具有集成式光束分离器的传感器装置的制作方法

本发明涉及一种具有集成式光束分离器的光学传感器装置，诸如，该光学传感器装置例如用于高电压的电流和电压测量。

背景技术：

重要的一类光学传感器基于将探测光束发送到传感器头中，在传感器头中，光束的两个偏振分量发生相移，该相移取决于待测量的参数(被测变量)。然后分析返回光的偏振分量的相互的相移。

作为光纤电流传感器的一个示例，例如用于高电压变电站中的这样的传感器的一些实施例通常利用光纤中的法拉第效应[1,2]。光纤围绕电流导线而盘绕成一个或若干环。电流的磁场在传播通过光纤的左旋和右旋的圆形偏振光波之间引入相移差。存在用于测量磁光相移的多种技术。通常，高性能电流传感器使用基于非互易相位调制的干涉测量技术，如从光纤陀螺仪也知道的那样[2-4]。该方法是复杂的，且需要昂贵的构件，特别是集成光学器件的调制器和偏振保持光纤(pmf)。较简单的测定偏振的检测方案使用无源的光学构件(诸如偏振器和波板的组合[5,6]或偏振器和法拉第旋转器的组合[7,8])，其将磁光相移转换成传输的光功率的变化。这里，波板(或旋转器)在干涉的光波之间引入90°的相位偏差(或等同地，45°的偏振旋转)。传感器的工作点(在零电流下的相位偏差)于是在传感器的正弦响应函数的线性范围中。通常，这样的传感器利用两个检测通道来工作。两个通道中的光功率响应于施加的电流而随相反的相位变化。两个信号的差与它们的和的商与电流成比例，且独立于源功率。

wo2007/121592公开了一种传感器，其中集成式光束分离器、四分之一波长延迟器和偏振器小板的组合将磁光相移转换成两个反相的传感器信号[5]。

wo2015/090448公开了用于这样的传感器的信号处理的特定的方法[6]，且图1显示了这样的传感器的构造。

图1中的装置包括由光纤3连接的传感器电子单元或光电子单元1和传感器头2。在传感器电子单元1中，来自宽带光源4的光被消偏振，且经由单模光纤smf1而传输到1×3光束分离器装置5。偏振器p1使光偏振，然后光通过间隔件7而从第一面传输到集成式光束分离器8的波导中。优选地，偏振器p1的偏振方向相对于光束分离器8的表面的法线而成45°。

在光束分离器8的相反的第二面处，光耦合到偏振保持光纤(pmf)尾纤9中。主光纤轴线平行于和垂直于光束分离器8的表面的法线，即与偏振器p1的偏振方向成45°，使得激励pmf的两个正交偏振模式。

来自pmf尾纤9的光在其进入传感光纤11之前被供给通过光纤延迟器10。传感光纤11围绕电流导线12而形成线圈。延迟器10将从pmf离开的正交线性偏振光波转换成左旋和右旋的圆形偏振波。光从传感光纤12的远端处的反射涂层(即反射器13)反射离开，且然后再次经过传感光纤12。在反射之后，两个光波的偏振状态交换，即左旋圆形光变为右旋圆形的，且反之亦然。延迟器10将经反射的圆形波转换回正交线性波。由于法拉第效应，返回的正交波具有磁光相移(见以下方程3)。

在光束分离器8内，返回的光分割到第一检测器通道和第二检测器通道中。第一面处的四分之一波长延迟器板qwr在两个通道的正交波之间引入90°的相位延迟差(相位偏差)。qwr的主轴线平行于pmf尾纤9的轴线且与偏振器p1成45°而对齐。第一通道的正交波在偏振器p1(其为光源通道和检测器通道1所共有的)处发生干涉。第二通道的正交波在偏振器p2处发生干涉。偏振器p2的偏振方向与偏振器p1的偏振方向成90°。然后，两个单模光纤(smf2和smf3)典型地将两个通道的光导向至传感器电子单元1中的光检测器pd1和pd2。

在实践中，发现图1中的设计表现出一定程度的温度依赖性和信号不稳定性。这样的不稳定性可妨碍传感器达到计量级的准确度。高电压中的应用通常需要准确度在扩展的温度范围(例如，从-40℃到85℃)内处于±0.2%内[9]。

技术实现要素：

因此，本发明将解决的问题是提供一种显示出提高的准确度的呈上文描述的类型的装置。

在本发明的第一方面，通过一种光学传感器装置来解决上文中的问题，该光学传感器装置包括以下部件：

光源：该光源生成光，借助于光来执行测量。

第一光纤：来自光源的光耦合到该第一光纤中。

集成式光束分离器：光束分离器具有至少一个光电子侧入口端口、至少一个第一光电子侧出口端口、至少一个第二光电子侧出口端口，以及至少一个传感侧端口。进入光电子侧入口端口的光至少部分地耦合到传感侧端口中，且进入传感侧端口的光至少部分地分割到光电子侧出口端口中。第一光纤定位成将光发送到光电子侧入口端口中。

