FR2492986A1 - Faraday effect fibre optic ammeter - has optical fibre wound around conductor transmitting light with progressively rotating polarisation - Google Patents
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Abstract
Description
Ampèremètre à effet Faraday dans une fibre optique L'invention concerne unThe invention relates to a Faraday effect ammeter in an optical fiber.
ampèremètre à effet Faraday dansFaraday effect ammeter in
une fibre optique.an optical fiber.
On sait que de tels ampèremètres permettent la mesure du courant parcourant une ligne électrique notamment à haute tension et présentent l'avantage de fournir un signal de mesure sur un appareillage situé à distance de cette ligne, sans autre liaison It is known that such ammeters allow the measurement of the current flowing through an electrical line in particular at high voltage and have the advantage of providing a measurement signal on an apparatus located at a distance from this line, without other connection
entre la ligne et cet appareillage que deux fibres optiques élec- between the line and this equipment that two optical fibers
triquement isolantes. L'une de ces fibres de liaison amène une lumière polarisée monochromatique à une cellule à effet Faraday soumise au champ magnétique de la ligne électrique, l'autre ramenant cette lumière à l'appareillage pour permettre de mesurer la rotation de la direction de polarisation de la lumière sous l'action du triply insulating. One of these connecting fibers brings a monochromatic polarized light to a Faraday effect cell subjected to the magnetic field of the electric line, the other bringing this light to the apparatus to allow the rotation of the polarization direction to be measured. light under the action of
champ magnétique.magnetic field.
Le développement des fibres optiques unimodales à faible atténuation donne un intérêt accru aux systèmes de mesure du courant basés sur l'interaction magnéto-optique de Faraday. Une telle fibre fournit en effet un chemin optique pour une onde optique polarisée et assure les fonctions mesure et télémesure avec l'isolement The development of unimodal optical fibers with low attenuation gives increased interest to current measurement systems based on Faraday's magneto-optical interaction. Such a fiber in fact provides an optical path for a polarized optical wave and provides the measurement and telemetry functions with the isolation.
nécessaire à la mesure du courant sur les lignes haute tension. necessary for current measurement on high voltage lines.
Elle se prête par ailleurs à la configuration géométrique optimale, du point de vue de l'interaction magnéto-optique. Cette configuration It also lends itself to the optimal geometric configuration, from the point of view of magneto-optical interaction. This configuration
comporte une bobine de N tours de fibre autour du conducteur électrique. has a coil of N turns of fiber around the electrical conductor.
La rotation Faraday proportionnelle à la circulation du champ magné- The Faraday rotation proportional to the circulation of the magnetic field
tique le long du chemin optique est égale à Vf.N.I. o Vf est la tick along the optical path is equal to Vf.N.I. where Vf is there
constante de Verdet caractéristique du matériau du guide d'onde. Verdet constant characteristic of the waveguide material.
La fabrication de fibres unimodales à faible atténuation permet donc d'espérer une haute sensibilité liée à la longueur d'interaction The manufacture of unimodal fibers with low attenuation therefore makes it possible to hope for a high sensitivity linked to the interaction length.
possible (multiplication du nombre de tours). possible (multiplication of the number of turns).
Cependant cette haute sensibilité ne peut être obtenue en pratique avec les fibres optiques disponibles dans le commerce du fait que celles-ci ne sont pas isotropes et présentent le phénomène de biréfringence linéaire résultant d'une différence entre les constantes de propagation des deux états de polarisation orthogonaux However, this high sensitivity cannot be obtained in practice with commercially available optical fibers since these are not isotropic and exhibit the phenomenon of linear birefringence resulting from a difference between the propagation constants of the two polarization states. orthogonal
du mode fondamental.of the fundamental mode.
Il est bien connu que la biréfringence linéaire d'un milieu - 2- parcouru par de la lumière selon une direction se traduit par un déphasage progressif entre les deux composantes lumineuses polarisées selon les deux directions des axes principaux de biréfringence de ce milieu, ces axes étant perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation. L'angle de ce déphasage peut être exprimé en degrés par le produit d.l., d étant un coefficient de biréfringence linéique dépendant du milieu et de la direction de propagation, It is well known that the linear birefringence of a medium - 2- traversed by light in one direction results in a progressive phase shift between the two light components polarized in the two directions of the main axes of birefringence of this medium, these axes being perpendicular to each other and to the direction of propagation. The angle of this phase shift can be expressed in degrees by the product d.l., d being a coefficient of linear birefringence depending on the medium and the direction of propagation,
1 étant la longueur parcourue par la lumière dans ce milieu. 1 being the length traveled by light in this medium.
Il convient de noter ici que l'effet Faraday qui se traduit par une rotation du plan de polarisation de la lumière, peut être considéré comme une biréfringence circulaire, mais que le terme It should be noted here that the Faraday effect which results in a rotation of the plane of polarization of light, can be considered as a circular birefringence, but that the term
"biréfringence" sans qualificatif désignera ci-après la seule biré- "birefringence" without qualifier will designate below only the bire-
fringence linéaire.linear fringence.
