KR100471336B1 - 광학 센서 아키텍쳐 - Google Patents

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크래이그 더블유. 허지슨
제퍼슨 엘. 와게너
미첼 제이. 에프. 디고넷
에이치. 존 쇼
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더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 쥬니어 유니버시티
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Abstract

본 발명은 분산 버스(100)와 복귀 버스(120) 사이의 렁 내에 배치된 센서(110)를 포함하는 패시브 광 어레이의 신호 대 잡음비를 크게 감소시킨다. 에르븀이 도핑된 광섬유 증폭기(130, 132)가 커플러 스플리팅 손실을 줄이기 위한 각각의 렁 결합에 가까운 버스에 포함된다. 증폭기의 이득은 결합으로 인한 손실을 줄이도록 선택된다. 총 SNR은 많은 수의 센서에 대해서도 큰 저하 없이 유지될 수 있다. 본 발명의 한 양태에서, 증폭기는 최종 커플러를 제외한 커플러(140, 142) 바로 뒤에 분산 및 복귀 버스를 따라 배치된다. 제2 양태에서, 증폭기는 각 커플러 바로 앞에 배치된다. 광 증폭기는 바람직하게도 분산 및 복귀 버스 안으로 접속된 짧은 길이의, 에르븀이 도핑된 섬유로 제조된다.

Description

광학 센서 아키텍쳐{OPTICAL SENSOR ARCHITECTURE}
본 발명은 시간 영역 다중화된 증폭형 센서 어레이에서 신호 대 잡음 비를 최대로 하기 위한 섬유 소재의 광간섭 센서 어레이 및 메카니즘에 관한 것이다.
섬유 소재의 광간섭 센서 어레이는 크기, 전기적 간섭 및 전자기적인 감응으로 인해 전자 센서가 실용적이지 못한 적용 분야에서 전망이 밝다. 상기 광간섭 센서는 매우 큰 동적 범위(예로서, 120 dB)로 파라미터를 측정할 수 있다. 광센서 어레이는 광섬유 라인을 사용하여 일련의 센서들을 접속시킴으로써 형성된다. 만약 어레이의 각각의 센서가 검출 신호를 반송하기 위해 전용의 광섬유를 필요로 한다면, 센서의 수가 증가함에 따라 즉시 요구되는 광섬유의 수는 감당할 수 없게 된다. 그래서, 광 어레이의 센서 수가 증가함에 따라, 작은 광섬유 수를 유지하기 위해 시간 영역 다중화(TDM)이 필요하게 된다. 전기적 및 광학적인 주파수 영역 다중화가 시도되었으나 수백 개의 센서를 포함하는 어레이의 경우에는 관리되기 어렵다. 결과적으로, 큰 센서 어레이는 이산 간격으로 배치된 센서로부터의 정보를 회송함으로써 TDM을 수행하는 일렬의 센서들로 구성된다. TDM을 사용하는 전형적인 수동형 센서 어레이는 사다리형 구성으로 형성된다. 이러한 설계는 단지 소수의 광섬유 라인을 가지고 작은 배치 크기로 구성되도록 한다. 센서의 큰 동적 범위 및 큰 신호 대 잡음 비(SNR)를 유지하면서 대량의 광간섭 센서를 포함하는 다중화 스킴(scheme)을 제공하는 것이 바람직하다.
도 1에 도시된 바와 같이, TDM을 사용하는 종래의 수동형 광 어레이(10)는 분산 버스(100)를 광센서(110)의 제1 단말부에 결합시키는 스플리터 커플러(140)를 사용하여 형성된다. 제2 스플리터 커플러(142)는 복귀 버스(120)를 상기 광센서(110)의 제2 단말부에 결합시킨다. 검출 신호는, n 개의 센서들의 어레이 중의 제1 센서(110)로 부분적으로 결합되는 소스 (도시되지 않음)로부터 전송된다. 검출 신호의 나머지는 분산 버스를 따라 후속되는 커플러로 전송되고, 각각의 커플러는 검출 신호의 일부를 연속된 센서로 결합시킨다.
각각의 센서는 분산 버스(100)로부터 각각의 센서로 결합된 광신호를 검출된 외부 (예로서, 음향) 교란에 기초하여 수정한다. 다음으로, 교란된 신호는 커플러(142)에 의해 복귀 버스(120)로 결합된다. 다음으로, 복귀 버스는 어레이로부터의 교란된 신호를 전송한다.
TDM의 기본 원리는 다음과 같다. 소스로부터의 광신호가 분산 버스(100)을 따라 커플러(140), 센서(110), 커플러(142)를 통과하고 복귀 버스(120)를 따라 되돌아오면서 지나는 경로의 길이는 각각의 센서마다 상이하다. 그러므로, 회송 경로는 경로 길이에 따라 상이한 시간 간격으로 검출기에 도착한다. 신호 소스에 더 가까운 센서가 센서의 끝 쪽에 있는 센서보다 더 짧은 경로를 가진다. 그래서, 소스 부근의 센서는 회송 신호를 어레이로부터 더 멀리 떨어진 센서보다 다소 빨리 복귀 버스 상에 위치시킨다. 이는 센서의 각각을 통한 시간 지연은 상대적으로 동일하다고 가정한다. 신호는 감지된 정보를 추출하기 위한 다른 하드웨어에 의해 연속적으로 처리되도록 어레이 밖으로 전송된다. 회송 신호의 각각이 센서 및 소스간의 상이한 거리로 인해 상이한 시간 지연을 가지기 때문에, 펄스 형태의 광신호를 사용하는 것이 가능하다. 전술한 설명에 기초하여, 각각의 센서(110)는 이전 센서에 의해 회송된 신호 펄스보다 다소 지연된 신호 펄스를 회송하여, 다양한 신호 펄스가 검출기에서 잠시 분리되도록 한다. 복귀 버스(120) 및 검출기에서의 회송 신호의 겹침을 방지하기 위해, 펄스 길이 및 광신호의 주파수가 잘 선택되어 회송 신호가 복귀 버스에서 겹치지 않도록 한다.
도 8은 검출 및 처리를 위해 복귀 버스 상에 회송 신호를 다중화하는 TDM을 채용한 센서 어레이의 타이밍 다이어그램을 도시한다. 시간 주기 1에서, 신호 소스는 길이 τ의 검출 펄스를 출력한다. 신호 소스는 자신을 재설정하고 검출 펄스 (시간 주기 1'로 도시됨)를 반복하기 전에, Tsystem 기간을 기다린다. 검출 펄스가 신호 소스로부터 일단 출력된 후에는 각각의 센서로 분할된다. 각 센서로부터의 신호는 각각의 센서가 신호 소스로부터 떨어진 거리에 따라 상이한 시간에 회송된다. 경로 길이는, 회송 신호가 신호간의 겹침을 방지하기 위한 회송 신호간의 짧은 중간 가드 밴드(TGuardband)를 가진 연속적인 간격으로 복귀 버스 상에 위치되도록 신중하게 선택된다. 일단 마지막 센서가 신호 N을 검출기로 회송한 다음, 시스템은 재설정 주기(TReset)를 기다린 다음 프로세스를 재시작한다. 주기 TReset는, 제1 센서로부터의 회송 펄스 1'이 제2 검출 펄스에 응답하여 도달하기 전에 마지막 센서로부터의 회송 펄스 N이 검출기에 확실히 도착하도록 선택된다. 주기 TReset를 위한 예시적인 주기는 대략 TGuardband와 같다. 그래서, Tsystem의 반복 주기는 대략 N×(γ+TGuardband)이다. 예를 들면, 인접 센서간의 경로차가 약 8.2 m를 가진 시스템의 경우, γ약 약 40 ns로 선택되고, TGuardband는 약 1 ns로 선택된다. 어레이가 300 개의 센서 (즉, N=300)를 포함하도록 구성될 경우, Tsystem은 약 12.3 ms이다. 이 예시적인 구성의 경우, 약 80 KHz의 반복 레이트는 검출 펄스에 응답한 마지막 회송 신호가 다음 번 검출 펄스에 응답한 제1 회송 신호와 겹치지 않도록 보장한다. 도 8에서 검출 펄스 및 제1 회송 펄스간의 시간 오프셋은 도시되지 않았음에 주목할 필요가 있다. 왜냐하면, 오프셋 시간은 소스로부터 제1 센서로, 제1 센서를 통해 다시 검출기로의 광경로의 길이에 따라 달라지기 때문이다.
TDM의 장점은 간단한 질의 기술(simple interrogation techniques)을 허용한다는 것이다. 어레이의 가격 및 크기를 줄이면서도 tm위칭 하드웨어가 불필요하다. 그러나, TDM과 관련된 문제점들 중의 하나는 검출을 위해 각 센서가 이용 가능한 시간이 감소된다는 것이다. 검출 결과의 리포팅을 위해 각각의 센서에게 전용의 광섬유가 주어진다면, 각각의 센서는 연속적인 정보의 스트림을 제공할 수 있을 것이다. 그러나, 광섬유의 수를 줄이기 위해 TDM이 구현될 경우, 상기한 연속적인 리포팅은 불가능하다. 한 센서에서 샘플링되는 시간은 연속적으로 샘플링되는 센서에 비해 1/N 이다. 센서의 수가 증가할수록, 한 센서에서 샘플링되는 시간 및 빈도가 더 감소된다.
제한된 샘플링 시간은 신호 대 잡음 비(SNR)의 중요성을 증가시킨다. TDM하에서 짧은 샘플은 더 긴 주기 (실제 샘플링 시간보다 N 배 긴 주기)를 나타내기 위해 보외법(extrapolation)이 실행되기 때문에, 각 샘플이 검출기에 의해 정확하게 해석되는 것은 더욱 필수적이다. 잡음은 해석 에러의 중요한 소스이다. 따라서, 센서 어레이을 따라 SNR의 최소한의 감소로 가능한한 높은 SNR이 유지되어야 한다. 높은 SNR은 검출 시스템에 의한 해석 에러의 수를 감소시킨다.