其(例如圆形和/或线性)双折射率作为被测变量的函数而变化的传感元件：传感元件定位成使得来自光束分离器的传感侧端口的光耦合到传感元件中、反射且耦合回到传感侧端口中，使得光束分离器可使光在光电子侧出口端口之间至少部分地分割。

集成式光束分离器：来自所述第一光纤的光耦合到该光束分离器的光电子侧入口端口中。

至少一个第二光纤和至少一个第三光纤：来自第一光电子侧出口端口和第二光电子侧出口端口的光分别被供给到第二光纤和第三光纤中。

测量从第二光纤和第三光纤离开的光的光检测器。

光束分离器包括：

a)多个波导区段以及布置在波导平面中的光束分割接头，以及

b)在光束分离器的相反的侧部上的第一面和第二面，其中光电子侧入口端口和光电子侧出口端口布置在所述第一面处，且传感侧端口布置在所述第二面处。

进一步，沿平行于第一面的方向y，所述传感侧端口相对于光电子侧入口端口(特别是所有光电子侧入口端口)且相对于第一光电子侧出口端口和第二光电子侧出口端口(特别是所有光电子侧出口端口)而偏移达非零的最小端口-端口偏移量。

该设计基于以下理解：当光通过这些端口中的任何端口进入到光束分离器中时，在光电子侧入口端口处以及传感侧端口处生成散射光。散射光倾向于作为相对较窄的光场而通过光束分离器向相反的面传播，如果散射光到达传感侧端口或光电子侧出口端口中的一个的位置处，则散射光可在相反的面处再耦合到信号路径中。这样的再耦合导致测量中的不合期望的信号不稳定性和非预期的效应。通过如要求保护的那样来使端口偏移，可避免再耦合。

有利地，传感侧端口相对于来自光电子侧入口端口的光在其到传感侧端口的路线上所经过的任何波导接头而沿着方向y偏移达非零的最小接头-端口偏移量。在这些接头处，生成向第二面传播的杂散光。通过以该方式来使传感侧端口偏移，避免了散射光的再耦合。

在另一个有利的实施例中，所述第一光电子侧出口端口和第二光电子侧出口端口(特别是所有光电子侧出口端口)相对于来自传感侧端口的光在其到任何光电子侧入口或出口端口的路线上所经过的任何接头而沿着方向y偏移达非零的最小接头-端口偏移量。在这些接头处，生成向第一面传播的杂散光。通过以该方式来使光电子侧端口偏移，避免了散射光的再耦合。而且，还避免了从光电子侧入口端口散射的光再耦合到接头中。

在本发明的第二方面，通过一种光学干涉测量传感器装置来解决上文中的问题，该光学干涉测量传感器装置包括以下部件：

光源：该光源生成光，借助于光来执行测量。

第一光纤：来自光源的光耦合到该第一光纤中。

集成式光束分离器：光束分离器具有光电子侧入口端口、至少一个第一光电子侧出口端口、至少一个第二光电子侧出口端口，以及至少一个传感侧端口。进入光电子侧入口端口的光至少部分地耦合到传感侧端口中，且进入传感侧端口的光至少部分地分割到光电子侧出口端口中。第一光纤定位成将光发送到光电子侧入口端口中。

其(例如圆形和/或线性)双折射率作为被测变量的函数而变化的传感元件：传感元件定位成使得来自光束分离器的传感侧端口的光耦合到传感元件中、反射且耦合回到传感侧端口中，使得光束分离器可使光在光电子侧出口端口之间至少部分地分割。

至少一个第二光纤和至少一个第三光纤：来自第一光电子侧出口端口和第二光电子侧出口端口的光分别被供给到第二光纤和第三光纤中。

测量从第二光纤和第三光纤离开的光的光检测器。

四分之一波长延迟器：该延迟器布置在光纤中的至少一个与传感侧端口之间。

而且，光束分离器包括凹口或缝隙。四分之一波长延迟器相应地布置在所述凹口或缝隙中。所述凹口的深度或所述缝隙的宽度大于所述四分之一波长延迟器的厚度，特别地至少大5μm，以便有助于插入延迟器。在该上下文中，用语“厚度”、“深度”和“宽度”描述了延迟器、凹口和缝隙沿垂直于光束分离器的第一面的方向的延伸。

该设计基于以下理解：将四分之一波长延迟器放置在具有备用空间的凹口或缝隙中减小了延迟器上的机械应变，这又减少了偏振模式之间的相位延迟的不必要的波动。

有利地，四分之一波长延迟器的输入侧和/或输出侧邻接透明的粘合剂层，粘合剂层填充延迟器的一侧或两侧上的空隙，且粘合剂层的杨氏模量至多是四分之一波长延迟器的杨氏模量的1/10。这允许了粘合剂层在构件经历温度变化时屈服，由此使延迟器中的应变保持较小。

有利地，粘合剂层的厚度至少为1μm。

在许多构造中，该装置将包括布置在光纤与光电子侧入口端口之间和光纤与光束分离器的光电子侧出口端口之间的第一偏振器和第二偏振器，以便在光进入光束分离器中之后产生限定的偏振，且/或使从传感元件返回的光的模式干涉。

