RU2569912C2 - Зеркало, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, и датчик тока - Google Patents

Abstract

Зеркало содержит оптическое волокно, двулучепреломляющий элемент, линзу, магнит, фарадеевский вращатель, зеркало. Световой луч после оптического волокна разделяется двулучепреломляющим элементом на два перпендикулярно линейно поляризованных световых луча, которые сводятся линзой, проходят через фарадеевский вращатель, вследствие чего их плоскости поляризации поворачиваются на 45 градусов, и отражаются в одной точке на поверхности зеркала, повторно проходят через фарадеевский вращатель, вследствие чего плоскости их поляризации дополнительно поворачиваются на 45 градусов, снова падают на двулучепреломляющий элемент, объединяются в один световой луч, который падает на оптическое волокно. Величина сдвига необыкновенного луча в двулучепреломляющем элементе является равной или большей, чем удвоенный диаметр поля моды оптического волокна. Технический результат - упрощение сборки и юстировки и улучшение виброустойчивости. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 21 ил., 2 табл.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к зеркалу, компенсирующему двулучепреломление в оптическом волокне, которое используется для датчика тока, регистрирующего величину тока в энергосистеме, датчика магнитного поля, квантового криптографического устройства, передающего квантовые шифры между блоком передачи и блоком приема, которые соединены через линию передачи в области оптической связи, оптического переключателя, источника света, усилителя, интерферометра, сумматора/вычитателя и т.п., а также к датчику тока.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

На предшествующем уровне техники для измерения тока в силовом оборудовании энергосистемы широко использовался обмоточный трансформатор. Однако, размеры обмоточного трансформатора значительно увеличиваются при увеличении сетевого напряжения, подлежащего измерению, и, следовательно, существует проблема, состоящая в том, что увеличиваются затраты и пространство для установки. В частности, поскольку в коммутационном устройстве с газовой изоляцией, в которой используют изолирующий газ, называемом переключателем с газовой изоляцией (GIS), очень необходимы миниатюризация и экономия пространства, то в нем трудно установить крупногабаритный обмоточный трансформатор.

Поэтому, с учетом необходимости миниатюризации, экономии пространства, высокой изолирующей способности и устойчивости к помехам, на известном уровне техники были предложены и используются различные датчики тока, сконфигурированные так, что включают в себя оптическое волокно, установленное вокруг проводника тока, и выполняют измерение тока с использованием эффекта Фарадея в оптическом волокне. В датчике тока линейно поляризованный луч света падает на оптическое волокно; оптическое волокно сконфигурировано так, что расположено вокруг проводника, через который течет ток, подлежащий измерению; и, вследствие эффекта Фарадея в оптическом волокне, плоскость поляризации линейно поляризованного луча света в оптическом волокне поворачивается сгенерированным магнитным полем пропорционально току. При этом, угол поворота плоскости поляризации является пропорциональным величине тока, подлежащего измерению. Следовательно, величина тока может быть получена путем измерения угла поворота.

На Фиг. 15 изображена принципиальная схема, на которой проиллюстрирован датчик тока, раскрытый в патентной литературе 1, в качестве примера датчика тока, в котором используют эффект Фарадея в оптическом волокне. Датчик 100 тока сконфигурирован так, что включает в себя оптический циркулятор 101, двулучепреломляющий элемент 102, фарадеевский вращатель 103 и оптическое волокно 104 для датчика. Оптическое волокно 104 расположено вдоль внешней окружности проводника 105, через который течет ток, подлежащий измерению. На одном конце оптического волокна 104 установлен фарадеевский вращатель 103, а на другом его конце установлено зеркало 106. Кроме того, двулучепреломляющий элемент 102 и оптический циркулятор 101 соединены друг с другом оптическим волокном. Оптический циркулятор 101 подключен в таком направлении, что световой луч от источника 107 света проходит в направлении той стороны, где расположено оптическое волокно 104.

Световой луч, излученный из источника 107 света, падая через оптическое волокно 108 и оптический циркулятор 101 на двулучепреломляющий элемент 102, преобразуется двулучепреломляющим элементом 102 в линейно поляризованный луч света, падающий на фарадеевский вращатель 103. Фарадеевский вращатель 103 сконфигурирован так, что включает в себя магнит 109 и ферромагнитный гранат 110, который магнитно насыщен за счет магнита 109, и поворачивает плоскость поляризации светового луча, проходящего через ферромагнитный гранат 110, на 22,5 градуса. Линейно поляризованный луч света, проходящий через фарадеевский вращатель 103, падает на оптическое волокно 104, подвергаясь фарадеевскому вращению магнитным полем, сгенерированным током, подлежащим измерению, который течет через проводник 105, при этом, плоскость поляризации линейно поляризованного луча света поворачивается на угол поворота, пропорциональный интенсивности магнитного поля.

Далее, световой луч, распространяющийся через оптическое волокно 104, отражается зеркалом 106, и когда световой луч снова распространяется через оптическое волокно 104, то световой луч снова поворачивается магнитным полем вследствие эффекта Фарадея, снова падая на фарадеевский вращатель 103. Поскольку световой луч снова проходит через фарадеевский вращатель 103, то плоскость поляризации дополнительно поворачивается на 22,5 градуса, в результате чего фарадеевский вращатель 103 поворачивает плоскость поляризации на 45 градусов на пути туда и обратно. Световой луч, проходящий через фарадеевский вращатель 103, снова проходит через двулучепреломляющий элемент 102, разделяясь на два линейно поляризованных световых луча, направления поляризации которых являются перпендикулярными друг другу. Этот разделенный линейно поляризованный световой луч принимает фотоприемный элемент 112 через оптический циркулятор 101 и оптическое волокно 111, преобразовывая его в электрический сигнал S1. Кроме того, другой линейно поляризованный световой луч принимает фотоприемный элемент 114 через оптическое волокно 113, преобразовывая его в электрический сигнал S2.

Поскольку количество света, принятое фотоприемными элементами 112 и 114, изменяется в соответствии с фарадеевским углом поворота плоскости поляризации, наблюдающимся в линейно поляризованном световом луче, распространяющемся через оптическое волокно 104, то схема 115 обработки сигналов обрабатывает электрические сигналы S1 и S2 посредством учета этого изменения для получения фарадеевского угла поворота плоскости поляризации в оптическим волокне 104. Затем, исходя из полученного фарадеевского угла поворота плоскости поляризации, вычисляют ток, подлежащий измерению.

Кроме того, поскольку силовое оборудование передачи-преобразования энергии, такое как, например, описанный выше GIS сконфигурировано так, что имеет большую величину тока, то для регистрации тока большой величины посредством оптического волокна необходимо использовать кварцевое оптическое волокно, имеющее большую максимальную величину измеряемого тока.

Однако, в том случае, когда в качестве оптического волокна 104, выполняющего регистрацию тока используется кварцевое оптическое волокно, возникает линейное двулучепреломление из-за механического напряжения, создаваемого вследствие изгиба или вибрации, и, следовательно, распространяющийся линейно поляризованный световой луч преобразуется в световой луч, имеющий эллиптическую поляризацию, вследствие чего увеличивается погрешность измерений. Другими словами, если к датчику тока, такому как, например, датчик 100 тока, в котором используют эффект Фарадея в оптическом волокне, приложена внешняя вибрация, то существует проблема, состоящая в том, что результат измерения тока, подлежащего измерению, сильно изменяется вследствие фотоупругости оптического волокна.

Например, на Фиг. 16 проиллюстрирован пример, в котором результат измерения изменяется в соответствии с работой прерывателя в описанном выше GIS. В случае стационарного состояния, когда частота в энергосистеме равна 60 Гц, результатом измерения является форма сигнала, проиллюстрированная на Фиг. 16(a). Если же в стационарном состоянии приложена вибрация, то результат измерения сильно изменяется, что проиллюстрировано на Фиг. 16(b).

Следовательно, в качестве оптического волокна 104 используется оптическое волокно с низким двулучепреломлением, содержащее оксид свинца. Причина, по которой используется оптическое волокно, содержащее оксид свинца, состоит в том, что его коэффициент фотоупругости является намного меньшим, чем коэффициент фотоупругости кварцевого оптического волокна, и, следовательно, механическое напряжение вследствие изгиба или вибрации не настолько легко влияет на распространяющийся луч поляризованного света.

Однако, поскольку постоянная Верде, указывающая способность фарадеевского вращения плоскости поляризации в оптическом волокне, содержащем оксид свинца, является, приблизительно, в пять раз большей, чем постоянная Верде для кварцевого оптического волокна, то для него максимальный регистрируемый ток является меньшим, чем максимальный регистрируемый ток для кварцевого оптического волокна, поэтому оптическое волокно, содержащее оксид свинца, имеет недостаток при измерении тока большой величины.

Следовательно, в качестве средства для решения описанных выше проблем, возникающих в оптическом волокне, рассмотрен способ замены зеркала 106 фарадеевским зеркалом, имеющим фарадеевский вращатель, и оптического соединения фарадеевского зеркала с другим концом оптического волокна 104. Например, в патентной литературе 2 раскрыт пример фарадеевского зеркала, имеющего фарадеевский вращатель.

На Фиг. 18 проиллюстрирована конфигурация фарадеевского зеркала 123, раскрытого в патентной литературе 2. Фарадеевское зеркало 123 сконфигурировано путем вставки оптического волокна 126, оптического волокна 127, и терминала, объединяющего последовательность сходящихся лучей, который имеет сферическую часть 128 на дистальном конце, вставленную в центральное отверстие держателя 124 оптического волокна через муфту 125, обеспечивая возможность сферической части 128 выступать наружу, располагающего фарадеевский 45 градусный вращатель 129 и зеркало 130 так, что обращены друг к другу, и герметично закрытого крышкой 132, которая ограждает снаружи магнит 131, служащий для намагничивания фарадеевского вращателя 129. Если направление, в котором распространяется световой луч от оптического волокна 127 к зеркалу 130, задано как прямое направление, и направление, в котором распространяется световой луч от зеркала 130 к оптическому волокну 127, задано как обратное направление. В прямом направлении плоскость поляризации светового луча, который распространяется через оптическое волокно 127 и излучается из сферической части 128, поворачивается на 45 градусов фарадеевским вращателем 129 и отражается зеркалом 130. Кроме того, в обратном направлении световой луч снова проходит через фарадеевский вращатель 129, в результате чего происходит дополнительный поворот плоскости поляризации на 45 градусов. Следовательно, световой луч возвращается в оптическое волокно 127 в состоянии, в котором плоскость поляризации в обратном направлении повернута на 90 градусов относительно плоскости поляризации светового луча, излученного из оптического волокна 127 и из сферической части 128 в прямом направлении.

