Оптоволоконный датчик тока со spun волокном и температурной компенсацией

Оптоволоконный датчик тока со spun волокном и температурной компенсацией

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение касается оптоволоконного датчика тока со spun волокном с высоким двойным лучепреломлением.

Уровень техники

Действие оптоволоконных датчиков тока обычно основано на эффекте Фарадея в сплавленном кремниевом волокне. Вокруг проводника, через который проходит измеряемый ток, формируют катушку измерительного волокна. Эффект Фарадея наблюдается либо как вращение поляризации линейно поляризованного света, либо как дифференциальный сдвиг фаз между световыми волнами с левой и правой круговой поляризацией, что эквивалентно. В последнем случае на входе в измерительное волокно обычно создаются состояния света с круговой поляризацией посредством короткой секции сохраняющего поляризацию волокна, действующей как четвертьволновая пластинка (QWR). Такой датчик затем сконструирован в отражательной конфигурации с зеркалом на противоположном конце измерительного волокна [1, 2]. Альтернативно, датчик может конструироваться как интерферометр Саньяка [2] с QWR (четвертьволновыми пластинками) на обоих концах измерительного волокна и световыми волнами с одним и тем же содержанием круговой поляризации, которые противоположно распространяются в измерительном волокне.

Для точного измерения тока в широком температурном диапазоне важно поддерживать состояние круговой поляризации световых волн в измерительном волокне. Механическое напряжение в волокне, которое может возникать из-за изгиба волокна в виде катушки, упаковки волокна или затвердения покрытия при низких температурах, оказывает значительное влияние на процесс изменения световой поляризации в волокне и может приводить в результате к нестабильному и температурно-зависимому сигналу. Вызванное изгибом напряжение может ограничивать возможное количество витков волокна, особенно при малых диаметрах витков, до нескольких витков. В результате, минимальный обнаруживаемый ток при заданной ширине полосы обнаружения (времени измерения), при этом, соответственно, ограничивается.

Термический отжиг волоконных катушек используется для избавления от напряжения, вызванного изгибом, однако, он имеет тенденцию быть сложной и занимающей много времени процедурой [2, 3]. В [4] и [5] открытое волокно находится в тонком капилляре сплавленного кремния. Способ предотвращает напряжение волокна из-за покрытия и упаковки волокна. Также, удаление покрытия и введение волокна в капилляр требует сил, отнимая много времени.

Ламинг (Laming) и Пайне (Payne) показали, что использование так называемого spun волокна с сильным двойным лучепреломлением в качестве измерительного волокна уменьшает влияние внешних механических возмущений [6]. Обычно spun волокно имеет область внутреннего напряжения в форме спирали, которая приводит в результате к эллиптическому двойному лучепреломлению. Параметр волокна обычно выбирается так, чтобы собственные моды такого волокна были близки к световым волнам с левой и правой круговой поляризацией. Это эллиптическое двойное лучепреломление, по существу, гасит эффекты, нарушающие линейное двойное лучепреломление, например, из-за вызванного изгибом напряжения.

Эллиптическое двойное лучепреломление может также создаваться эллиптической центральной жилой волокна, которая вращается вдоль волокна [7], или соответствующей микроструктурой [8] волокна.

Ламинг (Laming) и Пайне (Payne) также продемонстрировали, что измерение тока может точно зависеть от параметров spun волокна, в частности, от линейной длины биений соответствующей не spun волокну и шагу скрутки, которые сами по себе могут изменяться в зависимости от температуры [6]. Эти эффекты могут быть уменьшены при использовании широкополосного источника света. Дополнительно, Laming и Payne показали, что угловое выравнивание spun волокна относительно направления поляризации входящего света оказывает значительное влияние на характеристики волоконного датчика.

В [9] фазовая пластинка, которая создает световые волны с круговой поляризацией в измерительном (не spun) волокне, была преднамеренно отстроена от точного сдвига фазы на 90°. Световые волны, входящие в измерительное волокно, затем становятся немного эллиптическими. Если фазовая пластинка расстраивается на соответствующую величину, изменение масштабного коэффициента датчика в результате температурной зависимости фазовой пластинки в значительной степени компенсирует температурную зависимость эффекта Фарадея не spun волокна. Сигнал датчика при этом в широких пределах не зависит от температуры. Измерительное волокно [9] было, по существу, отожженным волокном без механических напряжений. В [5] способ был приспособлен для температурной компенсации неотожженных витков волокна, имеющих заданную величину напряжения, вызванного изгибом.

