JP2002510795A - サニャック干渉計に基づく光ファイバ音響センサアレイ - Google Patents
サニャック干渉計に基づく光ファイバ音響センサアレイInfo
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35383—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using multiple sensor devices using multiplexing techniques
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Abstract
(57)【要約】
光ファイバ音響センサアレイは、公知の音響センサアレイのようにマッハ・ツェンダ干渉計に基礎を置くのではなく、サニャック干渉計に基礎を置く。光ファイバ音響センサアレイは水中の音響波を検出するために使用される。センサアレイをマッハ・ツェンダ干渉計ではなくサニャック干渉計に基づかせることにより、センサアレイのバイアス点が安定し、位相ノイズが低減し、ダイナミックレンジが拡大し、高価な狭線レーザを要求するのではなく広帯域信号光源の使用が可能になる。多数の音響センサをサニャック干渉計のアーキテクチャに多元化することができる。
Description
【０００１】
本発明は、光がアレイを伝搬し、アレイから戻る光に対する音響信号の影響を
分析して音響信号の特性を決定する、光ファイバ音響センサアレイの分野に関す
る。
分析して音響信号の特性を決定する、光ファイバ音響センサアレイの分野に関す
る。
【０００２】
光ファイバ系音響センサは従来の電子センサに取って代わる有望な技術である
。それらの利点としては、感度が高いこと、ダイナミックレンジが広いこと、軽
量であること、そして小型であることなどが挙げられる。共通のバスに多数の光
ファイバセンサを容易に多元化できることも、アレイ規模の拡大という観点で光
ファイバセンサを魅力的にしている。最近では、一対のファイバによって支持で
きるセンサ数を増やすために多数の小利得エルビウムドープファイバ増幅器（Ｅ
ＤＦＡ）が光ファイバセンサアレイに組込まれ、成功を収めているが、これによ
っても大規模な光ファイバセンサアレイの競争力が増している。
。それらの利点としては、感度が高いこと、ダイナミックレンジが広いこと、軽
量であること、そして小型であることなどが挙げられる。共通のバスに多数の光
ファイバセンサを容易に多元化できることも、アレイ規模の拡大という観点で光
ファイバセンサを魅力的にしている。最近では、一対のファイバによって支持で
きるセンサ数を増やすために多数の小利得エルビウムドープファイバ増幅器（Ｅ
ＤＦＡ）が光ファイバセンサアレイに組込まれ、成功を収めているが、これによ
っても大規模な光ファイバセンサアレイの競争力が増している。
【０００３】 音響検出には、光ファイバセンサとしてはマッハ・ツェンダー干渉センサが選
ばれてきた。いかなる干渉センサにおいても、二乗余弦関数によって位相変調が
強度変調にマッピングされる。この非線形伝達関数のために、シヌソイド位相変
調により高調波の次数が高くなる。直角位相（干渉ビームの位相が／２だけずれ
ている）でバイアスされた干渉計の応答は第１次高調波で最高であり、第２次高
調波で最低である。この理由のために直角位相は好ましいバイアス点である。バ
イアス点が（たとえば外部の気温の変化により）直角位相から移動すると、第１
次高調波での応答が低下し、第２次高調波での応答が上昇する。干渉計が０でバ
イアスされているかまたは位相がずれている場合、第１次高調波は完全に消えて
しまう。この（直角位相からバイアス点が移動することに起因する）第１次高調
波での応答の低下は、信号のフェージング(fading)と呼ばれる。
ばれてきた。いかなる干渉センサにおいても、二乗余弦関数によって位相変調が
強度変調にマッピングされる。この非線形伝達関数のために、シヌソイド位相変
調により高調波の次数が高くなる。直角位相（干渉ビームの位相が／２だけずれ
ている）でバイアスされた干渉計の応答は第１次高調波で最高であり、第２次高
調波で最低である。この理由のために直角位相は好ましいバイアス点である。バ
イアス点が（たとえば外部の気温の変化により）直角位相から移動すると、第１
次高調波での応答が低下し、第２次高調波での応答が上昇する。干渉計が０でバ
イアスされているかまたは位相がずれている場合、第１次高調波は完全に消えて
しまう。この（直角位相からバイアス点が移動することに起因する）第１次高調
波での応答の低下は、信号のフェージング(fading)と呼ばれる。
【０００４】 バイアス点が不安定であるため、マッハ・ツェンダー干渉センサでは特に、た
った今述べた信号のフェージングの問題が起こりやすい。信号のフェージングを
克服するためには、リターン信号を復調する必要がある。典型的な復調技術は位
相発生キャリア（ＰＧＣ）機構であり、これには経路が不整合なマッハ・ツェン
ダー干渉センサが要求される（たとえばAnthony Dandridge, et al., Multiplex
ing of Interferometric Sensors Using Phase Carrier Techniques, Journal o f Lightwave Technology , Vol.LT-5, No.7, July 1987, pp.947-952を参照。）
このように経路が不均衡なことによりさらに、レーザ位相ノイズが強度ノイズに
変換されてしまい、マッハ・ツェンダー干渉センサアレイの性能が低周波数に制
限されてしまい、光源の線幅の要件が厳しくなる。このように狭い線幅の要件に
より、１．５５ｍでの増幅マッハ・ツェンダー干渉センサアレイの開発が遅れて
きた。
った今述べた信号のフェージングの問題が起こりやすい。信号のフェージングを
克服するためには、リターン信号を復調する必要がある。典型的な復調技術は位
相発生キャリア（ＰＧＣ）機構であり、これには経路が不整合なマッハ・ツェン
ダー干渉センサが要求される（たとえばAnthony Dandridge, et al., Multiplex
ing of Interferometric Sensors Using Phase Carrier Techniques, Journal o f Lightwave Technology , Vol.LT-5, No.7, July 1987, pp.947-952を参照。）
このように経路が不均衡なことによりさらに、レーザ位相ノイズが強度ノイズに
変換されてしまい、マッハ・ツェンダー干渉センサアレイの性能が低周波数に制
限されてしまい、光源の線幅の要件が厳しくなる。このように狭い線幅の要件に
より、１．５５ｍでの増幅マッハ・ツェンダー干渉センサアレイの開発が遅れて
きた。
【０００５】 サニャック干渉計は光ファイバジャイロスコープにおいて広い用途を見出して
いる。（たとえばB. Culshaw, et al., Fibre optic gyroscopes, Journal of P hysics E (Scientific Instruments) , Vol.16,No.1, 1983, pp.5-15を参照。）
サニャック干渉計を音響波の検出に使用することが提案されている。（たとえば
E. Udd, Fiber-optic acoustic sensor based on the Sagnac interferometer, Proceedings of the SPIE-The International Society for Optical Engineerin g , Vol.425, 1983, pp.90-91; Kjell Krakenes, et al., Sagnac interferomete
r for underwater sound detection: noise properties, OPTICS LETTERS, Vol.
14, No.20, October 15, 1989, pp.1152-1145; and Sverre Knudsen, et al., A
n Ultrasonic Fiber-Optic Hydrophone Incorporating a Push-Pull Transducer
in a Sagnac Interferometer, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.12, No
.9, September 1994, pp.1696-1700を参照。）その共通経路設計のために、サニ
ャック干渉計は双方向性を有し、このためバイアス点は安定しており、信号のフ
ェージングの問題を排除し、光源の位相ノイズが強度ノイズに変換されることを
防ぐ。したがって、サニャック干渉計には、マッハ・ツェンダー干渉センサを低
周波数に制限する位相ノイズの問題がない。
いる。（たとえばB. Culshaw, et al., Fibre optic gyroscopes, Journal of P hysics E (Scientific Instruments) , Vol.16,No.1, 1983, pp.5-15を参照。）
サニャック干渉計を音響波の検出に使用することが提案されている。（たとえば
E. Udd, Fiber-optic acoustic sensor based on the Sagnac interferometer, Proceedings of the SPIE-The International Society for Optical Engineerin g , Vol.425, 1983, pp.90-91; Kjell Krakenes, et al., Sagnac interferomete
r for underwater sound detection: noise properties, OPTICS LETTERS, Vol.
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n Ultrasonic Fiber-Optic Hydrophone Incorporating a Push-Pull Transducer
in a Sagnac Interferometer, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.12, No
.9, September 1994, pp.1696-1700を参照。）その共通経路設計のために、サニ
ャック干渉計は双方向性を有し、このためバイアス点は安定しており、信号のフ
ェージングの問題を排除し、光源の位相ノイズが強度ノイズに変換されることを
防ぐ。したがって、サニャック干渉計には、マッハ・ツェンダー干渉センサを低
周波数に制限する位相ノイズの問題がない。
【０００６】
本発明の１つの局面は、光の光源を含む音響センサシステムである。カプラは
光源からの光を受け、光の第１の部分を第１のカプラポートに結合し、光の第２
の部分を第２のカプラポートに結合する。干渉ループの第１の端部は光の第１の
部分を受けるよう第１のカプラポートに結合され、第２の部分は光の第２の部分
を受けるよう第２のカプラポートに結合される。干渉ループは第１の方向に光の
第１の部分を第２のカプラポートに伝搬し、第１の方向とは反対の第２の方向に
光の第２の部分を第１のカプラポートまで伝搬する。干渉ループは遅延部分を含
む。遅延部分は干渉ループの第１の端部に近接した第１の端部と、第２の端部と
を有する。遅延部分は、遅延部分の第１の端部から遅延部分の第２の端部まで遅
延部分を通る光を時間的に遅延し、かつ遅延部分の第２の端部から遅延部分の第
１の端部まで遅延部分を通る光を時間的に遅延する。アレイは遅延部分の第２の
端部に結合された第１の端部と、ループの第２の端部に結合された第２の端部と
を有する。アレイは、アレイの第１の端部とアレイの第２の端部との間に結合さ
れた少なくとも第１の音響センサと第２の音響センサとを含む。第２の音響セン
サは第１の音響センサよりも遅延部分の第２の端部およびループの第２の端部か
ら離れたところに配置され、第２の音響センサが、第１の音響センサとは異なっ
た時間に光を受けるようにする。第１の音響センサおよび第２の音響センサはそ
れぞれ、第１および第２の方向にそれを通過する光を変調するよう、あたる音響
信号に応答する。少なくとも１つの検出器は干渉ループからカプラに戻る光を受
ける。検出器は第１の時間に第１の音響センサによって変調された光を検出し、
第１の時間後の第２の時間に第２の音響センサによって変調された光を検出する
。検出器は検出器出力信号を発生する。センサ毎に、反対方向にセンサを通って
伝搬する光パルスが異なった時間にこれを行なう。検出されることとなる音響信
号はループによって導入される時間遅延の間に変化するため、各センサを反対方
向に伝搬する２つの光信号は、音響信号によって引き起こされる異なった位相シ
フトを経験する。光信号がループのカプラで合成されると、異なった位相シフト
により、検出器によって検出される振幅変調が発生する。
光源からの光を受け、光の第１の部分を第１のカプラポートに結合し、光の第２
の部分を第２のカプラポートに結合する。干渉ループの第１の端部は光の第１の
部分を受けるよう第１のカプラポートに結合され、第２の部分は光の第２の部分
を受けるよう第２のカプラポートに結合される。干渉ループは第１の方向に光の
第１の部分を第２のカプラポートに伝搬し、第１の方向とは反対の第２の方向に
光の第２の部分を第１のカプラポートまで伝搬する。干渉ループは遅延部分を含
む。遅延部分は干渉ループの第１の端部に近接した第１の端部と、第２の端部と
を有する。遅延部分は、遅延部分の第１の端部から遅延部分の第２の端部まで遅
延部分を通る光を時間的に遅延し、かつ遅延部分の第２の端部から遅延部分の第
１の端部まで遅延部分を通る光を時間的に遅延する。アレイは遅延部分の第２の
端部に結合された第１の端部と、ループの第２の端部に結合された第２の端部と
を有する。アレイは、アレイの第１の端部とアレイの第２の端部との間に結合さ
れた少なくとも第１の音響センサと第２の音響センサとを含む。第２の音響セン
サは第１の音響センサよりも遅延部分の第２の端部およびループの第２の端部か
ら離れたところに配置され、第２の音響センサが、第１の音響センサとは異なっ
た時間に光を受けるようにする。第１の音響センサおよび第２の音響センサはそ
れぞれ、第１および第２の方向にそれを通過する光を変調するよう、あたる音響
信号に応答する。少なくとも１つの検出器は干渉ループからカプラに戻る光を受
ける。検出器は第１の時間に第１の音響センサによって変調された光を検出し、
第１の時間後の第２の時間に第２の音響センサによって変調された光を検出する
。検出器は検出器出力信号を発生する。センサ毎に、反対方向にセンサを通って
伝搬する光パルスが異なった時間にこれを行なう。検出されることとなる音響信
号はループによって導入される時間遅延の間に変化するため、各センサを反対方
向に伝搬する２つの光信号は、音響信号によって引き起こされる異なった位相シ
フトを経験する。光信号がループのカプラで合成されると、異なった位相シフト
により、検出器によって検出される振幅変調が発生する。
【０００７】 いくつかの実施例において、音響センサシステムは第２の遅延部分をさらに含
む。第２の遅延部分は、光の一部分のみが第２の遅延部分に伝搬するように干渉
ループに結合される。第２の遅延部分は、第１および第２のセンサの各々が、第
１の遅延部分の一部分のみによって遅延される光を伝搬し、さらには第１の遅延
部分および第２の遅延部分の両方によって遅延される光を伝搬するようにする。
これにより検出器は、第１および第２のセンサの各々からの少なくとも２対の干
渉し合う信号を受ける。
む。第２の遅延部分は、光の一部分のみが第２の遅延部分に伝搬するように干渉
ループに結合される。第２の遅延部分は、第１および第２のセンサの各々が、第
１の遅延部分の一部分のみによって遅延される光を伝搬し、さらには第１の遅延
部分および第２の遅延部分の両方によって遅延される光を伝搬するようにする。
これにより検出器は、第１および第２のセンサの各々からの少なくとも２対の干
渉し合う信号を受ける。
【０００８】 特定的な実施例において、音響センサシステムは、アレイに配置され、第１の
センサと第２のセンサとの間の光を分割することにより生じる損失を補償する複
数の増幅器をさらに含む。
センサと第２のセンサとの間の光を分割することにより生じる損失を補償する複
数の増幅器をさらに含む。
【０００９】 いくつかの実施例において、第１の音響センサによって変調される光は、時間
分割多元化によって第２の音響センサによって変調される光から分離される。
分割多元化によって第２の音響センサによって変調される光から分離される。
【００１０】 代替的な実施例において、光は光源で変調されて、リターン信号に周波数分割
多元化を施すようにする。このような実施例において、システムはチャーピング
周波数を発生する発生器をさらに含む。強度変調器はチャーピング周波数によっ
て光の光源からの光を変調する。電子遅延器はチャーピング周波数を受け、遅延
されたチャーピング周波数を発生する。ミキサは検出器出力信号および遅延され
たチャーピング周波数を混合して、第１および第２の音響センサの各々に対応す
るそれぞれのうなり周波数を発生する。各うなり周波数は、それぞれの第１およ
び第２の音響センサによって検出されるそれぞれの音響信号に対応するそれぞれ
の側帯域を有する。
多元化を施すようにする。このような実施例において、システムはチャーピング
周波数を発生する発生器をさらに含む。強度変調器はチャーピング周波数によっ
て光の光源からの光を変調する。電子遅延器はチャーピング周波数を受け、遅延
されたチャーピング周波数を発生する。ミキサは検出器出力信号および遅延され
たチャーピング周波数を混合して、第１および第２の音響センサの各々に対応す
るそれぞれのうなり周波数を発生する。各うなり周波数は、それぞれの第１およ
び第２の音響センサによって検出されるそれぞれの音響信号に対応するそれぞれ
の側帯域を有する。
【００１１】 さらなる代替的な実施例において、リターン信号はコード分割多元化によって
多元化される。このような代替的な実施例において、音響センサシステムは、デ
ジタルコードを発生するコード発生器をさらに含む。強度変調器はデジタルコー
ドによって光源からの光を変調する。電子遅延器は選択された遅延をデジタルコ
ードに付与して、遅延されたデジタルコードを発生する。相関器は検出器出力信
号およびデジタルコードを相関づけて、第１および第２の音響センサのうちの選
択されたものによって感知された音響信号に対応する非多重化信号を発生する。
第１および第２のセンサのうちの選択されたものは選択された遅延器によって選
択される。電子遅延器を変更することにより、センサ信号の各々が順次非多重化
できるようになる。
多元化される。このような代替的な実施例において、音響センサシステムは、デ
ジタルコードを発生するコード発生器をさらに含む。強度変調器はデジタルコー
ドによって光源からの光を変調する。電子遅延器は選択された遅延をデジタルコ
ードに付与して、遅延されたデジタルコードを発生する。相関器は検出器出力信
号およびデジタルコードを相関づけて、第１および第２の音響センサのうちの選
択されたものによって感知された音響信号に対応する非多重化信号を発生する。
第１および第２のセンサのうちの選択されたものは選択された遅延器によって選
択される。電子遅延器を変更することにより、センサ信号の各々が順次非多重化
できるようになる。
【００１２】 本発明は、センサを通って両方の偏光状態で光が伝搬することを保証するため
に、その中を伝搬する光を減偏光するための、ループに設けられた減偏光子を有
利に含んでもよい。
に、その中を伝搬する光を減偏光するための、ループに設けられた減偏光子を有
利に含んでもよい。
【００１３】 本発明の別の局面は、第１のサニャック干渉計を含むサニャック干渉感知シス
テムである。第１のサニャック干渉計は、複数の隔てられた光のパルスとして光
を発生する光源を含む。カプラは光のパルスを第１のカプラポートおよび第２の
カプラポートに結合する。光路は第１のカプラポートからの光を第２のカプラポ
ートに結合し、第２のカプラポートからの光を第１のカプラポートに結合する。
光路は第１のカプラポートに近接した遅延部分を含む。遅延部分は、遅延部分を
通って遅延部分の第１の端部から遅延部分の第２の端部まで伝搬する光を時間的
に遅延し、さらには遅延部分を通って遅延部分の第２の端部から遅延部分の第１
の端部まで伝搬する光を時間的に遅延する。第１の音響センサは遅延部分の第２
の端部とカプラの第２の端部との間に結合される。第１の音響センサは、遅延部
分の第２の端部からの第１の光信号を第２のカプラポートに伝搬し、かつ第２の
カプラポートからの第２の光信号を遅延部分の第２の端部に伝搬する。第１の音
響センサは、あたる音響信号に応答して、第１および第２の光信号を変調する。
第２の光信号は遅延部分で遅延されて、第２の光信号が、第２の光信号がカプラ
の第２のポートに到達するのと実質的に同時にカプラの第１のポートに到達する
ようにする。第１の光信号および第２の光信号はカプラで干渉し合い、第１の干
渉出力信号を発生する。検出器は、第１の干渉出力信号を受けるよう結合される
。第２のサニャック干渉計は光源と、カプラと、光路と、遅延部分と、検出器と
、第２の音響センサとを含む。第２の音響センサは遅延部分の第２の端部とカプ
ラの第２のポートとの間に結合される。第２の音響センサは、遅延部分の第２の
端部およびカプラの第２のポートからずれて配置されて、第２の音響センサが、
カプラの第２のポートに第１の光信号が結合された後に、遅延部分の第２の端部
からの第３の光信号をカプラの第２のポートに結合するようにし、かつ第２の光
信号が遅延部分の第２の端部に結合された後に遅延部分の第２の端部にカプラの
第２のポートからの第４の光信号が結合されるようにする。第４の光信号は遅延
部分で遅延されて、第３の光信号がカプラの第２のポートに到達するのと実質的
に同時にカプラの第１のポートに到達するようにする。第３および第４の光信号
はカプラで干渉し合い、第１の干渉光信号が検出器によって検出された後に検出
される第２の干渉出力信号を発生する。
テムである。第１のサニャック干渉計は、複数の隔てられた光のパルスとして光
を発生する光源を含む。カプラは光のパルスを第１のカプラポートおよび第２の
カプラポートに結合する。光路は第１のカプラポートからの光を第２のカプラポ
ートに結合し、第２のカプラポートからの光を第１のカプラポートに結合する。
光路は第１のカプラポートに近接した遅延部分を含む。遅延部分は、遅延部分を
通って遅延部分の第１の端部から遅延部分の第２の端部まで伝搬する光を時間的
に遅延し、さらには遅延部分を通って遅延部分の第２の端部から遅延部分の第１
の端部まで伝搬する光を時間的に遅延する。第１の音響センサは遅延部分の第２
の端部とカプラの第２の端部との間に結合される。第１の音響センサは、遅延部
分の第２の端部からの第１の光信号を第２のカプラポートに伝搬し、かつ第２の
カプラポートからの第２の光信号を遅延部分の第２の端部に伝搬する。第１の音
響センサは、あたる音響信号に応答して、第１および第２の光信号を変調する。
第２の光信号は遅延部分で遅延されて、第２の光信号が、第２の光信号がカプラ
の第２のポートに到達するのと実質的に同時にカプラの第１のポートに到達する
ようにする。第１の光信号および第２の光信号はカプラで干渉し合い、第１の干
渉出力信号を発生する。検出器は、第１の干渉出力信号を受けるよう結合される
。第２のサニャック干渉計は光源と、カプラと、光路と、遅延部分と、検出器と
、第２の音響センサとを含む。第２の音響センサは遅延部分の第２の端部とカプ
ラの第２のポートとの間に結合される。第２の音響センサは、遅延部分の第２の
端部およびカプラの第２のポートからずれて配置されて、第２の音響センサが、
カプラの第２のポートに第１の光信号が結合された後に、遅延部分の第２の端部
からの第３の光信号をカプラの第２のポートに結合するようにし、かつ第２の光
信号が遅延部分の第２の端部に結合された後に遅延部分の第２の端部にカプラの
第２のポートからの第４の光信号が結合されるようにする。第４の光信号は遅延
部分で遅延されて、第３の光信号がカプラの第２のポートに到達するのと実質的
に同時にカプラの第１のポートに到達するようにする。第３および第４の光信号
はカプラで干渉し合い、第１の干渉光信号が検出器によって検出された後に検出
される第２の干渉出力信号を発生する。
【００１４】 本発明の別の局面は感知装置であり、これは光パルスの光源と、光カプラとを
含み、この光カプラは光パルスを受け、光パルスを第１のカプラポートおよび第
２のカプラポートに結合する。光ファイバループは第１のカプラポートからの光
を受けるよう結合された第１の端部と、第２のカプラポートからの光を受けるよ
う結合された第２の端部とを有する。第１のカプラポートからの光はループ中を
第１の方向に第２のカプラポートまで伝搬する。第２のカプラポートからの光は
ループ中を第２の方向に第１のカプラポートまで伝搬する。センサアレイは複数
のセンサを含む。各センサはループ中を第１の方向に伝搬する光のそれぞれの部
分と、ループ中を第２の方向に伝搬する光のそれぞれの部分を受ける。センサの
各々は、光のそれぞれの部分がセンサのうち第２のものを通って伝搬する前に、
センサの第１のものを通って光のそれぞれの部分が伝搬するように、異なる光路
長を有する。センサアレイは、ループの第２の端部よりもループの第１の端部に
光学的に近接して配置され、第１の方向に伝搬する光がループ中で遅延され、そ
の後センサアレイを通って伝搬し、かつ第２の方向に伝搬する光がセンサアレイ
を通って伝搬し、その後ループ中で遅延されるようにする。このように、反対方
向に所与のセンサを通って伝搬する光パルスは異なった時間にこれを行なう。検
出されることとなる音響信号はループによって導入される時間遅延の間に変化す
るため、２つの光信号は、音響信号によって引き起こされる異なった位相シフト
を経験する。光信号がループカプラで合成されると、異なった位相シフトにより
、検出器によって検出される振幅変調が引き起こされる。
含み、この光カプラは光パルスを受け、光パルスを第１のカプラポートおよび第
２のカプラポートに結合する。光ファイバループは第１のカプラポートからの光
を受けるよう結合された第１の端部と、第２のカプラポートからの光を受けるよ
う結合された第２の端部とを有する。第１のカプラポートからの光はループ中を
第１の方向に第２のカプラポートまで伝搬する。第２のカプラポートからの光は
ループ中を第２の方向に第１のカプラポートまで伝搬する。センサアレイは複数
のセンサを含む。各センサはループ中を第１の方向に伝搬する光のそれぞれの部
分と、ループ中を第２の方向に伝搬する光のそれぞれの部分を受ける。センサの
各々は、光のそれぞれの部分がセンサのうち第２のものを通って伝搬する前に、
センサの第１のものを通って光のそれぞれの部分が伝搬するように、異なる光路
長を有する。センサアレイは、ループの第２の端部よりもループの第１の端部に
光学的に近接して配置され、第１の方向に伝搬する光がループ中で遅延され、そ
の後センサアレイを通って伝搬し、かつ第２の方向に伝搬する光がセンサアレイ
を通って伝搬し、その後ループ中で遅延されるようにする。このように、反対方
向に所与のセンサを通って伝搬する光パルスは異なった時間にこれを行なう。検