Несмотря на то, что вибрационная характеристика датчика тока, включающего в себя фарадеевское зеркало 123, улучшается по сравнению с вибрационной характеристикой датчика тока, включающего в себя зеркало 106, эта вибрационная характеристика, однако, является недостаточной для очень точного измерения, а его температурная характеристика ухудшается. Причина состоит в следующем. Фарадеевский вращатель 129 имеет температурную характеристику и спектральную характеристику; существует ограничение по точности обработки толщины для определения фарадеевского угла поворота плоскости поляризации, равного 45 градусам; и при определенной температуре и длине волны во время измерения, когда световой луч проходит через фарадеевский вращатель туда и обратно, фарадеевский угол поворота его плоскости поляризации имеет сдвиг относительно 90 градусов, вследствие чего двулучепреломление оптического волокна не может быть полностью скомпенсировано. Кроме того, также ухудшаются спектральная и температурная характеристики точности измерения для датчика тока. На Фиг. 19 проиллюстрирована температурная зависимость измеренной величины тока, подлежащего измерению, на выходе датчика тока, соединенного с фарадеевским зеркалом 123, как характеристика "относительная погрешность - температура". На Фиг. 19 можно заметить следующее: несмотря на то, что при температуре, приблизительно, 35°C относительная погрешность является минимальной, при уменьшении или увеличении температуры относительно 35°C, величина изменения относительной погрешности увеличивается нелинейно, в результате чего измеренная датчиком тока величина тока, подлежащего измерению, изменяется вследствие температурной характеристики фарадеевского вращателя 129.

Следовательно, в качестве средства решения описанных выше проблем, возникающих в оптическом волокне 104, рассмотрен способ не использования фарадеевского вращателя, а оптического соединения зеркала, поворачивающего плоскость поляризации, имеющего четвертьволновую (λ/4) пластину на другом конце оптического волокна 104 вместо зеркала 106. В патентной литературе 3 раскрыт пример зеркала, поворачивающего плоскость поляризации, которое имеет четвертьволновую (λ/4) пластину.

На Фиг. 17 проиллюстрирована конфигурация зеркала, поворачивающего плоскость поляризации, которое раскрыто в патентной литературе 3. В зеркале 116, поворачивающем плоскость поляризации, если световой луч излучается с торцевой поверхности 117a оптического волокна 117, на которую падает/из которой излучается свет, и падает на первый двулучепреломляющий элемент 118, то световой луч разделяется на два линейно поляризованных световых луча из обыкновенного луча и необыкновенного луча, направления поляризации которых являются перпендикулярными друг другу. Затем эти два линейно поляризованных световых луча падают на второй двулучепреломляющий элемент 119. Поскольку направления кристаллографических осей оптических плоскостей первого двулучепреломляющего элемента 118 и второго двулучепреломляющего элемента 119 заданы так, что отличаются друг от друга на 90 градусов, то световой луч, проходящий через первый двулучепреломляющий элемент 118 как обыкновенный луч, становится необыкновенным лучом во втором двулучепреломляющем элементе 119 и сдвигается в направлении оси X, показанной на Фиг. 17. Следовательно, в том случае, когда два линейно поляризованных световых луча проходят через первый двулучепреломляющий элемент 118 и второй двулучепреломляющий элемент 119, два линейно поляризованных световых луча обязательно проходят по оптическим путям обоих лучей: обыкновенного луча и необыкновенного луча, и если первый двулучепреломляющий элемент 118 и второй двулучепреломляющий элемент 119 имеют одинаковое направление кристаллографической оси и одинаковую толщину, то упомянутые оптические длины пути будут одинаковыми. Поскольку две поляризованные составляющие обыкновенного луча и необыкновенного луча сдвигаются на одинаковое расстояние двумя двулучепреломляющими элементами 118 и 119, то разность оптической длины пути между этими двумя световыми лучами, созданными во время разделения в первом двулучепреломляющем элементе 118, устраняется до отражения этих световых лучей зеркалом 122.

Затем, два линейно поляризованных световых луча падают на четвертьволновую (λ/4) пластину 120, которая преобразует их в два луча света с круговой поляризацией, в которых направления вращения дистальных концов векторов напряженности электрического поля являются различными. Два луча света с круговой поляризацией, излученные из четвертьволновой (λ/4) пластины 120, сводят посредством линзы 121, и их отражение происходит в одной точке R на поверхности зеркала 122 с точечной симметрией; и оптические пути лучей света с круговой поляризацией меняются местами до и после отражения; и направления вращения лучей света с круговой поляризацией изменяются на обратные вследствие отражения.

Отраженные лучи света с круговой поляризацией снова проходят через четвертьволновую (λ/4) пластину 120, преобразовываясь в два линейно поляризованных световых луча, в которых направления колебаний векторов напряженности электрического поля отличаются друг от друга на 90 градусов. При этом, линейно поляризованные световые лучи в направлениях X и Y на оптическом пути (на пути в прямом направлении) до отражения становятся линейно поляризованными световыми лучами направлениях, соответственно, Y и X на оптическом пути (на пути в обратном направлении) после отражения. Два линейно поляризованных световых луча повторно проходят через второй двулучепреломляющий элемент 119 и первый двулучепреломляющий элемент 118 и заново объединяются в один световой луч. Световой луч, сформированный путем объединения, падает на оптическое волокно 117.

Поскольку два световых луча сдвигаются на одинаковое расстояние двумя двулучепреломляющими элементами 118 и 119 после отражения зеркалом 122 до падения на оптическое волокно 117, то разность оптической длины пути между двумя световыми лучами, которые отражаются зеркалом 122, устраняется до того, как заново объединенный световой луч падает на оптическое волокно 117.

Таким образом, что касается луча света с произвольной поляризацией, излученного из оптического волокна 104, то в соответствии с зеркалом 116, поворачивающим плоскость поляризации, его главная ось поляризации поворачивается на 90 градусов, и в том случае, когда существует эллиптически-поляризованная составляющая, эта составляющая изменяется, превращаясь в луч поляризованного света, имеющий противоположное направление вращения, то есть, в луч поляризованного света, находящийся в диаметрально противоположной точке на сфере Пуанкаре, то есть, в точке, прямо противоположной другой точке на окружности на сфере, который падает на оптическое волокно 104, в результате чего двулучепреломление, вызванное оптическим волокном 104, будет компенсироваться, и датчик 100 тока может давать устойчивые результаты измерений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Патентная литература 1: публикация заявки на патент Японии № JP 10-319051 A

Патентная литература 2: публикация заявки на патент Японии № JP 7-41507 Y (полезная модель)

Патентная литература 3: публикация заявки на патент Японии № JP 2008-65111 A

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ЗАДАЧА, РЕШАЕМАЯ В ИЗОБРЕТЕНИИ

Однако, в зеркале 116, поворачивающем плоскость поляризации, в котором не используют фарадеевский вращатель, существует проблема, состоящая в том, что во время юстировки для нахождения оптимального положения сопряжения при сборке трудно определить, при каких градусах имеет место положение наилучшего сопряжения, и какое положение является оптимальным положением сопряжения, и трудно произвести сборку. Предположительная причина этого следующая. Когда два луча света с круговой поляризацией отражаются в одной точке зеркалом 122, то направления вращения дистальных концов векторов напряженности электрического поля являются противоположными друг другу, вследствие чего, между лучами света с круговой поляризацией предположительно возникает интерференция.

Настоящее изобретение было создано с учетом вышеизложенной проблемы, и задачей настоящего изобретения является создание зеркала, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, которое способно обеспечивать возможность легкого выполнения сборки с юстировкой за счет устранения возникновения множества положений наилучшего сопряжения, способно улучшить виброустойчивость датчика тока за счет компенсации двулучепреломления, возникающего в оптическом волокне для датчика тока, и способно обеспечивать регистрацию тока большой величины посредством датчика тока, а также создание датчика тока, виброустойчивость которого улучшена за счет оптического присоединения к нему зеркала, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне.

СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

Ниже описаны цели, достигаемые в настоящем изобретении. Согласно аспекту настоящего изобретения, предложено зеркало, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, которое содержит: оптическое волокно; двулучепреломляющий элемент; линзу; магнит; фарадеевский вращатель, к которому приложено магнитное поле от магнита для его магнитного насыщения, и который имеет фарадеевский угол поворота плоскости поляризации, равный 45 градусам; и зеркало,

причем, компоненты, которыми являются двулучепреломляющий элемент, фарадеевский вращатель и зеркало, расположены в следующем порядке от торцевой поверхности падения/излучения света в оптическом волокне: двулучепреломляющий элемент, фарадеевский вращатель и зеркало,

оптическое волокно является одномодовым,

световой луч, распространяющийся через оптическое волокно, разделяется двулучепреломляющим элементом на два перпендикулярно линейно поляризованных световых луча, представляющих собой обыкновенный луч и необыкновенный луч, которые сводятся линзой,

эти два линейно поляризованных световых луча проходят через фарадеевский вращатель, вследствие чего их плоскости поляризации поворачиваются на 45 градусов, и эти два линейно поляризованных световых луча отражаются в одной точке на поверхности зеркала с точечной симметрией,

два отраженных линейно поляризованных световых луча повторно проходят через фарадеевский вращатель, вследствие чего плоскости поляризации двух линейно поляризованных световых лучей дополнительно поворачиваются на 45 градусов,

при этом, два линейно поляризованных световых луча снова падают на двулучепреломляющий элемент, вследствие чего они заново объединяются в один световой луч, и

заново объединенный световой луч падает на оптическое волокно.

Кроме того, зеркало, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, согласно настоящему изобретению отличается тем, что величина сдвига необыкновенного луча в двулучепреломляющем элементе зеркала, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, является равной или большей, чем удвоенный диаметр поля моды оптического волокна.

Кроме того, согласно аспекту настоящего изобретения, предложено зеркало, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, которое содержит: оптическое волокно; первый двулучепреломляющий элемент; второй двулучепреломляющий элемент; линзу; магнит; фарадеевский вращатель, к которому приложено магнитное поле от магнита для его магнитного насыщения, и который имеет фарадеевский угол поворота плоскости поляризации, равный 45 градусам; и зеркало,

причем, компоненты, которыми являются первый двулучепреломляющий элемент, второй двулучепреломляющий элемент, фарадеевский вращатель и зеркало, расположены в следующем порядке от торцевой поверхности падения/излучения света в оптическом волокне: первый двулучепреломляющий элемент, второй двулучепреломляющий элемент, фарадеевский вращатель и зеркало,

оптическое волокно является одномодовым,

направление кристаллографической оси оптической плоскости второго двулучепреломляющего элемента задано таким, что отличается на 90 градусов от направления кристаллографической оси оптической плоскости первого двулучепреломляющего элемента,

световой луч, распространяющийся через оптическое волокно, разделяется первым двулучепреломляющим элементом на два перпендикулярно линейно поляризованных световых луча, представляющих собой обыкновенный луч и необыкновенный луч,

когда эти два линейно поляризованных световых луча, проходящие через первый двулучепреломляющий элемент, проходят через второй двулучепреломляющий элемент, то световой луч, проходящий через первый двулучепреломляющий элемент как обыкновенный луч, проходит как необыкновенный луч, а световой луч, проходящий через первый двулучепреломляющий элемент как необыкновенный луч, проходит как обыкновенный луч, и эти два линейно поляризованных световых луча сводятся линзой,

величина сдвига необыкновенного луча во время прохождения через первый двулучепреломляющий элемент и величина сдвига необыкновенного луча во время прохождения через второй двулучепреломляющий элемент заданы одинаковыми,

эти два линейно поляризованных световых луча проходят через фарадеевский вращатель, вследствие чего их плоскости поляризации поворачиваются на 45 градусов, и эти два линейно поляризованных световых луча отражаются в одной точке на поверхности зеркала с точечной симметрией,

два отраженных линейно поляризованных световых луча повторно проходят через фарадеевский вращатель, вследствие чего плоскости поляризации двух линейно поляризованных световых лучей дополнительно поворачиваются на 45 градусов,

когда два линейно поляризованных световых луча, проходящие через фарадеевский вращатель, проходят через второй двулучепреломляющий элемент, то сдвигается только один линейно поляризованный световой луч,

два линейно поляризованных световых луча снова падают на первый двулучепреломляющий элемент, и когда два линейно поляризованных световых луча, проходящие через второй двулучепреломляющий элемент, проходят через первый двулучепреломляющий элемент, то световой луч, проходящий через второй двулучепреломляющий элемент как обыкновенный луч, проходит как необыкновенный луч, а световой луч, проходящий через второй двулучепреломляющий элемент как необыкновенный луч, проходит как обыкновенный луч, вследствие чего сдвигается только один линейно поляризованный световой луч, и два линейно поляризованных световых луча заново объединяются в один световой луч, и

заново объединенный световой луч падает на оптическое волокно.