Оптоволоконные датчики тока описанного выше типа могут использовать модулятор для невзаимной модуляции дифференциальной фазы двух интерферирующих световых волн, чтобы работать с интерферометром при оптимальной чувствительности, технология, которая первоначально была разработана для волоконных гироскопов [10].

Альтернативно, оптоволоконные датчики тока могут использовать пассивные оптические элементы, чтобы формировать фазовое смещение световых волн. Соответствующие традиционные конфигурации датчиков используют измерительные волокна с низким двойным лучепреломлением и были раскрыты, например, в [11]. Документ [11] раскрывает оптоволоконный датчик тока, где четвертьволновая пластинка, которая является частью модуля поляризационного делителя, создает фазовое смещение; дополнительно предшествующий уровень техники для этой конфигурации датчика можно найти в [12] и [13]. Дополнительно, документы [6] и [14] представляют предшествующий уровень техники измерения тока spun волокнами с сильным двойным лучепреломлением и только пассивными схемами оптического обнаружения.

Документ [20] описывает термически отожженную считывающую волоконную катушку из крученого волокна с очень низким двойным лучепреломлением. Волокно изготавливается посредством кручения волокна, предварительно сформованного в процессе вытягивания.

Документ [21] описывает оптоволоконное считывание тока, использующее датчик со сменными субмодулями, вводящими две масштабные функции для головки датчика и измерительного блока. На масштабную функцию головки датчика может влиять вызываемое изгибом двойное лучепреломление считывающей волоконной катушки.

Раскрытие изобретения

Проблема, которая должна быть решена настоящим изобретением, обеспечение оптоволоконного датчика тока со spun волокном с сильным двойным лучепреломлением и хорошей температурной компенсацией.

Эта проблема решается датчиком тока по п. 1 формулы изобретения. Соответственно, оптоволоконный датчик тока содержит

источник света, формирующий свет в диапазоне длин волн,

первый линейный поляризатор, принимающий свет от источника света и формирующий поляризованный свет,

фазовую пластинку, принимающую свет из первого линейного поляризатора и имеющую фазовую задержку ρ=n90°+ε, где n - целое число,

измерительное spun волокно, свернутое N раз в контур, размещаемый вокруг проводника, несущего ток I, имеет постоянную Верде V, шаг скрутки p≤100 мм, и в упомянутом диапазоне длин волн средняя линейная длина биений (в частности, p≤15 мм и ), причем входной конец измерительного spun волокна принимает свет из фазовой пластинки, при этом медленная ось фазовой пластинки находится под углом θ к медленной оси на входном конце,

детектор, выполненный с возможностью определения фазового сдвига Δφ между двумя модами поляризованного света, возвращающегося из измерительного spun волокна и формирующего сигнал, указывающий на ток,

отличающийся тем, что фазовая задержка ρ является такой, что для заданного номинального магнитооптического фазового сдвига 4NVI, изменение температуры фазовой пластинки приводит к изменению сглаженного по температуре нормализованного масштабного коэффициента датчика , p, θ, NVI, δ_b), которое компенсирует изменение масштабного коэффициента вследствие изменения температуры измерительного spun волокна, в том смысле, что по меньшей мере для величины 4NVI, которая находится в заданном номинальном диапазоне фазового сдвига [Δφ_min, Δφ_max], в котором |Δφ_max-Δφ_min|≥10°, мы имеем

, причем

.

Упомянутый, сглаженный по температуре, нормализованный масштабный коэффициент SF' определяется как среднее значение не сглаженного по температуре нормализованного масштабного коэффициента SF=Δφ/(4NV₀I), по температурному диапазону шириной 20°C (другими словами, SF' определяется как среднее значение SF по диапазону температуры в 20°С), при этом температура T находится в рабочем температурном диапазоне, например, от -55°С до 120°С, а V₀ является константой Верде при эталонной температуре, например, при комнатной температуре. Количественная величина δ_b представляет общее вызванное изгибом двойное лучепреломление катушки датчика (или, более точно, сдвиг фаз двойного лучепреломления), которое может повлиять на масштабный коэффициент, если он превышает определенный уровень, и может внести дополнительную температурную составляющую в масштабный коэффициент.