L'influence de la biréfringence va être maintenant étudié dans le cas o une bobine de mesure constituée par une fibre unimodale est susceptible d'être soumise au champ magnétique d'un conducteur The influence of birefringence will now be studied in the case where a measuring coil constituted by a unimodal fiber is liable to be subjected to the magnetic field of a conductor.
électrique axial.electric axial.
En l'absence d'interaction magnéto-optique, la différence de phase d.l. entre les deux modes propagation à polarisations orthogonales varie en fonction de la longueur 1 parcourue dans la fibre, si bien que l'état de polarisation, en générale elliptique, In the absence of magneto-optical interaction, the phase difference d.l. between the two propagation modes with orthogonal polarizations varies as a function of the length 1 traveled in the fiber, so that the state of polarization, generally elliptical,
varie périodiquement avec une longueur caractéristique L 360/d. varies periodically with a characteristic length L 360 / d.
Cette longueur peut être appelée "période de biréfringence". Les plans de polarisation des deux modes propagation sont fixés par This length can be called "birefringence period". The polarization planes of the two propagation modes are fixed by
les directions des axes principaux de biréfringence. the directions of the main birefringence axes.
En présence d'interaction magnéto-optique, les phénomènes de biréfringence linéaire et de biréfringence circulaire magnétique se superposent. Dans le cas o le champ magnétique est uniforme, sur la longueur de la fibre, l'état de polarisation en sortie de la fibre se déduit de l'état de polarisation d'entrée par une matrice In the presence of magneto-optical interaction, the phenomena of linear birefringence and circular magnetic birefringence are superimposed. In the case where the magnetic field is uniform, over the length of the fiber, the state of polarization at the exit of the fiber is deduced from the state of polarization of entry by a matrix
de transformation.of transformation.
M = IA -B | avec A = coa d-1 et B = 2F sin d. l d S' 2 -3 - obtenue dans le cas pratique o la rotation Faraday F par unité de longueur est beaucoup plus petite que la biréfringence d, ce qui revient à considérer des courants I faibles dans le conducteur électrique. La matrice est, par ailleurs, valable dans le système d'axes principaux de biréfringence. L'hypothèse "F très inférieure à d" fait que, même en présence d'interaction magnéto-optique, l'état de polarisation varie avec une périodicité de l'ordre de celle caractéristique de la biréfringence M = IA -B | with A = coa d-1 and B = 2F sin d. l d S '2 -3 - obtained in the practical case where the Faraday rotation F per unit of length is much smaller than the birefringence d, which amounts to considering low currents I in the electrical conductor. The matrix is, moreover, valid in the system of principal axes of birefringence. The hypothesis "F much less than d" means that, even in the presence of magneto-optical interaction, the state of polarization varies with a periodicity of the order of that characteristic of birefringence
linéaire seule.linear only.
Dans les dispositifs de mesure avec détection symétrique l'état de polarisation à l'extrémité de la fibre est, en général, analysé suivant deux directions orthogonales dont l'orientation est fixée à 450 des axes principaux de la fibre. A l'entrée de la fibre, la polarisation est linéaire et sa direction coIncide avec un des axes principaux, ce qui revient à exciter un seul des In measurement devices with symmetrical detection, the state of polarization at the end of the fiber is generally analyzed in two orthogonal directions, the orientation of which is fixed at 450 of the main axes of the fiber. At the input of the fiber, the polarization is linear and its direction coincides with one of the main axes, which amounts to exciting only one of the
deux modes de propagation du guide.two modes of propagation of the guide.
Dans cette hypothèse, l'énergie Px et Py enregistrée sur les deux directions d'analyse est Px = Po/2 + Po (F/d) sin d.1 Py = Po/2 _ Po (Fld) sin d.l o Po est l'énergie de la source de lumière atténuée par la ligne optique. In this hypothesis, the energy Px and Py recorded on the two directions of analysis is Px = Po / 2 + Po (F / d) sin d.1 Py = Po / 2 _ Po (Fld) sin dl o Po est the energy of the light source attenuated by the optical line.
L'information utile est obtenue électroniquement après photo- Useful information is obtained electronically after photo-
détection, généralement à l'aide de l'opérateur P Px - Py 2F sin d. l detection, generally using the operator P Px - Py 2F sin d. l
Px +Pyd -Px + Pyd -
Si, pour simplifier, on s'intéresse à l'évolution de l'énergie détectée Px en fonction de la longueur de fibre 1 (fig. 1), on note que dans la première section de fibre 0, L/4, soit pour un If, for simplicity, we are interested in the evolution of the detected energy Px as a function of the fiber length 1 (fig. 1), we note that in the first fiber section 0, L / 4, either for a
déphasage de 0 à 900, Px croit de Po/2 à Po/2 + Po (F/d) sin d.l. phase shift from 0 to 900, Px increases from Po / 2 to Po / 2 + Po (F / d) sin d.l.
