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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft einen Sensor mit einem Sensorelement, das eine
Spule aus einer doppelbrechenden optischen Faser aufweist, für die Messung des
durch einen Leiter fließenden
Stroms.
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Mit
optischen Fasern (Glasfasern) arbeitende Stromsensoren werden in
Hochspannungssystemen verwendet, beispielsweise in Elektrizitätserzeugungs- und -verteilungssystemen.
Diese Sensoren machen vom Faraday-Effekt Gebrauch, um einen durch
einen Leiter fließenden,
elektrischen Strom zu messen, und haben Vorteile gegenüber üblichen Messanordnungen,
die mit Stromtransformatoren arbeiten. Die Sensoren haben ein geringes
Gewicht und sind kompakt und verhältnismäßig wirtschaftlich herzustellen
sowie, was am wichtigsten ist, elektrisch isolierend.
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Wenn
Licht dem Einfluss eines magnetischen Feldes ausgesetzt wird, wobei
die Richtung der Lichtausbreitung auf das magnetische Feld abgestimmt
ist, läuft
der rechtsgedrehte, polarisierte Schwingmode schneller als der linksgedrehte,
polarisierte Schwingmode. Dadurch wird eine Phasenverschiebung,
der Faraday-Effekt, zwischen den polarisierten Schwingmoden erzeugt,
und das Maß der Phasenverschiebung
ist der Stärke
des magnetischen Feldes proportional. Damit ist die Phasenverschiebung
dem Strom proportional, der das magnetische Feld erzeugt, und die
Stromstärke
kann von der Messung des Maßes
der Phasenverschiebung abgeleitet werden. Der Faraday-Effekt ist
jedoch schwach, und eine große
Anzahl von Windungen der optischen Faser muss um einen Leiter gewickelt
werden, um eine Faserlänge
zu erreichen, die für
eine messbare Phasenverschiebung erforderlich ist.
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Doppelbrechende,
optische Spinnfasern können
mit Vorteil bei der Bildung von Spulen verwendet werden, die eine
große
Anzahl von Windungen haben, weil im Gegensatz zu üblichen
optischen Fasern der Nachrichtentechnik die doppelbrechenden Spinnfasern
mit einem kleinen Radius gewickelt werden können, ohne die Polarisationseigenschaften ernstlich
zu beeinflussen. Dadurch wird die Herstellung von kompakten Stromsensoren
erleichtert. Ein Problem entsteht jedoch bei der Verwendung von doppelbrechenden,
optischen Spinnfasern dadurch, dass die Phasenverschiebung zwischen
den Eigenpolarisationsmoden einer derartigen Faser sich mit der
Temperatur ändert.
Eine geringe Temperaturänderung
kann dieselbe Phasenverschiebung wie eine große Änderung des durch den Leiter
fließenden Stroms
erzeugen, und deshalb sind schon verschiedene Techniken vorgeschlagen
worden, um die Temperaturempfindlichkeit der doppelbrechenden Spinnfaser
zu kompensieren, wobei diese Techniken die Einführung von temperaturempfindlichen,
orthokonjugierten Reflektoren und Breitbandsysteme mit Rückstrahlung
einschließen.
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Die
US-A-4370612 beschreibt die Verwendung einer optischen Faser, die
um einen Leiter gewickelt ist. Ein Lichtstrahl von einem Laser wird
an beiden Enden der Faser über
eine optische Trenn- und Koppelschaltung eingekoppelt, die einen
Strahltrenner aufweist. Die beiden Lichtwellen fließen im Betrieb
in der Faser in entgegengesetzten Richtungen, treten an beiden Enden
aus und werden rekombiniert. Die sich ergebende Strahlung wird mit
einem Fotodetektor gemessen. Die resultierende Strommessvorrichtung
benutzt den vorbeschriebenen Faraday-Effekt, um den Strom in Abhängigkeit
von der durch den Fotodetektor gemessenen Lichtstärke zu messen.