Кроме того, зеркало, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, согласно настоящему изобретению отличается тем, что сумма величины сдвига необыкновенного луча в первом двулучепреломляющем элементе зеркала, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, и величины сдвига необыкновенного луча в его втором двулучепреломляющем элементе является равной или большей, чем удвоенный диаметр поля моды оптического волокна.

Кроме того, зеркало, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, согласно настоящему изобретению отличается тем, что разность оптической длины пути между двумя линейно поляризованными световыми лучами, созданными путем разделения на обыкновенный луч и необыкновенный луч во время прохождения через второй двулучепреломляющий элемент зеркала, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, задана равной разности оптической длины пути между двумя линейно поляризованными световыми лучами, созданными путем разделения на обыкновенный луч и необыкновенный луч во время прохождения через первый двулучепреломляющий элемент.

Согласно настоящему изобретению, предложен датчик тока, в котором оптическое волокно зеркала, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, оптически соединено с оптическим волокном датчика тока, который установлен на проводнике, в котором течет ток, и который измеряет ток, текущий через проводник.

РЕЗУЛЬТАТ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно зеркалу, компенсирующему двулучепреломление в оптическом волокне, которое раскрыто в пункте 1 или 3 формулы настоящего изобретения, оптический путь сконфигурирован так, что световой луч, излученный от оптического волокна, разделяется на два линейно поляризованных световых луча, и эти два перпендикулярно линейно поляризованных световых луча отражаются с точечной симметрией. Другими словами, поскольку во время точечно-симметричного отражения зеркалом направления поляризации двух линейно поляризованных световых лучей являются перпендикулярными друг другу, то интерференция устраняется, вследствие чего может быть предотвращено возникновение множества положений наилучшего сопряжения. Следовательно, могут быть легко обнаружены оптимальные положения сопряжения, вследствие чего может быть легко выполнена процедура сборки с юстировкой.

Кроме того, в зеркале, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, которое раскрыто в пункте 1 формулы изобретения, когда два линейно поляризованных световых луча дважды проходят через двулучепреломляющий элемент на пути туда и обратно, обыкновенный луч и необыкновенный луч меняются местами из-за отражения зеркалом и поворота плоскости поляризации на 90 градусов фарадеевскми вращателем относительно луча света с произвольной поляризацией, излученного от оптического волокна, при этом, на оптическое волокно падает луч поляризованного света, находящийся в диаметрально противоположной точке на сфере Пуанкаре, то есть, в точке, прямо противоположной другой точке на окружности на сфере. Следовательно, двулучепреломление, вызванное оптическим волокном, может быть скомпенсировано.

Кроме того, в зеркале, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, которое раскрыто в пункте 3 формулы изобретения, два линейно поляризованных световых луча сдвигаются на одинаковое расстояние двумя двулучепреломляющими элементами. Следовательно, разность оптической длины пути между двумя линейно поляризованными световыми лучами, созданными во время разделения в первом двулучепреломляющем элементе, компенсируется вторым двулучепреломляющим элементом, в результате чего разность оптической длины пути устраняется перед падением двух линейно поляризованных световых лучей на линзу. Следовательно, предотвращается ухудшение эффективности сопряжения, вызванное сдвигом фокуса линзы. Кроме того, поскольку оптический путь сконфигурирован так, что после того, как разность оптической длины пути скомпенсирована, обыкновенный луч и необыкновенный луч меняются местами вследствие отражения зеркалом и поворота плоскости поляризации на 90 градусов фарадеевскми вращателем, относительно луча света с произвольной поляризацией, излученного из оптического волокна, на оптическое волокно падает луч поляризованного света, находящийся в диаметрально противоположной точке на сфере Пуанкаре. Следовательно, двулучепреломление, вызванное оптическим волокном, может быть скомпенсировано.

Кроме того, в зеркале, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, которое раскрыто в пункте 1 или 3 формулы изобретения, используется фарадеевский вращатель. Даже если фарадеевский вращатель имеет температурную характеристику и спектральную характеристику, перпендикулярность плоскостей поляризации двух линейно поляризованных световых лучей сохраняется, вследствие чего компенсируется двулучепреломление, вызванное оптическим волокном.

Кроме того, согласно зеркалу, компенсирующему двулучепреломление в оптическом волокне, раскрытому в пункте 2 или 4 формулы изобретения, в котором фарадеевское вращение плоскости поляризации происходит при прохождении через фарадеевский вращатель в прямом и обратном направлениях, несмотря на то, что сумма углов поворота плоскости поляризации двух линейно поляризованных световых лучей вследствие эффекта Фарадея имеет сдвиг относительно 90 градусов, так как фарадеевский вращатель имеет температурную характеристику и спектральную характеристику, может быть предотвращено падение на оптическое волокно линейно поляризованных световых лучей, разделенных двулучепреломляющим элементом, которые имеют составляющую, сдвинутую относительно 90 градусов.

Кроме того, согласно зеркалу, компенсирующему двулучепреломление в оптическом волокне, которое раскрыто в пункте 5 формулы изобретения, разность оптической длины пути между двумя линейно поляризованными световыми лучами, созданными во время разделения в первом двулучепреломляющем элементе, может быть более надежно скомпенсирована вторым двулучепреломляющим элементом.

Кроме того, согласно датчику тока, раскрытому в пункте 6 формулы изобретения, поскольку зеркало, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, по любому из пунктов 1-5 формулы изобретения является оптически соединенным с ним, то двулучепреломление оптического волокна будет скомпнесировано, вследствие чего будет уменьшено изменение результата измерения из-за вибрации, вызванное фотоупругостью оптического волокна для датчиков, и улучшена виброустойчивость.

Кроме того, поскольку оно имеет превосходную виброустойчивость, то в качестве оптического волокна для датчиков может использоваться кварцевое оптическое волокно, имеющее более высокое двулучепреломление, чем двулучепреломление оптического волокна, содержащего оксид свинца, поэтому возможно сформировать датчик тока, который может регистрировать ток большой величины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 изображена схема, на которой проиллюстрирована конфигурация зеркала, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

На Фиг. 2 на виде в перспективе проиллюстрирована схема расположения двулучепреломляющего элемента, фарадеевского вращателя и магнита в зеркале, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне по Фиг. 1.

На Фиг. 3 изображена схема, на которой проиллюстрировано состояние поляризации светового луча, проходящего через зеркало, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне по Фиг. 1.

На Фиг. 4 изображена схема, на которой проиллюстрирована конфигурация зеркала, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.

На Фиг. 5 на виде в перспективе проиллюстрирована схема расположения первого двулучепреломляющего элемента, второго двулучепреломляющего элемента, фарадеевского вращателя и магнита в зеркале, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне по Фиг. 4.

На Фиг. 6 изображена схема, на которой проиллюстрировано состояние поляризации светового луча в зеркале, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне по Фиг. 4 с того момента, когда световой луч излучается из оптического волокна, до того момента, когда световой луч отражается зеркалом.

На Фиг. 7 изображена схема, на которой проиллюстрировано состояние поляризации светового луча в зеркале, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне по Фиг. 4 с того момента, когда световой луч отражается зеркалом, до того момента, когда световой луч падает на оптическое волокно.

На Фиг. 8 изображена схема, на которой проиллюстрирована конфигурация фарадеевских зеркал и зеркал согласно примерам с 1-го по 3-й.

На Фиг. 9 изображена схема, на которой проиллюстрирована конфигурация оптической системы согласно примеру 1.

На Фиг. 10 изображена схема, на которой проиллюстрирована конфигурация оптической системы согласно примеру 2.

На Фиг. 11 изображена диаграмма, на которой проиллюстрировано изменение формы колебательного сигнала измеренного тока с датчика тока, сконфигурированного с наличием зеркала 7, согласно примеру 3.

На Фиг. 12 изображена диаграмма, на которой проиллюстрировано изменение формы колебательного сигнала измеренного тока с датчика тока, сконфигурированного с наличием фарадеевского зеркала 11, согласно примеру 3.

На Фиг. 13 изображена схема, на которой проиллюстрировано изменение формы колебательного сигнала измеренного тока с датчика тока, сконфигурированного с наличием зеркала 1, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, согласно примеру 3.

На Фиг. 14 изображена диаграмма, на которой проиллюстрировано изменение формы колебательного сигнала измеренного тока с датчика тока, сконфигурированного с наличием зеркала 10, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, согласно примеру 3.

На Фиг. 15 изображена принципиальная схема, на которой проиллюстрирован пример датчика тока с использованием оптического волокна из известного уровня техники.

На Фиг. 16 изображена диаграмма, на которой проиллюстрирована форма колебательного сигнала в примере изменения результата измерения посредством датчика тока прерывателем в GIS.

На Фиг. 17 изображена принципиальная схема, на которой проиллюстрирован пример зеркала, поворачивающего плоскость поляризации, из известного уровня техники.

На Фиг. 18 на виде в поперечном разрезе проиллюстрирован пример фарадеевского зеркала известного уровня техники.

На Фиг. 19 изображен график, на котором проиллюстрирована характеристика "относительная погрешность - температура" в измеренном значении тока, подлежащего измерению, на выходе датчика тока, соединенного с фарадеевским зеркалом, проиллюстрированным на Фиг. 18.

На Фиг. 20 изображен график, на котором проиллюстрирована характеристика "относительная погрешность - температура" в измеренном значении тока, подлежащего измерению, на выходе датчика тока, соединенного с зеркалом, компенсирующим двулучепреломление в оптическом волокне, которое проиллюстрировано на Фиг. 1.

