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专利名称：光纤双折射补偿镜及电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤双折射补偿镜和电流传感器，所述光纤双折射补偿镜用于对电力系统的电流值进行检测的电流传感器或磁场传感器，光通信领域中用于在以传输线路连接的发送部及接收部之间传送量子密码的量子密码装置或光开关、光源、放大器、干涉计、分插复用器(7 K K n、y 7°)等中。
背景技术：
以往，在电力设备的电力系统的电流测量中，广泛使用绕线式电流互感器。但是问题在于，应测量的系统电压越大，绕线式电流互感器也越大，致使成本和设置空间增大。特别是在被称为GIS (Gas Insulation Switch,气体绝缘开关)的使用绝缘性气体的气体绝缘开关装置中，强烈需求小型化和节省空间，因此装载大型绕线式电流互感器变得困难。·
为此，从小型化和节省空间以及高绝缘性、抗噪声性方面考虑，现有技术中提出有各种电流传感器，其应用光纤自身的法拉第效应，在电流导体的周围环绕设置光纤而进行电流测量。该电流传感器，向光纤入射直线偏振光，使该光纤环绕在被测量电流流动的导体上，通过与电流成比例产生磁�。莨庀说姆ɡ谛вΓ构庀酥兄毕咂窆獾钠衩娼行�。此时，偏振面的旋转角度与被测量电流的大小成比例。因此，通过测量该旋转角度，能够求出电流的大小。图15为利用光纤的法拉第效应的电流传感器的一例，表示专利文献I记载的电流传感器的模式图。该电流传感器100由光循环器101、双折射元件102、法拉第旋光器103和传感器用光纤104构成。光纤104被环绕配置在被测量电流流动的导体105的外周上。而且，光纤104的一端上设置有法拉第旋光器103，另一端上设置有镜子106。另外，双折射元件102和光循环器101分别由光纤连接，光循环器101被连接在来自光源107的光透过至Ij光纤104侧的方向上。从光源107射出并通过光纤108和光循环器101入射到双折射元件102中的光，通过双折射元件102形成直线偏振光，入射到法拉第旋光器103中。法拉第旋光器103由磁铁109和通过该磁铁109被磁饱和的强磁性石榴石110构成，使透过强磁性石榴石110的光的偏振面旋转22. 5度。透过法拉第旋光器103的直线偏振光入射到光纤104中，通过由流过导体105的被测量电流产生的磁场受到法拉第旋转，直线偏振光的偏振面只旋转与磁场大小成比例的旋转角度。沿光纤104传播的光，进一步由镜子106反射而再次沿光纤104传播时，通过所述磁场再次根据法拉第效应被旋转，再次入射到法拉第旋光器103中。光通过再次透过法拉第旋光器103，其偏振面进一步被旋转22. 5度，因此通过往返法拉第旋光器103偏振面被旋转45度。透过法拉第旋光器103的光再次被传播到双折射元件102中，被分离为偏振方向互相垂直的两束直线偏振光。被分离的一束直线偏振光通过光循环器101和光纤111被光接收元件112接收，被转变为电信号SI。另外，另一方向的直线偏振光，通过光纤113被光接收元件114接收，被转变为电信号S2。
对应于在光纤104中传播的直线偏振光所产生的法拉第旋转角，由光接收元件112和114接收的光量发生变化，因此通过在信号处理电路115中对反映该变化的电信号SI和S2进行处理，能够求出在光纤104中产生的法拉第旋转角。然后，从求得的法拉第旋转角计算被测量电流。另外，上述的GIS等输变电设备进行了大电流化，而为了用光纤检测这样的大电流，需要使用最大测量电流值大的石英系光纤。但是，当进行电流检测的光纤104使用石英系光纤时，因弯曲或振动等所产生的应力发生直线双折射，由于传播的直线偏振光发生椭圆化，测量误差会变大。即，当如电流传感器100等利用光纤的法拉第效应的电流传感 器上附加振动时，由于光纤自身所具有的光弹性，存在被测量电流的测量结果大幅变动的问题。例如，图16中表示测量结果因所述GIS内遮断器的工作发生变动的例子。系统频率为60Hz，稳态中的测量结果如图16 (a)所表示的波形。在该稳态中附加振动时，如图16(b)所示，测量结果大幅变动。因此，在光纤104中使用含有氧化铅的低双折射光纤。使用含有氧化铅的光纤的理由为，其光弹性系数与石英系光纤相比非常�。虼舜サ钠窆舛杂谟赏淝蛘穸纫鸬挠αΣ蝗菀资艿接跋�。然而，含有氧化铅的光纤，其表示法拉第旋转能的费尔德常数约为所述石英系光纤的5倍，因此与石英系光纤相比，最大检测电流�。焕诖蟮缌鞯牟饬�。因此，作为抑制光纤中产生的所述各问题的手段，可以考虑将具备法拉第旋光器的法拉第镜替换为所述镜子106而光学连接在光纤104的另一端侧的方法。