在该情况下，四分之一波长延迟器有利地布置在它的在所述偏振器中的至少一个与光束分离器之间的凹口中。

本发明特别适于测量电流或电压。在那些情况下，传感元件包括卷绕运载电流的导线的磁光构件或布置在由电压生成的电场中的电光构件。

本发明的两个方面可单独地或彼此组合来使用。

本发明还涉及传感器装置的使用，其通过测量来自所述光检测器的标准化信号之间的差而用于确定四分之一波长延迟器处的温度，或用于校正被测变量，其中在所述传感元件中没有相移的情况下测量所述差，或所述差从周期性被测变量的若干周期内的所述信号的低通滤波值得到。以该方式测量的温度例如可用于补偿测量结果中的温度效应，即以该方式测量的温度可用于校正被测变量。

在该上下文中，“标准化”信号之间的差为在一个或两个信号可选地缩放(以便补偿例如各信号路径中的单独损失)之后在这些信号之间的差。

附图说明

当考虑本发明的以下详细描述时，将更好地理解本发明，且除了上文阐述的目标之外的目标将变得显而易见。该描述参照了附图，在附图中：

图1显示了如在[6]中描述的传感器构造，

图2显示了常规的光束分离器中的光散射，

图3显示了具有提高的准确度的传感器构造的实施例，

图4显示了图3中的实施例的光束分离器，

图5显示了光束分离器的进一步的实施例，

图6显示了光束分离器的进一步的实施例，

图7显示了光束分离器的进一步的实施例，

图8显示了作为分离器温度的函数的标准化dc偏移量的变化，

图9显示了在温度补偿之后在恒定的施加电流下的作为分离器温度的函数的传感器信号，以及

图10显示了备选的传感器装置。

具体实施方式

常规设计的不足

图2显示了用于根据[6]的测定偏振的电流传感器中的偏振分离器(注意：与图2和以下附图中的一些图中示意性地绘制的内容相反，波导弯头和接头没有尖锐的拐角，而是实际上制造成具有限定的曲率)。通常，通过电场辅助的离子交换而在玻璃基底中制造波导[10]。基本的集成式光束分离器8为1×3分离器(通常被称为plc分离器、平面光波导电路)，如上文描述的那样，其补充有装配到端面上的分析器光学器件和光纤尾纤。

在图2中的实施例中，中心波导14为一个面上的pmf光纤与相对的面上的中心单模光纤(smf2)之间的基本上是直的连接件。两个外波导15、16在非对称的波导y形接头17、18处从中心波导14分割[11]。然而，具有对称的y形接头的波导布局也是可能的，如在图1中显示的那样。优选地，接头17、18设计成具有分束比，使得从pmf侧耦合到分离器中的光功率以相等的量而分割到三个出口通道中。于是，来自右侧的第一接头具有1:2的分束比，而另一个接头具有1:1的比。

在光纤与波导的各接口处和波导y形接头17、18处存在不可避免的光功率损失。光纤与波导的接口处的损失的原因是折射率和数值孔径的不匹配、smf与波导之间的间隙(其为分析器光学器件所需的)，以及可能的未对齐。接头处的损失为固有的辐射损失[11]。特别地，尽管来自y形接头的单分支端的光波可在损失最小的情况下以分束比1:1而分割到另一侧上的两个分支中，但沿相反方向的来自两个分支中的一个的光波的仅50%的功率将耦合到单分支侧中的波导中，其中另一半耗散到基底中。

损失的光作为非导向的杂散光、基本上平行于波导而行进通过分离器芯片。最强的杂散光的片区在图2中显示为阴影区域19。

然后，杂散光的小部分可耦合到两个检测器通道的pmf9或smf中，或可在y形接头17、18处再耦合到波导中，且与导向的信号光混合。

光束分离器8的长度可在大约10mm的范围中。对于该尺寸，已测量到来源于smf面的波长为1310nm的杂散光束的宽度在相对的pmf面处达到大概100μm-150μm，而波导在smf面处的典型间隔为250μm。因此，来自源通道(smf1)的杂散光束的外条纹可与来自y形接头17、18的辐射一起耦合到pmf中。类似地，来自pmf面和y形接头的杂散光可耦合到检测器通道(smf2、smf3)的两个smf中。对于内通道(smf2)的smf来说特别是如此。

再耦合到光纤中的杂散光的相位与行进通过波导的光的相位不同，因为波导和基底的有效折射率不同。而且，再耦合的杂散光的相对强度以及相位差两者随温度而变化。因此，杂散光以依赖温度的方式来改变两个检测器通道中的干涉强度。由于杂散效应具有差的再现性，故它们可改变且严重降低传感器的准确度。仅1ppm的相对杂散光功率部分已导致0.4%的干涉强度的峰到峰调制(其作为杂散光与导向光之间的相位差的函数)。显然，如果传感器要实现计量级的准确度(典型地，如上文进一步提到的那样，误差必须小于±0.2%)，则抑制杂散光是必要的。

不利于计量准确度的另一个干扰效应是四分之一波长延迟器小板qwr上的依赖温度的应力。因此，干涉光波的相位偏差不仅表现出延迟器的自然双折射的温度依赖性，而且表现出由应力引起的大部分随机的双折射的温度依赖性，又具有差的再现性。