Другими словами, вышеупомянутые соотношения требуют, чтобы фазовая задержка ρ была выбрана такой, чтобы процентное изменение нормализованного масштабного коэффициента SF, в зависимости от температуры было меньше, чем процентное изменение постоянной Верде V в зависимости от температуры, то есть размер фазовой пластинки такой, что она вводит температурную зависимость, которая компенсирует суммарный вклад в температурную зависимость масштабного коэффициента постоянной Верде V, линейной длины биений , шага скрутки p и двойного лучепреломления δ_b, вызванного изгибом. Абсолютное значение относительного изменения нормализованного масштабного коэффициента SF' может быть меньше, чем 0,7×10^-4 на °C, предпочтительно меньше, чем 0,2×10^-4 на °C или даже более предпочтительно меньше, чем 0,1×10^-4 на °C в рабочем диапазоне. Неравенство относится к "сглаженному по температуре масштабному коэффициенту" SF', поскольку не сглаженный по температуре нормализованный масштабный коэффициент SF может демонстрировать сравнительно сильные колебания в пределах нескольких °С. Сглаженный по температуре нормализованный масштабный коэффициент SF' может быть получен посредством (взвешенного или невзвешенного) усреднения не сглаженного по температуре нормализованного масштабного коэффициента SF по диапазону температур в 20°С, такого как невзвешенное усреднение

,

где T₀ - заданная рабочая температура датчика тока, такая как 20°С.

Заметим, что SF' и SF обычно совпадают, если измерительное spun волокно с сильным двойным лучепреломлением выбрано достаточно длинным.

Как более подробно объясняется ниже, полный анализ распространения мод в spun волокне с сильным двойным лучепреломлением такого типа в присутствии магнитного поля показал, что изменение магнитооптического фазового сдвига вследствие изменения рабочей температуры может быть компенсировано путем выбора фазовой пластинки с соответствующей фазовой задержкой ρ.

Номинальный диапазон фазового сдвига, в котором сохраняется компенсация, может быть выбран в соответствии с желаемым рабочим режимом или током устройства и может, например, составлять [0°, 30°] или распространяться, по меньшей мере, на диапазон ±[0°, 30°], и/или ±[30°, 90°], и/или ±[90°, 180°], и/или ±[180°, 360°]. В частности, может использоваться min(|Δφmin|, |Δφmax|)≥30° или min(|Δφmin|, |Δφmax|)≥60, при этом функция min(a, b), возвращается к a, если a<b, и в противном случае возвращается к b.

Фазовая задержка ρ в исключительных случаях может быть равна n*90° (где n - целое число), то есть ε равно нулю, но в большинстве случаев используется отчасти «расстроенная фазовая пластинка, то есть |ε|<30°, в частности 1°<|ε|<30°.

Как правило, при выборе угла θ и упомянутой фазовой задержки ρ как указано выше для хорошей температурной компенсации, компоненты светового излучения, связанные в две нециркулярные собственные моды spun волокна, имеют неравные интенсивности I₁ и I₂, где I₁:I₂=0,01…0,99 или 1,01…100.

Предпочтительно датчик тока конструируется таким образом, что для всех возможных комбинаций y_i=-2,-1,0,1,2, при этом индекс i обозначает волноводные секции с двойным лучепреломлением, через которые свет проходит между вышеупомянутым первым линейным поляризатором и детектором и является дифференциальной модальной групповой задержкой волноводной секции i с двойным лучепреломлением, по крайней мере одна волноводная секция k является такой, что . Примерами волноводных секций с двойным лучепреломлением являются сохраняющая поляризацию волоконная секция между двумя волоконными соединителями, фазовым модулятором двойного лучепреломления и их сохраняющими поляризацию волоконными окончаниями.