作为具备所述法拉第旋光器的法拉第镜的一例，可以例举专利文献2。图18中表示了专利文献2所述的法拉第镜123的结构。法拉第镜123，其通过套管125往光纤保持器124的中心孔插入光纤126、光纤127及在其前端上形成球状部128的会聚光束系统一体末端，使球状部128突出，45度对置地配置法拉第旋光器129和镜子130，通过从外部插入的冒132对用于磁化法拉第旋光器129的磁铁131进行密封。如果将从光纤127向镜子130前进的方向定义为正向，并且将从镜子130向光纤127前进的方向定义为反向，贝1J在正向中沿光纤127传播而从球状部128射出的光,通过法拉第旋光器129,其偏振面旋转45度，并且被镜子130反射。进一步，通过在反向中再次透过法拉第旋光器129，其偏振面进一步旋转45度,从而光以相对于正向时从光纤127、球状部128射出的光的偏振面在反向旋转90度的状态回到光纤127中。然而，装载法拉第镜123的电流传感器的振动特性，其还不足以用在与装载所述镜子106时相比得到改善的高精度测量中，而且其温度特性也差。其原因为，法拉第旋光器129具有温度特性和波长特性，并且用于决定45度法拉第旋转角的厚度加工精度有限，在测量时的温度、波长中，往返法拉第旋光器时的偏振面的法拉第旋转角从90度偏离，从而不能完全补偿光纤的双折射。另外，电流传感器的测量精度的波长、温度特性也会变差。图19中用比率误差-温度特性表示了从连接法拉第镜123的电流传感器输出的被测量电流测量值的温度依赖性。从图19可知，在35度温度附近比率误差最�。蔽露认啾扔�35度降低或升高时，比率误差的变动幅度也以非线形增加，法拉第旋光器129的温度特性使电流传感器的被测量电流的测量值变动。
因此，作为抑制光纤104中产生的所述各问题的手段，公开了一种方案，其在不使用法拉第旋光器，而是代替所述镜子106将具备λ /4波片的偏振面旋转镜光学地连接在光纤104的另一端侧。作为所述具备λ/4波片的偏振面旋转镜的一例，可以例举专利文献3。图17中表示了专利文献3所述的偏振面旋转镜的结构。偏振面旋转镜116内，光从光纤117的光出入射端面117a射出而入射到第一双折射兀件118中时,该光被分离为偏振方向互相垂直的，寻常光和非常光的两束直线偏振光。接着，两束直线偏振光入射到第二双折射元件119中。由于第一双折射元件118和第二双折射元件119各自光学表面上的晶轴方向被设定为相差90度，因此以寻常光透过第一双折射元件118的光，其在第二双折射元件119中变成非常光，被位移至图17的X轴向。因此，两束直线偏振光在透过第一双折射元件118和第二双折射元件119时，必定采用寻常光和非常光的两个方向的光路，当第一双折射元件118和第二双折射元件119的晶轴方向和厚度相同时，光程相等。由于寻常光和非常光的两个偏振光成分通过两个双折射元件118、119被位移相同的距离，因此在第一双折射元件118内分离时所产生的两束光的光程差在以镜子122反射前被消除。接着，两束直线偏振光入射到λ/4波片120中，转变为电矢量前端的旋转方向相 互不同的两束圆偏振光。从λ/4波片120射出的两束圆偏振光在透镜121中被聚光，在镜子122表面上的一点R上被点对称地反射，在反射前后圆偏振光的光路被调换，并且通过反射圆偏振光的旋转方向发生反转。被反射的圆偏振光再次透过λ /4波片120，转变为电矢量的振动方向相差90度的两束直线偏振光，此时，在反射前的光路(去路)上的X方向、y方向的直线偏振光，其在反射后的光路(归路)上分别成为y方向、X方向的直线偏振光。两束直线偏振光再次透过第二双折射元件119和第一双折射元件118，再合为一束光。通过再合并所形成的光入射到光纤117 中。在被镜子122反射后及入射到光纤117中之前，两束光通过两个双折射元件118、119位移相同的距离，因此再合并的光在入射到光纤117中之前，被镜子122反射的两束光的光程差被消除。如上所述，根据偏振面旋转镜116,对于从光纤104射出的任意偏振光,其偏振光主轴被旋转90度，并且当存在椭圆偏振光成分时，转变为旋转方向反转的偏振光，即庞加莱球上位于正后方的偏振光,并入射到光纤104中，从而补偿光纤104的双折射，电流传感器100可以进行稳定的测量。现有技术文献专利文献专利文献I :日本特开平10-319051号公报专利文献2 日本实开平7-41507号公报专利文献3 :日本特开2008-65111号公报

发明内容
