具有集成式光束分离器的传感器装置制造方法及图纸

一种光学干涉测量传感器装置，包括集成式光束分离器(8)，其具有在其中布置有光学端口(PT1‑PT5)的第一面(22)和第二面(23)。在光束分离器(8)上，光束分割接头(J1,J2)以及光电子侧端口(PT1‑PT3)和传感侧端口(PT5)布置成沿着第一面(22)的方向相互移位。该移位使由杂散光引起的不合期望的干涉效应减小。另外，四分之一波长延迟器(QWR)设在光束分离器(8)的凹口(24)中，其中软粘合剂层邻近于四分之一波长延迟器(QWR)以便减小应力。

Sensor Device with Integrated Beam Separator

An optical interferometry sensor device includes an integrated beam splitter (8), which has a first (22) and a second (23) surface in which an optical port (PT1 PT5) is arranged. On the beam separator (8), the beam splitter connectors (J1, J2), the optoelectronic side ports (PT1 PT3) and the sensing side ports (PT5) are arranged to shift each other along the direction of the first side (22). This shift reduces the undesirable interference effect caused by stray light. In addition, a quarter wavelength retarder (QWR) is located in the notch (24) of the beam separator (8), where the soft adhesive layer is adjacent to the quarter wavelength retarder (QWR) to reduce stress.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有集成式光束分离器的传感器装置
本专利技术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。
技术介绍
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]。
技术实现思路
因此，本专利技术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。在本专利技术的第一方面，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。在本专利技术的第二方面，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学传感器装置，其包括：光源(4)，第一光纤(SMF1)，其中来自所述光源(4)的光耦合到所述第一光纤(SMF1)中，集成式光束分离器(8)，其具有光电子侧入口端口(PT1)、第一光电子侧出口端口(PT2)、第二光电子侧出口端口(PT3)，以及传感侧端口(PT5)，其中进入所述光电子侧入口端口(PT1)的光至少部分地耦合到所述传感侧端口(PT5)中，且进入所述传感侧端口(PT5)的光至少部分地分割到所述第一光电子侧出口端口(PT2)和第二光电子侧出口端口(PT3)中，并且其中所述第一光纤(SMF1)定位成将光发送到所述光电子侧入口端口(PT1)中，传感元件(10, 11, 13)，其双折射率作为被测变量的函数而变化，其中来自所述传感侧端口(PT5)的光耦合到所述传感元件(10, 11, 13)中、反射且耦合回到所述传感侧端口(PT5)中，至少一个第二光纤(SMF2)和至少一个第三光纤(SMF3)，其中来自所述第一光电子侧出口端口(PT2)和所述第二光电子侧出口端口(PT3)的光分别被供给到所述第二光纤(SMF2)和第三光纤(SMF3)中，光检测器(PD1, PD2)，其用于测量从所述第二光纤(SMF2)和第三光纤(SMF3)离开的光，其中所述光束分离器(8)包括：a)多个波导区段(W1‑W5)和分割接头(J1‑J3)，以及b)在所述集成式光束分离器(8)的相反的侧部上的第一面(22)和第二面(23)，其中所述光电子侧入口端口(PT1)和所述光电子侧出口端口(PT2‑PT4)布置在所述第一面(22)处，且所述传感侧端口(PT5)布置在所述第二面(23)处，其中，沿平行于所述第一面(22)的方向Y，所述传感侧端口(PT5)相对于所述光电子侧入口端口(PT1)以及所述第一光电子侧出口端口(PT2)和第二光电子侧出口端口(PT3)而偏移达非零的最小端口‑端口偏移量。