ELEKTRYKA 2014 Zeszyt 2-3 (230-231) Rok LX Kamil BARCZAK Politechnika Śląska w Gliwicach DEPOLARYZATOR ŚWIATŁA DLA ŚWIATŁOWODOWEGO CZUJNIKA PRĄDU Z PRZETWARZANIEM ZEWNĘTRZNYM Streszczenie. Światłowodowy czujnik z przetwarzaniem zewnętrznym wymaga doprowadzenia światła do jego głowicy poprzez światłowód włóknisty. W celu uzyskania dużej mocy wiązki światła doprowadzanego do głowicy stosuje się jako źródła światła diodę laserową. Rozwiązanie to posiada jednak bardzo ważną wadę: światło na wejściu głowicy czujnika jest spolaryzowane liniowo. Polaryzacja ta ulega ciągłym zmianom wynikającym z deformacji i skręcenia włókna. W wyniku tego wejściowy polaryzator w głowicy czujnika przepuszcza wiązkę spolaryzowaną liniowo o stałym stanie polaryzacji, ale jednak zmiennym natężeniu. W niniejszym artykule Autor proponuje rozwiązać ten problem poprzez depolaryzację światła za pomocą układu połączonych sprzęgaczy światłowodowych. Optymalizacja tego układu jest głównym celem prezentowanej pracy. Słowa kluczowe: optyczne przekładniki prądowe, polaryzacja światła, światłowody LIGHT DEPOLARIZER FOR OPTICAL FIBER CURRENT SENSOR WITH EXTERNAL TRANSFORMATION Summary. A fiber optic sensor with external processing requires supply of light to its head via an optical fiber. Laser diodes are applied as a source of light, in order to obtain a high-power light beam. However, this solution has a major disadvantage: a light beam at an input of the sensor head is linearly polarized. The direction of polarization changes constantly because the optical fiber is prone to twisting and deformation. The result is a varying intensity of light that passes an input polarizer. Author of this article proposes a solution to this issue depolarizing the input light beam by means of a system of fiber optic couplers. The main goal of presented work is optimization of this system. Keywords: optical current transformers, polarization of light, fiber optic waveguides 1. WPROWADZENIE W światłowodowych czujnikach prądu z przetwarzaniem zewnętrznym pomiar prądu odbywa się pośrednio poprzez pomiar indukcji pola magnetycznego wytwarzanego przez przewodnik, przez który przepływa mierzony prąd [1]. W istocie jest to czujnik pola
58 K. Barczak magnetycznego użyty w odpowiedniej konfiguracji geometrycznej i odpowiednim umiejscowieniu w pobliżu przewodnika z prądem. Czujnik działa na podstawie tzw. magnetooptycznego efektu Faradaya. Efekt ten polega na skręceniu płaszczyzny polaryzacji światła w ośrodku znajdującym się w zewnętrznym polu magnetycznym: =V B d cos gdzie: skręcenie azymutu stanu polaryzacji, V stała Verdeta charakteryzująca ośrodek, d droga oddziaływania ośrodka znajdującego się w zewnętrznym polu magnetycznym na światło, kąt między kierunkiem propagacji światła w ośrodku a kierunkiem zewnętrznego pola magnetycznego. Jak pokazuje zależność (1), efekt ten liniowo zależy od wartości indukcji pola magnetycznego B, natomiast stała Verdeta charakteryzuje własności magnetooptyczne ośrodka (jest parametrem materiałowym). Idea działania czujnika pola magnetycznego została pokazana na rys.1. Rys. 1. Schemat budowy światłowodowego czujnika pola magnetycznego działającego na podstawie magnetooptycznego efektu Faradaya Fig. 1. Schematic diagram of optical magnetic field sensor based on Faraday effect Światłowodowy czujnik prądu z przetwarzaniem zewnętrznym zbudowany jest z materiału magnetooptycznego w postaci krótkiego pręta o przekroju kołowym, na którego końcach zamocowano polaryzatory liniowe (zgodnie z ideą z rys.1) jest to tzw. głowica czujnika, czyli część czuła na zewnętrzne pole magnetyczne [1]. Podstawowym elementem czujnika są doprowadzenia światłowodowe. Natężenie światła wychodzącego z głowicy zależy od natężenia pola magnetycznego. Osie optyczne (osie przepuszczania) polaryzatorów w głowicy są tak ustawione względem siebie, aby wartość sygnału zmieniała się w przybliżeniu liniowo w funkcji wartości pola magnetycznego. Zaletą tej konfiguracji jest to,
Depolaryzator światła... 59 że wartość skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła w efekcie magnetooptycznym zostaje już w głowicy zamieniona na zmianę natężenia światła wyjściowego. Jest to korzystne z uwagi na duży problem z utrzymaniem (zmieniającego się w funkcji pola) stanu polaryzacji światła w światłowodzie włóknistym. Ten sam problem istnieje na wejściu głowicy. Konfigurację czujnika prądu z przetwarzaniem zewnętrznym przedstawia rys. 2. Rys. 2. Schemat budowy światłowodowego czujnika prądu z przetwarzaniem zewnętrznym Fig. 2. Schematic diagram of optical fiber current sensor with external processing Jako źródła światła zastosowano laser półprzewodnikowy o mocy 3 mw. Rozwiązanie to podyktowane jest dużą wartością mocy światła emitowanego oraz dobrą kolimacją wiązki. Cechy te ułatwiają wprowadzenie dużej ilości mocy światła do światłowodu. Moc jest potrzebna z uwagi na duże straty światła na odbiciach na powierzchniach łączonych elementów (można wyróżnić 8 takich miejsc, w których następuje odbicie). 2. DEPOLARYZACJA ŚWIATŁA WYNIKI BADAŃ Zastosowanie lasera niesie ze sobą również poważne negatywne konsekwencje związane z zapewnieniem dostarczenia światła liniowo spolaryzowanego do głowicy czujnika, a właściwie na wejście materiału magnetooptycznego. Na wejściu głowicy znajduje się polaryzator liniowy, jednak gdy światło padające jest częściowo lub całkowicie spolaryzowane, wówczas polaryzator wejściowy przepuszcza składową polaryzacji zgodną z jego osią optyczną. Taka sytuacja istnieje przy zastosowaniu lasera, który ma światło spolaryzowane przynajmniej częściowo. Wykorzystanie światłowodu do transmisji światła z lasera do głowicy czujnika powoduje, że stan polaryzacji światła na wejściu głowicy (zatem wiązki padającej na polaryzator) jest niestabilny, gdyż światłowód nie przenosi stanu polaryzacji światła (jest to związane z deformacją i naprężeniami wewnątrz włókna, których nie można uniknąć).
60 K. Barczak W związku z tym najlepiej dostarczyć światło niespolaryzowane do głowicy. Pojawia się zatem problem depolaryzacji światła. Zagadnienie to wbrew pozorom nie jest proste. Uporządkowane ze względu na kierunek drgań światło trudno zmusić do pełnej przypadkowości rozkładu kierunku tych drgań, czyli do uzyskania stopnia polaryzacji światła wynoszącego zero. W niniejszej pracy podjęto próbę depolaryzacji światła doprowadzanego z lasera półprzewodnikowego do głowicy czujnika. Oczywiście celem jest osiągnięcie stopnia polaryzacji światła na tyle małego, aby był akceptowalny pod kątem możliwości użycia w światłowodowym czujniku prądu z przetwarzaniem zewnętrznym. Analiza przedstawionego problemu doprowadziła autora do wyłonienia kilku rozwiązań, umożliwiających osiągnięcie tego celu. Zdecydowano się na użycie wielomodowych sprzęgaczy światłowodowych z podziałem 50/50 połączonych w sposób pozwalający na skuteczną depolaryzację światła. Jest to rozwiązanie w pełni światłowodowe i opiera się na elementach (sprzęgacze, włókna, złączki i adaptery światłowodowe), które są stosunkowo tanie i łatwe w użyciu. Do realizacji tego zadania wybrano 5 konfiguracji, które przebadano w ten sposób, że wyznaczono stopień polaryzacji światła w charakterystycznych punktach danej konfiguracji, w tym przede wszystkim na jej wejściu i wyjściu. Pierwszy zaproponowany układ (rys. 3) zbudowano na podstawie dwóch wielomadowych sprzęgaczy typu Y z podziałem 50/50. Jest to najprostszy układ, w którym wykorzystano rozdzielnie wiązki światła na dwie równe części, a następnie z powrotem wprowadzono je przez sprzęgacz do jednego włókna. Podczas rozdzielenia światło wprowadzane jest do światłowodów wielomodowych. W wyniku tego światło w każdym światłowodzie propaguje się wieloma modami, a podział natężenia na poszczególne mody jest przypadkowy. Na drugim sprzęgaczu mieszane są ze sobą mody z obu włókien. Depolaryzacja światła następuje tutaj wskutek rozdzielenia na mody, które z założenia mają inne parametry stanu polaryzacji oraz poprzez zmniejszenie spójności wiązki wyjściowej z uwagi na różne drogi optyczne poszczególnych modów światłowodowych. Rys. 3. Układ nr 1 depolaryzatora światłowodowego schemat połączeń sprzęgaczy Fig. 3. Set-up of optical fiber depolarizer no. 1 connecting scheme of optical fiber couplers Drugi układ (rys. 4) wykorzystuje cztery wielomodowe sprzęgacze typu Y z podziałem 50/50. Układ ten jest modyfikacją układu pierwszego polegającą na wprowadzeniu zapętlenia w jednym z ramion łączących sprzęgacze.
Depolaryzator światła... 61 Rys. 4. Układ nr 2 depolaryzatora światłowodowego schemat połączeń sprzęgaczy Fig. 4. Set-up of optical fiber depolarizer no. 2 connecting scheme of optical fiber couplers Trzeci układ (rys. 5) zbudowano z wykorzystaniem sześciu wielomodowych sprzęgaczy typu Y z podziałem 50/50. Jest to zwielokrotnienie układu pierwszego. Rys. 5. Układ nr 3 depolaryzatora światłowodowego schemat połączeń sprzęgaczy Fig. 5. Set-up of optical fiber depolarizer no. 3 connecting scheme of optical fiber couplers Rys. 6. Układ nr 4 depolaryzatora światłowodowego schemat połączeń sprzęgaczy Fig. 6. Set-up of optical fiber depolarizer no. 4 connecting scheme of optical fiber couplers Czwarty układ (rys. 6) również posiada sześć wielomodowych sprzęgaczy typu Y z podziałem 50/50. Właściwie jest to rozbudowa układu drugiego przez wprowadzenie zapętlenia w obu ramionach. Jest to docelowy układ, który wg przeprowadzonej analizy powinien pozwalać na skuteczniejszą depolaryzację światła.
62 K. Barczak Piąty układ jest modyfikacją układu pierwszego (z rys. 3) z tą różnicą, że wydłużono o 2 metry jedno z ramion łączących sprzęgacze (rys. 7). Wydłużenie to miało spowodować skuteczniejsze zaburzenie spójności światła, a co za tym idzie depolaryzacji światła. Rys. 7. Układ nr 5 depolaryzatora światłowodowego schemat połączeń sprzęgaczy Fig. 7. Set-up of optical fiber depolarizer no. 5 connecting scheme of optical fiber couplers 3. PODSUMOWANIE Przeprowadzona analiza i badania zaproponowanych układów (rys. od 3 7) wskazują, że najlepsze efekty przynosi zastosowanie układu czwartego (rys. 6). Na wyjściu tego układu uzyskiwano stopień polaryzacji światła nieprzekraczający 4%. Przy tym układ zachowywał się w miarę stabilnie. Należy nadmienić, że układ taki wprowadza ok. 88% start mocy wiązki światła, jednak układ pierwszy przy zaledwie 13% strat nie powoduje zmiany stopnia polaryzacji światła, a układ czwarty daje dobre efekty (ok. 4% stopnia polaryzacji na wyjściu), jednak przy większych stratach, tj. ok. 93%. Podsumowując, można stwierdzić, że zastosowanie układu sprzęgaczy wielomodowych pozwala uzyskać dobre efekty depolaryzacji światła, jednak kosztem znacznej utraty mocy wiązki światła. Jest to znaczne ograniczenie, jednak w pewnych zastosowaniach może stanowić drugorzędną rolę. Takim zastosowaniem wydaje się światłowodowy czujnik prądu z przetwarzaniem zewnętrznym, będący przedmiotem badań autora. BIBLIOGRAFIA 1. Barczak K.: Optical fibre current sensor for electrical power engineering. Bulletin of The Polish Academy of Sciences, Technical Sciences 2011, Vol. 59, No. 4. Dr inż. Kamil BARCZAK Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów Wydział Elektryczny, Politechnika Śląska ul. B. Krzywoustego 2 44-100 Gliwice Tel. (32) 2371472; e-mail: kamil.barczak@polsl.pl