검출 신호가 수동 어레이를 통해 진해하면서 검출 신호에 심각한 손실이 발생한다. 예를 들어, 손실의 소스로서는 (1) 광섬유 손실, 중간 결합 손실(splice loss), 커플러 삽입 손실, (2) 센서 손실 및 (3) 배분 및 복귀 버스 상의 각각의 커플러로의 전력 분할 등이 있다.
광센서를 배분 및 복귀 버스로 결합하는데 사용되는 방법인 단순 분할 (손실 항목 (3))은 SNR에 큰 손실과 심한 감쇄를 야기한다. 분산 버스로부터 센서로 결합되는 검출 신호의 광량(amount of light)은 커플러의 결합비에 따른다. 결합비는 센서로 분할되는 광의 일부를 대략적으로 나타내고, "1-결합비"는 분산 버스를 따라 다음 커플러로 전송되는 광을 나타낸다. 높은 결합비는 분산 버스로부터 각각의 센서로 더 많은 량의 전력이 전달되는 결과를 낳는 반면에, 다운스트림 센서로는 더 작은 양의 전력만이 이용 가능하게 된다. 낮은 결합비는 다운스트림으로 전달되는 전력을 증가시키고, 각각의 센서에서 이용 가능한 전력을 제한한다. 결과적으로, 이하에서 논의될 바와 같이, 가장 원거리의 센서로부터의 회송 전력을 최대로 하는 결합비의 값이 있다.
N 개의 센서를 포함하는 어레이에 있어서, 제m 센서로부터 회송되는 전력은 m이 증가할수록 감소된다. 단, m=1인 센서는 소스로부터 가장 가까운 센서이다. 예외 경우는 마지막 제N 센서로부터의 신호이다. 상기 제N 센서에서는, 그 이후로는 더 이상 결합이 없고 신호의 잔여 전력이 모두 상기 제N 센서를 통해 전달되므로 분할 손실이 없다. 도 1에 도시된 수동형 어레이에 있어서, 회송 신호는 제N-1 센서로부터의 신호가 가장 약하다. 수동형 광 어레이에서 최상의 출력 신호 대 잡음 비를 얻기 위해, 검출기에서의 신호는 (1) 광섬유 버스에서의 비선형 효과로 인해 허용되는 만큼의 다량의 전력을 반송해야 하고, (2) 샷 잡음(shot noise)이 제한되어야 한다(신호의 소스에서 기원한 양자화 잡음이 신호의 잡음 특성을 지배하는 조건).
출력 SNR의 절대값을 결정하는데 필요한 광전력, 적분 시간, 펄스 폭, 반복율 및 광 필터링을 특정함이 없이, 아래의 식은 상이한 어레이 구성을 비교하는데 사용될 수 있는 잡음 지수 성분(noise figure component)을 정의한다. 관심의 대상인 잡음 지수는 어레이의 최악 조건의 센서(제N-1 센서)에 대한 "입력 SNR / 출력 SNR"이다. 시스템의 잡음 지수(NF)는 아래와 같이 정의된다.
이 정의는 증폭기 잡음의 전형적인 정의와 일치되는 것인데, 여기서는 증폭-손실 변환으로서 전체 시스템을 설명하기 위해 사용된다.
시스템의 잡음 지수를 결정하기 위해, 시스템의 다양한 요소들과 관련된 손실들 (예를 들면, 중간 결합 손실, 분할 손실, 커플러 손실 등)이 계산되어야 한다. 이 손실(L)은 dB 단위 (특히, 음수인 dB)로 표시된다. 또한, 이 손실들은 전송의 관점에서 고려될 수도 있다. 예를 들면, -3 dB 손실은 50 %의 전송을 의미하고, -10 dB 손실은 10 %의 전송을 의미한다. 각각의 센서는 동일한 손실(Ls)을 신호에 나누어 주고, 중간 결합 손실 및 커플러 삽입에 의한 초과 손실은 모든 커플러 세그먼트의 경우 Lx로 동일하다고 가정된다. 모든 커플러가 동일한 결합비 C일 경우, 제m 센서로부터 검출기로 회송되는 전력은 아래와 같다.
Pm = Pintoarray(1-c)2m-2Lx2m-2C2Ls
단, m < N
도 1에 도시된 실시예의 경우, 제N 센서는 배분 광섬유에 결합된다기보다 직접 접속되므로 제N-1 센서보다 더 많은 광전력을 수신한다. 제N 센서의 경우 전력은 아래와 같다.
PN = Pintoarray(1-c)2N-2Lx2N-2Ls
따라서, 회송 전력은 제N-1 센서의 경우 가장 낮다. 수학식 (2)로부터, 이 전력이 결합비 C에 의존하고, 아래의 경우에 최대가 된다.
수학식 (1) 및 (2)를 사용하고, 수학식 (4)의 최적화된 결합비를 가정할 때, 최악 조건 센서의 잡음 지수는 아래와 같다.
도 4b는 센서의 수가 증가함에 따른 최적화된 수동형 어레이의 잡음 지수(실선 커브)를 도시한다. 센서 손실 Ls는 6 dB로 가정되는데 이는 현재의 센서 기술과 일치하는 것이다. 초과 손실 Lx는 커플러 세그먼트당 0.2 dB로 가정된다. 도 4b는 센서의 수가 증가함에 따라 잡음 지수 레벨이 급격하게 증가하는 것을 도시하는데, 수동형 어레이 구성의 한계를 보여 준다.
더 긴 센서 어레이을 얻기 위해, 수동형 광 어레이는 각각의 개별 센서에서 이용 가능한 전력의 감소와 SNR 결과의 저하를 인정해야 한다. 이러한 제한 조건을 고려하여, TDM 센서 어레이에서 SNR을 최대화하기는 난이한 것이 되어왔다. 한 해결책은 광소스의 전력을 증가시키는 것이다. 이로 인해, 샷-잡음 제한 조건 하에서 모든 회송 신호의 SNR이 증가된다. 그러나, 분산 버스가 전송할 수 있는 최대 전력은 광섬유의 비선형 효과로 인해 제한된다. 그러므로, 수동형 어레이 설계는 광소스의 초기 전력을 증가시킴으로써 각각의 센서로 결합되는 저전력을 보상하는 성능에 제한된다.
<발명의 요약>
SNR은 TDM 광 센서 어레이의 성능에 중요한 요소이기 때문에, 결과된 검출 신호의 잡음 레벨이 높은 경우, 현재의 센서 기술의 한계에 접근할 수 없으며, 고감도 센서의 장점이 이용될 수 없다. 이 때문에, 센서 어레이의 아키텍쳐 및 디자인 파라미터는 스플리팅에 의한 SNR 저하, 다른 섬유 손실 및 다른 잡음의 존재를 최소화하도록 선택되어야 한다. 본 발명은 커플러 스플리팅 손실을 보상하기 위하여 커플러 사이에 광 증폭기를 추가함으로써 패시브 광 어레이의 SNR을 크게 향상시킨다.
본 발명의 바람직한 한 실시예에서, 광 증폭기는 신호 경로를 따라 커플러 사이에 삽입된다. 증폭기의 이득은 선행 커플러에 의한 손실 및 다른 섬유 손실을 보상하도록 설계된다. 이러한 방법으로, 전체 SNR은 어레이 내 센서의 수가 증가할 때에도 큰 저하 없이 유지될 수 있다. 본 발명의 제1 양태에서, 증폭기는 커플러(최종 센서는 제외) 바로 뒤에 분산 및 복귀 버스를 따라 배치된다. 본 발명의 제2 양태에서, 증폭기는 커플러 바로 앞에 배치된다.
한 실시예에서, 광 증폭기는 분산 및 복귀 버스 안으로 접속된 짧은 길이의 에르븀 도핑된 섬유를 포함한다. 에르븀 도핑된 섬유의 경우 1480 nm 또는 980 nm이며 Er/Yb 도핑된 섬유의 경우 1060 nm인 어레이의 한 단부 또는 양 단부로부터 증폭기를 펌핑하기 위하여 저가의 펌프 소스가 사용될 수 있다.
분산 버스 결합비가 최적치로 설정될 때에 SNR이 개선될 수 있다. 최적 결합비는 증폭기의 구성, 초과 손실 및 다른 구성 파라미터에 의존한다.
센서를 분산 및 복귀 버스를 따라 병렬로 그룹화함으로써 추가적인 이익이 얻어질 수 있다. 이러한 방법으로, 센서의 수는 이에 대응하는 증폭기 수의 증가 없이도 크게 증가될 수 있다. 다수의 센서의 병렬 그룹화는 대응하는 증폭기 또는 커플러의 증가 없이도 센서 밀도를 증가시킬 수 있다. 이러한 디자인은 증폭기 및 커플러의 전체 수를 감소시켜 증폭기의 자발적인 방사 잡음 및 결합 손실을 감소시킴으로써 SNR을 개선할 수 있다. 또한, 펌프 전력 요건이 감소된다. 이러한 본 발명의 특징은 동일한 수의 센서에 대해 더 작은 크기의 어레이를 가능하게 한다.
본 발명의 한 양태는 광 신호를 수신하여 교란된 광 신호를 출력하는 복수의 센서를 포함하는 광 센서 아키텍처이다. 분산 버스가 각 센서에 결합되어 광 신호를 각 센서로 분산시킨다. 복귀 버스가 각 센서에 결합되어 각 센서로부터 복귀 신호의 일부로서 포함될 교란된 광 신호를 수신한다. 복수의 제1 광 증폭기가 분산 버스의 길이 방향을 따라 선택된 위치에 분포되어 분산된 광 신호의 전력을 선택된 레벨로 유지한다. 복수의 제2 광 증폭기가 복귀 버스의 길이 방향을 따라 선택된 위치에 분포되어 복귀 신호에서 교란된 광 신호의 전력을 유지한다.
