WO2015024915A1 - Sensorbaueinheit - Google Patents

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WO2015024915A1
WO2015024915A1 PCT/EP2014/067599 EP2014067599W WO2015024915A1 WO 2015024915 A1 WO2015024915 A1 WO 2015024915A1 EP 2014067599 W EP2014067599 W EP 2014067599W WO 2015024915 A1 WO2015024915 A1 WO 2015024915A1
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optical
substrate
integrated
waveguide
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PCT/EP2014/067599
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Wolfgang Foss
Maria Kufner
Stefan Kufner
Angel RADEV
Benjamin Ross
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Leoni Kabel GmbH
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Leoni Kabel Holding GmbH
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    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
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    • G01R15/242—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption based on the Pockels effect, i.e. linear electro-optic effect
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    • G01R15/245—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R15/246—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using magneto-optical modulators, e.g. based on the Faraday or Cotton-Mouton effect based on the Faraday, i.e. linear magneto-optic, effect

Definitions

  • the invention relates to a sensor assembly with the preamble of claim 1.
  • EP 0 477 415 B1 discloses such a sensor assembly which has an optical sensor element for measuring the electric current using the Faraday effect.
  • a trained in a substrate optical waveguide is circumferentially guided around a central recess. Through the central recess of the conductor is performed, through which flows the current to be measured.
  • optical sensors for monitoring, for example, electrical or other devices
  • a variable to be measured such as, for example, the electrical current, the electrical voltage, or even an ambient temperature influences the propagation of light within a specially designed sensor element and generates a characteristic response signal.
  • a voltage sensor based on the so-called Pockels effect is also known.
  • the influence of a temperature can be determined by means of a Bragg grating.
  • US Pat. No. 5,545,080 B1 likewise discloses a sensor arrangement with a plurality of optical sensors.
  • the specially suitable crystals are used with a suitable thickness, which are connected by fiber optics.
  • DE 101 40 482 A1 discloses an optical sensor device, in which a compensation element, in particular in the form of a Bragg grating, is assigned to the actual optical sensor element, for example a current sensor.
  • An input measurement signal is influenced by the compensation element as a function of an external disturbance, such as temperature or vibration.
  • the measuring signal influenced in this way then passes through the actual sensor, so that the externally acting disturbance variable for the actual effect to be measured is compensated.
  • the known optical sensor arrangements often have a complex and complex structure.
  • the object of the invention is to provide an improved sensor module.
  • the sensor assembly comprises a sensor element with a substrate, in which at least one optical component for forming a first optical sensor is integrated, which is designed for measuring an electrical variable, in particular of the electrical current.
  • at least one integrated optical component is at least one integrated measuring waveguide, which serves to form the integrated optical sensor, which is thus designed to measure an electrical variable.
  • Measuring waveguide is understood to mean in particular that the particular electrical variable to be measured in the region of the measuring waveguide influences the propagation of an optical sensor signal fed into the waveguide.
  • integrated optical component is understood in the present case that the component is embedded in the substrate.
  • Under integrated is also understood when a non-fiber optic component to the substrate directly, so without the interposition of an optical fiber, is directly coupled by a suitable bonding method.
  • the components, in particular measuring waveguide are formed by a modification of the substrate itself, expediently onsrea by a known ion diffusion process.
  • At least one and preferably a plurality of further optical components are integrated, which are designed to form at least one further integrated optical sensor.
  • These further optical components are expediently further waveguides, in particular measuring waveguides, which serve to measure a further, generally physical size.
  • An integrated optical sensor is generally understood to mean that at least some components required for the functionality of the sensor are directly integrated into the substrate. Conveniently, all components required for the functioning of the sensor are integrated into the substrate. Overall, all components required for the individual optical sensors are preferably part of the one common sensor element.
  • the integrated optical sensors are selected from an optical current sensor based on the Faraday effect for measuring an electrical current in a current-carrying conductor. Such a measuring principle can be taken, for example, from the aforementioned EP 0 477 415 B1. Furthermore, alternatively or in combination, an optical voltage sensor, an optical strain sensor and a wavelength sensor are integrated.
  • the optical Voltage sensor is formed on the basis of Pockels- effect for measuring an electrical voltage, the optical strain sensor for measuring a particular thermal expansion and the wavelength sensor for measuring an optical wavelength of the injected sensor signal.
  • the optical voltage measurement based on the Pockels effect is basically also known and is based on the use of special birefringent crystals in which the birefringence changes when an electric field occurs. This change is typically linearly proportional to the electric field.
  • the optical strain sensor is based on the effect of an optical path length change caused by an expansion of the substrate, which is detected appropriately. Due to the direct integration of the waveguide
  • the wavelength sensor is based on the integration of a wavelength-sensitive component into the substrate, for example a grating whose grating period is tuned to a defined wavelength of the fed-in sensor signal, so that it can be detected with a variation of the wavelength.
  • a wavelength-sensitive component for example a grating whose grating period is tuned to a defined wavelength of the fed-in sensor signal, so that it can be detected with a variation of the wavelength.
  • a sensor signal is coupled into the substrate in a suitable manner, which is changed by the influence of the variable to be measured by the respective integrated optical component of the respective sensor to the size to be measured and an optical response signal generated thereby by means of an evaluation evaluated.
  • the quantity to be measured is electrical current, electrical voltage, temperature or also the wavelength of the measuring signal.
  • the response signal is generally decoupled from the sensor element and transmitted to the evaluation unit. telt.
  • the evaluation unit expediently also predefines the supplied sensor signal.
  • Sensor signal and response signal are preferably transmitted between the sensor element and the evaluation fiber optic. A corresponding optical transmission fiber is therefore coupled to the carrier for coupling and / or decoupling the sensor signal or the response signal.
  • the coupling and decoupling points in or out of the sensor element for the sensor and response signal are arranged according to a first embodiment at different positions and according to a second embodiment at the identical same position, so that in the second variant, only one fiber both is provided for the supply of the sensor signal as well as for the return of the response signal.
  • response signals which are inherent to the sensor module and characterize quasi properties or changes of the module and thus of the measuring structure, are used for the evaluation of the response signals of the optical sensors for measuring the electrical quantities. Since the accurate knowledge of the wavelength used as well as the optical path length and thus the phase relationships is of crucial importance, a sensor assembly is provided by this integrated-optical structure, which for a reliable, and effective and accurate measurement, for example of current and / or voltage values is particularly suitable.
  • an evaluation unit which determines the optical response signals of the current sensor and / or voltage sensor as a function of the optical response signals of the strain sensor and / or of the wavelength sensor.
  • a measuring waveguide is preferably also used simultaneously for a plurality of different sensors. Therefore, different measured variables are determined via a common measuring waveguide. As a result, the production cost is reduced.
  • an integrated optical waveguide is divided by an integrated distributor, in particular an integrated Y distributor, onto a plurality of measuring waveguides. As a result, it is therefore possible to use this in parallel with several integrated sensors with only one sensor signal fed in.
  • the optical strain sensor expediently forms a Michelson interferometer and for this purpose has two measuring waveguides integrated into the substrate, which are referred to as waveguide arms.
  • the two waveguide arms have different optical path lengths for the formation of the Michelson interferometer. A delay difference of the split optical input sensor signal is evaluated.
  • the waveguide arms are expediently bent and in particular have different bending radii. Due to the curved configuration, the basic geometry of the configuration of the current sensor is recorded, in which basically a measuring waveguide is (partially) circular.
  • one of the shaft arms is also formed at the same time by a measuring waveguide for one of the further sensors, in particular for the current sensor.
  • the waveguide arm therefore has a dual function for detecting two different sizes. It is particularly advantageous if the evaluated response signal of the strain sensor is used for the evaluation of the response signal of the current sensor. Since there is at least a partial identity of the measuring waveguide, therefore, the properties of this measuring waveguide flow directly into the evaluation of the response signal for the current sensor.
  • the wavelength sensor expediently has a Bragg grating and / or a resonator ring or a directional coupler for detecting changes in the wavelength of the sensor signal fed in.
  • optical sensors are preferably integrated on a common wafer. So they do not consist of different individual composite substrate parts. In particular, they are integrated on a common example 6-inch wafer. The integration on a common wafer ensures that the substrate as a whole is as homogeneous as possible.
  • At least one part, preferably at least a majority or even all of the optical components of the sensors are formed as components integrated in the wafer.
  • the optical components are formed by special preparation of the wafer on this itself.
  • the substrate used for the wafer is preferably a glass, in particular a suitable special glass used, as for example from the
  • EP 0 477 415 A1 can be seen.
  • a special glass marketed by Schott is called BGG 31.
  • the substrate typically has a thickness in the range of a few millimeters, for example 1 to 5 mm, preferably less than 3 mm and in particular 1.5 mm.
  • This glass expediently has no or at most a slight birefringence. This is especially important for reliable operation of the sensors used.
  • this is virtually aftertreated specifically for the formation of optical components with birefringence in subregions of the substrate. In some areas, therefore, a birefringent function in the substrate integrated. In particular, this serves to form quarter-wave components.
  • the integrated optical components are preferably introduced into the substrate by means of an ion exchange process.
  • This ion exchange process is very gentle compared to other structuring processes and, for example, does not lead to stresses in the substrate which could lead to undesired birefringence.
  • the integrated optical components can be present in various embodiments, for example as optical waveguides both in straight and in curved form, as polarization-changing optical elements, such as the aforementioned quarter-wave element.