出されることとなる音響信号はループによって導入される時間遅延の間に変化す
るため、２つの光信号は、音響信号によって引き起こされる異なった位相シフト
を経験する。光信号がループカプラで合成されると、異なった位相シフトにより
、検出器によって検出される振幅変調が引き起こされる。
【００１５】 本発明の別の局面はパラメータを感知するための方法である。この方法による
と、光は、光のそれぞれの部分がループ中を第１および第２の方向に反対方向に
伝搬するように、光源からループを通って伝搬する。ループ中を伝搬する光は、
その中を通る光を変調するために感知されるパラメータに応答する、少なくとも
第１および第２のセンサを通る。第１および第２のセンサは、第２のセンサを通
る光が第１のセンサを通る光に対して遅延されるように、異なる光路長を有する
。第１の方向にループ中を伝搬する光は、第１および第２のセンサを通る前に遅
延される。第２の方向にループ中を伝搬する光は、第１および第２のセンサを通
った後に遅延される。第１および第２の方向に伝搬する光はカプラで干渉し合い
、第１および第２の方向に第１のセンサを通る光に応答する第１の出力信号を発
生し、かつ第１および第２の方向に第２のセンサを通る光に応答する第２の出力
信号を発生する。第２の出力信号は第１の出力信号に対して遅延される。
と、光は、光のそれぞれの部分がループ中を第１および第２の方向に反対方向に
伝搬するように、光源からループを通って伝搬する。ループ中を伝搬する光は、
その中を通る光を変調するために感知されるパラメータに応答する、少なくとも
第１および第２のセンサを通る。第１および第２のセンサは、第２のセンサを通
る光が第１のセンサを通る光に対して遅延されるように、異なる光路長を有する
。第１の方向にループ中を伝搬する光は、第１および第２のセンサを通る前に遅
延される。第２の方向にループ中を伝搬する光は、第１および第２のセンサを通
った後に遅延される。第１および第２の方向に伝搬する光はカプラで干渉し合い
、第１および第２の方向に第１のセンサを通る光に応答する第１の出力信号を発
生し、かつ第１および第２の方向に第２のセンサを通る光に応答する第２の出力
信号を発生する。第２の出力信号は第１の出力信号に対して遅延される。
【００１６】 本発明の別の局面は感知装置であり、これはカプラを含み、このカプラは光源
からの光を受け、かつ光の第１および第２の部分を第１および第２のカプラポー
トに結合する。光ループは第１のカプラポートと第２のカプラポートとの間に接
続され、第１のカプラポートからの光を第１の方向にループを通して第２のカプ
ラポートに伝搬し、第２のカプラポートからの光を第２の方向に第１のカプラポ
ートまで伝搬する。第１および第２の方向に伝搬する光はカプラで合成される。
センサアレイは、パラメータを感知する少なくとも第１および第２のセンサを含
む。第１および第２のセンサはそれぞれの第１および第２の光路を有する。第１
のセンサを通る第１の光路は、第２のセンサを通る第２の光路よりも光学的に短
い。光遅延部分はセンサアレイと第１のカプラポートとの間のループに位置づけ
られ、第１の方向に第１のカプラポートから伝搬する光が、センサアレイに到達
する前に光遅延部分によって遅延されるようにし、かつ第２の方向に第２のカプ
ラポートから伝搬する光が、センサアレイを通過した後に光遅延部分によって遅
延されるようにする。
からの光を受け、かつ光の第１および第２の部分を第１および第２のカプラポー
トに結合する。光ループは第１のカプラポートと第２のカプラポートとの間に接
続され、第１のカプラポートからの光を第１の方向にループを通して第２のカプ
ラポートに伝搬し、第２のカプラポートからの光を第２の方向に第１のカプラポ
ートまで伝搬する。第１および第２の方向に伝搬する光はカプラで合成される。
センサアレイは、パラメータを感知する少なくとも第１および第２のセンサを含
む。第１および第２のセンサはそれぞれの第１および第２の光路を有する。第１
のセンサを通る第１の光路は、第２のセンサを通る第２の光路よりも光学的に短
い。光遅延部分はセンサアレイと第１のカプラポートとの間のループに位置づけ
られ、第１の方向に第１のカプラポートから伝搬する光が、センサアレイに到達
する前に光遅延部分によって遅延されるようにし、かつ第２の方向に第２のカプ
ラポートから伝搬する光が、センサアレイを通過した後に光遅延部分によって遅
延されるようにする。
【００１７】 本発明の別の局面は、公知の音響センサアレイのようにマッハ・ツェンダ干渉
計に基礎を置くのではなく、サニャック干渉計に基礎を置く光ファイバ音響セン
サアレイである。光ファイバ音響センサアレイは水中の音響波を検出するために
使用される。センサアレイをマッハ・ツェンダ干渉計ではなくサニャック干渉計
に基づかせることにより、センサアレイのバイアス点が安定し、位相ノイズが低
減し、高価な狭線レーザを要求するのではなく広帯域信号源の使用が可能になる
。多数の音響センサをサニャック干渉計のアーキテクチャに多元化することがで
きる。
計に基礎を置くのではなく、サニャック干渉計に基礎を置く光ファイバ音響セン
サアレイである。光ファイバ音響センサアレイは水中の音響波を検出するために
使用される。センサアレイをマッハ・ツェンダ干渉計ではなくサニャック干渉計
に基づかせることにより、センサアレイのバイアス点が安定し、位相ノイズが低
減し、高価な狭線レーザを要求するのではなく広帯域信号源の使用が可能になる
。多数の音響センサをサニャック干渉計のアーキテクチャに多元化することがで
きる。
【００１８】 添付の図面に関連して以下に本発明を説明する。
【００１９】
以下に、サニャックループの（ハイドロホンなどの）音響センサのアレイに関
連して本発明を説明する。好ましい実施例を説明する前に、単一ループサニャッ
ク音響センサの動作を簡単に説明する。
連して本発明を説明する。好ましい実施例を説明する前に、単一ループサニャッ
ク音響センサの動作を簡単に説明する。
【００２０】 単一ループサニャック音響センサ 簡単なサニャック系音響センサ１００が図１に示される。サニャックループは
２つの部分、すなわち遅延ループ１０２とハイドロホン１０４とに分割される。
遅延ループ１０２は単に非常に長いファイバであり、典型的には１ｋｍよりも長
い。ハイドロホン１０４はファイバの部分であり、ここで音響波が、ファイバに
伝搬する光信号の位相変調に変換される。音響波に対する応答性は典型的には、
ハイドロホン１０４におけるファイバの部分に最適なコーティングを選択し、フ
ァイバを適切な組成物のマンドレルのまわりに巻くことにより高められる。（た
とえばJ. A. Bucaro, et al., Optical fibre sensor coatings, Optical Fiber Sensors , Proceedings of the NATO Advanced Study Institute, 1986, pp.321
-338を参照。）ハイドロホン１０４のまわりに巻かれるファイバの長さは典型的
に１０メートルから１００メートルである。たとえば超蛍光ファイバ源（ＳＦＳ
）などの光源１１０からの光は、３×３カプラ１１２によって時計回り（ＣＷ）
および反時計回り（ＣＣＷ）のビームに分割される。３×３カプラ１１２の動作
は周知であり、たとえばSang K. Sheem, Fiber-optic gyroscope with [3×3] d
irectional coupler, Applied Physics Letters, Vol.37, No.10, 15 November
1980, pp.869-871に記載されている。
２つの部分、すなわち遅延ループ１０２とハイドロホン１０４とに分割される。
遅延ループ１０２は単に非常に長いファイバであり、典型的には１ｋｍよりも長
い。ハイドロホン１０４はファイバの部分であり、ここで音響波が、ファイバに
伝搬する光信号の位相変調に変換される。音響波に対する応答性は典型的には、
ハイドロホン１０４におけるファイバの部分に最適なコーティングを選択し、フ
ァイバを適切な組成物のマンドレルのまわりに巻くことにより高められる。（た
とえばJ. A. Bucaro, et al., Optical fibre sensor coatings, Optical Fiber Sensors , Proceedings of the NATO Advanced Study Institute, 1986, pp.321
-338を参照。）ハイドロホン１０４のまわりに巻かれるファイバの長さは典型的
に１０メートルから１００メートルである。たとえば超蛍光ファイバ源（ＳＦＳ
）などの光源１１０からの光は、３×３カプラ１１２によって時計回り（ＣＷ）
および反時計回り（ＣＣＷ）のビームに分割される。３×３カプラ１１２の動作
は周知であり、たとえばSang K. Sheem, Fiber-optic gyroscope with [3×3] d
irectional coupler, Applied Physics Letters, Vol.37, No.10, 15 November
1980, pp.869-871に記載されている。
【００２１】 ここでは３×３カプラ１１２を使用するものとして説明するが、他のカプラ（
たとえば２×２カプラおよび４×４カプラなど）を本発明の代替的な実施例に使
用してもよい。たとえば、２×２カプラを使用すると、一方の側のポートの両方
がサニャック干渉計を構成するよう使用される。他方の側の一方のポートは検出
ポートである。もう１つのポートはアレイに光を出射するために使用され、カプ
ラまたはサーキュレータが採用される場合には検出ポートとして使用され得る（
光ファイバジャイロスコープの場合と同様である）。一般に、サニャック干渉計
を構成するためにカプラのうち一方の側の２つのポートを使用し、検出ポート、
出射ポートまたはこれらの両方としてカプラの他方の側のポートを使用すれば、
いかなるｎ×ｍカプラを採用してもよい。
たとえば２×２カプラおよび４×４カプラなど）を本発明の代替的な実施例に使
用してもよい。たとえば、２×２カプラを使用すると、一方の側のポートの両方
がサニャック干渉計を構成するよう使用される。他方の側の一方のポートは検出
ポートである。もう１つのポートはアレイに光を出射するために使用され、カプ
ラまたはサーキュレータが採用される場合には検出ポートとして使用され得る（
光ファイバジャイロスコープの場合と同様である）。一般に、サニャック干渉計
を構成するためにカプラのうち一方の側の２つのポートを使用し、検出ポート、
出射ポートまたはこれらの両方としてカプラの他方の側のポートを使用すれば、
いかなるｎ×ｍカプラを採用してもよい。
【００２２】 分割後、ＣＷビームはまず遅延ループ１０２中を進行し、その後ハイドロホン
１０４へと進み、ＣＣＷビームはまずハイドロホン１０４中を進行し、その後遅
延ループ１２中を進む。ＣＷビームがハイドロホン１０４中を進行する時間とＣ
ＣＷビームがハイドロホン１０４中を進行する時間との時間遅延Ｔdelay（以下
、delayは「遅延」を表す）間、音響信号と同様にハイドロホン１０４で音響的
に誘導された位相変調が変化する。この位相変調の変化は反対方向に伝搬するビ
ーム間の位相の差にマッピングされ、これは、３×３カプラ１１２でビームが再
度合成される際に強度変調に変換される。この強度変調は後に第１の検出器１２
０および第２の検出器１２２またはこれらの２つの検出器のうちの一方のみによ
って検出される。
１０４へと進み、ＣＣＷビームはまずハイドロホン１０４中を進行し、その後遅
延ループ１２中を進む。ＣＷビームがハイドロホン１０４中を進行する時間とＣ
ＣＷビームがハイドロホン１０４中を進行する時間との時間遅延Ｔdelay（以下
、delayは「遅延」を表す）間、音響信号と同様にハイドロホン１０４で音響的
に誘導された位相変調が変化する。この位相変調の変化は反対方向に伝搬するビ
ーム間の位相の差にマッピングされ、これは、３×３カプラ１１２でビームが再
度合成される際に強度変調に変換される。この強度変調は後に第１の検出器１２
０および第２の検出器１２２またはこれらの２つの検出器のうちの一方のみによ
って検出される。
【００２３】 より明確には、音響信号がハイドロホン１０４のファイバに位相変調ηｃｏｓ
（ｔ）を誘導する場合、ハイドロホン１０４における干渉ビーム間の、結果とし
て生じる位相変調ｉｎｔ（ｔ）は下記の式によって与えられる。
（ｔ）を誘導する場合、ハイドロホン１０４における干渉ビーム間の、結果とし
て生じる位相変調ｉｎｔ（ｔ）は下記の式によって与えられる。
【００２４】
【数１】
【００２５】 ただし、Ｔdelayは遅延ループを通る進行時間である。したがって、ｉｎｔ（ｔ
）はハイドロホン変調η、および音響変調周波数とループ遅延Ｔdelayとの積の
関数である。これは、ｉｎｔ（ｔ）がハイドロホン変調ηのみの関数であるマッ
ハ・ツェンダー干渉センサの場合とは異なる。音響周波数と時間遅延Ｔdelayと
の積が（式１の１つ目の正弦項の最大値）の奇数倍であるときにサニャックルー
プ音響センサの感度が最高になる。この積をもたらす音響周波数は適切なループ
周波数と呼ばれ、感度が最高になる最低周波数である。水中での感知用途の多く
は１０ｋＨｚ未満の音響周波数の検出に関わる。適切なループ周波数が１０ｋＨ
ｚ未満になるようにするためには、５０マイクロセカンド以上の遅延時間と、し
たがって１０ｋｍ以上の遅延ループ長さとが要求される。このため、サニャック
音響センサ１００では、低音響周波数（＜１０ｋＨｚ）の検出に大量のファイバ
が要求される。
）はハイドロホン変調η、および音響変調周波数とループ遅延Ｔdelayとの積の
関数である。これは、ｉｎｔ（ｔ）がハイドロホン変調ηのみの関数であるマッ
ハ・ツェンダー干渉センサの場合とは異なる。音響周波数と時間遅延Ｔdelayと
の積が（式１の１つ目の正弦項の最大値）の奇数倍であるときにサニャックルー
プ音響センサの感度が最高になる。この積をもたらす音響周波数は適切なループ
周波数と呼ばれ、感度が最高になる最低周波数である。水中での感知用途の多く
は１０ｋＨｚ未満の音響周波数の検出に関わる。適切なループ周波数が１０ｋＨ
ｚ未満になるようにするためには、５０マイクロセカンド以上の遅延時間と、し
たがって１０ｋｍ以上の遅延ループ長さとが要求される。このため、サニャック
音響センサ１００では、低音響周波数（＜１０ｋＨｚ）の検出に大量のファイバ
が要求される。
【００２６】 サニャック干渉計に特有な共通経路設計には、既に述べたようにバイアス点が
安定しており位相ノイズの問題がなくなる他にも、マッハ・ツェンダー干渉計に
勝る多くの利点がある。サニャック干渉計では、増幅自発放出（ＡＳＥ）源の一
例として、超蛍光ファイバ源（ＳＦＳ）などのコヒーレンス長の短い広帯域源の
使用が可能になる。このような光源は価格が低く、高いレベルのパワーを容易に
供給し得る。３×３カプラを使用するとサニャック音響センサが受動的に直角位
相付近にバイアスされることが示されている。（Sang K. Sheem, Fiber-optic g
yroscope with [3×3] directional coupler, Applied Physics Letters, Vol.3
7, No.10, 15 November 1980, pp.868-871; and H. Poisel, et al., Low-cost
fibre-optic gyroscope, Electronics Letters, Vol.26, No.1, 4th January 19
90, pp.69-70を参照。）３×３カプラの２つの検出ポートから信号を減じると、
ＳＦＳ源の制限ノイズ源である光源過剰ノイズが低減し、ハイドロホンによる位
相変調によって誘導される強度変化が起こる。これにより、サニャック干渉計は
ショットノイズ制限性能に近づく。（Kjell Krakenes, et al., Sagnac interfe
rometer for underwater sound detection: noise properties, OPTICS LETTERS , Vol.14, No.20, October 15, 1989, pp.1152-1145を参照。）
安定しており位相ノイズの問題がなくなる他にも、マッハ・ツェンダー干渉計に
勝る多くの利点がある。サニャック干渉計では、増幅自発放出（ＡＳＥ）源の一
例として、超蛍光ファイバ源（ＳＦＳ）などのコヒーレンス長の短い広帯域源の
使用が可能になる。このような光源は価格が低く、高いレベルのパワーを容易に
供給し得る。３×３カプラを使用するとサニャック音響センサが受動的に直角位
相付近にバイアスされることが示されている。（Sang K. Sheem, Fiber-optic g
yroscope with [3×3] directional coupler, Applied Physics Letters, Vol.3
7, No.10, 15 November 1980, pp.868-871; and H. Poisel, et al., Low-cost
fibre-optic gyroscope, Electronics Letters, Vol.26, No.1, 4th January 19
90, pp.69-70を参照。）３×３カプラの２つの検出ポートから信号を減じると、
ＳＦＳ源の制限ノイズ源である光源過剰ノイズが低減し、ハイドロホンによる位
相変調によって誘導される強度変化が起こる。これにより、サニャック干渉計は
ショットノイズ制限性能に近づく。（Kjell Krakenes, et al., Sagnac interfe
rometer for underwater sound detection: noise properties, OPTICS LETTERS , Vol.14, No.20, October 15, 1989, pp.1152-1145を参照。）
【００２７】 サニャック系音響センサに対するこれまでの研究は単一センサの構成に限られ
ていた。サニャック干渉計の持つ特有な利点のために、出願人は、大規模なアレ
イに配置されたマッハ・ツェンダー干渉センサをサニャック系センサに置き換え
ることが望ましいと判断した。上述の各サニャックセンサ１００には何キロメー
トルものファイバが要求されるため、このような多数のセンサを大規模なアレイ
に挿入することは非実用的である。循環する遅延ループを使用してファイバ長さ
に関する要件を緩和する研究により、ファイバの量は大幅に低減したものの、循
環ループ内にＥＤＦＡが組込まれることにより高ノイズの問題のあるセンサが生
まれた。（たとえばJ.T. Kringlebotn, et al., Sagnac Interferometer Includ
ing A Recirculating Ring With An Erbium-doped Fibre Amplifier, OFS '92 C
onference Proceedings, pp. 6-9.を参照。）以下に、要求されるファイバ量を
低減するための新規な方策を記載する。
ていた。サニャック干渉計の持つ特有な利点のために、出願人は、大規模なアレ
イに配置されたマッハ・ツェンダー干渉センサをサニャック系センサに置き換え
ることが望ましいと判断した。上述の各サニャックセンサ１００には何キロメー
トルものファイバが要求されるため、このような多数のセンサを大規模なアレイ
に挿入することは非実用的である。循環する遅延ループを使用してファイバ長さ
に関する要件を緩和する研究により、ファイバの量は大幅に低減したものの、循
環ループ内にＥＤＦＡが組込まれることにより高ノイズの問題のあるセンサが生
まれた。（たとえばJ.T. Kringlebotn, et al., Sagnac Interferometer Includ
ing A Recirculating Ring With An Erbium-doped Fibre Amplifier, OFS '92 C
onference Proceedings, pp. 6-9.を参照。）以下に、要求されるファイバ量を
低減するための新規な方策を記載する。
【００２８】 サニャック干渉計に基づく新規なセンサアレイ 以下に記載するように、出願人は、多数のセンサを同一の遅延ループに多元化
することにより、サニャック系の大規模アレイに要求されるファイバ量を低減す
る新規なシステムを見出し、実用的なサニャックセンサアレイ（ＳＳＡ）を生み
出した。図２に示されるように、本発明によるサニャックセンサアレイ２００は
単一遅延ループ２１４に装着された梯子状の形態のハイドロホン２１２（ｉ）の
アレイ２１０を含む。たとえば、図２は、それぞれの段２１６（１）、２１６（
２）…２１６（Ｎ）に置かれたＮ個のハイドロホン２１２（１）、２１２（２）
…２１２（Ｎ）を有するサニャックセンサアレイ２１０を示す。サニャックセン
サアレイ２１０の各段２１６（ｉ）は、それぞれのハイドロホン２１２（ｉ）の
周りに巻かれた単一ファイバを含む。遅延ループ２１４およびアレイ２１０を通
りカプラ２２０に戻る３×３カプラ２２０からのすべての経路には別個のサニャ
ック干渉計が設けられる。したがって、Ｎ個のセンサ２１２のアレイの場合、Ｎ
個の別個のサニャック干渉計が設けられ、これらの各々が、図１に示される単一
ループサニャックセンサ１００と同様に動作する。各サニャック干渉計は空間に
おける別個の点、すなわちハイドロホン２１２（ｉ）の場所で、音響信号を測定
する。たとえば、遅延ループ２１４と段２１６（１）とを含むサニャック干渉計
はハイドロホン２１２（１）で音響信号を測定する。さらに、各サニャック干渉
計はループ中の他の場所における音響信号（たとえばノイズ）も受け、後に説明
するようにこのノイズは有利に低減される。
することにより、サニャック系の大規模アレイに要求されるファイバ量を低減す
る新規なシステムを見出し、実用的なサニャックセンサアレイ（ＳＳＡ）を生み
出した。図２に示されるように、本発明によるサニャックセンサアレイ２００は
単一遅延ループ２１４に装着された梯子状の形態のハイドロホン２１２（ｉ）の
アレイ２１０を含む。たとえば、図２は、それぞれの段２１６（１）、２１６（
２）…２１６（Ｎ）に置かれたＮ個のハイドロホン２１２（１）、２１２（２）
…２１２（Ｎ）を有するサニャックセンサアレイ２１０を示す。サニャックセン
サアレイ２１０の各段２１６（ｉ）は、それぞれのハイドロホン２１２（ｉ）の
周りに巻かれた単一ファイバを含む。遅延ループ２１４およびアレイ２１０を通
りカプラ２２０に戻る３×３カプラ２２０からのすべての経路には別個のサニャ
ック干渉計が設けられる。したがって、Ｎ個のセンサ２１２のアレイの場合、Ｎ
個の別個のサニャック干渉計が設けられ、これらの各々が、図１に示される単一
ループサニャックセンサ１００と同様に動作する。各サニャック干渉計は空間に
おける別個の点、すなわちハイドロホン２１２（ｉ）の場所で、音響信号を測定
する。たとえば、遅延ループ２１４と段２１６（１）とを含むサニャック干渉計
はハイドロホン２１２（１）で音響信号を測定する。さらに、各サニャック干渉
計はループ中の他の場所における音響信号（たとえばノイズ）も受け、後に説明
するようにこのノイズは有利に低減される。
【００２９】 サニャックセンサアレイ２００は時間分割多元化（ＴＤＭ）構成（ＴＤＭでは
ない機構を後に説明する）において最も容易に理解できる。光源２２２（これは
有利には従来のパルス源を含むか、または外部変調器を有するＣＷ源を含み得る
）は光パルスを発生し、この光パルスはカプラ２２０の第３のポートを介してサ
ニャックループに入り、図２に示されるようにＣＷおよびＣＣＷ方向の両方に伝
搬する。アレイ２１０に到達すると、ＣＣＷパルスは一連のＮ個の別個のパルス
に分割される。この時点で、ＣＷ入力パルスはまだアレイ２１０には到達してお
らず、依然として単一パルスである。ＣＷパルスは、アレイ２１０に到達すると
一連のＮ個のパルスに分割される。一連のＣＷパルスの各々はそれぞれの段２１
６（ｉ）中を進行した後に３×３カプラ２２０に戻り、反対方向に同じ段２１６
（ｉ）を通って進行したＣＣＷ連のパルスを干渉する。このため、Ｎ個のパルス
が第１の検出器２３０と第２の検出器２３２とによって検出され、各パルスはＮ
個のサニャックループのうちの１つのＣＷおよびＣＣＷパルス（すなわちそれぞ
れの同じ段２１６（ｉ）を通って反対方向に進行した２つのパルス）を含む。異
なった組合せの段中を進行したパルスは同じ光学経路を辿らないため、このよう
なパルスがカプラ２２０で時間的に一致することはなく、したがってカプラ２２
０で互いに干渉し合わない。隣接するセンサからのパルスの重複を避けるため、
パルス幅は隣接するセンサ間の遅延の差よりも小さくする必要がある。
ない機構を後に説明する）において最も容易に理解できる。光源２２２（これは
有利には従来のパルス源を含むか、または外部変調器を有するＣＷ源を含み得る
）は光パルスを発生し、この光パルスはカプラ２２０の第３のポートを介してサ
ニャックループに入り、図２に示されるようにＣＷおよびＣＣＷ方向の両方に伝
搬する。アレイ２１０に到達すると、ＣＣＷパルスは一連のＮ個の別個のパルス
に分割される。この時点で、ＣＷ入力パルスはまだアレイ２１０には到達してお
らず、依然として単一パルスである。ＣＷパルスは、アレイ２１０に到達すると
一連のＮ個のパルスに分割される。一連のＣＷパルスの各々はそれぞれの段２１
６（ｉ）中を進行した後に３×３カプラ２２０に戻り、反対方向に同じ段２１６
（ｉ）を通って進行したＣＣＷ連のパルスを干渉する。このため、Ｎ個のパルス
が第１の検出器２３０と第２の検出器２３２とによって検出され、各パルスはＮ
個のサニャックループのうちの１つのＣＷおよびＣＣＷパルス（すなわちそれぞ
れの同じ段２１６（ｉ）を通って反対方向に進行した２つのパルス）を含む。異
なった組合せの段中を進行したパルスは同じ光学経路を辿らないため、このよう
なパルスがカプラ２２０で時間的に一致することはなく、したがってカプラ２２
０で互いに干渉し合わない。隣接するセンサからのパルスの重複を避けるため、
パルス幅は隣接するセンサ間の遅延の差よりも小さくする必要がある。
【００３０】 図３に示されるように、有利には、マッハ・ツェンダー干渉センサアレイにＥ
ＤＦＡが付与された場合と全く同様に、アレイ部分２１０に小利得エルビウムド
ープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）２４０が付与される。（たとえば Craig W. Ho
dgson, et al., Optimization of Large-Scale Fiber Sensor Arrays Incorpora
ting Multiple Optical Amplifiers-Part I:Signal-to-Noise Ratio, JOURNAL O
F LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.16, No.2, February 1998, pp. 219-223; Craig
W. Hodgson, et al., Optimization of Large-Scale Fiber Sensor Arrays Inco
rporating Multiple Optical Amplifiers-Part II:Pump Power, JOURNAL OF LIG
HTWAVE TECHNOLOGY, Vol.16, No.2, February 1998, pp.224-231;Jefferson L.