要解决的技术问题然而，即使是不使用法拉第旋光器的所述偏振面旋转镜116，在装配时寻找最佳结合位置的校准时，出现若干个结合高峰位置，难以判断哪个位置为最佳结合位置，从而存在难以进行装配的问题。其原因推测为，两束圆偏振光在镜子122上一点反射时，电矢量前端的旋转方向互为反方向，因此圆偏振光之间发生干涉。本发明为鉴于上述问题而做出的，其目的在于提供一种光纤双折射补偿镜，其通过消除若干个结合高峰位置的产生，容易进行校准装配，同时补偿电流传感器中传感器用光纤中发生的双折射,提高电流传感器的耐振动性,并且能够检测电流传感器的大电流,并且本发明的目的还在于提供一种通过光学地连接该光纤双折射补偿镜来提高耐振动性的电流传感器。技术方案上述问题是通过以下的本发明实现的。即，本发明的光纤双折射补偿镜，其特征在于，包括光纤、双折射元件、透镜、磁铁、法拉第旋光器以及镜子；·
所述法拉第旋光器通过外加由所述磁铁产生的磁场被磁饱和而具有45度法拉第旋转角；所述双折射元件、所述法拉第旋光器以及所述镜子各部件从所述光纤的光出入射端面开始以所述双折射元件、所述法拉第旋光器以及所述镜子的顺序被配置；所述光纤为单模型；沿所述光纤内传播过来的光，其在所述双折射元件中被分离为互相垂直的寻常光和非常光两束直线偏振光，通过所述透镜被聚光；进一步，所述两束直线偏振光通过透过所述法拉第旋光器，其各自的偏振面旋转45度，并且在所述镜子表面上的一点上被点对称地反射；被反射的所述两束直线偏振光，通过再次透过所述法拉第旋光器，所述两束直线偏振光的偏振面再旋转45度；接着，所述两束直线偏振光通过再次入射到所述双折射元件，再合并为一束光，所述再合并后的光入射到所述光纤中。进一步，本发明的光纤双折射补偿镜，其特征在于，在所述光纤双折射补偿镜中，所述双折射元件中所述非常光的位移量为所述光纤的模场直径的2倍以上。并且，本发明的光纤双折射补偿镜，其特征在于，包括光纤、第一双折射元件、第二双折射元件、透镜、磁铁、法拉第旋光器以及镜子;所述法拉第旋光器通过外加由所述磁铁产生的磁场被磁饱和而具有45度法拉第旋转角；所述第一双折射元件、所述第二双折射元件、所述法拉第旋光器以及所述镜子各部件从所述光纤的光出入射端面开始以所述第一双折射元件、所述第二双折射元件、所述法拉第旋光器以及所述镜子的顺序被配置；所述光纤为单模型；所述第二双折射元件的光学表面上晶轴方向被设定为与所述第一双折射元件的光学表面上的晶轴方向相差90度；沿所述光纤内传播过来的光，在所述第一双折射元件中被分离为互相垂直的寻常光和非常光两束直线偏振光；
透过所述第一双折射元件的所述两束直线偏振光，其在透过所述第二双折射元件时，以寻常光透过所述第一双折射元件的光以非常光透过，同时以非常光透过所述第一双折射元件的光以寻常光透过，通过所述透镜被聚光；对于透过所述第一双折射元件时的所述非常光和透过所述第二双折射元件时的所述非常光，各位移量被设定为相同；进一步，所述两束直线偏振光通过透过所述法拉第旋光器，其各自的偏振面旋转45度，并且在所述镜子表面上的一点上被点对称地反射；被反射的所述两束直线偏振光，通过再次透过所述法拉第旋光器，所述两束直线偏振光的偏振面再旋转45度；接着，透过所述法拉第旋光器的所述两束直线偏振光，其在透过所述第二双折射兀件时，只有一束直线偏振光被位移；

进一步，所述两束直线偏振光再次入射到所述第一双折射元件中，当透过所述第二双折射元件的所述两束直线偏振光透过所述第一双折射元件时，以寻常光透过所述第二双折射元件的光以非常光透过，同时以非常光透过所述第二双折射元件的光以寻常光透过，以此只有一束直线偏振光被位移，所述两束直线偏振光再合并为一束光；所述再合并后的光入射到所述光纤中。进一步，本发明的光纤双折射补偿镜，其特征在于，在所述光纤双折射补偿镜中，第一双折射元件中的非常光的位移量与第二双折射元件中的非常光的位移量之和为光纤的模场直径的2倍以上。进一步，本发明的光纤双折射补偿镜，其特征在于，在所述光纤双折射补偿镜中，透过所述第二双折射元件时被分离为寻常光和非常光所产生的两束直线偏振光之间的光程差被设定为与透过所述第一双折射元件时被分离为寻常光和非常光所产生的两束直线偏振光之间的光程差相等。本发明的电流传感器，其特征在于，所述光纤双折射补偿镜的所述光纤光学地连接在电流流动的导体上设置的电流传感器的传感器用光纤上，所述电流传感器对流过所述导体的电流进行测量。有益效果根据本发明的权利要求I或权利要求3中记载的光纤双折射补偿镜，其光路结构为将从光纤射出的光分离为互相垂直的两束直线偏振光，并使该互相垂直的两束直线偏振光点对称地进行反射。即，两束直线偏振光在镜子上点对称地进行反射时，由于偏振方向互相垂直，消除干涉，可防止产生多个结合高峰位置。因此，容易寻找最佳结合位置，容易进行校准装配操作。