На Фиг. 21 изображен график, на котором проиллюстрирована характеристика "относительная погрешность - температура" в измеренном значении тока, подлежащего измерению, на выходе датчика тока, соединенного с зеркалом, компенсирующим двулучепреломление в оптическом волокне, которое проиллюстрировано на Фиг. 4.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

<Первый вариант осуществления изобретения>

Ниже приведено подробное описание зеркала, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения со ссылкой на Фиг. 1 и Фиг. 2. На чертежах оси X, оси Y и оси Z имеют взаимно-однозначное соответствие. На Фиг. 1 зеркало 1, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, сконфигурировано так, что включает в себя оптическое волокно 2, двулучепреломляющий элемент 3, имеющий две плоскости 3a и 3b, параллельные друг другу, линзу 4, магнит 5, фарадеевский вращатель 6 и зеркало 7. Кроме того, если смотреть со стороны торцевой поверхности 2a оптического волокна 2, на которую падает/из которой излучается свет, то компоненты, которыми являются двулучепреломляющий элемент 3, фарадеевский вращатель 6 и зеркало 7, расположены в следующем порядке: двулучепреломляющий элемент 3, фарадеевский вращатель 6 и зеркало 7; а между двулучепреломляющим элементом 3 и фарадеевским вращателем 6 расположена линза 4.

На торцевой поверхности 2a оптического волокна 2, на которую падает/из которой излучается свет выполняют процедуру полировки, и торцевая поверхность 2a, на которую падает/из которой излучается свет, расположена так, что является обращенной к одной плоскости 3a двулучепреломляющего элемента 3. Предпочтительно торцевая поверхность 2a, на которую падает/из которой излучается свет, выполнена наклонной, и наиболее предпочтительно, угол ϕ (то есть, угол относительно направления, перпендикулярного к направлению оси сердцевины 2b) задан принимающим значение в интервале, приблизительно, от 6 градусов до 8 градусов. Кроме того, на торцевой поверхности 2a, на которую падает/из которой излучается свет, предпочтительно сформирована защитная отражательная пленка из диэлектрика. Оптическое волокно 2 сконфигурировано так, что включает в себя сердцевину 2b и оболочку 2c, имеющую более низкий показатель преломления, чем показатель преломления сердцевины 2b, которая расположена вокруг сердцевины 2b. Оптическим волокном 2 является одномодовое оптическое волокно, имеющее изотропное распределение показателя преломления. Например, используется кварцевое оптическое волокно. В качестве примера, оптическое волокно 2 оптически соединено с оптическим волокном для датчика тока, в котором используют эффект Фарадея в оптическом волокне. В этом случае оптическое волокно 2 излучает световой луч, распространяющийся от датчика тока (не проиллюстрирован) и т.п. к двулучепреломляющему элементу 3; и световой луч, отраженный зеркалом 7, падает на оптическое волокно 2, и оптическое волокно 2 снова распространяет луч отраженного света к датчику тока (не проиллюстрирован) и т.п.

Двулучепреломляющий элемент 3 представляет собой одноосный двулучепреломляющий кристаллом. Кристаллографическая ось X31 отъюстирована так, что наклонена под углом α относительно направления оси Z плоскости 3a, и, как проиллюстрировано на Фиг. 2, кристаллографическая ось X32 на оптической плоскости (плоскости 3a) расположена параллельно оси Y. В качестве двулучепреломляющего элемента 3 могут использоваться, например, рутил (TiO₂), кальцит (CaCO₃), кристаллы ванадата иттрия (YVO₄), ниобат лития (LiNbO₃) и т.п. Из этих кристаллов предпочтительно используют рутил, который, в частности, является слишком твердым для его повреждения и не имеет гигроскопичности. В том случае, когда в качестве двулучепреломляющего элемента 3 используют рутил, угол

(соответствующий направлению кристаллографической оси X31 на Фиг. 1) между нормалью к плоскости и кристаллографической осью задан равным 47,8 градусам. Кроме того, для обеспечения возможности излучения обыкновенного луча и необыкновенного луча после двулучепреломления параллельно друг другу две плоскости 3a и 3b заданы параллельными друг другу. Кроме того, на оптической плоскости двулучепреломляющего элемента 3 предпочтительно сформирована защитная отражательная пленка из диэлектрика. Затем световой луч распространяется между оптическим волокном 2 и двулучепреломляющим элементом 3.

С другой стороны, линза 4 расположена так, что обращена к другой плоскости 3b двулучепреломляющего элемента 3. Линза 4 собирает луч падающего света. Предпочтительно в качестве линзы 4 используют асферическую линзу, сферическую линзу, плоско-выпуклую линзу, линзу с переменным показателем преломления и т.п. Кроме того, в качестве материала линзы 4 используют, например, стекло или пластмассу.

Фарадеевский вращатель 6 представляет собой элемент для вращения плоскости поляризации, действующий в одном направлении, на который падает световой луч, проходящий через двулучепреломляющий элемент 3 и линзу 4, и который поворачивает плоскость поляризации светового луча. Фарадеевский вращатель 6 расположен вблизи магнита 5, и к нему приложено магнитное поле магнита 5 для вращения плоскости поляризации пропорционально напряженности магнитного поля. В качестве фарадеевского вращателя 6 используется монокристалл, имеющий эффект Фарадея, который имеет фарадеевский угол поворота плоскости поляризации, равный 45 градусам, причем когда к нему приложено магнитное поле магнита 5, он является магнитно-насыщенным, и который является настолько тонким, насколько это возможно. В частности, наиболее предпочтительно использовать висмут-замещенный ферромагнитный гранат. Направление поворота плоскости поляризации может быть задано любым из следующих: направление по часовой стрелке и направление против часовой стрелки, если смотреть в направлении оси Z от двулучепреломляющего элемента 3. На Фиг. 2 проиллюстрирован пример направления против часовой стрелки. Кроме того, фарадеевский вращатель 6 сформирован так, что имеет плоскую форму снаружи. В случае установки фарадеевского вращателя 6, другая плоскость 3b двулучепреломляющего элемента 3 и плоскость 6a фарадеевского вращателя расположены напротив друг друга, но разделены линзой 4, расположенной между ними.

Магнит 5 сформирован так, что имеет снаружи форму кольца, и расположен вокруг фарадеевского вращателя 6. Магнит 5 прикладывает магнитное поле к фарадеевскому вращателю 6 для магнитного насыщения фарадеевского вращателя 6. Например, в качестве магнита 5 используют постоянный магнит типа Sm-Co или типа Nd-Fe-B.

Зеркало 7 представляет собой компонент, который отражает световой луч, собранный линзой 4. В качестве зеркала 7 используется зеркало, сформированное путем осаждения металлической пленки на поверхность подложки. Кроме того, также может использоваться зеркало, выполненное с наличием многослойной диэлектрической пленки.

Ниже будет приведено описание работы зеркала 1, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, со ссылкой на Фиг. 1 - Фиг. 3. На Фиг. 3(A) - Фиг. 3(F) изображены схемы, на которых проиллюстрированы состояния поляризации светового луча в зеркале 1, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, и они соответствуют состояниям поляризации светового луча в сечениях оптического пути, указанных ссылочными позициями, соответственно, (A)-(F) на Фиг. 1. На Фиг. 3 горизонтальное и вертикальное направления обозначают, соответственно, оси X и Y; а направление, ориентированное к плоскости листа, обозначает ось Z. Для удобства описания каждое сечение оптического пути разделено на восемь частей в горизонтальном направлении и на восемь частей в вертикальном направлении, а положение распространения поляризованного компонента в каждом сечении оптического пути выражено от 1 до 8 в горизонтальном направлении и от "a” до "h" в вертикальном направлении.

Если световой луч от датчика тока и т.п. распространяется к оптическому волокну 2, то световой луч, распространяющийся через оптическое волокно 2, излучается из торцевой поверхности 2a, на которую падает/из которой излучается свет, к двулучепреломляющему элементу 3 с определенным углом раствора, в результате чего световой луч падает на двулучепреломляющий элемент 3.

Как проиллюстрировано на Фиг. 3(A), на матрице видно, что место падения светового луча, падающего из оптического волокна 2 на двулучепреломляющий элемент 3, находится между 4 и 5 в горизонтальном направлении и между e и f в вертикальном направлении. В этом варианте осуществления изобретения это положение обозначено как (4-5, e-f). Кроме того, номером позиции R обозначена точка отражения каждого линейно поляризованного светового луча на зеркале.

Как проиллюстрировано на Фиг. 3(B), световой луч, падающий на двулучепреломляющий элемент 3, разделяется двулучепреломляющим элементом 3 на два линейно поляризованных световых луча, имеющие перпендикулярные направления поляризации, то есть, на обыкновенный луч, перпендикулярный кристаллографической оси X32, и необыкновенный луч, параллельный кристаллографической оси X32. Линейно поляризованный световой луч 8b, который является необыкновенным лучом, сдвигается в направлении, параллельном кристаллографической оси X32, расположенной вдоль направления оси Y, и положением его распространения в момент излучения из двулучепреломляющего элемента 3 является положение (4-5, c-d), показанное на Фиг. 3(B). С другой стороны, поскольку линейно поляризованный световой луч 8a является перпендикулярным направлению кристаллографической оси X32, то линейно поляризованный световой луч 8a не сдвигается в двулучепреломляющем элементе 3, и линейно поляризованный световой луч 8a проходит как обыкновенный луч без изменения положения распространения. Следовательно, положением распространения светового луча, излученного из двулучепреломляющего элемента 3, является положение (4-5, e-f), показанное на Фиг. 3(B). Здесь толщина D (длина кристалла) двулучепреломляющего элемента 3 в направлении распространения обыкновенного луча выражается следующим образом:

[Уравнение 1]

Здесь no обозначает показатель преломления обыкновенного луча в двулучепреломляющем элементе 3; ne обозначает показатель преломления необыкновенного луча в двулучепреломляющем элементе 3;

обозначает угол между кристаллографической осью X31 двулучепреломляющего элемента 3 и плоскостью, перпендикулярной к направлению распространения обыкновенного луча; а dc обозначает ширину разделения обыкновенного луча и необыкновенного луча.

Как описано выше, в том случае, когда толщина D является заданной, несмотря на то, что no и ne каждого кристалла изменяются, может быть задана оптимальная толщина в соответствии с этим изменением, и разделенные световые лучи могут быть излучены из плоскости 3b. Кроме того, если отъюстировано направление кристаллографической оси X31, то толщина D может быть уменьшена. Кроме того, в том случае, когда no, ne и dc являются постоянными, и двулучепреломляющим элементом 3 является рутил, то теоретически, когда угол α равен 47,8 градусам, толщина D может быть уменьшена до минимума, и ширина разделения обыкновенного луча и необыкновенного луча может сохраняться максимальной. Следовательно, наиболее предпочтительно угол

равен 47,8 градусам.

