KR101322935B1 - 간섭 감지 장치 - Google Patents

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Abstract

대응하는 복수의 선택된 파장에서 방사를 각각 제공하기 위한 복수의 단일-길이방향 모드 레이저 광원, 및 각각의 레이저로부터의 방사를 주파수 변조 또는 위상 변조하기 위한 적어도 하나의 변조기; 대응하는 간섭계 경로 길이에 좌우하는 반사된 광학 출력 신호 또는 투과된 광학 출력 신호를 각각 생산하는, 광섬유로 기록된 브래그 격자에 의해 형성된 복수의 패브리-페로 간섭계; 및 광학 출력 신호를 복조하고 개별 간섭계의 광학 경로 길이를 나타내는 복수의 대응하는 측정 신호를 생성하기 위한 하나 이상의 복조기를 포함하는 간섭 감지 장치.
변조기, 복조기, 레이저, 광원, 광섬유, 브래그 격자

Description

간섭 감지 장치{Apparatus for interferometric sensing}
본 발명은 간섭 감지를 위한 장치에 관한 것이다.
많은 산업에서 응력(stress) 및 변형(strain)을 측정하는 것과 같은 환경에 대한 실시간 정보를 제공하는 수동 센서의 감도를 개선하기 위한 요구가 있으며, 이는 구조에서의 운동, 압력 변화 및 온도 변화에 의해 야기될 수 있다. 변형을 감지하기 위한 일반적인 방법은 인가된 변형을 나타내는 전압을 발생시키는 압전(piezoelectric) 변형 게이지에 의한 것이다. 그러나, 큰 규모의 압전-기반 시스템은 압전 센서의 비용, 센서의 크기, 긴 케이블에 걸친 신호 감소, 전자기 간섭에 의해 야기된 스퓨리어스 신호(spurious signal), 및 더 큰 어레이에서 센서를 연결하기 위한 고속 전기 케이블링(cabling)의 비용을 포함하는 많은 문제를 가지고 있다. 압전-기반 방법의 많은 문제는 광학 장비에 기초한 기술을 사용함으로써 극복될 수 있다. 예를 들어, 센서는 광섬유로 연결될 수 있고, 이는 전기 케이블링보다 훨씬 더 큰 대역폭을 가지고 전자기 간섭의 영향을 받지 않는다. 광학 시스템은 비싸지 않은, 일용품화된(commoditized) 전기통신 장비로 구성될 수 있다. 변형 측정은 비교적 비싸지 않은 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating)를 사용하는 광학 시스템에서 이루어질 수 있다.
광섬유 브래그 격자는 고-강도 자외선을 사용하는 광섬유의 세그먼트(segment)를 따라 주기적인 패턴을 새겨 넣음으로써(burning)(즉, 기록함으로써) 생성된다; 패턴은 높은 굴절률 및 낮은 굴절률의 교번(alternative) 라인들로 구성되고, 이는 브래그 격자이다. 브래그 격자는 높은 색-선택적 미러(mirror)이다: 주기적 구조를 통과하는 광은 파장에 따라 투과되거나 반사된다. 반사되는 파장은 격자의 설계에 있어 선택될 수 있다: 예를 들어, 하나의 파장의 광(또는 색)이 반사되는 크기는 격자를 구성하는 라인들의 간격에 좌우된다.
광섬유 브래그 격자는 라인 간격 때문에 센서로서 사용될 수 있고, 따라서 하나의 선택된 파장에서 반사된 광의 양은 광섬유의 광학 길이에 따라 변하고, 이는 기계적 변형 또는 온도에 따라 변한다.
광학 브래그 격자는 지구물리학적 측량에 대한 의학 감지, 해저 탐색(surveillance) 및 지진 센서 용 초음파 하이드로폰(ultrasonic hydrophone), 민간 항공 산업에서의 스마트 구조의 내장된 모니터링, 수중 음향 어레이 센서와 같은, 다양한 응용을 위한 스마트 구조의 초-감도가 강한 정적 및 동적 변형 검출기로 제안되어왔다. 압전 변형 센서에 걸친 이점은 전자기 간섭-감지 및 위험한 환경 응용을 위한 이들의 적합성(suitability), 큰 어레이로의 확장성(scalability) 및 이들의 보다 작은 횡단면 영역을 포함한다. 또한, 광학 센서 어레이는 원격으로 호출되고 그리고 표준의, 일용품화된 통신 장비를 사용하여 광학적으로 멀티플렉스된다. 초기 시범은, 격자가 변형 및 온도에 의해 섭동(perturb)되었던 경우, 커다란 브래그 파장에서의 변화에 기초하였다. 호출 기술이 더욱 정교해짐에 따라, 다 양한 신호 처리 및 액티브 프린지 측 라킹 방식(active fringe side locking scheme)이 이용되었고, 이는 이들 감지 방식의 분해능을 획기적으로 개선하였다.
미국 특허 출원 제 2001/0013934호는 광섬유 브래그 격자로 형성될 수 있는 광대역 스위칭된 광원 및 감지 간섭계들을 사용하는 간섭 감지 장치를 개시하고 있다. 매칭된 간섭계는 위상 변조기를 포함하고 감지 간섭계는 매칭된 간섭계에서의 광학 경로 차와 대략 동일한 광학 경로차를 가진다. 다른 파장에서의 광학 간섭 신호는 감지 간섭계의 각각에 의해 검출기로 반환된다. 각각의 간섭 신호는 감지 간섭계의 광학 경로 길이와 매칭된 간섭계의 광학 경로 길이 사이의 차를 나타내고 이는 측정 신호로 사용될 수 있다. 이 접근은 (i) 감지 간섭계와 기준 간섭계 사이의 경로 길이 차의 정확한 제어를 달성하는 것; (ii) 기준 간섭계로부터 발생한 음향 신호를 감소시키는 것; (iii) 백색 광의 사용에서 발생한 동적 범위 및 제한된 변형 분해능을 개선하는 것인 다수의 어려움에 의해 제한된다.
라디오-주파수 변조 기술이 광섬유 브래그 격자 구조를 호출하는데 사용되어 있는 Optics Express, Volume 13, No.7에 G.Gagliardi 등에 의해 또다른 접근이 설명되어 있다. 격자에 의해 반사된 레이저 방사로부터의 브래그 파장에서의 변화의 측정을 얻음으로써 변형 측정이 이루어진다. 이 접근은 다음을 포함하는 많은 어려움에 의해 제한된다: 즉, (i) 라디오-주파수 변조는 광섬유 브래그 격자의 고감도 대역폭과 비교하여 매우 높을 필요가 있다; (ii) 달성가능한 감도는 주파수 판별로 열등하고 오류 신호의 변형 판별은 광섬유 브래그 격자의 고감도 대역폭에 의해 제한된다.
따라서 본 발명의 일 태양은 대응하는 복수의 선택된 파장에서 방사(radiation)를 각각 제공하기 위해 복수의 단일-정축 모드 레이저 광원, 및 각각의 레이저로부터 방사를 주파수 변조 또는 위상 변조하기 위한 적어도 하나의 변조기; 대응하는 간섭계 경로 길이에 좌우하는 반사되거나 또는 투과된 광학 출력 신호를 각각 생성하도록 상기 복수의 파장 중 하나에서 변조된 방사에 각각 응답하며, 광섬유로 기록된 브래그 격자에 의해 형성된 복수의 패브리-페로 간섭계; 및 광학 출력 신호를 복조하고 개별 간섭계의 광학 경로 길이를 나타내는 복수의 대응하는 측정 신호를 생성하기 위한 하나 이상의 복조기를 포함하는 간섭 감지 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예는 다음의 첨부된 도면을 참조하여 예로서 단지 설명되어 있다:
도 1은 간섭 센서의 일반적인 배열에 관한 개략도이다.