La variation positive de Px est ensuite compensée dans la deuxième The positive change in Px is then offset in the second
section de fibre de 4 a.fiber section of 4 a.
Dans la demi-période de 2 à L, la variation négative de Px est de même compensée. Il ressort que sur une longueur L (déphasage 3600) l'effet de la rotation Faraday est annihilée par la biréfringence linéaire. Si on s'intéresse à l'opérateur P, on note que celui-ci aura sa valeur maximale pour d. l = 900, soit pour une longueur de fibre L/4 = 90/d. Il est donc inutile, pour une fibre donnée, d'augmenter In the half-period from 2 to L, the negative variation of Px is also compensated. It appears that over a length L (phase shift 3600) the effect of the Faraday rotation is annihilated by the linear birefringence. If we are interested in the operator P, we note that it will have its maximum value for d. l = 900, i.e. for a fiber length L / 4 = 90 / d. It is therefore unnecessary, for a given fiber, to increase
la longueur d'interaction au-delà de L/4. the interaction length beyond L / 4.
L'augmentation de sensibilité ne peut donc, dans les dispositifs connus, que résulter du choix d'un guide optique présentant à la fois la meilleure constante de Verdet et la plus faible biréfringence linéique. Dans l'application de la mesure du courant, la fibre The increase in sensitivity can therefore, in known devices, only result from the choice of an optical guide having both the best Verdet constant and the lowest linear birefringence. In the application of current measurement, the fiber
optique est bobinée sur un diamètre 2 R autour du conducteur électrique. optic is wound on a diameter 2 R around the electrical conductor.
La biréfringence linéique à considérer est alors la somme de la biréfringence intrinsèque du guide et de la biréfringence induite par la courbure de la fibre. Des biréfringences intrinsèques conduisant à des déphasages de quelques degrés au mètre ont été obtenues à la longueur d'onde 0,6328 micron du laser Be-Ne. Cette longueur The linear birefringence to be considered is then the sum of the intrinsic birefringence of the guide and the birefringence induced by the curvature of the fiber. Intrinsic birefringences leading to phase shifts of a few degrees per meter were obtained at the wavelength 0.6328 micron of the Be-Ne laser. This length
d'onde est implicite dans toutes les valeurs de biréfringence envi- is implicit in all the birefringence values around
sagées ultérieurement. La contribution de la courbure à la biréfrin- later. The contribution of the curvature to the birefrin-
gence est de la forme B/R2, B étant un coefficient dépendant de la fibre. Avec des valeurs typiques B = 0,20. m et R = 10cm, cette contribution est de l'ordre de 200. En adoptant une biréfringence linéique totale de 25 , la longueur utile 11 de fibre se situe gence is of the form B / R2, B being a coefficient depending on the fiber. With typical values B = 0.20. m and R = 10cm, this contribution is of the order of 200. By adopting a total linear birefringence of 25, the useful length 11 of fiber is located
à 3,6m soit 6 spires.at 3.6m or 6 turns.
On peut considérer que dans le cas d'un guide idéal isotrope (d = 0), l'opérateur P a, pour la longueur 1 considérée, la valeur F. 1. 3, 1416/360. Dans le cas réel o d.11 est pris égal à 900, We can consider that in the case of an ideal isotropic guide (d = 0), the operator P has, for the length 1 considered, the value F. 1. 3, 1416/360. In the real case where d.11 is taken equal to 900,
l'opérateur P a la valeur maximale F. 1/180. the operator P has the maximum value F. 1/180.
La biréfringence linéaire de la fibre conduit donc non seulement à limiter la longueur utile d'interaction mais encore à réduire The linear birefringence of the fiber therefore leads not only to limit the useful interaction length but also to reduce
la sensibilité de la mesure dans le rapport 2/3,1416. the sensitivity of the measurement in the ratio 2 / 3.1416.
On a admis, dans ce qui précède, que l'atténuation de la fibre pour la longueur 11 considérée permettait la détection sans diffuculté des signaux optiques, et que les angles de rotation dus à l'effet Faraday restaient toutjours faibles, ce qui correspond It has been admitted, in the foregoing, that the attenuation of the fiber for the length 11 considered allows the detection without diffuculty of the optical signals, and that the angles of rotation due to the Faraday effect remain always small, which corresponds
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aux cas rencontrés dans la pratique. to cases encountered in practice.