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Die
GB-A-2190744 offenbart eine Vorrichtung zur Messung von magnetischen
Feldern, wobei der Faraday-Effekt ausgenutzt wird. Eine optische Faser
ist in einer Spule angeordnet, die eine verminderte Doppelbrechung
hat, die durch das Spinnen während
des Ziehvorganges erzeugt wird. die Faser kann um einen Leiter gewickelt
sein, um den Strom in diesem Leiter zu messen. Maßnahmen
zur Kompensation von Temperaturänderungen
und zur Eliminierung von Spannungsdoppelbrechung werden beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Stromsensor, der derart ausgebildet
ist, dass er die Wirkungen der Temperaturempfindlichkeit vermindert,
und der die Herstellung einer kompakten Strommessvorrichtung erleichtert,
die aufgrund ihres Aufbaus für
die Verwendung in verschiedenen Anwendungsfällen geeignet ist.
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Daher
sieht die vorliegende Erfindung einen Stromsensor mit einem Sensorelement
vor, das eine Spule aus einer doppelbrechenden Einzelglasfaser aufweist,
die betriebsmäßig um einen
stromführenden
Leiter angeordnet ist, mit einer Lichtquelle, die derart ausgebildet
ist, dass das von ihr ausgehende Licht in die die Spule bildende
Einzelglasfaser gerichtet ist und durch diese hindurchgeht, mit
einer Strahlaufteilungsvorrichtung, die mit der Lichtquelle und den
Enden der Einzelglasfaser optisch gekoppelt ist, und mit einem Detektor,
der mit den Enden der Einzelglasfaser mittels der Strahlaufteilungsvorrichtung optisch
gekoppelt ist. Dabei ist die Strahlaufteilungsvorrichtung derart
ausgebildet, dass sie das von der Lichtquelle ausgehende Licht in
der Weise aufteilt, dass sich entgegengesetzt ausbreitende Lichtstrahlen
in die Spule mit Hilfe der Enden der Einzelglasfasern eingegeben
werden, und dass sie die sich entgegengesetzt ausbreitenden und
aus den Enden der Einzelglasfaser austretenden Lichtstrahlen kombiniert.
Ferner ist der Detektor derart ausgebildet, dass die Glasfaser eine
doppelbrechende Einzelglasspinnfaser aufweist. Die Interferenz zwischen
verschiedenen elliptischen Moden der sich in entgegengesetzten Richtungen
ausbreitenden Lichtstrahlen wird an den Enden der Glasfaser verringert,
wobei die Temperaturempfindlichkeit des Sensors vermindert wird.
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Der
Sensor ist in einem Muster auf einem Sagnac-Inferometer angeordnet,
wodurch die Verwendung einer gesponnenen, doppelbrechenden Einzelglasfaser
bei der Bildung einer Spule ermöglicht
wird. Die Stärke
des durch einen Leiter fließenden
Stroms ist im Sensorbereich durch die Messung des Maßes der
Phasenverschiebung zwischen den Polarisationsmoden der sich entgegengesetzt
ausbreitenden Lichtstrahlen festgelegt.
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Der
Sensor kann allein zur Erkennung eines bestehenden Stromflusses,
beispielsweise in einem Erdleiter unter Fehlerbedingungen, verwendet
werden. Der Sensor kann jedoch in einer bevorzugten Ausführung zur
Erkennung der Stromstärke
in einem Leiter verwendet werden, wobei er derart verwendet werden
kann, dass er ein Maß der
Größe oder
eine Anzeige der Existenz einer vorgegebenen Größe vorsieht.
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Die
Strahlaufteilungsvorrichtung ist vorzugswiese derart ausgewählt, dass
sie eine temperaturstabile Verzögerung
bietet, um die Notwendigkeit der Einführung einer kompensierenden,
temperaturabhängigen
Variablen zu vermeiden. Zu diesem Zweck sollte die Strahlaufteilungsvorrichtung
gegenüber
der Spulenfaser eine niedrige Verzögerung zeigen.
