The Faraday effect in optical fiber for current sensor applications

Although the most common and well-known application of fiber-optics today is the transmission of very high-speed data; it is still rather unexploited its alternative use in the field of sensors. The development of fiber sensors is pushed by the advantages that its intrinsic features offer compared to traditional sensors: survival capability in hostile environments, immunity to magnetic interference, complete isolation. A particular area of strong interest is represented by the electrical industry, where accurate analyzes and measurements are required to evaluate performance and safety of power systems. To achieve this, it is often necessary to perform measurements in very high current condition and / or in presence of strong electromagnetic interference. The optical fiber exploiting the Faraday effect is a valid alternative to traditional current sensors, which even today, after decades of development, are not very reliable. It is suitable for this type of application: both because it is made of non-conductive material, and because the signal, that carries the information, is not electric but rather optic and therefore it does not suffer from electrical interference. Thanks to these advantages that it is able to offer, compared to a traditional sensor, the fiber optic current sensor has been intensively studied in recent years. Despite this, some problems remain unsolved. The aim of this thesis has been of analyzing the main causes that still prevent the realization of a fiber solution to use in uncontrolled environment. The activity carried out concerned the experimental study of the main factors that influence the detection of the Faraday effect such as: polarization state, wavelength, type of optical fiber, temperature. For some of these problems, a solution has been developed by deliberately exploiting optical components already widely adopted in telecom applications and therefore, easily available at low cost, in order to offer an innovative system in the future, but above all economically feasible. In order to validate what was obtained experimentally, verify the proposed solutions and facilitate a possible future design of fiber optic current sensor, a numerical simulator has been developed.

Sebbene l’applicazione più comune e nota della fibra ottica oggigiorno è la trasmissione di dati ad altissima velocità ancora poco sfruttato è il suo impiego nell’ambito della sensoristica. Lo sviluppo di sensori in fibra è spinto dai vantaggi intrinsici delle fibre rispetto ai sensori tradizionali: possibilità di essere installati in ambienti ostili, immunità ad interferenze magnetiche, completo isolamento. Una particolare area di forte interesse è rappresentata dall’industria elettrica, dove sono richieste accurate analisi e misure per valutare le performance e la sicurezza di sistemi di potenza. Per ottenere ciò, è spesso necessario effettuare misure ad altissima corrente e/o in presenza di forti interferenze elettromagnetiche. La fibra ottica sfruttando l’effetto Faraday risulta una valida alternativa ai sensori di corrente tradizionali, i quali ancora oggi, dopo decenni di sviluppo risultano poco affidabili. Essa si rivela adatta per questo tipo di applicazioni sia perché è costituita da materiale non conduttivo, sia perché il segnale che trasporta l’informazione non è elettrico ma bensì luminoso e per questo non risente di interferenze elettriche. Grazie proprio ai vantaggi che è in grado di offrire, rispetto ad un sensore tradizionale, il sensore di corrente in fibra ottica è stato intensamente studiato negli ultimi anni. Nonostante ciò alcuni problemi rimangono ancora irrisolti. Lo scopo di questo lavoro di tesi è di analizzare le principali cause che impediscono ancora oggi la realizzazione di una soluzione in fibra per usi in ambienti non controllati. L’attività svolta riguarda lo studio sperimentale dei principali fattori che influiscono la lettura dell’effetto Faraday come: stato di polarizzazione, lunghezza d’onda, tipo di fibra ottica, temperatura. Per alcuni di questi problemi sarà sviluppata una soluzione sfruttando volutamente componenti ottici già ampiamente utilizzati nelle applicazioni telecom e quindi, di facile reperibilità e costo contenuto, al fine di offrire in futuro un sistema innovativo, ma soprattutto affidabile e fattibile economicamente. Allo scopo di validare quanto ottenuto sperimentalmente, verificare le soluzioni proposte e agevolare un possibile futuro design di sensore di corrente in fibra ottica, è stato sviluppato un opportuno simulatore numerico.