在下文中，公开了偏振分离器的用以消除或减少上文讨论的缺陷的改型。

改进的偏振分离器

图3显示了类似于图1中的传感器的传感器。传感器包括具有宽带光源4(例如超发光二极管)的传感器电子单元1。光源4的光在光纤lyot消偏振器(未显示)中被消偏振，且耦合到单模光纤smf1中，以用于被引导至包括1×3光束分离器装置5的传感器头2。在光束分离器装置5处，光纤smf1保持在第一光纤保持器20中，第一光纤保持器20定位成使得从smf1离开的光经过布置在集成式光束分离器8的第一面上的凹口中的第一偏振器p1和四分之一波长延迟器qwr。

有利地，偏振器p1的偏振方向相对于光束分离器8的表面的法线成45°。然后，光耦合到光束分离器8的波导中。

在光束分离器8的相对的第二面处，光耦合到保持在第二光纤保持器21中的偏振保持光纤(pmf)尾纤9中。pmf尾纤9的主光纤轴线平行于和垂直于光束分离器8的表面的法线，即与偏振器p1的偏振方向成45°。因此，利用相同的振幅来激励pm光纤的两个正交偏振模式。

qwr的主轴线对齐成平行于pmf尾纤9的轴线，且与偏振器p1成45°。

如图1中的实施例中的那样，在来自pmf尾纤9的光进入传感光纤11之前，光被供给通过光纤延迟器10。传感光纤11形成具有围绕导线12的整数个光纤环的线圈，导线12运载待测量的电流。光从传感光纤12的远端处的反射器13反射回，且然后再次经过传感光纤12。在反射之后，两个光波的偏振状态交换，即左旋圆形光变为右旋圆形的，且反之亦然。

延迟器10将经反射的圆形波转换回正交线性波。与向前传播的波相比，返回的线性波的偏振方向也交换。由于法拉第效应，返回的正交波具有磁光相移(见以下方程3)。

在光束分离器8内，返回的光分割到第一通道和第二通道中。第一通道的正交波在偏振器p1(其为光源通道和第一通道所共有的)处发生干涉。第二通道的正交波在偏振器p2处发生干涉。偏振器p2的偏振方向与偏振器p1的偏振方向成90°。

两个单模光纤(smf2和smf3)将两个通道的光导向至传感器电子单元1中的光检测器pd1和pd2。

光束分离器8的波导呈低的双折射率，以免改变透射光的偏振状态。备选地，波导是双折射的，其中主轴线平行于和垂直于sc芯片(波导或光束分离器芯片)的平面。在后者的情况下，如果所有通道具有相同的双折射率，则向前路径和返回路径上的正交波的双折射相位延迟彼此抵消。

优选地，偏振器p1、p2为薄的玻璃小板，其包含用以使光偏振的定向金属(例如银)颗粒或大分子。典型的厚度为例如30μm。由于小的厚度，故光纤与光束分离器之间的耦合损失可保持较小。出于相同的原因，四分之一波长延迟器小板为零级小板。对于1310nm的波长，对应的石英延迟器的厚度为大约39μm。

典型地，传感光纤为低双折射光纤或高双折射旋转光纤。

在理想的状况(构件完美地角对齐、两个正交偏振模式之间没有交叉耦合、两个检测通道中没有非对称的光学损失、传感光纤无线性双折射、光纤延迟器具有准确的四分之一波长延迟)下，作为磁光相移的函数的两个检测器信号由下者给出：

s1=(so/2)(1+sin)(1)

s2=(so/2)(1–sin)(2)

其中

=4nvi(3)

这里，n、v、i分别为光纤线圈的绕组数、传感光纤的verdet常数(1310nm的波长下为~1μrad/a)，以及电流(被测变量)。so与光源功率成比例。

两个信号的差除以它们的和给出了传感器输出信号s，传感器输出信号s独立于光源功率(现有技术水平)：

s=(s1–s2)/(s1+s2)(4)

s=sin(5)

对于«1(这典型地为在正常的操作状况下的情况)，s随而线性地变化：

s=(6)

wo2015/090448a1中公开了关于信号处理的更多细节[6]。

图4更详细地显示了图3中的光束分离器8的波导布局。为了防止杂散光干扰导向光的目的而改变了布局。光束分离器8包括布置在平面(波导平面)中的多个波导区段w1-w5，以及多个光束分割接头j1、j2。

第一波导区段w1在光束分离器8的第一面22与第一接头j1之间延伸。第二波导区段w2在第一面22与区段接头j2之间延伸，且第三波导区段w3也在第一面22与第二接头j2之间延伸。第四波导区段w4在第一接头j1与第二接头j2之间延伸。第五波导区段w5在第一接头j1与光束分离器8的第二面23之间延伸。

第一波导区段w1联接到单模光纤smf1，第二波导区段w2联接到单模光纤smf2，第三波导区段w3联接到单模光纤smf3，且第五波导区段w3联接到偏振保持光纤pmf。