본 발명의 다른 양태는 복수의 센서 그룹을 포함하는 광 센서 아키텍처이다. 각 센서 그룹은 광 신호를 수신하여 교란된 광 신호를 출력하는 적어도 하나의 센서를 포함한다. 분산 버스가 각 센서 그룹에 결합되어 광 신호를 각 센서 그룹으로 분산한다. 복귀 버스가 각 센서 그룹에 결합되어 각 센서 그룹으로부터 교란된 광 신호를 수신한다. 복수의 제1 광 증폭기가 분산 버스의 길이 방향을 따라 선택된 위치에 분포되어 광 신호의 전력을 각 센서 그룹에 대해 적절한 레벨로 유지한다. 복수의 제2 광 증폭기가 복귀 버스의 길이 방향을 따라 선택된 위치에 분포되어 복귀 버스 상에서 교란된 광 신호의 전력을 유지한다.
본 발명의 또 다른 양태는 파라미터를 감지하기 위한 복수의 수단; 제1 광 신호를 각각의 감지 수단으로 분산시키기 위한 수단; 각각의 감지 수단으로부터 제2 광 신호를 복귀시키기 위한 수단; 분산 수단을 따라 이격된 제1 광 신호를 증폭하기 위한 복수의 수단; 및 복귀 수단을 따라 이격된 제2 광 신호를 증폭하기 위한 복수의 수단을 포함하는 광 센서 아키텍처이다.
본 발명의 또 다른 양태는 광 출력을 생성하기 위하여 센서 아키텍처로부터 복귀하는 신호 내의 잡음 레벨을 감소시키기 위한 방법이다. 이 방법은 출력 신호를 생성하기 위하여 복수의 센서를 사용한다. 광 신호는 각 센서에 결합된 분산 버스를 통해 전송된다. 각 센서로부터의 출력 신호는 각 센서에 결합된 복귀 버스를 통해 전송된 복귀 신호 안으로 결합된다. 광 신호 및 복귀 신호는 센서 아키텍처의 신호 대 잡음비를 증가시키기 위하여 분산 및 복귀 버스를 따른 복수의 스테이지에서 증폭된다.
본 발명의 또 다른 양태는 광 센서 어레이를 최적화하기 위한 방법이다. 이 방법은 소스로부터 입력 광 신호를 전파하는 분산 섬유와 교란된 광 신호를 검출기로 복귀시키는 복귀 섬유 사이에 위치한 광 센서 어레이를 제공한다. 각각의 광 센서는 각각의 입력 커플러에 의해 분산 섬유에 결합되고 각각의 출력 커플러에 의해 복귀 섬유에 결합된다. 복수의 증폭기가 입력 분산 섬유 및 복귀 섬유 상의 선택된 위치에 삽입된다. 이 증폭기들은 어레이의 손실을 보상한다. 시스템 잡음 레벨이 최적화되도록 커플러에 대한 결합비와 증폭기의 이득이 선택된다. 시스템 잡음 레벨은 입력 광 신호의 신호 대 잡음비와 가장 낮은 신호 대 잡음비를 가진 센서의 광 신호의 신호 대 잡음비와의 비이다.
본 발명의 또 다른 양태는 광 센서 어레이를 최적화하기 위한 방법이다. 이 방법은 복수의 커플러에 의해 광 섬유에 결합된 광 센서 어레이를 제공한다. 광 섬유를 통해 전파된 광 신호는 어레이에서의 손실을 보상하기 위하여 복수의 증폭기에 의해 증폭된다. 시스템 잡음 레벨이 최적화되도록 커플러의 결합비 및 증폭기의 이득이 선택된다. 시스템 잡음 레벨은 입력 광 신호의 신호 대 잡음비와 가장 낮은 신호 대 잡음비를 가진 센서의 광 신호의 신호 대 잡음비와의 비이다.
본 발명의 또 다른 양태는 광 센서 아키텍처이다. 이 아키텍처는 입력 광 신호를 수신하고 감지된 파라미터에 응답하여 교란된 광 신호를 출력하는 복수의 센서를 포함한다. 적어도 하나의 광 섬유가 광 신호를 각각의 센서로 분산시키며, 각 센서로부터 교란된 광 신호를 복귀시킨다. 복수의 광 증폭기가 적어도 하나의 광 섬유의 길이 방향을 따라 선택된 위치에 분포되어 분산된 광 신호의 전력을 유지하며, 교란된 광 신호를 선택된 레벨로 복귀시킨다.
본 발명의 또 다른 양태는 광 입력 신호를 수신하여 분산시키는 분산 버스를 포함하는 광 센서 어레이 아키텍처이다. 분산 버스는 분산 버스 펌프 신호를 전파시킨다. 복귀 버스가 복수의 광 복귀 신호를 수신하여 광 복귀 신호를 출력 신호로서 제공한다. 복귀 버스는 복귀 버스 펌프 신호를 전파시킨다. 복수의 렁(rung)이 분산 버스와 복귀 버스 사이에 결합된다. 각각의 렁은 광 입력 신호의 각 부분을 수신하여 광 복귀 신호 중 하나를 생성하는 적어도 하나의 센서를 포함한다. 분산 버스 내의 복수의 입력 광 증폭기가 분산 버스 펌프 신호에 응답한다. 입력 광 증폭기들은 광 입력 신호를 증폭하며, 각각의 렁에 대해 광 입력 신호를 선택된 신호 레벨로 유지하는 이득을 갖고 있다. 복귀 버스 내의 복수의 출력 광 증폭기가 복귀 버스 펌프 신호에 응답한다. 출력 광 증폭기들은 렁 내의 센서에 의해 생성된 복귀 신호를 증폭하며, 광 복귀 신호의 크기와 실질적으로 동일한 이득을 가진다. 증폭기의 이득은 대개 더 큰 펌프 에너지에 의해 펌핑될 때에 더 크다. 또한 바람직하게는, 분산 버스 펌프 신호 및 복귀 버스 펌프 신호는 분산 버스 및 복귀 버스 각각의 단부로 입력된다. 분산 펌프 신호는 입력 광 증폭기들의 상이한 펌핑 및 입력 광 증폭기들의 각 이득의 차이를 유발할 수 있다. 복귀 버스 펌프 신호는 출력 광 증폭기의 상이한 펌핑 및 출력 광 증폭기들의 각 이득의 차이를 유발할 수 있다. 입력 광 증폭기, 출력 광 증폭기 및 렁은 아키텍처가 각각의 누적 이득을 가진 입력 광 증폭기 및 출력 광 증폭기의 상이한 조합을 포함하는 복수의 광 경로를 정의하도록 배치된다. 입력 광 증폭기 및 출력 광 증폭기는 광 경로간의 누적 이득의 차이가 감소하여 아키텍처의 잡음 레벨이 감소하도록 선택된 이득을 가진다. 증폭기는 바람직하게도 버스를 따라 배치되어, 광 경로는 동일 수의 증폭기를 포함하게 된다. 각 증폭기의 이득은 바람직하게도 광 센서 아키텍처에서의 손실을 보상하도록 조정되어 버스를 따라 거의 근 단일 전송(near unity transmission)을 유지한다.
본 발명의 또 다른 양태는 광 센서 아키텍처의 잡음 레벨을 감소시키는 방법이다. 이 방법은 펌프 에너지가 전파되는 분산 및 복귀 버스를 제공하는 것을 포함한다. 펌프 에너지는 분산 및 복귀 버스를 따라 배치된 광 증폭기에 이득을 제공한다. 이 방법은 또한 복수의 렁 및 복수의 커플러를 제공하는 것을 포함한다. 커플러는 각각의 렁을 분산 및 복귀 버스에 접속시킨다. 각각의 렁은 분산 버스 안으로 입력된 광 입력 신호의 각 부분을 수신하는 적어도 하나의 센서를 포함한다. 센서는 복귀 버스에 입력되는 각각의 광 복귀 신호를 생성한다. 이 방법은 또한 원하는 전체 센서 수와 거의 동일한 전체 센서 수를 제공하도록 렁의 수 및 각각의 렁 내의 센서 수를 선택하는 것을 포함한다. 렁의 수 및 렁 내의 센서 수는 광 센서 아키텍처의 잡음 레벨을 감소시키도록 선택된다. 본 방법에 따른 특정 실시예에서, 렁의 수 및 렁 내의 센서 수는 잡음 레벨을 줄이도록, 그러나 최소화하지는 않도록 선택되어, 분산 및 복귀 펌프 전력 요건을 또한 감소시킨다. 또한 특정 실시예에서, 분산 버스 내의 커플러에 의해 렁 안으로 결합된 광 입력 신호의 비율은 일정 레벨의 광 입력 신호와 분산 및 복귀 펌프 신호에 대해 광 센서 아키텍처의 잡음 레벨을 감소시키도록 선택된다.
본 발명의 또 다른 양태는 광 센서 아키텍처의 잡음 레벨을 감소시키는 방법이다. 이 방법은 펌프 에너지를 전파시키는 분산 및 복귀 버스를 제공하는 것을 포함한다. 펌프 에너지는 분산 및 복귀 버스를 따라 배치된 광 증폭기에 이득을 제공한다. 이 방법은 또한 복수의 렁 및 복수의 커플러를 제공하는 것을 포함한다. 커플러는 각각의 렁을 분산 및 복귀 버스에 접속시킨다. 각각의 렁은 분산 버스 안으로 입력된 광 입력 신호의 각 부분을 수신하는 적어도 하나의 센서를 포함한다. 센서는 복귀 버스로 입력되는 각각의 광 복귀 신호를 생성한다. 이 방법은 또한 분산 버스 내의 커플러에 의해 렁 안으로 결합되는 광 입력 신호의 각 비율 및 복귀 버스 내의 커플러에 의해 복귀 버스 안으로 결합되는 광 복귀 신호의 각 비율을 원하는 전체 센서 수와 거의 동일한 전체 센서 수에 대해 광 센서 아키텍처의 잡음 레벨을 감소시키도록 선택된다.
