一种光纤电流互感器光学结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及光纤传感技术领域，特别是一种光纤电流互感器光学结构。
【背景技术】
[0002] 基于法拉第效应的全光纤电流互感器因其原理优势，被公认为是传统电磁感应式 电流互感器的替代品。与传统的电磁式互感器相比，光纤电流互感器具有如下优势：
[0003] 安全优势：绝缘结构简单，绿色环保、无爆炸、无油气、无 SF6、无二次开路危险；
[0004] 成本优势：220kV以上时，采用光纤，大幅降低绝缘成本；
[0005] 性能优势：体积小，重量轻；动态范围大，可测交流/直流，无磁饱和，频带响应宽， 抗干扰能力强，适合数字化输出；
[0006] 适应国家智能电网发展规划要求。
[0007]目前常用的2种光纤电流互感器光路结构方案：
[0008] L采用集成光学多功能调制器MIOC为核心的Sagnac干涉型光学结构，其基于 Sagnac干涉仪的光纤陀螺工作原理，理论成熟，但是其光学结构插入损耗大，温度、振动等 环境因素会影响系统性能。
[0009] 2.米用相位调制器作为偏振方向旋转开关的光学结构，其光学结构插入损耗小， 温度、振动等环境因素基本不影响系统性能，但是其是基于相位调制器作为的偏振方向旋 转开关的工作原理为理论基础的工作机理，尚不能被广泛理解。因此，目前采用本方案光路 结构的机构虽然很多，但是系统性能仍然不如采用MIOC调制器的系统性能。
[0010] 对于基于采用MIOC调制器方案的电流互感器，由于同时采用传统光纤耦合器的 系统插入损耗仍然相对较大，可达>20dB以上，因此有采用光纤环形器替代与光源连接的 传统光纤耦合器，也有同时采用偏振分/合束器，代替与MIOC连接的传统光纤耦合器的方 案。参见如下电流互感器专利：
[0012] 这些结构的优点：采用光纤环形器可以降低系统插入损耗5~6dB，采用偏振分/ 合束器也可以降低系统插入损耗5~6dB，此外，还可以优化MIOC的检偏功能3dB，二者组 合可以降低系统插入损耗13~15dB，从而提高输出光功率20~30倍。理论上，根据最小 测量电流与光功率的平方根成正比，这种方案可以提高最小测量电流精度~5倍。
[0013] 然而，光纤电流互感器传感系统必须符合以下要求：
[0014] 1.光源必须是宽带光源；2.系统需要保偏光纤仪保持光波的偏振特性；3.系统传 输的光功率必须稳定；4.组装工艺需要适应批量化的规模生产。
[0015] 因此，采用上述2种方案的光纤电流互感器存在不可克服的弱点：
[0016] 1.光纤环形器存在弱点：由于工作机理限制，存在较大的波长相关损耗（WDL)，偏 振相关损耗（PDL)，温度相关损耗（TDL)，以及各种损耗交叉影响，反而会大幅度降低系统 的其他性能，如系统的线性以及系统的测量误差，所以商业系统中宁愿采用传统的光纤耦 合器，而不采用光纤环形器；
[0017] 2.偏振分/合束器存在弱点：工作机理：基于光波在双折射晶体中传播，偏离光轴 方向传播，〇光和e光走离，从而实现2偏振光束分开；或者米用格兰棱镜、沃拉斯顿棱镜， 偏振分束棱镜等实现2偏振光束分开。由于体积限制，商业的偏振分束器大多采用双折射 晶体方案，由于光波传播限制，2偏振态光束在空间分离部分仍然有部分重叠，从而大幅降 低性能，特别是用于模拟的光纤传感系统。此外，理论方面，光路不能满足Sagnac效应在物 理学观念上的互易原则，从而会降低温度、振动相关的性能；所以商业系统中宁愿采用传统 的光纤耦合器，也不采用光纤偏振分/合束器；
[0018] 与光纤环形器、偏振分/合束器相比，采用传统的光纤耦合器，包括保偏光纤耦合 器，能够获得相对较好的WDL，H)L，TDL，以及满足Sagnac效应物理学客观规律的互易性，所 以是传统方案的最佳选择。
[0019] 然而，传统方案所制作的保偏光纤耦合器也具有各种不可克服的弱点。由于必须 采用匹配型保偏光纤，与常规的保偏光纤应力区域不兼容，保偏光纤熔接机几乎不能正确 识别匹配型保偏光纤的应力轴，无论0度对准熔接，还是90度对准熔接，均会大幅度增加光 路熔接的复杂程度，降低系统性能。除此之外，还具有普通单模耦合器具有的各种弱点，如 与专利的保偏光纤分束器相比，具有较差的波长相关损耗WDL，温度相关损耗TDL，很差的 偏振相关损耗TOL，以及较差的长期可靠性等。 【实用新型内容】
[0020] 为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种光纤电流互感器光学结构，解 决了现有保偏光纤耦合器存在的必须采用匹配型保偏光纤，光路熔接复杂程度高及长期可 靠性差等问题。
[0021] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0022] 本实用新型提供一种光纤电流互感器光学结构，包括光源和MIOC调制器，其特征 在于，还包括第一保偏光纤分束器和第二保偏光纤分束器，所述光源与第一保偏光纤分束 器的下输入尾纤相连，第一保偏光纤分束器的上输出尾纤和下输出尾纤分别与MIOC调制 器和探测器相连，探测器连接信号处理单元；MIOC调制器的上分支输出尾纤和下分支输出 尾纤分别与与第二保偏光纤分束器的下输入尾纤和下输出尾纤相连接，第二保偏光纤分束 器的上输出尾纤与保偏光纤相连，保偏光纤依次连接有λ /4波片、传感光纤及反射镜。
[0023] 优选的，所述第一保偏光纤分束器及第二保偏光纤分束器的应力轴均为〇度对 准，MIOC调制器的上分支输出尾纤与第二保偏光纤分束器的下输入尾纤0度熔接，下分支 输出尾纤与第二保偏光纤分束器的下输出尾纤90度恪接。
[0024] 优选的，所述第一保偏光纤分束器的应力轴为0度对准，第二保偏光纤分束器的 应力轴为90度对准，MIOC调制器的上分支输出尾纤和下分支输出尾纤分别与与第二保偏 光纤分束器的下输入尾纤和下输出尾纤〇度熔接。
[0025] 本实用新型的积极效果：
[0026] 1.克服了采用传统保偏光纤耦合器存在的具有较大偏振相关损耗TOL的弱点，可 以提高系统的最小测量电流精度（3~5倍）；
[0027] 2.克服了采用传统光纤耦合器存在的波长相关损耗WDL、温度相关损耗TDL的弱 点，由于该光学结构基于Sagnac效应的光纤陀螺的机理，基于光纤陀螺理论，可以提高系 统测量的线性到十万分之一（〈lOppm);采用传统的耦合器的方案，一般大于IOOppm;
[0028] 3.此外，第2个保偏光纤分束器巧妙地解决了