도 2는 간섭 감지 장치의 실험적 구현에 관한 개략도이다.
도 3a는 광섬유 브래그 격자 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계의 조정(tuning)에 관한 개략도이다.
도 3b는 광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계(FFP)를 기록하는데 사용되는 예시적인 자외선 노출 프로파일에 관한 개략도이다.
도 4는 간섭 감지 장치의 실험적인 구현에 관한 개략도이다.
도 5는 간섭 감지 장치의 또다른 실험적인 구현에 관한 개략도이다.
도 6은 간섭 감지 장치의 또다른 실험적인 구현에 관한 개략도이다.
도 7은 150 MHz 선폭의 광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계(FFP)가 (a) 15 MHz, (b) 1500 MHz 및 (c) 300 MHz의 위상 변조 측파대로 호출되는(interrogated) 경우 정규화된 PDH(Pound-Drever-Hall) 오류 신호에 대한 이론적 플롯의 그래프이다.
도 8은 오류 신호 조정 점의 주파수 간격 대 변조 주파수에 대한 이론적 플롯의 그래프이다. 양 축은 Δv0 .5에 의해 정규화되어 있다.
도 9는 Δv0 .5에 의해 정규화되어 있는, 정규화된 피크-투-피크(peak-to-peak) 오류 신호 대 변조 주파수에 대한 이론적 플롯의 그래프이다. 삽입도는 확장된 이론적 플롯으로 겹쳐진, 2 개의 공진에 대한 정규화된 실험적 동작 영역(regime)을 나타낸다.
도 10은 광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계(FFP)에 대한 (a) 반사, (b) 투과(transmission) (c) PDH(Pound-Drever-Hall) 오류 신호에 대한 실험적 스캔을 나타낸다.
도 11은 광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계(FFP)에 대한 (a) 투과된 전력 신호 및 (b) 반사된 오류 신호에 관한 실험적 스캔의 확대된 부분을 나타낸다.
도 12는 락 획득(lock acquisition) 동안 (a) 투과된, (b) 반사된 강도에 대한 오실로스코프 트레이스(trace)를 나타낸다. 피드백 루프는 약 5.5 초 후에 맞물 린다.
도 13은 (b) 계산된 산탄 잡음(shot noise) 및 (c) 측정된 전자 잡음으로 겹쳐지며, (a) 동적 신호 분석기에 의해 측정된 바와 같이 광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계(FFP) 센서의 주파수 잡음을 나타낸다.
도 14는 (a) 순수하게 위상 변조된; 그리고 (b) 전류 변조되었던 다이오드 레이저로 호출되는 광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계(FFP)에 의해 형성되어 있는, 동적 신호 분석기에 의해 측정된 바와 같은 간섭계 센서의 주파수 잡음을 나타낸다.
도 15는 복수의 센서를 가진 간섭 감지 장치에 관한 개략도이다.
도 16은 복수의 센서를 가진 간섭 감지 장치의 하드웨어 개략도이다.
도 17은 기생(parasitic) 에탈론(etalon) 영향을 제거하기 위한 최적의 변조 주파수 간격을 나타내는, 기생 에탈론 앞에서의 주파수 스텍트럼이다.
도 18은 복수의 센서 및 단일 복조기를 가진 간섭 감지 장치의 개략도이다.
도 19는 복수의 센서 및 단일 광검출기를 가진 간섭 감지 장치의 개략도이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 레이저 광원(100)은 선택될 수 있는 중심 파장에서 단일 길이방향 모드를 가진 레이저를 포함한다. 변조기(102)는 주파수 또는 위상에서 레이저로부터 선택된 파장 방사를 변조하고, 이는 FM(frequency-modulated) 출력(104)을 발생한다. FM 광 빔(즉, 변조된 방사)은 광섬유 브래그 격자 패브리- 페로 간섭계(FFP)(106)로 전송된다. 레이저 광원(100)의 중심 파장은 간섭계(106)의 공진 파장 내로 떨어지거나 또는 대응하도록 선택된다. 이는 광섬유 간섭계를 조정시킴으로써 또는 레이저 광원의 중심 파장을 조정시킴으로써 달성될 수 있다. 간섭계는 응력 조정, 변형 조정 및 온도 조정을 포함하는, 다수의 메커니즘을 통해 조정될 수 있다. 레이저에 대한 조정 메커니즘이 이하 설명된다.
광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계는 광섬유 경로 변위 때문에 단일 광섬유 브래그 격자에서 위상 변화를 효과적으로 증가시킨다. 유리 재료의 적절한 선택 및 격자 기록 공정의 신중한 제어로, 광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계(FFP)는 1000 훨씬 이상의 피네스(finesse) 및 수 MHz의 선폭을 가질 수 있다.
변조된 레이저 빔(104)은 광학 출력 신호를 생성하기 위해 광섬유 간섭계(106)를 통해 투과되거나 또는 반사된다. 광학 출력 신호는 간섭계(106)의 광학 길이에 대한 정보를 전송하는 광학 출력 신호(108)를 포함한다. 광학 출력 신호(108)는 복조기(110)에 의해 검출되고, 이는 변조 신호(112)를 통해 변조기(102)로 동조(synchronise)되고, 측정 신호(114)는 간섭계(106)의 광학 길이에 좌우하는 복조 후 생성된다.
광섬유 간섭계(106)는 변형 감지에 대한 다수의 강제적인 시스템상의 이점을 가질 수 있다. 센서는 0.3 dB/km의 낮은 손실을 가지는 SMF-28 광 섬유를 사용할 수 있기 때문에 비교적 비싸지 않을 수 있다. 센서는 마이크로와트 레벨에서 낮은 레이저 전력만을 필요로 하고, 레이저 강도 잡음 및 원격 스트리머(streamer) 광섬유 위상 잡음과 같은 많은, 다른 점에서 제한 광원으로부터의 잡음에 영향받지 않 는다. 센서는 또한 이하 설명되는 바와 같이 큰, 모든-광학 어레이들에 쉽게 확장가능(scalable)하다.
도 2에 도시되어 있는, 간섭 감지 장치의 실험적 구현에서, 레이저(202)는 아이솔레이터(isolator)(208)로 미러(mirror)(206)를 통해 지향되는 빔(204)을 발생하고, 아이솔레이터는 다른 경우 레이저로 다시 전파할 수 있는 광학 반사를 막는데 사용된다. 반-파장 플레이트(plate)(210)는 빔이 외부 위상 변조기(216)를 사용하여 주파수 변조되기 전에 빔의 편광(polarisation)을 조절하는데 사용된다. 위상 변조기는 신호 발생기(212)에 의해 구동된다. 변조된 빔(218)은 제 2 반파장 플레이트(222) 및 렌즈(224)로 미러(220)를 통해 지향되고, 이는 광섬유(226)의 길이로 빔의 초점을 맞춘다. 입사 빔 Ei는 2 개의 광섬유 브래그 격자(232, 234)로부터 형성된 광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계(236)로 광학 순환기(circulator)(228) 및 제 2 광섬유의 길이(230)를 통해 이동한다.