Другие варианты перечисляются в зависимых пунктах формулы изобретения, а также в описании ниже.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет лучше понято и задачи помимо тех, которые сформулированы выше, станут очевидны из последующего подробного их описания. Такое описание ссылается на приложенные чертежи, на которых:

фиг. 1 - (a) входной конец и (b) определение шага скрутки p spun волокна с высоким двойным лучепреломлением;

фиг. 2а и 2b - первые варианты осуществления датчика с невзаимной фазовой модуляцией;

фиг. 3 - нормализованный масштабный коэффициент датчика с невзаимной фазовой модуляцией как функция длины волокна для широкополосного источника света со спектральной шириной (FWHM) 40 нм (a) и 20 нм (b), при этом вычислении варьируется только диаметр катушки измерительного волокна, тогда как количество витков волокна остается постоянным (начало (a) показывает всплеск кривой для спектральной ширины 40 нм, начинающий период колебаний с половинной длиной шага, параметры волокна приводятся в подробном описании);

фиг. 4 - нормализованный масштабный коэффициент датчика с невзаимной фазовой модуляцией как функция линейной длины биений в случае монохроматического источника света (пунктирная кривая) и широкополосного источника света (FHWM 40 нм, сплошная кривая) для θ=-45° (параметры волокна приводятся в подробном описании);

фиг. 5 - нормализованный масштабный коэффициент датчика с невзаимной фазовой модуляцией как функция е, то есть отклонения от точной четвертьволновой задержки для различных угловых ориентации spun волокна относительно осей PM-волокна (параметры волокна приводятся в подробном описании): θ=-45° (пунктирная кривая), θ=0°, 90° (сплошная кривая), θ=45° (пунктирная кривая);

фиг. 6 - (a) требуемое отклонение от полной четвертьволновой задержки 8 как функция угловой ориентации spun волокна θ, чтобы достигнуть температурной компенсации и (b) нормализованный масштабный коэффициент температурно компенсированного датчика как функция температуры для θ=45° и ε≈4° согласно (a);

фиг. 7 - (a) нормализованный масштабный коэффициент датчика с невзаимной фазовой модуляцией как функция магнитооптического сдвига фаз для двух различных конфигураций датчика при -40°C, 20°C и 80°C. Пунктирные линии соответствуют датчику с θ=0° с температурной компенсацией малых фазовых сдвигов, и сплошные линии соответствуют датчику с θ=-45° и ; и (b) нормализованный масштабный коэффициент как функция ∈ для датчика с θ=0° (пунктирная линия и штрихпунктирная линии) и для датчика с θ=-45° (сплошная линия и пунктирная линия) и двух различных магнитооптических сдвигов фаз (пунктирная и сплошная кривые: Δφ≈1°, штрих-пунктирная и пунктирная кривые: Δφ≈80°). В обоих случаях, более сильный сдвиг фаз сглаживает кривую; однако, только в случае θ=±45°, ∈ может быть выбрано так, чтобы масштабный коэффициент был независим от самого сдвига фаз, например, для ∈≈5°…10° в случае θ=-45°;

фиг. 8 - второй вариант осуществления датчика, использующего поляриметрическое фазовое детектирование;

фиг. 9 - нормализованный масштабный коэффициент как функция линейной длины биений для поляриметрического детектирования с широкополосным светом (FWHM = 40 нм) и θ=0°, 90° и ∈=0 (параметры волокна приводятся в подробном описании);

фиг. 10 - нормализованный масштабный коэффициент для поляриметрического детектирования как функция ε для θ=45° (пунктирная линия), θ=0°, 90° (сплошная линия), и θ=-45° (пунктирная линия);

фиг. 11a - оптимальный выбор ∈(θ) для достижения температурной компенсации (поляриметрическое детектирование);

фиг. 11b - зависимость нормализованного масштабного коэффициента от температуры для температурно компенсированного датчика (для поляриметрического детектирования) с θ=0°, 90° и ∈≈-19° согласно фиг. 11а;

фиг. 12 - третий вариант осуществления датчика, использующего фарадеевский вращатель и поляриметрическое фазовое детектирование, имеющее PM-волокно, ориентированное при 0°/90°;

фиг. 13 - нормализованный масштабный коэффициент для датчика, соответствующего фиг. 12, как функция линейной длины биений для различных угловых ориентаций spun волокна варианта осуществления, показанного на фиг. 12;

фиг. 14 - четвертый вариант осуществления датчика, использующего фарадеевский вращатель и поляриметрическое фазовое детектирование, имеющего PM-волокно, ориентированное по углом 45°;

фиг. 15а - нормализованный масштабный коэффициент как функция линейной длины биений, и

фиг. 15b - нормализованный масштабный коэффициент как функция отклонения от четвертьволновой задержки для различных угловых ориентаций spun волокна.