La présente invention a pour but la réalisation d'un ampèremètre à effet Faraday dans une fibre optique permettant d'obtenir une sensibilité plus grande que celle des dispositifs analogues connus utilisant des fibres optiques à biréfringence linéaire. Elle a pour objet un ampèremètre à effet Faraday dans une fibre optique, comportant - une source émettant une lumière monochromatique polarisée sensiblement linéairement; - une fibre optique "de mesure" recevant et guidant cette lumière selon le seul mode fondamental, cette fibre étant enroulée en formant une bobine autour d'un conducteur parcouru par le courant électrique à mesurer de manière que le champ magnétique créé par ce courant fasse apparaître l'effet Faraday qui entraîne une rotation progressive de la direction de la polarisation de la lumière qui se propage dans cette fibre, l'angle de cette rotation étant sensiblement égal au produit Fm.I.l, m étant un coeffioient magnéto-optique caractéristique de la fibre enroulée, I étant l'intensité du courant électrique et 1 étant la longueur de fibre parcourue par la lumière, cette fibre présentant par ailleurs une biréfringence sensiblement constante entraînant une modification périodique de la polarisation de la lumière avec passage progressif d'une polarisation linéaire selon une première direction à une polarisation elliptique puis à une polarisation linéaire selon une deuxième direction symétrique de la première par rapport aux axes principaux de birefringence de la fibre, puis à une polarisation elliptique, puis retour à une polarisation linéaire selon la première direction, et ainsi The object of the present invention is to produce a Faraday effect ammeter in an optical fiber making it possible to obtain a greater sensitivity than that of known analogous devices using optical fibers with linear birefringence. It relates to a Faraday effect ammeter in an optical fiber, comprising - a source emitting monochromatic light substantially linearly polarized; - a “measuring” optical fiber receiving and guiding this light according to the only fundamental mode, this fiber being wound up forming a coil around a conductor traversed by the electric current to be measured so that the magnetic field created by this current makes the Faraday effect appears which causes a progressive rotation of the direction of the polarization of the light which propagates in this fiber, the angle of this rotation being substantially equal to the product Fm.Il, m being a magneto-optical coeffioient characteristic of the coiled fiber, I being the intensity of the electric current and 1 being the length of fiber traversed by the light, this fiber also having a substantially constant birefringence causing a periodic modification of the polarization of the light with progressive passage of a polarization linear in a first direction at an elliptical polarization then at a linear polarization in a second symmetric direction e of the first with respect to the main axes of birefringence of the fiber, then to an elliptical polarization, then return to a linear polarization in the first direction, and so
de suite, la longueur Lm de la fibre entre deux points o la polari- immediately, the length Lm of the fiber between two points where the polari-
sation est la même constituant la "période de birefringence" de cette fibre pour la longueur d'onde de cette lumière, - cet ampèremètre comportant enfin un détecteur recevant la lumière qui a parcouru cette fibre de mesure et mesurant les caractéristiques de cette lumière affectées par l'effet Faraday de manière à fournir un signal de sortie représentatif de l'intensité du courant électrique dans le conducteur, cet ampèremètre étant caractérisé par le fait que la bobine est -6 formée par une fibre continue constituée d'une succession de tronçons qui sont altermativement des tronçons de la fibre de mesure et des tronçons d'une fibre de compensation présentant l'effet Faraday avec un coefficient magnéto-optique Fe, et une biréfringence avec une période de biréfringence Le, le produit Fe.Lc étant inférieur au tiers du produit Fm. Lm, les tronçons non extrêmes de chaque fibre ayant une longueur sensiblement égale à la moitié de la période sation is the same constituting the "birefringence period" of this fiber for the wavelength of this light, - this ammeter finally comprising a detector receiving the light which has passed through this measurement fiber and measuring the characteristics of this light affected by the Faraday effect so as to provide an output signal representative of the intensity of the electric current in the conductor, this ammeter being characterized in that the coil is -6 formed by a continuous fiber made up of a succession of sections which are alternatively sections of the measurement fiber and sections of a compensation fiber having the Faraday effect with a magneto-optical coefficient Fe, and a birefringence with a birefringence period Le, the product Fe.Lc being less than a third of the Fm product. Lm, the non-extreme sections of each fiber having a length substantially equal to half of the period
de biréfringence de cette fibre.birefringence of this fiber.
Le détecteur mesurant les caractéristiques de la lumière The detector measuring the characteristics of light
affectées par l'effet Faraday peut être de divers types connus. affected by the Faraday effect can be of various known types.
Il peut par exemple mesurer l'intensité de la lumière dans un ou deux plans de polarisation. Il peut aussi décomposer la lumière en ses deux composantes circulaires de sens de rotation opposés, faire interférer deux faisceaux lumineux à polarisation linéaires parallèles issus de ces deux composantes, et mesurer les variations It can for example measure the intensity of light in one or two polarization planes. It can also decompose light into its two circular components with opposite directions of rotation, interfere with two parallel linear polarized light beams from these two components, and measure the variations
de l'intensité lumineuse résultant de l'interférence. of the light intensity resulting from the interference.