Wagener; et al., Novel Fiber Sensor Arrays Using Erbium-Doped Fiber Ampl
ifiers, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.15, No.9, September 1997, p
p.1681-1688;and C.W. Hodgson, et al,. Large-scale interferometric fiber
sensor arrays with multiple optical amplifiers, OPTICS LETTERS, Vol.22,
No.21, November 21, 1997, pp.1651-1653を参照。）ＥＤＦＡ２４０により、結
合および消散損失として損失した信号のパワーを再現すると、単一アレイ２１０
によって支持できるセンサの数が増加する。ＥＤＦＡは有利には、分割カプラ２
４４および第１の波長分割多元化（ＷＤＭ）カプラ２４６および第２のＷＤＭカ
プラ２４８によって、１つまたは２つ以上のポンプレーザ源２４２を用いてポン
プ処理される。
ＤＦＡが付与された場合と全く同様に、アレイ部分２１０に小利得エルビウムド
ープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）２４０が付与される。（たとえば Craig W. Ho
dgson, et al., Optimization of Large-Scale Fiber Sensor Arrays Incorpora
ting Multiple Optical Amplifiers-Part I:Signal-to-Noise Ratio, JOURNAL O
F LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.16, No.2, February 1998, pp. 219-223; Craig
W. Hodgson, et al., Optimization of Large-Scale Fiber Sensor Arrays Inco
rporating Multiple Optical Amplifiers-Part II:Pump Power, JOURNAL OF LIG
HTWAVE TECHNOLOGY, Vol.16, No.2, February 1998, pp.224-231;Jefferson L.
Wagener; et al., Novel Fiber Sensor Arrays Using Erbium-Doped Fiber Ampl
ifiers, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.15, No.9, September 1997, p
p.1681-1688;and C.W. Hodgson, et al,. Large-scale interferometric fiber
sensor arrays with multiple optical amplifiers, OPTICS LETTERS, Vol.22,
No.21, November 21, 1997, pp.1651-1653を参照。）ＥＤＦＡ２４０により、結
合および消散損失として損失した信号のパワーを再現すると、単一アレイ２１０
によって支持できるセンサの数が増加する。ＥＤＦＡは有利には、分割カプラ２
４４および第１の波長分割多元化（ＷＤＭ）カプラ２４６および第２のＷＤＭカ
プラ２４８によって、１つまたは２つ以上のポンプレーザ源２４２を用いてポン
プ処理される。
【００３１】 サニャックアーキテクチャを使用しているため、サニャックセンサアレイ２０
０は、上述の単一ループサニャック系センサ１００の利点のすべてを有する。共
通経路設計により、干渉カプラ２２０における光源位相ノイズから強度ノイズに
ノイズが変換されるという問題がなくなる。光源２２２はファイバＡＳＥ（増幅
自発放出）源（すなわち上記ＳＦＳ）であってもよく、これは高価でなく１．５
５ｍで高いパワーを提供する。３×３カプラ２２０を用いると、すべてのセンサ
を直角位相付近に受動的にバイアスできるようになる。さらに、３×３カプラ２
２０は、検出器２３０および２３２で２つの干渉出力を検出し、かつ光源過剰ノ
イズを低減するために２つの検出器の出力を使用するための好都合な手段を提供
する。（たとえば K. Krakenes, et. al., Sagnac interferometer for underwa
ter sound detection: noise properties, OPTICS LETTERS, Vol.14, 1989, pp.
1152-1154を参照。これは、２つの検出器および単一サニャック干渉計の併用を
記載している。） 以下に、新規なサニャックセンサアレイ２００の特性を具体的に説明し、その
後に、サニャック干渉計の使用により得られる周波数応答およびダイナミックレ
ンジをより詳細に説明する。その後、非ハイドロホンファイバループセグメント
からの分散ピックアップの大きさの算出について述べ、この際ピックアップの大
きさを低減するための技術についても述べる。偏光についても説明する。その後
、サニャック設計によってもたらされる新規なノイズ源について説明する。最後
に、サニャックセンサアレイのＴＤＭ以外の多元化機構を説明する。
０は、上述の単一ループサニャック系センサ１００の利点のすべてを有する。共
通経路設計により、干渉カプラ２２０における光源位相ノイズから強度ノイズに
ノイズが変換されるという問題がなくなる。光源２２２はファイバＡＳＥ（増幅
自発放出）源（すなわち上記ＳＦＳ）であってもよく、これは高価でなく１．５
５ｍで高いパワーを提供する。３×３カプラ２２０を用いると、すべてのセンサ
を直角位相付近に受動的にバイアスできるようになる。さらに、３×３カプラ２
２０は、検出器２３０および２３２で２つの干渉出力を検出し、かつ光源過剰ノ
イズを低減するために２つの検出器の出力を使用するための好都合な手段を提供
する。（たとえば K. Krakenes, et. al., Sagnac interferometer for underwa
ter sound detection: noise properties, OPTICS LETTERS, Vol.14, 1989, pp.
1152-1154を参照。これは、２つの検出器および単一サニャック干渉計の併用を
記載している。） 以下に、新規なサニャックセンサアレイ２００の特性を具体的に説明し、その
後に、サニャック干渉計の使用により得られる周波数応答およびダイナミックレ
ンジをより詳細に説明する。その後、非ハイドロホンファイバループセグメント
からの分散ピックアップの大きさの算出について述べ、この際ピックアップの大
きさを低減するための技術についても述べる。偏光についても説明する。その後
、サニャック設計によってもたらされる新規なノイズ源について説明する。最後
に、サニャックセンサアレイのＴＤＭ以外の多元化機構を説明する。
【００３２】 上ではアレイ２１０の各段２１６（ｉ）の単一センサに関して説明したが、各
段２１６（ｉ）が、本発明では、たとえば引用によって援用される１９９７年３
月１１日に出願された米国特許出願番号第０８／８１４，５４８号に記載されて
いるような多数のセンサを有するサブアレイを有利に含んでもよいことを理解さ
れたい。（さらに C.W. Hodgson, et al., Large-scale interferometric fiber
sensor arrays with multiple optical amplifiers, Optics Letters, Vol.22,
1997, pp.1651-1653; J. L. Wagener, et al., Novel fiber sensor arrays us
ing erbium-doped fiber amplifiers, Journal of Lightwave Technology, Vol.
15, 1997, pp.1681-1688; C.W. Hodgson, et al., Optimization of large-scal
e fiber sensor arrays incorporating multiple optical amplifiers, Part I:
signal-to-noise ratio, Journal of Lightwave Technology, Vol.16, 1998, p
p.218-223; and C.W. Hodgson, et al., Optimization of large-scale fiber s
ensor arrays incorporating multiple optical amplifiers, Part II: pump po
wer, Journal of Lightwave Technology, Vol.16, 1998, pp.224-231を参照。）
段２１６（ｉ）が、本発明では、たとえば引用によって援用される１９９７年３
月１１日に出願された米国特許出願番号第０８／８１４，５４８号に記載されて
いるような多数のセンサを有するサブアレイを有利に含んでもよいことを理解さ
れたい。（さらに C.W. Hodgson, et al., Large-scale interferometric fiber
sensor arrays with multiple optical amplifiers, Optics Letters, Vol.22,
1997, pp.1651-1653; J. L. Wagener, et al., Novel fiber sensor arrays us
ing erbium-doped fiber amplifiers, Journal of Lightwave Technology, Vol.
15, 1997, pp.1681-1688; C.W. Hodgson, et al., Optimization of large-scal
e fiber sensor arrays incorporating multiple optical amplifiers, Part I:
signal-to-noise ratio, Journal of Lightwave Technology, Vol.16, 1998, p
p.218-223; and C.W. Hodgson, et al., Optimization of large-scale fiber s
ensor arrays incorporating multiple optical amplifiers, Part II: pump po
wer, Journal of Lightwave Technology, Vol.16, 1998, pp.224-231を参照。）
【００３３】 周波数応答 先ほど述べたとおり、サニャックセンサは式１によって表される周波数依存応
答を有する。１／（２・Ｔdelay）として定義される適切なループ周波数をはる
かに下回る周波数では、検出可能な最小の音響信号は音響周波数の逆数となる。
このように周波数の低下に伴う音響感度の低下は、サニャック音響センサの深刻
な問題であった。しかしながら、このような周波数の低下に伴う感度の低下は好
都合にも、海中のノイズの下限に関係すると指摘されている。（たとえば Sverr
e Knudsen, Ambient and Optical Noise in Fiber-Optic Interferometric Acou
stic Sensors, Fiber-Optic Sensors Based on the Michelson and Sagnac Inte
rferometers: Responsivity and Noise Properties, Thesis, Chapter 3, Norwe
gian University of Science and Technology, 1996, pp.37-40を参照。）理想
的には、所与の周波数での、アレイの検出可能な最小音響信号が、その周波数に
おける海中ノイズの下限未満の一定の量であることが望ましい。したがって、検
出可能な最小音響信号は海中ノイズの下限の上昇に合う低周波数で上昇し得る。
実際、本発明のサニャックセンサアレイ２００の周波数応答では、海中ノイズの
下限と音響感度とがよく合っている。このことは図４に示され、サニャックセン
サアレイの検出可能な最小音響信号は曲線２５０として描かれ、ここでは光学ノ
イズの最低値が
答を有する。１／（２・Ｔdelay）として定義される適切なループ周波数をはる
かに下回る周波数では、検出可能な最小の音響信号は音響周波数の逆数となる。
このように周波数の低下に伴う音響感度の低下は、サニャック音響センサの深刻
な問題であった。しかしながら、このような周波数の低下に伴う感度の低下は好
都合にも、海中のノイズの下限に関係すると指摘されている。（たとえば Sverr
e Knudsen, Ambient and Optical Noise in Fiber-Optic Interferometric Acou
stic Sensors, Fiber-Optic Sensors Based on the Michelson and Sagnac Inte
rferometers: Responsivity and Noise Properties, Thesis, Chapter 3, Norwe
gian University of Science and Technology, 1996, pp.37-40を参照。）理想
的には、所与の周波数での、アレイの検出可能な最小音響信号が、その周波数に
おける海中ノイズの下限未満の一定の量であることが望ましい。したがって、検
出可能な最小音響信号は海中ノイズの下限の上昇に合う低周波数で上昇し得る。
実際、本発明のサニャックセンサアレイ２００の周波数応答では、海中ノイズの
下限と音響感度とがよく合っている。このことは図４に示され、サニャックセン
サアレイの検出可能な最小音響信号は曲線２５０として描かれ、ここでは光学ノ
イズの最低値が
【００３４】
【数２】
【００３５】 図４にはさらに、これらの周波数における３つの主要な海中ノイズ源の海中ノイ
ズの下限と、３つの源からのノイズの、結果として得られる合計値とが示される
。曲線２５２は、海荒れ、地震、および火山の噴火によるノイズを表わす。曲線
２５３は船舶に起因する光ノイズを表わす。曲線２５４はＤＳＳ０（遠方の船舶
および嵐）のノイズを表わす。曲線２５６は３つの主要な源からのノイズの下限
の和（すなわち曲線２５２、２５３および２５４の和）を表わす。（たとえば、
Robert J.Urick, The noise background of the sea: ambient noise level, Pr
inciples of Underwater Sound, 3rd Ed., Chapter 7, McGraw-Hill, 1983, pp.
202-236を参照。）サニャックセンサアレイ２００の、検出可能な最小音響信号
は、１０ｋＨｚ未満のすべての周波数において、海中ノイズの下限未満の、ほぼ
一定量の検出可能な信号をもたらすように増加する。このため、サニャックセン
サアレイ２００の周波数依存応答により低周波数音響検出は制限されない。マッ
ハ・ツェンダーアレイはサニャックセンサアレイと同じ傾向、すなわち低い周波
数に向かうほど感度が低下するという傾向を示すが、マッハ・ツェンダーアレイ
の場合、感度の低下はサニャックベースのセンサの場合よりも小さい。
ズの下限と、３つの源からのノイズの、結果として得られる合計値とが示される
。曲線２５２は、海荒れ、地震、および火山の噴火によるノイズを表わす。曲線
２５３は船舶に起因する光ノイズを表わす。曲線２５４はＤＳＳ０（遠方の船舶
および嵐）のノイズを表わす。曲線２５６は３つの主要な源からのノイズの下限
の和（すなわち曲線２５２、２５３および２５４の和）を表わす。（たとえば、
Robert J.Urick, The noise background of the sea: ambient noise level, Pr
inciples of Underwater Sound, 3rd Ed., Chapter 7, McGraw-Hill, 1983, pp.