进一步，权利要求I中记载的光纤双折射补偿镜，其在两束直线偏振光往返两次透过双折射元件时，通过依靠镜子的反射和依靠法拉第旋光器的90度偏振面旋转，调换寻常光和非常光，从而对于从光纤射出的任意偏振光，使位于庞加莱球上正后方的偏振光入射到光纤中，因此能够补偿光纤中发生的双折射。另外，权利要求3中记载的光纤双折射补偿镜，其中，两束直线偏振光通过两个双折射元件被位移相同的距离。因此，在第一双折射元件中分离时所产生的两束直线偏振光的光程差在第二双折射元件中得到补偿，在两束直线偏振光入射到透镜之前消除了光程差。因此，可以防止因透镜的焦点位置偏移引起的结合效率的劣化。并且，通过以下述方式构成光路，即，在补偿光程差之后，通过依靠镜子的反射和依靠法拉第旋光器的90度的偏振面旋转，寻常光和非常光被调换，从而对于从光纤射出的任意的偏振光，使位于庞加莱球上正后方的偏振光入射到光纤中，因此能够补偿在光纤中发生的双折射。另外，权利要求I或权利要求3中记载的光纤双折射补偿镜中使用了法拉第旋光器，尽管该法拉第旋光器具有温度特性、波长特性，但是由于保持了两束直线偏振光的偏振面的正交性，能够补偿光纤中发生的双折射。进一步，根据权利要求2或权利要求4中记载的光纤双折射补偿镜，由于法拉第旋光器具有温度特性、波长特性，即使通过往返法拉第旋光器的两束直线偏振光的法拉第旋转角的总和偏离90度，也能够防止在双折射元件中被分离的偏离90度的成分的直线偏振光对光纤的入射。进一步，根据权利要求5中记载的光纤双折射补偿镜，能够在第二双折射元件中 更准确的补偿第一双折射元件的分离时所产生的两束直线偏振光的光程差。另外，根据权利要求6中记载的电流传感器，通过对权利要求I至权利要求5中任一项所述的光纤双折射补偿镜进行光学的连接，光纤的双折射得到补偿，因此由起因于传感器用光纤自身所具有的光弹性的振动所引起的测定结果的变动得到抑制，从而耐振动性提闻。进一步，由于耐振动性优异，与含有氧化铅的光纤相比，双折射性大，能够将石英系光纤用作传感器用光纤，能够形成可以检测大电流的电流传感器。


图I为本发明第一实施方式的光纤双折射补偿镜的结构图。图2为表不图I的光纤双折射补偿镜的双折射兀件、法拉第旋光器和磁铁的配置的立体图。图3为表示光在图I的光纤双折射补偿镜中传播的偏振状态的图。图4为本发明第二实施方式的光纤双折射补偿镜的结构图。图5为表示图4的光纤双折射补偿镜的第一双折射元件和第二双折射元件，以及法拉第旋光器和磁铁的配置的立体图。图6为表不图4的光纤双折射补偿镜中光从光纤射出直至在镜子上反射的偏振状态的图。图7为表不图4的光纤双折射补偿镜中光在镜子上反射直至入射到光纤中的偏振状态的图。图8为实施例1-3的法拉第镜和镜子的结构图。图9为表不实施例I的光学系统的结构图。图10为表不实施例2的光学系统的结构图。图11为实施例3中在镜子7上所形成的电流传感器的测量电流波形变动图。图12为实施例3中在法拉第镜11上所形成的电流传感器的测量电流波形变动图。图13为实施例3中在光纤双折射补偿镜I上所形成的电流传感器的测量电流波形变动图。
图14为实施例3中在光纤双折射补偿镜10上所形成的电流传感器的测量电流波形变动图。图15为表不利用光纤的现有电流传感器的一例的模式图。图16为表示根据GIS内遮断器的电流传感器的测量结果变动例的波形图。图17为表不现有的偏振面旋转镜的一例的模式图。图18为表示现有的法拉第镜的一例的剖视图。图19为表示从连接图18中所示的法拉第镜的电流传感器输出的被测量电流测量值的比率误差-温度特性的图表。图20为表示从连接图I中所示的光纤双折射补偿镜的电流传感器输出的被测量 电流测量值的比率误差-温度特性图表。图21为表示从连接图4中所示的光纤双折射补偿镜的电流传感器输出的被测量电流测量值的比率误差-温度特性图表。
具体实施例方式(第一实施方式)下面，基于图I和图2对本发明第一实施方式的光纤双折射补偿镜进行详细的说明。各图的X轴、y轴、Z轴分别一一对应。图I中，光纤双折射补偿镜I包括光纤2、具有相互平行的两个表面3a和3b的双折射元件3、一个透镜4、磁铁5、法拉第旋光器6和镜子