  • the integrated optical components can be designed as coupling points for coupling and decoupling light, as a mirrored surface, as end surfaces and / or as an optical grating. All of these components are produced, in particular, by a targeted ion diffusion process and / or by further lithographic processes.
  • Such a supplementary lithographic process is e.g. the etching technique in which the desired structures are introduced by an etching process - either wet-chemically or dry, for example, by a reactive ion etching.
  • the formed structure is preferably treated with a suitable coating method.
  • a trench formed by etching is generated directly above the introduced waveguide, wherein the trench has a defined length and depth.
  • This trench is preferably still provided with an optical coating to produce the desired quarter-wave effect.
  • the optical grating In the formation of the optical grating this is preferably also produced by etching (wet-chemical or dry), optionally in turn with a optical coating.
  • etching wet-chemical or dry
  • the grating period can be accurately controlled.
  • the quarter-wave element can be realized as a piece of fiber or as a crystal plate, which directly - like a ferrule - can be attached to the waveguide.
  • the optical voltage sensor has the following sequence and preferably consists of this sequence: A coupling site for a polarization-maintaining fiber (PM-fiber), a quarter-wave optical element, in particular formed by a specially prepared, integrated waveguide section, and a measuring waveguide, the is integrated in a suitable for the Pockels effect birefringent substrate.
  • this measuring waveguide is mirrored end.
  • This birefringent substrate in particular a suitable crystal, is expediently coupled to the (basic) substrate via a suitable further coupling site.
  • the crystal is coupled with one end side via a suitable bonding method to a flat side surface of the substrate, so that a common carrier with two different substrates, namely a birefringent and a non-birefringent is formed.
  • the planar coupling sites on the substrate and on the crystal are usually polished and attached to one another, for example, by an adhesive film.
  • the integrated waveguides have already been formed in the substrate and in the crystal.
  • an optical signal is then fed into the waveguide.
  • the positioning of the two components relative to each other takes place by evaluation of the signal transmitted from one to the other component.
  • a structure is provided in which the light from the waveguide integrated in the substrate is preferably connected via a quarter-wave element and an optical lens, in particular a so-called GRIN lens the birefringent crystal is coupled.
  • this end is again mirrored and the reflected optical signal is coupled as a response signal on the way back via the lens and via the quarter-wave element in the integrated waveguide in the substrate.
  • the signal is collimated via the optical lens and coupled into the crystal.
  • the optical lens is preferably coupled directly to the substrate of the wafer by a bonding method, without the interposition of a fiber optic component.
  • a so-called free-space structure is possible in which the lens and the crystal are connected to the substrate via a fiber-optic component.
  • a lithium niobate crystal is used for the birefringent substrate.
  • other voltage-birefringent crystals can also be used, in particular ADP
  • the voltage sensor is based on the well-known Pockels effect.
  • the current sensor generally uses the so-called Faraday effect in a manner known per se. It preferably has or consists of the following sequence: A coupling site for a polarization-maintaining fiber, a preferably integrated quarter-wave optical element, a curved waveguide integrated in the substrate, and preferably a mirrored end face of the waveguide.
  • the substrate additionally has a central, preferably circular recess, through which the current-carrying electrical conductor to be measured is carried out. This is sufficient if the curved waveguide partially encloses the current conductor, for example semicircular, and the substrate accordingly also defines only a semicircular ring.
  • the substrate is generally formed as a circular ring segment. The outer contour becomes, for example taken from the original wafer. This can basically be rectangular.
  • the strain sensor which is designed in particular as a Michelson interferometer (in short also referred to as a Michelson sensor), is used in particular for determining the thermal expansion and preferably comprises a combination of two curved waveguides which have different radii with respect to the wafer center and which extend in terms of length with different magnitudes.
  • the strain or temperature sensor designed as a Michelson interferometer uses a waveguide of another sensor, in particular of the current sensor.
  • the current sensor uses a waveguide of another sensor, in particular of the current sensor.
  • an additional waveguide path is guided in particular concentrically to the waveguide path of the current sensor and coupled to an additional fiber, in particular a single-mode fiber (single mode, SM fiber).
  • an additional fiber in particular a single-mode fiber (single mode, SM fiber).
  • At least one branching element is preferably integrated on the substrate, which connects the additional waveguide path to the waveguide path of the other sensor (current sensor), preferably subsequently to the lambda-quarter element.
  • the quarter-wave element may generally be formed as a defined piece of optical fiber, as a defined small crystal plate (birefringent), and in a preferred embodiment as an integrated optical waveguide with birefringent function on the substrate.
  • the strain sensor which is designed in particular as a Bragg sensor, can be used to determine the thermal expansion and preferably comprises a coupling point for a particularly monomodal optical fiber and an optical waveguide integrated into the substrate, into which an upper surface grid is introduced with a defined grating period, in particular by an ion diffusion process.
  • the surface grating is designed such that it leads to a back reflection of a selected wavelength, which depends on the grating period of the surface grating.
  • Resonator ring or directional coupler is used.
  • the sensor module is used in particular for measuring the electrical variables such as current and / or voltage in a power plant, in particular a power distribution plant.
  • the module is preferably used in a medium-voltage system in which currents in the range of up to a few hundred amperes are switched and voltages in the range of a few kilovolts or even a few tens of kilovolts are applied. With the sensor assembly, such currents or voltages are measured.
  • FIGS. show each in schematic representations:
  • FIG. 1 shows a sensor assembly with a carrier as a sensor-active element which is connected to a fiber optic evaluation unit
  • Fig. 4 shows a first embodiment of the optical components of a
  • Fig. 5 shows a second embodiment for the optical components of a voltage sensor.
  • functionally identical elements are provided with the same reference numerals.
  • a sensor assembly 2 according to FIG. 1 comprises a common evaluation unit 4, which are connected to a sensor element 8 via a plurality of optical fibers 6, in the exemplary embodiment three optical fibers 6. Each optical fiber is assigned a separate channel of the evaluation unit 4.
  • the individual optical fibers 6 are connected to coupling elements 10 with the sensor element 8 by means of coupling elements. In particular, they are coupled to the sensor unit with the aid of so-called ferrules.
  • the ferrules are typically metal tubes into which the optical fiber 6 concentrically rests, in particular is glued.
  • the sensor element 8 has a substrate 12 as a carrier and preferably consists entirely of this carrier substrate, at least several sensors 14A, B, C are integrated into the substrate 12.
  • the sensor element 8 or the substrate 12 is in particular glass.
  • the different optical sensors 14A, B, C are integrated. These are used to measure different quantities.
  • the evaluation unit 4 for each channel an optical sensor signal S via a respective optical fiber 6A, B, C in a respective measuring waveguide 16A, B, C is coupled.
  • the sensor signals may be different or even the same sensor signals.
  • the evaluation unit preferably has different light sources for generating the respective optical sensor signal.
  • a light source for several channels can be provided in common.
  • a sensor signal is usually a pulsed light signal, for example, with a frequency in MHz range used.
  • the light source used is preferably a laser diode which generates a sensor signal S having a wavelength in the IR range (from about 800 nm to 1700 nm), in particular in the range of about 830 nm.
  • the individual measuring waveguides 1 6A, B, C are designed differently from each other and influence the fed sensor signal S in different ways.
  • the sensor signals S are each thrown back and transmitted via the same optical path again as a response signal A of the evaluation unit 4 back.
  • the evaluation of the various response signals A of the individual sensors 14A, B, C takes place.
  • Each sensor 14A, B, C is therefore assigned a separate evaluation channel.
  • the substrate 12 is a circular segment, in particular, which preferably extends at least approximately over 180 ° and, in the exemplary embodiment, extends over approximately 270 ° to 300 °, for example.
  • the substrate 12 is therefore formed around a central recess 18 in the manner of a circular ring.
  • the substrate 12 is formed of a wafer, which in particular has a diameter of 6 inches.
  • at least the first and the second measuring waveguides 16A, 16B extend in a circular ring. They have a waveguide radius in the range of several 10 millimeters and, for example, a maximum of 70 mm.
  • the maximum inner radius of the central recess 18 is for example 50 to 60 mm.
  • the two measuring waveguides 16A, 16B in particular run concentrically to a common circle center.
  • the optical path length, in particular of the first and second measuring waveguides 6A, 16B, is several 100 millimeters, and for example up to about 450 to 500 mm.
  • the sensor element 8 is formed with an integrated optical current sensor 14A and with an integrated optical strain sensor 16B.
  • the strain sensor is used in particular to measure a thermal expansion of the sensor element 8 itself and is designed in particular in the manner of a Michelson interferometer.
  • the strain sensor on two waveguide arms 21 A, 21 B, by the second Measuring waveguide 1 6B and in sections by the first measuring waveguide 1 6A are formed.
  • the first measuring waveguide 16A serves to form the current sensor 14A.
  • the sensor signal S is coupled via a first coupling point 10A in the first measuring waveguide 1 6A and another or the same sensor signal S via a second coupling point 10B in the second measuring waveguide 1 6B.
  • the coupling points are formed for example as so-called ferrules.
  • an end face 22 of the substrate 12 is suitably prepared to form a mirror 24.
  • a polarization-maintaining (PM) fiber 6A is preferably coupled to the substrate 12 at the circular waveguide 16A via the coupling site 10A formed as a ferrule as the optical fiber 6.