202-236を参照。）サニャックセンサアレイ２００の、検出可能な最小音響信号
は、１０ｋＨｚ未満のすべての周波数において、海中ノイズの下限未満の、ほぼ
一定量の検出可能な信号をもたらすように増加する。このため、サニャックセン
サアレイ２００の周波数依存応答により低周波数音響検出は制限されない。マッ
ハ・ツェンダーアレイはサニャックセンサアレイと同じ傾向、すなわち低い周波
数に向かうほど感度が低下するという傾向を示すが、マッハ・ツェンダーアレイ
の場合、感度の低下はサニャックベースのセンサの場合よりも小さい。
【００３６】 マッハ・ツェンダー干渉計およびサニャックセンサアレイ２００は類似した周
波数依存応答を示すが、それらの周波数応答の源は基本的に異なる。マッハ・ツ
ェンダー干渉センサアレイにおける検出可能な最小信号の増加は、光学ノイズの
下限の上昇による。この光学ノイズの下限の上昇の原因は、経路が不均衡なマッ
ハ・ツェンダー干渉計によって生じる位相ノイズである。
波数依存応答を示すが、それらの周波数応答の源は基本的に異なる。マッハ・ツ
ェンダー干渉センサアレイにおける検出可能な最小信号の増加は、光学ノイズの
下限の上昇による。この光学ノイズの下限の上昇の原因は、経路が不均衡なマッ
ハ・ツェンダー干渉計によって生じる位相ノイズである。
【００３７】
【数３】
【００３８】 この差異の重要性は、図５に示される、マッハ・ツェンダー干渉センサアレイ
およびサニャックセンサアレイ２００のダイナミックレンジを検証するとわかる
だろう。センサのダイナミックレンジは、検出可能な最小および最大位相シフト
によって制限される。干渉センサの場合、検出可能な最大位相シフトは干渉計の
非線形応答によって制限され、検出可能な最小位相シフトは光学ノイズの下限に
よって制限される。マッハ・ツェンダー干渉センサアレイもサニャックセンサア
レイも、音響周波数範囲にわたって一定である、検出可能な最大位相シフトを有
する。しかしながら、サニャックセンサアレイ２００は、光学ノイズ最低値が一
定であるため、検出可能な最小位相シフトは一定であるが、この一方でマッハ・
ツェンダー干渉センサアレイでは、経路不均衡干渉計によって導入される位相ノ
イズによって引起される光学ノイズの最低値の上昇により、検出可能な最小位相
シフトが増加してしまうという問題がある。したがってサニャックセンサアレイ
２００はすべての音響周波数において一定のダイナミックレンジを有するが、こ
の一方でマッハ・ツェンダー干渉センサアレイのダイナミックレンジは音響周波
数の低下と共に縮小する。これは図５に示され、ここでは、サニャックセンサア
レイ２００とマッハ・ツェンダー干渉センサアレイとについて、検出可能な最小
および最大音響信号（ｄＢの任意の単位）が示される。図５に示されるように、
いずれのアレイも１ｋＨｚを超えるところではおよそ１００ｄＢのダイナミック
レンジを有し、位相ノイズによってマッハ・ツェンダー干渉センサアレイは制限
されない。１０Ｈｚにおいて、位相ノイズはマッハ・ツェンダー干渉センサアレ
イを左右するが、そのダイナミックレンジはおよそ７４ｄＢまで縮小する。この
一方で、サニャックセンサアレイ２００のダイナミックレンジはおよそ１００ｄ
Ｂのままである。
およびサニャックセンサアレイ２００のダイナミックレンジを検証するとわかる
だろう。センサのダイナミックレンジは、検出可能な最小および最大位相シフト
によって制限される。干渉センサの場合、検出可能な最大位相シフトは干渉計の
非線形応答によって制限され、検出可能な最小位相シフトは光学ノイズの下限に
よって制限される。マッハ・ツェンダー干渉センサアレイもサニャックセンサア
レイも、音響周波数範囲にわたって一定である、検出可能な最大位相シフトを有
する。しかしながら、サニャックセンサアレイ２００は、光学ノイズ最低値が一
定であるため、検出可能な最小位相シフトは一定であるが、この一方でマッハ・
ツェンダー干渉センサアレイでは、経路不均衡干渉計によって導入される位相ノ
イズによって引起される光学ノイズの最低値の上昇により、検出可能な最小位相
シフトが増加してしまうという問題がある。したがってサニャックセンサアレイ
２００はすべての音響周波数において一定のダイナミックレンジを有するが、こ
の一方でマッハ・ツェンダー干渉センサアレイのダイナミックレンジは音響周波
数の低下と共に縮小する。これは図５に示され、ここでは、サニャックセンサア
レイ２００とマッハ・ツェンダー干渉センサアレイとについて、検出可能な最小
および最大音響信号（ｄＢの任意の単位）が示される。図５に示されるように、
いずれのアレイも１ｋＨｚを超えるところではおよそ１００ｄＢのダイナミック
レンジを有し、位相ノイズによってマッハ・ツェンダー干渉センサアレイは制限
されない。１０Ｈｚにおいて、位相ノイズはマッハ・ツェンダー干渉センサアレ
イを左右するが、そのダイナミックレンジはおよそ７４ｄＢまで縮小する。この
一方で、サニャックセンサアレイ２００のダイナミックレンジはおよそ１００ｄ
Ｂのままである。
【００３９】 適切なループ周波数よりも十分に低い周波数でのサニャックセンサアレイ２０
０の周波数応答を、遅延ループ長さおよびハイドロホン応答性の関数として検証
すると興味深い。これらの周波数においては、等式１のｓｉｎ（Ｔdelay／２）
の係数はＴdelay／２に近似し得、これはサニャックセンサアレイ２００の応答
性がｈとＴdelayとの積に比例することを示す。ｈ自体は各ハイドロホン２１２
（ｉ）のファイバの量に比例し、Ｔdelayは遅延ループ２１４のファイバの量に
比例する。したがって、適切なループ周波数によりも十分に低い周波数における
応答性は、ハイドロホンのファイバ長さと遅延ファイバ長さとの積に比例する。
図６は、いくつかのサニャックセンサアレイ構成に関する検出可能な最小音響信
号を示し、ここでは各ハイドロホン２１２（ｉ）のファイバの長さと遅延ループ
２１４のファイバの長さとの積は一定であるが、遅延ループ２１４と各ハイドロ
ホン２１２（ｉ）との間のファイバの相対的分布は変化する。たとえば、曲線２
６０は、その遅延ループ２１４に４５ｋｍのファイバを有しかつ各ハイドロホン
２１２（ｉ）に１００ｍのファイバを有するサニャックセンサアレイ２００の周
波数応答を表わし、曲線２６２は、その遅延ループ２１４に３０ｋｍのファイバ
を有しかつ各ハイドロホン２１２（ｉ）に１５０ｍのファイバを有するサニャッ
クセンサアレイ２００の周波数応答を表わし、曲線２６４は、その遅延ループ２
１４に１５ｋｍのファイバを有しかつ各ハイドロホン２１２（ｉ）に３００ｍの
ファイバを有するサニャックセンサアレイ２００の周波数応答を表わす。図示さ
れるように、各サニャックセンサアレイ２００の感度は低周波数では等しいが、
それらのそれぞれの適切なループ周波数によって与えられる種々の周波数におい
て、最高の感度になる。したがって、低周波数における所与の検出可能な最小音
響信号については、遅延ループ２１４およびハイドロホン２１２（ｉ）のファイ
バ長さを選択するにあたっては依然としてある程度の自由度がある。この自由度
は、要求されるファイバの総量を最小限にしたり、または遅延ループ長さを最短
にするといった、他の基準をサニャックセンサアレイ２００が満たせるようにす
る。
０の周波数応答を、遅延ループ長さおよびハイドロホン応答性の関数として検証
すると興味深い。これらの周波数においては、等式１のｓｉｎ（Ｔdelay／２）
の係数はＴdelay／２に近似し得、これはサニャックセンサアレイ２００の応答
性がｈとＴdelayとの積に比例することを示す。ｈ自体は各ハイドロホン２１２
（ｉ）のファイバの量に比例し、Ｔdelayは遅延ループ２１４のファイバの量に
比例する。したがって、適切なループ周波数によりも十分に低い周波数における
応答性は、ハイドロホンのファイバ長さと遅延ファイバ長さとの積に比例する。
図６は、いくつかのサニャックセンサアレイ構成に関する検出可能な最小音響信
号を示し、ここでは各ハイドロホン２１２（ｉ）のファイバの長さと遅延ループ
２１４のファイバの長さとの積は一定であるが、遅延ループ２１４と各ハイドロ
ホン２１２（ｉ）との間のファイバの相対的分布は変化する。たとえば、曲線２
６０は、その遅延ループ２１４に４５ｋｍのファイバを有しかつ各ハイドロホン
２１２（ｉ）に１００ｍのファイバを有するサニャックセンサアレイ２００の周
波数応答を表わし、曲線２６２は、その遅延ループ２１４に３０ｋｍのファイバ
を有しかつ各ハイドロホン２１２（ｉ）に１５０ｍのファイバを有するサニャッ
クセンサアレイ２００の周波数応答を表わし、曲線２６４は、その遅延ループ２
１４に１５ｋｍのファイバを有しかつ各ハイドロホン２１２（ｉ）に３００ｍの
ファイバを有するサニャックセンサアレイ２００の周波数応答を表わす。図示さ
れるように、各サニャックセンサアレイ２００の感度は低周波数では等しいが、
それらのそれぞれの適切なループ周波数によって与えられる種々の周波数におい
て、最高の感度になる。したがって、低周波数における所与の検出可能な最小音
響信号については、遅延ループ２１４およびハイドロホン２１２（ｉ）のファイ
バ長さを選択するにあたっては依然としてある程度の自由度がある。この自由度
は、要求されるファイバの総量を最小限にしたり、または遅延ループ長さを最短
にするといった、他の基準をサニャックセンサアレイ２００が満たせるようにす
る。
【００４０】 サニャックセンサアレイのダイナミックレンジの拡大 上述のとおり、サニャックセンサアレイ２００は位相ノイズの影響を受けない
ため、低音響周波数におけるそのダイナミックレンジはマッハ・ツェンダー干渉
センサアレイの場合よりも大きい。理想的には、アレイ２００は、よく見られる
最も強い音響信号および最も弱い音響信号を検出するために十分なダイナミック
レンジを提供する。この要件は、およそ１５０ｄＢの要求ダイナミックレンジで
あると解されることが多い。マッハ・ツェンダー干渉センサアレイにおいてこの
ように大きなダイナミックレンジを達成するためには、異なる位相応答性を有す
る２つの別個のセンサが要求され、これらの各々は１５０ｄＢの全ダイナミック
レンジの部分を検出する。この機構の明らかな欠点は、２つのセンサアレイ（す
なわち２倍の数のハイドロホン、段、光源および検出器）が要求されることであ
る。実際には、Ｎ個のハイドロホンを支持し得るアレイによりＮ／２個の点でし
か音響信号を検出できない。
ため、低音響周波数におけるそのダイナミックレンジはマッハ・ツェンダー干渉
センサアレイの場合よりも大きい。理想的には、アレイ２００は、よく見られる
最も強い音響信号および最も弱い音響信号を検出するために十分なダイナミック
レンジを提供する。この要件は、およそ１５０ｄＢの要求ダイナミックレンジで
あると解されることが多い。マッハ・ツェンダー干渉センサアレイにおいてこの
ように大きなダイナミックレンジを達成するためには、異なる位相応答性を有す
る２つの別個のセンサが要求され、これらの各々は１５０ｄＢの全ダイナミック
レンジの部分を検出する。この機構の明らかな欠点は、２つのセンサアレイ（す
なわち２倍の数のハイドロホン、段、光源および検出器）が要求されることであ
る。実際には、Ｎ個のハイドロホンを支持し得るアレイによりＮ／２個の点でし
か音響信号を検出できない。
【００４１】 サニャックセンサアレイ２００では、付加的なハイドロホン２１２を使用する
ことなく広いダイナミックレンジを達成できる。サニャックセンサアレイの位相
応答性は、等式１に示されるようにハイドロホンの応答性と遅延ループの長さと
の関数であるため、ハイドロホンのアレイ全体の位相応答性は遅延ループの長さ
を加減すると変更できる。図７の変形センサアレイ２００に示されるように、そ
れぞれ長さＬ1およびＬ2を有する２つの別個の遅延ループ２１４（１）および２
１４（２）を同時に使用することにより、アレイ２６６の検出範囲を飛躍的に拡
大できる。アレイ２６６はこのとき２Ｎ個の別個のサニャックループを有する。
各ハイドロホン２１２（ｉ）は２つの遅延ループ経路の各々について別個の信号
を戻し、各遅延ループ２１４（１）および２１４（２）の長さによりその信号の
音響検出範囲が決定する。各ハイドロホン２１２（ｉ）の全音響検出範囲はハイ
ドロホン２１２（ｉ）を包囲する２つのサニャックループセンサの各々の検出範
囲を合わせたものである。長さＬ1およびＬ2により音響検出範囲が設定される。
長さＬ1＋Ｌ2は、アレイ２６６により対象の最も小さな音響信号が検出できるよ
うに選択される。遅延ループ２１４（１）の長さＬ1はこの場合、短い方の遅延
ループの中のみを進行する信号の検出範囲が遅延ループ２１４（１）および２１
４（２）の両方の中を進行する信号の検出範囲の上方にくるよう選択される。Ｔ
ＤＭシステムでは、第２のループの挿入により、光源パルスの繰返し周波数が半
分になり、２Ｎ個のパルスが戻るための時間を確保するようにし、遅延ループ２
１４（１）および２１４（２）の長さはパルスの重複が起こらないように選択さ
れる。繰返し周波数が半分になるため、個別の各信号のダイナミックレンジが３
ｄＢだけ縮小する。この縮小は、２つの別個の信号のダイナミックレンジを負担
することによって達成される全ダイナミックレンジの拡大によって相殺される以
上のものである。図７では、第２の遅延ループ２１４（２）は、第２の遅延ルー
プ２１４（２）を通過する光すべてが第１の遅延ループ２１４（１）を通過する
ように位置づけられる。これに代えて、２つの遅延ループ２１４（１）、２１４
（２）は、第２の遅延ループ２１４（２）を通過する光が第１の遅延ループ２１
４（１）を通過しないように光学的に平行であってもよいことが理解されるべき
である。このような場合、第２の遅延ループ２１４（２）のファイバ長さは第１
の長さと第２の長さとの和（すなわちＬ1＋Ｌ2）となるであろう。しかしＬ1は
Ｌ2よりもかなり短いため、このような調節は不可欠ではない。図７の実施例で
は、第１の遅延ループの長さを第２の遅延ループの長さに加えることによりファ
イバ要求量の総量を減少させている。
ことなく広いダイナミックレンジを達成できる。サニャックセンサアレイの位相
応答性は、等式１に示されるようにハイドロホンの応答性と遅延ループの長さと
の関数であるため、ハイドロホンのアレイ全体の位相応答性は遅延ループの長さ
を加減すると変更できる。図７の変形センサアレイ２００に示されるように、そ
れぞれ長さＬ1およびＬ2を有する２つの別個の遅延ループ２１４（１）および２
１４（２）を同時に使用することにより、アレイ２６６の検出範囲を飛躍的に拡
大できる。アレイ２６６はこのとき２Ｎ個の別個のサニャックループを有する。
各ハイドロホン２１２（ｉ）は２つの遅延ループ経路の各々について別個の信号
を戻し、各遅延ループ２１４（１）および２１４（２）の長さによりその信号の
音響検出範囲が決定する。各ハイドロホン２１２（ｉ）の全音響検出範囲はハイ
ドロホン２１２（ｉ）を包囲する２つのサニャックループセンサの各々の検出範
囲を合わせたものである。長さＬ1およびＬ2により音響検出範囲が設定される。
長さＬ1＋Ｌ2は、アレイ２６６により対象の最も小さな音響信号が検出できるよ
うに選択される。遅延ループ２１４（１）の長さＬ1はこの場合、短い方の遅延
ループの中のみを進行する信号の検出範囲が遅延ループ２１４（１）および２１
４（２）の両方の中を進行する信号の検出範囲の上方にくるよう選択される。Ｔ
ＤＭシステムでは、第２のループの挿入により、光源パルスの繰返し周波数が半
分になり、２Ｎ個のパルスが戻るための時間を確保するようにし、遅延ループ２
１４（１）および２１４（２）の長さはパルスの重複が起こらないように選択さ
れる。繰返し周波数が半分になるため、個別の各信号のダイナミックレンジが３
ｄＢだけ縮小する。この縮小は、２つの別個の信号のダイナミックレンジを負担
することによって達成される全ダイナミックレンジの拡大によって相殺される以
上のものである。図７では、第２の遅延ループ２１４（２）は、第２の遅延ルー
プ２１４（２）を通過する光すべてが第１の遅延ループ２１４（１）を通過する
ように位置づけられる。これに代えて、２つの遅延ループ２１４（１）、２１４
（２）は、第２の遅延ループ２１４（２）を通過する光が第１の遅延ループ２１
４（１）を通過しないように光学的に平行であってもよいことが理解されるべき
である。このような場合、第２の遅延ループ２１４（２）のファイバ長さは第１
の長さと第２の長さとの和（すなわちＬ1＋Ｌ2）となるであろう。しかしＬ1は
Ｌ2よりもかなり短いため、このような調節は不可欠ではない。図７の実施例で
は、第１の遅延ループの長さを第２の遅延ループの長さに加えることによりファ
イバ要求量の総量を減少させている。
【００４２】 図８は、各信号のダイナミックレンジが１００ｄＢであり比Ｌ1／Ｌ2が５００
０に設定されたアレイ２６６に２つの遅延ループ２１４（１）、２１４（２）を
使用することによって得られる、拡大ダイナミックレンジをを示す。図示される
ように、アレイ２６６ではこの場合、ハイドロホンの数を増加させることなく（
およそ１６０ｄＢの範囲である）対象の全ダイナミックレンジにわたる検出が可
能である。
０に設定されたアレイ２６６に２つの遅延ループ２１４（１）、２１４（２）を
使用することによって得られる、拡大ダイナミックレンジをを示す。図示される
ように、アレイ２６６ではこの場合、ハイドロホンの数を増加させることなく（
およそ１６０ｄＢの範囲である）対象の全ダイナミックレンジにわたる検出が可
能である。
【００４３】 分散感知 サニャックセンサアレイ２６６において、干渉計の位相変調は、干渉する３×
３カプラ２２０で強度変調に変換され得る。この全サニャックループにわたる分
散感知は音響センサアレイには不利である。実用的にするために、音響センサア
レイは空間における（すなわちハイドロホンにおける）別個の多数の点において
音響信号をサンプリングし、これらの信号を独立して戻す必要がある。マッハ・
ツェンダー干渉センサアレイは、干渉計が小さな空間に制限されその点でしか感
知しないため、これを達成する。サニャックセンサアレイ２６６を実用的なもの
にするために、サニャックループの分散感度を減少する必要がある。
３カプラ２２０で強度変調に変換され得る。この全サニャックループにわたる分
散感知は音響センサアレイには不利である。実用的にするために、音響センサア
レイは空間における（すなわちハイドロホンにおける）別個の多数の点において
音響信号をサンプリングし、これらの信号を独立して戻す必要がある。マッハ・
ツェンダー干渉センサアレイは、干渉計が小さな空間に制限されその点でしか感
知しないため、これを達成する。サニャックセンサアレイ２６６を実用的なもの
にするために、サニャックループの分散感度を減少する必要がある。
【００４４】 干渉計におけるファイバ容積により遅延ループ２１４が構成され、これは２つ
の位置に置かれる。第１の位置では、図９Ａに示されるように乾いた端部（すな
わち水中ではない所にある）に光源２２２および検出電子装置（すなわち検出器
２３０および検出器２３２）が設けられる。ここで、遅延ループ２１４は外部変
調があれば最小限にするために環境的に遮蔽され得る。しかしながら、濡れた端
部をアレイ部分２１０に接続するダウンリードファイバ２７０、２７２は干渉計
の部分である。第２の可能性としては、図９Ｂに示されるようにアレイ２１０を
有する濡れた端部（すなわち水中にある）に遅延ループ２１４に置くことである
。このようなものとして、遅延ループ２１４は乾いた端部に置かれた場合と同様
には分離できないが、ダウンリードファイバ２７０、２７２、２７４は干渉計の
外側にあるため感知しない。ダウンリードおよび遅延ループ分散ピックアップの
相対的な大きさは、この構成が特定の用途に最適となるようにする。遅延ループ
２１４が乾いた端部（図９Ａ）に置かれる場合には、ダウンリードファイバ２７
０、２７２は、極度に大きな位相変調を誘導し得る、これらのファイバの湾曲お
よび振動といった物理的移動を防止するよう静止状態に維持される必要がある。
これらは、音響的に誘導される位相変調とは反対の、ファイバの運動によって誘
導される位相変調である。（このような物理的移動は牽引アレイの場合には問題
であるが静止アレイの場合には深刻な問題ではないだろう。）このため、遅延ル
ープ２１４が乾いた端部（図９Ａ）に置かれる場合、サニャックセンサアレイ２
１０の濡れた端部全体が静止状態にされるべきである。しかしながら、濡れた端
部（図９Ｂ）に遅延ループ２１４が置かれる場合、図９Ｂの３×３カプラ２２０
の右側の部分だけしか静止状態に置く必要はない。なぜなら、ダウンリードファ
イバ２７０、２７２、２７４はこの場合干渉計の部分ではないからである。遅延
ループ２１４が濡れた端部（図９Ｂ）に置かれる場合、遅延ループファイバを感
度抑制せねばならない。遅延ループ２１４は、遅延ループファイバを感度抑制さ
れた円柱（図示せず）の周りに巻付けることによって静止状態にすることができ
、これによりファイバの動きをなくし、分散ピックアップ信号の主源を音響的に
ピックアップできるようにする。音響的に誘導された位相変調までファイバを感
度抑制するほうが、運動によって誘導された位相変調までファイバを感度抑制す
ることよりも容易であるため、牽引アレイの用途では、濡れた端部（図９Ｂ）に
遅延ループ２１４を置く方が好ましく、これを以下により詳細に説明する。
の位置に置かれる。第１の位置では、図９Ａに示されるように乾いた端部（すな
わち水中ではない所にある）に光源２２２および検出電子装置（すなわち検出器
２３０および検出器２３２）が設けられる。ここで、遅延ループ２１４は外部変
調があれば最小限にするために環境的に遮蔽され得る。しかしながら、濡れた端
部をアレイ部分２１０に接続するダウンリードファイバ２７０、２７２は干渉計
の部分である。第２の可能性としては、図９Ｂに示されるようにアレイ２１０を
有する濡れた端部（すなわち水中にある）に遅延ループ２１４に置くことである
。このようなものとして、遅延ループ２１４は乾いた端部に置かれた場合と同様
には分離できないが、ダウンリードファイバ２７０、２７２、２７４は干渉計の
外側にあるため感知しない。ダウンリードおよび遅延ループ分散ピックアップの
相対的な大きさは、この構成が特定の用途に最適となるようにする。遅延ループ
２１４が乾いた端部（図９Ａ）に置かれる場合には、ダウンリードファイバ２７
０、２７２は、極度に大きな位相変調を誘導し得る、これらのファイバの湾曲お
よび振動といった物理的移動を防止するよう静止状態に維持される必要がある。
これらは、音響的に誘導される位相変調とは反対の、ファイバの運動によって誘
導される位相変調である。（このような物理的移動は牽引アレイの場合には問題
であるが静止アレイの場合には深刻な問題ではないだろう。）このため、遅延ル
ープ２１４が乾いた端部（図９Ａ）に置かれる場合、サニャックセンサアレイ２
１０の濡れた端部全体が静止状態にされるべきである。しかしながら、濡れた端
部（図９Ｂ）に遅延ループ２１４が置かれる場合、図９Ｂの３×３カプラ２２０
の右側の部分だけしか静止状態に置く必要はない。なぜなら、ダウンリードファ
イバ２７０、２７２、２７４はこの場合干渉計の部分ではないからである。遅延
ループ２１４が濡れた端部（図９Ｂ）に置かれる場合、遅延ループファイバを感
度抑制せねばならない。遅延ループ２１４は、遅延ループファイバを感度抑制さ
れた円柱（図示せず）の周りに巻付けることによって静止状態にすることができ
、これによりファイバの動きをなくし、分散ピックアップ信号の主源を音響的に
ピックアップできるようにする。音響的に誘導された位相変調までファイバを感
度抑制するほうが、運動によって誘導された位相変調までファイバを感度抑制す
ることよりも容易であるため、牽引アレイの用途では、濡れた端部（図９Ｂ）に
遅延ループ２１４を置く方が好ましく、これを以下により詳細に説明する。
【００４５】 遅延ループにおいて誘導される音響ピックアップノイズの算出 本章では、図９（Ｂ）のサニャックセンサアレイ２１０の音響的に誘導された
ハイドロホン位相変調と比較した、音響的に誘導された分散ピックアップノイズ
の大きさの推定値を導出する。遅延ループおよびバスファイバ（各ハイドロホン
を遅延ループおよび３×３カプラに接続するファイバ）における音響信号のピッ
クアップにより結果として生じる分散位相変調に起因する強度変調は、ノイズ源
であると考えられ得る。以下の説明では、サニャックセンサアレイの１つのルー
プが、図１０に示されるように長さＬdの遅延ファイバ、長さＬbのバスファイバ
、および長さＬhのハイドロホンファイバだけをを含み、合計の長さＬを含むも
のとして説明する。また、ＬdはＬbおよびＬhよりもはるかに大きいとする。音
響信号に対するファイバの位相応答性は、圧力に依存する伝搬定数βから結果と
して得られる。一般に、位置ｌおよび時間ｔでの伝搬定数の圧力依存成分は下記
のように表される。
ハイドロホン位相変調と比較した、音響的に誘導された分散ピックアップノイズ
の大きさの推定値を導出する。遅延ループおよびバスファイバ（各ハイドロホン
を遅延ループおよび３×３カプラに接続するファイバ）における音響信号のピッ
クアップにより結果として生じる分散位相変調に起因する強度変調は、ノイズ源
であると考えられ得る。以下の説明では、サニャックセンサアレイの１つのルー
プが、図１０に示されるように長さＬdの遅延ファイバ、長さＬbのバスファイバ
、および長さＬhのハイドロホンファイバだけをを含み、合計の長さＬを含むも
のとして説明する。また、ＬdはＬbおよびＬhよりもはるかに大きいとする。音
響信号に対するファイバの位相応答性は、圧力に依存する伝搬定数βから結果と
して得られる。一般に、位置ｌおよび時間ｔでの伝搬定数の圧力依存成分は下記
のように表される。
【００４６】
【数４】
【００４７】 ただし、β0は０圧力伝搬定数であり、Ｒ（ｌ）はファイバの正規化位相応答性
であり、Ｐ（ｌ，ｔ）は空間および時間の関数としての圧力である。周波数ζの
シヌソイド音響信号を想定すると、等式２は下記のように書換えられ得る。
であり、Ｐ（ｌ，ｔ）は空間および時間の関数としての圧力である。周波数ζの
シヌソイド音響信号を想定すると、等式２は下記のように書換えられ得る。
【００４８】
【数５】
【００４９】 ただし、Ｐ0は定常状態圧力であり、Ｐmは圧力変調の振幅であり（ｌからは独立
していると仮定する）、さらにυ（ｌ）は音響波の空間位相変化を含む。一般に
、ｌ＝ｌ1からｌ＝ｌ2までの音響的に誘導された位相変調によるサニャックルー
プの干渉ビーム間の誘導位相差は下記の積分によって与えられる。
していると仮定する）、さらにυ（ｌ）は音響波の空間位相変化を含む。一般に
、ｌ＝ｌ1からｌ＝ｌ2までの音響的に誘導された位相変調によるサニャックルー
プの干渉ビーム間の誘導位相差は下記の積分によって与えられる。
【００５０】
【数６】
【００５１】 等式５は、ハイドロホン、バスおよび遅延ファイバの音響変調による干渉ビーム
間の位相差を決定するために使用できる。
間の位相差を決定するために使用できる。
【００５２】 ハイドロホンファイバの場合、等式５はｌ1＝ｌd＋ｌb／２からｌ2＝ｌd＋ｌb ／２＋ｌhまでから積分される。υ（ｌ）はこの範囲にわたって一定である（す
なわち音響波長はハイドロホンの大きさよりもはるかに大きい）ものとする。ま
た、ファイバの正規化位相応答性Ｒ（ｌ）は一定でありかつこの範囲ではＲhに
等しいものとする。この場合、等式５はハイドロホンファイバ変調による干渉ビ
ーム間の位相差振幅を表わす。
なわち音響波長はハイドロホンの大きさよりもはるかに大きい）ものとする。ま
た、ファイバの正規化位相応答性Ｒ（ｌ）は一定でありかつこの範囲ではＲhに
等しいものとする。この場合、等式５はハイドロホンファイバ変調による干渉ビ
ーム間の位相差振幅を表わす。
【００５３】
【数７】
【００５４】 ただし、ζＬh／２υ<<１とする。等式２が等式１に与えられる式に適合するこ
とに注目されたい。
とに注目されたい。
【００５５】 バスファイバについては、等式５はｌ1＝ｌdからｌ2＝ｌd＋ｌb／２までまず
積分され、その後上下バスラインの両方を含むようｌ1＝Ｌ−ｌb／２からｌ2＝
Ｌまで積分される。ここでもまた、Ｒ（ｌ）は一定であり、すべてのバスファイ
バについてＲdに等しいため、υ（ｌ）は等式５の積分式において一定である。
ファイバ変調による干渉ビーム間の位相差振幅は下記のとおりになる。
積分され、その後上下バスラインの両方を含むようｌ1＝Ｌ−ｌb／２からｌ2＝
Ｌまで積分される。ここでもまた、Ｒ（ｌ）は一定であり、すべてのバスファイ
バについてＲdに等しいため、υ（ｌ）は等式５の積分式において一定である。
ファイバ変調による干渉ビーム間の位相差振幅は下記のとおりになる。
【００５６】
【数８】
【００５７】 ただしζＬh／２υ<<１であるとする。υ（ｌ）は一定であり、ζＬh／２υの振
幅はφb intを増加するように作用すると仮定するため、バスファイバにとっては
最悪のケースとなる。
幅はφb intを増加するように作用すると仮定するため、バスファイバにとっては
最悪のケースとなる。
【００５８】 遅延ファイバについては、等式５はｌ1＝０からｌ2＝ｌdまで積分され、先ほ
どと同様に、υ（ｌ）はこの範囲にわたって一定であるとし（すなわち遅延ルー
プコイルは音響波長よりもはるかに小さい）、Ｒ（ｌ）は一定であり積分式にわ
たってＲdに等しいとする。この場合、等式５により、遅延ファイバ変調による
干渉ビーム間の位相差振幅が下記の式で表わされる。
どと同様に、υ（ｌ）はこの範囲にわたって一定であるとし（すなわち遅延ルー
プコイルは音響波長よりもはるかに小さい）、Ｒ（ｌ）は一定であり積分式にわ
たってＲdに等しいとする。この場合、等式５により、遅延ファイバ変調による
干渉ビーム間の位相差振幅が下記の式で表わされる。
【００５９】
【数９】
【００６０】 ただしζ（Ｌb＋Ｌh）／２υ<<１であるとする。 等式６から８により、これらの位相変調振幅の相対的な大きさを算出できる。
まず、標準的なプラスチックコーティングファイバの正規化位相応答性Ｒは、た
とえば J.A. Bucaro, et al., Optical fibre sensor coatings, Optical Fiber
Sensors, Proceedings of the NATO Advanced Study Institute, 1986, pp.321
-338に記載されているように-328 dB re 1/μPa である。一方、たとえば C.C.