입사 빔 Ei의 일부분 Er은 간섭계(236)에 의해 반사된다; 이 부분 Er은 광섬유의 제 3 길이(244)로 순환기(228)를 통해 광섬유(230)를 따라 다시 반사되고, 이는 광학 검출기(248)로, 초점 렌즈(focussing lens)(246)를 통해, 반사된 빔을 전달한다. 반사된 부분 E, 및 반사 광검출기(248)에 의해 검출된 신호는 간섭계(236)의 반사 특성에 좌우하며, 이는 차례로 간섭계의 광학 길이에 좌우한다. 반사 광검출기(248)에 의해 검출되는 신호는 측정 신호, 또는 오류 신호(256)를 제공하기 위해 믹서(mixer)(250)로 믹스 다운(mix down)되고, 이는 간섭계의 광학 길이를 나타낸다. 믹서(250)는 신호 발생기(212)로 위상 천이기(phase shifter)(252)에 의해 설정되어 있는, 고정 위상 관계를 가지는 복조 신호를 사용한다. 로우-패스 필터(254)는 오류 신호로부터 고-주파수 잡음을 필터링하기 위해 선택적으로 사용될 수 있다.
입사 빔의 또다른 부분은 투과 광검출기(242)로, 제 2 아이솔레이터(238) 및 초점 렌즈(240)를 통해, 간섭계에 의해 전송된다. 반사 광검출기(248)로부터의 신호와 유사한 방법으로, 투과 광검출기(248)로부터의 신호는 간섭계(236)의 광학 길이를 나타내는 오류 신호를 전달하는, 신호 발생기(212)로부터의 일정-위상 신호로 믹스된다.
도 2의 장치에서, 레이저(202)는 대략 300kHz의 고유 선폭 및 1 MHz의 공장-평가된 선폭을 가진 외부-공동(cavity) 다이오드 레이저, 예를 들어, New Focus Vortex 6029일 수 있다. 레이저의 광학 파장은 대략 0.40nm의 조정 범위를 가지며, 대략 1550.15nm에 중심이 있을 수 있다. 레이저(202)의 중심 선택된 파장은 레이저 자체에서 PZT(piezoelectric transducer)로 전압을 인가함으로써 조정될 수 있어, 이에 의해 레이저 공동 길이를 변경한다. 예를 들어, New Focus Vortex 6029의 공장 교정(factory calibration)은 압전 작동기(actuator)가 12.5 GHz/V의 이득을 가지며, 따라서 대략 0.40 nm의 조정 범위가 대략 50 GHz의 주파수 범위에 대응함을 명기하고 있다. 광학 아이솔레이터(208)를 통과한 후, 레이저 편광은 공진 위상 변조기(216), 예를 들어 New Focus 4003에 의해 15 MHz에서 변조되기 전에 반파장 플레이트(210)에 의해 수직으로 조절될 수 있다. 위상 변조기(216)는 위에서 언급되는 바와 같이, RF(radio frequency) 신호 발생기(212)에 의해 구동될 수 있고, 이 는 또한 복조 전자장치에 국부 오실레이터 신호를 제공할 수 있다. 변조된 레이저 빔(218)은 광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계(FFP)(236)로 이어져 있는, 광섬유-피그테일(pigtail)된 편광에 독립적인 광학 순환기(228)로 비구면 렌즈(224)를 가지고 연결될 수 있다. 시스템의 기능성을 테스트하기 위해, FFP는 병진이동(translation) 단계에 장착되어 있는 클램프(clamp) 중 하나를 가지고, (도시되지 않은) 한 쌍의 자기 클램프들 사이에서 유지될 수 있어, 이에 의해 브래그 파장이 레이저의 파장 범위 내로 신장-조정될(stretch-tuned) 수 있다. 도 3a는 FFP(236)의 조정을 개략적으로 나타낸다. 격자 간격 L은 브래그 격자 미러(232,234) 사이의 단일 패스 유효 광학 경로 길이로 정의되어 있다. FFP의 공진 주파수는 L을 감소하거나 또는 증가함으로써 조정될 수 있고, L에서의 증가가 공진 중심 주파수를 감소시키는 반면, L에서의 감소는 공진 중심 주파수를 증가시킨다. 이 조정은 튜브(tubing)를 압축함으로써 튜브의 길이 안에서 FFP를 압축하고, 냉각하고, 가열하고 신장하는 것을 포함하는, 다양한 방법으로 영향받을 수 있다.
광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계는 단일 위상-정합(phase coherent) 기록 공정에서 제조되는, 10mm로 이격된, 각각 15mm 길이인, 공칭적으로(nominally) 매칭된 한 쌍의 13.5 dB 브래그 격자(R 약 95.5%)에 의해 형성될 수 있다. 광섬유의 길이에 따른 예시적인 자외선 노출 프로파일이 도 3b에 설명되어 있으며, 여기서 A는 13mm이고, B는 10mm이고 C는 15mm이다. 다른 자외선 노출 프로파일은 당업자에게 공지되어 있는 바와 같이 FFP를 기록하는데 사용될 수 있다. 브래그 격자는 어떠한 아포디제이션(apodisation)이 없는 수소화된 SMF-28 광섬유에 기록될 수 있다.
도 2를 참고하여, 투과된 Et 및 반사된 Er 신호는 비구면 렌즈를 가지는 자유 공간으로 다시 시준(collimate)될 수 있어 약 20 MHz의 전자 대역폭을 각각 가지며, 광검출기(242, 248) 상으로 초점이 각각 맞추어 질 수 있다. 전송 포트에서 광학 아이솔레이터(238)는 시준 비구면으로부터의 잔여 역반사에 기인한 임의의 기생 에탈론 효과를 제거하는데 사용될 수 있다. 라디오-주파수 국부 오셀레이터(즉, 신호 발생기(212))는 반사된 포트로부터 전자 신호를 믹스 다운하는데 사용되기 전에 위상 천이기(252)를 통해 위상 천이될 수 있다.
국부 오실레이터 위상 천이기(252)는 오류 신호를 최대화함으로써 실험적으로 최적화될 수 있어, 따라서 시스템에 대해 최대 신호 대 잡음 비를 제공한다. 대안으로, 이중-채널 동-위상 및 직교위상 검출기는 위상을 자동으로 최적화하기 위해 사용될 수 있다. 최적 위상은 오류 신호를 발생하기 위해 믹서로 향하는 라디오-주파수 국부 오실레이터 위상과 관련있다. 광섬유 변조기 주파수(vm) 대 광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계의 반치전폭(full width half-maximum) 대역폭(Δv0 .5)의 비에 좌우하는 오류 신호를 생성할 수 있는 2 가지의 메커니즘이 있다. Δv0.5에 비교하여 저주파수 vm에 대해, 주요 메커니즘은 다른 측파대에 대한 하나의 측파대에서 상대적 변화이다. 고주파수 vm에 대해(즉, vm >> Δv0 .5), 주요 메커니즘은 두 개의 측파대에 대하여 캐리어의 위상 회전(phase rotation)이다. 제 1 메커니즘은 제 2 메커니즘을 벗어나서 복조 위상(국부 오실레이터 위상) 90 도를 필요 로 한다.