  • a quarter-wave element 26 is formed in the substrate 12A, in particular by the integration of a suitable birefringent waveguide section. Except for these special subregions, which are birefringent by special processing, namely by ion diffusion, the substrate 12 is free from birefringence, which is desirable and necessary for the desired sensory properties, in particular for the current sensor 14A.
  • the coupled-in sensor signal S that is, the injected light
  • the reflected and reflected light is then in turn converted by the quarter-wave element 26 into linearly polarized light, like the coupled-in sensor signal S.
  • a not shown here live conductor is guided through the central recess 18. The current measurement is based on the Faraday effect known per se, in which the light passing through the current-carrying conductor influences the light propagating in the first measuring waveguide 16A in a defined manner, which is evaluated later by evaluating the response signal A in the evaluation unit 4 to determine a current value becomes.
  • the current sensor 14A is formed.
  • the strain sensor 16B is formed with the Michelson interferometer with two waveguide arms 21A, B.
  • the strain sensor 14B does not share a measuring waveguide 16A with another sensor 14A.
  • the coupling of the sensor signals S is also effected at different positions of the substrate 12.
  • a notch 28 is provided in the substrate 12 in particular.
  • a further notch 28 is formed, on which in turn, for example, by a coating of the end surface 22, a mirror 24 is formed.
  • a voltage sensor 14C is additionally formed. This includes - as well as the current sensor 14A - a coupling point 10C, in which by means of a ferrule also a preferably polarization-maintaining fiber 6C is coupled.
  • Lamda quarter element 26 is still an integrated waveguide section follows, which is then continued as a third measuring waveguide 1 6C in a birefringent crystal 30 as a further substrate.
  • a mirror 24 is again formed on the front end side of the crystal 30 so that the fed-in sensor signal S is reflected back after passing through the crystal 30 and leaves the sensor element 8 as a response signal.
  • a fourth optical sensor 14D is integrated, which is designed as a wavelength sensor and which is sensitive to the wavelength of the sensor signal S fed in.
  • the wavelength sensor has a fourth measuring waveguide 1 6D as well as in addition, a Bragg grating 32. Both components, at least the fourth measuring waveguide 16D, are introduced into the substrate 12 by an ion diffusion process, possibly in addition to further lithographic processes.
  • the Bragg grating 32 is formed by an etching process with subsequent coating.
  • the sensor signal S is - similarly as in the strain sensor 14B - coupled via a preferably single-mode fiber 6D and a ferrule as coupling point 6D.
  • the sensor signal S is preferably the same sensor signal S as used for the current sensor 14A or the voltage sensor 14C.
  • a wavelength drift of the injected sensor signal can be detected.
  • the construction of the voltage sensor 14C according to FIG. 3 is shown again in FIG. 4 with its essential optical components. It can be seen that the polarization-maintaining fiber 6C is coupled to the substrate 12 via the coupling point 10C and is continued in the substrate 12 in an integrated waveguide section formed by ion diffusion. This is followed by the quarter-wave element 26, which in turn is coupled by a further coupling point with the crystal 30, in which then the measuring waveguide 16C is preferably again formed by an ion diffusion process as an integrated waveguide.
  • the crystal 30 is in this case coupled to the substrate 12 by a per se known bonding method.
  • a so-called open-space optical variant is shown, in which, in contrast to the embodiment according to FIG. 4, the lambda-quarter element 26 is first followed by an optical lens, in particular a so-called GRIN lens 34, via which the sensor signal S, so the injected light, collimated and coupled into the crystal 30.
  • an optical lens in particular a so-called GRIN lens 34
  • GRIN lens 34 via which the sensor signal S, so the injected light, collimated and coupled into the crystal 30.
  • a further coupling point is formed between the GRIN lens 34 and the crystal 30, in particular by means of a suitable bonding method.
  • a mirror 24 is also formed here at the end of the crystal 30.
  • the GRIN lens 32 is also coupled according to a first variant also directly to the substrate 12 by a bonding method.
  • an optical fiber may be inter-coupled, so that the crystal 30 may be positioned remotely from the substrate 12.
  • the sensor element 8 Emphasizing in the case of the sensor element 8 is in particular the integration of a plurality of optical sensors 14, B, C, D within the common sensor element 8, so that a plurality of different variables can be detected metrologically with a uniform structural unit. Furthermore, it is of particular advantage that inherent properties of the sensor element 8, namely, for example, an elongation, is detected directly by the strain sensor 14C. Therefore, the state of the sensor element 8 is detected directly and used in the evaluation unit 4 for the evaluation of the response signals A of the further optical sensors, in particular of the current sensor 14A and of the voltage sensor 14C.
  • the response signal A of the wavelength sensor 1 6D is used for the evaluation of the further response signals A.
  • the light source used for the generation of the sensor signal S has a sufficient constancy or whether possibly the wavelength varies, ie a wavelength drift occurs. If such a drift is detected, this is taken into account for the evaluation of the other response signals A.
  • the wavelength sensor 16D can be used in parallel by the use of the Bragg grating 32 as a strain sensor for determining the thermal expansion. For the determination of the elongation, it is therefore possible to use both such a grating 32 and the described Michelson interferometer principle.
  • the grating 32 is introduced into the surface of the substrate 12 with a suitable grating period by an ion diffusion process and / or by a further lithographic process.
  • the grating 32 is designed in such a way that a back reflection of a selected wavelength occurs.
  • changes in the optical path can be determined, for example as a result of thermal changes in length.
  • a wavelength drift detect for detecting a wavelength drift of an optical light source used, a wavelength sensor, for example a resonator ring or a directional coupler, may additionally or alternatively be used.
  • the measurement principle according to the Michelson interferometer is preferred because the evaluation of a simple intensity modulation is sufficient for this purpose, which is simpler with respect to an otherwise required spectrometer in the Bragg sensor.
  • 14A, 14B, 14C, 14D are optical sensors

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Abstract

Die Sensor-Baueinheit (2) weist ein Sensorelement (8), welches ein Substrat und mehrere in das Substrat (12) integrierte optische Komponenten (16A,B,C,D;26) zur Ausbildung von mehreren integrierten optischen Sensoren (14A,B,C,D) auf- weist. Bei den optischen Sensoren (14A,B,C,D) handelt es sich um einen opti- schen Stromsensor (14A) auf Basis des Faraday-Effekts, einem optischen Span- nungssensors (14C) auf Basis des Pockels-Effekts, einem optischen Dehnungs- sensor (14B) und/oder einen Wellenlängensensor (14D). Antwortsignale (A) der einzelnen Sensoren (14A,B,C,D) werden in einer Auswer- teeinheit (4) ausgewertet, wobei vorzugsweise die Antwortsignale (A) des Deh- nungssensors (14B) und/oder des Wellenlängensensors (14D) für die Auswertung der Antwortsignale (A) der weiteren Sensoren (14,14C) herangezogen werden. Fig.

Description

Beschreibung
Sensorbaueinheit
Die Erfindung betrifft eine Sensor-Baueinheit mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Aus der EP 0 477 415 B1 ist eine derartige Sensorbaueinheit zu entnehmen, welches ein optisches Sensorelement zur Messung des elektrischen Stroms unter Ausnutzung des Faradays- Effekts aufweist. Hierzu ist ein in einem Substrat ausgebildeter optischer Wellenleiter umlaufend um eine zentrale Ausnehmung geführt. Durch die zentrale Ausnehmung wird der Leiter durchgeführt, durch den der zu messende Strom fließt.
Die Verwendung von optischen Sensoren zur Überwachung beispielsweise von elektrischen oder sonstigen Geräten ist grundsätzlich bekannt. Hierbei wird grundsätzlich ausgenutzt, dass eine zu messende Größe, wie beispielsweise der elektrische Strom, die elektrische Spannung, oder aber auch eine Umgebungstemperatur die Lichtausbreitung innerhalb eines speziell ausgebildeten Sensorelements beeinflusst und ein charakteristisches Antwortsignal generiert.
Dabei sind neben dem bereits erwähnten Stromsensor aufbauend auf dem Fara- day-Effekt auch ein Spannungssensor basierend auf dem sogenannten Pockels- Effekt bekannt. Der Einfluss einer Temperatur kann mittels eines Bragg-Gitters ermittelt werden.
Aus der US 2004/0024937 A1 ist ein elektrischer Leistungskonverter beschrieben, welcher beispielsweise in einem Schaltschrank angeordnet ist, und welcher über mehrere derartige optische Sensoren überwacht wird, die entsprechend an geeigneten Stellen positioniert sind.
Aus der US 5,545,080 B1 ist ebenfalls eine Sensoranordnung mit mehreren optischen Sensoren zu entnehmen. Für die unterschiedlichen Sensorelemente wer- den dabei jeweils speziell geeignete Kristalle mit einer geeigneten Dicke eingesetzt, welche faseroptisch angebunden sind.
Weiterhin ist aus der DE 101 40 482 A1 eine optische Sensoreinrichtung zu entnehmen, bei der dem eigentlichen optischen Sensorelement, beispielsweise einem Stromsensor ein Kompensationselement, insbesondere in Form eines Bragg- Gitters, zugeordnet ist. Ein eingespeistes Messsignal wird durch das Kompensationselement in Abhängigkeit einer äußeren Störgröße, wie beispielsweise Temperatur oder Vibration, beeinflusst. Das derart beeinflusste Messsignal durchläuft anschließend den eigentlichen Sensor, so dass die von außen einwirkende Störgröße für den eigentlich zu messenden Effekt kompensiert ist.