7。并且,双折射兀件3、法拉第旋光器6和镜子7各部件,从光纤2的光出入射端面2a来看，以双折射元件3、法拉第旋光器6和镜子7的顺序配置，同时透镜4被配置在双折射元件3与法拉第旋光器6之间。对于光纤2的光出入射端面2a，实施研磨加工，并且将其对着所述双折射元件3的一个表面3a配置。优选倾斜地形成光出入射端面2a，更优选设定其角度Φ (S卩，相对于与芯2b的轴方向垂直的方向的角度)为约6、度左右。另外,优选在光出入射端面2a上应用由电介质形成的抗反射膜。光纤2为具有各向同性的折射率分布的单模型光纤，例如使用石英系光纤，并且其包含芯2b以及具有比芯2b的折射率小的折射率的包层2c，并且所述包层2c包围所述芯2b的周围。光纤2，作为一例，光学地连接在利用光纤法拉第效应的电流传感器的传感器用光纤上，此时，使从未图示的电流传感器等传播的光射出到双折射元件3中，同时入射通过镜子7反射的光，从而将所述反射光再次传播到未图示的电流传感器等中。双折射元件3为单轴双折射结晶，其被调整为晶轴X31相对于表面3a的z轴方向倾斜角度α，同时光学表面(表面3a)上的晶轴X32被配置为与y轴平行,如图2所不。作为双折射元件3，能够使用如金红石(TiO2)、方解石(CaCO3)、钒酸钇(YVO4)结晶、铌酸锂(LiNbO3)等。这些结晶中，优选使用特别硬而不容易被划伤且不具有潮解性的金红石。当双折射元件3使用金红石时，面法线与晶轴之间的角度α (相当于图I的晶轴Χ31方向)被设定为47. 8度。另外，为了平行地射出双折射后的寻常光和非常光，两个表面3a和3b平行设置。另外，优选在双折射元件3的光学表面上应用由电介质形成的抗反射膜。而后，光沿光纤2与双折射元件3之间传播。另一方面,在双折射元件3的另一个表面3b上，面对面地设置透镜4。透镜4对入射的光进行聚光。透镜4优选使用非球面透镜、球面透镜、平凸透镜或双折射分布透镜等。另外，透镜4的材料使用如玻璃、塑料等材料。法拉第旋光器6，其接收透过双折射元件3和透镜4而入射的光，其为使该光的偏振面进行旋转的非互易性的偏振面旋转元件，被设置在磁铁5的近旁，通过由该磁铁5施加磁�。顾銎衩嬗敫么懦∏慷瘸杀壤匦�。法拉第旋光器6中，当由磁铁5所施加的磁场达到磁饱和时，法拉第旋转角为45度，尽可能使用具有法拉第效应的薄的单晶。具体而言，最合适的是强磁性的铋取代型石榴石。对于偏振面的旋转方向，最好设定为当在从双折射元件3沿z轴向看时为顺时针方向或逆时针方向中的任一方向，在图2中图示了逆时针方向的例子。另外，法拉第旋光器6的外形被形成为平板状。在配置法拉第旋光器6时，使双折射元件3的另一个表面3b与法拉第旋光器的一个表面6a间隔透镜4相互面对面。磁铁5被形成为环状的外形形状，并且被配置为环绕法拉第旋光器6的周围，通过将磁场施加在法拉第旋光器6上使法拉第旋光器6磁饱和。对于磁铁5,作为一例使用Sm-Co类或Nd-Fe-B类等的永久磁铁。 镜子7为对透镜4中聚集的光进行反射的部件，使用在基板表面上蒸镀金属膜的镜子。另外，也可以为由电介质多层膜形成的镜子。下面，参照图I和图3对光纤双折射补偿镜I的运作进行详细的说明。图3的(A) (F)为表示光纤双折射补偿镜I中光的偏振状态的图，与图I的符号(A) (F)所示的各光路断面中光的偏振状态相对应。图3中，横向为X轴，纵向为y轴，朝向纸面的方向为z轴，为了便于说明，在纵横方向上共分割8份,横向为1 8，纵向为a h,表不在各光路截面上偏振成分的传播位置。当来自所述电流传感器等的光沿光纤2传播时，在光纤2内传播过来的光，从光出入射端面2a以一定的变宽角变宽并射出，入射到双折射元件3中。从光纤2入射到双折射元件3的光的入射位置，其在矩阵中看时，如图3 (A)所示，在横向上为4和5之间，在纵向为e和f之间。在本实施方式中，将这样的位置表示为(4-5, e-f)。另外,符号R为镜子上各直线偏振光的反射点。入射到双折射元件3的光，如图3 (B)中所示，在双折射元件3中被分离为垂直于晶轴X32的寻常光和平行于晶轴X32的非常光，即偏振方向相互垂直的两束直线偏振光。成为非常光的直线偏振光8b被位移到与沿着y轴方向配置的晶轴X32平行的方向，从双折射兀件3射出时的传播位置成为如图3 (B)的(4-5, c-d)。另一方面,直线偏振光8a相对于晶轴X32方向垂直，因此在双折射元件3内部不发生位移，而是作为寻常光在不改变传播位置的状态下透过。因此，从双折射元件3射出的光的传播位置依旧为如图3 (B)的(4-5，e-f)。此处，在寻常光的传播方向上的双折射元件3的厚度(结晶长度)D由以下数学式I表不。[数学式I]
(no2 · tan2 Θ + to2) ■ dcD =