광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계의 편광 종속성은 레이저가 광섬유로 연결되기 전에 반파장 플레이트(222)를 가지고 테스트될 수 있다. 하나의 실험적인 예에서, 파장플레이트가 순환되었을 때 공진 주파수에서의 어떠한 가시적인 천이도 없음이 관측되었다; 이는 실용적인 목적을 위해, 제조 공정 동안 격자 코어(core)의 자외선 조명(illumination)이 등방성으로 간주될 수 있음을 의미한다. 2 개의 모드가 입력 편광 유량 효과가 없는 양호하게 작동되는 오류 신호를 제공했던 것과 같이, 광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계 공진의 선폭 분해능(resolution) 이외에 기생적 복굴절(birefringence)에 기인한 임의의 어떠한 저하도 없다.
도 4에 나타난 바와 같이, 간섭성 감지를 위한 대안의 장치는 파장 제어기(402)가 레이저 출력의 중심 파장을 제어하고, 이 파장 제어기가 복조기(110)로부터의 피드백(404)에 의해 제어되는 것으로 위에서 설명되었던 장치와 다르다.
레이저 광원(100)의 중심 파장은 레이저 공동의 길이를 변경시킴으로써, 외부 길이-제어 공동으로 레이저를 주파수-라킹함으로써, 레이저 다이오드의 구동 전류를 변조함으로써, 또는 당업자에 공지된 다른 수단에 의해 제어될 수 있다.
도 5에 도시되어 있는, 피드백 및 파장 제어와 함께 간섭 감지를 위한 장치의 실험적 구현에서, 복조 시스템(502)으로부터의 오류 신호는 증폭기(508)에 의해 증폭되고/되거나 주파수-필터링되고, 그 후에 파장 제어기(402), 예를 들어, 레이저의 공동 길이를 조정하는 압전 장치로 피드백한다. 도 6은 또 다른 실험적인 구 현을 도시하고 있으며, 레이저 출력은, 외부 위상 변조기(216)로 출력을 외부에서 위상 변조하는 것보다는, 레이저의 구동 전류(602)를 직접 변조함으로써 변조된다.
광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계(FFP)(236)로의 레이저 광원(100)의 주파수 라킹(locking)하는 것은 열 드리프트(thermal drift)에 응답하여 주파수, 및 저주파수 변형을 변경하는 것처럼 레이저(202)가 FFP(236)의 모드를 따르도록 한다. 열 드리프트 이상의 주파수에서, 인-루프(in-loop) 오류 신호(즉, 피드백(404))는 FFP(236)으로 선택된 음향 신호를 나타낸다. 저주파수에 대해 신호는 큰 동적 범위로 복구될 수 있다. 센서의 동적 범위는 레이저의 주파수 조정 범위를 호출(interrogate)함으로써만 제한될 수 있다. 피드백(404)에서의 이 오류 신호 출력은 광섬유 상에 작용하는 음향 신호의 결과로서 FFP(236)에 야기된 변형에 비례한다. 피드백(404)에서의 신호는 파장 제어기(402)로의 입력에서 꺼내질 수 있고 DC에서 피드백의 제어 루프의 단위 이득 대역폭으로의 주파수 범위에 걸쳐 유효하다. 저주파수 동적 범위는 FFP 모드의 FWHM(full-width half-maximum)보다 훨씬 더 클 수 있고, 이는 레이저 주파수 조정 범위가 100 GHz를 초과할 수 있기 때문에 전형적으로 100에서 200 MHz이다. 제어 로프의 단위 이득 주파수 이상의 센서에 의해 선택된 신호는 복조 시스템(502)의 출력에서 액세스될 수 있다. 이들은 루프 밖(out of loop) 신호이고 동적 범위는 이들이 라킹 역학(locking dynamics)이 무시할 수 있는 효과를 가지는 단위 이득 위의 주파수 범위에 있는 경우 FFP 모드 폭의 FWHM(예를 들어, 200 MHz)에 의해 제한될 수 있어, 따라서, 센서 동적 범위는 제어 대역폭을 극대화함으로써 최적화된다.
광섬유 간섭계(106)로 레이저 광원(100)을 주파수 라킹하기 위한 바람직한 기술은 PDH(Pound-Drever-Hall) 라킹 방식이다. PDH(Pound-Drever-Hall) 라킹 방식의 이론적 모형에서, 간섭 센서는 자유 공간 공진 공동의 분석에 의해 접근될 수 있다; 관련 대역폭 내에서, FFP(236)에 사용되는 브래그 반사기는 광대역이고, 반사기 및 공진기 굴절률은 비분산적이다. 광학 캐리어 주파수 v에서, 진폭 반사 계수 r을 가지는, 거리 L에 의해 분리된 2 개의 매치된 반사기에 의해 형성되는 무손실 FFP의 복소수 반사 응답은 다음 식과 같이 표현될 수 있고,
Figure 112008035175036-pct00001
여기서 Er 및 Ei는 반사된 전기장 및 입사 전기장이다; θ(v)= 2πvnL/c는 굴절률 n을 가진 재료에서의 왕복(round-trip) 위상이다; 그리고 A(v) 및 Φ(v)는 각각 진폭 및 위상 응답이다. FFP는 Δv0 .5의 FWHM 대역폭을 가진다.
PDH 라킹 방식은 광검출기로 반사된 전력을 측정하는 동안, vm에서 변조된 레이저 캐리어 위상을 가진 FFP(236)를 호출하는 것을 포함한다. 전자 복조 및 로우-패스 필터링 후, 이 신호는
Figure 112008035175036-pct00002
(1)
으로 감소될 수 있고, 여기서 교차항(cross term)은
Figure 112008035175036-pct00003
(2)
v+=v+vm 이고 v-=v-vm 이다; Ps가 각각의 측파대에서의 전력인 반면 Pc는 캐리어에서의 전력이다. 위상 천이 ψ는 복조된 오류 신호를 최적화하도록 설정되어 있다. 일반적으로 이는 다음 식과 같은 경우 달성된다.
Figure 112008035175036-pct00004
여기서 m은 정수이다. 캐리어가 FFP와 공진하는 경우 왕복 위상 θ(v)= m2π이다.
식 (2)로부터, vm << Δv0 .5인 경우에
Figure 112008035175036-pct00005
은 모두 매우 작고, 그래서 상기 표현이 실수부에 의해 지배되는 것을 추론할 수 있다. 반대로, vm >> Δv0.5인 경우, 측파대는 캐리어가 공진 근처에 있는 경우 FFP의 선폭 훨씬 외부에 있다. 이 경우 이들 위상-차 항은 π/2로 근사되고 그리고 상기 표현은 허수부에 의해 지배된다. FFP 선형태(lineshape)가 대칭적이고 캐리어가 공진에 있다면, 식(2) 및 식(1)이 0이 되는 것을 의미하며, 두 경우에 대해
Figure 112008035175036-pct00006
이다. 이는 주파수 서보(servo)의 일반적 락 점(lock point)이다. 식 (1)로부터, 교차항이 0과 동일한 경우 (공진으로 락되는 경우), 출력 V(v)는 0과 동일하고 P c 및 P s 와 독립적임이 명백하다. 그러므로, 락된 경우, PDH 시스템은 제 1 차수로 레이저 강도 잡음에서의 변화에 영향받지 않는다. 비교적, 프린지(fringe)-측 라킹 기술은 강도 잡음에 대해 어떠한 함축적 면역성(implicit immunity)도 나타내지 않으며, 추가적인 강도 모니터 및 감산(subtraction) 전자장치를 필요로 한다.