Предпочтительно величина сдвига необыкновенного луча в двулучепреломляющем элементе 3 задана равной или большей, чем удвоенный диаметр поля моды оптического волокна 2. Причина это состоит в следующем. Несмотря на то, что фарадеевские углы поворота плоскости поляризации двух линейно поляризованных световых лучей, в которых происходит поворот плоскости поляризации света вследствие эффекта Фарадея, при прохождении через фарадеевский вращатель 6 туда и обратно, являются сдвинутыми относительно 90 градусов, поскольку фарадеевский вращатель 6 имеет температурную характеристику и спектральную характеристику, может быть предотвращено падение на оптическое волокно 2 линейно поляризованных световых лучей, разделенных двулучепреломляющим элементом 3, которые имеют составляющую, сдвинутую относительно 90 градусов.

Затем два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b, излученные из двулучепреломляющего элемента 3, падают на линзу 4 параллельно оптической оси X4 линзы 4, которая сводит их. Во время сведения состояние поляризации не изменяется.

Два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b, собранные линзой 4, затем падают на фарадеевский вращатель 6. Как описано выше, поскольку к фарадеевскому вращателю 6 приложено магнитное поле магнита 5, и задано, что фарадеевский вращатель 6 является насыщенным, то он имеет фарадеевский угол поворота плоскости поляризации, равный 45 градусам. Следовательно, каждая из плоскостей поляризации двух линейно поляризованных световых лучей 8a и 8b, излученных из линзы 4, проходит через фарадеевский вращатель 6 так, что плоскости поляризации поворачиваются на 45 градусов в одном и том же направлении, как проиллюстрировано на Фиг. 3(c).

Как проиллюстрировано на Фиг. 1, Фиг. 3(C) и Фиг. 3(D), два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b, проходящие через фарадеевский вращатель 6, отражаются с точечной симметрией в одной точке R на поверхности зеркала 7 в сторону, противоположную углу падения, в результате чего положения вверх и вниз до и после отражения меняются местами. На Фиг. 1 понятно, что в зеркале 1, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, зеркало 7 и линза 4 расположены с такой юстировкой, что точка отражения (описанная выше одна точка R) на зеркале 7 и оптическая ось X4 линзы 4 расположены на одной и той же прямой линии в направлении распространения светового луча (в направлении оси Z). Кроме того, юстировка линзы 4 выполнена так, что центральные положения двух линейно поляризованных световых лучей 8a и 8b разнесены на одинаковое расстояние от оптической оси X4 линзы 4.

Два отраженных линейно поляризованных световых луча 8a и 8b снова проходят через фарадеевский вращатель 6, в результате чего каждое из направлений поляризации двух линейно поляризованных световых лучей 8a и 8b дополнительно поворачивается на 45 градусов в том же самом направлении (см. Фиг. 3(E)). Следовательно, можно понять, что плоскости поляризации двух линейно поляризованных световых лучей 8a и 8b, проходящих через фарадеевский вращатель 6 после их отражения зеркалом 7, поворачиваются на 90 градусов относительно плоскостей поляризации перед падением на фарадеевский вращатель 6, что проиллюстрировано на Фиг. 3(B). Когда линейно поляризованные световые лучи снова падают на двулучепреломляющий элемент 3, то один линейно поляризованный световой луч 8a становится необыкновенным лучом внутри двулучепреломляющего элемента 3, а другой линейно поляризованный световой луч 8b становится обыкновенным лучом внутри двулучепреломляющего элемента 3.

Два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b, излученных из фарадеевского вращателя 6, снова проходят через линзу 4 для их излучения в положения, которые являются симметричными относительно оптической оси X4 линзы 4. Затем световые лучи излучаются их линзы 4 так, что оси светового луча являются параллельными оси Z.

Затем два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b снова падают на двулучепреломляющий элемент 3. Как описано выше, два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b становятся обыкновенным лучом и необыкновенным лучом внутри двулучепреломляющего элемента 3, и, как проиллюстрировано на Фиг. 3(F), сдвигается только необыкновенный луч, в результате чего два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b заново объединяются в один световой луч. Когда два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b падают на двулучепреломляющий элемент 3 для повторного прохождения через двулучепреломляющий элемент 3, линейно поляризованный световой луч 8a, проходящий как обыкновенный луч при первом прохождении светового луча через двулучепреломляющий элемент 3, во время повторного прохождения проходит через двулучепреломляющий элемент 3 как необыкновенный луч. С другой стороны, линейно поляризованный световой луч 8b, проходящий как необыкновенный луч при первом прохождении светового луча через двулучепреломляющий элемент 3, во время повторного прохождения проходит через двулучепреломляющий элемент 3 как обыкновенный луч, в результате чего два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b заново объединяются в один световой луч.

Заново объединенный световой луч излучается из одной плоскости 3a двулучепреломляющего элемента 3, падает на сердцевину 2b оптического волокна 2, распространяется через оптическое волокно 2 и снова распространяется через оптическое волокно для датчика, которым является, например, датчик тока.

Таким образом, согласно зеркалу 1, компенсирующему двулучепреломление в оптическом волокне, из этого варианта осуществления изобретения, оптический путь сконфигурирован так, что световой луч, излученный от оптического волокна 2, разделяется на два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b, и эти два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b с перпендикулярной поляризацией отражаются с точечной симметрией. Другими словами, поскольку во время точечно-симметричного отражения зеркалом 7 направления поляризации двух линейно поляризованных световых лучей 8a и 8b являются перпендикулярными друг другу, то интерференция устранена, поэтому может быть предотвращено возникновение множества положений наилучшего сопряжения. Следовательно, можно легко обнаружить оптимальные положения сопряжения, вследствие чего может быть легко выполнена процедура сборки с юстировкой.

Кроме того, когда два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b дважды проходят через двулучепреломляющий элемент 3 на пути туда и обратно, обыкновенный луч и необыкновенный луч меняются местами вследствие отражения зеркалом 7 и поворота плоскости поляризации на 90 градусов фарадеевским вращателем 6, в результате чего, в случае луча света с произвольной поляризацией, излученного из оптического волокна 2, на оптическое волокно 2 падает луч поляризованного света, находящийся в диаметрально противоположной точке на сфере Пуанкаре. Следовательно, двулучепреломление, вызванное оптическим волокном 2, может быть скомпенсировано.

Кроме того, в зеркале 1, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, используют фарадеевский вращатель 6. Даже если фарадеевский вращатель 6 имеет температурную характеристику и спектральную характеристику, благодаря тому, что сохраняется перпендикулярность плоскостей поляризации двух линейно поляризованных световых лучей 8a и 8b, двулучепреломление, вызванное оптическим волокном 2, будет скомпенсировано.

Поскольку зеркало 1, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, согласно этому варианту осуществления изобретения, обеспечивает такой результат, то если зеркало 1, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, оптически соединено с датчиком тока и т.п., двулучепреломление, вызванное оптическим волокном 2, будет скомпенсировано. Следовательно, уменьшено изменение результата измерения вследствие вибрации, вызванное фотоупругостью оптического волокна для датчиков, и улучшена виброустойчивость.

Кроме того, поскольку имеет место превосходная виброустойчивость, то в качестве оптического волокна для датчиков может использоваться кварцевое оптическое волокно, имеющее более высокое двулучепреломление, чем двулучепреломление оптического волокна, содержащего оксид свинца, поэтому возможно сформировать датчик тока, который может регистрировать ток большой величины.

На Фиг. 20 проиллюстрирована зависимость измеренного значения тока, подлежащего измерению, на выходе датчика тока, соединенного с зеркалом 1, компенсирующим двулучепреломление в оптическом волокне, от температуры с использованием характеристики "относительная погрешность - температура". Кроме того, относительная погрешность на Фиг. 20 обозначает относительную погрешность измеренного значения тока, подлежащего измерению, на выходе датчика тока, когда зеркало 1, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, соединено с датчиком тока, и температура зеркала 1, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, изменяется от -20°C до 80°C. На Фиг. 20 видно, что вследствие соединения с зеркалом 1, компенсирующим двулучепреломление в оптическом волокне, зависимость показаний датчика тока от температуры уменьшена до такой степени, что она может почти не существовать в диапазоне температур от -20°C до 80°C, и что изменение относительной погрешности почти не существует. Следовательно, можно понять, что в датчике тока уменьшено изменение измеренного значения тока, подлежащего измерению.

<Второй вариант осуществления изобретения>

Ниже приведено подробное описание зеркала, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения со ссылкой на Фиг. 4 и Фиг. 5. На чертежах оси X, оси Y и оси Z имеют взаимно-однозначное соответствие. Кроме того, элементы, являющиеся теми же самыми, что и элементы из первого варианта осуществления изобретения, обозначены одинаковыми номерами позиций, и излишнее их описание не повторяется или является упрощенным.

Зеркало 10, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, которое показано на Фиг. 4, отличается от зеркала 1, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, тем, что на оптическом пути между двулучепреломляющим элементом 3 и линзой 4 установлен второй двулучепреломляющий элемент 9. Второй двулучепреломляющий элемент 9 имеет две плоскости 9a и 9b параллель друг другу. Ниже, для удобства описания, двулучепреломляющий элемент 3 именуется как "первый двулучепреломляющий элемент 3". Кроме того, если смотреть со стороны торцевой поверхности 2a оптического волокна 2, на которую падает/из которой излучается свет, то компоненты, которыми являются первый двулучепреломляющий элемент 3, второй двулучепреломляющий элемент 9, фарадеевский вращатель 6, и зеркало 7 расположены в следующем порядке: первый двулучепреломляющий элемент 3, второй двулучепреломляющий элемент 9, фарадеевский вращатель 6, и зеркало 7; а между двулучепреломляющим элементом 3 и фарадеевским вращателем 6 расположена линза 4.

Аналогично первому двулучепреломляющему элементу 3, второй двулучепреломляющий элемент 9 представляет собой тело одноосного двулучепреломляющего элемента, где кристаллографическая ось X91 отьюстирована так, что наклонена под углом α относительно направления оси Z, а кристаллографическая ось X92 расположена параллельно оси X на оптической плоскости (на плоскости 9a). Следовательно, если смотреть от оптического волокна 2, то видно, что направление кристаллографической оси X92 второго двулучепреломляющего элемента 9 задано отличающимся на 90 градусов от направления кристаллографической оси X32 первого двулучепреломляющего элемента 3. Когда второй двулучепреломляющий элемент 9 установлен относительно первого двулучепреломляющего элемента 3, то обеспечена возможность того, что другая плоскость 3b первого двулучепреломляющего элемента 3 и эта одна плоскость 9a второго двулучепреломляющего элемента являются обращенными друг к другу. С другой стороны, линза 4 расположена так, что обращена к другой плоскости 9b второго двулучепреломляющего элемента 9.

В качестве второго двулучепреломляющего элемента 9 могут использоваться рутил (TiO₂), кальцит (CaCO₃), кристаллы ванадата иттрия (YVO₄), ниобат лития (LiNbO₃) и т.п. Из этих кристаллов предпочтительно используют рутил, который, в частности, является слишком твердым для его повреждения и не имеет гигроскопичности. В том случае, когда в качестве второго двулучепреломляющего элемента 9 используют рутил, угол

(соответствующий направлению кристаллографической оси X91 на Фиг. 5) между нормалью к плоскости и кристаллографической осью задан равным 47,8 градусам. Кроме того, для обеспечения возможности излучения обыкновенного луча и необыкновенного луча после двулучепреломления параллельно друг другу, две плоскости 9a и 9b заданы параллельными друг другу. Кроме того, на оптической плоскости второго двулучепреломляющего элемента 9 предпочтительно сформирована защитная отражательная пленка из диэлектрика.