La sensibilité de l'ampèremètre est limitée de la même manière dans les deux cas par la présence de la biréfringence linéaire, de sorte que la présente invention présente les mêmes avantages The sensitivity of the ammeter is limited in the same way in both cases by the presence of linear birefringence, so that the present invention has the same advantages
dans ces deux cas.in both of these cases.
De tels détecteurs sont par exemple décrits dans l'article de J.E. THOMPSON et autres dans I.E.E Transactions on Instrumentation Such detectors are for example described in the article by J.E. THOMPSON and others in I.E.E Transactions on Instrumentation
and Measurement vol.25 n0 1 Mars 1976 p.1. and Measurement vol.25 n0 1 March 1976 p.1.
A l'aide des figures schématiques cijointes, on va décrire ci-après à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les ânmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné Using the attached schematic figures, we will describe below without limitation, how the invention can be implemented. It should be understood that the elements described and shown may without departing from the scope of the invention, be replaced by other elements ensuring the same technical functions. When the same element is represented on several figures it is designated there
par le même signe de référence.by the same reference sign.
La figure 1 représente un diagramme de variation de puissance lumineuse Px en fonction de la distance 1 parcourue par de la lumière polarisée dans la fibre optique d'un ampèremètre de type connu, cette puissance étant celle de la composante de la lumière polarisée FIG. 1 represents a diagram of variation of light power Px as a function of the distance 1 traveled by polarized light in the optical fiber of a known type ammeter, this power being that of the component of polarized light
selon une direction.in one direction.
Sur cette figure on a porté en ordonnée la valeur 2 Px/Po, - 7 - Po étant la puissance totale de la lumière, et on a indiqué les déphasages en degrés créés par la biréfringence linéaire, et aussi In this figure we have plotted on the ordinate the value 2 Px / Po, - 7 - Po being the total power of light, and we have indicated the phase shifts in degrees created by linear birefringence, and also
les longueurs des tronçons successifs de la fibre. the lengths of the successive sections of the fiber.
La figure 2 représente un diagramme de variation analogue à celui de la figure 1 mais dans un cas o la présente invention FIG. 2 represents a variation diagram similar to that of FIG. 1 but in a case where the present invention
est mise en oeuvre.is implemented.
La figure 3 représente une vue d'une fibre optique utilisée selon la présente invention dans cet ampèremètre, avant son enroulement FIG. 3 represents a view of an optical fiber used according to the present invention in this ammeter, before its winding
en bobine.on reel.
La figure 4 représente une vue schématique d'un ampèremètre Figure 4 shows a schematic view of an ammeter
auquel l'invention s'applique.to which the invention applies.
L'augmentation de la sensibilité obtenue grâce à la présente invention résulte de la longueur d'interaction magnéto-optique et peut s'expliquer comme suit La fibre de mesure en interaction magnéto-optique, bobinée The increase in sensitivity obtained thanks to the present invention results from the length of magneto-optical interaction and can be explained as follows The measuring fiber in magneto-optical interaction, wound
autour du conducteur électrique, se caractérise soit par une biré- around the electrical conductor, is characterized either by a bire-
fringence linéique notée dm, soit par une longueur Lm pour laquelle linear fringence denoted dm, that is by a length Lm for which
le déphasage entre les deux modes de propagation est égal à 3600. the phase shift between the two propagation modes is equal to 3600.
Puisque, au vue de la figure 1, seules les longueurs Lm/4 initiale et finale, correspondant à un déphasage de 900 à l'intérieur de la période Lm, conduisent à modifier dans le même sens l'énergie - portée par un mode de propagation, il importe de s'affranchir de Since, in view of Figure 1, only the initial and final lengths Lm / 4, corresponding to a phase shift of 900 within the period Lm, lead to a change in the same direction of the energy - carried by a mode of propagation, it is important to be freed from
la longueur Lm/2 (déphasage 1800) intermédiaire. the intermediate length Lm / 2 (phase shift 1800).
L'invention consiste à remplacer cette longueur de fibre intermédiaire de mesure par une longueur de fibre de compensation Lc/2 à l'intérieur de laquelle le déphasage entre les deux modes est encore de 1800 mais telle que la longueur Lc/2 soumise à l'interaction magnéto-optique supposée uniforme soit inférieure à Lm/2 de manière à éviter la compensation. La figure 2 montre, en fonction de la longueur de fibre, l'évolution de la puissance optique portée par un des modes de propagation. Le déphasage optimal sur le premier The invention consists in replacing this length of intermediate measurement fiber by a length of compensation fiber Lc / 2 within which the phase shift between the two modes is still 1800 but such that the length Lc / 2 subjected to the The supposed magneto-optical interaction supposed to be uniform is less than Lm / 2 so as to avoid compensation. FIG. 2 shows, as a function of the fiber length, the evolution of the optical power carried by one of the propagation modes. The optimal phase shift on the first
tronçon de la fibre de mesure est naturellement 900. stretch of the measuring fiber is naturally 900.