光束分离器8形成四个端口pt1、pt2、pt3和pt5，光可在这些端口处进入和/或离开波导。端口pt1定位在第一波导区段w1终止于第一面22处的位置。端口pt2定位在第二波导区段w2终止于第一面22处的位置。端口pt3定位在第三波导区段w3终止于第一面22处的位置。端口pt5定位在第五波导区段w3终止于第二面23处的位置。

端口pt1也表示为光电子侧入口端口，因为它从传感器电子单元1接收光，且将光耦合到光束分离器8中。端口pt2、pt3也被称为光电子侧出口端口，因为它们将待发送回的光发射到传感器电子单元1。端口pt5也被称为传感侧端口，因为它将光发射到由构件10、12和13形成的传感元件中，且从传感元件接收光。

端口pt1、pt2、pt3典型地间隔开相等的距离a，其中a表示光纤保持器20的凹槽之间的间隔。备选地，如果光纤保持器20的一个或多个凹槽维持为空的，则端口之间的间隔可为距离a的整数倍。

来自单模光纤smf1的光在端口pt1处进入到第一波导区段w1中，且部分地耦合到第五波导区段w5中，以在端口pt5处离开而进入偏振保持光纤pmf中。

从偏振保持光纤pmf返回的光在端口pt5处耦合到第五波导区段w5中，且在第一接头j1处例如以相等的部分而分割到第一波导区段1(且因此到光电子侧入口端口pt1)和第四波导区段4(且因此到第二接头j2)中。通过第四波导区段w4而到达第二接头j2处的光例如以相等的部分而分割到第二波导区段w2(且因此到第一光电子侧出口端口pt2)和第三波导区段w3(因此到第二光电子侧出口端口pt3)中，以在光电子侧出口端口pt2和pt3处分别耦合到第二单模光纤smf2和第三单模光纤smf3中。

已优化光束分离器8中的端口和接头的位置，以减少不合期望的光耦合。在下文中参照如在图4中显示的坐标系x/y而对此进行了阐释。在该坐标系中，x表示面22与面23之间的方向，即光在光束分离器8中传播所沿着的主要方向。y表示平行于第一面22且平行于波导平面的方向。

如可看到的那样，所有波导接头j1、j2以及端口pt1、pt2、pt3、pt5沿着方向y而相互移位。

特别地，传感侧端口pt5相对于所有光电子侧端口pt1-pt3而相互偏移达非零的最小偏移量。该最小偏移量取决于面22、23之间的距离l，且(对于杂散光场的典型孔径)至少为l/20，有利地至少为l/10。对于典型尺寸的光束分离器8，好的最小偏移量为250μm，且特别地，最小偏移量可等于距离a。

在本实施例中，波导接头j1、j2相对于端口pt1、pt2、pt3而沿着y沿侧向移位达距离a/2。波导区段w1、w2、w3的直的部分(即平行于方向x而延伸的部分)自身相互分开达距离a。因此，从波导接头j1、j2辐射的光(如在图4中指示的那样)不大可能耦合到smf中。

一般而言，传感侧端口pt5有利地相对于来自光电子侧入口端口pt1的光在其到传感侧端口pt5的路线上所经过的任何接头(图4中的实施例中的接头j1)而偏移(沿着方向y)达非零的最小接头-端口偏移量。

类似地，所用的光电子侧出口端口(在图4的情况下为端口pt2和pt3)相对于光从传感侧端口pt5到任何所用的光电子侧端口(pt1-pt3)所经过的任何接头(对于图4，为j1、j2)而偏移(沿着y)达非零的最小接头-端口偏移量。

该最小接头-端口偏移量取决于接头与相应的面之间的距离l。如果所述距离中的最大值为d，则接头-端口偏移量有利地至少为d/20，有利地至少为d/10。对于典型尺寸的光束分离器(其中l大约为10mm-30mm)，好的最小偏移量为125μm。

距离a选择得足够大，以将来自y形接头j1、j2的杂散光到smf中的耦合降低至亚临界水平。有利地，a应至少为250μm。

有利的距离为a=500μm。另一个有利的距离为a=250μm。较短的波导距离将使可实现的分离器芯片长度减小。

有利地，沿着方向y：

第一接头j1布置在光电子侧入口端口pt1与第一光电子侧出口端口pt2之间，有利地布置在它们之间的中心处；且/或

第二接头j2布置在第一光电子侧出口端口pt2与所述第二光电子侧出口端口pt3之间，有利地布置在它们之间的中心处。

第五端口pt5且因而pmf相对于端口pt1、pt2、pt3(特别是相对于第一端口pt1)而沿侧向移位，其中大量的光散射到第二面23的方向中。

有利地，第五端口pt5相对于第一端口pt1而沿着方向y移位达距离a(或更多)。

同样有利地，传感侧端口tp5相对于第一接头j1而沿着方向y移位达距离a(或更多)，因为大量的光从第一接头j1散射到第二面23的方向中。

同样地，第二端口pt2和第三端口pt3有利地相对于第五端口pt5而沿着方向y移位达至少a的距离，和/或相对于第一接头j1和/或第二接头j2而沿着方向y移位达至少a/2。