본 발명의 또 다른 양태는 펌프 에너지를 전달하는 분산 버스 및 복귀 버스를 포함하는 광 센서 아키텍처이다. 펌프 에너지는 분산 및 복귀 버스를 따라 배치된 광 증폭기에 이득을 제공한다. 아키텍처는 복수의 렁 및 복수의 커플러를 포함한다. 커플러는 각각의 렁을 분산 및 복귀 버스에 접속시킨다. 각각의 렁은 분산 버스 안으로 입력되는 광 입력 신호의 각 부분을 수신하는 적어도 하나의 센서를 포함한다. 센서는 복귀 버스로 입력되는 각각의 광 복귀 신호를 생성한다. 렁의 수 및 각 렁 내의 센서 수는 원하는 전체 센서 수와 거의 동일한 전체 센서 수를 제공한다. 렁의 수 및 렁 내의 센서 수는 광 센서 아키텍처의 잡음 레벨을 감소시키도록 선택된다.
본 발명의 또 다른 양태는 펌프 에너지를 전달하는 분산 버스 및 복귀 버스를 포함하는 광 센서 아키텍처이다. 펌프 에너지는 분산 및 복귀 버스를 따라 배치된 광 증폭기에 이득을 제공한다. 복수의 렁 및 복수의 커플러가 각각의 렁을 분산 및 복귀 버스에 접속시킨다. 각각의 렁은 분산 버스 안으로 입력되는 광 입력 신호의 각 부분을 수신하는 적어도 하나의 센서를 포함한다. 센서는 입력 버스로 입력되는 각각의 광 복귀 신호를 생성한다. 분산 버스 내의 커플러에 의해 렁 안으로 결합되는 광 입력 신호의 각 비율 및 복귀 버스 내의 커플러에 의해 복귀 버스 안으로 결합되는 광 복귀 신호의 각 비율은 원하는 전체 센서 수와 거의 동일한 전체 센서 수에 대해 광 센서 아키텍처의 잡음 레벨을 감소시키도록 선택된다.
도 1은 무증폭의 패시브 센서 어레이를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 제1 양태인 커플러-증폭기 구성 내의 증폭형 어레이를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 제2 양태인 증폭기-커플러 구성 내의 증폭형 어레이를 나타내는 도면.
도 4a는 렁 당 하나의 센서에 대해, 커플러-증폭기 및 증폭기-커플러 구성의 패시브 어레이 및 증폭형 어레이에 대한 최적 분산 버스 결합비를 나타내는 도면.
도 4b는 패시브 및 증폭형 어레이에 대해 센서 수가 증가할 때의 최악의 센서의 잡음 레벨을 나타내는 도면으로서, 증폭형 어레이에 대해 모든 센서는 명목상 동일한 잡음 레벨을 가짐.
도 5a는 서브 어레이 내에 복수의 센서를 구비한, 본 발명의 제3 양태에 따른 증폭형 어레이를 각 서브 어레이 내의 신호를 분산시키기 위해 스타형 섬유 커플러를 사용하는 커플러-증폭기 구조로 나타낸 도면.
도 5b는 분산 버스 및 복귀 버스가 각 서브 어레이 내에 제공되어 있는 도 5a와 유사한 증폭형 어레이를 나타내는 도면.
도 6a는 100 센서 길이의 증폭기-커플러 구조 내의 센서 서브 어레이에서 다양한 분산 버스 결합비에 대해, 그리고 다양한 센서 수에 대해 도 5a에 도시된 센서 어레이의 최악의 센서의 잡음 레벨을 나타내는 도면으로서, 모든 센서는 명목상 동일한 잡음 레벨을 가짐.
도 6b는 100 센서 길이의 커플러-증폭기 구조 내의 센서 서브 어레이에서 다양한 분산 버스 결합비에 대해, 그리고 다양한 센서 수에 대해 도 5a에 도시된 센서 어레이의 최악의 센서의 잡음 레벨을 나타내는 도면으로서, 모든 센서는 명목상 동일한 잡음 레벨을 가짐.
도 6c는 서브 어레이에서 다양한 복귀 버스 결합비에 대해, 그리고 다양한 센서 수에 대해 센서 어레이의 최악의 센서의 잡음 레벨을 나타내는 도면.
도 7a는 서브 어레이 당 1 센서 및 0.5의 복귀 버스 결합비를 가진 100 센서의 패시브 및 증폭형 어레이에 대해 시스템 잡음 레벨에 대한 센서 손실의 영향을 나타내는 도면.
도 7b는 100 센서의 패시브 및 증폭형 어레이에 대해 시스템 잡음 레벨에 대한 접속 및 커플러 삽입 손실의 영향을 나타내는 도면.
도 8은 시분할 다중화 방법을 이용한 검출 신호 및 복귀 신호의 타이밍도.
도 9는 양방향 센서와, 분산 버스 및 복귀 버스로서 기능을 하는 양방향 버스를 구비한 어레이를 나타내는 도면.
도 10은 시분할 다중화 방식의 개념적인 증폭형 센서 어레이를 나타내는 도면.
도 11은 다수의 센서(예컨대 4개)가 2개의 l×j 스타형 커플러를 사용하여 각각의 렁 상에서 다중화되는 개념적인 증폭형 센서 어레이를 나타내는 도면.
도 12는 Cd=80%, Cr=50%, Ls=5dB 및 Lx=0.4dB의 파라미터 값을 가진 섬유 쌍 당 60, 120, 250 및 320개의 전체 센서에 대해 잡음 레벨 대 렁 당 센서 수를 나타내는 도면.
도 13은 잡음 레벨을 최소화하기 위한 렁 당 최적 센서 수 대 어레이 내의 전체 센서 수를 아랫 곡선으로 나타내고(도 12의 최소치의 자취로부터 도출됨), 어레이 당 최적 렁 수(또는 버스 당 최적 증폭기 수) 대 어레이 당 전체 센서 수를 윗 곡선으로 나타내는 도면.
도 14는 200 센서 어레이에 대해 잡음 레벨(NF) 대 분산 버스 결합비(Cd) 및 복귀 버스 결합비(Cr)를 윗 곡선으로 나타내고(여기서, NF 대 Cr은 Cd=80% 및 j=10에 대한 점선으로 표시되며, NF 대 Cd는 Cr=50%에 대한 실선으로 표시됨), 특정 Cd에 대해 NF를 최소화하는 렁 당 최적 센서 수를 아랫 실선으로 나타내는 도면.
도 15는 최적화된 증폭형 어레이(실선)에 대해, 그리고 최적화된 패시브 어레이(점선)에 대해 잡음 레벨 대 전체 센서 수를 나타내는 도면.
도 16은 각각의 렁 상에서 다중화된 다수의 센서를 구비한 시분할 다중화 방식의 개념적인 증폭형 센서 어레이를 나타내는 도면.
도 17은 도 16으로부터의 증폭기를 구비한 단일 렁의 상세도로서 펌프 전력에 대한 대 손실 메카니즘을 나타내는 도면.
도 18은 섬유의 비선형 효과에 의해 상단이 정해지고 어레이의 이득의 차를 최소화함으로써 하단이 정해지는 입력 펌프 전력에 대한 대상 범위 내의 다양한 입력 신호 전력에 대해 단일 단 길이 에르븀 도핑된 섬유 증폭기(EDFA)의 이득 대 펌프 전력을 나타내는 도면.
도 19는 단일 증폭기 스테이지에서 유실되는 펌프 전력 대 입력 펌프 전력을 나타내는 도면으로서, 커플러 초과 손실, 접속 삽입 손실 및 섬유 전송 손실은 모두 입력 펌프 전력에 비례하며, 대개 커플러 손실이 지배적임.
도 20은 기준으로 도시된 커플러 손실과 함께 0 mW, 1 mW, 5 mW 및 10 mW에 대한 전체 펌프 전력 손실을 나타내는 도면.
도 21은 버스 당 13 증폭기 및 렁 당 15 센서(즉 총 195 센서)를 구비하고 Cd=80%, Cr=50%, Ls=5dB 및 Lx=0.4dB의 파라미터 값을 가지며 최종 증폭기에 100 mW가 입력되도록 선택된 입력 펌프 전력을 가진 어레이에 대해 각 증폭기에 입력되는 펌프 전력을 나타내는 도면.
도 22는 도 21의 어레이에 대한 신호 대 잡음비 대 센서 수를 나타내는 도면.
도 23a는 한 버스 상의 하나의 추가적인 버스 섬유 및 섬유 지연 라인들의 댓가로 모든 센서로부터 복귀되는 신호 전력을 동일화하려는 증폭된 피드 포워드 토폴로지를 가진 센서 어레이를 나타내는 도면.
도 23b는 미사용 펌프 전력을 반사시키기 위하여 각 버스의 단부에 추가된 섬유 브래그 격자로 모든 센서로부터 복귀된 신호 전력을 또한 동일화하려는 센서 어레이를 나타내는 도면.
도 24는 피드 포워드 토폴로지에 대한 신호 대 잡음비 대 센서 수를 나타내는 도면.
도 25는 모든 센서로부터 복귀되는 신호 전력을 동일화하기 위하여 어레이 내의 각각의 증폭기에 입력되는 펌프 전력의 범위를 줄이기 위한 증폭기의 양방향 펌핑을 하는, 도 16과 유사한 개념적인 증폭형 센서 어레이를 나타내는 도면.