Die bekannten optischen Sensoranordnungen weisen häufig einen aufwendigen und komplexen Aufbau auf.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Sensor-Baueinheit anzugeben.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Sensorbaueinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
Die Sensor-Baueinheit umfasst dabei ein Sensorelement mit einem Substrat, in das zumindest eine optische Komponente zur Ausbildung eines ersten optischen Sensors integriert ist, welcher zur Messung einer elektrischen Größe, insbesondere des elektrischen Stroms ausgebildet ist. Bei dieser zumindest einen integrierten optischen Komponente handelt es sich dabei um zumindest einen integrierten Messwellenleiter, welcher zur Ausbildung des integrierten optischen Sensors dient, der also zur Messung einer elektrischen Größe ausgebildet ist. Unter Messwellenleiter wird hierbei insbesondere verstanden, dass die zu messende insbesondere elektrische Größe im Bereich des Messwellenleiters die Ausbreitung eines in den Wellenleiter eingespeisten optischen Sensorsignals beeinflusst. Unter integrierte optische Komponente wird vorliegend verstanden, dass die Komponente in das Substrat eingebettet ist. Unter integriert wird dabei auch verstanden, wenn eine nicht-faseroptische Komponente an das Substrat unmittelbar, also ohne Zwischenschaltung einer optischen Faser, durch ein geeignetes Bonding- Verfahren direkt angekoppelt ist.
Unter integriert wird in bevorzugter Variante verstanden, dass die Komponenten, insbesondere Messwellenleiter, durch eine Modifikation des Substrats selbst ausgebildet sind, zweckdienlicherweise durch einen an sich bekannten lonendiffusi- onsprozess.
Auf dem Substrat ist neben diesem integrierten Messwellenleiter für die Ausbildung eines ersten Sensors zumindest eine und vorzugsweise sind mehrere weitere optischen Komponenten integriert, die zur Ausbildung zumindest eines weiteren integrierten optischen Sensors ausgebildet sind. Bei diesen weiteren optischen Komponenten handelt es sich dabei zweckdienlicherweise um weitere Wellenleiter, insbesondere Messwellenleiter, die zur Messung einer weiteren, in der Regel physikalischen Größe dienen.
Unter einem integrierten optischen Sensor wird allgemein verstanden, dass zumindest einige für die Funktionalität des Sensors erforderliche Komponenten in das Substrat unmittelbar integriert sind. Zweckdienlicherweise sind sämtliche für die Funktionsweise des Sensors erforderlichen Komponenten in das Substrat integriert. Insgesamt sind vorzugsweise sämtliche für die einzelnen ausgebildeten optischen Sensoren erforderlichen Komponenten Bestandteil des einen gemeinsamen Sensorelements.
Die integrierten optischen Sensoren sind dabei ausgewählt aus einem optischen Stromsensor auf Basis des Faraday- Effekts zur Messung eines elektrischen Stroms in einem stromdurchflossenen Leiter. Ein derartiges Messprinzip ist beispielsweise aus der eingangs genannten EP 0 477 415 B1 zu entnehmen. Weiterhin sind alternativ oder in Kombination ein optischer Spannungssensor, ein optischer Dehnungssensor sowie ein Wellenlängensensor integriert. Der optische Spannungssensor ist dabei auf Basis des Pockels- Effekts zur Messung einer elektrischen Spannung, der optische Dehnungssensor zur Messung einer insbesondere thermisch bedingten Ausdehnung und der Wellenlängensensor zur Messung einer optischen Wellenlänge des eingespeisten Sensorsignals ausgebildet.
Die optische Spannungsmessung auf Basis des Pockels-Effekts ist grundsätzlich ebenfalls bekannt und beruht auf der Verwendung von speziellen doppelbrechenden Kristallen, bei denen sich die Doppelbrechung bei Auftreten eines elektrischen Feldes verändert. Diese Veränderung ist dabei typischerweise linear proportional zum elektrischen Feld.
Der optische Dehnungssensor beruht auf dem Effekt einer durch eine Ausdehnung des Substrats bedingten optischen Weglängenänderung, welche in geeigneter Weise erfasst wird. Durch die unmittelbare Integration des Wellenleiters
(Messwellenleiter) in das Substrat wird daher eine thermisch bedingte Ausdehnung unmittelbar erfasst.
Der Wellenlängensensor beruht grundsätzlich auf der Integration einer wellenlän- gen-sensitiven Komponente in das Substrat, beispielsweise ein Gitter, dessen Gitterperiode auf eine definierte Wellenlänge des eingespeisten Sensorsignals abgestimmt ist, so dass bei einer Variation der Wellenlänge diese erkannt werden kann. Mit Hilfe des Wellenlängensensors ist es dabei insbesondere möglich, das eingespeiste Sensorsignal im Hinblick auf eine Drift im Laufe des Betriebs zu überwachen.
Für jeden Sensor wird dabei in das Substrat ein Sensorsignal in geeigneter Weise eingekoppelt, welches durch den Einfluss der zu messenden Größe durch die jeweilige integrierte optische Komponente des jeweiligen Sensors zu der zu messenden Größe verändert wird und ein hierdurch generiertes optisches Antwortsignal wird mit Hilfe einer Auswerteeinheit ausgewertet. Bei der zu messenden Größe handelt es sich um elektrischen Strom, um elektrische Spannung, um Temperatur oder auch um die Wellenlänge des Messsignals. Das Antwortsignal wird allgemein wieder aus dem Sensorelement ausgekoppelt und an die Auswerteeinheit übermit- telt. Die Auswerteeinheit gibt zweckdienlicherweise zugleich auch das eingespeiste Sensorsignal vor. Sensorsignal und Antwortsignal werden vorzugsweise zwischen dem Sensorelement und der Auswerteeinheit faseroptisch übertragen. Eine entsprechende optische Übertragungsfaser ist daher an dem Träger zum Ein- und/oder Auskoppeln des Sensorsignals bzw. des Antwortsignals angekoppelt. Die Ein- und Auskoppelstellen in bzw. aus dem Sensorelement für das Sensor- sowie Antwortsignal sind dabei gemäß einer ersten Ausführungsvariante an verschiedenen Positionen und gemäß einer zweiten Ausführungsvariante an der identischen gleichen Position angeordnet, so dass bei der zweiten Variante lediglich auch nur eine Faser sowohl für die Einspeisung des Sensorsignals als auch für die Rückführung des Antwortsignals vorgesehen ist.
Durch die Mehrfachintegration von verschiedenen optischen Sensoren, die zur Messung von unterschiedlichen insbesondere physikalischen Größen ausgebildet sind, auf nur einem Träger-Substrat wird insgesamt eine hohe integrierte Sensoranordnung geschaffen, welche sehr kompakt und Platz sparend ausgebildet ist.
Zweckdienlicherweise werden dabei solche Antwortsignale, die für die Sensor- Baueinheit inhärent sind und quasi Eigenschaften oder Änderungen der Baueinheit und damit des Mess-Aufbaus charakterisieren, für die Auswertung der Antwortsignale der optischen Sensoren zur Messung der elektrischen Größen herangezogen. Da für eine zuverlässige Messung die genaue Kenntnis der eingesetzten Wellenlänge sowie der optischen Weglänge und damit der Phasenbeziehungen von entscheidender Bedeutung ist, wird durch diesen integriert-optischen Aufbau eine Sensor-Baueinheit zur Verfügung gestellt, welche für eine zuverlässige, und effektive und genaue Messung beispielsweise von Strom- und/oder Spannungswerten besonders geeignet ist.
Es ist daher in bevorzugter Ausgestaltung eine Auswerteeinheit vorgesehen, die die optischen Antwortsignale des Stromsensors und/oder Spannungssensors in Abhängigkeit der optischen Antwortsignale des Dehnungssensors und/oder des Wellenlängensensors ermittelt. Im Hinblick auf eine weitergehende Integration und kompakte Ausgestaltung ist vorzugsweise weiterhin ein Messwellenleiter gleichzeitig für mehrere verschiedene Sensoren verwendet. Über einen gemeinsamen Messwellenleiter werden daher unterschiedliche Messgrößen ermittelt. Dadurch ist der Fertigungsaufwand reduziert. Weiterhin ist in zweckdienlicher weise vorgesehen, dass ein integrierter Lichtwellenleiter durch einen integrierten Verteiler, insbesondere einen integrierten Y- Verteiler, auf mehrere Messwellenleiter aufgeteilt wird. Hierdurch besteht daher die Möglichkeit, mit nur lediglich einem eingespeisten Sensorsignal dieses parallel für mehrere integrierte Sensoren zu verwenden.
Der optische Dehnungssensor bildet zweckdienlicherweise ein Michelson-Inter- ferometer aus und weist hierzu zwei in das Substrat integrierte Messwellenleiter auf, die als Wellenleiterarme bezeichnet sind. Die beiden Wellenleiterarme weisen dabei zur Ausbildung des Michelson-Interferometers unterschiedliche optische Weglängen auf. Ausgewertet wird ein Laufzeitunterschied des aufgeteilten optischen eingespeisten Sensorsignals.
Zur Ausbildung der unterschiedlichen optischen Wellenlängen sind die Wellenleiterarme dabei zweckdienlicherweise gebogen und weisen insbesondere unterschiedliche Biegeradien auf. Durch die gebogene Ausgestaltung wird die Grundgeometrie der Ausgestaltung des Stromsensors aufgenommen, bei dem grundsätzlich ein Messwellenleiter (teil-)kreisförmig ausgebildet ist.