L'exemple figuré correspond au cas o Lm = 4Lc soit de = 4dm. The example shown corresponds to the case where Lm = 4Lc or = 4dm.
L'influence négative du tronçon de fibre de compensation sera d'autant plus faible que de est grand devant dm, c'est-à-dire The negative influence of the compensation fiber section will be weaker as de is large in front of dm, that is to say
que la longeur Le est petite par rapport à Lm. that the length Le is small compared to Lm.
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-8- La fibre bobinée est donc avantageusement constituée par une succession de tronçon alternativement constitués de la fibre de mesure présentant un faible coefficient de biréfringence dm (et un fort coefficient magnéto-optique Fm) et de la fibre de compensation présentant un fort coefficient de biréfringence de (et un faible coefficient magnétooptique), le premier tronçon appartenant à la fibre de mesure, les déphasages dus à la biréfringence prenant les valeurs suivantes à la fin des tronçons successifs: 900, 2700, 450 (=90 ), 6300 (=2700) etc. Il convient de remarquer qu'en pratique on peut obtenir un rapport de variation beaucoup plus grand entre les deux coefficients -8- The coiled fiber is therefore advantageously constituted by a succession of sections alternately made up of the measuring fiber having a low birefringence coefficient dm (and a high magneto-optical coefficient Fm) and of the compensating fiber having a high coefficient of birefringence of (and a low magnetooptical coefficient), the first section belonging to the measurement fiber, the phase shifts due to birefringence taking the following values at the end of successive sections: 900, 2700, 450 (= 90), 6300 (= 2700) etc. It should be noted that in practice it is possible to obtain a much greater variation ratio between the two coefficients
de biréfringence qu'entre les deux coefficients magnéto-optiques. birefringence between the two magneto-optical coefficients.
Si à l'extrémité de n éléments, on calcule la valeur de l'opé- If at the end of n elements, we calculate the value of the ope-
rateur P, on obtient P = F.n.Lm. (1/90). (1 - Lc/Lm) Par rapport aux dispositifs connus o P F.L./180, l'invention conduit.à augmenter la sensibilité dans le rapport 2 n (1-Lc/Lm) En considérant la valeur 3,6m pour Lm/4 le facteur (1-Lc/Lm) rator P, we get P = F.n.Lm. (1/90). (1 - Lc / Lm) Compared to known devices o P FL / 180, the invention leads to increasing the sensitivity in the ratio 2 n (1-Lc / Lm) Considering the value 3.6m for Lm / 4 the factor (1-Lc / Lm)
est de 0,95 pour Lc/2 = 36cm.is 0.95 for Lc / 2 = 36cm.
L'invention permet donc d'augmenter la longueur d'interaction jusqu'à la limite imposée par la détection des signaux optiques, The invention therefore makes it possible to increase the interaction length up to the limit imposed by the detection of the optical signals,
c'est-à-dire par l'atténuation de la ligne optique. that is to say by the attenuation of the optical line.
Il reste à réaliser la fibre optique continue bobinable selon l'invention, c'est-à-dire à induire périodiquement un déphasage de 1800, sur une courte longueur, à partir d'une fibre optique de mesure unimodale dont les caractéristiques favorables doivent It remains to produce the continuous windable optical fiber according to the invention, that is to say to periodically induce a phase shift of 1800, over a short length, from a unimodal measuring optical fiber whose favorable characteristics must
être: biréfringence et atténuation linéiques faibles. be: weak linear birefringence and attenuation.
Un premier mode préféré de réalisation de l'invention (fig.3) consiste à insérer périodiquement dans la fibre de mesure un tronçon de fibre de compensation d'origine différente. Cette insertion se fait par soudure de manière à obtenir une fibre optique stable A first preferred embodiment of the invention (FIG. 3) consists in periodically inserting into the measuring fiber a section of compensating fiber of different origin. This insertion is done by welding so as to obtain a stable optical fiber
mécaniquement, selon des techniques connues. mechanically, according to known techniques.
La longueur Lc/2 de 36cm, envisagée précédemment, se prête favorablement à la manipulation des échantillons. Une telle longueur correspond à une biréfringence linéique de =5000/m. Les différents The length Lc / 2 of 36 cm, previously considered, lends itself favorably to the handling of the samples. Such a length corresponds to a linear birefringence of = 5000 / m. The different
24929Q624929Q6
-9 - tronçons à insérer sont obtenus par sectionnements successifs de -9 - sections to be inserted are obtained by successive sectioning of
la fibre optique de biréfringence donnée dc. the given birefringence optical fiber dc.