Осуществление изобретения

Определения

В контексте настоящего раскрытия spun волокно с сильным двойным лучепреломлением определяется как волокно с присущим ему линейным двойным лучепреломлением, характеризующееся в интересующем диапазоне волн средней линейной длиной биений , и которое было скручено во время процесса производства с шагом скрутки p≤100 мм. Процесс фиксирует в волокне постоянно скрученное состояние. В результате волокно становится циркулярно двулучепреломляющим.

Альтернативный способ формирования двулучепреломления с круговой поляризацией заключается в скручивании одномодового волокна вдоль его продольной оси после изготовления и удержания волокна в этом положении, противодействуя упругой силе раскручивания. Раскрытие изобретения относится к первому типу волокна, но может быть приспособлено также и к последнему типу.

"Фарадеевский вращатель" в смысле, используемом здесь, является оптическим компонентом, содержащим магнитооптический материал и постоянный магнит, вызывающий фарадеевское вращение поляризации линейно поляризованного света на заданный ненулевой угол, обычно на угол по меньшей мере 5°, например, 22,5°±10°, даже при отсутствии любого дополнительного внешнего магнитного поля. Следовательно, измерительное волокно не является фарадеевским вращателем в этом смысле, хотя оно и демонстрирует индуцированный магнитным полем фарадеевский эффект, потому что оно демонстрирует фарадеевское вращение только в присутствии внешнего магнитного поля (то есть внешнего магнитного поля проводника с током).

Spun волокна с высоким двойным лучепреломлением

Spun волокна с высоким двойным лучепреломлением предпочтительно изготавливаются посредством кручения заготовки линейного двулучепреломляющего волокна (например, волокна со структурой галстука-бабочки (bow-tie), как показано на фиг. 1(a)) во время процесса вытягивания, так чтобы локальные главные оси линейного двойного лучепреломления (медленная и быстрая оси (оси наименьшей и наибольшей скоростей распространения света)) вращались вдоль spun волокна. Линейное двойное лучепреломление означает, что показатели преломления различаются для направлений линейной поляризации вдоль медленной и быстрой осей Fs, Ff, как показано на фиг. 1(a), то есть .

Быстрая и медленная оси вращаются вдоль оси волокна, как показано на фиг. 1(b). Шаг скрутки p определяется длиной, на которой оси при вращении выполняют полный оборот.

На фиг. 1а показан угол θ, который в последующих разделах определяется углом между медленной осью Rs фазовой пластинки, расположенной перед spun волокном, и медленной осью Fs входного конца spun волокна. Угол θ измеряется в направлении вращения spun волокна.

Линейное двойное лучепреломление не spun волокна часто задается как линейная длина биений, которая определяется следующим образом

Соответствующий сдвиг фаз при двойном лучепреломлении на единицу длины волокна равен η_LB=2π/L_LB. Даже при том, что этот параметр не является непосредственно доступным в результате измерения на spun волокне, линейная длина биений соответствующего не spun, то есть линейно двулучепреломляющего, волокна все еще используется в качестве параметра для описания spun волокна. Сдвиг фаз при линейном двулучепреломлении spun волокна согласно уравнению (1) зависит от длины волны, даже если не зависит от длины волны. Другим важным параметром волокна является шаг скрутки или длина шага p=2π/α, где α является количеством радиан на единицу длины, на которое поворачивается волокно во время процесса вытягивания. Для применений измерения тока параметры spun волокна должны выбираться таким образом, чтобы p<L_LB; в противном случае, волокно ведет себя скорее как волокно, сохраняющее поляризацию (РМ), и становится в значительной степени нечувствительным к эффекту Фарадея. В случае p <<L_LB, spun волокно может терять свою стойкость линейного двойного лучепреломления к внешнему возмущению, как обсуждается в конце этого параграфа. Как p, так и L_LB в настоящий момент технически ограничиваются значениями и типичными являются отношения L_LB/p=1…4. Дополнительно, волокно описывается его длиной 1 и углом θ медленной оси Fs входного конца spun волокна относительно медленной оси Rs фазовой пластинки (смотрите фиг. 1а). Развитие поляризации монохроматического света, вводимого в прямое spun волокно, полностью описывается этими четырьмя параметрами (в отсутствие магнитного поля) и может быть вычислено, как описано в [15].