In bevorzugter Ausgestaltung ist dabei weiterhin einer der Wellenarme zugleich durch einen Messwellenleiter für einen der weiteren Sensoren, insbesondere für den Stromsensor, ausgebildet. Der Wellenleiterarm weist daher eine Doppelfunktion zur Erfassung von zwei unterschiedlichen Größen auf. Von besonderem Vorteil ist, wenn das ausgewertete Antwortsignal des Dehnungssensors für die Auswertung des Antwortsignals des Stromsensors herangezogen wird. Da hier zumindest eine teilweise Identität des Messwellenleiters besteht, fließen daher unmittelbar die Eigenschaften dieses Messwellenleiters in die Auswertung des Antwortsignals für den Stromsensor ein. Der Wellenlängensensor weist zweckdienlicherweise zur Erkennung von Änderungen der Wellenlänge des eingespeisten Sensorsignals ein Bragg-Gitter und/oder einen Resonatorring oder auch einen Richtkoppler auf.
Mehrere der optischen Sensoren sind dabei vorzugsweise auf einem gemeinsamen Wafer integriert. Sie bestehen also nicht aus verschiedenen einzelnen zusammengesetzten Substrat-Teilen. Insbesondere werden sie auf einem gemeinsamen beispielsweise 6-Zoll-Wafer integriert. Durch die Integration auf einem gemeinsamen Wafer wird gewährleistet, dass das Substrat insgesamt möglichst homogen ist.
Zumindest ein Teil, vorzugsweise zumindest ein Großteil oder auch alle der optischen Komponenten der Sensoren sind dabei als in den Wafer integrierte Bauelemente ausgebildet. Hierunter wird verstanden, dass die optischen Bauelemente durch spezielle Präparation des Wafers auf diesem selber ausgebildet sind.
Als Substrat für den Wafer wird dabei vorzugsweise ein Glas, insbesondere ein geeignetes Spezialglas herangezogen, wie es beispielsweise aus der
EP 0 477 415 A1 zu entnehmen ist. Insbesondere wird ein von der Firma Schott im Handel angebotenes Spezialglas mit der Bezeichnung BGG 31 verwendet. Das Substrat hat typischerweise eine Dicke im Bereich von einigen Millimetern, beispielsweise 1 bis 5 mm, vorzugsweise kleiner 3mm und insbesondere 1 ,5mm.
Dieses Glas weist zweckdienlicherweise keine oder allenfalls eine geringfügige Doppelbrechung auf. Dies ist besonders wichtig für eine zuverlässige Funktionsweise der eingesetzten Sensoren. Hierzu ist eine besonders kontrollierte Herstellung des Substrats, insbesondere Spezialglas, erforderlich, und zwar derart, dass beim Herstellprozess möglichst keine mechanischen Spannungen in das Substrat eingebracht werden.
In bevorzugter Ausgestaltung wird gezielt zur Ausbildung von optischen Bauelementen mit Doppelbrechung in Teilbereichen des Substrat dieses quasi nachbehandelt. In Teilbereichen ist daher eine doppelbrechende Funktion in das Substrat integriert. Insbesondere dient dies zur Ausbildung von Lambda-Viertel-Kompo- nenten.
Die integrierten optischen Bauteile sind vorzugsweise mit Hilfe eines lonenaus- tauschprozesses in das Substrat eingebracht. Dieser lonenaustauschprozess ist im Vergleich zu anderen Strukturierungsprozessen sehr schonend und führt beispielsweise nicht zu Spannungen im Substrat, welche zu einer unerwünschten Doppelbrechung führen könnten.
Die integrierten optischen Bauteile können dabei in verschiedenen Ausführungsformen vorliegen, beispielsweise als optische Wellenleiter sowohl in gerader als auch in gekrümmter Form, als polarisations-verändernde optische Elemente, wie das bereits erwähnte Lambda-Viertel-Element. Weiterhin können die integrierten optischen Bauelemente als Ankoppelstellen zur Ein- und Auskopplung von Licht, als verspiegelte Oberfläche, als Endflächen und/oder als optische Gitter ausgebildet sein. All diese Bauelemente werden insbesondere durch einen gezielten lo- nendiffusionsprozess und / oder durch weitere lithographische Prozesse erzeugt.
Ein derartiges ergänzendes lithographisches Verfahren ist z.B. die Ätztechnik, bei dem die gewünschten Strukturen durch ein Ätzverfahren - entweder nasschemisch oder auch trocken beispielsweise durch ein reaktives lonenätzen eingebracht werden. Zusätzlich zum Ätzen wird vorzugsweise die ausgebildete Struktur noch mit einem geeignetem Beschichtungsverfahren behandelt.
So wird beispielsweise zur Erzeugung des Lambda-Viertel-Elements ein durch Ätzen gebildeter Graben direkt über dem eingebrachten Wellenleiter erzeugt, wobei der Graben eine definierte Länge und Tiefe aufweist. Dieser Graben wird bevorzugt noch mit einer optischen Beschichtung versehen, um den gewünschten Lambda- Viertel-Effekt zu erzeugen.
Bei der Ausbildung des optischen Gitters wird dieses bevorzugt ebenfalls durch Ätzen (nasschemisch oder trocken) erzeugt, gegebenenfalls wiederum mit einer optischen Beschichtung. Über ein solches Ätzverfahren kann die Gitterperiode genau kontrolliert werden.
Alternativ zu dieser integrierten Ausgestaltung dieser optischen Komponenten können diese auch als zusätzliche externe Komponenten realisiert werden, die bevorzugt unmittelbar an das Substrat angekoppelt sind. So kann beispielsweise das Lambda-Viertel-Element als Faserstück oder als Kristallplättchen realisiert werden, welches direkt - ähnlich wie eine Ferrule - an den Wellenleiter angebracht werden kann.
Die Funktionsweise und der Aufbau des optischen Stromsensors sowie auch des optischen Spannungssensors sind im Prinzip bekannt. Zweckdienlicherweise weist der optische Spannungssensor folgende Abfolge auf und besteht vorzugsweise aus dieser Abfolge: Eine Ankoppelstelle für eine polarisationserhaltende Faser (PM-Faser), ein optisches Lambda-Viertel-Element, insbesondere gebildet durch einen speziell präparierten, integrierten Wellenleiterabschnitt, sowie einem Messwellenleiter, der in einem für den Pockels- Effekt geeigneten doppelbrechenden Substrat integriert ist. Bevorzugt ist dieser Messwellenleiter endseitig verspiegelt.
Dieses doppelbrechende Substrat, insbesondere ein geeigneter Kristall, ist dabei zweckdienlicherweise über eine geeignete weitere Ankoppelstelle an dem (Grund- ) Substrat angekoppelt. Beispielsweise wird der Kristall mit einer Stirnseite über ein geeignetes Bonding-Verfahren an eine plane Seitenfläche des Substrats angekoppelt, so dass ein gemeinsamer Träger mit zwei verschiedenen Substraten, nämlich ein doppelbrechendes und ein nicht doppelbrechendes gebildet ist.
Beim Bonding-Verfahren, also beispielsweise beim Ankoppeln des Kristalls an das Substrat, werden üblicherweise die flächigen Koppelstellen am Substrat und am Kristall poliert und aneinander beispielsweise durch einen Haftfilm befestigt. In das Substrat sowie in den Kristall sind zuvor bereits die integrierten Wellenleiter ausgebildet. Zum Zusammenführen wird dann ein optischen Signal in den Wellenleiter eingespeist. Die Positionierung der beiden Komponenten zueinander erfolgt unter Auswertung des von der einen in die andere Komponente übermittelten Signals. Alternativ zu diesem integrierten Aufbau mit dem in den Träger integrierten weiteren Substrat ist ein Aufbau vorgesehen, bei dem das Licht von dem in das Substrat integrierten Wellenleiter vorzugsweise über ein Lambda-Viertel-Element und eine optische-Linse, insbesondere eine sogenannte GRIN-Linse in den doppelbrechenden Kristall eingekoppelt wird. Zweckdienlicherweise ist dieser endseitig wiederum verspiegelt und das reflektierte optische Signal wird als Antwortsignal auf dem Rückweg wieder über die Linse und über das Lambda-Viertel-Element in den im Substrat integrierten Wellenleiter eingekoppelt. Über die optische Linse wird das Signal kollimiert und in den Kristall eingekoppelt. Die optische Linse ist vorzugsweise unmittelbar an dem Substrat des Wafers durch ein Bonding- Verfahren angekoppelt, ohne Zwischenschaltung einer faseroptischen Komponente. Alternativ hierzu ist ein sogenannter Freiraum- Aufbau möglich, bei dem die Linse und der Kristall über eine faseroptische Komponente an das Substrat angebunden sind.
Für das doppelbrechende Substrat wird insbesondere ein Lithiumniobat-Kristall eingesetzt. Anstelle des Lithiumniobat-Kristalls können auch andere spannungs- doppelbrechende Kristalle verwendet werden, insbesondere ADP
(Ammoniumdihydrogenphosphat) oder KDP (Kaliumdihydrogenphosphat). Der Spannungssensor beruht auf dem bekannten Pockels-Effekt.