这样，有效地防止了来自源smf(smf1)和波导接头的杂散光耦合到pmf中。反之亦然，在从pmf到第五端口pt5中的过渡部处生成的杂散光不可在y形接头处耦合到波导中，或耦合到smf中。

图4显示了用以防止四分之一波长延迟器qwr的板上的应力的进一步的改型。

光束分离器8的第一面22设有凹口24，四分之一波长延迟器qwr以无应力的方式定位在凹口24内。凹口22可具有在例如40μm到150μm的范围中、特别地在45μm与100μm之间的范围中的深度(沿方向x)(为了比较，如上文提到的那样，在1310mm的波长下的石英四分之一波长延迟器具有39μm的厚度)。四分之一波长延迟器qwr例如借助于软粘合剂层25(诸如，软的硅树脂、丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯或具有低于-40℃的玻璃化温度的粘合剂层)而固定在凹口中。因此，四分之一波长延迟器qwr在扩展的温度范围内、特别地在从-40℃到85℃的范围中保持无应力。相比之下，在常规的装置[5,6]中，延迟器刚性地粘在光纤保持器与分离器芯片之间，且因此易于产生应力诱导的双折射。

有利地，软粘合剂层25定位在四分之一波长延迟器qwr的两侧上。各粘合剂层25的厚度有利地至少为1μm。

具有延迟器的凹口22可放置到源通道中(即，在光电子侧入口端口pt1处)，或放置到两个检测器通道中(即，在光电子侧出口端口pt2、pt3处)。

然而，延迟器定位在光电子侧入口端口pt1与靠近光电子侧入口端口pt1的传感侧接头(即，图4中的实施例中的接头j1)之间的源通道中是有利的。相比于定位在两个检测器通道中(见图2)，由于残余应力而导致的正交偏振状态之间的相位偏差或交叉耦合的残余干扰对于两个被检测的信号来说则是共模的，即对于延迟器位置的这种选择减小了应力对最终传感器输出的影响。

图5中显示了根据本发明的另一个分离器改型。该改型大部分等同于图4中的改型，但传感侧端口pt5现在移向光束分离器8的芯片的相反的边缘，即传感侧端口pt5定位(如沿着方向y而看到的那样)在四分之一波长延迟器qwr的相反的侧部上。另外，传感侧端口pt5相对于第一面22处的最接近的端口(在该情况下为pt3)而沿着方向y沿侧向移位达至少a的距离。该改型具有的优点为，用于延迟器qwr的凹口24具有较小的深度(沿着侧向方向y)。因此，在第一面22处提供了用于将光纤保持器20粘到光束分离器8的较大的表面面积(假设类似的芯片宽度)。如果波导半径保持相同，则缺陷是波导区段w5相对于接头j1的侧向位移较大，且因此沿着方向x的分离器长度较长。

图6显示了根据本发明的进一步的光束分离器8。该改型包括常规的1×4plc分离器，其又补充有用于测定偏振的电流传感器中的分析器光学器件。在该实施例中，存在一个光电子侧入口端口pt1，且存在三个光电子侧出口端口pt2-pt4，而仍存在仅一个传感侧端口pt5。

在该实施例中，光束分离器8包括第一接头j1、第二接头j2和第三接头j3。第一接头j1使来自传感侧端口pt5的光在第二接头j2与第三接头j3之间分割，而第二接头j2使来自第一接头j1的光在第二光电子侧出口端口pt3与第三光电子侧出口端口pt4之间分割。第三接头j3使来自第一接头j1的光在光电子侧入口端口pt1与第一光电子侧出口端口pt2之间分割。

相比于1×3plc分离器芯片(图2)，波导接头j1、j2、j3是对称的(所有接头均具有1:1的分束比)。

除了最接近于传感侧端口pt5的接头j1之外，没有接头与波导-光纤端口成直线。(接头j1与pmf成直线，但不与任何光电子侧端口pt1、pt2、pt3、pt4成直线)。因此，pmf也不与检测器通道的任何smf成直线。因此，相比于现有技术水平的1×3偏振分离器，1×4偏振分离器还显著地减小杂散光的影响。注意，通道2和通道3的信号是等同的。两个通道中的一个可用作备用通道。备选地，如果偏振器p1覆盖通道ch1和ch2，且偏振器p2覆盖通道ch3和ch4，则通道ch3和ch4的信号是等同的。

1×4偏振分离器相对于1×3偏振分离器的小的缺陷是，对于给定的光源功率，到达光检测器的光功率为1/1.74(理论上)倍。

代替1×3或1×4的集成光学器件的(偏振)分离器，可利用m×n的集成光学器件的(偏振)分离器(其中m=1、2、...，特别地m=1，且n=5、6、7、...)。这允许连接到至少两个(特别地，至少四个)光电子侧出口端口，以提供指示被测变量的至少两个冗余信号。这些冗余信号典型地在至少两个单独的光电子模块或传感器电子单元1中生成。例如，可制备1×6分离器以提供两对等同的检测器信号和一个备用信号(或如果还利用通过源通道光纤返回的信号，则提供三对等同的检测器信号)。这允许操作具有冗余信号处理电子单元1中的若干单元的一个传感器头，或将信号输送至不同位置处的电子设备。