Для каждой системы spun волокон, представленной p, L_LB, l и θ, существуют два состояния поляризации, которые не изменяются при прохождении через волокно. Эти состояния обозначаются как собственные состояния или собственные моды. Если l=n.p/2, где n - целое число, собственные состояния приобретают простую форму:

где LCP (или RCP) обозначает состояние круговой левосторонней (или правосторонней) поляризации и x=2⋅L_LB/p>>1 является отношением линейной длины биений к шагу скрутки. Два собственных состояния обладают, по существу, круговой левосторонней или правосторонней поляризацией и соответственно записываются как LCP* (или RCP*). Зависимость фазы e^2iθ при угловом выравнивании является критичной для раскрытого изобретения. В отличие от PM-волокна, то есть линейного двулучепреломляющего волокна, которое имеет линейно поляризованные собственные моды, собственные моды spun волокна близки к круговой поляризации. Соответственно, spun волокно часто обозначается как круговое двулучепреломляющее. В более строгой терминологии, двойное лучепреломление spun волокна называется эллиптически двулучепреломляющим. Состояния LCP* и RCP* служат для обоснованного выбора параметров, близких к циркулярно поляризованным состояниям, и соответственно получают относительный сдвиг фаз в присутствии магнитного поля, направленного вдоль волокна, в результате эффекта Фарадея. Заметим, что магнитное поле изменяет, главным образом, относительную фазу, то есть собственные значения системы spun волокон, но в значительной степени оставляет незатронутыми собственные моды.

Основная мотивация для использования spun волокон с высоким двойным лучепреломлением заключается в устойчивости развития поляризации к механических возмущениям волокна. В дальнейшем, линейная длина биений в результате внешних возмущений (особенно из-за изгиба волокна в катушку), обозначается как . Интуитивно, можно ожидать, что стойкость spun волокна задается исключительно линейной длиной биений, то есть развитием поляризации в spun волокне, незатронутом внешними возмущениями, если . Однако, фактическое (эллиптическое) двойное лучепреломление в spun волокне является также функцией длины шага и может быть определено из собственных значений, соответствующих собственным состояниям в уравнении. (2). Для p<L_LB результирующая эллиптическая длина биений L_EB может быть аппроксимирована как:

Численные вычисления, содержащие внешнее линейное двойное лучепреломление, показывают, что для развитие поляризации не затрагивается механическим возмущением. Для широкого диапазона параметров датчика (рабочая длина волны, диаметр считывающей катушки и диаметр волокна) это условие выполняется хорошо. В случае малых диаметров катушки волокна (<10 см) на масштабный коэффициент может влиять вызванное изгибом линейное двойное лучепреломление , где r - радиус оптического волокна и R - радиус волоконной катушки. Температурная зависимость вызванного изгибом двойного лучепреломления затем приводит к дополнительной зависимой от температуры составляющей в сигнал датчика. Эта составляющая не рассматривается в явном виде в вычислениях, приведенных ниже. Однако, если нужно, она может быть компенсирована таким же образом, как другие составляющие, которые рассматриваются ниже, путем соответствующей корректировки фазовой пластинки.

Датчик с невзаимной фазовой модуляцией

На фиг. 2а, 2b показаны конфигурации отражающего датчика, использующие активно модулированное фазовое смещение в схеме управления с замкнутым контуром, использующей невзаимную фазовую модуляцию [1, 2, 17]. Раскрытое изобретение, однако, в равной степени применяется к схемам регулирования без обратной связи [2] или ко множеству других возможных модификаций. Изобретение также применяется к датчикам, использующим пассивные поляриметрические схемы детектирования. Вариант осуществления раскрытого изобретения для этих случаев дополнительно описывается ниже.

Конфигурация активно модулированного датчика, показанная на фиг. 2а, описывается следующим образом [1, 2]: Выход широкополосного источника 10 света вводится в две собственные моды PM-волокна (волокно, сохраняющее поляризацию) 11, например, посредством 45° соединителя 12 на выходе линейного поляризатора (волоконного поляризатора) 13. Фазовый модулятор 14, например, фазовый модулятор LiNbO₃, формирует модулированный дифференциальный сдвиг фаз между этими двумя световыми волнами.