Ниже будет приведено описание работы зеркала 10, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, со ссылкой на Фиг. 4, Фиг. 6 и Фиг. 7. На Фиг. 6(A) - Фиг. 6(D) изображены схемы, на которых проиллюстрированы состояния поляризации светового луча с того момента, когда он излучается из оптического волокна 2, до того момента, когда он отражается зеркалом 7 в зеркале 10, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, и они соответствуют состояниям поляризации светового луча в сечениях оптического пути, указанных ссылочными позициями, соответственно, (A)-(D) на Фиг. 4. Кроме того, на Фиг. 7(E) - Фиг. 7(H) изображены схемы, на которых проиллюстрированы состояния поляризации светового луча с того момента, когда он отражается зеркалом 7, до того момента, когда он падает на оптическое волокно 2 в зеркале 10, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, и они соответствуют состояниям поляризации светового луча в сечениях оптического пути, указанных ссылочными позициями, соответственно, (E) - (H) на Фиг. 4. На Фиг. 6 и Фиг. 7 горизонтальные и вертикальные направления обозначают, соответственно оси X и Y; f направление, ориентированное к плоскости листа, обозначает ось Z. Для удобства описания каждое сечение оптического пути разделено на восемь частей в горизонтальном направлении и на восемь частей в вертикальном направлении, а положение распространения поляризованного компонента в каждом сечении оптического пути выражено от 1 до 8 в горизонтальном направлении и от "a" до "h" в вертикальном направлении.

Аналогично первому варианту осуществления изобретения, например, если световой луч от датчика тока и т.п. распространяется к оптическому волокну 2, то световой луч, распространяющийся через оптическое волокно 2 излучается с торцевой поверхности 2a, на которую падает/из которой излучается свет, к двулучепреломляющему элементу 3 с определенным углом раствора, в результате чего световой луч падает на первый двулучепреломляющий элемент 3. Как проиллюстрировано на Фиг. 6(A), на матрице видно, что место падения светового луча, падающего из оптического волокна 2 на первый двулучепреломляющий элемент 3, находится между 4 и 5 в горизонтальном направлении и между e и f в вертикальном направлении. В этом варианте осуществления это положение обозначено как (4-5, e-f).

Световой луч, падающий на первый двулучепреломляющий элемент 3, разделяется в направлении кристаллографической оси X32, расположенной вдоль направления оси Y, и, как проиллюстрировано на Фиг. 6 (B), световой луч разделяется на два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b, которые имеют перпендикулярные направления поляризации, то есть, на обыкновенный луч и необыкновенный луч.

Разделенные два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b излучаются из другой плоскости 3b первого двулучепреломляющего элемента 3, и после этого падают на второй двулучепреломляющий элемент 9. Как описано выше, направление кристаллографической оси X92 задано отличающимся на 90 градусов от направления кристаллографической оси X32. Следовательно, плоскость поляризации линейно поляризованного светового луча 8a, который является обыкновенным лучом в первом двулучепреломляющем элементе 3, является параллельной направлению кристаллографической оси X92. Следовательно, поскольку линейно поляризованный световой луч 8a, проходящий через первый двулучепреломляющий элемент 3 как обыкновенный луч, становится необыкновенным лучом во втором двулучепреломляющем элементе 9, то линейно поляризованный световой луч 8a сдвигается в горизонтальном направлении и проходит через второй двулучепреломляющий элемент 9, что проиллюстрировано на Фиг. 6(C). С другой стороны, поскольку плоскость поляризации линейно поляризованного светового луча 8b, который проходит через первый двулучепреломляющий элемент 3 как необыкновенный луч, становится перпендикулярной кристаллографической оси X92, то линейно поляризованный световой луч 8b проходит прямо, проходя через второй двулучепреломляющий элемент 9 как обыкновенный луч без сдвига.

Таким образом, направление кристаллографической оси X32, направление кристаллографической оси, X92, толщина D первого двулучепреломляющего элемента 3 и толщина D второго двулучепреломляющего элемента 9 заданы так, что два разделенных линейно поляризованных световых луча 8a и 8b обязательно имеют состояния поляризации обоих лучей: обыкновенного луча и необыкновенного луча, при прохождении двух разделенных линейно поляризованных световых лучей 8a и 8b через первый двулучепреломляющий элемент 3 и второй двулучепреломляющий элемент 9.

Предпочтительно сумма величины сдвига необыкновенного луча в первом двулучепреломляющем элементе 3 и величины сдвига необыкновенного луча во втором двулучепреломляющем элементе 9 задана равной или большей, чем удвоенный диаметр поля моды оптического волокна 2. Причина состоит в следующем. Несмотря на то, что фарадеевские углы поворота плоскости поляризации двух линейно поляризованных световых лучей света, в которых происходит вращение плоскости поляризации света вследствие эффекта Фарадея, при прохождении через фарадеевский вращатель 6 туда и обратно сдвигаются относительно 90 градусов, благодаря тому, что фарадеевский вращатель 6 имеет температурную характеристику и спектральную характеристику, может быть предотвращено падение на оптическое волокно 2 линейно поляризованных световых лучей, разделенных вторым двулучепреломляющим элементом 9 и первым двулучепреломляющим элементом 3, которые имеют составляющую, сдвинутую относительно 90 градусов.

Здесь толщина D (длина кристалла) второго двулучепреломляющего элемента 9 в направлении распространения обыкновенного луча задана равной толщине D первого двулучепреломляющего элемента 3.

[Уравнение 2]

Оптическая система зеркала 10, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, сконфигурирована так, что величина сдвига необыкновенного луча при прохождении через первый двулучепреломляющий элемент 3 и величина сдвига необыкновенного луча при прохождении через второй двулучепреломляющий элемент 9 являются одинаковыми. Следовательно, как описано выше, предпочтительно, чтобы значения толщины двух двулучепреломляющих элементов 3 и 9 были заданы равными одному и тому же значению D, и чтобы два двулучепреломляющих элемента 3 и 9 были выполнены с использованием одинакового материала.

Кроме того, более предпочтительно, чтобы разность оптической длины пути между двумя линейно поляризованными световыми лучами, созданными путем разделения на обыкновенный луч и необыкновенный луч во время прохождения через второй двулучепреломляющий элемент 9, была задана равной разности оптической длины пути между двумя линейно поляризованными световыми лучами, созданными путем разделения на обыкновенный луч и необыкновенный луч во время прохождения через первый двулучепреломляющий элемент 3. В качестве способа уравнивания разностей оптической длины пути, толщина второго двулучепреломляющего элемента 9 и направление кристаллографической оси X91 заданы в соответствии с толщиной первого двулучепреломляющего элемента 3 и с направлением кристаллографической оси X31. Как описано выше, в простейшей конфигурации, толщина двух двулучепреломляющих элементов 3 и 9 задана равной одному и тому же значению D; использован одинаковый материал, в котором направления кристаллографических осей X31 и X91 совмещены; и направление кристаллографической оси X92 задано отличающимся на 90 градусов от направления кристаллографической оси X32. Согласно этой конфигурации, разность оптической длины пути между двумя линейно поляризованными световыми лучами 8a и 8b, созданными путем разделения в первом двулучепреломляющем элементе 3, может быть более надежно скомпенсирована вторым двулучепреломляющим элементом 9.

Затем два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b, излученных из второго двулучепреломляющего элемента 9, падают на линзу 4 параллельно оптической оси X4 линзы 4 для их сведения, и эти два линейно поляризованных световых луча падают на фарадеевский вращатель 6 проходя через фарадеевский вращатель 6, в результате чего их плоскости поляризации поворачиваются на 45 градусов в одинаковом направлении, что проиллюстрировано на Фиг. 6(D).

Как проиллюстрировано на Фиг. 4, Фиг. 6(D) и Фиг. 7 (E), два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b, проходящих через фарадеевский вращатель 6, отражаются с точечной симметрией в одной точке R на поверхности зеркала 7 в сторону, противоположную углу падения, в результате чего положения распространения до и после отражения меняются местами. На Фиг. 4 понятно, что в зеркале 10, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, зеркало 7 и линза 4 расположены с такой юстировкой, что точка отражения (описанная выше точка R) на зеркале 7 и оптическая ось X4 линзы 4 расположены на одной и той же прямой линии в направлении распространения светового луча (в направлении оси Z). Кроме того, юстировка линзы 4 выполнена так, что центральные положения двух линейно поляризованных световых лучей 8a и 8b разнесены на одинаковое расстояние от оптической оси X4 линзы 4. Кроме того, можно понять следующее: поскольку точка R отражения в зеркале 1, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, и точка R отражения в зеркале 10, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, согласно этому варианту осуществления изобретения видны в направлении оси Z, то их положения не совпадают друг с другом, но точка R отражения в зеркале 10, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, является сдвинутой в направлении оси X. Это объясняется тем, что в зеркале 10, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, добавлен второй двулучепреломляющий элемент 9, в результате чего линейно поляризованный световой луч 8a является сдвинутым в направлении оси X.

В зеркале 10, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, перед падением двух линейно поляризованных световых лучей 8a и 8b на линзу 4 два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b являются сдвинутыми на равное расстояние вследствие наличия двух двулучепреломляющих элементов 3 и 9. Следовательно, разность оптической длины пути между двумя линейно поляризованными световыми лучами 8a и 8b, созданная путем разделения в первом двулучепреломляющем элементе 3, устранена до падения двух линейно поляризованных световых лучей 8a и 8b на линзу 4.

Два отраженных линейно поляризованных световых луча 8a и 8b снова проходят через фарадеевский вращатель 6, в результате чего каждое из направлений поляризации двух линейно поляризованных световых лучей 8a и 8b дополнительно поворачивается на 45 градусов в том же самом направлении (см. Фиг. 7(F)). Следовательно, можно понять, что плоскости поляризации двух линейно поляризованных световых лучей 8a и 8b, проходящих через фарадеевский вращатель 6 после отражения зеркалом 7, повернуты на 90 градусов относительно плоскостей поляризации до падения на фарадеевский вращатель 6, что проиллюстрировано на Фиг. 6(C).

Два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b, излученные из фарадеевского вращателя 6, снова проходят через линзу 4 для их излучения в положениях, которые являются симметричными относительно оптической оси X4 линзы 4. Затем световые лучи излучаются из линзы 4 так, что оси световых лучей являются параллельными оси Z.