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Die
optische Kopplung zwischen der Strahlaufteilungsvorrichtung und
den Enden der Glasfaser erfolgt vorzugsweise in der Weise, dass
die Winkelbeziehung zwischen dem Glasfaserkern und der Lichtpolarisation
an beiden Enden der Glasfaser jederzeit im Wesentlichen gleich ist.
Wenn dieses Merkmal im Sensor nicht vorhanden ist, sollte die Lichtquelle
eine Quelle mit kurzwelligem, kohärenten Licht enthalten.
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Die
Strahlaufteilungsvorrichtung weist vorzugsweise einen Glasfaserkoppler,
typischerweise einen 2 × 2-Koppler,
auf, doch kann sie alternativ durch einen großen optischen Strahlteiler,
beispielsweise einen halbversilberten Spiegel, gebildet werden.
Die Strahlaufteilungsvorrichtung enthält vorzugsweise einen 3 × 3-Koppler,
und drei Detektorelemente sind vorzugsweise an den Enden der Glasfaser
angekoppelt, damit die Größe und die
Richtung des durch den Leiter fließenden Stroms festgestellt werden
kann.
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Die
Lichtquelle würde
normalerweise eine Quelle mit kohärentem oder nahezu kohärentem Licht
enthalten und würde
so normalerweise einen Laser oder eine laserähnliche Vorrichtung, beispielsweise
eine Superluminiszenzdiode, aufweisen, wobei die Stromstärke gemessen
werden soll. Aber die Lichtquelle kann eine Quelle mit nichtkohärentem Licht
bei gewissen Anwendungen des Sensors aufweisen, beispielsweise dann,
wenn die bloße
Existenz des Stroms festgestellt werden soll.
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Der
Detektor kann entweder direkt oder indirekt mit der Strahlaufteilungsvorrichtung
verbunden sein, und der Detektor hat vorzugsweise die Form einer
Vorrichtung, die derart arbeitet, dass sie die Intensität der Interferenzstrahlen
misst.
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Die
Erfindung wird besser aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten
Ausführungen
eines Stromsensors verstanden werden, wobei die Beschreibung sich
auf die beigefügten
Zeichnungen stützt.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild des Stromsensors und eines Teiles eines Leiters,
der vom Stromsensor umgeben ist und durch den der Strom fließt,
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2 u. 3 Blockschaltbilder
alternativer Ausführungen
des Sensors, wobei beide Ausführungen
einen 2 × 2-Koppler
als Strahlaufteilungsvorrichtung aufweisen,
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4 eine
grafische Analyse von optischen Signalen, die als Ausgangssignale
von der in den 2 u. 3 gezeigten
Sensoranordnungen abgeleitet werden, zusammen mit der Wellenform
des durch den Sensor gemessenen Leiterstroms,
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5 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführung des Stromsensors, der
einen 3 × 3-Koppler
als Strahlauftei lungsvorrichtung aufweist,
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6 eine
grafische Analyse von optischen Signalen, die als Ausgangssignale
von der in 5 gezeigten Sensoranordnung
abgeleitet werden, zusammen mit der Wellenform des durch den Sensor gemessenen
Leiterstromes und
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7 die
erwünschte
Winkelbezeichnung zwischen den betreffenden Enden einer Glasfaser, aus
der ein Spulenteil des Sensors gewickelt ist, und die Momentanpolarisation
des Lichts, das in den Faserkern an dessen entsprechenden Enden
eintritt.
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Verfahren zur Ausführung der
Erfindung
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Wie
in den 1 und 2 dargestellt ist, weist der
Stromsensor eine Spule 10 aus einer doppelbrechenden Spinnglasfaser 11 auf.
Die Spule 10 hat typischerweise eine Länge in der Größenordnung von
50 cm, einen Durchmesser von 10 cm und ist mit weniger als 100 m
bis zu einem Maximum von 500 m der Glasfaser aufgewickelt. Im Sensorbetrieb
ist die Spule 10 konzentrisch um einen Leiter 12 angeordnet.