도 26은 버스 당 10, 13, 17 및 20개의 증폭기 및 이에 상응하게 렁 당 20, 15, 12, 10개의 센서(즉, 어레이 당 총 N≒200개의 센서)를 구비하고 복귀 버스 결합비가 50%로 설정된 어레이에 대한 잡음 레벨 및 분산 버스 입력 펌프 전력 요구치 대 분산 버스 결합비를 나타내는 도면.
도 27은 도 26에서 도출된 곡선으로 나타나는 잡음 레벨 대 펌프 전력을 나타내는 도면으로서, Cd는 각 곡선을 따라 변하며 j 및 n은 일정하게 유지됨.
도28은 버스 당 10, 13, 17 및 20개의 증폭기와 이에 따라 렁 당 20, 15, 12, 10개의 센서(즉, 어레이 당 총 N≒200개의 센서)를 구비한 어레이에 대한 복귀 버스 입력 펌프 전력 요구치 대 복귀 버스 결합비를 나타내는 도면으로서, 분산 버스 결합비는 Cr=50%에 대해 NF=40dB가 되도록 설정됨.
도 29는 광 소스 및 수신기를 포함한 드라이 건조단(dry end)이 육상 또는 선상에 있고, 센서 어레이를 포함한 습단부(wet end portion)가 수중에 있는, 본 발명의 한 응용례를 나타내는 도면.
도 30은 각각 250개의 센서로 된 4개의 어레이에 배열된 1000 센서를 포함하는 수중 전화 어레이를 나타내는 도면.
도 1에 도시된 방법으로 패시브 어레이(10)를 구성함으로써 신호들의 시분할 다중화(TDM)을 행하기 위하여 패시브 어레이를 설계할 수 있다. 분산 버스(100)는 공지된 소스로부터의 검출 신호를 그 길이를 따라 전송한다. 이 분산 버스(100)는 분산 버스(100)로부터의 검출 신호를 일정한 간격으로 분산 버스의 길이를 따라서 배치된 다수의 센서(110)에 결합시키는 다수의 커플러(140)에 접속되어 있다. 각 커플러(140)는 분산 버스(100)로부터의 검출 신호를 각 센서(110)의 제1단으로 부분적으로 결합한다. 이어서 각 센서(110)는 예를 들면 지진 탐사 활동에서 검출된 음향 신호와 같은 외부 섭동(도시 생략)에 기초하여 검출 신호를 수정한다. 각 센서의 제2단은 커플러(142)를 통하여 복귀 버스(120)에 접속된다. 복귀 버스(120)는 광 센서(110)로부터의 수정된 신호를 수신하여 이 신호를 패시브 어레이(도시 생략)의 외부의 검출기로 전송한다. 어레이(10)가 사다리 형태로 되어 있기 때문에 분산 버스(100)으로부터 센서(110)를 통하여 복귀 버스(110)로의 각 경로를 흔히 렁(rung)이라 부른다.
신호가 어레이를 통해서 이동해야하는 거리는 신호가 어떤 센서에 결합되어 있는지에 따르기 때문에 센서(110)로부터 출력된 수정된 신호는 센서(110)와 소스간의 거리에 따른 상이한 시간 간격으로 복귀 버스(120)상에 전송된다. 소스에 근접한 센서들은 분산 버스(100)를 따라 길이상으로 더 먼곳에 배치된 센서들 보다 더 빠른 시간에 수정된 신호들을 프로세서로 귀환시킨다. 이러한 방식으로, 광 센서로부터의 신호들은 복귀 버스(120)상에 시분할 다중화된다. 검출기는 소스 펄스의 길이와, 펄스의 반복 비율 및 센서 각각 간의 광학 거리에 의해서 결정되는 시간 간격으로 이 수정된 신호를 순차적으로 수신한다.
패시브 어레이에서, SNR은 어레이내의 센서들의 수가 증가함에 따라서 현저한 저하가 발생한다. 도 4b는 잡음 지수 레벨이 패시브 어레이에 있어서 어레이내의 센서의 수에 따라서 단조 증가함을 나타내고 있다. 그 이유는 각각의 성공적인 센서 커플러가 소스 신호가 다음 결합으로 이동하기 전에 해당 소스 신호를 감쇠시키기 때문이다. 결합비가 0.1이면, 소스 신호의 10%가 제1 센서에 결합되고, 신호의 90%는 다음 센서로 전달된다. 제2 커플러는 최초 신호의 9%에 해당하는 나머지 신호의 10%을 제2 센서에 직렬로 결합시키고 최초 신호의 81%에 해당하는 나머지 신호의 90%을 다음센서로 전달한다. 이와 같이, 센서 어레이의 후단들에서 센서들에 제공되는 제공되는 전력은 그 최초의 세기로부터 상당히 저하된다. 따라서, 결합비가 0.1이었으면, 100번째 센서는 검출 신호의 최초 세기의 0.999 X 0.1 (즉, 0.0003%)만인 검출 신호를 수신했을 것이다. 또한, 검출기로 귀환된 전력은 센서에서의 손실이 없다고 가정할 때에 검출 신호의 최초 세기의 (0.999 X 0.1)2 (즉, 0.0000000009%) 뿐이다.
도 2는 SNR의 저하가 에르븀-도프된 섬유 증폭기(EDFA : 130, 132)의 사용을 통하여 방지되는 커플러-증폭기 구성의 어레이(12)로서의 본 발명의 제1의 특징을 나타내고 있다. EDFA(130, 132)는 광학 신호가 어레이를 통해서 전파될 때에 주기적으로 광학 신호를 재생한다. EDFA(130, 132)는 에르븀 도핑된 섬유의 섹션을 전송 및 복귀 버스로 접속하므로써 형성된다. 에르븀 도핑된 섬유는 증폭기 펌프 레이저를 사용함으로써 광학 증폭기로서 기능할 수 있다. 임의의 갯수로된 다른 형태의 섬유 도파관 광학 증폭기가 사용될 수 있다. Yb : Er : 글래스 섬유 및 Nd-도핑된 LiNbO3 도파관들은 Er-도프된 섬유 증폭기 대신에 본 발명에 유리하게 사용될 수 있는 많은 다른 형태의 광학 증폭기들중의 하나이다.
이상적으로, Er-도프된 섬유는 1480nm의 파장에서 각 버스(즉, 분산 버스(100) 및 복귀 버스(120))의 양단에서 펌프되어야 한다. 이것은 모든 증폭기가 충분히 펌프되도록 하는데 요구되는 전체 펌프 전력을 감소시킨다. 특히, 제1 펌프 레이저(102)는 실질적으로 펌프된 모든 광이 분산 버스(100)에 결합되어 분산 버스(100)를 따라서 순방향으로 전파되도록 분산 버스(100)의 제1 단에 결합된다. 제2 펌프 레이저(104)는 제2 펌프 레이저로부터의 펌프된 광이 분산 버스(100)를 통해서 대향 방향으로 전파되도록 분산 버스(100)의 대향 단부에 결합된다. 분산 버스(100)는 신호 소스(106)으로부터 결합된 광학 신호를 그 길이를 따라서 전송한다. 신호 소스(106)은 파장 분할 멀티플렉서(108)를 통해서 분산 버스에 결합된다. 도시된 실시예에서, 파장 분할 멀티플렉서(108)는 실질적으로 모든 신호광을 신호 소스(106)으로부터 분산 버스(100)로 결합시키도록 선택된다. 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 파장 분할 멀티플렉서(108)에 의해서는 펌프된 광이 분산 버스(100)에 남아있도록 펌프원(102)으로부터는 어떠한 광도 결합되지 않는다.
분산 버스(100)는 이 분산 버스(100)를 일정한 간격으로 분산 버스(100)의 길이를 따라서 배치된 다수의 센서(110)에 결합시키는 커플러(140)에 접속되어 있다. 분산 버스는 또한 분산 버스(100)를 따라서 배치되며 각 커플러(140) 바로뒤에 배치되는 다수의 에르븀-도핑된 섬유 증폭기(130)에 접속되어 있다. 각 커플러(140)는 분산 버스(100)로부터의 검출 신호를 각 센서(110)의 제1 단에 일부 결합시킨다. 결합비는 최적의 실제 패시브 어레이에 대해서 보다 최적의 실제 증폭기 어레이인 경우에 훨씬 더 크다. 각 센서(110)는 외부 입력(예를 들면, 음향 신호(도시 생략))에 기초하여 신호를 수정한다.
각 커플러(142)는 센서(110)로부터의 수정된 신호를 수신하고 이 신호를 센서 어레이의 외부의 검출기(126)로 귀환시키는 귀한 버스(120)에 각 센서(110)의 제2 단을 결합시킨다. 복귀 버스의 신호들은 귀환 커플러(142)에 의해서 분할된 신호를 보상하기 위해서 증폭기(132)에 의해서 증폭된다. 증폭기(132)는 펌프된 광을 복귀 버스(120)의 제1 단에 결합시켜 복귀 버스(120)로 제1 방향으로 전파시키는 제3 펌프 레이저(122)로부터 그리고 광을 복귀 버스(120)의 제1 단에 결합시켜 제3 펌프원(124)으로부터의 광의 대향 방향으로 전파시키는 제4 펌프 레이저로부터 펌프 전력을 수신한다. 검출기(126)는 복귀 버스(120)로부터의 신호 파장의 광을 검출기(126)에 결합시키되 펌프 파장의 광은 결합시키지 못하는 파장 분할 멀티플렉서(128)에 의해서 제1 단 부근의 복귀 버스(120)에 결합된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 광학 신호를 각 센서에 대하여 결합시키는 신호 커플러(140, 142)는 파장 분할 멀티플렉서이다. 파장 분할 멀티플렉서는 단지 미리 선택된 파장만을 센서들에 결합시키도록 구성된다. 미리 선택된 파장 중의 하나가 아닌 파장을 가진 광은 결합되지 않고 파장 분할 멀티플렉서로 전달된다. 본 발명은 신호 파장을 결합될 파장으로서 미리 선택하므로써, 광학 신호만을 센서에 결합시켜서 증폭기 펌프 광을 멀티플렉서를 통과하여 비 결합된 상태로 할 수 있다. 이로써 증폭기 펌프 광이 분산 버스를 따라서 전파될 때에 증폭기 펌프 광이 현저하게 저하되는 것이 방지된다.