Wang, et al., Very high responsivity fiber optic hydrophones for commerc
ial applications, Proceedings of the SPIE-The International Society for
Optical Engineering, Vol.2360, 1994, pp.360-363に記載されているように、
中空の心棒で作られた、ファイバが巻きつけられた電流ハイドロホンの正規化位
相感度は-298 dB re 1/μPa であり、標準的なファイバよりも３０ｄＢだけ高い
ことに留意されたい。遅延ループおよびバスファイバが標準的プラスチックコー
ティングファイバの正規化位相応答性を有し、ハイドロホンファイバが中空の心
棒に巻きつけられると仮定すると、ＲdのＲbまたはＲdに対する比はおよそ３０
ｄＢである。したがって、等式６から８を得るための簡略化する仮定に基づくと
、下記の式が得られる。
まず、標準的なプラスチックコーティングファイバの正規化位相応答性Ｒは、た
とえば J.A. Bucaro, et al., Optical fibre sensor coatings, Optical Fiber
Sensors, Proceedings of the NATO Advanced Study Institute, 1986, pp.321
-338に記載されているように-328 dB re 1/μPa である。一方、たとえば C.C.
Wang, et al., Very high responsivity fiber optic hydrophones for commerc
ial applications, Proceedings of the SPIE-The International Society for
Optical Engineering, Vol.2360, 1994, pp.360-363に記載されているように、
中空の心棒で作られた、ファイバが巻きつけられた電流ハイドロホンの正規化位
相感度は-298 dB re 1/μPa であり、標準的なファイバよりも３０ｄＢだけ高い
ことに留意されたい。遅延ループおよびバスファイバが標準的プラスチックコー
ティングファイバの正規化位相応答性を有し、ハイドロホンファイバが中空の心
棒に巻きつけられると仮定すると、ＲdのＲbまたはＲdに対する比はおよそ３０
ｄＢである。したがって、等式６から８を得るための簡略化する仮定に基づくと
、下記の式が得られる。
【００６１】
【数１０】
【００６２】 したがって、ハイドロホンファイバがサニャックループ全体のうち比較的少量の
部分をなすにも関わらず、ハイドロホンファイバにおける音響的に誘導された位
相変調の大きさは、最も離れた場所にあるハイドロホンの場合でも、遅延ループ
ファイバおよびバスファイバにおける音響的に誘導された位相変調よりも大きい
。以下に、空の段を使用する、このレベルの分散ピックアップノイズに対処する
ための手段を記載する。
部分をなすにも関わらず、ハイドロホンファイバにおける音響的に誘導された位
相変調の大きさは、最も離れた場所にあるハイドロホンの場合でも、遅延ループ
ファイバおよびバスファイバにおける音響的に誘導された位相変調よりも大きい
。以下に、空の段を使用する、このレベルの分散ピックアップノイズに対処する
ための手段を記載する。
【００６３】 遅延ループファイバに関する等式５の積分式を評価するために、／Ｌd未満の
ものすべてについてＲ（ｌ）＝Ｒdであると仮定する。このＲ（ｌ）が一定であ
るため、ｌ＝（Ｌ−Ｌd）からＬdまでの、等式５の積分に対する影響が排除され
る（被積分関数が約Ｌ／２の奇関数になるからである）。しかしながら、長いフ
ァイバを巻くと、Ｒ（ｌ）がｌに幾分依存するようになる（これはおそらくファ
イバの内層のＲが外層とは異なるためである）。これらのＲ（ｌ）の変化により
遅延ループのピックアップがｌ＝Ｌ−ＬdからＬdまで増加する。このピックアッ
プを低減するためには、まずＲ（ｌ）を約Ｌ／２の偶関数にして等式５の被積分
関数を約Ｌ／２の奇関数にするだけでよいことに注目されたい。Ｒ（ｌ）は、図
１１に示されるようにファイバループの対称点を互いに隣り合わせに位置付ける
よう遅延ループを巻付けることによって約Ｌ／２を中心として余儀なくより対称
的にできる。このような巻付けにより、遅延ループの対称点が確実に互いに近接
して位置付けられるようになり、コイル上のファイバの位置によるＲ（ｌ）の変
化がＬ／２を中心としてできる限り対称的となり、それにより遅延ループピック
アップができる限り等式８の定義に近づくようになる。サニャックセンサアレイ
の各サニャックループのＬ／２点は異なるため、図１１に示されるように１つの
ループだけを正確に巻付けるだけでよく、ごくわずかな奇数性がサニャックルー
プの１つを除くすべてに対してＲ（ｌ）に付与される。
ものすべてについてＲ（ｌ）＝Ｒdであると仮定する。このＲ（ｌ）が一定であ
るため、ｌ＝（Ｌ−Ｌd）からＬdまでの、等式５の積分に対する影響が排除され
る（被積分関数が約Ｌ／２の奇関数になるからである）。しかしながら、長いフ
ァイバを巻くと、Ｒ（ｌ）がｌに幾分依存するようになる（これはおそらくファ
イバの内層のＲが外層とは異なるためである）。これらのＲ（ｌ）の変化により
遅延ループのピックアップがｌ＝Ｌ−ＬdからＬdまで増加する。このピックアッ
プを低減するためには、まずＲ（ｌ）を約Ｌ／２の偶関数にして等式５の被積分
関数を約Ｌ／２の奇関数にするだけでよいことに注目されたい。Ｒ（ｌ）は、図
１１に示されるようにファイバループの対称点を互いに隣り合わせに位置付ける
よう遅延ループを巻付けることによって約Ｌ／２を中心として余儀なくより対称
的にできる。このような巻付けにより、遅延ループの対称点が確実に互いに近接
して位置付けられるようになり、コイル上のファイバの位置によるＲ（ｌ）の変
化がＬ／２を中心としてできる限り対称的となり、それにより遅延ループピック
アップができる限り等式８の定義に近づくようになる。サニャックセンサアレイ
の各サニャックループのＬ／２点は異なるため、図１１に示されるように１つの
ループだけを正確に巻付けるだけでよく、ごくわずかな奇数性がサニャックルー
プの１つを除くすべてに対してＲ（ｌ）に付与される。
【００６４】 ハイロドフォンによってファイバの音響感度を向上させる他、特定の直径を有
する金属コーティングを付与することによりファイバを感度抑制できることにも
触れておく。（たとえば上記J.A. Bucaro, Optical fibre sensor coatingsを参
照。）-366 dB re 1/μPaもの低さの測定正規化位相応答性が報告されている。
このようなファイバが遅延またはバスラインに使用される場合、ＲhのＲbに対す
る比またはＲhのＲdに対する比は６８ｄＢに近似し（プラスチックコーティング
遅延をおよびバスファイバの場合は３０ｄＢである）、遅延およびバスに誘導信
号に対してハイドロホン誘導信号を３２ｄＢだけ増加させる。
する金属コーティングを付与することによりファイバを感度抑制できることにも
触れておく。（たとえば上記J.A. Bucaro, Optical fibre sensor coatingsを参
照。）-366 dB re 1/μPaもの低さの測定正規化位相応答性が報告されている。
このようなファイバが遅延またはバスラインに使用される場合、ＲhのＲbに対す
る比またはＲhのＲdに対する比は６８ｄＢに近似し（プラスチックコーティング
遅延をおよびバスファイバの場合は３０ｄＢである）、遅延およびバスに誘導信
号に対してハイドロホン誘導信号を３２ｄＢだけ増加させる。
【００６５】 空の段の使用による分散ピックアップノイズの低減 分散ピックアップ信号をさらに除去するために、図１２に示されるようにアレ
イ２１０にハイドロホンを含まない空の段３００を配置することによって、ハイ
ドロホン誘導音響変調を分散ピックアップ変調から分離できる。ハイドロホン２
１２（ｉ）を含む感知段と呼ばれる各段２１６（ｉ）が、空の段３００（ｉ）の
うちの１つの前にある。空の段３００（ｉ）を包囲する各ループの非感知ファイ
バが対応の感知段２１２（ｉ）を包囲するループの非感知ファイバとほぼ同じで
あることは、空の段３００（ｉ）および対応の感知段２１２（ｉ）がほぼ同じ分
散ピックアップ信号を有することを意味する。この空の段３００（ｉ）をアレイ
２１０の別のセンサとして扱い、（ＴＤＭ機構における）パルスを空の段３００
（ｉ）および感知段２１２（ｉ）から適切なタイミングを取って処理することに
よりそれらの重複を避けると、各感知段２１２（ｉ）に存在する分散ピックアッ
プ信号が測定できる。検出後、この信号を感知段信号から減じ、ハイドロホンフ
ァイバにおける位相変調によって引起された強度変化のみが得られるようにする
。このような機構の実現にはＮ個のセンスアレイ２１０に対して２Ｎ個の段が必
要であり、これにより個々の信号のデューティサイクルが半分に減る。
イ２１０にハイドロホンを含まない空の段３００を配置することによって、ハイ
ドロホン誘導音響変調を分散ピックアップ変調から分離できる。ハイドロホン２
１２（ｉ）を含む感知段と呼ばれる各段２１６（ｉ）が、空の段３００（ｉ）の
うちの１つの前にある。空の段３００（ｉ）を包囲する各ループの非感知ファイ
バが対応の感知段２１２（ｉ）を包囲するループの非感知ファイバとほぼ同じで
あることは、空の段３００（ｉ）および対応の感知段２１２（ｉ）がほぼ同じ分
散ピックアップ信号を有することを意味する。この空の段３００（ｉ）をアレイ
２１０の別のセンサとして扱い、（ＴＤＭ機構における）パルスを空の段３００
（ｉ）および感知段２１２（ｉ）から適切なタイミングを取って処理することに
よりそれらの重複を避けると、各感知段２１２（ｉ）に存在する分散ピックアッ
プ信号が測定できる。検出後、この信号を感知段信号から減じ、ハイドロホンフ
ァイバにおける位相変調によって引起された強度変化のみが得られるようにする
。このような機構の実現にはＮ個のセンスアレイ２１０に対して２Ｎ個の段が必
要であり、これにより個々の信号のデューティサイクルが半分に減る。
【００６６】 アレイ２１０のバス部分の感度抑制が要求されない場合、単一の空の段３００
をアレイ２１０に配置して遅延ループ２１４に関連した分散ピックアップ信号を
測定してもよく、この場合Ｎ個のセンサについてＮ＋１個の段（Ｎ個の感知段２
１２（ｉ）および１つの空の段３００）しか要求されない。１つの空の段３００
によって各感知段２１２（ｉ）の分散ピックアップ信号が適切に測定されない場
合、各感知段２１２（ｉ）にある分散ピックアップ信号がこれらの空の段３００
のうち最も近くにあるものによって適切に測定できるまで、アレイに沿って定期
的な間隔で空の段３００をさらに追加してもよい。空の段の数が少ないと、個々
の信号のデューティサイクルが結果として長くなる。図１２は、空の段が感知段
すべてに付与された場合の極端な例を示す。
をアレイ２１０に配置して遅延ループ２１４に関連した分散ピックアップ信号を
測定してもよく、この場合Ｎ個のセンサについてＮ＋１個の段（Ｎ個の感知段２
１２（ｉ）および１つの空の段３００）しか要求されない。１つの空の段３００
によって各感知段２１２（ｉ）の分散ピックアップ信号が適切に測定されない場
合、各感知段２１２（ｉ）にある分散ピックアップ信号がこれらの空の段３００
のうち最も近くにあるものによって適切に測定できるまで、アレイに沿って定期
的な間隔で空の段３００をさらに追加してもよい。空の段の数が少ないと、個々
の信号のデューティサイクルが結果として長くなる。図１２は、空の段が感知段
すべてに付与された場合の極端な例を示す。
【００６７】 偏光 任意の干渉センサにおけるコントラストを最高にするために、干渉ビームの偏
光状態（ＳＯＰ）を、再度合成する際に同一にする必要がある。それらが直交す
る場合、干渉はないため、振幅変調信号もない。これは偏光によって誘導された
信号フェージングと呼ばれる。サニャックセンサアレイの各センサはサニャック
ループであるため、サニャックファイバジャイロスコープにおける偏光によって
誘導された信号フェージングのこれまでの研究はサニャックセンサアレイにも適
用できる。１つの有望な解決策はサニャックループ内に減偏光子を配置すること
である。（たとえばK. Bohm, et al., LOW-DRIFT FIBRE GYRO USING A SUPERLUM
INESCENT DIODE, ELCTRONICS LETTERS, Vol. 17, No. 10, 14th May 1981, pp.
352-353を参照。）減偏光子は、光パワーの少なくとも半分が常に、正しいＳＯ
Ｐの３×３カプラに確実に戻るようにする。この一般的な方策により、ループの
複屈折に関係なく可視度が一定になる。（たとえばWilliam K. Burns, et al.,
Fiber-Optic Gyroscopes with Depolarized Light, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECH NOLOGY , Vol. 10, No. 7, July 1992, pp. 992-999を参照。）この最も簡単な構
成では、ファイバ超蛍光源および減偏光子などの非偏光源をループに使用する。
図１３に示されるように、サニャックセンサアレイ２００では、すべてのサニャ
ックループに共通の点に１つの減偏光子３１０が配置される。減偏光子３１０は
、ループの複屈折が一定である限り、各センサ２１２（ｉ）が複屈折からは独立
したこの一定の可視度を維持することを確実にする。これは、マッハ・ツェンダ
ー干渉センサアレイに使用される方法と比較して、偏光によって誘導された信号
フェージングの扱いが著しく容易になることを表わす。
光状態（ＳＯＰ）を、再度合成する際に同一にする必要がある。それらが直交す
る場合、干渉はないため、振幅変調信号もない。これは偏光によって誘導された
信号フェージングと呼ばれる。サニャックセンサアレイの各センサはサニャック
ループであるため、サニャックファイバジャイロスコープにおける偏光によって
誘導された信号フェージングのこれまでの研究はサニャックセンサアレイにも適
用できる。１つの有望な解決策はサニャックループ内に減偏光子を配置すること
である。（たとえばK. Bohm, et al., LOW-DRIFT FIBRE GYRO USING A SUPERLUM
INESCENT DIODE, ELCTRONICS LETTERS, Vol. 17, No. 10, 14th May 1981, pp.
352-353を参照。）減偏光子は、光パワーの少なくとも半分が常に、正しいＳＯ
Ｐの３×３カプラに確実に戻るようにする。この一般的な方策により、ループの
複屈折に関係なく可視度が一定になる。（たとえばWilliam K. Burns, et al.,
Fiber-Optic Gyroscopes with Depolarized Light, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECH NOLOGY , Vol. 10, No. 7, July 1992, pp. 992-999を参照。）この最も簡単な構
成では、ファイバ超蛍光源および減偏光子などの非偏光源をループに使用する。
図１３に示されるように、サニャックセンサアレイ２００では、すべてのサニャ
ックループに共通の点に１つの減偏光子３１０が配置される。減偏光子３１０は
、ループの複屈折が一定である限り、各センサ２１２（ｉ）が複屈折からは独立
したこの一定の可視度を維持することを確実にする。これは、マッハ・ツェンダ
ー干渉センサアレイに使用される方法と比較して、偏光によって誘導された信号
フェージングの扱いが著しく容易になることを表わす。
【００６８】 複屈折の緩やかな変化はサニャック干渉計の双方向性によって十分にキャンセ
ルできるが、対象の音響範囲おける周波数での複屈折変調により偏光ノイズが生
じ得る。これらの周波数での複屈折変調の多くは物理的なファイバの移動の結果
として生じる。したがって、偏光ノイズ（および分散ピックアップ信号）を低減
するためにはサニャックループを静止状態に保つ必要がある。
ルできるが、対象の音響範囲おける周波数での複屈折変調により偏光ノイズが生
じ得る。これらの周波数での複屈折変調の多くは物理的なファイバの移動の結果
として生じる。したがって、偏光ノイズ（および分散ピックアップ信号）を低減
するためにはサニャックループを静止状態に保つ必要がある。
【００６９】 サニャック干渉計の使用によって導入されるノイズ源 熱的位相ノイズ ファイバの屈折率は温度とともに変化するため、ファイバの熱的変化により、
その中を進行する光の位相が変動し得る。これらの率の変化はファイバの長さと
は無相関なため、結果として生じる位相変化は長さの平方根として測定される。
マッハ・ツェンダー干渉計は典型的には各アームに１００メートル未満のファイ
バを使用するため、この熱的位相ノイズの大きさは無視し得るものである。サニ
ャック干渉計は干渉計に大量のファイバを含むため、熱的位相ノイズは制限ノイ
ズ源となり得る。このサニャック干渉計における熱的位相ノイズの大きさは実験
によって理論的に説明され確認されている。（たとえばSverre Knudsen, et al.
, Measurements of Fundamental Thermal Induced Phase Fluctuations in the
Fiber of a Sagnac Interferometer, IEEE Photonics Technology Letters, Vol
. 7, No. 1, 1995, pp. 90-93; and Kjell Krakenes, et al., Comparison of F
iber-Optic Sagnac and Mach-Zehnder Interferometers with Respect to Therm
al Processes in Fiber, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. 13, No. 4,
April 1995, pp. 682-686を参照。）２ｋｍを超えるループの場合、熱的位相ノ
イズは対象の周波数範囲において
その中を進行する光の位相が変動し得る。これらの率の変化はファイバの長さと
は無相関なため、結果として生じる位相変化は長さの平方根として測定される。
マッハ・ツェンダー干渉計は典型的には各アームに１００メートル未満のファイ
バを使用するため、この熱的位相ノイズの大きさは無視し得るものである。サニ
ャック干渉計は干渉計に大量のファイバを含むため、熱的位相ノイズは制限ノイ
ズ源となり得る。このサニャック干渉計における熱的位相ノイズの大きさは実験
によって理論的に説明され確認されている。（たとえばSverre Knudsen, et al.