제 1 곡선(즉, 도 7의 그래프(a))는 vm /Δv0 .5 =0.1의 경우에 대한 이론적인 오류 신호를 설명하는 반면, 제 2 곡선(즉, 그래프(b))는 vm /Δv0 .5 =10인 경우에 대한 이론적인 오류 신호이며, 이때 v는 FFP의 공진을 가로질러 스캔된다. 제 3 곡선(즉, 도 7의 그래프(c))은 vm /Δv0 .5 =2인 중간 경우를 나타낸다. 제 2 곡선에서의 2 개의 위성 오류 신호는 FFP 공진을 경험하는 측파대에 기인하며, 반면에 제 3 곡선에서 오류 신호는 단일 및 거의 사각형인 오류 신호를 형성하기 위해 캐리어 및 측파대 병합에 기인한다. 플롯은 150 MHz의 공진 선폭을 가정하며, 각각 위상 변조 주파수 15 MHz, 1500 MHz 및 300 MHz를 사용하여 호출된다.
vm >>Δv0 .5 경우는 높은 피네스 패브리-페로 공동을 포함하는, 고전적인 PDH 라킹 방식을 설명한다. 양 극값(extreme)에서 동작의 원리는 유사하며, 모두는 본 발명에서 PDL 라킹으로 언급된다.
주어진 공진 FWHM, Δv0 .5에 대해, PDL 오류 신호의 조정 점 사이의 주파수 간격은 vm에 의존한다. 도 8에서의 이론적 플롯에 의해 설명된 바와 같이, vm <<Δv0.5 및 vm >>Δv0 .5의 두 경우에 대한 점근값(asymptotic value)으로 접근한다. 플롯 은 각각의 vm에 대해 최적화된 ψ으로 계산된다.
반면에, 주어진 변조 주파수에 대해, 크기 및 오류 신호의 기울기는 FWHM 대역폭 Δv0 .5에 의존한다. 도 9는 정규화된 FWHM 대역폭 대 피크-투-피크 정규화된 오류 신호 크기에 관한 이론적인 플롯을 도시한다. 오류 신호 크기는 vm <<Δv0 .5 일 때 0으로 근접하지만, vm >>Δv0 .5인 경우에는 점근 값에 도달한다.
도 5에 나타난 장치에서, 50 : 50 대칭 및 2 Vp-p의 95 Hz 전압 램프(ramp)는 380 V/s의 기울기로 평균화(equating)하는 레이저 캐리어 주파수를 스윕(sweep)하기 위해 레이저의 압전 변환기의 입력에 인가될 수 있다. 레이저 주파수가 스캔되는 동안 디지털 오실로스코프를 사용하여 기록될 수 있는 3 개의 신호가 도 10에 도시되어 있다. 도 10의 제 1 곡선(즉, 그래프(a))는 반사 광검출기(248)에 의해 측정되는 바와 같이, FFP(236)에 의해 반사된 예시적인 신호를 나타낸다. 도 10의 제 2 곡선은 투과 검출기(242)에 의해 측정되고 투과된 예시적인 신호를 나타낸다. 도 10의 제 3 곡선은 대응하는 예시적인 믹스 다운된 실험적 오류 신호(256)를 나타낸다. 도 10은 또한, 다른 피크 높이 및 Δv0 .5의 것을 가지는, 제 1 곡선에서의 브래그 격자 대역폭 내에서 2 개의 FFP 공진을 나타낸다; 이 공진은 높은 피네스(finesse) 모드(1002) 및 낮은 피네스 모드(1004)이다.
2 개의 공진에서 다른 피네스를 가져오는, 브래그 격자 쌍의 주파수 종속 반사성에 기인하여 도 10에서의 높은 피네스 공진 모드 및 낮은 피네스 공진 모드 사 이의 차이가 있을 수 있다. 이 예에서의 격자가 제조 공정 동안 아포다이즈(apodized)되지 않았었기 때문에, 대역폭의 중심 가까이의 더 높은 반사력이 기대되었다; 제 1 공진기 모드의 더 높은 피네스(즉 더 좁은 폭)가 이를 확인한다. 또한, 도 10(a)에서의 2 개의 피크의 높이를 비교함으로써, 더 낮은 피네스 공진은 임피던스 매칭되도록 더 근접하는 것으로 보인다. 이 낮은 피네스 모드에서, 레이저 광의 거의 대부분은 투과되고 반사된 신호는 0에 근접한다. 언더-결합된(under-coupled) 높은 피네스 모드와 비교하여, 투과된 강도에서의 차이는 공진기에서, 특히 격자 쌍들 사이의 10mm 간격으로 자외선-야기된 손실에 의해 설명될 수 있다. 더 높은 피네스 공진은 더 큰 공진기 왕복 횟수 또는 전체 저장 시간 때문에 더 낮은 강도를 전송했고, 이는 공진기 내에서 순환하는 동안, 더 큰 전체 손실을 가져왔다. 이 손실을 감소시키기 위해, 자외선 레이저는 공진기 제조 공정 동안 격자 쌍들 사이로 광섬유 노출을 피하도록 제어될 수 있다.
높은 피네스 공진에 대한 투과 전력 곡선(도 10에서의 제 2 곡선) 및 반사된 오류 신호(도 10에서의 제 3 곡선)가 도 11에 확대되어 도시되어 있다. 도 11의 제 1 곡선에서의 압전형 변환기 스캔에 대한 FWHM 시간은 대략 30 ㎲이고, 이는 압전 변환기 상의 11.4 mV에 해당할 수 있다. 조정의 12.5 GHz/V로 제공되도록 교정된 레이저 압전형 변환기에 대해, 이 모드의 FWHM 대역폭은 143 MHz일 수 있다. 비교를 위해, 낮은 피네스(즉, 더 넓은) 공진은 66 ㎲의 FWHM 시간을 가지며, 이는 314 MHz의 Δv0 .5 대역폭을 의미한다. 2 개의 공진 피크(1002, 1004) 사이의 간격은 9 GHz의 스펙트럼 범위에 대응하는, 도 10에 도시된 바와 같이, 대략 1.9 ms이므로, 너 좁은 모드는 대략 63의 피네스를 가지는 반면 더 넓은 공진은 대략 29의 피네스를 가진다.
도 10에서의 더 높은 피네스 모드에 대한 vm /Δv0 .5 비는 대략 0.1이다. 도 11의 제 2 곡선에서의 오류 신호에 대한 대응하는 피크-투-피크 시간은, 약 0.60의 오류 신호 조정 점 주파수 간격 대 Δv0 .5 비에 대응하며, 대략 20 ㎲이다. 반면에, 더 낮은 피네스 공진은 38 ㎲의 오류 신호 피크-투-피크 시간을 가지고, 이는 약 0.05의 vm /Δv0 .5 및 약 0.58의 오류 신호 조정 점 간격 대 Δv0 .5 비에 대응한다. 2 개의 모드에 대한 오류 신호 조정 점 간격 대 Δv0 .5 비는 서로 근접하며, 도 8에서 예측되는 것과 같은 값들과 일치한다. 이들 선폭에서, vm은 더 낮은 한계의 점근 값에 도달하도록 Δv0 .5 에 비교하여 충분히 작다.