일단 소스 신호가 제1 커플러(140)를 통해서 제1 광학 센서(110)로 전달되면, 분산 버스(100)상에 남아 있는 신호가 광학 신호의 전력을 최초 광학 신호의 개략적인 전력(예를 들면, 90-110%)로 다시 증가시키기 위해서 선택된 이득을 가진 EDFA(130)중 하나에 의해서 증폭된다. EDFA(130)의 이득은 바로 앞의 결합 및 외부 손실에 의해서 발생된 신호 전력 손실을 실질적으로 보상하도록 선택된다.
이 신호는 신호가 계속하여 분산 버스(100)의 길이를 따라서 이동할 때에 커플러(140) 및 광학 증폭기(130)를 교대로 통과되도록 하므로써 성공적으로 결합 및 증폭된다. 이러한 방식으로, 입력 펄스는 최소의 전체 이득 혹은 손실을 경험하면서 분산 버스(100)를 따라서 이동하여 매 단에서 전력을 얻거나 상실한다. 유사한 구성이 복귀 버스에 제공되어 있다. 도 2에 도시된 이러한 구성을 커플러-증폭기 구성으로 부른다.
본 발명은 도 1의 패시브 어레이에서의 신호 저감 문제를 해소하기 위한 것이다. 각 센서는 이들이 비록 분산 버스(100)를 따라서 먼 곳에 있을 수 있고 신호가 많은 이전의 센서 결합을 경험했을 지라도 실질적으로 동일한 전력을 가진 소스원을 수신한다. 본 발명에서는 또한 광학 신호의 전력 레벨을 관리가능한 레벨로 유지할 수 있음으로 인하여 섬유에서의 광학 배율이 증가될 때에 발생되는 섬유에서의 비선형성 효과를 방지할 수 있다.
본 발명의 제2 특징은 도 3에 도시된 어레이(14)이다. 이 실시예에서는 EDFA(130)는 도 2에 도시된 바와 같이 분산 버스(100)의 길이를 따라서 삽입되지만 커플러(140)전에 배치되므로 소스원은 결합 손실이 발생되기 전에 증폭된다. 각 증폭기(130)의 이득은 증폭기(130)이후의 커플러(140)에서의 예상 신호 전력 손실을 보상하도록 설정된다. 이 구성에 있어서, 광학 신호는 손실에 앞서서 이득을 경험하기 때문에 잡음 특성 및 결합 비율에 대한 최적의 값이 변화된다. 이러한 구성을 증폭기-커플러 구성이라고 한다.
도 4a는 렁(rung)당 하나의 센서 및 어레이당 100개의 렁(즉, 에레이에 총 100개의 센서)에 대한 커플러-증폭기 및 증폭기-커플러 구성 양자에 있어서의 패시브 및 증폭된 어레이에 대한 최적의 분산 버스 결합 비를 나타내고 있다. 도 4a에 도시된 어레이는 손실 Lx = 0.2dB 및 센서 손실 Ls = 6dB 를 갖고 있다. 증폭된 어레이는 잡음 지수를 감소시키도록 최적화된 분산 버스 결합비, 및 3dB의 복귀 버스 결합비를 사용한다. 도 4a는 도 2 및 도 3에 도시된 증폭된 어레이에 대하여 최적의 결합비가 분산 버스상의 커플러에 대해서는 존재하지 않고, 센서의 수가 증가될 때에 최적의 분산 버스 결합이 커플러-증폭기 및 증폭기-커플러 구성 양자에서 감소되어 있는 것을 보여주고 있다.
도 4b는 증폭된 어레이 구성들의 동일한 잡음 지수 의존성을 보여주는 것으로서, 30dB의 잡음 지수까지 가파르게 증가한 후에 거기서부터 천천히 상승하여 N이 200센서로 되었을 때에 44dB에 도달해 있음을 보여주고 있다. 비교예로서, 패시브 어레이 잡음 지수(수학식 5로 표현)는 대상 범위 전체에서 훨씬 더 가파르게 상승한 연후에 200개의 센서에서 140dB의 잡음 지수 레벨로 높은 잡음 지수 레벨을 마감한다. 대형 센서 어레이(100개 이상의 센서)의 경우에, 증폭된 어레이는 표준 패시브 어레이 보다 SNR에서 큰 개선을 보인다. 40dB 이하의 잡음 지수가 허용되는 경우는 최적의 패시브 어레이는 약 12개의 센서만을 가질 수 있으며, 반면에 증폭된 어레이는 100개나 되는 센서, 즉 동일한 잡음 지수에 대하여 패시브 어레이에서보다 거의 10배에 달하는 센서들을 수용할 수 있다.
본 발명의 제3 특징에 있어서는 도 2 및 도 3에 도시된 커플러(140, 142)의 각 쌍 간의 단일 센서(110)는 도 5a에서의 어레이(16)에 도시된 센서의 서브 어레이로 대체되어 있다. 상술한 바와 같이, 분산 버스(100)는 외부 소스로부터 신호를 수신하여 이것을 그 길이를 따라서 전송한다. 신호의 일 부분은 상술한 구성에서와 같이 커플러(140)에 의해서 분할된다. 그러나, 스타(star) 섬유 커플러(150)는 소수의 센서(110)을 포함하는 패시브 어레이인 서브-어레이(160)의 각 센서(110)로 대략 신호의 동일한 부분을 결합시킨다. 스타의 섬유 커플러(150)는 검출 신호를 서브-어레이내의 센서들에 동일하게 분할한다. 스타 섬유 커플러(150)에 의해서 분할된 신호들은 센서(110)의 각각을 통하여 전파되며 다른 스타의 섬유 커플러(152) 및 커플러(142)에 의해서 복귀 버스(120)상에 다시 결합된다. 서브-어레이(160)에서의 섬유 각각에 대하여 서로 다른 길이를 선택해 줌으로써 서브-어레이(60)을 통한 각 신호 경로의 길이가 일의적으로 된다. 이로써 시분할 다중화가 사용될 때에 복귀 버스(120)상에서 서브-어레이(160)내에서의 센서(110)의 각각으로부터의 펄스들이 동시에 겹치는 것이 방지된다. 또한, 서브-어레이에서의 최종 센서로부터의 총 경로 길이는 다음 서브-어레이에서의 제1 센서의 총 경로 길이보다 작아야 한다. 이것이 2개의 센서들이 동일한 총 경로 길이를 갖고 복귀 버스상에서 동시에 겹치는 것을 방지해 줄 것이다.
일단 복귀 버스(120)상에서는 섭동된 신호들이 검출기 및 처리 장치(도시 생략)에 도달할 때까지 이득-손실 사이클을 통하여 전파된다. 본 발명의 이러한 특징은 어레이에서 요구되는 증폭기의 수를 감소시키는 잇점이 있다. 또 다른 잇점은 낮은 펌프 전력 요건 및 특정한 점에 대한 양호한 신호 대 잡음 비(SNR), 및 400 개의 센서 까지 어레이를 지지할 수 있는 능력을 포함한다.
도 5b는 각각의 전송 커플러(174) 및 귀환 커플러(176)을 통해서 센서(110)에 결합된 각 서브-어레이내의 분산 버스(170) 및 복귀 버스(172)로 스타 섬유 커플러(150, 152)를 대체한 도 5a에 대한 다른 실시예를 도시하고 있다. 스타 커플러 및 복귀 버스, 혹은 분산 버스 및 스타 커플러의 결합이 서브-어레이에서의 센서에 대해 결합시키는데 사용될 수 있음을 알 수 있다.
도 6a는 총 100 개의 센서를 가진 에레이에 대한 시스템 잡음 지수에 대하여 증폭기-커플러 구성의 각 서브-어레이에서 결합비 및 센서의 수를 변경시킨 효과를 나타내고 있다. 서브-어레이당 1개 및 2개의 센서에 대하여, 잡음 지수를 최소화하는 최적의 결합비가 나타나 있다. 서브-어레이당 1개의 센서에 대해서는 최소 잡음 지수가 0.28의 결합비에서 39dB이다. 서브-어레이당 2개 혹은 4개의 센서가 있는 경우에는 잡음 지수는 더 낮다. 2개의 센서를 가진 구성에서는 잡음 지수는 결합비가 0.55일때에 38dB가 최소이다. 이러한 결과는 1개의 센서 대신에 서브-어레이당 2개의 센서를 사용함으로써 동일한 전체 센서 수에 대하여 동수의 증폭기의 반을 필요로 하는 시스템에서는 동일한 잡음 지수 레벨이 얻어질 수 있다. 잡음 지수가 이렇듯 감소하는 이유는 동일한 수의 센서에 대하여 증폭기의 수가 감소되므로 인하여 총 증폭된 순시 방사(ASE)잡음이 감소되었기 때문이다.