, Measurements of Fundamental Thermal Induced Phase Fluctuations in the
Fiber of a Sagnac Interferometer, IEEE Photonics Technology Letters, Vol
. 7, No. 1, 1995, pp. 90-93; and Kjell Krakenes, et al., Comparison of F
iber-Optic Sagnac and Mach-Zehnder Interferometers with Respect to Therm
al Processes in Fiber, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. 13, No. 4,
April 1995, pp. 682-686を参照。）２ｋｍを超えるループの場合、熱的位相ノ
イズは対象の周波数範囲において
【００７０】
【数１１】
【００７１】 を超えることもあり、これはほぼ要求されるアレイの感度である。 熱的位相ノイズは、遅延ループに対する外部変調に類似した分散ピックアップ
ノイズ源であると考えられ、そのようなものとして、上述のとおり空の段を使用
して低減できる。熱的位相ノイズはループ長さの短縮化によっても低減され得る
。上述のとおり、ループ長さは、遅延ループが短縮化されるのと同じファクタだ
けハイドロホンのファイバ長さを増加することにより、低周波数感度を変化させ
ることなく短縮化できる。たとえば、５０メートルのハイドロホンファイバを有
する４０ｋｍの遅延ループは１００メートルのファイバを有する２０ｋｍ遅延ル
ープと同じ低周波数応答を有する。しかしながら後者の組合せでは、遅延ループ
の合計長さがほぼ２のファクタも短いため、熱的位相ノイズが少ないであろう。
ノイズ源であると考えられ、そのようなものとして、上述のとおり空の段を使用
して低減できる。熱的位相ノイズはループ長さの短縮化によっても低減され得る
。上述のとおり、ループ長さは、遅延ループが短縮化されるのと同じファクタだ
けハイドロホンのファイバ長さを増加することにより、低周波数感度を変化させ
ることなく短縮化できる。たとえば、５０メートルのハイドロホンファイバを有
する４０ｋｍの遅延ループは１００メートルのファイバを有する２０ｋｍ遅延ル
ープと同じ低周波数応答を有する。しかしながら後者の組合せでは、遅延ループ
の合計長さがほぼ２のファクタも短いため、熱的位相ノイズが少ないであろう。
【００７２】 カー効果誘導位相ノイズ サニャック干渉計において発生し得るカー誘導位相シフトは光ファイバジャイ
ロスコープについて非常に大きな注目を集めている。（たとえばR.A. Bergh, et
al., Source statistics and the Kerr effect in fiber-optic gyroscopes, O PTICS LETTERS, Vol. 7, No. 11, November 1982, pp. 563-565; R.A. Bergh, e
t al., Compensation of the optical Kerr effect in fiber-optic gyroscopes
, OPTICS LETTERS, Vol. 7, No. 6, June 1982, pp. 282-284; and N.J. Frigo,
et al., Optical Kerr effect in fiber gyroscopes: effects of nonmonochro
matic sources, OPTICS LETTERS Vol. 8, No. 2, February 1983, pp. 119-121
を参照。）しかしながら、ジャイロスコープはＤＣレベルを測定するため、ジャ
イロスコープおよび音響センサに対する要求は異なる。ファイバジャイロスコー
プを制限し得るカー誘導位相シフトによってもたらされるわずかなＤＣオフセッ
トは音響センサの場合には問題ない。カー誘導ＤＣ位相シフトは、直角位相から
離れすぎるほどバイアス点を移動しない限り問題ない。光源の強度ノイズにより
出力にカー誘導位相ノイズが発生する。しかしながら、このカー誘導ＤＣ位相シ
フトが小さい限り、このカー誘導ＡＣ位相ノイズは小さい。サニャックセンサア
レイにおけるカー誘導位相シフトの要因はファイバジャイロスコープのものとは
異なる。サニャックセンサアレイの非対称性により、名目上対称であるジャイロ
スコープよりもはるかに容易にこのようなカー位相シフトが引出される。その非
対称性はアレイ部分および非対称であるＥＤＦＡの配置によって結果として生じ
る。これは、遅延ループを伝搬する前に１つのビームに利得が生じ、その後損失
が生じ、反対方向に伝搬するビームには損失が生じてから利得が生じるからであ
る。これらの非対称性を均衡にして、遅延ループのＥＤＦＡに適切な場所を選択
することによりカー誘導位相シフトをゼロにすることができる。この詳細は正確
なアレイ構成に依存し、この多元化機構が使用される。
ロスコープについて非常に大きな注目を集めている。（たとえばR.A. Bergh, et
al., Source statistics and the Kerr effect in fiber-optic gyroscopes, O PTICS LETTERS, Vol. 7, No. 11, November 1982, pp. 563-565; R.A. Bergh, e
t al., Compensation of the optical Kerr effect in fiber-optic gyroscopes
, OPTICS LETTERS, Vol. 7, No. 6, June 1982, pp. 282-284; and N.J. Frigo,
et al., Optical Kerr effect in fiber gyroscopes: effects of nonmonochro
matic sources, OPTICS LETTERS Vol. 8, No. 2, February 1983, pp. 119-121
を参照。）しかしながら、ジャイロスコープはＤＣレベルを測定するため、ジャ
イロスコープおよび音響センサに対する要求は異なる。ファイバジャイロスコー
プを制限し得るカー誘導位相シフトによってもたらされるわずかなＤＣオフセッ
トは音響センサの場合には問題ない。カー誘導ＤＣ位相シフトは、直角位相から
離れすぎるほどバイアス点を移動しない限り問題ない。光源の強度ノイズにより
出力にカー誘導位相ノイズが発生する。しかしながら、このカー誘導ＤＣ位相シ
フトが小さい限り、このカー誘導ＡＣ位相ノイズは小さい。サニャックセンサア
レイにおけるカー誘導位相シフトの要因はファイバジャイロスコープのものとは
異なる。サニャックセンサアレイの非対称性により、名目上対称であるジャイロ
スコープよりもはるかに容易にこのようなカー位相シフトが引出される。その非
対称性はアレイ部分および非対称であるＥＤＦＡの配置によって結果として生じ
る。これは、遅延ループを伝搬する前に１つのビームに利得が生じ、その後損失
が生じ、反対方向に伝搬するビームには損失が生じてから利得が生じるからであ
る。これらの非対称性を均衡にして、遅延ループのＥＤＦＡに適切な場所を選択
することによりカー誘導位相シフトをゼロにすることができる。この詳細は正確
なアレイ構成に依存し、この多元化機構が使用される。
【００７３】 ＥＤＦＡから結果として生じる非線形位相変調 ＥＤＦＡで生じる反転分布により、それを通過する信号の光に位相シフトが生
じる。（たとえばM.J.F. Digonnet, et al., Resonantly Enhanced Nonlinearit
y in Doped Fibers for Low-Power All-Optical Switching: A Review, OPTICAL FIBER TECHNOLOGY , Vol. 3, No. 1, January 1997, pp. 44-64を参照。）のこ
の現象は全光学干渉スイッチの製造において利用されてきた。サニャックセンサ
アレイにおいて、干渉計内のＥＤＦＡは同じ機構によって非線形位相シフトをも
たらす。ポンプまたは信号パワーの変動による反転分布の変化により位相変調が
引き起こされ、これは強度ノイズに変換されることとなる。
じる。（たとえばM.J.F. Digonnet, et al., Resonantly Enhanced Nonlinearit
y in Doped Fibers for Low-Power All-Optical Switching: A Review, OPTICAL FIBER TECHNOLOGY , Vol. 3, No. 1, January 1997, pp. 44-64を参照。）のこ
の現象は全光学干渉スイッチの製造において利用されてきた。サニャックセンサ
アレイにおいて、干渉計内のＥＤＦＡは同じ機構によって非線形位相シフトをも
たらす。ポンプまたは信号パワーの変動による反転分布の変化により位相変調が
引き起こされ、これは強度ノイズに変換されることとなる。
【００７４】 ノイズ源の大きさを推定するためには、まず、反転分布がポンプおよび信号パ
ワー変動にいかに応答するかを決定する必要がある。これは、エルビウムシステ
ムに関するレート式をによって比較的直接行なわれる。
ワー変動にいかに応答するかを決定する必要がある。これは、エルビウムシステ
ムに関するレート式をによって比較的直接行なわれる。
【００７５】
【数１２】
【００７６】 ただしＮ1およびＮ2はそれぞれ低状態および励起状態での集団密度であり、Ｎ0
は全集団密度であり、Ｌは強度であり、 は断面積であり、Ａeffはファイバに
おける有効モード領域であり、２はレベル２の期間である。下付き文字ｐおよび
ｓはそれぞれポンプおよび信号を示し、下付き文字ａおよびｅはそれぞれ吸収お
よび放射を示す。
は全集団密度であり、Ｌは強度であり、 は断面積であり、Ａeffはファイバに
おける有効モード領域であり、２はレベル２の期間である。下付き文字ｐおよび
ｓはそれぞれポンプおよび信号を示し、下付き文字ａおよびｅはそれぞれ吸収お
よび放射を示す。
【００７７】 Ｎ1、Ｎ2、ＩpおよびＩsをそれらの定常状態および経時変化成分に分割してこ
れを等式１２に代入し、等式１２と等式１１とを組合せると、下記の式が得られ
る。
れを等式１２に代入し、等式１２と等式１１とを組合せると、下記の式が得られ
る。
【００７８】
【数１３】
【００７９】 ただし、下付き文字ｓｓは定常状態値を示し、このとき経時変化成分は時間の陽
関数（Ｎ2＝Ｎ2 ss＋Ｎ2（ｔ））として示される。ここでＮ2（ｔ）がＮ2 ssより
もはるかに小さいとすると、等式１３の最後の２つの項を無視できる。ｌp（ｔ
）＝ｌp mｓｉｎ（ｆpｔ）およびｌs（ｔ）＝ｌs mｓｉｎ（ｆsｔ）とし（ただし
ｌp mおよびｌs mはそれぞれｌp（ｔ）およびｌs（ｔ）の変調振幅を示し、ここで
ｆpおよびｆsはそれぞれポンプおよび信号変調周波数を示す）、結果として得ら
れる微分方程式を解くと、下記の関係式が得られる。
関数（Ｎ2＝Ｎ2 ss＋Ｎ2（ｔ））として示される。ここでＮ2（ｔ）がＮ2 ssより
もはるかに小さいとすると、等式１３の最後の２つの項を無視できる。ｌp（ｔ
）＝ｌp mｓｉｎ（ｆpｔ）およびｌs（ｔ）＝ｌs mｓｉｎ（ｆsｔ）とし（ただし
ｌp mおよびｌs mはそれぞれｌp（ｔ）およびｌs（ｔ）の変調振幅を示し、ここで
ｆpおよびｆsはそれぞれポンプおよび信号変調周波数を示す）、結果として得ら
れる微分方程式を解くと、下記の関係式が得られる。
【００８０】
【数１４】
【００８１】 ｐ＝１４８０ｎｍ、ｓ＝１５５０ｎｍ、かつｌp ss＝１Ｗであるとし、さらに
は、典型的なエルビウム−シリカ断面を想定すると、等式１４および１５を下記
の式に簡略化することができる。
は、典型的なエルビウム−シリカ断面を想定すると、等式１４および１５を下記
の式に簡略化することができる。
【００８２】
【数１５】
【００８３】 この計算を位相変調に変換するためには、エルビウムドープファイバに吸収され
た１０ｍＷのポンプパワーにより１５５０ｎｍにおいてのおよそ７ラジアンの位
相シフトが誘導されるという事実を利用できる。（たとえばM.J.F. Digonnet, e
t al., Resonantly Enhanced Nonlinearity in Doped Fibers for Low-Power Al
l-Optical Switching: A Review, OPTICAL FIBER TECHNOLOGY, Vol. 3, No. 1,
January 1997, pp. 44-64を参照。）シミュレーションにより、典型的なエルビ
ウムドープファイバのにおける、１０ｍＷの吸収されたポンプパワーにより、１
５５０ｎｍにおいておよそ６ｄＢという小さな信号利得がもたらされ、これは分
散ＥＤＦＡを有するアレイの各増幅器によって要求されるゲインに近い。（たと
えば上記Craig W. Hodgson, et al., Optimization of Large-Scale Fiber Sens
or Arrays Incorporating Multiple Optical Amplifiers-Part I: Signal-to-No
ise Ratio; Craig W. Hodgson, et al., Optimization of Large-Scale Fiber S
ensor Array Incorporating Multiple Optical Amplifiers-Part II: Pump Powe
r, Jefferson L. Wagener, et al., Novel Fiber Sensor Arrays Using Erbium-
Doped Fiber Amplifiers; および C.W. Hodgson, et al., Large-scale interfe
rometric fiber sensor arrays with multiple optical amplifiersを参照。）
したがって、各増幅器によりおよそ７ラジアンのＤＣ位相シフトがもたらされる
。非線形位相シフトは上位状態分布Ｎ2に比例するため、Ｎ2／Ｎ2 SS＝／SSと表
すことができる。
た１０ｍＷのポンプパワーにより１５５０ｎｍにおいてのおよそ７ラジアンの位
相シフトが誘導されるという事実を利用できる。（たとえばM.J.F. Digonnet, e
t al., Resonantly Enhanced Nonlinearity in Doped Fibers for Low-Power Al
l-Optical Switching: A Review, OPTICAL FIBER TECHNOLOGY, Vol. 3, No. 1,
January 1997, pp. 44-64を参照。）シミュレーションにより、典型的なエルビ
ウムドープファイバのにおける、１０ｍＷの吸収されたポンプパワーにより、１
５５０ｎｍにおいておよそ６ｄＢという小さな信号利得がもたらされ、これは分
散ＥＤＦＡを有するアレイの各増幅器によって要求されるゲインに近い。（たと
えば上記Craig W. Hodgson, et al., Optimization of Large-Scale Fiber Sens
or Arrays Incorporating Multiple Optical Amplifiers-Part I: Signal-to-No
ise Ratio; Craig W. Hodgson, et al., Optimization of Large-Scale Fiber S
ensor Array Incorporating Multiple Optical Amplifiers-Part II: Pump Powe
r, Jefferson L. Wagener, et al., Novel Fiber Sensor Arrays Using Erbium-
Doped Fiber Amplifiers; および C.W. Hodgson, et al., Large-scale interfe
rometric fiber sensor arrays with multiple optical amplifiersを参照。）
したがって、各増幅器によりおよそ７ラジアンのＤＣ位相シフトがもたらされる
。非線形位相シフトは上位状態分布Ｎ2に比例するため、Ｎ2／Ｎ2 SS＝／SSと表
すことができる。
【００８４】
【数１６】
【００８５】 位相パワー変動による誘導された位相シフトの計算はより複雑である。なぜな
ら、信号パワーには強度ノイズが付与されるばかりでなく、多元化機構によって
変調されるからである。ここでもまたＴＤＭの場合を考えると、一般には、所与
のパルスが特定のＥＤＦＡ中を進行する際、そのＥＤＦＡ中に同時に進行する反
対方向に伝搬するパルスがあってもよいし、またはなくてもよい。反対方向に伝
搬するパルスが常に存在する最悪の場合、ｌs mは、個々の各パルスの強度ノイズ
の２倍である。増幅器については、ｌs mは典型的には個々の各パルスの強度ノイ
ズの１．５倍から２倍である。
ら、信号パワーには強度ノイズが付与されるばかりでなく、多元化機構によって
変調されるからである。ここでもまたＴＤＭの場合を考えると、一般には、所与
のパルスが特定のＥＤＦＡ中を進行する際、そのＥＤＦＡ中に同時に進行する反
対方向に伝搬するパルスがあってもよいし、またはなくてもよい。反対方向に伝
搬するパルスが常に存在する最悪の場合、ｌs mは、個々の各パルスの強度ノイズ
の２倍である。増幅器については、ｌs mは典型的には個々の各パルスの強度ノイ
ズの１．５倍から２倍である。
【００８６】
【数１７】
【００８７】 しかしながら、計算の精度を高めるためには、多元化機構およびアレイの正確な
タイミングを考慮に入れる、より詳細な研究が必要である。
タイミングを考慮に入れる、より詳細な研究が必要である。
【００８８】 サニャックアレイにおける多元化機構 時間分割多元化 これまでは、サニャックセンサアレイがＴＤＭ構成で動作すると仮定した。サ
ニャックセンサアレイでは、このようなＴＤＭシステムの光源の要件は、ＴＤＭ
構成のマッハ・ツェンダー干渉センサアレイのものほど厳しくない。この理由と
しては、サニャックセンサアレイに広帯域源を使用することが挙げられる。マッ
ハ・ツェンダー干渉センサアレイでは、隣接する段からの光は狭い線幅の光源の
ためにコヒーレントであるため、多経路コヒーレント干渉を防止するために、入
力パルスに対する極度に高い消光比が要求される。これらの高消光比の要件は、
多数の変調器を直列に配置することにより達成されるが、これにより複雑で損失
が高く高価な光源となってしまう。サニャックセンサアレイでは、広帯域源によ
り多経路コヒーレント干渉の可能性が排除されるため、要求される消光比はさほ
ど高くなくてもよい。また、マッハ・ツェンダー干渉センサアレイは狭い線幅を
要求するため、リチウムニオブ酸塩強度変調器によって外部的に変調される持続
波（ｃｗ）レーザ源の代わりにパルスレーザ源を使用できなくする。サニャック
センサアレイでは、光源を構成するために、外部的に変調される持続波ＡＳＥ光
源、パルスＡＳＥ源、またはそれらの何らかの組合せが使用できる。ここでもま
た、この理由としては、サニャックセンサアレイに狭い線幅の光源が要求されな
いことが挙げられる。本発明は狭い線幅の光源を要求しないが、本発明のサニャ
ックセンサアレイはたとえばレーザなどの狭い線幅の光源を使用してもよいこと
を理解されたい。
ニャックセンサアレイでは、このようなＴＤＭシステムの光源の要件は、ＴＤＭ
構成のマッハ・ツェンダー干渉センサアレイのものほど厳しくない。この理由と
しては、サニャックセンサアレイに広帯域源を使用することが挙げられる。マッ
ハ・ツェンダー干渉センサアレイでは、隣接する段からの光は狭い線幅の光源の
ためにコヒーレントであるため、多経路コヒーレント干渉を防止するために、入
力パルスに対する極度に高い消光比が要求される。これらの高消光比の要件は、
多数の変調器を直列に配置することにより達成されるが、これにより複雑で損失
が高く高価な光源となってしまう。サニャックセンサアレイでは、広帯域源によ
り多経路コヒーレント干渉の可能性が排除されるため、要求される消光比はさほ
ど高くなくてもよい。また、マッハ・ツェンダー干渉センサアレイは狭い線幅を
要求するため、リチウムニオブ酸塩強度変調器によって外部的に変調される持続
波（ｃｗ）レーザ源の代わりにパルスレーザ源を使用できなくする。サニャック
センサアレイでは、光源を構成するために、外部的に変調される持続波ＡＳＥ光
源、パルスＡＳＥ源、またはそれらの何らかの組合せが使用できる。ここでもま
た、この理由としては、サニャックセンサアレイに狭い線幅の光源が要求されな
いことが挙げられる。本発明は狭い線幅の光源を要求しないが、本発明のサニャ
ックセンサアレイはたとえばレーザなどの狭い線幅の光源を使用してもよいこと
を理解されたい。
【００８９】 周波数分割多元化 広帯域源の使用はまた、設計を変化させたり付加的な光源を要求することなく
サニャックセンサアレイが非ＴＤＭ構成で動作できるようにする。周波数分割多
元化（ＦＤＭ）は、位相発生キャリア（ＰＧＣ）機構を採用するマッハ・ツェン
ダー干渉センサアレイに通常使用されるが、サニャックセンサアレイに用いても
問題ない。図１４はＦＤＭ機構を用いる基本的なサニャックセンサアレイ４００
を示す。ファイバ超蛍源（ＳＦＳ）４０２（またはたとえばＬＥＤなどの他の広
帯域源）は入力光を発生する。チャーピングされた強度変調が強度変調器４０４
を介して入力光に付与される。この変調器４０４はチャーピング周波数発生器４
０６によって制御される。変調された光は３×３カプラ４１２を介してセンサア
レイ４１０に入る。光は遅延ループ４１０と、それぞれセンサ４１８（ｉ）を有
する複数の感知段４１６（ｉ）とを通過する。所望に応じて空の段（図示せず）
を設けてもよい。遅延ループ４１４および段４１６（ｉ）を通過した後、光はカ
プラ４１２を通ってセンサアレイ４１０を出て、検出器４２０によって検出され
、この検出器４２０は検出された光に応答して電気出力信号を発生する。検出器
４２０からの電気出力信号は、ミキサ４２２において、遅延４２４によって時間
的に遅延された、等しいチャーピング周波数と混合され、この遅延４２４は、時
間Δｔだけチャーピング周波数を遅延する。図１４に示される設定では、ミキサ
４２２の出力はスペクトラム分析器４２６に与えられる。動作の実施例において
、ミキサ４２２の出力は信号処理サブシステム（図示せず）に与えられ、これは
ミキサ４２２の出力を分析して、アレイ４１０にあたる音響信号を再生する。
サニャックセンサアレイが非ＴＤＭ構成で動作できるようにする。周波数分割多
元化（ＦＤＭ）は、位相発生キャリア（ＰＧＣ）機構を採用するマッハ・ツェン