(no2- ne2) tan6其中，no表示双折射元件3中寻常光的折射率，ne表示双折射元件3中非常光的折射率，Θ表示双折射元件3的晶轴X31与垂直于寻常光的传播方向的平面之间的角度，dc表示寻常光和非常光的分离幅度。当设定如上所述的厚度D时，即使每个结晶的no、ne改变，通过设定与其对应的最合适的厚度，能够从表面3b射出分离光。并且，如果调整晶轴X31的方向，就能减小厚度D。另外，当no、ne或dc —定且双折射元件3为金红石时，理论上，α为47. 8度时，能够将厚度D控制到最小且寻常光和非常光的分离宽度最大，因此α优选47. 8度。对于双折射元件3中非常光的位移量，优选设定为光纤2的模场直径的2倍以上。其理由为由于法拉第旋光器6具有温度特性、波长特性，因此即使通过往返法拉第旋光器6产生的两束直线偏振光的法拉第旋转角偏离90度，也能防止在双折射元件3中被分离的、偏离90度的成分的直线偏振光入射到光纤2。从双折射元件3射出的两束直线偏振光8a、8b，接着相对于透镜4的光轴X4平行地入射到透镜4中并被聚光，聚光时的偏振状态不变。·在透镜4中被聚光的两束直线偏振光8a、8b，进一步入射到法拉第旋光器6中。如上所述，法拉第旋光器6由于被磁铁5施加了磁�。虼似浔簧瓒ㄎ疟ズ投哂�45度法拉第旋转角。因此，从透镜4射出的两束直线偏振光8a、8b各自的偏振面，通过透过法拉第旋光器6,如图3 (c)所不，以相同的方向仅仅旋转45度。透过法拉第旋光器6的两束直线偏振光8a、8b，在入射角的相反侧镜子7的表面上的一点R上被点对称地反射，如图I、图3 (C)、图3 (D)所示,在反射前后,上下位置调换。从图I可知，在光纤双折射补偿镜I中，镜子7和透镜4被配置为决定镜子7和透镜4的位置，使得镜子7上的反射点(所述一点R)和透镜4的光轴X4，在光的传播方向(z轴方向)上在同一直线上。进一步，决定透镜4的位置，使两束直线偏振光8a、8b的各中心位置距离透镜4的光轴X4相同的距离。被反射的两束直线偏振光8a、8b通过再次透过法拉第旋光器6，两束直线偏振光8a、8b各自的偏振方向在同一方向上进一步旋转45度(参照图3(E))。因此，可知在镜子7上反射后透过法拉第旋光器6的两束直线偏振光8a、8b的偏振面，其相对于图3 (B)中所示的入射到法拉第旋光器6之前的偏振面，被旋转90度。此后，当其中一束直线偏振光8a再次入射到双折射元件3时，在双折射元件3内部中成为非常光，另一束直线偏振光Sb在双折射元件3内部成为寻常光。从法拉第旋光器6射出的两束直线偏振光8a、8b再次透过透镜4，射出到以透镜4的光轴X4对称的位置上。进一步，从透镜4射出，其光轴相对于z轴平行。接着，两束直线偏振光8a、8b再次入射到双折射元件3中。如上所述，两束直线偏振光8a、8b在双折射元件3内部中分别成为寻常光和非常光，如图3 (F)所示，只有非常光发生位移，从而再合并为一束光。当两束直线偏振光8a、8b再次入射到双折射元件3中而再次透过双折射元件3时，在光最初透过双折射元件3时作为寻常光透过的直线偏振光8a，其在再透过时作为非常光透过双折射元件3。另一方面，在最初透过双折射元件3时作为非常光透过的直线偏振光8b，其在再透过时作为寻常光透过双折射元件3，从而两束偏振光8a、8b再合并为一束光。被再合并的光，其从双折射元件3的一个表面3a射出，入射到光纤2的芯2b中，沿光纤2传播而再次传播到电流传感器等传感器用光纤中。
以上，根据本实施方式的光纤双折射补偿镜I，其为以下的光路结构，即，将来自光纤2的射出光分离为相互垂直的两束直线偏振光8a、8b,并使该相互垂直的两束直线偏振光8a、8b被点对称地反射。即，两束直线偏振光8a、8b在镜子7上被点对称地反射时，其偏振方向相互垂直，因此消除了干涉，能够防止产生多个结合高峰位置。因此，最佳结合位置变得容易寻找，校准组装操作变得容易进行。进一步，当两束直线偏振光8a、8b往返两次透过双折射元件3时，通过依靠镜子7的反射和依靠法拉第旋光器6的90度的偏振面旋转,寻常光和非常光被调换，从而对于从光纤2射出的任意偏振光,使位于庞加莱球上正后方的偏振光入射到光纤2中，因此能够补偿在光纤2中发生的双折射。另外，在光纤双折射补偿镜I中使用法拉第旋光器6，尽管该法拉第旋光器6具有温度特性、波长特性，但是由于保持了两束直线偏振光8a、8b的偏振面的正交性，能够补偿在光纤2中发生的双折射。
由于本实施方式的光纤双折射补偿镜I具有这样的效果，通过将该光纤双折射补偿镜I光学地连接在电流传感器等上，由于光纤2的双折射得到补偿，因此根据起因于传感器用光纤自身所具有的光弹性的振动所引起的测量结果的变动得到抑制，耐振动性得到提升。进一步，由于耐振动性优异，其双折射性也比含有氧化铅的光纤大，从而能够将石英系光纤用作传感器用光纤，能够形成可以检测大电流的电流传感器。图20中以比率误差-温度特性表示从连接了光纤双折射补偿镜I的电流传感器输出的被测量电流测量值的温度依赖性。另外，图20的比率误差为，将光纤双折射补偿镜I连接在电流传感器上，并且使光纤双折射补偿镜I的温度从-20度变化到80度时，从电流传感器输出的被测量电流的测量值的比率误差。根据图20可知，通过连接光纤双折射补偿镜1，电流传感器的温度依赖性被控制在从-20度到80度的温度范围内基本上完全看不到的程度，几乎没有比率误差的变动。因此，可知能够抑制电流传感器的被测量电流的测量值的变动。