신호-ASE 비트(beat)잡음이 샷(shot) 잡음 대신에 SNR을 제한할 때에 검출된 전력을 감소시키면 출력된 SNR에 대한 효과과 강하지 못하다. 서브-어레이당 2개의 센서가 1/4만큼 검출된 전력을 낮게할 때에, 신호-ASE 비트 잡음의 양을 감소시켜 약간의 성능을 향상시킨다. 도 6a는 서브-어레이당 4개의 센서를 갖고 있는 경우에, 잡음 지수는 결합비가 1에 도달될 때에 개선되기 시작함을 나타낸다. 결합비가 0.95로 높으면, 시스템 잡음 지수는 36dB로 강하될 수 있다. 따라서, 서브-어레이에서의 센서의 수를 2배로하고, 버스 증폭기 및 커플러의 수를 반으로 함으로써, 부품의 총 수 및 총 펌프 전력 요건을 SNR 시스템의 성능을 유지하면서 감소시킬 수 있다.
도 6b는 커플러-증폭기 구성에 대한 다른 분석을 보여주고 있다. 상술한 바와 같이, 최적의 결합비의 값은 서브-어레이에서의 센서의 수에는 의존하지만 잡음 지수는 그렇지 않다. 도 6b는 서브-어레이에서의 센서의 수가 1개에서 2 내지 4개로 증가될 때에 최적의 결합비의 값은 0.2에서 0.35 내지 0.55로 변화하지만 잡음 지수는 40dB바로 아래에서 일정하게 유지된다.
복귀 버스 커플러(142)는 도 6c에 도시된 바와 같이 최적의 결합비는 갖고 있지 못하지만 높은 결합력의 양호한 결과를 보여 주고 있다. 이 잡음 지수 레벨은 증폭기-커플러 및 커플러-증폭기 구성에 대하여 그리고 다른 사이즈의 서브-어레이에 대해 도시된 것이다. 도시된 구성에 있어서, 분산 버스 결합비는 최적화되어 있고, 전체 센서의 수는 100개이다. 복귀 버스 결합비가 0.2에서 0.95로 증가될 때에 도 6c에 도시된 구성 및 서브-어레이당 1, 2, 및 4개의 센서에 대한 구성중 어느 하나의 구성에 대한 잡음 지수 레벨 저하는 1dB미만이다. 따라서, 귀한 버스 결합은 증폭기 펌프의 고려 사항에 기초하여 자유롭게 선택될 수 있다.(낮은 결합비는 낮은 펌프 전력 요건을 의미한다). 다른 어레이 구성에 대한 잡음 지수 레벨의 확산은 도 6a에 도시된 최적의 분산 버스 결합비의 선택의 결과인 것이다. 다음은 시스템 파라미터이다.
n = 서브 어레이의 수
j = 서브 어레이당 센서의 수
nj = 센서의 총 수
Cd = 분산 버스의 결합비 (커플러 140)
Cr = 복귀 버스의 결합비 (커플러 142)
Lx = 각 커플러 세그먼트 내의 접속 및 삽입 손실
Ls = 센서 손실
nsp = 증폭기 반전 파라미터
신호에 증폭된 자발 방출(amplified spontaneous emission; ASE)을 부가하는 광학 증폭기(130 및 132)의 존재로 인해, 증폭된 어레이의 출력은 수동형 어레이에서와 같이 더이상 산탄 잡음으로 제한되지 않고, 산탄 잡음과 신호-ASE 비트 잡음이 주요 변수가 된다. 최악의 센서의 잡음 지수를 얻기 위해서, 모든 증폭기들로부터의 ASE를 고려하여 잡음 지수 계산을 해야 한다.
분산 버스 상의 각 증폭기(130)는 동일하고 동일한 이득을 갖는다고 가정한다. 마찬가지로, 복귀 버스 상의 증폭기(132)는 분산 버스 상의 증폭기와 동일한 반전 파라미터와 함께 동일한 이득을 갖는다고 가정한다. 증폭기(130, 132)의 각 버스단으로부터의 원거리 펌핑은 시스템이 이러한 조건에 도달하게 하는 것을 가능하게 하지만, 실제로, 증폭기들은 제조 오차 및 일정치 않은 펌프 및 신호 전력으로 인해 약간씩 서로 다르다. 이득은 버스 상의 손실과 동일하게 설정된다. 분산 버스상의 증폭기(130)의 이득은 다음과 같다.
복귀 버스 상의 증폭기(132)의 이득은 다음과 같다.
입력 신호는 펄스되고, 펌프는 연속적으로 되어, 지속적인 ASE를 가져온다. 따라서, 모든 센서(110)의 경로 길이가 서로 다르다 해도, 하나의 센서(110)를 통해 전달되는 ASE는 다른 센서(110)로부터의 신호의 잡음 특성에 영향을 줄 수 있다.
강한 신호 전력때문에, ASE-ASE 비트 잡음과 ASE 산탄 잡음은 시스템 고안시에 무시할 수 있다. 도 3에 도시된 구성의 경우, 증폭기(130, 132)는 버스(100, 120) 상의 제1 커플러 앞에 배치된다. 잡음 지수 레벨은 다음과 같다.
이 수학식은 수동형 어레이 구조와는 다르게, 모든 센서(110)마다 동일하다는 것에 주의한다. 모든 센서의 응답은 신호 ASE 비트 잡음에 의해 동일하게 영향을 받는다.
수학식 8은 필요한 센서의 수를 계산하기 위해, 렁(rung)의 수와 렁당 센서의 수의 최적의 조합을 선택하는데 유리하게 사용될 수 있다. 특히, 필요한 센서의 수와 근접하거나 동일한 곱을 갖는 정수값 j(서브 에러이당 센서의 수)와 정수값 n (서브어레이 또는 렁의 수)이 수학식 8에 대입되어 각 조합에 대해 잡음 지수 레벨의 값으로 계산된다. 그 다음, 최저 잡음 지수 레벨을 생성하는 이 조합은 필요한 센서의 수를 위한 최적의 조합으로 선택된다.
수학식 8에 대한 것과 동일한 접근 방식을 이용하여, 커플러-증폭기 시스템의 잡음 지수 레벨은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
증폭된 어레이 성능을 최적화하기 위해, 수동형 어레이에 대해 행했던 것과 마찬가지로 시스템 잡음 지수 레벨에 대한 분산 및 복귀 버스 결합비의 영향을 점검할 필요가 있다. 수학식 8 및 9는 복귀 버스(120)에 대해서는 최적의 결합비가 없다는 것을 나타낸다. 이 시스템은 Cr의 선택에 대해서는 크게 민감하지 않다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 분산 버스 상의 커플러(140)의 최적의 결합비는 존재한다. 과잉 손실로서 0.2dB이 선택되고, 센서 손실은 6dB, 증폭기 반전 파라미터 nsp는 1.5로 선택되었다. 3dB의 커플러는 복귀 버스(120) 상에서 사용되고, 각 서브 어레이마다 두 개의 센서(110)를 갖는다. 어레이 내에서의 센서(110)의 수가 증가함에 따라, 양쪽 구성 모두에 대해 최적의 분산 버스 결합 Cd는 강하된다. 센서의 수가 많은 경우, 렁당 하나의 센서(센서당 버스당 하나의 증폭기)로, 증폭기-커플러 구성에 대한 최적의 결합비는 다음과 같다.
커플러-증폭기 구성에 대한 최적의 결합비는 다음과 같다.
양쪽 구성에서, Cd의 최적값은 시스템의 센서(110)의 수에만 의존하는 것이 아니라, 센서 손실, 과잉 손실, 서브 어레이 내의 센서의 수, 및 증폭기 반전에도 의존한다. 두 개의 최적의 결합비들은 1/n1/2 로서 도 1의 수동형 어레이의 약 1/N에 비교하여, 떨어진다. 증폭기-커플러 구성은 적은 수의 센서를 위하여 1에 접근하는 더 높은 최적의 결합비를 필요로 한다. 다음의 분석에서, Cd의 최적값은 1에 가까운 것으로 예상되는 n의 값에서, 실제로는 0.95에 제한되는데, 이는 1에 너무 가까운 Cd가 비현실적인 고이득을 갖는 분산 증폭기(130)를 필요로하기 때문이다. 유사하게, 1에 너무 가까운 Cr은 비현실적인 고이득을 갖는 복귀 증폭기(32)를 필요로 한다.
센서 손실 지수는 또한 최적의 결합비에 영향을 준다. 이러한 상황에서, 센서 손실은 6dB로 가정한다. 이는 불평형 매치 젠더 센서(Mach-Zehnder sensor)의 3dB 손실 및 코일 센서(coiled sensor)의 3dB 섬유 벤딩 손실을 고려하여 선택하였다. 도 7a는 수동 및 증폭된 어레이 모두에 대해 100개의 센서를 갖는 어레이 내의 최악의 센서의 잡음 지수에 대한 다른 센서의 손실의 영향을 설명한다. 수동 및 증폭된 어레이는 센서 손실이 증가됨에 따라 신호의 잡음 지수가 저하된다. 0 내지 15dB의 센서 손실 범위에 걸쳐서, 증폭된 어레이는 기껏해야 8dB 저하되고, 수동형 어레이는 15dB 저하된다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 커플러-증폭기 구성에 비하여 증폭기-커플러 어레이 구성에 또한 이점이 있다. 두 구성은 센서 손실이 0에 있을 때 0.3DdB에서만 시작한다. 그러나, 15dB 센서 손실에서, 증폭기-커플러 구성은 커플러-증폭기 구성보다 거의 2dB 아래의 잡음 지수 레벨을 갖는다.