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Die
Spulenfaser kann aus einer doppelbrechenden oder spannungsdoppelbrechenden
Faser bestehen (beispielsweise einer Faser mit elliptischem Kern
oder einer O-förmigen
Faser) und weist vorzugsweise eine O-förmige Faser auf, die einen Kerndurchmesser
in der Größenordnung
von 4 μm und
einen Außendurchmesser
in der Größenordnung von
80 μm hat.
Die Faser hat auch eine gesponnene Schlaglänge von 4,8 mm und eine ungesponnene Schlaglänge von
2,4 mm.
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Ein
geschmolzener, spitz zulaufender 2 × 2-Koppler 13 mit
einer niedrigen Innenverzögerung (d.
h. weniger als etwa 10°)
ist an den Enden der Spulenfaser 11 aufgespaltet und an
Verbindungselemente 14 angeschlossen, die eine Drehverbindung (im
Folgenden erläutert)
erlauben, die zwischen den Koppleradern 15 und den Enden
der Spulenfaser herzustellen ist.
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Eine
Lichtquelle 16 in Form einer Laserdiode, die eine Laserwellenlänge in der
Größenordnung von
670 nm hat, ist mit beiden Enden der Spulenfaser 11 mittels
des Kopplers 13 gekoppelt, und ein Isolator 17 ist
vorgesehen, um Rückstrahlungen
zur Lichtquelle zu vermeiden. Das von der Lichtquelle 16 ausgehende
Licht wird mittels des Kopplers 13 in zwei sich entgegengesetzt
ausbreitende Strahlen aufgeteilt, die in die entsprechenden Enden
der Spulenfaser 11 eintreten.
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Ein
Detektor 18 ist mit den Enden der Spulenfaser 11 mittels
des Kopplers 13 gekoppelt. Der Detektor weist eine Siliziumfotodiode
auf und arbeitet derart, dass die Intensität des Interferenzstrahls gemessen
wird. Daher erkennt der Detektor in wirksamer Weise die Phasenverschiebung
zwischen den Polarisationsmoden der sich entgegengesetzt ausbreitenden
Lichtstrahlen.
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3 zeigt
eine alternative Anordnung für den
Sensor, wobei zwei 2 × 2-Koppler 19 und 20 zur optischen
Kopplung der Lichtquelle 16 und des Detektors 18 an
die Enden der Spulenfaser 11 verwendet werden.
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Wenn
ein halbversilberter Spiegel oder ein in den 2 und 3 gezeigter
2 × 2-Koppler
als Strahlaufteilungsvorrichtung benutzt wird, sind zwei um 180° verschobene
Strahlen für
die Erkennung verfügbar,
wobei einer dieser Strahlen vom anderen abgeleitet sein kann, so
dass ein einzelner Detektor verwendet werden kann. Wie in 4 gezeigt
ist, hat jedoch in demjenigen Fall, in dem ein optisches Signal
einen Maximalwert aufweist, das andere Signal einen Minimalwert,
und an diesen Wendepunkten fällt
die Änderungsrate
der vom Strom abhängigen Lichtintensität auf Null.
Ferner ist die Richtung der Stromänderung unbestimmt, weil beim
Vorliegen der Spitze der sinusförmigen
optischen Welle eine Abnahme oder Zunahme des Stroms eine Abnahme des
optischen Ausgangssignales erzeugt.
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Eine
weitere bevorzugte Anordnung für
den sensor ist in 5 dargestellt, die eine Sensoranordnung
zeigt, die mindestens teilweise die Schwierigkeiten vermeidet, die
vorstehend anhand der 4 beschrieben worden sind. Bei
der in 5 gezeigten Anordnung werden ein 2 × 2-Koppler 21 und
ein 3 × 3-Koppler 22 für die optische
Lichtkopplung von einer einzelnen Quelle 16 an die zwei
Enden der Spulenfaser 11 und zur Kopplung von drei Detektorelementen 18A, 18B und 18C an
die Enden der Spulenfaser verwendet. Daher wird das zurückkehrende
Licht von der Spule zwischen drei Fasern aufgeteilt, und der grundsätzliche
Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die ganze Wellenform
des Stroms im Leiter 12 am Ausgang der Spule 10 rekonstruiert
werden kann.