ダー干渉センサアレイに通常使用されるが、サニャックセンサアレイに用いても
問題ない。図１４はＦＤＭ機構を用いる基本的なサニャックセンサアレイ４００
を示す。ファイバ超蛍源（ＳＦＳ）４０２（またはたとえばＬＥＤなどの他の広
帯域源）は入力光を発生する。チャーピングされた強度変調が強度変調器４０４
を介して入力光に付与される。この変調器４０４はチャーピング周波数発生器４
０６によって制御される。変調された光は３×３カプラ４１２を介してセンサア
レイ４１０に入る。光は遅延ループ４１０と、それぞれセンサ４１８（ｉ）を有
する複数の感知段４１６（ｉ）とを通過する。所望に応じて空の段（図示せず）
を設けてもよい。遅延ループ４１４および段４１６（ｉ）を通過した後、光はカ
プラ４１２を通ってセンサアレイ４１０を出て、検出器４２０によって検出され
、この検出器４２０は検出された光に応答して電気出力信号を発生する。検出器
４２０からの電気出力信号は、ミキサ４２２において、遅延４２４によって時間
的に遅延された、等しいチャーピング周波数と混合され、この遅延４２４は、時
間Δｔだけチャーピング周波数を遅延する。図１４に示される設定では、ミキサ
４２２の出力はスペクトラム分析器４２６に与えられる。動作の実施例において
、ミキサ４２２の出力は信号処理サブシステム（図示せず）に与えられ、これは
ミキサ４２２の出力を分析して、アレイ４１０にあたる音響信号を再生する。
【００９０】 さまざまな段４１６（ｉ）におけるセンサ４１８（ｉ）から戻る信号は、遅延
されたチャーピング周波数に対してさらに遅延される。これは図１５のグラフに
示され、このグラフは、元のチャーピング周波数４５０、遅延４２４からの遅延
チャーピング周波数４５２、第１の段からのチャーピングリターン信号４６０、
第２の段からのチャーピングリターン信号４６２および第３の段からのチャーピ
ングリターン信号４６４に関する。ミキサ４２２では別個のうなり周波数ｆb1４
７０、ｆb2４７２、ｆb3４７４、（図１４に示される）がそれぞれ混合チャーピ
ング周波数４５２と、サニャックセンサアレイ４１０におけるさまざまな段から
戻る信号の各々との間に形成される。（たとえばS.F. Collins, et al., A Mult
iplexing Scheme For Optical Fibre Inerferometric Sensors Using An FMCW G
enerated Carrier, OFS '92 Conference Proceedings, pp. 209-211を参照。）
図１５には３つのチャーピングリターン信号４６０、４６２、４６４しか示さな
いが、Ｎ個までのリターン信号があり得、Ｎはアレイ４１０の段数であると考え
られる。Ｎ番目の段からのチャーピングリターン信号によりミキサ４２２にうな
り周波数ｆbNが生じる。
されたチャーピング周波数に対してさらに遅延される。これは図１５のグラフに
示され、このグラフは、元のチャーピング周波数４５０、遅延４２４からの遅延
チャーピング周波数４５２、第１の段からのチャーピングリターン信号４６０、
第２の段からのチャーピングリターン信号４６２および第３の段からのチャーピ
ングリターン信号４６４に関する。ミキサ４２２では別個のうなり周波数ｆb1４
７０、ｆb2４７２、ｆb3４７４、（図１４に示される）がそれぞれ混合チャーピ
ング周波数４５２と、サニャックセンサアレイ４１０におけるさまざまな段から
戻る信号の各々との間に形成される。（たとえばS.F. Collins, et al., A Mult
iplexing Scheme For Optical Fibre Inerferometric Sensors Using An FMCW G
enerated Carrier, OFS '92 Conference Proceedings, pp. 209-211を参照。）
図１５には３つのチャーピングリターン信号４６０、４６２、４６４しか示さな
いが、Ｎ個までのリターン信号があり得、Ｎはアレイ４１０の段数であると考え
られる。Ｎ番目の段からのチャーピングリターン信号によりミキサ４２２にうな
り周波数ｆbNが生じる。
【００９１】 図１４においてスペクトル出力を図示して示すように、信号の音響変調はうな
り周波数に対する上方測波帯４８０、４８１、４８２および下方測波帯４８４、
４８５、４８６として現われる。このＦＤＭ機構の利点は、アレイタイミングに
関する要件が、ＴＤＭシステムと比較して著しく緩和することである。ＴＤＭシ
ステムは、パルスの重複を避けるために、隣接する段の間に特定の遅延を要求し
、深刻な工学上の問題が生じる。ＦＤＭでは、ファイバ長さの変化によりうなり
周波数がシフトするが、これらのうなり周波数が２倍の音響検出範囲で隔てられ
る限り信号間の重複は引起されない。後者は適切なチャーピングレートを選択す
ることによって達成される。ＴＤＭシステムの場合とは異なり、すべての経路は
常に光を戻し、これにより異なる非コヒーレント信号間に位相ノイズが生じる。
広帯域ＡＳＥ源によりこの位相ノイズの大きさが最小限になる。（たとえばMosl
ehi, Analysis of Optical Phase Noise in Fiber-Optic Systems Employing a
Laser Source with Arbitrary Coherence Time, Journal of Lightwave Technol ogy , Vol. LT-4 No. 9, September 1986, pp. 1334-1351を参照。）
り周波数に対する上方測波帯４８０、４８１、４８２および下方測波帯４８４、
４８５、４８６として現われる。このＦＤＭ機構の利点は、アレイタイミングに
関する要件が、ＴＤＭシステムと比較して著しく緩和することである。ＴＤＭシ
ステムは、パルスの重複を避けるために、隣接する段の間に特定の遅延を要求し
、深刻な工学上の問題が生じる。ＦＤＭでは、ファイバ長さの変化によりうなり
周波数がシフトするが、これらのうなり周波数が２倍の音響検出範囲で隔てられ
る限り信号間の重複は引起されない。後者は適切なチャーピングレートを選択す
ることによって達成される。ＴＤＭシステムの場合とは異なり、すべての経路は
常に光を戻し、これにより異なる非コヒーレント信号間に位相ノイズが生じる。
広帯域ＡＳＥ源によりこの位相ノイズの大きさが最小限になる。（たとえばMosl
ehi, Analysis of Optical Phase Noise in Fiber-Optic Systems Employing a
Laser Source with Arbitrary Coherence Time, Journal of Lightwave Technol ogy , Vol. LT-4 No. 9, September 1986, pp. 1334-1351を参照。）
【００９２】 コード分割多元化 コード分割多元化（ＣＤＭ）はセンサアレイにおける用途に関して最近注目を
集めている。（たとえばA.D. Kersey, et al., Code-division Multiplexed Int
erferometric Array With Phase Noise Reduction And Low Crosstalk, OFS '92 Conference Proceedings , pp. 266-269; and H.S. Al-Raweshidy, et al., Spr
ead spectrum technique for passive multiplexing of interferometric optic
al fibre sensors, SPIE, Vol. 1314 Fibre Optics '90, pp. 342-347を参照。
）図１６のサニャックセンサアレイ６００に関して図示されるように、ＣＤＭで
は、ファイバ超蛍光源６０２からの入力光（またはたとえばＬＥＤなどの他の広
帯域源）が、コード発生器６０６によって発生する擬似ランダムコードに従って
強度変調器６０４で変調される。変調された光は３×３カプラ６１０を介して干
渉ループ６０８に与えられ、遅延ループ６１４およびアレイ６１２の複数の段６
１６（ｉ）の中を伝搬する。図示される実施例において、各段６１６（ｉ）はそ
れぞれのセンサ６１８（ｉ）を含む。空の段（図示せず）を所望に応じて設けて
もよい。光は３×３カプラ６１０を介してループから戻り、検出器６２０によっ
て検出される。検出器６２０の電気出力はコード発生器６０６の出力とともに相
関器６２２に与えられ、このコード発生器６０６の出力は遅延６２４によって期
間ｃｏｒだけ遅延されている。擬似ランダムコードのビット期間はアレイ６１２
の隣接段の間の伝搬遅延よりも短い。ｃｏｒが、それぞれの段６１６（ｉ）を通
るループ進行時間ｉのうちの１つに等しい場合、段６１６（ｉ）のこのセンサか
ら戻る信号は遅延された擬似ランダムコードと相関付けられる。？ｊ．？＞bit
である場合にｊの遅延を有する他の信号はゼロに相関付けられる。相関付けプロ
セスはたとえば、相関コードがオンであるかまたはオフであるかに応じて、１ま
たは−１で検出信号を乗算すること（または電子ゲート６３０の信号を差動増幅
器６３２の非反転および反転入力にゲートを介して向けること）にかかわる。ラ
イン６３４上の差動増幅器の出力は相関付けられた出力である。信号はその後、
コードの期間に等しい時間ｔavgにわたって時間平均される。相関付けられない
信号の時間平均はゼロであるため、センサ６１８（ｉ）から信号が分離される。
ｃｏｒはすべてのセンサからの信号を順次取出すよう走査される。
集めている。（たとえばA.D. Kersey, et al., Code-division Multiplexed Int
erferometric Array With Phase Noise Reduction And Low Crosstalk, OFS '92 Conference Proceedings , pp. 266-269; and H.S. Al-Raweshidy, et al., Spr
ead spectrum technique for passive multiplexing of interferometric optic
al fibre sensors, SPIE, Vol. 1314 Fibre Optics '90, pp. 342-347を参照。
）図１６のサニャックセンサアレイ６００に関して図示されるように、ＣＤＭで
は、ファイバ超蛍光源６０２からの入力光（またはたとえばＬＥＤなどの他の広
帯域源）が、コード発生器６０６によって発生する擬似ランダムコードに従って
強度変調器６０４で変調される。変調された光は３×３カプラ６１０を介して干
渉ループ６０８に与えられ、遅延ループ６１４およびアレイ６１２の複数の段６
１６（ｉ）の中を伝搬する。図示される実施例において、各段６１６（ｉ）はそ
れぞれのセンサ６１８（ｉ）を含む。空の段（図示せず）を所望に応じて設けて
もよい。光は３×３カプラ６１０を介してループから戻り、検出器６２０によっ
て検出される。検出器６２０の電気出力はコード発生器６０６の出力とともに相
関器６２２に与えられ、このコード発生器６０６の出力は遅延６２４によって期
間ｃｏｒだけ遅延されている。擬似ランダムコードのビット期間はアレイ６１２
の隣接段の間の伝搬遅延よりも短い。ｃｏｒが、それぞれの段６１６（ｉ）を通
るループ進行時間ｉのうちの１つに等しい場合、段６１６（ｉ）のこのセンサか
ら戻る信号は遅延された擬似ランダムコードと相関付けられる。？ｊ．？＞bit
である場合にｊの遅延を有する他の信号はゼロに相関付けられる。相関付けプロ
セスはたとえば、相関コードがオンであるかまたはオフであるかに応じて、１ま
たは−１で検出信号を乗算すること（または電子ゲート６３０の信号を差動増幅
器６３２の非反転および反転入力にゲートを介して向けること）にかかわる。ラ
イン６３４上の差動増幅器の出力は相関付けられた出力である。信号はその後、
コードの期間に等しい時間ｔavgにわたって時間平均される。相関付けられない
信号の時間平均はゼロであるため、センサ６１８（ｉ）から信号が分離される。
ｃｏｒはすべてのセンサからの信号を順次取出すよう走査される。
【００９３】 ＴＤＭに対するＣＤＭの利点は、センサ間の遅延を正確に制御する必要がない
ことである。｜ｊ・ｊ±１｜＞ｂｉｔである場合のループ遅延ｊはすべて許容で
きる（ただしｂｉｔはコードのパルス期間である）。相関付けにはｊ’ｓがわか
っていなければならないが、これは容易に測定できる。ＦＤＭの場合と同様に、
広帯域源の使用には、すべての信号の加算の結果として生じる位相ノイズの低減
という利点がある。
ことである。｜ｊ・ｊ±１｜＞ｂｉｔである場合のループ遅延ｊはすべて許容で
きる（ただしｂｉｔはコードのパルス期間である）。相関付けにはｊ’ｓがわか
っていなければならないが、これは容易に測定できる。ＦＤＭの場合と同様に、
広帯域源の使用には、すべての信号の加算の結果として生じる位相ノイズの低減
という利点がある。
【００９４】 以上に、サニャック干渉計に基づく音響センサアレイの新規な設計を説明した
。この設計の主な利点は、共通経路の干渉計の使用である。これにより、マッハ
・ツェンダー干渉センサでよく起こる、光源の位相ノイズが強度ノイズに変換さ
れてしまうことがなくなり、安価で高パワーのＡＳＥ源または他の広帯域源の使
用が可能になる。音響周波数の関数としてのサニャックセンサアレイの応答は、
海中ノイズの下限と整合することが示された。この設計はさらに、１つの付加的
な非常に短い遅延ループの使用によって、ハイドロホンを付与することなくダイ
ナミックレンジを飛躍的に拡大できるようにする。以上には偏光によって誘導さ
れた信号フェージングを排除する技術を記載した。サニャックセンサアレイはさ
らに、標準的なマッハ・ツェンダーアレイによって達成可能なものよりも簡単な
形式でいくつかの多元化機構が使用できるようにする。これらの特徴のために、
サニャックセンサアレイの設計は、マッハ・ツェンダー干渉系センサアレイに取
って代わる非常に有望なものを提供する。
。この設計の主な利点は、共通経路の干渉計の使用である。これにより、マッハ
・ツェンダー干渉センサでよく起こる、光源の位相ノイズが強度ノイズに変換さ
れてしまうことがなくなり、安価で高パワーのＡＳＥ源または他の広帯域源の使
用が可能になる。音響周波数の関数としてのサニャックセンサアレイの応答は、
海中ノイズの下限と整合することが示された。この設計はさらに、１つの付加的
な非常に短い遅延ループの使用によって、ハイドロホンを付与することなくダイ
ナミックレンジを飛躍的に拡大できるようにする。以上には偏光によって誘導さ
れた信号フェージングを排除する技術を記載した。サニャックセンサアレイはさ
らに、標準的なマッハ・ツェンダーアレイによって達成可能なものよりも簡単な
形式でいくつかの多元化機構が使用できるようにする。これらの特徴のために、
サニャックセンサアレイの設計は、マッハ・ツェンダー干渉系センサアレイに取
って代わる非常に有望なものを提供する。
【００９５】 以上の説明は本発明の特定的な実施例に関するが、実施例の説明は発明を例示
的に示すものであり、限定を意図するものではないことを理解されたい。前掲の
特許請求の範囲に規定される発明の真の精神および範囲から逸脱することなく当
業者にはさまざまな変形および適用例が想起されるであろう。
的に示すものであり、限定を意図するものではないことを理解されたい。前掲の
特許請求の範囲に規定される発明の真の精神および範囲から逸脱することなく当
業者にはさまざまな変形および適用例が想起されるであろう。
【図１】 単一感知ループを有する一例としてのサニャック干渉計を示す図
である。
である。
【図２】 センサアレイの各段が付加的なサニャック干渉計を形成する、本
発明に従うサニャックセンサアレイを示す図である。
発明に従うサニャックセンサアレイを示す図である。
【図３】 結合のために損失した信号パワーと消散損失とを再生するための
エルビウムドープファイバ増幅器を含むサニャックセンサアレイを示す図である
。
エルビウムドープファイバ増幅器を含むサニャックセンサアレイを示す図である
。
【図４】 ３つの主な海中の下限ノイズと比較した、本発明に従うサニャッ
ク干渉計の周波数応答を示すグラフ図である。
ク干渉計の周波数応答を示すグラフ図である。
【図５】 マッハ・ツェンダ干渉計によって検出可能でありかつ本発明に従
うサニャック干渉計によって検出可能である最大および最小音響信号を示し、広
範囲の周波数にわたってサニャック干渉計のダイナミックレンジが比較的一定で
あることを示すグラフ図である。
うサニャック干渉計によって検出可能である最大および最小音響信号を示し、広
範囲の周波数にわたってサニャック干渉計のダイナミックレンジが比較的一定で
あることを示すグラフ図である。
【図６】 ハイドロホンおよび遅延ループにおける種々の長さのファイバを
有する３つのサニャック干渉計の構成に関する、検出可能な最小音響信号と周波
数との関係を示すグラフ図である。
有する３つのサニャック干渉計の構成に関する、検出可能な最小音響信号と周波
数との関係を示すグラフ図である。
【図７】 干渉計のダイナミックレンジを拡大するために付加的な遅延ルー
プを含む、本発明に従うサニャック干渉計を示す図である。
プを含む、本発明に従うサニャック干渉計を示す図である。
【図８】 図７の干渉計によって提供されるダイナミックレンジを示すグラ
フ図である。
フ図である。
【図９Ａ】 センサアレイシステムの乾いた端部における干渉計の遅延ルー
プの位置づけを示す図である。
プの位置づけを示す図である。
【図９Ｂ】 センサアレイシステムの濡れた端部における干渉計の遅延ルー
プの位置づけを示す図である。
プの位置づけを示す図である。
【図１０】 位相変調の影響の算出に用いられる長さを示す式が示される、
図９Ｂのサニャック干渉計を示す図である。
図９Ｂのサニャック干渉計を示す図である。
【図１１】 遅延ループに対する音響波の影響を軽減するために遅延ループ
を巻き付けるための技術を示す図である。
を巻き付けるための技術を示す図である。
【図１２】 センサが発生する信号から低減できる分散ピックアップノイズ
を検出する空の段を含む、本発明に従うサニャック干渉計を示す図である。
を検出する空の段を含む、本発明に従うサニャック干渉計を示す図である。
【図１３】 偏光誘導フェージングの影響を軽減するための減偏光子を含む
、本発明に従うサニャック干渉計を示す図である。
、本発明に従うサニャック干渉計を示す図である。
【図１４】 周波数分割多元化を利用するサニャック干渉計を示す図である
。
。
【図１５】 図１４の干渉計における、遅延された変調信号と、戻るセンサ
信号との間のビート信号の生成を示すグラフ図である。
信号との間のビート信号の生成を示すグラフ図である。
【図１６】 コード分割多元化を利用するサニャック干渉計を示す図である
。
。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年４月２７日（２０００．４．２７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００５】 サニャック干渉計は光ファイバジャイロスコープにおいて広い用途を見出して
いる。（たとえばB. Culshaw, et al., Fibre optic gyroscopes, Journal of P hysics E (Scientific Instruments) , Vol.16,No.1, 1983, pp.5-15を参照。）
サニャック干渉計を音響波の検出に使用することが提案されている。（たとえば
E. Udd, Fiber-optic acoustic sensor based on the Sagnac interferometer, Proceedings of the SPIE-The International Society for Optical Engineerin g , Vol.425, 1983, pp.90-91; Kjell Krakenes, et al., Sagnac interferomete
r for underwater sound detection: noise properties, OPTICS LETTERS, Vol.
14, No.20, October 15, 1989, pp.1152-1145; and Sverre Knudsen, et al., A
n Ultrasonic Fiber-Optic Hydrophone Incorporating a Push-Pull Transducer
in a Sagnac Interferometer, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.12, No
.9, September 1994, pp.1696-1700を参照。）その共通経路設計のために、サニ
ャック干渉計は双方向性を有し、このためバイアス点は安定しており、信号のフ
ェージングの問題を排除し、光源の位相ノイズが強度ノイズに変換されることを
防ぐ。したがって、サニャック干渉計には、マッハ・ツェンダー干渉センサを低
周波数に制限する位相ノイズの問題がない。 サニャック干渉計は感知システムにも使用されていた。たとえば、Uddの米国
特許第５，６９４，１１４号は、安全通信システムのためのコヒーレントアラー
ムであって、サニャック干渉計を形成するよう、１つまたは２つ以上の光源、位
相変調器、検出器および偏光拡散素子を、１対の単一モード光ファイバケーブル
と組合せて使用するものを開示している。たとえば米国特許第５，６９４，１１
４号の図１３Ａおよび図１９に示されるように、２つのサニャック干渉計は、異
なった光波長を有する２つの光源を使用することにより共通の感知素子を共有で
きる。
いる。（たとえばB. Culshaw, et al., Fibre optic gyroscopes, Journal of P hysics E (Scientific Instruments) , Vol.16,No.1, 1983, pp.5-15を参照。）
サニャック干渉計を音響波の検出に使用することが提案されている。（たとえば
E. Udd, Fiber-optic acoustic sensor based on the Sagnac interferometer, Proceedings of the SPIE-The International Society for Optical Engineerin g , Vol.425, 1983, pp.90-91; Kjell Krakenes, et al., Sagnac interferomete
r for underwater sound detection: noise properties, OPTICS LETTERS, Vol.