(第二实施方式)下面，基于图4和图5对根据本发明第二实施方式的光纤双折射补偿镜进行详细的说明。各图的X轴、y轴、Z轴分别一对一对应。另外，对于与第一实施方式相同的部分，附加了相同的标记，并且对于重复的说明，省略或进行简单的叙述。图4中，本发明第二实施方式的光纤双折射补偿镜10与所述光纤双折射补偿镜I的区别点在于在双折射元件3与透镜4的光路之间设置有第二双折射元件9。第二双折射元件9也具有相互平行的两个表面9a及％。下面，为了便于说明，将双折射元件3记载为“第一双折射元件3”。进一步，第一双折射元件3、第二双折射元件9、法拉第旋光器6和镜子7的各部件，其在从光纤2的光出入射端面2a看时，以第一双折射元件3、第二双折射元件9、法拉第旋光器6和镜子7的顺序被配置，同时透镜4被配置在双折射元件3和法拉第旋光器6之间。第二双折射元件9也与第一双折射元件3 —样，为一轴双折射元件体，其被调整为晶轴X91相对于z轴方向倾斜角度α，并且被配置为在光学表面(表面9a)上的晶轴X92与X轴平行。因此，在从光纤2看时的第二双折射元件9的晶轴X92方向被设定为相对于第一双折射元件3的晶轴X32方向相差90度。在将第二双折射元件9相对于第一双折射元件3配置时，使第一双折射元件3的另一个表面3b与第二双折射元件的一个表面9a相互面对面。另一方面，第二双折射元件9的另一个表面9b被配置为与透镜4面对面。第二双折射元件9也可以使用金红石(TiO2)、方解石(CaCO3)、钒酸钇(YVO4)结晶、铌酸锂(LiNbO3)等。这些结晶中，尤其优选使用硬而不容易被划伤且不具有潮解性的金红石。当第二双折射元件9使用金红石时，面法线与晶轴之间的角度α (相当于图5的晶轴Χ91方向)被设定为47. 8度。另外，为了平行地射出双折射后的寻常光和非常光，两个表面9a和9b平行设置。另外，最好在第二双折射元件9的光学表面上应用由电介质形成的抗反射膜。 下面，参照图4、图6及图7对光纤双折射补偿镜10的运作进行说明。图6的(A) (D)为表示光纤双折射补偿镜10中光从光纤2射出直至被镜子7反射的偏振状态的图，对应图4的符号(A广(D)所示的各光路截面上的光的偏振状态。进一步，图7的(E广(H)为表不光纤双折射补偿镜10中光被镜子7反射直至入射到光纤2中的偏振状态的图,对应图4的符号(E) (H)所不的各光路截面上的光的偏振状态。图6和图7中,横向为X轴，纵向为y轴，朝向纸面的方向为z轴，为了便于说明，在纵横方向上共分割8份，横向为f 8，纵向为al，表示了在各光路截面上偏振成分的传播位置。与所述第一实施方式一样，例如，当来自电流传感器等的光在光纤2中传播时，沿光纤2内传播过来的光，从光出入射端面2a以一定的变宽角变宽并射出，入射到第一双折射元件3中。从光纤2入射到第一双折射元件3的光的入射位置，其在矩阵中看时，如图6(A)所示，在横向上为4和5之间，在纵向为e和f 之间。在本实施方式中，将这样的位置表不为(4-5, e-f)。入射到第一双折射元件3的光，其沿着沿y轴方向配置的晶轴X32方向被分离，如图6 (B)所示，被分离为偏振方向相互垂直的寻常光和非常光，即两束直线偏振光8a、8b。被分离的两束直线偏振光8a、8b从第一双折射兀件3的另一个表面3b射出，接着入射到第二双折射元件9中。如上所述，晶轴X92方向被设定为相对于晶轴X32方向相差90度。因此，在第一双折射元件3中为寻常光的直线偏振光8a的偏振面变得与晶轴X92方向平行。因而，以寻常光透过第一双折射元件3的直线偏振光8a，其在第二双折射元件9中变成非常光，因此如图6 (C)所示，直线偏振光8a在水平方向位移而透过第二双折射元件9。另一方面，以非常光透过第一双折射兀件3的直线偏振光8b的偏振面,其相对于晶轴X92垂直，因此不位移，以寻常光直线前进透过第二双折射元件9。如上所述，对晶轴X32方向和晶轴X92方向、第一双折射元件3的厚度D和第二双折射元件9的厚度D进行了设定，使得被分离的两束直线偏振光8a、8b在透过第一双折射元件3和第二双折射元件9时必定采取寻常光和非常光的两种偏振状态。非常光在第一双折射元件3中的位移量和非常光在第二双折射元件9中的位移量之和优选为光纤2的模场直径的2倍以上。其理由为由于法拉第旋光器6具有温度特性、波长特性，因此即使通过往返法拉第旋光器6的两束直线偏振光的法拉第旋转角偏离90度，也能防止在第二双折射元件9和第一双折射元件3中被分离的、偏离90度的成分的直线偏振光对光纤2的入射。此处，在寻常光传播方向上的第二双折射元件9的厚度(结晶长度)D与第一双折射元件3的厚度D —样由以下数学式2设定。[数学式2]
权利要求
