서,

   제1 및 제2 단부들과 중간 감지부를 갖는 광섬유(optical fiber), 및

   실질적인 폐경로로 광섬유의 감지부를 유지하기 위한 수단

   을 포함하고,

   상기 감지부는 4개의 코너를 갖는 직사각형을 일반적으로 정의하는 4개의 직선부들로 형성되고, 4개의 코너들 중 적어도 하나는 대략 90°의 유효각을 갖는 상기 감지부의 턴을 갖고, 상기 턴은 벤드 유도 복굴절(bend-induced birefringence)을 보상하도록 구성된

   광섬유 서브어셈블리.
2. 제1항에 있어서, 상기 코너들 중 3개는 대략 90°의 유효각들을 갖는 상기 감지부의 벤드(bend)를 갖고, 상기 벤드들 각각은 벤드 유도 복굴절을 보상하도록 구성된 광섬유 서브어셈블리.
3. 제1항에 있어서, 상기 4개의 직선부들은 정사각형(square)를 더 일반적으로 정의하는 광섬유 서브어셈블리.
4. 제1항에 있어서, 상기 광섬유의 상기 제1 및 제2 단부들은 상기 코너들 중 하나에서 다른 하나와 겹치는(overlie) 광섬유 서브어셈블리.
5. 제1항에 있어서, 상기 벤드는 상기 제1 루프 내에 축적된 지연(retardance)이 상기 제2 루프 내에 축적된 지연에 의해 오프셋되도록 구성된 제1 및 제2 90°루프들을 포함하는 광섬유 서브어셈블리.
6. 제1항에 있어서, 상기 유지용 수단은 상기 광섬유의 상기 감지부의 두개의 인접한 직선부들 사이에서 피벗 운동(pivotal movement)을 할 수 있도록 하는 힌지 수단(hinge means)을 포함하는 광섬유 서브어셈블리.
7. 제1항에 있어서, 상기 벤드 유도 복굴절에 대한 보상은 상기 광섬유 내에서 이동하는 광의 파장에 독립적인 광섬유 서브어셈블리.
8. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 루프들은 각각 1/4 턴 루프들인 광섬유 서브어셈블리.
9. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 루프들은 각각 3/4 턴 루프들인 광섬유 서브어셈블리.
10. 제5항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 루프들은 각각 빠르고 느린 복굴절 축들을 갖고,

    상기 제1 루프 내의 상기 빠른 복굴절 축(fast axis of birefringence)은 상기 제2 루프 내의 상기 느린 복굴절 축(slow axis of birefringence)에 평행하고,

    상기 제1 루프 내의 상기 느린 복굴절 축은 상기 제2 루프 내의 상기 빠른 복굴절 축에 평행한

    광섬유 서브어셈블리.
11. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 루프들은 직교 평면들 내에 있는 광섬유 서브어셈블리.
12. 제5항에 있어서, 상기 지연의 상기 오프셋은 상기 벤드가 무시할 수 있을 정도록 작은 벤드 유도 복굴절을 나타내도록 유효하게 완성되는 광섬유 서브어셈블리.
13. 패러데이 효과 전류 센서에 있어서,

    제1 및 제2단부들을 갖는 관형 부재 - 상기 관형 부재는 4개의 코너들을 갖는 직사각형을 일반적으로 정의하는 4개의 직선부들을 갖는 실질적인 폐경로를 형성하고, 상기 4개의 코너들은 상기 직선부들을 연결하며, 상기 코너들 중 적어도 하나는 유효각이 대략 90°인 턴을 갖고, 상기 턴은 제1 및 제2 90°루프부들을 포함하고, 상기 제1 및 제2 루프부들은 직교 평면들 내에 있으며, 본질적으로 형태가 동일함 -, 및

    상기 관형 부재 내에 삽입된 감지용 광섬유 - 상기 광섬유의 제1단부는 상기 관형 부재의 상기 제1단부에서 나오고, 상기 광섬유의 제2단부는 상기 관형 부재의 상기 제2단부에서 나오게 되어 있음 -

    를 포함하는 패러데이 효과 전류 센서.
14. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 루프부들은 각각 1/4 턴 루프들인 패러데이 효과 전류 센서.
15. 제13항에 있어서, 상기 4개의 직선부들은 하나의 정사각형(square)을 일반적으로 정의하는 패러데이 효과 전류 센서.
16. 제13항에 있어서, 상기 광섬유의 상기 제1 및 제2단부들은 상기 코너들 중 하나에서 서로 겹치는(overlie) 패러데이 효과 전류 센서.
17. 제13항에 있어서, 상기 관형 부재는 상기 코너들 중 하나에 힌지(hinge)가 구비되어 상기 직선부들 중 인접한 한 쌍의 직선부들 사이에서의 피벗 운동(pivotal movement)이 가능하도록 하는 패러데이 효과 전류 센서.
18. 제13항에 있어서,