A titre d'exemple, on peut choisir pour la fibre de mesure, une fibre à faible biréfringence de rayon de coeur a = 2 microns et de fréquence normalisée V 2,4 et, pour la fibre de compensation, By way of example, a fiber with a low birefringence of a core radius a = 2 microns and a standard frequency V 2.4 can be chosen for the measurement fiber and, for the compensation fiber,
a = 1,6 micron, V = 2,1 et de 5100/m. a = 1.6 micron, V = 2.1 and 5100 / m.
La perte au raccordement dépend essentiellement de la qualité des soudures. Il est possible d'obtenir une perte totale de 0,5 dB (10%) au raccordement par soudure des fibres. Dans cette hypothèse et en tenant compte des longueurs Lm/4 = 3,6m et Le/2 = 0,36m, The loss at connection essentially depends on the quality of the welds. It is possible to obtain a total loss of 0.5 dB (10%) at the fiber solder connection. In this hypothesis and taking into account the lengths Lm / 4 = 3.6m and Le / 2 = 0.36m,
l'augmentation de l'atténuation linéique de la ligne optique d'inte- increasing the linear attenuation of the optical line of inte-
raction due à l'insertion se situe à 0,13 dB. Pour comparaison l'atténuation linéique intrinsèque aux fibres optiques est de l'ordre de 0,05 dB. Or la sensibilité du dispositif de mesure du courant est maximale pour un nombre de spires optimal. Avec un rayon de bobinage R = 10cm le nombre de tours optimal est de 35. Dans cet exemple, le gain en sensibilité est de 6 vis-à-vis des dispositifs connus. Selon un deuxième mode non représenté de mise en oeuvre de la présente invention on forme les tronçons de fibre de compensation en créant une ou plusieurs biréfringences locales sur une fibre reaction due to insertion is 0.13 dB. For comparison, the intrinsic linear attenuation of optical fibers is of the order of 0.05 dB. However, the sensitivity of the current measurement device is maximum for an optimal number of turns. With a winding radius R = 10cm, the optimal number of turns is 35. In this example, the gain in sensitivity is 6 compared with known devices. According to a second embodiment, not shown, of implementation of the present invention, the sections of compensation fiber are formed by creating one or more local birefringences on a fiber.
optique qui constitue par ailleurs la fibre de mesure. optical which also constitutes the measurement fiber.
Cette biréfringence locale est obtenue par effet élasto-optique This local birefringence is obtained by elasto-optical effect
par exemple en serrant ces tronçons entre deux plaques. for example by clamping these sections between two plates.
Si on considère une telle pression appliquée à une fibre de silice par serrage entre deux plans, pour obtenir un déphasage de 1800, il convient d'appliquer une force de 450 gf. On choisit par exemple Lc/2 = 1em. La contrainte de compression s'établit à 107 N/m2 environ, inférieure à la contrainte de rupture à la If we consider such a pressure applied to a silica fiber by clamping between two planes, to obtain a phase shift of 1800, a force of 450 gf should be applied. We choose for example Lc / 2 = 1em. The compressive stress is around 107 N / m2, lower than the breaking stress at
compression qui est 109 N/m2.compression which is 109 N / m2.
Il importe alors que cette force soit stable dans le temps et pour les conditions d'environnement du capteur. En effet, toute modification de la pression exercée sur la fibre dans la bande de fréquence de détection est équivalente à une variation du courant It is therefore important that this force is stable over time and for the environmental conditions of the sensor. Indeed, any modification of the pressure exerted on the fiber in the detection frequency band is equivalent to a variation of the current
à mesurer. Cette stabilité nécessite donc des précautions particulières. to measure. This stability therefore requires special precautions.
En conclusion des explications précédentes il apparait que In conclusion from the previous explanations it appears that
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le capteur de mesure du courant constitué par l'enroulement de N tours de fibre autour du conducteur électrique a ses performances limitées par la biréfringence linéaire du guide optique. La limitation the current measurement sensor formed by winding N turns of fiber around the electrical conductor has its performance limited by the linear birefringence of the optical guide. The limitation
la plus marquante intervient sur la longueur d'interaction, c'est- the most striking is the interaction length, that is
à-dire sur le nombre de tours de bobinage qui n'est que de 1 tour dans le cas d'une biréfringence linéique de l'ordre de 1400/m et qui passe à 6 tours environ pour une biréfringence linéique de 200/m, that is to say on the number of winding turns which is only 1 turn in the case of a linear birefringence of the order of 1400 / m and which increases to approximately 6 turns for a linear birefringence of 200 / m,
celà dans l'hypothèse d'un rayon de bobinage de 10cm. Or une biré- this assuming a winding radius of 10cm. Now a bire-
fringence linéique de 200/m suppose une biréfringence intrinsèque du guide optique de quelques degrés par mètre qui ne peut être obtenue que par une fabrication particulière (précaution dans la circularité du coeur de la fibre et adaptation des coefficents linear fringence of 200 / m supposes an intrinsic birefringence of the optical guide of a few degrees per meter which can only be obtained by a particular manufacture (precaution in the circularity of the core of the fiber and adaptation of the coefficients
de dilatation thermique entre matériaux de coeur et de gaine). thermal expansion between core and sheath materials).