더 높은 피네스 모드에 대한 피크-투-피크 오류 신호는 도 10의 제 3 곡선에 나타난 바와 같이, 더 낮은 피네스 모드의 것보다 더 크며, 이는 도 9의 이론적 플롯에 의해 예측되는 바와 같이, 더 높은 피네스 모드에 대한 vm /Δv0 .5 이 더 낮은 피네스 모드의 것의 2 배이기 때문이다. 높은 피네스 모드에 대한 오류 신호 피크-투-피크 전압은 예를 들어 1.4 V로 측정될 수 있으며, 반면 더 낮은 피네스 공진에 대한 오류 신호 피크-투-피크 전압은 0.63V일 수 있다. 0.1 및 0.05의 vm /Δv0.5 에 대한, 이들 2 개의 점은 정규화되고 도 9의 삽입도에서 이론적 플롯과 겹쳐져 있 다.
1.45의 유효 굴절률을 가정하면, 9 GHz의 자유 스펙트럼 범위는 각각의 격자 내에서 약 0.75mm 이도록 격자의 유효 반사 점을 의미하는, 11.5 mm의 공진기 길이를 가져올 수 있다.
공진을 통한 오류 신호의 기울기는 더 높은 피네스 모드에 대해서 약 19 nV/Hz이고, 더 낮은 피네스 모드에 대해 약 9 nV/Hz이다. 더 높은 피네스 공진은 더 낮은 피네스 모드보다 더 감도가 강한 주파수 및 변위 식별(discrimination)을 제공하는 것과 같이, PDH 라킹에 더 바람직한 모드이다.
도 5의 장치에서의 피드백을 시작하기 위해, 신호 발생기로부터의 전압 램프가 꺼질 수 있고, 압전 변환기 DC 오프셋 전압은 투과되고 반사된 레이저 강도들이 오실로스코프로 모니터되는 동안 느리게 조정된다. 레이저 파장이 선택된 FFP(236) 피크와 거의 공진하는 경우, 투과된 강도는 최대값에 접근하며, 피드백 루프는 락을 획득하기 위해 이때 맞물릴 수 있다. 이 공정으로부터의 예시적인 결과가 도 12의 디지털 오실로스코프 트레이스에 의해 나타나 있다. 피드백 증폭기(508)는 예를 들어, 0.03 Hz의 코너 주파수를 가지는 단일 실수 폴(pole) 응답을 가질 수 있다. 전체 피드백 루프는 약 1000의 DC 이득 및 약 40 Hz의 단위 이득 대역폭을 가질 수 있다. 이런 유형의 장치는 몇 시간 동안 락 상태로 머무를 수 있다. 락 종결은 격자가 레이저 조정 범위 밖으로 이동한 경우 일어날 수 있다.
도 13은 위에서 설명된 바와 같은 구성소자를 가진, 능동 피드백을 가진 간섭 장치로 측정된, 예시적인 주파수 잡음 스펙트럼(1302)을 나타낸다. 시스템 잡 음은 계산된 산탄 잡음(1304) 및 측정된 전자 잡음(1306)으로 겹쳐져서 나타나 있다. 대기 여기(ambient excitation) 위의 주파수에서, 레이저의 자유 동작 주파수(free running frequency) 잡음은 약 300
Figure 112008035175036-pct00007
로 이 측정을 제한할 수 있다. 레이저가 주파수 잡음 Sf의 백색 스펙트럼 밀도를 가진 로렌치안(Lorentzian) 선형태를 가진다고 가정하면, 레이저 ΔvL의 3-dB 선폭이 다음 식과 같이 평가될 수 있고,
Figure 112008035175036-pct00008
여기서 Sf는
Figure 112008035175036-pct00009
의 단위이다. 따라서, 약 300
Figure 112008035175036-pct00010
의 광대역 주파수 잡음은, 예시적인 레이저에 대해 300 kHz의 제조자의 평가와 일치하는, 약 280 kHz의 고유 레이저 선폭에 해당한다.
브래그 격자의 응답성은 다음 식과 같이 평가될 수 있고,
Figure 112008035175036-pct00011
(3)
여기서 ε은 변형 섭동(perturbation)이고, λB는 브래그 파장이다. 예를 들어, 야기된 격자 파장 천이의 1 pm은 약 0.8με의 변형에 해당한다. λB=1550 nm 에서, 식 (3)은 다음 식의 변환 계수(conversion factor)에 도달하도록 재배열될 수 있고,
Figure 112008035175036-pct00012
여기서 ΔλB는 등가 야기 격자 주파수 천이이다. 1 pm이 1550 nm에서의 125 MHz와 동일하기 때문에, 도 13에 도시된 것과 동일한 고주파수 잡음 플로어(floor)를 가진 시스템은
Figure 112008035175036-pct00013
의 광대역 변형 감도를 가질 수 있다.
도 13에서의 산탄 잡음(1304)은 다음 식과 같이 계산되었다:
Figure 112008035175036-pct00014
여기서 VSN은 등가 산탄 잡음 전압이다; e=1.602*10-19 C 는 전하(electronic charge)이다; VDC는 시스템이 락된경우 광검출기의 DC 출력 전압이다; g는 광검출기의 트랜스 임피던스(transimpedance) 이득이고; α는 믹서 변환 이득이다. 이때 오류 신호 기울기에 의해 VSN의 지수(quotient)는 이 예시적인 장치에 대한 약
Figure 112008035175036-pct00015
(=
Figure 112008035175036-pct00016
)의 제한 산탄 잡음 감도에 대응하는, 16
Figure 112008035175036-pct00017
로 계산될 수 있는
Figure 112008035175036-pct00018
의 단위로 산탄 잡음을 준다. 전자 잡음(1306)은 믹서 출력에서 측정된 암 잡음(dark noise)이다.
피드백 시스템의 단위 이득 대역폭 내에서, 센서 동적 범위는 레이저 광학 주파수 조정 범위에 좌우된다. 50 GHz의 압전 변환기 조정 범위를 가진 예시적인 레이저에 대해, 시스템의 저주파수 동적 범위는 33
Figure 112008035175036-pct00019
(=
Figure 112008035175036-pct00020
)으로 제한될 수 있다. > 100 kpsi의 파괴 응력, 및 용융 실리카(fused silica)에 대한 1.02*104의 영률(Young modulus)을 가정하면, 파괴 응력은 > 9800
Figure 112008035175036-pct00021
일 수 있고, 이는 레이저의 조정 범위를 전형적으로 넘는다. 단위 이득 대역폭 위에서, 센서 동적 범위는 0.9
Figure 112008035175036-pct00022
(=
Figure 112008035175036-pct00023
)으로 공진기의 FWHM 대역폭에 의해 제한될 수 있다. 그러므로, 큰 동적 범위 애플리케이션에 대해, 바람직한 동작 접근은, 최대로 단위 이득 대역폭을 확장할 수 있고, 레이저 압전 변환기 입력에서 인-루프 측정을 수행한다.