В случае предшествующего уровня техники с измерительным волокном с низким двойным лучепреломлением, две линейные поляризации света в PM-волокне проецируются четвертьволновой пластинкой (QWR) на состояния круговой поляризации света в измерительном волокне. Как обсуждено в конце этого абзаца, эта фазовая пластинка может быть выбрана так, чтобы немного отклоняться от точной задержки на четверть волны или 90° на величину ε, чтобы учесть температурно зависимые эффекты. Два состояния с круговой поляризацией в измерительном волокне получают относительный сдвиг фаз, пропорциональный приложенному току I, постоянной Верде V измерительного волокна и количеству оборотов волокна или контуров N катушки 19, образованной измерительным волокном. Этот сдвиг фаз обозначается как невзаимный, что означает, что далее он накапливается на обратном пути после отражения и составляет в итоге значение 4_*N_*V_*I, кратко записанное как 4NVI.

Отраженные световые состояния с круговой поляризацией затем проецируются на две моды с линейной поляризацией PM-волокна четвертьволновой пластинки, где волновой пакет, выровненный вдоль медленной (или быстрой) оси PM-волокна на пути приходящего света, теперь выравнивается с быстрой (или медленной) осью. Другими словами, с помощью HLP и VLP, обозначающих две линейные поляризации в PM-волокне и RCP и LCP, правосторонняя и левосторонняя круговые поляризации света, развитие поляризации света может быть описано в случае точного четвертьволнового замедления как . (Здесь, поляризации развиваются либо в соответствии с незаключенными в скобки поляризациями, либо, альтернативно, в соответствии с заключенными в скобки поляризациями). Мощность света, обнаруженная на фото детекторе 15, является функцией относительного сдвига фаз между ортогональными линейно поляризованными волнами света, которые интерферируют в волоконном поляризаторе 13. В случае идеального датчика, то есть датчика с измерительным волокном, свободного от линейного двойного лучепреломления, и фазовой пластинки с полной четвертьволновой задержкой, полученный магнитооптический сдвиг фаз Δφ равен идеальному сдвигу фаз 4NVI. Нормализованный масштабный коэффициент, определяемый как Δφ/(4NV₀I), тогда равен единице при эталонной температуре, используемой для определения V₀. Если задержка отклоняется от 90° на величину ε, масштабный коэффициент показывает близость к параболической зависимости от ε (приблизительно пропорциональный 1/cos ε). Величина ε температурно зависима и на предшествующем уровне техники [2, 5, 17] регулируется так, чтобы результирующая температурная зависимость масштабного коэффициента

компенсировала изменения масштабного коэффициента за счет температурной зависимости постоянной Верде V. В случае spun волокна с высоким двойным лучепреломлением, такого как измерительное волокно 17, как показано в фиг. 2а, свет от PM-волокна 11 также проходит через фазовую пластинку 16 и входит в измерительное волокно 17, в конце которого располагается отражатель 18. Измерительное волокно 17 скручивается в катушку 19 из N витков или контуров вокруг проводника 20 с током, несущего ток I, где N - целое число. Свет отражается отражателем 18, возвращается обратно через измерительное волокно 17, фазовую пластинку 16, PM-волокно 11, фазовый модулятор 14, сращивание 12 и поляризатор 13 и достигает фото детектора 15, где его интенсивность измеряется.

Состояния света с круговой или близкой к круговой поляризацией, введенного в измерительное spun волокно 17, обычно не совпадает с теми, которые близки к круговым собственным состояниям spun волокна, представленным в уравнении (2). Соответственно, в целом, каждая из двух введенных световых волн разделяется на собственные моды измерительного spun волокна 17. Эти состояния света отражаются отражателем 18 и проходят в обратном направлении вдоль волокна. Фазовая пластинка снова преобразует их в наборы ортогональных линейно поляризованных волн. Интерференция между этими различными состояниями в поляризаторе 13 определяет сигнал на фото детекторе 15. Этот сигнал анализируется блоком 21 управления. В случае управления в замкнутом контуре, блок 21 управления использует сигнал для формирования обратной связи для фазового модулятора 14. Обратная связь накладывается на модуляцию прямоугольными импульсами с частотой, которая определяется временем прохождения туда и обратно световых волн в оптической схеме, как объясняется в [10] для случая волоконных гироскопов. Сигнал обратной связи компенсирует сдвиг фаз, вызванный током волн света, то есть их сдвиг фаз, когда они интерферируют на поляризаторе, равен нулю. Выходной сигнал датчика получают из сигнала обратной связи.