Затем два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b снова падают на второй двулучепреломляющий элемент 9. Как описано выше, поскольку плоскости поляризации двух линейно поляризованных световых лучей 8a и 8b, проходящих через фарадеевский вращатель 6 после отражения зеркалом 7, повернуты на 90 градусов относительно плоскости поляризации до падения на фарадеевский вращатель 6, что проиллюстрировано на Фиг. 6(C), линейно поляризованный световой луч 8a формируется так, что направление поляризации линейно поляризованного светового луча 8a является перпендикулярным направлению кристаллографической оси X92, а линейно поляризованный световой луч 8b формируется так, что направление поляризации этого одного линейно поляризованного светового луча 8b является параллельным направлению кристаллографической оси X92. Следовательно, внутри второго двулучепреломляющего элемента 9 линейно поляризованный световой луч 8b становится необыкновенным лучом и сдвигается в горизонтальном направлении, что проиллюстрировано на Фиг. 7(F) и Фиг. 7(G). С другой стороны, внутри второго двулучепреломляющего элемента 9 линейно поляризованный световой луч 8a становится обыкновенным лучом и не сдвигается, но проходит прямо как обыкновенный луч.

Затем два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b снова падают с плоскости 3b на первый двулучепреломляющий элемент 3. Плоскость поляризации линейно поляризованного светового луча 8a, который является обыкновенным лучом во втором двулучепреломляющем элементе 9, является параллельной направлению кристаллографической оси X32. Следовательно, поскольку линейно поляризованный световой луч 8a, который проходит через второй двулучепреломляющий элемент 9 как обыкновенный луч, становится необыкновенным лучом в первом двулучепреломляющем элементе 3, то линейно поляризованный световой луч 8a сдвигается в направлении оси Y (см. Фиг. 7(G) и Фиг. 7(H)). С другой стороны, поскольку плоскость поляризации линейно поляризованного светового луча 8b, который проходит через второй двулучепреломляющий элемент 9 как необыкновенный луч, становится перпендикулярной кристаллографической оси X92, то линейно поляризованный световой луч 8b проходит прямо, проходя через первый двулучепреломляющий элемент 3 как обыкновенный луч без сдвига. Таким образом, как проиллюстрировано на Фиг. 7(H), два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b заново объединяются в один световой луч.

Заново объединенный световой луч излучается из одной плоскости 3a первого двулучепреломляющего элемента 3, падает на сердцевину 2b оптического волокна 2, распространяется через оптическое волокно 2, и снова распространяется через оптические волокна для датчиков, таких как, например, датчик тока.

Таким образом, согласно зеркалу 10, компенсирующему двулучепреломление в оптическом волокне, из этого варианта осуществления изобретения, оптический путь сконфигурирован так, что световой луч, излученный из оптического волокна 2, разделяется на два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b с перпендикулярной поляризацией, и эти два линейно и перпендикулярно поляризованных световых луча 8a и 8b отражаются с точечной симметрией. Другими словами, благодаря тому, что во время точечно-симметричного отражения зеркалом 7 направления поляризации двух линейно поляризованных световых лучей 8a и 8b являются перпендикулярными направлениям поляризации, интерференция устраняется, в результате чего может быть предотвращено возникновение множества положений наилучшего сопряжения. Следовательно, могут быть легко обнаружены оптимальные положения сопряжения, вследствие чего может быть легко выполнена процедура сборки с юстировкой.

Кроме того, в зеркале 10, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, два линейно поляризованных световых луча 8a и 8b являются сдвинутыми на одинаковое расстояние двумя двулучепреломляющими элементами 3 и 9. Следовательно, разность оптической длины пути между двумя линейно поляризованными световыми лучами 8a и 8b, созданными путем разделения в первом двулучепреломляющем элементе 3, является скомпенсированной вторым двулучепреломляющим элементом 9, в результате чего разность оптической длины пути устранена перед падением двух линейно поляризованных световых лучей 8a и 8b на линзу 4. Следовательно, предотвращено ухудшение эффективности сопряжения, вызванное сдвигом фокуса линзы. Кроме того, поскольку оптический путь сконфигурирован так, что после того, как разность оптической длины пути скомпенсирована, обыкновенный луч и необыкновенный луч меняются местами вследствие отражения зеркалом 7 и поворота плоскости поляризации на 90 градусов фарадеевским вращателем 6 относительно луча света с произвольной поляризацией, излученного из оптического волокна 2, то на оптическое волокно 2 падает луч поляризованного света, находящийся в диаметрально противоположной точке на сфере Пуанкаре. Следовательно, двулучепреломление, вызванное оптическим волокном 2, может быть скомпенсировано.

Кроме того, несмотря на то, что в зеркале 10, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, использован фарадеевский вращатель 6, и что фарадеевский вращатель 6 имеет температурную характеристику и спектральную характеристику, двулучепреломление, вызванное оптическим волокном 2, будет скомпенсировано, поскольку сохраняется перпендикулярность плоскостей поляризации двух линейно поляризованных световых лучей 8a и 8b.

Благодаря тому, что зеркало 10, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, согласно этому варианту осуществления изобретения, обеспечивает такой результат, если зеркало 10, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, оптически соединено с датчиком тока и т.п., двулучепреломление, вызванное оптическим волокном 2, будет скомпенсировано. Следовательно, будет уменьшено изменение результата измерения вследствие вибрации, вызванное фотоупругостью оптического волокна для датчиков, в результате чего улучшается виброустойчивость.

Кроме того, поскольку оно имеет превосходную виброустойчивость, в качестве оптического волокна для датчиков может использоваться кварцевое оптическое волокно, имеющее более высокое двулучепреломление, чем двулучепреломление оптического волокна, содержащего оксид свинца, в результате чего можно сформировать датчик тока, который может регистрировать ток большой величины.

На Фиг. 21 проиллюстрирована зависимость измеренного значения тока, подлежащего измерению, на выходе датчика тока, соединенного с зеркалом 10, компенсирующим двулучепреломление в оптическом волокне, от температуры с использованием характеристики "относительная погрешность - температура". Кроме того, относительная погрешность на Фиг. 21 обозначает относительную погрешность измеренного значения тока, подлежащего измерению, на выходе датчика тока, когда зеркало 10, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, соединено с датчиком тока, и температура зеркала 10, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, изменяется от -20°C до 80°C. На Фиг. 21 видно, что вследствие соединения с зеркалом 10, компенсирующим двулучепреломление в оптическом волокне, зависимость показаний датчика тока от температуры еще больше улучшена по сравнению с первым вариантом осуществления изобретения, и что зависимость от температуры уменьшена в такой степени, что она может почти не существовать в диапазоне температур от -20°C до 80°C, и что изменение относительной погрешности почти не существует. Следовательно, можно понять, что в датчике тока уменьшено изменение измеренного значения тока, подлежащего измерению.

Кроме того зеркало 1 или 10, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, согласно настоящему изобретению может быть видоизменено в различных вариантах на основании технической идеи из настоящего изобретения. Например, в качестве оптического волокна 2 может быть использовано оптическое волокно, содержащее оксид свинца.

Кроме того, направления кристаллографических осей X32 и X92 не ограничены направления кристаллографических осей из варианта осуществления изобретения, но эти направления могут быть заданы произвольно. Кроме того, линза 4 может быть расположена между фарадеевским вращателем 6 и зеркалом 7.

Кроме того, в качестве датчика тока, в котором используют эффект Фарадея в оптическом волокне, предпочтительным является датчик тока, в котором оптическое волокно 104 для датчиков расположено вокруг проводника 105, по которому течет ток, подлежащий измерению, проиллюстрированный на Фиг. 15. Однако, настоящее изобретение не ограничено этим вариантом.

Примеры

Несмотря на то, что ниже описаны примеры настоящего изобретения, настоящее изобретение не ограничено примерами с 1-го по 3-й. Ниже в качестве образцов примеров с 1-го по 3-й приведены зеркало 1, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, и зеркало 10, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне; а в качестве образцов примеров для сравнения приведены фарадеевское зеркало 11 и зеркало 7, которые показаны, соответственно, на Фиг. 8(a) и Фиг. 8(b). Кроме того, в зеркале 1, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, и в зеркале 10, компенсирующем двулучепреломление в оптическом волокне, одинаковые элементы обозначены одними и теми же номерами позиций, и излишнее их описание не повторяется или является упрощенным.

Фарадеевское зеркало 11 согласно Фиг. 8(a) представляет собой оптический узел, имеющий конфигурацию, в которой из зеркала 1, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, удален двулучепреломляющий элемент 3, а на Фиг. 8(b) проиллюстрирована конфигурация, в которой к торцевой поверхности 2a оптического волокна 2, на которую падает/из которой излучается свет, обращено только лишь зеркало 7.

<Пример 1>

Оптические волокна 2 унифицировано применяются для зеркала 1, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, зеркала 10, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, фарадеевского зеркала 11 и зеркала 7, или используются в кварцевом оптическом волокне одномодового типа, и компоненты оптически соединены с модулем 12 оптического смещения через оптическое волокно 2, что проиллюстрировано на Фиг. 9. Кроме того, с модулем 12 оптического смещения оптически соединен поляризационно-зависимый оптический циркулятор 13 через оптическое волокно 14, сохраняющее плоскость поляризации

Модуль 12 оптического смещения сконфигурирован так, что включает в себя двулучепреломляющий элемент 12a, линзу 12b, магнит 12c и фарадеевский вращатель 12d. Аналогично двулучепреломляющему элементу 3, двулучепреломляющий элемент 12a представляет собой одноосный двулучепреломляющий кристалл, имеющий α=47,8 градусов, и для двулучепреломляющего элемента 12a используется рутил. Фарадеевский вращатель 12d представляет собой элемент для поворота плоскости поляризации, действующий в одном направлении, который сконфигурирован так, что включают в себя висмут-замещенный ферромагнитный гранат, имеющий фарадеевский угол поворота плоскости поляризации, равный 22,5 градусам, когда он является магнитно-насыщенным магнитным полем, приложенным от магнита 12c. Магнит 12c представляет собой постоянный магнит типа Sm-Co или типа Nd-Fe-B, имеет снаружи форму кольца и расположен вокруг фарадеевского вращателя 12d.

Кроме того, с поляризационно-зависимым оптическим циркулятором 13 через оптическое волокно 16 оптически соединен источник 15 света на усиленном спонтанном излучении (ASE), имеющий длину волны в диапазоне 1550 нм. Каждый из элементов: модуль 12 оптического смещения и поляризационно-зависимый оптический циркулятор 13, разделяет каждый световой луч на два линейно поляризованных световых луча, и измерители 19 и 20 мощности оптического излучения (обозначенные ниже как OPM) регистрируют линейно поляризованные световые лучи через оптические волокна 17 и 18. В этой конфигурации оптической системы регулятор 22 поляризации, сформированный путем многократной намотки оптического волокна 2, изменяет двулучепреломление, созданное оптическим волокном 2; и, применительно к описанным выше образцам, сравниваются диапазоны изменения зарегистрированных линейно поляризованных световых лучей из модуля 12 оптического смещения или из поляризационно-зависимого оптического циркулятора 13, полученные посредством OPM 19 или OPM 20. Результаты регистрации полученных диапазонов изменения перечислены в таблице 1.