原则上，代替将四分之一波长延迟器qwr放置到第一面22处的凹口24中，光束分离器8可配备有用于接纳延迟器qwr的缝隙26，如在图7中显示的那样。利用在至少一侧上、有利地在两侧上的软的粘合剂25而将延迟器qwr粘到缝隙26中。另外，各粘合剂层的厚度(沿方向x)有利地至少为1μm。

然而，该布置是不那么优选的，因为在缝隙26之前的非导向光可在缝隙之后与导向光一起耦合到波导中，且又引起不合期望的干涉效应。

性能

如在参考文献5中阐释的那样，在交变电流测量的情况下，可利用相位偏差相对于温度的变化来作为分离器和光纤线圈的位置处的温度的量度。相位偏差根据两个检测器信号的低通滤波差除以它们的和而得出(这里被称为标准化dc偏移量)。

在该上下文中，“低通滤波”标示周期性被测变量(诸如周期性电流或电压信号)的多个周期内的信号的平均值。

因此，可补偿传感器的任何残余温度依赖性。显然，基本上无应力的延迟器是该方法的先决条件。只有延迟器的依赖温度的自然双折射才确定相位偏差，而不是应力诱导的双折射。

图8显示了具有如本文描述的光束分离器8的传感器的作为光束分离器温度的函数的标准化dc偏移量的变化。显然，dc偏移量(即相位偏差)随温度而线性地变化，且没有应力或其它干扰效应。温度可从dc偏移量得到，其中准确度大约为±5℃。

因此，更一般而言，传感器装置可通过在所述传感元件中没有相移(例如，在电流或电压检测器中，对于电流或电压来说相移为零)的情况下测量来自光检测器pd1、pd2的信号之间的差而用于确定四分之一波长板qwr处的温度，或可从周期性被测变量的若干周期内的所述信号的低通滤波值得到信号之间的差。

图9显示了在温度补偿之后在恒定的施加电流下的作为分离器温度的函数的传感器信号。在从-40℃到80℃的温度范围内，信号变化在<±0.1%内，即传感器适用于具有0.2级准确度的计量。为了比较，对于现有技术水平的非优化的光束分离器，可出现百分之零点几的信号干扰。

益处

由于本文描述的技术，故偏振光束分离器8(在本文中大体上被称为分离器)可暴露于扩展的温度范围(例如，从-40℃到85℃)。因此，偏振光束分离器8不需要任何温度控制[6]，且可与传感光纤线圈一起放置到共同的壳体中(注意：该技术当然也有益于温度受控环境中的分离器)。从该布置得到的一些重要的优点如下：

光电子模块(其通常定位在变电站控制室或受热的室外隔间中)与光纤线圈壳体之间的光纤联结件由标准单模光纤构成。(分离器与线圈之间的短的偏振保持光纤区段在传感器头壳体内。)相比之下，需要温度控制的分离器必须放入光电子模块1中，或放入光电子模块1与处于高电压的光纤线圈之间的某处的处于地电位的单独封壳中。在该情况下，光纤联结件的至少一部分为偏振保持的，这提高了复杂性且增加了大量的成本。

而且，没有偏振保持联结件使得传感器不那么易于在光纤上产生机械应力。如果传感器集成到例如断路器[12,13]或高电压绝缘器中，则这样的应力可出现在例如光纤连接器(如果有的话)或光纤馈通装置处。

光纤联结件可具有标准单模光纤连接器，且不需要要求高且昂贵的偏振保持连接器。

另外，标准光纤联结件可比偏振保持联结件长得多；>10km相对于<500m。

选择使用长的光纤线缆使得能够在附近没有电源的远程位置处测量电流。对应的应用为“混合线保护”。这里，在从高架电力线到地下电力线缆的过渡部处测量电流。这样的位置可距离最近的变电站数公里远。

注意

如上文提到的那样，光束分离器8中的波导可为双折射的，其中双折射率的大小取决于制造程序。例如，对于具有10mm的长度的分离器，单程相位延迟可对应于150度。高双折射率的波导可通过给予波导椭圆形的形状来制造。在该情况下，向前的和返回的路径上的双折射率可选择为不同的(通过充分地设计用于波导制造的掩模)，使得差异对应于90°(或90°+n·180°，n=1、2、3、…)，其中公差为例如+/–10°，特别地为+/–5°。于是可避免用于引入相位偏差的额外的四分之一波长延迟器。

更一般而言，光束分离器8的波导区段有利地为双折射的，且在从光电子侧入口端口pt1传到传感侧端口pt5且以交换的偏振方向而返回到光电子侧出口端口pt2-pt4中的一个的光的两个偏振模式之间引入90°+n·180°的相移，其中n为零或正整数。

在双折射的波导的情况下，凹口的(缺失的)双折射导致对正交光波的相位偏差的额外的(依赖温度的)贡献。取决于延迟器的慢轴线和波导的相对取向，额外的贡献添加至延迟器的延迟或从延迟器的延迟减去。这可用于增强或减小相位偏差的温度依赖性。