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光学传感器装置，其包括：光源(4)，第一光纤(SMF1)，其中来自所述光源(4)的光耦合到所述第一光纤(SMF1)中，集成式光束分离器(8)，其具有光电子侧入口端口(PT1)、第一光电子侧出口端口(PT2)、第二光电子侧出口端口(PT3)，以及传感侧端口(PT5)，其中进入所述光电子侧入口端口(PT1)的光至少部分地耦合到所述传感侧端口(PT5)中，且进入所述传感侧端口(PT5)的光至少部分地分割到所述第一光电子侧出口端口(PT2)和第二光电子侧出口端口(PT3)中，并且其中所述第一光纤(SMF1)定位成将光发送到所述光电子侧入口端口(PT1)中，传感元件(10,11,13)，其双折射率作为被测变量的函数而变化，其中来自所述传感侧端口(PT5)的光耦合到所述传感元件(10,11,13)中、反射且耦合回到所述传感侧端口(PT5)中，至少一个第二光纤(SMF2)和至少一个第三光纤(SMF3)，其中来自所述第一光电子侧出口端口(PT2)和所述第二光电子侧出口端口(PT3)的光分别被供给到所述第二光纤(SMF2)和第三光纤(SMF3)中，光检测器(PD1,PD2)，其用于测量从所述第二光纤(SMF2)和第三光纤(SMF3)离开的光，其中所述光束分离器(8)包括：a)多个波导区段(W1-W5)和分割接头(J1-J3)，以及b)在所述集成式光束分离器(8)的相反的侧部上的第一面(22)和第二面(23)，其中所述光电子侧入口端口(PT1)和所述光电子侧出口端口(PT2-PT4)布置在所述第一面(22)处，且所述传感侧端口(PT5)布置在所述第二面(23)处，其中，沿平行于所述第一面(22)的方向Y，所述传感侧端口(PT5)相对于所述光电子侧入口端口(PT1)以及所述第一光电子侧出口端口(PT2)和第二光电子侧出口端口(PT3)而偏移达非零的最小端口-端口偏移量。2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述集成式光束分离器(8)沿垂直于所述第一面(22)的方向具有为L的长度，并且其中所述最小端口-端口偏移量至少为L/20，特别地至少为L/10。3.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述最小端口-端口偏移量至少为250μm。4.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置，其特征在于，沿所述方向Y，所述传感侧端口(PT5)相对于来自所述光电子侧入口端口(PT1)的光在其到所述传感侧端口(PT5)的路线上所经过的任何接头(J1-J3)而偏移达非零的最小接头-端口偏移量。5.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置，其特征在于，沿所述方向Y，所述第一光电子侧出口端口(PT2)和第二光电子侧出口端口(PT3)相对于来自所述传感侧端口(PT5)的光在其到所述光电子侧入口或出口端口(PT1-PT3)中的任何端口的路线上所经过的任何接头(J1-J3)而偏移达非零的最小接头-端口偏移量。6.根据权利要求4或5中的任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述最小接头-端口偏移量至少为D/20，特别地至少为D/10，其中D为所述接头(J1-J3)中的任何接头到所述面(22,23)中的任何面的最远距离。7.根据权利要求4-6中的任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述最小接头-端口偏移量至少为125μm。8.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述波导区段(W1-W5)为双折射的，且在从所述光电子侧入口端口(PT1)传到所述传感侧端口(PT5)且以交换的偏振而传回到所述光电子侧出口端口(PT2-PT4)中的一个的光的两个偏振模式之间引入为90°+n·180°的相移，其中n为零或正整数。9.一种光学传感器装置，特别是前述权利要求中的任一项所述的传感器装置，其包括：光源(4)，第一光纤(SMF1)，其中来自所述光源(4)的光耦合到所述第一光纤(SMF1)中，集成式光束分离器(8)，其具有光电子侧入口端口(PT1)、至少一个第一光电子侧出口端口(PT2)、至少一个第二光电子侧出口端口(PT3)，以及传感侧端口(PT5)，其中进入所述光电子侧入口端口(PT1)的光至少部分地耦合到所述传感侧端口(PT5)中，且进入所述传感侧端口(PT5)的光至少部分地分割到所述光电子侧出口端口(PT2,PT3)中，并且其中所述第一光纤(SMF1)定位成将光发送到所述光电子侧入口端口(PT1)中，传感元件(10,11,13)，其双折射率作为被测变量的函数而变化，其中来自所述传感侧端口(PT5)的光耦合到所述传感元件(10,11,13)中、反射且耦合回到所述传感侧端口(PT5)中，至少一个第二光纤(SMF2)和至少一个第三光纤(SMF3)，其中来自所述第一光电子侧出口端口(PT2)和所述第二光电子侧出口端口(PT3)的光分别被供给到所述第二光纤(SMF2)和第三光纤(SMF3)中，光检测器(PD1,PD2)，其用于测量从所述第二光纤(SMF2)和第三光纤(SMF3)离开...

【专利技术属性】
技术研发人员：K博内特，A弗兰克，杨琳，顾逊，G穆勒，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH