NL8005615A

NL8005615A - Inrichting voor het meten van een spanning of van een elektrisch veld met gebruikmaking van licht.

Info

Publication number: NL8005615A
Application number: NL8005615A
Authority: NL
Inventors: Koji Tada; Hirokuni Nanba; Yoshiki Kuhara; Masayoshi Tatsumi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries
Priority date: 1980-01-12
Filing date: 1980-10-10
Publication date: 1981-08-03
Also published as: US4465969A; CA1199068A; GB2068137B; FR2473729A1; DE3039136A1; DE3039136C2; NL181528C; FR2473729B1; GB2068137A

Description

ί « / :

Inrichting voor het meten van een spanning of van een elektrisch veld met gebruikmaking van licht

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het meten van een spanning of van een elektrisch veld met gebruikmaking van optische polarisatie. In het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een Inrichting voor het meten 5 van een spanning of van een elektrisch veld van deze soort waarvan de temperatuureigenschappen zijn verbeterd.

In wezen wijst een meetinrichting van de bedoelde soort door het meten van een spanning die wordt aangelegd aan een elektro-optisch werkend kristal. Een dergelijke meet-10 inrichting kan worden gebruikt als een meetinrichting voor het meten van een spanning indien elektroden die zijn verbonden met de twee oppervlakken van het elektro-optisch werkzame kristal, rechtstreeks zijn aangesloten aan klemmen waarover een te meten spanning is aangelegd, en de inrichting kan worden gebruikt als 15 een Inrichting voor het meten van een elektrisch veld indien het kristal is geplaatst In een elektrisch veld dat moet worden gemeten, waarbij echter de elektroden ontbreken.

Een voorbeeld van een inrichting voor het raetén van; een spanning met gebruikmaking van licht is in fig. 1A

' j 20 gegeven. Een polarisator 2, een elektro-optisch kristal 3, een kwart golflengteplaatj e ^ en een analysator 5 zijn in de genoemde volgorde opgesteld in de richting waarin licht dat afkomstig is van een lichtbron 1, zich voortplant·. Een door een spanningsbron 6 opgewekte spanning die moet worden gemeten, 25 wordt aan het elektro-optische kristal 3 aangelegd.

De polarisator 2 zet het licht datafkomstig is van de lichtbron 1, om in lineair gepolariseerd licht en het elektro-optische kristal 3 onderwerpt het lineair gepolariseerde 80 05 6 15 c > 2 licht aan een faseverandering die resulteert in eliptisch gepolariseerd licht. Wanneer de te meten spanning, hierna te noemen de ’’meetspanning’' wanneer dit toepasselijk is, nul bedraagt, heeft het elektro-optische kristal de brekingsindices 5 n en n , terwijl wanneer de meetspanning V volt bedraagt de k y brekingsindices zijn veranderd in resp. ηχ - kV en n^ -kV waarbij de brekingsindices ηχ en n^ resp. van toepassing zijn bij lineaire polarisatie in de x-richting en bij lineaire polarisatie in de y-riehting, en verder k een constante is. Indien de 10 l-ineaire polarisatie in de richting. x1 wordt gesplitst in vectorcomponenten in de x-richting, resp. de y-richting, zijn de brekingsindices in de x-richting en de y-richting verschillend van elkaar zodat de voortplantingssnelheid van het licht voor de twee richtingen verschillend is. Om deze reden 15 wordt het lineair gepolariseerde licht omgezet in eliptisch gepolariseerd licht hetgeen het gevolg is van het faseverschil tussen de componenten in de x-richting, resp.de y-richting.

De analysator 5 die is opgesteld in een stand als van gekruisde Nicols ten opzichte van de polarisator 2, verandert de 20 amplitude van het eliptisch gepolariseerde licht.

Wanneer de lichtstroom die invalt op de polarisator 2, wordt voorgesteld door P^n en het verliespercentage in de meet-sectie wordt voorgesteld door i , kan de betrekking tussen de uitgaande lichtstroom P^ en een spanning V^n die moet worden 25 gemeten,worden uitgedrukt door de volgende vergelijking (1) wanneer het kwart golflengteplaatje ^ ontbreekt:

Pi„ = ' · Pin <1 ·>> '» 7Γ waarin V de halve-golflengte spanning is die afhangt van de π soort van het gebruikte kristal en de oriëntatie van het kristal 30 tijdens gebruik.

Het is wenselijk in een nagenoeg lineair deel van de karakteristieke kromme voor de vergelijking (1) te werken. Met dit doel is het noodzakelijk het werkpunt te ^ verschuiven naar het punt λΛ zoals in fig. 1B is aangegeven.

80 05 6 1 5 3 * ;. »

Om dit te "bewerkstelligen is het kwart golflengteplaatje b aanwezig dat dient als een optisch voorinstelorgaan. Wanneer het kwart golflengteplaatje ^ in de lichtweg is gestoken kan de volgende vergelijking worden verkregen door de vergelijking 5 (1) te modificeren: ^ _ „ _ . 2/ïï in . ir \

Pin * i,Pin sin ^2 V

ïï 1 V.

= ~ A.P. /“1 + sinU rr— 2 m- \ V. ·" 10 In het trajekt waar geldt ir ~— « 1 kan de vergelijking (1) als volgt worden herschreven:ïï 1 V. . " P. * τ 4.P. /‘1 + ir =— 7 (2)

m 2 m - - V

ir 15 De betekenis van vergelijking (2) is in fig. 2 toegelicht.

Het optische uitgangssignaal uit de analysator is omgezet in een elektrisch signaal door middel van een element zoals in PlW-fotodiode.

De spanningsmeting wordt uitgevoerd in overeen- 20 stemming met de hierboven beschreven principes. Voor de meting van een spanning kunnen kristallen als KDP, ADP, LiNbO^ en

LiTaO^ worden gebruikt voor het elektro-optische kristal 3.

Echter heeft het gebruik van deze kristallen het nadeel dat de meetinrichting dan een onbevredigende temperatuurkarakteristiek 25 heeft omdat de brekingsindices n en n iets verschillend x y

zijn en in het algemeen verschillen wat betreft hun temperatuur eigenschappen. Met andere woorden, deze kristallen hebben een natuurlijke dubbelbreking waarbij bijvoorbeeld η * n - kV en = nQ + kV die verschillend zijn wat betreft hun temperatuur-30 eigenschappen. Dit blijkt uit de grafieken in de figuren 3A, 3B

en 30 die voorbeelden laten zien van de temperatuurafhankelijkheid van de gewone straal en van de buitengewone straal.

Om voor deze temperatuur-afhankelijkheid compensatie te vinden is een zo genoemd "temperatuur-compensatie-35 type" kristal voorgesteld waarin twee kristallen A en B met elkaar zijn gekoppeld waarbij hun assen in verschillende 80 05 6 1 5 % » k richtingen zijn georienteerd. Met dit soort kristal kan het licht dat door de analysator 5 heen gaat, worden beschreven met de volgende vergelijking (3): A2sin2/- § ^ y ( £ ♦ £ > ♦ f <»„ - «,Χι, - *2>+V - ·Μ7 0 1 2 (3) 5 waarin de polarisatiehoek is voor gewoon licht, Ψ ' de polarisatiehoek is voor buitengewoon licht en yc de constante van Pockel voorstelt. Indien de kristallen nauwkeurig zo zijn afgewerkt dat de lengte van het kristal A gelijk is aan de lengte van het kristal B, kan de temperatuurafhankelijkheid 10 van de term waarin het verschil tussen de brekingsindex n van

O

een gewone straal en de brekingsindex ng van een buitengewone straal is opgenomen, theoretisch worden geelimineerd.

In de praktijk is het echter uiterst moeilijk de toestellen precies zo te bewerken dat de lengtes 5^ en 15 precies aan elkaar gelijk zijn, de kristallen aan elkaar te koppelen en de aldus gekoppelde kristallen zo te monteren in een huis zonder in de kristallen spanningen op te roepen.

Het is dus uiterst moeilijk een dergelijk temperatuur-compen-satietype kristal te vervaardigen.

20 Fig. 5 toont een grafiek van de temperatuur afhankelijkheid van een spanningsmeetinrichting van het temperatuurcompensatietype waarin een LiNbO^ kristal wordt gebruikt. In fig. 5 zijn langs de vertikale as relatieve waarden uitgezet die de verhouding tussen uitgangsspanning en gemiddelde 25 ontvangen lichtstroom voorstellen, namelijk 1 V. , 1 V.

2 £Pin 2 % Pin " π uit ver£eli<ikinS (2) · 1Γ 7Γ

Gezien de hierboven beschreven moeilijkheden die zijn verbonden met een tot nu toe bekende inrichting voor het meten van een spanning of van een elektrisch veld is een 30 doel van de uitvinding een meetinrichting voor het meten van een spanning of een elektrisch veld te verschaffen waarin het 8005615 %. ·. : -5 elektro-optische kristal een zeer goede temperatuurstabiliteit vertoont waarbij dit kristal gemakkelijk kan worden vervaardigd.

Het genoemde doel en andere doelen van de uitvinding zijn verkregen door in een inrichting voor het meten 5 van een spanning of van een elektrisch veld die is voorzien van een polarisator, een elektro-optisch kristal, een kwart-golf-lengteplaatje en een analysator die in deze volgorde zijn opgesteld in de lichtweg in de voortplantingsrichting van het invallende licht, het elektro-optische kristal te vervaardigen 10 van bismuth siliciumoxyde (Bi12Si02Q, Bi^Si^O^) of van bismuthgermaniumoxyde (Bi^Ge^O^). Bismuthsilieiumoxyde en bismuthgermaniumoxyde stemmen met elkaar overeen wat betreft hun fysische eigenschappen zoals hierna duidelijk zal worden.

De uitvinding wordt hierna toegelicht met een 15 beschrijving van een aantal voorkeursuitvoeringsvormen welke beschrijving verwijst naar een tekening.

Fig. 1A geeft schematisch:de opstelling van een bekende inrichting voor het meten van een spanning of van een elektrisch veld.

2o Fig. 1B toont in de vorm van een grafiek de funktie van het kwart-golflengteplaatje.

Fig. 2 is een grafiek ter toelichting van vergelijking (2).

Fig. 3A, 3B en 3C zijn grafieken die respectieve-25 lijk een voorbeeld geven van de temperatuurafhankelijkheid van de brekingsindex voor gewone, resp. buitengewone stralen.

Fig. k toont een schets ter illustratie van de opstelling van een elektro-optisch kristal van het tempera-30 tuurcompensatietype.

Fig. 5 is een grafiek van de temperatuurafhankelijkheid van de verhouding van uitgangsspanning tot gemiddelde ontvangen lichtstroom.

Fig. 6 toont schematisch een voorbeeld van een 35 spanningsmeetinrichting volgens de uitvinding waarin een bismuth- 80 05 6 1 5 ' & * 6 siliciumoxyde (Bi^SiOg ) kristal wordt toegepast.

Fig. 7 geeft een grafische voorstelling van de verandering van de hrekingsindex-variatiefaktor met de golflengte.

Fig. 3a toont in de vorm van een schema een 5 testschakeling.

Fig. 8b is een grafische voorstelling van de uitgangsspanning als funktie van de ingangsspanning voor de in fig. 8A getekende testschakeling.

Fig. 9 geeft een grafische voorstelling van een 10 ingangsspanningssignaal en een uitgangsspanningssignaal.

Fig. 10 geeft de afhankelijkheid van de verhouding tussen uitgangsspanning en gemiddelde ontvangen lichtstroom als funktie van de temperatuur voor een ander kristal dan in fig. 5.

15 Fig. 11 is een grafische voorstelling van de uitgangsspanning als funktie van de ingangsspanning voor een testschakeling met het kristal volgens fig. .10.

Een eerste voorkeursuitvoering van een meet-inrichting volgens de uitvinding zal nu worden beschreven aan 20 de hand van de figuren 6 t/m 9.

Een optisch stelsel dat bestaat uit een polarisa-tor 2, een elektro-optisch kristal 7, een kwart-golflengteplaatje en een analysator 5 die in deze volgorde zijn opgesteld in de lichtweg in de richting van voortplanting van het invallende 25 licht, is samengesteld zoals in fig. 6 is aangegeven. In dit stelsel is het elektro-optische kristal 7 vervaardigd van bismuth siliciumoxyde (Bi^SiO^, Bi^Si^O^) of van bismuth-germaniumoxyde (Bi^GeC^, Bi^Ge^O^). De temperatuurafhankelijkheid van het elektro-optische kristal dat is vervaardigd van 30 bismuthsiliciumoxyde of van bismuthgermaniumoxyde, is geringer dan die van bekende kristallen en wel om de volgende redenen: (1) Bismuthsiliciumoxyde en bismuthgermaniumoxyde behoren tot een kubisch stelsel dat van nature geen dubbelbreking vertoont. De hierboven beschreven temperatuur-35 compensatietechniek is dus niet nodig wanneer een kristal van 80 05 6 1 5 • i 7 : de hier genoemde soort wordt gebruikt.

(2) zoals duidelijk is uit vergelijking (2) moet de temperatuurafhankelijkheid van de faktor Ψ in aanmerking worden genomen. In het geval van bismuthsilicium-5 oxyde en bismuthgerraaniumoxyde is gelijk aatt \Q/2n voor de werkelijk gebruikte kristalorientatie waarin de constante van Fockel is voor kristallen met een kubisch rooster- .. ' 3 systeem. De temperatuurafhankelijkheid van de faktoren -n en moet dus in aanmerking worden genomen. Tot op heden 10 schijnen voor geen werkelijke meetgegevens te zijn • gepubliceerd. Echter is voor n^ volgens de beschikbare publicaties en zoals in fig. 7 is weergegeven de temperatuurvariatie-faktor van de brekingsindex: dn/dT = 3 x 10™^ en SS. to = v ^ xio'5 dT 2γ, . k dT t n dT ir n o

Hoewel dus geen werkelijke meetgegevens beschikbaar zijn voor de temperatuurafhankelijkheid van kan dus worden geschat dat een variatie in de orde van grootte van 0,01 % per graad aanwezig is in de uitdrukking dV^/dT.

20 Met een schakeling als aangegeven in fig. 8a werden spanningsraetingen uitgevoerd met als resultaat een grafiek van de ingangsspanning tegen de uitgangsspanning met een uitstekend lineair verloop, zoals weergegven in fig. ÖB.

25 Bovendien werd bevestigd dat de temperatuur afhankelijkheid van de verhouding tussen uitgangsspanning en gemiddelde ontvangen lichtstroom over een temperatuurtrajekt van.-15°C tot 60°C voor een bismuthsiliciumoxydekristal (Bi^SiO^) nagenoeg een vlak verloop heeft, zoals in fig. 5 is aangegeven 30 en dat de variatie binnen enkele procenten blijft.

Volgens de uitvinding worden wanneer door de polarisator 2 lineair gepolariseerd licht valt op het bismuthsiliciumoxydekristal of het bismuthgermaniümoxydekristal de 80 05 6 1 5 4 ^ 8 brekingsindices in de richting van x-as en van de y-as van het kristal door de aangelegde spanning verandert in resp. ηχ = η - Δη en n^ = η + Δη en de voortplantingssnelheid van het licht door het kristal verandert dienovereenkomstig.

5 Echter heeft het kristal niet van nature een dubbele breking en daarom verandert de waarde van de brekingsindex langs de x-as, resp. langs de y-as in het geheel niet. Het licht dat uit het kristal komt, verschilt in fase in de richting van de x-as, resp. de y-as en het licht dat door het kwart- 10. golflengteplaatj e 1+ en analysator 5 is gegaan, is onderworpen geweest aan een aoplitudeverandering evenredig aan de aangelegde spanning.

Fig. 9 toont bovenin een voorbeeld van een sinusvormige ing-angsspanning met een frequentie van 200 Hz als 15 ingangsspanningssignaal en onderin het bijbehorende uitgangs- spanningssignaal.

Het stelsel volgens de uitvinding met een bismuthsiliciumoxydekristal of een bismuthgermaniumoxydekristal kan worden toegepast bij de transmissie met behulp van 20 optische vezels door gebruik te maken van de voortplanting van licht in de ruimte.

Fig. 10 toont de temperatuurafhankelijkheid van bismuth orthosilicaat (Bi^Si^O.^) als elektro-optisch kristal dat dus een ander bismuthsiliciumoxyde is dan hiervoor 25 is besproken, en fig. 11 geeft een grafische voorstelling van de Tiltgangsspanning als funktie van de ingangsspanning in een proefopstelling met dit kristal die verder overeenkomt met de opstelling in fig. 8a.

Zoals duidelijk is uit de hierboven beschreven 30 uitvoeringsvormen van de uitvinding wordt een bismuthsilicium oxydekristal of een bismuthgermaniumoxydekristal gebruikt als het elektro-optische kristal. Aangezien deze kristallen behoren tot een kubisch stelsel hebben zij geen dubbele breking van nature. De met de gebruikelijke elektro-optische kristallen 35 voorkomende temperatuurafhankelijkheid is dus geëlimineerd 8005615 • * ·* 9 en het is niet nodig gebruik.te maken van een elektro-optisch kristal van het temperatuur-compensatietype.

Voorts kan het meetgedeelte waarin dus het ; elektro-optische kristal is opgenomen, zo worden geconstrueerd 5 dat het geen metaal bevat. Met een meetinrichting volgens de uitvinding kan dus veilig een elektrisch veld worden gemeten en dat zonder het elektrische veld zelf te verstoren.

8005615

Claims

1. Inrichting voor het meten van een spanning of van een elektrisch veld met gebruikmaking van licht, omvattende een polarisator, een elektro-optisch kristal, een 5 licht-vertragend plaatje en een analysator die in de genoemde volgorde zijn opgesteld in de richting van voortplanting van het invallende licht, met het kenmerk, dat het elektro-optische kristal is vervaardigd uit een materiaal dat behoort tot een 'kubisch stelsel.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het lichtvertragende plaatje een kwart-golflengteplaatje is.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het materiaal een bismuthsiliciumoxyde is. 15 1*. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het bismuth siliciumoxyde Bi^SiOgQ is.

5. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het bismuthsiliciumoxyde bismuthortho-silicaat is.

6. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het materiaal een bismuthgermaniumoxyde is,

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat het bismuthgermaniumoxyde Bi^GeO^ ^s‘

8. Inrichting volgens conclusie 6, 25 met het kenmerk, dat het bismuthgermaniumoxyde bismuthortho- germanaat is.

9. Inrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, gekenmerkt door een elektrode die is aangebracht aan het elektro-optische kristal om daaraan een spanning aan te 30 leggen. 8005615