Der Stromsensor nutzt allgemein in an sich bekannter Weise den sogenannten Faraday- Effekt aus. Er weist dabei vorzugsweise folgende Abfolge auf bzw. besteht aus dieser: Eine Ankoppelstelle für eine polarisationserhaltende Faser, ein vorzugsweise integriertes optisches Lambda-Viertel-Element, ein in das Substrat integrierten gekrümmten Wellenleiter sowie vorzugsweise eine verspiegelte Endfläche des Wellenleiters. Das Substrat weist ergänzend eine zentrale, vorzugsweise kreisrunde Ausnehmung aus, durch die der zu messende stromführende elektrische Leiter durchgeführt ist. Hierbei reicht aus, wenn der gekrümmte Wellenleiter den Stromleiter teilweise beispielsweise halbkreisförmig umschließt und das Substrat entsprechend auch nur einen Halbkreisring definiert. Das Substrat ist allgemein als ein Kreisringsegment ausgebildet. Die Außenkontur wird beispielsweise von dem ursprünglichen Wafer übernommen. Diese kann grundsätzlich auch rechteckig sein.
Der insbesondere als Michelson-Interferometer ausgebildete Dehnungssensor (kurz auch als Michelson-Sensor bezeichnet) dient insbesondere zur Bestimmung der thermischen Ausdehnung und umfasst vorzugsweise eine Kombination von zwei gebogenen Wellenleitern, die bezogen auf den Wafermittelpunkt verschiedene Radien haben und sich längenmäßig damit verschieden stark ausdehnen.
In besonders zweckdienlicher weise nutzt dabei der als Michelson-Interferometer ausgebildete Dehnungs- oder Temperatursensor einen Wellenleiter eines weiteren Sensors, insbesondere des Stromsensors. Es erfolgt also eine Doppelnutzung von einem der auf dem Substrat integrierten Wellenleiter, der also eine Doppelfunktion hat.
Bevorzugt ist zur Ausbildung des Michelson-Sensors eine zusätzliche Wellenleiterbahn insbesondere konzentrisch zur Wellenleiterbahn des Stromsensors geführt und an eine zusätzliche Faser, insbesondere eine Einmoden-Faser (Single Mode, SM-Faser) angekoppelt.
Auf dem Substrat ist vorzugsweise zumindest ein Verzweiger integriert, der die zusätzliche Wellenleiterbahn mit der Wellenleiterbahn des anderen Sensors (Stromsensor) verbindet, vorzugsweise nachfolgend zum Lambda-Viertel Element.
Das Lambda- Viertel-Element kann allgemein als definiertes Stück einer optischen Faser, als ein definiertes kleines Kristallplättchen (doppelbrechend) und in bevorzugter Ausgestaltung als integrierter optischer Wellenleiter mit doppelbrechender Funktion auf dem Substrat ausgebildet sein.
Der insbesondere als Bragg-Sensor ausgebildete Dehnungssensor kann zur Bestimmung der thermischen Ausdehnung herangezogen werden und umfasst vorzugsweise eine Ankoppelstelle für eine insbesondere mono-modigen optische Faser sowie ein in das Substrat integrierten optischen Wellenleiter, in den ein Ober- flächengitter mit einer definierten Gitterperiode, insbesondere durch einen lonen- diffusionsprozess eingebracht ist.
Das Oberflächengitter ist dabei derart ausgebildet, dass es zu einer Rückreflektion einer ausgewählten Wellenlänge führt, die von der Gitterperiode des Oberflächengitters abhängt. Durch diesen Messaufbau lassen sich Änderungen der optischen Wegstrecke aufgrund beispielsweise von thermisch bedingten Längenänderungen ermitteln. Mit diesem Messaufbau sind grundsätzlich Wellenlängenänderungen erfassbar. Für die Erfassung von Wellenlängenänderungen, beispielsweise zur Erkennung von einer Wellenlängen-Drift der verwendeten optischen Sensorsignale, ist bevorzugt ein zusätzlicher Wellenlängen-Sensor beispielsweise als
Resonatorring oder Richtkoppler eingesetzt ist.
Die Sensor-Baueinheit wird insbesondere zur Messung der elektrischen Größen wie Strom und / oder Spannung in einer Leistungs-Anlage, insbesondere einer Stromverteiler-Anlage eingesetzt. Bevorzugt wird die Baueinheit in einer Mittel- spannungs-Anlage eingesetzt, in der Ströme im Bereich bis zu einigen hundert Ampere geschaltet werden und Spannungen im Bereich von einigen Kilovolt oder auch einigen zehn Kilovolt anliegen. Mit der Sensor-Baueinheit werden derartige Ströme oder Spannungen gemessen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in schematischen Darstellungen:
Fig. 1 eine Sensor-Baueinheit mit einem Träger als sensoraktives Element, welcher faseroptisch an einer Auswerteeinheit angeschlossen ist,
Fig. 2 eine erste Variante eines Sensorelements,
Fig. 3 eine zweite Variante eines Sensorelements,
Fig. 4 eine erste Ausführungsvariante der optischen Komponenten eines
Spannungssensors sowie
Fig. 5 eine zweite Ausführungsvariante für die optischen Komponenten eines Spannungssensors. In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine Sensor-Baueinheit 2 gemäß Fig. 1 umfasst eine gemeinsame Auswerteeinheit 4, welche über mehrere optische Fasern 6, im Ausführungsbeispiel drei optische Fasern 6, mit einem Sensorelement 8 verbunden sind. Jeder optischen Faser ist dabei ein separater Kanal der Auswerteeinheit 4 zugewiesen. Die einzelnen optischen Fasern 6 sind dabei mit Hilfe von Koppelelementen an Ankoppelstellen 10 mit dem Sensorelement 8 verbunden. Insbesondere werden sie mit Hilfe von sogenannten Ferrulen an die Sensoreinheit angekoppelt. Bei den Ferrulen handelt es sich um Röhrchen typischerweise aus Metall, in die die optische Faser 6 konzentrisch einliegt, insbesondre eingeklebt ist.
Das Sensorelement 8 weist ein Substrat 12 als Träger auf und besteht vorzugsweise vollständig aus diesem Träger-Substrat, zumindest sind mehrere Sensoren 14A,B,C in das Substrat 12 integriert. Bei dem Sensorelement 8 bzw. dem Substrat 12 handelt es sich insbesondere um Glas.
Auf dem Substrat 12 sind die unterschiedlichen optischen Sensoren 14A,B,C integriert. Diese dienen zum Messen von unterschiedlichen Messgrößen. Hierzu sind - wie nachfolgend anhand der Fig. 3 bis 5 näher ausgeführt wird - mehrere optische Komponenten in das Substrat 12 integriert, nämlich insbesondere ein erster Messwellenleiter 1 6A, ein zweiter Messwellenleiter 16B sowie ein dritter Messwellenleiter 16C.
Im Betrieb wird von der Auswerteeinheit 4 für jeden Kanal ein optisches Sensorsignal S über eine jeweilige optische Faser 6A,B,C in einen jeweiligen Messwellenleiter 16A,B,C eingekoppelt. Bei den Sensorsignalen kann es sich hierbei um unterschiedliche oder auch um gleiche Sensorsignale handeln. Für die einzelnen Kanäle weist die Auswerteeinheit dabei bevorzugt verschiedene Lichtquellen zur Erzeugung des jeweiligen optischen Sensorsignals auf. Alternativ kann auch eine Lichtquelle für mehrere Kanäle gemeinsam vorgesehen sein. Als Sensorsignal wird üblicherweise ein gepulstes Lichtsignal beispielsweise mit einer Frequenz im MHz-Bereich eingesetzt. Als Lichtquelle wird bevorzugt eine Laserdiode verwendet, die ein Sensorsignal S mit einer Wellenlänge im IR-Bereich (von etwa 800 nm bis 1700 nm), insbesondere im Bereich von etwa 830nm erzeugt.
Die einzelnen Messwellenleiter 1 6A,B,C sind zueinander unterschiedlich ausgebildet und beeinflussen das eingespeiste Sensorsignal S in unterschiedlicher Weise. Im Ausführungsbeispiel werden die Sensorsignale S jeweils zurückgeworfen und über die gleiche optische Wegstrecke wieder als Antwortsignal A der Auswerteeinheit 4 zurück übermittelt. In dieser erfolgt die Auswertung der verschiedenen Antwortsignale A der einzelnen Sensoren 14A,B,C. Jedem Sensor 14A,B,C ist daher ein eigener Auswertekanal zugewiesen.
Bei dem Substrat 12 handelt es sich um ein insbesondere Kreisring-Segment, welches sich vorzugsweise zumindest etwa über 180° erstreckt und im Ausführungsbeispiel sich beispielsweise über etwa 270° bis 300° erstreckt. Das Substrat 12 ist daher nach Art eines Kreisrings um eine zentrale Ausnehmung 18 herum ausgebildet. Das Substrat 12 ist aus einem Wafer ausgebildet, welcher insbesondere einen Durchmesser von 6 Zoll aufweist. Entsprechend der kreisringförmigen Ausgestaltung verlaufen zumindest der erste und der zweite Messwellenleiter 16A,1 6B kreisringförmig. Sie weisen dabei einen Wellenleiterradius im Bereich von mehreren 10 Millimetern und beispielsweise von maximal 70 mm auf. Der maximale Innenradius der zentralen Ausnehmung 18 liegt beispielsweise bei 50 bis 60 mm. Die beiden Messwellenleiter 1 6A,1 6B verlaufen insbesondere konzentrisch zu einem gemeinsamen Kreismittelpunkt. Die optische Weglänge insbesondere der ersten und zweiten Messwellenleiterl 6A,1 6B liegt bei einigen 100 Millimetern, und beträgt beispielsweise bis zu etwa 450 bis 500 mm.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante ist das Sensorelement 8 mit einem integrierten optischen Stromsensor 14A sowie mit einem integrierten optischen Dehnungssensor 1 6B ausgebildet. Der Dehnungssensor dient zur Messung insbesondere einer thermischen Ausdehnung des Sensorelements 8 selbst und ist insbesondere nach Art eines Michelson-Interferometers ausgebildet. Hierzu weist der Dehnungssensor zwei Wellenleiterarme 21 A, 21 B auf, die durch den zweiten Messwellenleiter 1 6B sowie abschnittsweise durch den ersten Messwellenleiter 1 6A gebildet sind.