Or, la faible atténuation des fibres unimodales permet d'utiliser des dizaines de tour d'interaction magnéto-optique. La présente invention permet d'accéder à de grandes longueurs d'interaction, grâce à une construction particulière de la ligne optique qui consiste à induire périodiquement (période 3600) un déphasage de 1800 entre les deux modes de propagation du guide. Par rapport au dispositif connu, le gain théorique apporté est égal au nombre de périodes However, the low attenuation of the unimodal fibers allows the use of tens of magneto-optical interaction turns. The present invention provides access to long interaction lengths, thanks to a particular construction of the optical line which consists in periodically inducing (period 3600) a phase shift of 1800 between the two modes of propagation of the guide. Compared to the known device, the theoretical gain provided is equal to the number of periods
incluses dans la ligne optique constituée. included in the optical line formed.
D'un point de vue pratique il faut tenir compte de l'atténuation de la ligne optique qui est augmentée par la mise en oeuvre de From a practical point of view, it is necessary to take into account the attenuation of the optical line which is increased by the implementation of
l'invention, mais permet cependant d'obtenir un gain important. the invention, but nevertheless makes it possible to obtain a significant gain.
On peut citer à ce sujet les documents suivants S.R. NORMAR - Electronics Letters, Vol. 15 NO 11, 309 (1979) R. ULRICH - Optios Letters Vol.5 N0 6, 273 (1980) W.A. GAMBLING - Electronios Letters Vol. 13, NO 23, 691 (1977) D. MARCUSE, BSTJ Vol. 56 NO 5, 709 (1977) L'ampèremètre représenté sur la figure 4 permet de mesurer l'intensité I du courant parcourant un conducteur d'une ligne aérienne à haute tension, ceci à l'aide d'une fibre optique du type représenté The following documents may be cited on this subject: S.R. NORMAR - Electronics Letters, Vol. 15 NO 11, 309 (1979) R. ULRICH - Optios Letters Vol. 5 N0 6, 273 (1980) W.A. GAMBLING - Electronios Letters Vol. 13, NO 23, 691 (1977) D. MARCUSE, BSTJ Vol. 56 NO 5, 709 (1977) The ammeter represented in FIG. 4 makes it possible to measure the intensity I of the current flowing through a conductor of a high voltage overhead line, this using an optical fiber of the type represented
sur la figure 3 et enroulée en bobine 4 autour de ce conducteur. in Figure 3 and wound in a coil 4 around this conductor.
Cette fibre se raccorde, par des tronçons de liaison à faible atténuation 6 et 8, à un appareillage au sol comportant un émetteur de lumière monochromatique polarisée tel qu'un laser hélium néon 10 24929 q6 et à un récepteur 12 permettant de mesurer les puissances lumineuses Px This fiber is connected, by low-attenuation link sections 6 and 8, to an apparatus on the ground comprising a monochromatic polarized light emitter such as a neon helium laser 10 24929 q6 and to a receiver 12 making it possible to measure the light powers. Px
et Py de sortie selon deux directions de polarisation perpendi- and output Py in two polarization directions perpendicular
culaires inclinés à 450 sur les axes de biréfringence principaux de la fibre. Ce récepteur fournit par exemple un signal de sortie représentatif du rapport (Px - Py) / (Px - Py), et constitue une mesure du courant I. La fibre utilisée pour la bobine et représentée sur la figure 3 comporte une succession de tronçons provenant alternativement de la fibre de mesure Tm et de la fibre de compensation Tc. Ces tronçons sont raccordés par des soudures S. eyelets inclined at 450 on the main birefringence axes of the fiber. This receiver provides for example an output signal representative of the ratio (Px - Py) / (Px - Py), and constitutes a measurement of the current I. The fiber used for the coil and represented in FIG. 3 comprises a succession of sections coming from alternately of the measurement fiber Tm and of the compensation fiber Tc. These sections are connected by S welds.
24929?624929? 6
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Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8023145A FR2492986A1 (en) | 1980-10-29 | 1980-10-29 | Faraday effect fibre optic ammeter - has optical fibre wound around conductor transmitting light with progressively rotating polarisation |
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| FR8023145A FR2492986A1 (en) | 1980-10-29 | 1980-10-29 | Faraday effect fibre optic ammeter - has optical fibre wound around conductor transmitting light with progressively rotating polarisation |
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| Publication Number | Publication Date |
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| FR2492986B1 FR2492986B1 (en) | 1983-07-22 |
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|---|---|
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- 1980-10-29 FR FR8023145A patent/FR2492986A1/en active Granted
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2492986B1 (en) | 1983-07-22 |
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