В случае работы с незамкнутым контуром сдвиг фаз, вызванный током, обычно получают из 1-ой и 2-ой гармоник частоты модуляции в сигнале детектора [2, 10]. Вариант осуществления, показанный на фиг. 2b, отличается от варианта осуществления, показанного на фиг. 2а, по типу модулятора и способу, посредством которого формируются ортогональные линейно поляризованные световые волны [17]. Вариант осуществления использует модулятор 31 Y-типа LiNbO₃, такой, как используется в волоконных гироскопах. Предпочтительно волноводы формируются посредством обмена протонами. Далее модулятор также действует как поляризатор, то есть содержит поляризатор 13, показанный в фиг. 2а, Две световые волны объединяются посредством соединителя 33 волокна, сохраняющего поляризацию. 90°-смещение 32 в ориентации главных осей волокна в одном из двух ответвлений волокна между модулятором и соединителем должно объединять эти две световые волны, появляющиеся с параллельными поляризациями от модулятора в световых волнах с ортогональными поляризациями в PM-волокне 11. Более подробная информация приводится в [17] и содержится в описании во всей ее полноте посредством ссылки. Альтернативно, волноводы модулятора могут формироваться посредством прямой диффузии Ti. В этом случае модулятор 31 не поляризует и, как на фиг. 2а, перед модулятором необходим дополнительный поляризатор (не показан на фиг. 2b). Дополнительные варианты осуществления этой схемы датчика раскрываются в документе [19] и содержатся здесь в описании во всей их полноте посредством ссылки.

На масштабный коэффициент конфигураций датчика на фиг. 2а и фиг. 2b обычно влияют линейная длина биений L_LB измерительного spun волокна 17, шаг скрутки p, задержка фазовой пластинки 16, угол θ ориентации измерительного spun волокна 17 (то есть вход измерительного spun волокна) относительно фазовой пластинки 16, длина 1 измерительного spun волокна 17 и спектр источника 10 света. Эти зависимости дополнительно разъясняются далее.

(Примечание. Вычисления, показанные в этом документе, проводятся посредством исчисления Джонса [16], в котором каждый оптический элемент представляется матрицей 2×2. Для численного анализа нижеследующие параметры выбраны исключительно для примера, если не заявлено иное:

V=0.992×10^-6 rad/A dV/VdT=0.7×10^-4/°С N=8 I_LB=11.7 mm dL_LB/L_LBdT=4×10^-4/°C p=2.9 mm p=2.9 mm d∈/∈dT=-2.2×10^-4/°C).

На фиг. 3 показан нормализованный масштабный коэффициент конфигураций датчика, показанных на фиг. 2 (то есть фиг. 2а, 2b), как функция длины измерительного волокна для установленного набора параметра и для двух широкополосных спектров света различной ширины (с формой Гаусса, смотрите фиг. 3a и 3b, соответственно). Это вычисление показывает, что масштабный коэффициент колеблется с периодом половины длины шага. Это является проявлением интерференции между световыми волнами, распространяющимися в двух различных собственных модах spun волокна. (Если длина spun волокна является множителем половины шага скрутки, все световые волны, распространяющиеся в медленном (или быстром) режиме в направлении приходящего света, возвращается после отражения в быстром (или медленном) режиме и, следовательно, при отсутствии приложенного электрического тока все состояния света восстанавливают свою начальную относительную фазу. Однако, если длина волокна произвольна, некоторая доля света распространяется в обоих направлениях в одной и той же моде spun волокна. Интерференция между неизменяемыми световыми волнами ответственна за интерференционные полосы, показанные на фиг. 3a и фиг. 3b.

Когерентность световых волн, распространяющихся в двух различных собственных модах spun волокна, уменьшается с увеличением даль