Der erste Messwellenleiter 1 6A dient zur Ausbildung des Stromsensors 14A. Das Sensorsignal S wird über eine erste Ankoppelstelle 10A in den ersten Messwellenleiter 1 6A und ein weiteres oder das gleiche Sensorsignal S über eine zweite Ankoppelstelle 10B in den zweiten Messwellenleiter 1 6B eingekoppelt. Die Koppelstellen sind beispielsweise als sogenannte Ferrulen ausgebildet. Über eine als Y- Verteiler 20 ausgebildete Verzweigung 20 wird das eine Sensorsignal S aufgeteilt und vom zweiten Messwellenleiter 1 6B parallel auch in den ersten Messwellenleiter 1 6A eingespeist. Hierdurch sind die beiden Wellenleiterarme 21 A,21 B des Mi- chelson-lnterferometers gebildet. Am Ende der beiden Messwellenleiter 1 6A,1 6B ist eine stirnseitige Endfläche 22 des Substrats 12 zur Ausbildung eines Spiegels 24 geeignet präpariert.
Zur Ausbildung des Stromsensors 14A wird als optische Faser 6 vorzugsweise eine polansationserhaltende Faser (PM-Faser) 6A über die als Ferrule ausgebildete Ankoppelstelle 10A an das Substrat 12 an den kreisförmig geführten Messwellenleiter 16A angekoppelt. Nachfolgend zur Ankoppelstelle 1 6A ist im Substrat 12A ein Lambda-Viertel-Element 26 ausgebildet, insbesondere durch die Integration eines geeigneten doppelbrechenden Wellenleiterabschnitts. Bis auf diese speziellen Teilbereiche, die durch eine spezielle Bearbeitung, nämlich durch lo- nendiffusion doppelbrechend ausgebildet sind, ist das Substrat 12 frei von einer Doppelbrechung, was für die angestrebten sensorischen Eigenschaften insbesondere für den Stromsensor 14A gewünscht und erforderlich ist.
Über das Lambda-Viertel-Element 26 wird das eingekoppelte Sensorsignal S, also das eingekoppelte Licht, in zirkulär polarisiertes Licht umgewandelt. Das reflektierte und zurückgeworfene Licht wird anschließend wiederum durch das Lambda- Viertel-Element 26 in linear polarisiertes Licht - wie das eingekoppelte Sensorsignal S - umgewandelt. Während des Betriebs ist durch die zentrale Ausnehmung 18 ein hier nicht näher dargestellter stromführender Leiter geführt. Die Strommessung basiert auf dem an sich bekannten Faraday- Effekt, bei dem durch den stromdurchflossenen Leiter das in dem ersten Messwellenleiter 1 6A sich ausbreitende Licht in definierter Weise beeinflusst wird, welches später durch Auswertung des Antwortsignals A in der Auswerteeinheit 4 zur Ermittlung eines Stromwerts ausgewertet wird.
Bei der Ausführungsvariante gemäß der Fig. 3 ist wiederum der Stromsensor 14A ausgebildet. Weiterhin ist auch hier der Dehnungssensor 1 6B mit dem Michelson- Interferometer mit zwei Wellenleiterarmen 21 A,B ausgebildet. In dieser Ausführungsvariante teilt sich der Dehnungssensor 14B jedoch keinen Messwellenleiter 1 6A mit einem anderen Sensor 14A. Auch erfolgt die Einkopplung der Sensorsignale S an verschiedenen Positionen des Substrats 12. Hierzu ist insbesondere eine Einkerbung 28 im Substrat 12 vorgesehen. Am Ende der beiden Wellenleiterarme 21 A,B ist eine weitere Einkerbung 28 ausgebildet, an der wiederum beispielsweise durch eine Beschichtung der Endfläche 22 ein Spiegel 24 ausgebildet ist.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist ergänzend ein Spannungssensor 14C ausgebildet. Dieser umfasst - ebenso wie der Stromsensor 14A - eine Ankoppelstelle 10C, bei der mit Hilfe einer Ferrule ebenfalls eine vorzugsweise polarisationser- haltende Faser 6C angekoppelt ist. Nach dem Lamda-Viertel-Element 26 schließt sich noch ein integrierter Wellenleiterabschnitt an, welcher dann als dritter Messwellenleiter 1 6C in einem doppelbrechenden Kristall 30 als weiteres Substrat weitergeführt ist. An der Stirnendseite des Kristalls 30 ist wieder ein Spiegel 24 ausgebildet, so dass das eingespeiste Sensorsignal S nach Durchlaufen des Kristalls 30 wieder zurückgeworfen wird und das Sensorelement 8 als Antwortsignal verlässt.
Schließlich ist bei der Ausführungsvariante der Fig. 3 noch ein vierter optischer Sensor 14D integriert, welcher als Wellenlängensensor ausgebildet ist und welcher sensitiv auf die Wellenlänge des eingespeisten Sensorsignals S ist. Hierzu weist der Wellenlängensensor einen vierten Messwellenleiter 1 6D auf sowie er- gänzend ein Bragg-Gitter 32. Beide Komponenten, zumindest der vierte Messwellenleiter 16D, sind in das Substrat 12 durch einen lonendiffusionsprozess eingebracht, ggf. in Ergänzung mit weiteren lithographischen Prozessen. So ist beispielsweise das Bragg-Gitter 32 durch einen Ätzprozess mit anschließender Be- schichtung ausgebildet. Das Sensorsignal S wird - ähnlich wie auch bei dem Dehnungssensor 14B - über eine vorzugsweise Singlemode-Faser 6D und eine Ferrule als Ankoppelstelle 6D eingekoppelt. Bei dem Sensorsignal S handelt es sich vorzugsweise um das gleiche Sensorsignal S, wie es für den Stromsensor 14A oder den Spannungssensor 14C verwendet ist. Über den Wellenlängensensor kann eine Wellenlängendrift des eingespeisten Sensorsignals detektiert werden.
Der Aufbau des Spannungssensors 14C gemäß der Fig. 3 ist mit seinen wesentlichen optischen Komponenten nochmals in Fig. 4 dargestellt. Hieraus ist zu entnehmen, dass die polarisationserhaltende Faser 6C über die Ankoppelstelle 10C an das Substrat 12 angekoppelt ist und in einem durch lonendiffusion ausgebildeten integrierten Wellenleiterabschnitt im Substrat 12 weitergeführt wird. Daran schließt sich das Lambda-Viertel-Element 26 an, welches wiederum durch eine weitere Koppelstelle mit dem Kristall 30 gekoppelt ist, in dem dann der Messwellenleiter 16C vorzugsweise wiederum durch einen lonendiffusionsprozess als integrierter Wellenleiter ausgebildet ist. Der Kristall 30 wird hierbei an das Substrat 12 durch ein an sich bekanntes Bonding-Verfahren angekoppelt.
Im Unterschied hierzu ist gemäß der Fig. 5 eine sogenannte freiraumoptische Ausführungsvariante dargestellt, bei der sich im Unterschied zu der Ausführungsvariante gemäß der Fig. 4 an das Lambda-Viertel-Element 26 zunächst eine optische Linse anschließt, insbesondere eine sogenannte GRIN-Linse 34, über die das Sensorsignal S, also das eingespeiste Licht, kollimiert und in den Kristall 30 eingekoppelt wird. Hierzu ist zwischen der GRIN-Linse 34 und dem Kristall 30 eine weitere Koppelstelle ausgebildet, insbesondere durch ein geeignetes Bonding- Verfahren. Schließlich ist auch hier am Ende des Kristalls 30 ein Spiegel 24 ausgebildet. Die GRIN-Linse 32 ist dabei gemäß einer ersten Variante ebenfalls unmittelbar an dem Substrat 12 durch ein Bonding- Verfahren angekoppelt. Alternativ kann zwischen Substrat 12 und der GRIN-Linse 34 noch eine optische Faser zwischengekoppelt sein, so dass der Kristall 30 auch entfernt von dem Substrat 12 positioniert werden kann.
Hervorzuheben bei dem Sensorelement 8 ist insbesondere die Integration von mehreren optischen Sensoren14,B,C,D innerhalb des gemeinsamen Sensorelements 8, so dass mit einer einheitlichen Baueinheit mehrere unterschiedliche Größen messtechnisch erfasst werden können. Weiterhin ist von besonderem Vorteil, dass inhärente Eigenschaften des Sensorelements 8, nämlich beispielsweise eine Dehnung, unmittelbar durch den Dehnungssensor 14C erfasst wird. Es wird daher unmittelbar der Zustand des Sensorelements 8 erfasst und in der Auswerteeinheit 4 für die Auswertung der Antwortsignale A der weiteren optischen Sensoren, insbesondere des Stromsensors 14A sowie des Spannungssensors 14C herangezogen.