14, No.20, October 15, 1989, pp.1152-1145; and Sverre Knudsen, et al., A
n Ultrasonic Fiber-Optic Hydrophone Incorporating a Push-Pull Transducer
in a Sagnac Interferometer, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.12, No
.9, September 1994, pp.1696-1700を参照。）その共通経路設計のために、サニ
ャック干渉計は双方向性を有し、このためバイアス点は安定しており、信号のフ
ェージングの問題を排除し、光源の位相ノイズが強度ノイズに変換されることを
防ぐ。したがって、サニャック干渉計には、マッハ・ツェンダー干渉センサを低
周波数に制限する位相ノイズの問題がない。 サニャック干渉計は感知システムにも使用されていた。たとえば、Uddの米国
特許第５，６９４，１１４号は、安全通信システムのためのコヒーレントアラー
ムであって、サニャック干渉計を形成するよう、１つまたは２つ以上の光源、位
相変調器、検出器および偏光拡散素子を、１対の単一モード光ファイバケーブル
と組合せて使用するものを開示している。たとえば米国特許第５，６９４，１１
４号の図１３Ａおよび図１９に示されるように、２つのサニャック干渉計は、異
なった光波長を有する２つの光源を使用することにより共通の感知素子を共有で
きる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３２】 上ではアレイ２１０の各段２１６（ｉ）の単一センサに関して説明したが、各
段２１６（ｉ）が、本発明では、たとえば１９９９年２月２日に発行されたHodg
son et al.の米国特許第５，８６６，８９８号に記載されているような多数のセ
ンサを有するサブアレイを有利に含んでもよいことを理解されたい。（さらに C
.W. Hodgson, et al., Large-scale interferometric fiber sensor arrays wit
h multiple optical amplifiers, Optics Letters, Vol.22, 1997, pp.1651-165
3; J. L. Wagener, et al., Novel fiber sensor arrays using erbium-doped f
iber amplifiers, Journal of Lightwave Technology, Vol.15, 1997, pp.1681-
1688; C.W. Hodgson, et al., Optimization of large-scale fiber sensor arr
ays incorporating multiple optical amplifiers, Part I: signal-to-noise r
atio, Journal of Lightwave Technology, Vol.16, 1998, pp.218-223; and C.W
. Hodgson, et al., Optimization of large-scale fiber sensor arrays incor
porating multiple optical amplifiers, Part II: pump power, Journal of Li
ghtwave Technology, Vol.16, 1998, pp.224-231を参照。）
段２１６（ｉ）が、本発明では、たとえば１９９９年２月２日に発行されたHodg
son et al.の米国特許第５，８６６，８９８号に記載されているような多数のセ
ンサを有するサブアレイを有利に含んでもよいことを理解されたい。（さらに C
.W. Hodgson, et al., Large-scale interferometric fiber sensor arrays wit
h multiple optical amplifiers, Optics Letters, Vol.22, 1997, pp.1651-165
3; J. L. Wagener, et al., Novel fiber sensor arrays using erbium-doped f
iber amplifiers, Journal of Lightwave Technology, Vol.15, 1997, pp.1681-
1688; C.W. Hodgson, et al., Optimization of large-scale fiber sensor arr
ays incorporating multiple optical amplifiers, Part I: signal-to-noise r
atio, Journal of Lightwave Technology, Vol.16, 1998, pp.218-223; and C.W
. Hodgson, et al., Optimization of large-scale fiber sensor arrays incor
porating multiple optical amplifiers, Part II: pump power, Journal of Li
ghtwave Technology, Vol.16, 1998, pp.224-231を参照。）
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００９５】 以上の説明は本発明の特定的な実施例に関するが、実施例の説明は発明を例示
的に示すものであり、限定を意図するものではないことを理解されたい。
的に示すものであり、限定を意図するものではないことを理解されたい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，Ｇ Ｈ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 バコック，ベンジャミン・ジェイ アメリカ合衆国、94040 カリフォルニア 州、マウンテン・ビュウ、カミッレ・コー ト、324、アパートメント・４ (72)発明者 ディゴネット，マイケル・ジェイ・エフ アメリカ合衆国、94306 カリフォルニア 州、パロ・アルト、コーネル、2090 (72)発明者 キノ，ゴードン・エス アメリカ合衆国、94305 カリフォルニア 州、スタンフォード、セドロ・ウェイ、 867 (72)発明者 ショー，エイチ・ジョン アメリカ合衆国、94305 カリフォルニア 州、スタンフォード、アルバラド・ロウ、 719 Ｆターム(参考） 2F105 DD02 DD20 DE01 DE05 DE14 DE21 DE28 2G047 CA04 GD01 GF25 2G064 BC06 BC11 BC12 BC24 BC32 BC37
Claims (46)
- 【請求項１】 音響センサシステムであって、 光の光源と、 前記光源から前記光を受け、前記光の第１の部分を第１のカプラポートに結合
し、前記光の第２の部分を第２のカプラポートに結合するカプラと、 干渉ループとを備え、前記干渉ループは、前記光の前記第１の部分を受けるよ
う前記第１のカプラポートに結合された第１の端部と、前記光の前記第２の部分
を受けるよう前記第２のカプラポートに結合された第２の端部とを有し、前記干
渉ループは前記光の前記第１の部分を第１の方向に前記第２のカプラポートまで
伝搬し、前記干渉ループは、前記光の前記第２の部分を前記第１の方向とは反対
の第２の方向に前記第１のカプラポートまで伝搬し、前記干渉ループは、 前記干渉ループの遅延部分を含み、前記遅延部分は、前記干渉ループの前記第
１の端部に近接した第１の端部と、第２の端部とを有し、前記遅延部分は、前記
遅延部分の前記第１の端部から前記遅延部分の前記第２の端部まで前記遅延部分
を通過する光と、前記遅延部分の前記第２の端部から前記遅延部分の前記第１の
端部まで前記遅延部分を通過する光とを時間的に遅延し、前記干渉ループはさら
に 前記遅延部分の前記第２の端部に結合された第１の端部と、前記ループの前記
第２の端部に結合された第２の端部とを有するアレイを含み、前記アレイは 前記アレイの前記第１の端部と前記アレイの前記第２の端部との間に結合され
た少なくとも第１の音響センサおよび第２の音響センサを含み、前記第２の音響
センサは、前記第１の音響センサよりも前記遅延部分の前記第２の端部および前
記ループの前記第２の端部から離れた場所に配置され、前記第２の音響センサが
前記第１の音響センサの後に光を受けるようにし、前記第１の音響センサおよび
前記第２の音響センサは、あたる音響信号に応答して前記第１および第２の方向
にその中を通過する光を変調し、前記音響センサシステムはさらに 前記干渉ループから前記カプラに戻る光を受ける少なくとも１つの検出器を備
え、前記検出器は、第１の時間に前記第１の音響センサによって変調される光の
位相を検出し、前記第１の時間後の第２の時間に前記第２の音響センサによって
変調される光の位相を検出し、前記検出器は検出器出力信号を発生する、音響セ
ンサシステム。 - 【請求項２】 前記遅延部分が第１の遅延部分であり、前記音響センサシス
テムは第２の遅延部分をさらに含み、前記第２の遅延部分は、前記光の一部分の
みが前記第２の遅延部分の中を伝搬するように前記干渉ループに結合され、前記
第２の遅延部分は、前記第１および第２のセンサの各々が、前記第１の遅延部分
のみによって遅延される光を伝搬し、さらに前記第１の遅延部分および前記第２
の遅延部分の両方によって遅延される光も伝搬するようにし、前記検出器はそれ
により、前記第１および第２のセンサの各々からの少なくとも２対の干渉信号を
受ける、請求項１に記載の音響センサシステム。 - 【請求項３】 前記第１のセンサと前記第２のセンサとの間の前記光を分割
することにより生じる損失を補償するように前記アレイに配置された複数の増幅
器をさらに含む、請求項１に記載の音響センサシステム。 - 【請求項４】 前記カプラが３×３カプラである、請求項１に記載の音響セ
ンサ。 - 【請求項５】 前記光源が広帯域源である、請求項１に記載の音響センサ。
- 【請求項６】 前記広帯域源が超蛍光ファイバ源である、請求項５に記載の
音響センサ。 - 【請求項７】 前記第１の音響センサによって変調される前記光が、時間分
割多元化によって前記第２の音響センサによって変調される前記光から分離され
る、請求項１に記載の音響センサシステム。 - 【請求項８】 チャーピング周波数を発生する発生器と、 前記チャーピング周波数によって前記光源からの前記光を変調する強度変調器
と、 前記チャーピング周波数を受け、遅延されたチャーピング周波数を発生する電
子遅延器と、 電子ミキサとをさらに含み、前記電子ミキサは、前記検出器出力信号と前記遅
延されたチャーピング周波数とを混合して、前記第１および第２の音響センサの
各々に対応するそれぞれのうなり周波数を発生し、前記うなり周波数は、前記そ
れぞれの第１および第２の音響センサによって検出されたそれぞれの音響信号に
対応するそれぞれの側帯域を有する、請求項１に記載の音響センサシステム。 - 【請求項９】 デジタルコードを発生するコード発生器と、 前記デジタルコードによって前記光源からの前記光を変調する強度変調器と、 選択された遅延を前記デジタルコードに付与して、遅延されたデジタルコード
を発生する電子遅延器と、 相関器とをさらに含み、前記相関器は、前記検出器出力信号および前記デジタ
ルコードを相関づけて、前記第１および第２のセンサのうち選択されたものによ
って感知された音響信号に対応する非多重化信号を発生し、前記第１および第２
のセンサのうち選択されたものは、前記遅延器によって選択される、請求項１に
記載の音響センサシステム。 - 【請求項１０】 前記干渉ループに減偏光子をさらに含む、請求項１に記載
の音響センサシステム。 - 【請求項１１】 サニャック干渉感知システムであって、 第１のサニャック干渉計を備え、前記第１のサニャック干渉計は、 光の光源と、 前記光を前記第１のカプラポートおよび前記第２のカプラポートに結合するカ
プラと、 前記第１のカプラポートからの光を前記第２のカプラポートに結合し、前記第
２のカプラポートからの光を前記第１のカプラポートに結合する光路とを含み、
前記光路は、 前記第１のカプラポートに近接した遅延部分を含み、前記遅延部分は、前記遅
延部分の第１の端部から前記遅延部分の第２の端部まで前記遅延部分を通って伝
搬する光を時間的に遅延し、かつ前記遅延部分の前記第２の端部から前記遅延部
分の前記第１の端部まで前記遅延部分を通って伝搬する光を時間的に遅延し、前
記光路はさらに 前記遅延部分の前記第２の端部と前記カプラの前記第２のポートとの間に結合
された第１の音響センサを含み、前記第１の音響センサは、前記遅延部分の前記
第２の端部から前記第２のカプラポートに第１の光信号を伝搬し、前記第２のカ
プラポートから前記遅延部分の前記第２の端部に第２の光信号を伝搬し、前記第
１の音響センサは、あたる音響信号に応答して、前記第１および第２の光信号を
変調し、前記第２の光信号は前記遅延部分で遅延されて、前記第２の光信号が、
前記第２の光信号が前記カプラの前記第２のポートに到達するのと同時に前記カ
プラの前記第１のポートに到達するようにし、前記第１の光信号および前記第２
の光信号は前記カプラで干渉し合い、第１の干渉出力信号を発生し、前記光路は
さらに 前記第１の干渉出力信号を受けるように結合された検出器を含み、前記サニャ
ック干渉感知システムはさらに 前記光の光源と、 前記カプラと、 前記光路と、 前記遅延部分と、 前記検出器と、 前記遅延部分の前記第２の端部と前記カプラの前記第２のポートとの間に結合
された第２の音響センサとを備え、前記第２の音響センサは、前記遅延部分の前
記第２の端部および前記カプラの前記第２のポートからずれて配置されて、前記
第２の音響センサが、前記遅延部分の前記第２の端部からの第３の光信号を、前
記第１の光信号が前記カプラの前記第２のポートに結合された後に前記カプラの
前記第２のポートに結合するようにし、かつ前記音響センサが、前記カプラの前
記第２のポートからの第４の光信号を、前記第２の光信号が前記遅延部分の前記
第２の端部に結合された後に前記遅延部分の前記第２の端部に結合するようにし
、前記第４の光信号は、前記第３の光信号が前記カプラの前記第２のポートに到
達するのと同時に前記カプラの前記第１のポートに到達するように前記遅延部分
で遅延され、前記第３および第４の光信号は前記カプラで干渉し合い、前記第１
の干渉光信号が前記検出器によって検出された後に前記検出器によって検出され
る第２の干渉出力信号を発生する、サニャック干渉感知システム。 - 【請求項１２】 前記遅延部分が第１の遅延部分であり、前記サニャック干
渉感知システムは第２の遅延部分をさらに含み、前記第２の遅延部分は、前記光
の一部分のみが前記第２の遅延部分を通って伝搬するように前記第１の遅延部分
に結合され、前記第２の遅延部分は、前記第１および第２の音響センサの各々が
前記第１の遅延部分のみによって遅延された光を伝搬し、さらには前記第１の遅
延部分および前記第２の遅延部分の両方によって遅延された光も伝搬するように
し、それにより前記検出器は、前記第１および第２の音響センサの各々からの少
なくとも２対の干渉し合う信号を受ける、請求項１１に記載のサニャック干渉感
知システム。 - 【請求項１３】 前記第１および第２の音響センサに近接して配置され、前
記第１のセンサと前記第２のセンサとの間の前記光を分割することによって生じ
た損失を補償する複数の増幅器をさらに含む、請求項１１に記載のサニャック干
渉感知システム。 - 【請求項１４】 第１の音響センサによって変調された前記光が、時間分割
多元化によって前記第２の音響センサによって変調された前記光から分離される
、請求項１１に記載のサニャック干渉感知システム。 - 【請求項１５】 チャーピング周波数を発生する発生器と、 前記チャーピング周波数によって前記光の光源からの前記光を変調する強度変
調器と、 前記チャーピング周波数を受けて、遅延されたチャーピング周波数を発生する
電子遅延器と、 ミキサとを含み、前記ミキサは、前記検出器出力信号および前記遅延されたチ
ャーピング周波数を混合して、前記第１および第２の音響センサの各々に対応す
るそれぞれのうなり周波数を発生し、前記各うなり周波数は、前記それぞれの第
１および第２の音響センサによって検出されたそれぞれの音響センサに対応する
それぞれの側帯域を有する、請求項１１に記載のサニャック干渉感知システム。 - 【請求項１６】 デジタルコードを発生するコード発生器と、 前記デジタルコードによって前記光源からの前記光を変調する強度変調器と、 選択された遅延を前記デジタルコードに付与して、遅延されたデジタルコード
を発生する電子遅延器と、 相関器とを含み、前記相関器は、前記検出器出力信号および前記デジタルコー
ドを相関づけて、前記第１および第２のセンサのうちの選択されたものによって
感知された音響信号に対応する非多重化信号を発生し、前記第１および第２の音
響センサのうちの前記選択されたものは前記選択された遅延によって選択される
、請求項１１に記載のサニャック干渉感知システム。 - 【請求項１７】 前記光路に減偏光子をさらに含む、請求項１１に記載のサ
ニャック干渉感知システム。 - 【請求項１８】 前記カプラが３×３カプラである、請求項１に記載のサニ
ャック干渉感知システム。 - 【請求項１９】 前記光の光源が広帯域源である、請求項１１に記載のサニ
ャック干渉感知システム。 - 【請求項２０】 前記側帯域光源が超蛍光ファイバ源である、請求項１９に
記載のサニャック干渉感知システム。 - 【請求項２１】 前記光の光源が一連のパルスとして光を発生する、請求項
１１に記載のサニャック干渉感知システム。 - 【請求項２２】 感知装置であって、 光の光源と、 前記光を受け、前記光を第１のカプラポートおよび第２のカプラポートに結合
する光カプラと、 光ファイバループとを備え、前記光ファイバループは、 前記第１のカプラポートからの光を受けるよう結合された第１の端部と、前記
第２のカプラポートからの光を受けるよう結合された第２の端部とを含み、前記
第１のカプラポートからの前記光は前記ループ中を第１の方向に前記第２のカプ
ラポートまで伝搬し、前記第２のカプラポートからの前記光は前記ループ中を第
２の方向に前記第１のカプラポートまで伝搬し、前記光ファイバループはさらに 複数のセンサを含むセンサアレイを含み、前記各センサは、前記ループ中を前
記第１の方向に伝搬する前記光のそれぞれの部分と、前記ループ中を前記第２の
方向に伝搬する前記光のそれぞれの部分とを受け、前記センサの各々は、前記光
のそれぞれの部分が、前記光のそれぞれの部分が前記センサのうちの第２のもの
の中を伝搬する前に、前記センサの第１のものを通って伝搬するように、異なる
光路長を有し、前記光ファイバループはさらに 前記ループ中にある遅延部分を備え、前記遅延部分は、前記ループの前記第２
の端部よりも前記ループの前記第１の端部に光学的に近接して位置づけられて、
前記第１の方向に伝搬する光が前記遅延部分を通って伝搬し、後に前記センサア
レイを通って伝搬するようにし、かつ前記第２の方向に伝搬する光が、前記セン
サアレイを通って伝搬し後に前記遅延部分を通って伝搬するようにする、感知装
置。 - 【請求項２３】 前記遅延部分が第１の遅延部分であり、前記感知装置は第
２の遅延部分をさらに含み、前記第２の遅延部分は、前記光の一部分のみが前記
第２の遅延部分を通って伝搬するように前記第１の遅延部分に結合され、前記第
２の遅延部分は、前記第１および第２のセンサの各々が、前記第１の遅延部分の
みによって遅延された光を伝搬し、さらには前記第１の遅延部分および前記第２
の遅延部分の両方によって遅延された光を伝搬するようにする、請求項２２に記
載の感知装置。 - 【請求項２４】 前記第１および第２のセンサに近接して配置されて、前記
第１のセンサと前記第２のセンサとの間の前記光を分割することによって生じた
損失を補償する複数の増幅器をさらに含む、請求項２２に記載の感知装置。 - 【請求項２５】 前記第１のセンサによって変調された前記光が、時間分割
多元化によって前記第２のセンサによって変調された前記光から分離される、請
求項２２に記載の感知装置。 - 【請求項２６】 前記光カプラを介して前記ループから出力された信号を受
け、検出器出力信号を発生する検出器と、 チャーピング周波数を発生する発生器と、 前記チャーピング周波数によって前記光の光源からの前記光を変調する強度変
調器と、 前記チャーピング周波数を受け、遅延されたチャーピング周波数を発生する電
子遅延器と、 ミキサとをさらに含み、前記ミキサは、前記検出器出力信号および前記遅延さ
れたチャーピング周波数を混合して、前記第１および第２のセンサの各々に対応
するそれぞれのうなり周波数を発生し、前記各うなり周波数は、前記それぞれの
第１および第２のセンサによって検出されたそれぞれの信号に対応するそれぞれ
の側帯域を有する、請求項２２に記載の感知装置。 - 【請求項２７】 前記光カプラを介して前記ループから出力された光を受け
、検出器出力信号を発生する検出器と、 デジタルコードを発生するコード発生器と、 前記デジタルコードによって前記光の光源からの前記光を変調する強度変調器
と、 選択された遅延を前記デジタルコードに付与して、遅延されたデジタルコード
を発生する電子遅延器と、 相関器とをさらに含み、前記相関器は、前記検出器出力信号および前記デジタ
ルコードを相関づけて、前記第１および第２のセンサのうちの選択されたものに
よって感知された信号に対応する非多重化信号を発生し、前記第１および第２の
センサのうちの選択されたものは、前記選択された遅延によって選択される、請
求項２２に記載の感知装置。 - 【請求項２８】 前記光ファイバループに減偏光子をさらに含む、請求項２
２に記載の感知装置。 - 【請求項２９】 前記光の光源がパルス状の光を発生する、請求項２２に記
載の感知装置。 - 【請求項３０】 パラメータを感知するための方法であって、 光の光源からの光を、前記光のそれぞれの部分が第１および第２の方向に反対
方向に伝搬するようにループを通して伝搬するステップと、 前記ループ中を伝搬する前記光を少なくとも第１および第２のセンサに通過さ
せるステップとを含み、前記少なくとも第１および第２のセンサは、感知された
パラメータに応答して、その中を通る前記光を変調し、前記第１および第２のセ
ンサは、前記第２のセンサを通る光が前記第１のセンサを通る光に対して遅延さ
れるように、異なる光路長を有し、さらに 前記第１の方向に伝搬する前記光が前記第１および第２のセンサを通る前に、
前記第１の方向に前記ループ中を伝搬する前記光を遅延するステップと、 前記第２の方向に伝搬する前記光が前記第１および第２のセンサを通過した後
に、前記第２の方向に前記ループ中を伝搬する前記光を遅延するステップと、 前記第１および第２の方向に伝搬する前記光を干渉して、前記第１および第２
の方向に前記第１のセンサを通る光に応答して前記第１の出力信号を発生し、か
つ前記第１および第２の方向に前記第２のセンサを通る光に応答して第２の出力
信号を発生するステップとを含み、前記第２の出力信号は前記第１の出力信号に
対して遅延される、方法。 - 【請求項３１】 前記遅延ステップが、前記光の第１の部分に第１の時間遅
延を与え、前記方法は、第２の時間遅延だけ前記光の第２の部分を遅延するステ
ップをさらに含む、請求項３０に記載の感知方法。 - 【請求項３２】 前記第１および第２のセンサを伝搬する光を増幅して、前
記第１のセンサと前記第２のセンサとの間の前記光を分割することによって生じ
る損失を補償するステップをさらに含む、請求項３０に記載の感知方法。 - 【請求項３３】 前記光の光源からの前記光がパルス化され、前記第１のセ
ンサによって変調される前記光は、時間分割多元化によって前記第２のセンサに
よって変調される前記光から分離される、請求項３０に記載の感知方法。 - 【請求項３４】 前記第１および第２の出力信号を検出するステップと、 チャーピング周波数を発生するステップと、 前記チャーピング周波数によって前記光の光源からの前記光を変調するステッ
プと、 前記チャーピング周波数を遅延して、遅延されたチャーピング周波数を発生す
るステップと、 前記検出器出力信号および前記遅延されたチャーピング周波数を混合して、前
記第１および第２のセンサの各々に対応するそれぞれのうなり周波数を発生する
ステップとを含み、前記各うなり周波数は前記それぞれの第１および第２のセン
サによって検出されたそれぞれのパラメータに対応する側帯域を有する、請求項
３０に記載の感知方法。 - 【請求項３５】 前記第１および第２の出力信号を検出するステップと、 デジタルコードを発生するステップと、 前記デジタルコードによって前記光源からの前記光の強度を変調するステップ
と、 選択された遅延を前記デジタルコードに付与して、遅延されたデジタルコード
を発生するステップと、 前記検出器出力信号および前記デジタルコードを相関づけて、前記第１および
第２のセンサのうちの選択されたものによって感知されたパラメータに対応する
非多重化信号を発生するステップとを含み、前記第１および第２のセンサのうち
の前記選択されたものは、前記選択された遅延によって選択される、請求項３０
に記載の感知方法。 - 【請求項３６】 前記ループ中を伝搬する光を減偏光するステップをさらに
含む、請求項３０に記載の感知方法。 - 【請求項３７】 感知装置であって、 光源からの光を受け、前記光源の第１および第２の部分を第１および第２のカ
プラポートに結合するカプラと、 光ループとを備え、前記光ループは前記第１のカプラポートと前記第２のカプ
ラポートとの間に接続され、前記第１のカプラポートからの光を第１の方向に前
記ループを通して前記第２のカプラポートに伝搬し、かつ前記第２のカプラポー
トからの光を第２の方向に前記第１のカプラポートに伝搬し、前記第１および第
２の方向に伝搬する前記光は前記カプラで合成され、さらに パラメータを感知する少なくとも第１および第２のセンサを含むセンサアレイ
を備え、前記第１および第２のセンサはそれぞれの第１および第２の光路を有し
、前記第１のセンサを通る前記第１の光路は前記第２のセンサを通る前記第２の
光路よりも光学的に短く、さらに 前記ループに位置づけられた光遅延部分を備え、前記遅延部分は前記センサア
レイと前記第１のカプラポートとの間の前記ループに位置づけられ、前記第１の
方向に前記第１のカプラポートから伝搬する光が、前記センサアレイに到達する
前に前記光遅延部分によって遅延されるようにし、かつ前記第２の方向に前記第
２のカプラポートから伝搬する光が、前記センサアレイを通過した後に前記光遅
延部分によって遅延されるようにする、感知装置。 - 【請求項３８】 前記光遅延部分が第１の光遅延部分であり、前記感知装置
が、第２の光遅延部分をさらに含み、前記第２の光遅延部分は、前記光の一部分
のみが前記第２の光遅延部分を通って伝搬するように前記第１の光遅延部分に結
合され、前記第２の光遅延部分は、前記第１および第２のセンサの各々が、前記
第１の光遅延部分によってのみ遅延されるようにし、かつ前記第１の光遅延部分
および前記第２の光遅延部分によって遅延される光を伝搬するようにする、請求
項３７に記載の感知装置。 - 【請求項３９】 前記第１および第２のセンサに近接して配置され、前記第
１のセンサと前記第２のセンサとの間の前記光を分割することによって生じる損
失を補償する複数の増幅器をさらに含む、請求項３７に記載の感知装置。 - 【請求項４０】 前記光源からの前記光がパルス化され、前記第１のセンサ
によって変調される前記光が、時間分割多元化によって前記第２のセンサによっ
て変調された前記光から分離される、請求項３７に記載の感知装置。 - 【請求項４１】 前記カプラを介して前記光ループから出力された光を受け
、かつ検出器出力信号を発生する検出器と、 チャーピング周波数を発生する発生器と、 前記チャーピング周波数によって前記光源からの前記光を変調する強度変調器
と、 前記チャーピング周波数を受け、遅延されたチャーピング周波数を発生する電
子遅延器と、 ミキサとをさらに含み、前記ミキサは、前記検出器出力信号および前記遅延さ
れたチャーピング周波数を混合して、前記第１および第２のセンサの各々に対応
するそれぞれのうなり周波数を発生し、前記各うなり周波数は、前記それぞれの
第１および第２のセンサによって検出されたそれぞれのパラメータに対応するそ
れぞれの側帯域を有する、請求項３７に記載の感知装置。 - 【請求項４２】 前記カプラを介して前記光ループから出力された光を受け
、検出器出力信号を発生する検出器と、 デジタルコードを発生するコード発生器と、 前記デジタルコードによって前記光源からの前記光を変調する強度変調器と、 選択された遅延を前記デジタルコードに付与して、遅延されたデジタルコード
を発生する電子遅延器と、 相関器とを含み、前記相関器は、前記検出器出力信号および前記デジタルコー
ドを相関づけて、前記第１および第２のセンサのうちの選択されたものによって
感知されたパラメータに対応する非多重化信号を発生し、前記第１および第２の
センサのうちの前記選択されたものは前記選択された遅延によって選択される、
請求項３７に記載の感知装置。 - 【請求項４３】 前記光ループに減偏光子をさらに含む、請求項３７に記載
の感知装置。 - 【請求項４４】 前記アレイに第３の光路をさらに含み、前記第３の光路は
その中に光を伝搬し、前記第３の光路は前記第１の光路および前記第２の光路と
は異なる光路長を有し、前記第３の光路は、少なくとも前記第１の光路に共通の
分散ピックアップノイズに対する感度が高く、前記第３の光路は、前記第１の光
路によって発生した信号から低減される前記分散ピックアップノイズに応答して
信号を発生して、前記第１の光路によって発生する前記信号から前記分散ピック
アップノイズによる影響を排除する、請求項３７に記載の感知装置。 - 【請求項４５】 前記アレイに第３および第４の光路をさらに含み、前記第
３および第４の光路はその中に光を伝搬し、前記第３の光路は、前記第１の光路
および前記第２の光路とは異なる光路長を有し、前記第４の光路は前記第１、第
２および第３の光路とは異なる光路長を有し、前記第３の光路は前記第１の光路
に共通の分散ピックアップノイズに対する感度が高く、前記第３の光路は、前記
第１の光路によって発生した信号から低減される前記分散ピックアップノイズに
応答して信号を発生して、前記第１の光路によって発生した前記信号から前記分
散ピックアップノイズによる影響を排除し、前記第４の光路は、前記第２の光路
に共通の分散ピックアップノイズに対する感度が高く、前記第４の光路は、前記
第２の光路によって発生した信号から低減される前記分散ピックアップノイズに
応答して信号を発生して、前記第２の光路によって発生した前記信号から前記分
散ピックアップノイズによる影響を排除する、請求項３７に記載の感知装置。 - 【請求項４６】 前記光が前記ループ中を伝搬した後に前記カプラからの光
を受けるよう結合された第１および第２の検出器をさらに含み、前記検出器は、
光源における過剰なノイズを低減する処理されたそれぞれの第１および第２の検
出器出力信号を発生する、請求項３７に記載の感知装置。
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