    상기 광섬유의 상기 제1단부에 연결된 입력 편광 광섬유,

    상기 광섬유의 상기 제2단부에 연결된 출력 편광 유지용 광섬유,

    상기 입력 편광 광섬유의 일부를 둘러싸는 제1 튜브,

    상기 출력 편광 유지용 광섬유의 일부를 둘러싸는 제2 튜브,

    상기 광섬유의 상기 제1단부를 둘러싸는 제1 이음 프로텍터(splice protector) - 상기 제1 이음 프로텍터는 상기 관형 부재의 상기 제1단부에 부착된 제1단부 및 상기 제1 튜브에 부착된 제2단부를 가짐 -,

    상기 광섬유의 상기 제2단부를 둘러싸는 제2 이음 프로텍터 - 상기 제2 이음 프로텍터는 상기 관형 부재의 상기 제2단부에 부착된 제1단부 및 상기 제2 튜브에 부착된 제2단부를 가짐 -, 및

    상기 제1 및 제2 이음 프로텍터에 부착된 보강용 부재(reinforcing member)

    를 더 포함하는 패러데이 효과 전류 센서.
19. 제13항에 있어서,

    상기 광섬유의 상기 제1단부에 연결된 입력 편광 광섬유,

    상기 광섬유의 상기 제2단부에 연결된 출력 편광 광섬유,

    상기 입력 편광 광섬유의 일부를 둘러싸는 제1 튜브,

    상기 출력 편광 유지용 광섬유의 일부를 둘러싸는 제2 튜브,

    상기 광섬유의 상기 제1단부를 둘러싸는 제1 이음 프로텍터 - 상기 제1 이음 프로텍터는 상기 관형 부재의 상기 제1단부에 부착된 제1단부 및 상기 제1 튜브에 부착된 제2단부를 가짐 -,

    상기 광섬유의 상기 제2단부를 둘러싸는 제2 이음 프로텍터 - 상기 제2 이음 프로텍터는 상기 제2 관형 부재의 상기 제2단부에 부착된 제1단부 및 상기 제2 튜브에 부착된 제2단부를 가짐 -, 및

    상기 제1 및 제2 이음 프로텍터에 부착된 보강용 부재

    를 더 포함하는 패러데이 효과 전류 센서.
20. 패러데이 효과 전류 센서 제조 방법에 있어서,

    제1 및 제2단부들을 갖는 관형 부재를 4개의 코너들을 갖는 직사각형을 일반적으로 정의하는 4개의 직선부들을 갖는 실질적인 폐경로를 형성하는 단계 - 상기 4개의 코너들은 상기 직선부들을 연결하며, 상기 코너들 중 적어도 하나는 유효각이 대략 90°인 턴을 갖고, 상기 턴은 제1 및 제2 90°루프부들을 포함하고, 상기 제1 및 제2 루프부들은 직교 평면들 내에 있으며 본질적으로 형태가 동일함 -,

    감지용 광섬유를 상기 관형 부재 내에 삽입하는 단계, 및

    상기 광섬유의 제1단부는 상기 관형 부재의 상기 제1단부에서 나오고, 상기 광섬유의 제2단부는 상기 관형 부재의 상기 제2단부에서 나오도록, 상기 광섬유를 상기 관형부재 내에 보호하는 단계

    를 포함하는 방법.
21. 제20항에 있어서,

    편광 광섬유를 상기 광섬유의 상기 제1단부에 연결하는 단계,

    상기 편광 광섬유의 일부 주위에 제1 튜브를 배치하는 단계,

    제1 이음 프로텍터를 상기 관형 부재의 상기 제1단부 및 상기 제1 튜브의 단부에 부착하여 상기 제1 이음 프로텍터가 상기 편광 광섬유와 상기 광섬유의 상기 제1단부 사이의 이음부를 둘러싸도록 하는 단계,

    편광 유지용 광섬유를 상기 광섬유의 상기 제2단부에 연결하는 단계,

    상기 편광 유지용 광섬유의 일부 주위에 제2 튜브를 배치하는 단계,

    제2 이음 프로텍터를 상기 관형 부재의 상기 제2단부 및 상기 제2 튜브의 단부에 부착하여 상기 제2 이음 프로텍터가 상기 편광 광섬유와 상기 광섬유의 상기 제2단부 사이의 이음부를 둘러싸도록 하는 단계

    를 더 포함하는 방법.
22. 제20항에 있어서, 상기 관형 부재는 하나가 다른 하나의 내부에 있는 2개의 직사각형을 정의하는 상기 실질적인 폐경로로 형성되는 방법.