In ähnlicher Weise wird auch das Antwortsignal A des Wellenlängensensors 1 6D für die Auswertung der weiteren Antwortsignale A herangezogen. Insbesondere wird hiermit festgestellt, ob die für die Erzeugung des Sensorsignals S verwendete Lichtquelle eine ausreichende Konstanz aufweist oder ob evtl. die Wellenlänge variiert, also eine Wellenlängen-Drift auftritt. Wird eine solche Drift erfasst, wird dies für die Auswertung der anderen Antwortsignale A berücksichtigt
Der Wellenlängensensor 1 6D kann parallel durch die Verwendung des Bragg- Gitters 32 auch als Dehnungssensor zur Bestimmung der thermischen Ausdehnung herangezogen werden. Für die Bestimmung der Dehnung kann daher sowohl ein derartiges Gitter 32 als auch das beschriebene Michelson-Interferometer- Prinzip herangezogen werden. Das Gitter 32 ist durch einen lonendiffusionspro- zess und / oder durch einen weiteren lithographischen Prozess in die Oberfläche des Substrats 12 mit einer geeigneten Gitterperiode eingebracht. Das Gitter 32 ist dabei derart ausgebildet, dass es zu einer Rückreflektion einer ausgewählten Wellenlänge kommt. Dadurch lassen sich Änderungen der optischen Wegstrecke ermitteln, beispielsweise infolge von thermisch bedingten Längenänderungen. Daneben besteht wie beschrieben auch die Möglichkeit, eine Wellenlängen-Drift zu erkennen. Für die Erkennung einer Wellenlängen-Drift einer verwendeten optischen Lichtquelle kann dabei zusätzlich oder alternativ ein Wellenlängensensor, beispielsweise ein Resonatorring oder ein Richtkoppler eingesetzt sein.
Im Hinblick auf den Dehnungssensor wird das Messprinzip nach dem Michelson- Interferometer bevorzugt, da hierfür die Auswertung einer einfachen Intensitätsmodulation ausreichend ist, welche gegenüber einem ansonsten erforderlichen Spektrometer beim Bragg-Sensor einfacher ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste
2 Sensor-Baueinheit
4 Auswerteeinheit
6,6A,6B,6C,6D optische Fasern
8 Sensorelement
10,10A,10B,10C,10D Ankoppelstellen
12 Substrat
14A,14B,14C,14D optische Sensoren
16A,1 6B,1 6C,1 6D Messwellenleiter
18 zentrale Ausnehmung
20 Verzweigung
21 A,21 B Wellenleiterarm
22 Endfläche
24 Spiegel
26 Lambda- Viertel-Element
28 Einkerbung
30 Kristall
32 Bragg-Gitter
34 GRIN-Linse
A Antwortsignal
S Sensorsignal

Claims

Ansprüche
1 . Sensor-Baueinheit (2) mit einem Sensorelement (8) mit einem Substrat
(12) und mit zumindest einer in das Substrat (12) integrierten optischen Komponente (1 6A,26), nämlich mit zumindest einem integrierten Messwellenleiter (1 6A) zur Ausbildung eines integrierten optischen Sensors (14A), der zur Messung einer elektrischen Größe ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf dem Substrat (12) zumindest eine weitere optische Komponente (1 6B,C,D) integriert ist zur Ausbildung eines weiterer integrierten optischen Sensors (14B,C,D), so dass auf dem Substrat (12) mehrere optische Komponenten (1 6A,B,C,D;26) zur Ausbildung von mehreren optische Sensoren (14A,B,C,D) integriert sind, wobei die optischen Sensoren (14A,B,C,D) ausgewählt sind aus
a) einem optischen Stromsensor (14A) auf Basis des Faraday- Effekts zur Messung eines elektrischen Stroms in einem stromdurchflosse- nen Leiter
b) einem optischen Spannungssensor (14C) auf Basis des Pockels- Effekts zur Messung einer elektrischen Spannung,
c) einem optischen Dehnungssensor (14B) zur Messung einer Ausdehnung und/ oder
d) einem Wellenlängen-Sensor (14D) zur Messung einer Änderung einer optischen Wellenlänge.
2. Sensor-Baueinheit (2) nach Anspruch 1 , bei der eine gemeinsame Auswerteeinheit (4) für die Auswertung von Antwortsignalen (A) der optischen Sensoren (14A,B,C,D) angeordnet ist, die derart ausgebildet ist, dass op- tische Antwortsignale (A) des Spannungssensors (14C) und/ oder des Stromsensors (14A) unter Berücksichtigung von optischen Antwortsignalen (A) des Dehnungssensors (14B) und/ oder des Wellenlängen- Sensors (14D) ausgewertet werden.
3. Sensor-Baueinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der einer der Messwellenleiter (16A) gleichzeitig für mehrere verschiedene Sensoren (14A,14B) verwendet ist.
4. Sensor-Baueinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der optische Dehnungssensor (14B) ein Michelson-Interferometer ausbildet und hierzu zwei in das Substrat integrierte, vorzugsweise gebogene Wellenleiterarme (21 A,B) mit unterschiedlichen optischen Weglängen, insbesondere unterschiedlichen Biegeradien aufweist.
5. Sensor-Baueinheit (2) nach Anspruch 4, bei der einer der Wellenarme (21 A) zugleich durch einen Messwellenleiter (1 6A) für einen weiteren Sensor, insbesondere für den Stromsensor (14A) gebildet ist.
6. Sensor-Baueinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wellenlängensensor (14D) wahlweise oder in Kombination ein Bragg-Gitter (32), einen Resonator-Ring oder einen Richtkoppler aufweist.
7. Sensor-Baueinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die optischen Komponenten (16A,B,C,D;26) auf einem gemeinsamen Substrat (12) in Form eines Wafers integriert sind, der vorzugsweise als ein 6-Zoll-Wafer ausgebildet ist.
8. Sensor-Baueinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jedem optischen Sensor (14A,B,C,D) eine optische Faser zugeordnet ist, welche zum Einkoppeln eines Sensorsignals (S) in das Substrat (12) und/oder zum Auskoppeln eines Antwortsignals (A) aus dem Substrat (12) angeordnet ist.
9. Sensor-Baueinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der als Substrat (12) ein nicht doppelbrechendes Substrat verwendet ist, in dem in einem Teilbereich gezielt eine Doppelbrechung erzeugt ist zur Ausbildung einer integrierten optischen Komponente mit doppelbrechender Funktion, insbesondere zur Ausbildung eines Lambda-Viertel- Elements (26).
10. Sensor-Baueinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die integriert-optischen Komponenten (1 6A,B,,D; 26) mit Hilfe eines lonendiffusionsprozesses im Substrat erzeugt sind und das Substrat (12) vorzugsweise Glas ist.
1 1 . Sensor-Baueinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die integriert-optischen Komponenten (1 6A,B,C,D;26) wahlweise ausgebildet sind als optischer Wellenleiter (1 6A,B,C,D) in gerader oder gekrümmter Form, als polarisations-verändernde optische Komponenten, wie z.B. Lambda-Viertel-Element (26), als Ankoppelstellen (10A,B,C,D) zur Ein- und Auskopplung von Licht, als verspiegelte Oberflächen und Endflächen (22) sowie als optische Gitter (32.)
12. Sensor-Baueinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der optische Spannungssensor (14C) aufweist eine Ankoppelstelle (10C) für eine insbesondere polarisationserhaltende Faser (6C), die an das Substrat (12) angekoppelt ist, ein integriertes optisches Lambda- Viertel-Element (26) sowie einen Messwellenleiter (1 6C) , welcher in einem für den Pockels-Effekt geeigneten doppelbrechenden Substrat (30) integriert ist.
13. Sensor-Baueinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , bei der der optische Spannungssensor (14C) aufweist eine Ankoppelstelle (1 6C) für eine insbesondere polarisationserhaltende Faser (6C), die an das Substrat (12) angekoppelt ist, ein integriertes optisches Lambda-Viertel- Element (26) sowie eine Kombination aus einer optischen Linse (34) und einem für den Pockels-Effekt geeigneten doppelbrechenden Substrat (30).
14. Sensor-Baueinheit (2) nach Anspruch 12 oder 13, bei der für das doppelbrechende Substrat (30) ein doppelbrechender Kristall, bevorzugt ein Lithiumniobat-Kristall oder auch ADP (Ammoniumdihydrogenphosphat) oder KDP (Kaliumdihydrogenphosphat) verwendet ist.
15. Sensor-Baueinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Stromsensor (14A) aufweist eine Ankoppelstelle (10A) für eine insbesondere polarisationserhaltende Faser (6A), die an das Substrat (12) angekoppelt ist, ein optisches Lambda-Viertel-Element (26) sowie einen gekrümmten Wellenleiter als Messwellenleiter (1 6A), der vorzugsweise endseitig verspiegelt ist.
16. Sensor-Baueinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Dehnungssensor (14B) aufweist eine Ankoppelstelle (1 OAB) für eine insbesondere mono-modige optische Faser (6B), die an das Substrat (12) angekoppelt ist sowie einen integriert-optischen Wellenleiter (1 6B), in den ein Oberflächengitter mit einer geeigneten Gitterperiode eingebracht ist.
17. Sensor-Baueinheit (2) nach Anspruch 1 6, bei der eine temperaturbedingte Variation des Oberflächengitters zur Temperaturmessung verwendet ist.
18. Sensor-Baueinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zur Strom- oder Spannungsmessung in einer Mittelspannungsanlage angeordnet ist.
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