Таблица 1
ОБРАЗЕЦ	ДИАПАЗОН ИЗМЕНЕНИЯ, ИЗМЕРЕННЫЙ OPM 19 (дБ)	ДИАПАЗОН ИЗМЕНЕНИЯ, ИЗМЕРЕННЫЙ OPM 20 (дБ)
ЗЕРКАЛО 10, КОМПЕНСИРУЮЩЕЕ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ	0,006	0,004
ЗЕРКАЛО 1, КОМПЕНСИРУЮЩЕЕ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ	0,118	0,117
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО 11	0,394	0,372
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО 7	29,365	10,350

Из таблицы 1 может быть сделан вывод о том, что диапазоны изменения для зеркала 1, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, и для зеркала 10, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, уменьшены в еще большей степени по сравнению с фарадеевским зеркалом 11 и с зеркалом 7, в результате чего уменьшено влияние двулучепреломления, вызванного оптическим волокном 2. Кроме того, что касается зеркала 1, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, и зеркала 10, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, поскольку диапазон изменения для зеркала 10, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, подавлен более сильно по сравнению с зеркалом 1, компенсирующим двулучепреломление в оптическом волокне, то можно понять, что зеркало 10, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, является наиболее предпочтительным с точки зрения подавления двулучепреломления, вызванного оптическим волокном 2.

<Пример 2>

Оптические волокна 2 унифицировано применяются для зеркала 1, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, зеркала 10, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, фарадеевского зеркала 11 и зеркала 7, или используются в кварцевом оптическом волокне одномодового типа, и компоненты оптически соединены с блоком 21 разделения/объединения поляризации через оптическое волокно 2, что проиллюстрировано на Фиг. 10. Кроме того, на Фиг. 10 элементы, являющиеся теми же самыми, что и элементы оптической системы из описанного выше примера 1, обозначены одинаковыми номерами позиций, и излишнее их описание не повторяется или является упрощенным.

Пример 2, проиллюстрированный на Фиг. 10, отличается от примера 1, проиллюстрированного на Фиг. 9, тем, что вместо модуля 12 оптического смещения предусмотрен блок 21 разделения/объединения поляризации. Блок 21 разделения/объединения поляризации представляет собой оптический узел, имеющий конфигурацию, в которой из модуля 12 оптического смещения удалены магнит 12c и фарадеевский вращатель 12d.

Аналогично примеру 1, в этой оптической системе регулятор 22 поляризации изменяет двулучепреломление, вызванное оптическим волокном 2,; и, применительно к описанным выше образцам, сравниваются диапазоны изменения зарегистрированных линейно поляризованных световых лучей из модуля 12 оптического смещения или из поляризационно-зависимого оптического циркулятора 13, полученные посредством OPM 19 или OPM 20. Результаты регистрации полученных диапазонов изменения перечислены в таблице 2.

Таблица 2
ОБРАЗЕЦ	ДИАПАЗОН ИЗМЕНЕНИЯ, ИЗМЕРЕННЫЙ OPM 19 (дБ)	ДИАПАЗОН ИЗМЕНЕНИЯ, ИЗМЕРЕННЫЙ OPM 20 (дБ)
ЗЕРКАЛО 10, КОМПЕНСИРУЮЩЕЕ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ	0,002	0,007
ЗЕРКАЛО 1, КОМПЕНСИРУЮЩЕЕ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ	0,016	0,170
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО 11	0,040	0,272
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО 7	38,089	12,363

Из таблицы 2 может быть сделан вывод о том, что диапазоны изменения для зеркала 1, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, и для зеркала 10, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, уменьшены в еще большей степени по сравнению с фарадеевским зеркалом 11 и с зеркалом 7, в результате чего уменьшено влияние двулучепреломления, вызванного оптическим волокном 2. Кроме того, что касается зеркала 1, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, и зеркала 10, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, поскольку диапазон изменения для зеркала 10, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, подавлен более сильно по сравнению с зеркалом 1, компенсирующим двулучепреломление в оптическом волокне, то можно понять, что зеркало 10, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, является наиболее предпочтительным с точки зрения подавления двулучепреломления, вызванного оптическим волокном 2.

<Пример 3>

Оптические волокна 2 унифицировано применяются для зеркала 1, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, зеркала 10, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, фарадеевского зеркала 11 и зеркала 7 в кварцевом оптическом волокне одномодового типа, и датчик тока сформирован путем размещения провода, проводящего ток, вокруг оптического волокна 2. Кроме того, путем приложения внешней вибрации к оптическому волокну 2 регистрируют изменение (серый участок) формы колебательного сигнала измеренного тока для каждого из датчиков тока. Результат изменения формы колебательного сигнала измеренного тока для зеркала 7 проиллюстрирован на Фиг. 11; результат изменения формы колебательного сигнала измеренного тока для фарадеевского зеркала 11 проиллюстрирован на Фиг. 12; результат изменения формы колебательного сигнала измеренного тока для зеркала 1, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, проиллюстрирован на Фиг. 13; и результат изменения формы колебательного сигнала измеренного тока для зеркала 10, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, проиллюстрирован на Фиг. 14.

Из чертежей Фиг. 11 - Фиг. 14 видно, что зеркало 10, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, имеет наиболее предпочтительную конфигурацию, поскольку изменение формы сигнала для зеркала 10, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, уменьшено до минимального уровня, и улучшена виброустойчивость датчика тока.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Зеркало, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, согласно настоящему изобретению может использоваться для датчика тока, датчика магнитного поля, квантового криптографического устройства, оптического переключателя, источника света, усилителя, интерферометра, сумматора/вычитателя и т.п. Кроме того, датчик тока согласно настоящему изобретению может использоваться для регистрации величины тока в энергосистеме.

Claims (4)

1. Зеркало, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, которое содержит:
оптическое волокно;
двулучепреломляющий элемент;
линзу;
магнит;
фарадеевский вращатель, к которому приложено магнитное поле от магнита для его магнитного насыщения и который имеет фарадеевский угол поворота плоскости поляризации, равный 45 градусам; и
зеркало,
причем компоненты, которыми являются двулучепреломляющий элемент, фарадеевский вращатель и зеркало, расположены в следующем порядке от торцевой поверхности падения/излучения света в оптическом волокне: двулучепреломляющий элемент, фарадеевский вращатель и зеркало,
оптическое волокно является одномодовым,
световой луч, распространяющийся через оптическое волокно, разделяется двулучепреломляющим элементом на два перпендикулярно линейно поляризованных световых луча, представляющих собой обыкновенный луч и необыкновенный луч, которые сводятся линзой,
эти два линейно поляризованных световых луча проходят через фарадеевский вращатель, вследствие чего их плоскости поляризации поворачиваются на 45 градусов, и эти два линейно поляризованных световых луча отражаются в одной точке на поверхности зеркала с точечной симметрией, два отраженных линейно поляризованных световых луча повторно проходят через фарадеевский вращатель, вследствие чего плоскости поляризации двух линейно поляризованных световых лучей дополнительно поворачиваются на 45 градусов,
два линейно поляризованных световых луча снова падают на двулучепреломляющий элемент, вследствие чего они заново объединяются в один световой луч,
заново объединенный световой луч падает на оптическое волокно и.
величина сдвига необыкновенного луча в двулучепреломляющем элементе является равной или большей, чем удвоенный диаметр поля моды оптического волокна.

2. Зеркало, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, которое содержит:
оптическое волокно;
первый двулучепреломляющий элемент;
второй двулучепреломляющий элемент;
линзу;
магнит;
фарадеевский вращатель, к которому приложено магнитное поле от магнита для его магнитного насыщения и который имеет фарадеевский угол поворота плоскости поляризации, равный 45 градусам; и
зеркало,
причем компоненты, которыми являются первый двулучепреломляющий элемент, второй двулучепреломляющий элемент, фарадеевский вращатель и зеркало, расположены в следующем порядке от торцевой поверхности падения/излучения света в оптическом волокне: первый двулучепреломляющий элемент, второй двулучепреломляющий элемент, фарадеевский вращатель и зеркало,
оптическое волокно является одномодовым,
направление кристаллографической оси оптической плоскости второго двулучепреломляющего элемента задано таким, что отличается на 90 градусов от направления кристаллографической оси оптической плоскости первого двулучепреломляющего элемента,
световой луч, распространяющийся через оптическое волокно, разделяется первым двулучепреломляющим элементом на два перпендикулярно линейно поляризованных световых луча, представляющих собой обыкновенный луч и необыкновенный луч,
когда эти два линейно поляризованных световых луча, проходящие через первый двулучепреломляющий элемент, проходят через второй двулучепреломляющий элемент, световой луч, проходящий через первый двулучепреломляющий элемент как обыкновенный луч, проходит как необыкновенный луч, а световой луч, проходящий через первый двулучепреломляющий элемент как необыкновенный луч, проходит как обыкновенный луч, и два линейно поляризованных световых луча сводятся линзой,
величина сдвига необыкновенного луча во время прохождения через первый двулучепреломляющий элемент и величина сдвига необыкновенного луча во время прохождения через второй двулучепреломляющий элемент заданы одинаковыми,
эти два линейно поляризованных световых луча проходят через фарадеевский вращатель, вследствие чего их плоскости поляризации поворачиваются на 45 градусов, и эти два линейно поляризованных световых луча отражаются в одной точке на поверхности зеркала с точечной симметрией,
два отраженных линейно поляризованных световых луча повторно проходят через фарадеевский вращатель, вследствие чего плоскости поляризации двух линейно поляризованных световых лучей дополнительно поворачиваются на 45 градусов,
когда два линейно поляризованных световых луча, проходящие через фарадеевский вращатель, проходят через второй двулучепреломляющий элемент, сдвигается только один линейно поляризованный световой луч,
два линейно поляризованных световых луча снова падают на первый двулучепреломляющий элемент, и когда два линейно поляризованных световых луча, проходящие через второй двулучепреломляющий элемент, проходят через первый двулучепреломляющий элемент, световой луч, проходящий через второй двулучепреломляющий элемент как обыкновенный луч, проходит как необыкновенный луч, а световой луч, проходящий через второй двулучепреломляющий элемент как необыкновенный луч, проходит как обыкновенный луч, вследствие чего сдвигается только один линейно поляризованный световой луч, и два линейно поляризованных световых луча заново объединяются в один световой луч,
заново объединенный световой луч падает на оптическое волокно, и
сумма величины сдвига необыкновенного луча в первом двулучепреломляющем элементе и величины сдвига необыкновенного луча во втором двулучепреломляющем элементе является равной или большей, чем удвоенный диаметр поля моды оптического волокна.

3. Зеркало, компенсирующее двулучепреломление в оптическом волокне, по п. 2, в котором разность оптической длины пути между двумя линейно поляризованными световыми лучами, созданными путем разделения на обыкновенный луч и необыкновенный луч во время прохождения через второй двулучепреломляющий элемент, задана равной разности оптической длины пути между двумя линейно поляризованными световыми лучами, созданными путем разделения на обыкновенный луч и необыкновенный луч во время прохождения через первый двулучепреломляющий элемент.

4. Датчик тока, в котором оптическое волокно зеркала, компенсирующего двулучепреломление в оптическом волокне, по любому из пп. 1-3 оптически соединено с оптическим волокном датчика тока, установленного на проводнике, в котором течет ток, и измеряющего ток, текущий через проводник.

Images