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Wie
in der grafischen Analyse der 6 gezeigt
ist, ist bei jedem Momentanwert des durch den Leiter fließenden Stromes
einer der Ausgangssignale der Spule in einem Bereich, in dem die
Lichtintensität sich
mit einer Stromänderung
schnell ändert.
Dies erlaubt die Ableitung der Stromrichtung und der Stromstärke.
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Wie
in der 5 gezeigt ist, werden die Ausgangssignale der
drei Detektorelemente 18A, 18B und 18C analogen
Teilern 23 zugeführt,
die zur Normalisierung der Signale in Bezug auf die Laserleistung
der Quelle 16 verwendet werden. Dann wird eine Interferenzstreifenzählung ausgeführt, wobei Diskriminatoren
und eine Kombinationslogik 24 benutzt werden, die zur Interferenzstreifenzählung vorgesehen
ist und den optimalen Bereich für
die Interferenzstreifeninterpolierung auswählt. Die Diskriminatoren sehen
eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen je Interferenzstreifen und
die Größe vor,
bei der die Triggerung der Diskriminatoren abhängig von der Stromrichtung
ist. Aus dieser Information erzeugt die Interferenzstreifenzählung eine
Acht-Bit-Zahl, die einer Grobmessung des Stromes entspricht. Die
Feinauflösung
in jedem Interferenzstreifenbereich wird durch einen Analog-Digital-Wandler 25 (A/D-Wandler)
vorgenommen, der die Spannung an demjenigen Interferenzstreifen
misst, der durch asynchrone Zeitnetzwerke 26 ausgewählt wird.
Der A/D-Wandler hat eine vorbestimmte Anzahl von Quantisierungspegeln über den
ganzen Spannungsbereich des Signales, und eine Majorität dieser
Pegel fällt
in die Diskriminatorpegel, zwischen denen die Interpolation vorgenommen
wird. Die Ausgangssignale der Interferenzstreifenzählnetzwerkes
und des A/D-Wandlers werden einer Nachschlagtabelle 27 zugeführt, von
der ein Ausgangssignal mit einer 16-Bit-Auflösung
und -Linearität
abgeleitet wird.
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Bei
jeder der oben beschriebenen Sensoranordnungen besteht jeder der
in die Spulenfaser eintretenden Lichtstrahlen aus zwei elliptischen
Polarisationsmoden. Diese Moden haben verschiedene Phasengeschwindigkeiten,
die beim Vorhandensein einer kleinen zusätzlichen Doppelbrechung aufrechterhalten
werden, wie diejenigen, die durch Beugung oder durch Farady-Rotation
erzeugt werden, und in dieser Hinsicht verhalten sich die Moden
in ähnlicher Weise
wie die Moden in einer linear doppelbrechenden Faser. Diese Moden
haben aber im Gegensatz zu den linear doppelbrechenden Fasern keine
konstante Polarisation, weil trotz der konstanten Elliptizität der Moden
sich die Orientierung der Hauptachse längs der Faser periodisch ändert.
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Das
vorstehend erwähnte
Problem, das sich aus der temperaturinduzierten Phasenverschiebung zwischen
den Polarisationsmoden ergibt, wird bei dem Sensor der vorliegenden
Erfindung als Folge der sich entgegengesetzt ausbreitenden Lichtstrahlen
E7 und E ausgeschaltet, Die Ausschaltung
des Temperatureffektes kann sehr leicht klar werden, wenn nur eine
der Moden für
jede Richtung betrachtet wird, und zur Vereinfachung sei angenommen,
dass die Faser eine rechtsgedrehte Steigung hat und dass nur die
sich in entgegengesetzter Richtung ausbreitenden, rechtsgedrehten
elliptischen Moden ER 7 und
ER erregt sind. Jeder Temperaturanstieg
erzeugt einen identischen Abstieg der Phasengeschwindigkeit beider
rechtsgedrehten elliptischen Moden. Wenn diese elliptischen Moden
an ihren Ausgängen
miteinander interferieren, bleibt ihre betreffende Phase unverändert, und
damit bleibt auch die Amplitude der kombinierten Welle unverändert. Daher
beeinflusst eine Temperaturänderung
nicht die Lichtintensität
am Detektor.