도 6에 나타난 장치에서, 전류 변조는 레이저 출력을 변조하는 데 사용될 수 있다. 레이저 광원의 예는 약 0.40 nm, 또는 약 50 GHz 조정 범위를 가진, 1550.15mm에 중심이 있는 New Focus Vortex 6029 조정가능 외부-공동 다이오드 레이저이다. 레이저의 파장은 압전 변환기로 전압을 인가함으로써 조정될 수 있어, 따라서 레이저 공동 길이가 변한다. 광섬유 브래그 패브리-페로 간섭계(FFP)(236)는 10 mm 간격으로 떨어져 있는, 각각 15mm 길이로 한 쌍의 공칭적으로 매칭된 13.5 dB 브래그 격자(R 약 95.5%)로 구성될 수 있다. 선택된 FFP 공진은 약 143 MHz의 FWHM 선폭을 가질 수 있다. 복조 및 피드백은 도 5를 참고로 하여 위에서 설명되어 있다. 이 오류 신호(604)는 2 가지의 목적을 만족시킨다; (i) 낮은 주파수(<20 Hz)에서 신호는 레이저가 FFP 공진의 중심으로 락되는 것을 보장하기 위해 레이저(202)로의 피드백하도록 서보 증폭기에 의해 사용된다; (ii) 높은 주파수(> 100 Hz)에서 오류 신호는 FFP(236)의 동적 변형 판독을 제공한다.
도 14는 2 가지의 예시적인 방식의 주파수 잡음: 그래프(c)(1402)에서 (도 5에 예시적인 개략도에 의해 도시된 바와 같이) 외부 위상 변조 및 그래프(b)(1404)에서의 (도 6에 예시적인 개략도에 의해 도시된 바와 같이) 직류 변조를 비교하고 있다. 위에서 설명된 격자 응답성에 대한 실험적 모형을 사용하여, 이 주파수 잡음 스펙트럼 밀도는 등가 광섬유 변형으로 변환될 수 있다. 이 예시적인 시스템으로부터의 도 14에서의 결과는 외부 위상 변조 및 직류 변조 모두가 약
Figure 112008035175036-pct00024
의 광대역 변형 감도를 가져올 수 있음을 설명한다. 2 가지 방법은 저주파수에서의 광대역 음향 잡음 및 폐루프 여기에 기인한 압전 변환기 공진을 포함하는, 오디오 주파수 대기 잡음의 동일 성분을 나타낼 수 있다. 이 2 가지의 변조 방식은 유사한 광대역 감도를 가져올 수 있다.
도 15에 나타난 바와 같이, 복수의 센서를 가진 간섭 감지를 위한 장치에 있어, 복수의 변조된 레이저 광원으로부터의 복수의 변조된 신호는 단일 광섬유로, WDM(Wavelength-Division Multiplexing)를 사용하여 결합될 수 있다. 광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계(236)를 각각 포함하는, 복수의 센서 소자(1502)는 광섬유의 단일 길이를 따라 직렬로 배열되어 있다. 센서는 광 출력 신호가 도 15에 도시된 바와 같이, 간섭계를 통한 투과에서 오도록, 또는 광 출력 신호가 위에서 설명된 바와 같이, 간섭계로부터의 반사로부터 일어나도록 배열되어 있다. 광섬유에서의 각각의 간섭계는 도 15에 도시된 바와 같이 개별 선택 파장 λ1, λ2, λ 3,...에서 빛에 반응한다; 각각의 간섭계는 동작 파장에 대응하는 방사의 빔에 의해 호출된다. 개별 선택 파장의 파장 간격은, 이용가능 WDM 시스템 및 광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계 구조에 의해 제한되는, 전형적으로 약 0.25 mm일 수 있다.
도 15에 나타난 예에서, 각각의 개별 선택 파장에서, 호출 레이저 빔은 복수의 개별 레이저 광원(1504)으로부터 발생하고, 빔은 광학 멀티플렉서(1506)로 결합된다. 각각의 레이저로부터의 방사는 대응하는 파장 제어기에 의해 제어되는 중심 파장을 가질 수 있고, 복수의 라디오-주파수 변조기(1520) 중 하나에 의해 변조된다. 상기 간섭계의 광학 길이를 나타내는, 복수의 광 출력 신호는 광학 디멀티플렉서(1508), 또는 유사한 광학장치를 사용하여 개별 디멀티플렉서로 지향된다. 광학 출력 신호는 단일-간섭 장치에 대해 위에서 설명된 방법으로 복수의 광검출기(1510), 믹서(1512) 및 (대응하는 라디오-주파수 변조기(1520)로부터의) 위상-천이 국부 오실레이터 신호를 통해 복조될 수 있다. 복조된 신호는 로우-패스 필터되고 오류 신호(1518)는 간섭계의 광학 길이를 나타내도록 관측된다. 오류 신호는 레이저의 파장 제어기로 피드백될 수 있어, 따라서 각각의 레이저가 위에서 설명된 PDH 기술과 같은 주파수 고정 방식을 통해 대응하는 간섭계의 중심 파장을 추적하게 할 수 있다.
도 16을 보면, 복수의 센서를 가진 장치에서, 광섬유 간섭계(1604) 사이의 거리(1602)는 d1-d4로 표시되며, 10s에서 100 s일 수 있다.
복수의 센서를 가진 장치에 있어서, 변조 주파수는 단일 광섬유를 따라 연속적인 광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계 사이에 형성되어 있는 2 차 패브리-페로 에탈론(즉, 2 차 간섭계)의 FSR(Free Spectral Range) 절반의 곱과 동일하도록 유리하게 선택된다; 이는 간섭 신호 출력으로부터 잔여 에탈론 효과를 제거한다. 이 주파수 관계는 도 17에 개략적으로 나타나 있다. 변조기 주파수(1702)(예를 들어 10에서 20 MHz)가 호출된 광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭 모드(1704)의 FWHM 폭(예를 들어 100에서 200 MHz)에 비교하여 작으며, 변조기 위상 지연이 최적화된다면, 오류 신호는 서로에 대하여 측파대(1706, 1708)의 상대적 변화를 나타낸다. 전류 변조 주파수(1702)를 연속적인 간섭계들 사이의 에탈론 주파수 응답(1710)의, 절반 FSR의 더 높은 곱, 또는 FSR 절반으로 양호하게 조정함으로써, 양 측파대는 동일한 에탈론 효과를 경험한다. 이들은 차등적 측파대-측파대 감쇠를 제거할 수 있고 기생 2차 에털론의 결과로서, 생성된 어떠한 오류 신호고 없다는 것을 보장할 수 있다. 이와 같은 장치에서, 동일한 광섬유에서의 모든 센서-센서 간격이 고정되어야하고 동일 길이로 일정한 에탈론 주파수 응답(1710)을 제공하도록 동일 길이로 떨어져 있다(또는 고정된 간격의 몇 배수로). 이 간격을 띄우는 기술은 각각의 광섬유 브래그 격자 패브리-페로 간섭계 상에서 아포디제이션 필요조건을 완하하며, 따라서 더 가까운 센서 채널 간격을 허용한다.
Figure 112008035175036-pct00025
의 에탈론에 대해, 변조 주파수 Fmod는 에탈론에 의해 동등하게 반사/투과되도록 각각의 측파대에 대해
Figure 112008035175036-pct00026
또는
Figure 112008035175036-pct00027
으로 설정되어야 하며, 여기서 j는 정수이고, n은 굴절률이고 d는 센서들 사이의 간격이다. 간격이 큰(예를 들어, 미터의 수 10s), 단일 광섬유에서의 간섭계소자들 사이의 주어진 간격에 대해, 다른 j값을 각각 가지는 기준을 충족하는 복수의 변조 주파수가 존재한다. 대안으로, 간격에 대한 재배열은
Figure 112008035175036-pct00028
을 가져온다. 예를 들어, F=20 MHz이고 n=1.446인경우, 간격은 2.6 미터의 배수일 수 있다.