根据本发明的分离器的改进包括用于抑制杂散光的新的波导布局和在光束分离器中的用于安装无应力的延迟器的凹口或缝隙两者。作为原则的问题，还可构想出仅实施两个措施中的一个的偏振光束分离器(或简言之，光束分离器或分离器)。

如在参考文献6中提到的那样，分离器的端面22、23可为角度抛光的(例如，相对于波导平面的法线而成8°)，以减小背反射。这可应用于仅一个面(例如pmf面)或两个面。

光束分离器8包括基底，以及集成在基底上的波导区段和接头。

典型地，分离器基底由玻璃构成。但还可构想出基于聚合物[14,15]或晶体基底(例如，si或inp[16,17])的分离器。

作为离子交换的备选方案，还可通过直接激光写入[18]或绝缘体上硅(soi)技术来生产分离器的波导。

薄膜偏振器可具有偏振颗粒集中的活性侧(或表面)。在该情况下，活性侧有利地面向光束分离器8。因此，偏振器小板的大部分中的可能的(例如，由于粘结而导致的)双折射不可影响两个正交偏振模式之间的相位差。

更一般而言，如果偏振器具有相比于第二侧部而具有更强的各向异性(依赖偏振的)吸收的第一侧部，则第一侧部应有利地面向光束分离器8。

代替单模光纤smf2和smf3，可使用多模光纤。由于多模光纤具有较大的芯体尺寸(例如62.5μm，代替smf的9μm芯体)，故减小了从sc波导到光纤中的耦合损失。

有利地，在偏振器p1、p2之后，在两个检测器通道中存在lyot型光纤消偏振器，以便避免在到光检测器的路径上的依赖偏振的损失。这样的损失将增加对光纤的机械波动的敏感性。lyot型光纤消偏振器由两个pmf区段构成，其中它们的慢轴线成90°，且长度比为2:1。代替lyot光纤消偏振器，可在各检测器通道中仅使用单个pmf区段(即双折射光纤)，pmf区段通过尾纤连接到光束分离器装置5，具有与偏振器p1、p2的偏振方向成45°(其中公差为+/–10°，特别地为+/–5°)的主轴线。pmf区段的长度选择成使得双折射群延迟大于光源的相干长度。典型地，具有至少为10cm(特别地，至少为20cm)的长度的光纤区段满足该需求。图10中显示了对应的成组的双折射光纤27、28。

应注意，本发明不仅可应用于上文描述的传感器构造，而且可应用于多种改型。图10显示了利用光纤线圈中的线性偏振光而不是两个(非相干的)圆形偏振光波来工作的传感器型式。偏振分离器和光纤线圈两者均没有四分之一波长延迟器。假定分离器的波导没有双折射。偏振器p1使来自源的光偏振。偏振光往返通过光纤线圈，且返回到检测器通道偏振器p2、p3。偏振器p2、p3与p1成±45°而对齐。传感光纤直接地通过尾纤连接到偏振分离器。两个检测器信号s1、s2再次由方程1、2给出，其中差异为项现在是由于法拉第效应而导致的偏振在光纤线圈中旋转的角度：=2vni。反射器简单地像以前的在光纤端部上的反射涂层。备选地，反射器可为45°法拉第旋转器反射镜。光双程通过装置使偏振旋转90°。于是至少部分补偿了传感光纤中(例如，分离器的光纤保持器处)的干扰的线性双折射。

在另一个传感器型式中，返回到偏振分离器的光可分割到三个检测器通道中。第三通道的偏振器平行于源通道的偏振器。如在参考文献5中公开的那样，第三通道用作条纹对比度的量度。

进一步，应注意，偏振分离器不仅适合用于光学电流传感器中，而且可用于其它类型的传感器中，其中被测变量产生正交偏振模式之间的相移差。示例为如在参考文献6中公开的光学电压传感器，其中施加于电光晶体的电压生成相移差。

在上文中的实施例中，所用的光电子侧端口与传感侧端口之间的偏移沿着方向y。然而，对于其波导节段沿三个维度而不只是在单个平面中布置的光束分离器，偏移还可沿着垂直于光束分离器的表面的方向。这也适用于波导接头与光电子侧端口和传感侧端口之间的偏移。

尽管显示且描述了本发明的目前优选的实施例，但是要清楚地理解的是，本发明不限于这些实施例，而是可在所附权利要求书的范围内以其它方式多样地体现和实践。

引用的参考文献

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参考标号列表

1传感器电子单元/光电子模块

2传感器头

3光纤

4光源

5光束分离器装置

7间隔件

8集成式光束分离器

9pmf尾纤

10延迟器

11传感光纤

12导线

13反射器

14中心波导

15、16外波导

17、18y形接头

19杂散光的核心区域

20、21光纤保持器

22、23第一面和第二面

24凹口

25粘合剂

26缝隙

27、28双折射光纤

a光纤间隔

ch1...ch4通道

j1、j2、j3接头

p1、p2偏振器

pd1、pd2光检测器

pt1、pt2、pt3、pt5端口

qwr四分之一波长延迟器

smf1、smf2、smf3单模光纤

w1、w2...波导区段。