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Der
Sensor bleibt jedoch aufgrund des Faraday-Effekts gegen magnetische
Felder empfindlich, weil das Feld die sich entgegengesetzt ausbreitenden
Strahlen unterschiedlich beeinflusst. Ein Feldanstieg verursacht
einen Anstieg der Phasengeschwindigkeit desjenigen Mode, der in
Richtung des Feldes läuft,
und einen Abfall der Phasengeschwindigkeit desjenigen Mode, der
entgegen dem Feld läuft.
Die Moden stoßen
am Ausgang zusammen, und daher kann die Größe des Stromes als Maß der durch
das magnetische Feld induzierten Phasenverschiebung bestimmt werden.
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Wenn
in ähnlicher
Weise nur die linksgedrehten Moden EL+ und
EL– erregt
werden, wird das Ausgangssignal wieder durch die Temperaturänderung
nicht beeinflusst; das Ausgangssignal bleibt jedoch gegen das magnetische
Feld empfindlich.
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Da
beide Moden isoliert sich in dieser Weise verhalten, folgt, dass
bei der Erregung derselben Moden im selben Maß in beiden Richtungen die
Wirkung der Temperaturänderungen
doch eliminiert wird. Dies geschieht, wenn die Polarisation des
in die beiden Enden der Spulenfaser 11 eingekoppelten Lichts eine
identische Elliptizität
und die gleiche Orientierung in Bezug auf die Endfläche der
Faser aufweist. Diese Situation ist in 7 dargestellt,
die denselben Winkel θ zwischen
der Hauptachse des Kerns an jedem Ende der Faser 11 und
dem Polarisationswinkel des eintretenden Lichts zeigt. Daher ist
die optische Kopplung zwischen dem 2 × 2-Koppler und den Enden der
Spulenfaser derart beschaffen, dass die Winkelbeziehung zwischen
dem Spulenfaserkern und der Lichtpolarisation zu jedem Zeitpunkt
die gleiche an beiden Enden der Faser ist.
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Dies
kann dadurch erreicht werden, dass die Ausrichtung der Enden der
Faser vor dem Aufspleißen
sorgfältig
vorgenommen wird, doch ist es in der Praxis leichter und zuverlässiger,
wie vorstehend erwähnt
wurde, wenn die ganze Spleißstelle
gedreht wird, an der die Koppleradern die Spulenfaser verbindet,
so dass die Endfläche
der Faser zur Polarisation des vom Koppler kommenden Lichtes ausgerichtet ist.
Da die Drehung der Spleißstelle
eine zusätzliche, kleine,
kreisförmige
Doppelbrechung in den Koppleradern erzeugt, muss die Spleißstelle
um einen etwa 10% höheren
Betrag als derjenige Betrag gedreht werden, der normalerweise bei
der Anstellung eines einfachen Vergleiches des Polarisationszustandes
mit der Orientierung der Endfläche
der Faser erforderlich sein würde.
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Wenn
die Polarisation des vom Koppler kommenden Lichtes nicht im selben
Winkel in beiden Richtungen ausgerichtet ist, dann wird ein Teil
des sich in einer Richtung ausbreitenden, rechtsgedrehten, elliptischen
Mode mit dem sich in der anderen Richtung ausbreitenden, linksgedrehten,
elliptischen Mode interferieren, und diese Interferenz ist gegen Temperaturänderungen
empfindlich.