도 18에 도시되어 있는, 복수의 센서를 가진 장치의 대안의 구현은 단일 광섬유로 복수 레이저 출력을 결합하는 WMD 광학장치(1804)로부터의 단일 라디오-주파수 위상 변조기(1806) 다운스트림(downstream)을 가진다. 이 토폴로지(topology)는 광섬유당 단일 변조기로 외부 위상 변조기의 사용을 감소시킨다. 이 장치에서 개별 선택 파장 λ1, λ2, λ3,...에서 복수의 레이저 광원(1802)은 WDM 광학장치(1804)를 사용하여 결합되고 그리고 단일 광학 변조기(1806), 예를 들어 외부 위상 변조기를 사용하여 변조된다. 단일 무선-주파수 광원만이 변조기(1806)를 구동하도록 요구된다. 단일 광학 섬유로 결합되는, 레이저(1802)로부터의 방사는 개별 선택 파장 λ1, λ2, λ3,...에 각각 반응하는, 복수의 간섭계(1810)를 호출한다. 투과 또는 반가를 통해 모은, 광출력 신호는 WDM 광학장치(1812)를 사용하여, 개별 파장에 대응하는, 개별 채널로 분리되고, 이때 개별 믹서(1814) 및 개별 전자 센서(1816)를 이용하여 복조된다. 장치의 일 구현에서, 오류 신호는 레이저의 파장 제어기로 피드백될 수 있어 따라서, 각각의 레이저가 위에서 설명된 바와 같이 주파수 고정 방식(예를 들어 PDH 방식)을 통해 대응하는 간섭계의 중심 파장을 추적할 수 있게 한다.
도 19에 설명되어 있는, 복수의 센서를 가진 장치의 또다른 대안의 구현에서, 단일 광섬유(1902)에서 복수의 간섭계로부터 발생하는, 복수의 광출력 신호는 단일 광검출기(1904)를 공유할 수 있다. 이 장치에서, 각각의 레이저 출력은 다른 무선 주파수에서 변조된다. 각각의 센서(즉, FFP)의 호출 후, 복수의 전자 믹서(1908)를 가진, 각각의 개별 변조 주파수에서의 복조는 분리에 있어 각각의 음향 센서 신호의 여기를 허용한다. 이는 스플리터(splitter)/결합기(combinder)에 대한 요구를 피함으로써 검출 광학장치 및 어레이 출력에서의 다른 WDM 광학 장치를 간소화한다. 장치에 관한 하나의 구현에서, 오류 신호는 레이저의 파장 제어기로 피드백할 수 있어, 따라서 각각의 레이저가 위에서 설명된 바와 같이 대응하는 간섭계의 중심 파장을 추적할 수 있다.
수반하는 도면을 참조하여 위에서 설명된 본 발명의 실시예가 단지 예로서 주어진 것이며 변경 및 추가 구성소자가 장치의 성능을 높이기 위해 제공될 수 있음이 명백하다.
본 발명의 내용에 포함되어 있음.

Claims (17)

  1. 대응하는 선택된 파장에서 방사를 각각 제공하기 위한 복수의 단일-종축 모드 레이저 광원(single-longitudinal mode laser source), 및 각각의 레이저 소스로부터의 방사를 주파수 변조 또는 위상 변조하기 위한 적어도 하나의 컨트롤 변조기; 선택된 파장들 중 하나에 대응하는 공진 파장을 갖고 대응하는 간섭계 경로 길이에 좌우하는 반사되거나 투과되는 광학 출력 신호를 각각 생성하도록 선택된 파장들 중 하나에서 변조된 방사에 각각 응답하며, 광섬유에 기록된 브래그 격자에 의해 형성된 복수의 패브리-페로 간섭계; 및 광학 출력 신호를 복조하고 개별 간섭계의 광학 경로 길이를 나타내는 복수의 각각의 측정 신호들을 생성하기 위한 하나 이상의 복조기들을 포함하는 간섭 감지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 소스의 선택된 파장을 제어하기 위해 레이저 소스에 각각 연결된 복수의 파장 제어기들을 더 포함하는 간섭 감지 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    파장 제어기 각각은 대응하는 레이저 소스 각각이 대응하는 선택된 파장을 제어하기 위해 주파수-락(frequency-lock)되어 있는 외부 광학 공동을 포함하는 간섭 감지 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    레이저 소스 각각에는 대응하는 방사를 발생하기 위한 구동전류가 제공되고, 각 파장 제어기는 구동전류를 조절해 각각의 대응하는 레이저 소스의 대응하는 선택된 파장을 제어하도록 대응하는 레이저 소스에 연결되어 있는 간섭 감지 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    레이저 소스로부터 제공된 방사를 수신하기 위해 레이저 소스에 연결되고, 컨트롤 변조기로부터의 변조 신호를 수신해 외부 주파수 변조기 또는 위상 변조기를 구동하고 레이저 소스의 방사의 변조를 제어하기 위해 컨트롤 변조기에 연결된 적어도 하나의 외부 주파수 변조기 또는 위상 변조기를 포함하는 간섭 감지 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    컨트롤 변조기는 파장 제어기를 구동시키고 대응하는 레이저 소스의 방사의 변조를 제어하기 위해 파장 제어기의 입력에 연결되어 있는 간섭 감지 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    각 파장 제어기는 대응하는 레이저 소스의 선택된 파장을 제어하기 위해 각 대응하는 복조기로부터 피드백 신호를 수신하도록 각각의 대응하는 복조기에 연결되어 있는 간섭 감지 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    복조기로부터 각각의 출력 신호를 수신하기 위해 복조기와 파장 제어기에 연결되고, 출력신호가 저역통과필터를 지나 파장 제어기에 대한 피드백 신호를 발생할 때 복조기 출력신호의 낮은 주파수 범위를 선택하도록 구성되는 적어도 하나의 저역통과필터를 포함하는 간섭 감지 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    피드백 신호는 각각의 대응하는 간섭계의 중심 파장과 일치하도록 레이저 소스의 선택된 파장을 조절하기 위한 음의 피드백 신호를 포함하는 간섭 감지 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    단일 광섬유와, 상기 단일 광섬유로 복수의 레이저 소스들로부터의 방사를 결합하기 위한 멀티플렉서를 포함하고, 복수의 간섭계는 상기 광섬유를 따라 배치되어 있는 간섭 감지 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    연속한 간섭계들 사이의 거리는 c j /( 4 n Fmod)이고, 여기서 c는 광의 속도이며, Fmod는 변조 주파수이고, j는 정수이며, n은 광섬유의 굴절률인 간섭 감지 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    동일 변조 주파수에서 복수의 레이저 소스로부터의 방사를 변조하는 주파수 또는 위상에 대한 공유 신호를 발생하는 컨트롤 변조기를 포함하는 간섭 감지 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 컨트롤 변조기는 각각의 레이저 소스에 연결된 복수의 컨트롤 변조기들을 포함하고, 컨트롤 변조기는 각각의 다른 변조 주파수에서 레이저 소스로부터 방사를 변조하는 신호를 발생하는 간섭 감지 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    각 복조기는 각각의 측정 신호를 발생하기 위해 공유된 검출신호를 복조하도록 공유검출신호를 발생하기 위한 복수의 반사 또는 투과 광학 출력 신호를 수신하도록 구성된 공유 광학 검출기를 포함하는 간섭 감지 장치.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
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