1.一种光纤双折射补偿镜，其特征在于，包括光纤、双折射元件、透镜、磁铁、法拉第旋光器以及镜子；所述法拉第旋光器通过外加由所述磁铁产生的磁场被磁饱和而具有45度法拉第旋转角； 所述双折射元件、所述法拉第旋光器以及所述镜子各部件从所述光纤的光出入射端面开始以所述双折射元件、所述法拉第旋光器以及所述镜子的顺序被配置； 所述光纤为单模型； 沿所述光纤内传播过来的光，其在所述双折射元件中被分离为互相垂直的寻常光和非常光两束直线偏振光，通过所述透镜被聚光； 进一步，所述两束直线偏振光通过透过所述法拉第旋光器，其各自的偏振面旋转45度，并且在所述镜子表面上的一点上被点对称地反射； 被反射的所述两束直线偏振光，通过再次透过所述法拉第旋光器，所述两束直线偏振光的偏振面再旋转45度； 接着，所述两束直线偏振光通过再次入射到所述双折射元件，再合并为一束光，所述再合并后的光入射到所述光纤中。
2.如权利要求I所述的光纤双折射补偿镜，其特征在于，所述双折射元件中所述非常光的位移量为所述光纤的模场直径的2倍以上。
3.一种光纤双折射补偿镜，其特征在于，包括光纤、第一双折射元件、第二双折射元件、透镜、磁铁、法拉第旋光器以及镜子；所述法拉第旋光器通过外加由所述磁铁产生的磁场被磁饱和而具有45度法拉第旋转角； 所述第一双折射元件、所述第二双折射元件、所述法拉第旋光器以及所述镜子各部件从所述光纤的光出入射端面开始以所述第一双折射元件、所述第二双折射元件、所述法拉第旋光器以及所述镜子的顺序被配置； 所述光纤为单模型； 所述第二双折射元件的光学表面上晶轴方向被设定为与所述第一双折射元件的光学表面上的晶轴方向相差90度； 沿所述光纤内传播过来的光，在所述第一双折射元件中被分离为互相垂直的寻常光和非常光两束直线偏振光； 透过所述第一双折射元件的所述两束直线偏振光，其在透过所述第二双折射元件时，以寻常光透过所述第一双折射元件的光以非常光透过，同时以非常光透过所述第一双折射元件的光以寻常光透过，通过所述透镜被聚光； 对于透过所述第一双折射元件时的所述非常光和透过所述第二双折射元件时的所述非常光，各位移量被设定为相同； 进一步，所述两束直线偏振光通过透过所述法拉第旋光器，其各自的偏振面旋转45度，并且在所述镜子表面上的一点上被点对称地反射； 被反射的所述两束直线偏振光，通过再次透过所述法拉第旋光器，所述两束直线偏振光的偏振面再旋转45度； 接着，透过所述法拉第旋光器的所述两束直线偏振光，其在透过所述第二双折射元件时，只有一束直线偏振光被位移； 进一步，所述两束直线偏振光再次入射到所述第一双折射元件中，当透过所述第二双折射元件的所述两束直线偏振光透过所述第一双折射元件时，以寻常光透过所述第二双折射元件的光以非常光透过，同时以非常光透过所述第二双折射元件的光以寻常光透过，以此只有一束直线偏振光被位移，所述两束直线偏振光再合并为一束光； 所述再合并后的光入射到所述光纤中。
4.如权利要求3所述的光纤双折射补偿镜，其特征在于，所述第一双折射元件中的所述非常光的位移量与所述第二双折射元件中的所述非常光的所述位移量之和为所述光纤的模场直径的2倍以上。
5.如权利要求3或4所述的光纤双折射补偿镜，其特征在于，透过所述第二双折射元件时被分离为寻常光和非常光所产生的所述两束直线偏振光之间的光程差，被设定为与透过所述第一双折射元件时被分离为所述寻常光和所述非常光所产生的所述两束直线偏振光之间的光程差相等。
6.—种电流传感器,其特征在于,如权利要求权利要求5中任意一项所述的光纤双折射补偿镜的所述光纤，光学地连接在电流流动的导体上设置的电流传感器的传感器用光纤上，所述电流传感器对流过所述导体的电流进行测量。
全文摘要
本发明提供一种光纤双折射补偿镜，其容易进行校准装配，同时可补偿电流传感器的传感器用光纤中产生的双折射，并提高电流传感器的耐振动性，并且能够检测电流传感器的大电流。并且，本发明还提供一种通过光学地连接该光纤双折射补偿镜来提高耐振动性的电流传感器。光纤双折射补偿镜由光纤、双折射元件、透镜、磁铁、法拉第旋光器和镜子构成。从光纤的光出入射端面，以双折射元件、法拉第旋光器和镜子的顺序配置，同时光纤为单模型。从光纤入射光，在双折射元件中分离为两束直线偏振光，在法拉第旋光器中使两束直线偏振光的偏振面旋转45度，在镜子上使两束直线偏振光在一点上点对称地反射，在法拉第旋光器中使偏振面进一步旋转45度，在双折射元件中再合并为一束光，使其入射到光纤中。
文档编号G01R15/24GK102906629SQ20118002608
公开日2013年1月30日 申请日期2011年5月25日 优先权日2010年5月27日
发明者今野良博, 佐佐木胜 申请人:Adamant工业株式会社