도 7b는 서브 어레이당 하나의 센서를 갖는, 100개의 센서 어레이 내의 수동 및 증폭된 어레이 모두에 대한 과잉 손실의 영향을 설명한다. 버스의 과잉 손실이 커플러 세그먼트당 0 내지 1dB로 증가함에 따라, 증폭된 어레이는 겨우 2dB의 잡음 지수 레벨 저하된다. 양호하게는, 증폭된 어레이에서, 이득이 항상 손실과 동일하게 되도록 과잉 손실이 있을 때 잉여 이득이 부가된다. 수동형 어레이 잡음 지수 레벨은 과잉 손실이 없는 55dB로부터 1dB의 접속 및 결합 손실에서 255dB 만큼 증가한다. 이는 수동형 어레이가 성분 손실에 대해 과민한 것을 나타내지만, 이 손실들이 사전에 알려져 있고 더 높은 삽입 손실을 보상하기 위해 충분한 이득이 포함되어 있는한, 증폭된 어레이는 성분 손실이 증가함에 따라 상당히 안정적으로 남는다. 전형적인 접속 및 삽입 손실은 약 0.2dB이고, 수동형 어레이에 40dB의 잡음 지수 증가를 제공하고 증폭된 어레이는 비교적 변하지 않는 상태로 남는다.
증폭된 어레이는 표준 수동형 어레이보다 성능이 우수하여, 결합비가 최적일 때 시스템 잡음 지수가 낮고 검출기의 SNR이 개선된다. 실제의 접속 및 삽입 손실 레벨의 경우, 증폭된 어레이는 수동형 어레이 내의 센서의 수보다 많은 센서의 수를 갖는 어레이에 대해 동등한 SNR 특성을 갖는 것으로 도시된다. 최적의 결합비는 어레이의 구성 및 어레이 내의 센서의 수에 의존하고, 증폭된 센서 어레이의 SNR을 최대화하기 위해 양호한 디자인 파라미터를 제공한다. 모든 경우에서, 증폭기-커플러 구성이 커플러-증폭기 구성보다 성능이 우수한 것으로 나타났고, 전체 관련 파라미터에 걸쳐서 잡음 지수 레벨이 약간 낮은 것으로 나타났다. 섬유 카운트 및 시스템 복잡도가 중요한 대규모의 센서 개발의 경우, 증폭된 TDM 어레이는 종래의 수동 TDM 어레이에 비해 상당히 유망하다.
각 센서가 입력 및 출력을 갖고 센서 어레이가 분산 버스 및 복귀 버스를 포함하는 센서 어레이와 관련하여 전술하였지만, 센서는 양방향 센서, 및 분산 버스 및 복귀 버스로서 기능을 하는 양방향 버스로 동작할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이러한 어레이(200)는 도 9에 설명되어 있다. 어레이(200)는, 도 2와 관련하여 전술한 바와 같이, 펌프 레이저원(102)과 펌프 레이저원(104) 사이에 연장되는 하나의 광학 버스(204)(예컨대, 광섬유)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 신호 소스(106) 및 펌프 레이저원(104)의 출력들은 도 2의 파장 분할 멀티플렉서(108)와 유사한 파장 분할 멀티플렉서(208)를 통해 광학 버스(204)에 결합된다. 전술한 바와 같이, 검출기(126)도 커플러(214) 및 파장 분할 멀티플렉서(208)를 통해 광학 버스(204)에 결합된다. 다르게는, 파장 분할 멀티플렉서(208)를 통해 신호 레이저(106)로부터의 광을 광학 버스(204) 상으로 결합시키는 종래의 광학 계산기(도시되지 않음)를 커플러(214)는 대신에 사용할 수 있다. 광학 계산기 또한 파장 분할 멀티플렉서(208)를 통해 광학 버스(204)로부터 수신된 광을 검출기(126)에 결합시킨다.
도 9에 도시된 바와 같이, 광학 버스(204)는 해당 복수의 커플러들(140)을 통해 복수의 센서(210)에 결합된다. 인접한 커플러들 간의 증폭기(130)는, 도 2와 관련하여 설명한 바와 같이, 분산 신호를 증폭시키도록 동작한다. 도 2의 어레이(12) 내의 센서(110)와는 다르게, 센서(210)는 단일 입출력 포트만을 갖기 때문에, 양방향이다. 센서의 입출력 포트에 입력되는 광은, 예를 들면, 음향 신호와 같은 파라미터에 의해 섭동(perturbed)되고, 상기 광은 동일한 입출력 포트에 의해 여기되어 반대 방향으로 전파된다. 커플러(140)는 양방향이고 센서(210)로부터의 광을 다시 광학 버스(204)에 결합시키나 파장 분할 멀티플렉서(208)를 향해 반대 방향으로 전파된다. 증폭기(130) 또한 양방향이고 도 2의 복귀 버스 증폭기(132)와 동일한 방식으로 복귀 신호를 증폭한다. 따라서 도 9의 어레이(200)는 도 2의 어레이(12)와 동일한 방식으로 동작하나 하나의 광학 버스(204)만을 갖는 것을 알 수 있다.
유사한 방식으로, 도 3의 어레이(14) 및 도 5a의 어레이(16)는 하나의 입출력 포트를 갖는 센서를 이용하여 양방향 어레이(도시되지 않음)로 변환될 수 있다.
다음은 렁당 센서의 수, 어레이당 증폭기의 수, 및 섬유 버스와 렁 간의 결합비에 대한 에르븀이 도핑된 섬유 증폭기 텔레메트리를 채택한 대규모의 섬유 센서 어레이의 신호 대 잡음비의 최적화에 대한 것이다. 펌프 전력 요구 조건을 최소화하도록 디자인 가요성을 제공하는 광범위한 최적의 범위가 발견된다. 시뮬레이션 결과 300 개의 센서가 적당한 입력 펌프 전력(<1 W)으로 모든 센서들에 대해서 고감도()를 유지하면서 섬유 쌍에서 다중화될 수 있다.
간섭성 섬유 광학 음향 센서는 1 rad Hz 이상의 감도를 성취하는데, 이는 전형적인 잡음 레벨보다 10dB 낮은 것이다. (예를 들면, P. Nash, "Review of Interferometric Optical Fibre Hydrophone Technology," IEEE Proceedings-Padar Sonar And Navigation, Volume 143, June 1996, pp. 204-209; and A.D.Kersey, "A Review of Recent Developments in Fiber Optic Sensor Technology," Optical Fiber Technology; Materials, Devices and Systems, Volume 2, July 1996, pp.291-317를 참조) 많은 수중 청음기 애플리케이션, 특히 해저 석유 매장량의 진동식 탐사는 많은 수의 센서가 몇 개의 섬유 상으로 다중화되야 하고, 센서들이 수신 일렉트로닉스로부터 먼 거리(1-50km)에 배치될 필요가 있다. 전술한 바와 같이, 저이득 섬유 증폭기를 수반하는 시영역 다중화 (TDM) 센서는 한 쌍의 섬유 상에서 수 백개의 간섭성 센서를 지원할 수 있다. 이 방법은 기존의 섬유 간섭성 수중 청음기 센서에 본질적인 큰 동적 범위를 유지한다. 전술한 바와 같이, 10개의 렁과 20 개의 에르븀 도핑된 섬유 증폭기(EDFA)를 포함하는 어레이는 원칙적으로 100개 이상의 센서를 지원할 수 있다. 64개의 센서를 포함하고 두 개의 EDFA를 채용하는 어레이가 실험적으로 설명된다. (예를 들어, A.D. Kersey, A. Dandridge, A.R. Davis, C.K. Kirdendall, M.J. Marrone, and D.G.Gross, "64-Element Time-Division Multiplexed Interferometric Sensor Array with EDFA Telemetry," in OFC'96, Volume 2, 1996 OSA Technical Digest Series, paper ThP5를 참조)
전술한 바와 같이, 기본 어레이 구성은 하나의 센서를 지원하는 렁을 갖는다. 다음은 몇 개의 센서가 각 렁 상에 배치되어 있는 어레이 구조(TDM을 이용함)에 대한 것이다. 어레이 파라미터를 적절하게 선택하여, 이러한 어레이 구성은 렁 구조 당 하나의 센서에 비해 개선된 성능을 생성한다. 특히, 모든 센서들의 신호 대 잡음비(SNR)가 개선되고, 증폭기의 총 수(센서의 총수로 주워짐)는 감소되고, 증폭기에 의해 요구되는 총 펌프 전력이 감소된다. 이러한 토폴로지로, 버스당 약 25 개의 섬유 증폭기만이 한 쌍의 섬유 상의 300개의 센서를 지원할 수 있으며, 모든 센서들은 120dB 정도의 실질적인 SNR을 나타낸다. 이런 종류의 어레이의 펌프 전력 요구 조건이 논의되고, 어레이 파라미터의 적절한 선택으로 요구 조건이 SNR을 크게 변화시키지 않고도 어떻게 최소화될 수 있는지를 도시한다.
전형적인 수동 다중화 방법을 채용한 센서 어레이는 첫 번째로 제1 섬유로부터의 신호를 많은 센서에 분산하고, 두 번째로 모든 신호들을 제2 섬유에 재결합시키는 것과 관련된 수동 분할 손실 때문에, 섬유쌍으로 다중화될 수 있는 센서의 수로 상당히 제한된다. 전술한 바와 같이, 이러한 수동형 분할 손실을 보상하고 섬유 쌍당 센서의 최대 수를 증가시키는 한 가지 방법은 도 10에 도시된 바와 같이, 양쪽 버스 상의 각 커플러 앞에 광학적 증폭기를 부가하는 것이다. 하나의 신호 펄스(예컨대, 광학적 입력 신호)는 분산 버스(300)로 라운치된다. 펄스는 이득 Gd를 이용하여 제1 증폭기에 의해 증폭되고, 제1 커플러(304)는 펄스의 부분 Cd를 제1 렁(306)으로 운반하며, 나머지 부분 1-Cd는 후속 증폭기(302)로 전송된다. 각각의 증폭기(302)의 이득은 순차적인 증폭기 이전에 모든 순차적인 손실(대부분 커플러 스플리팅 손실 및 접속 손실)을 정확히 보상하도록 설정된다. 신호 펄스는 이러한 형식의 분산 버스(300)를 따라 진행하며, 모든 센서(310)에는 동등한 분량의 신호 전력이 제공된다. 유사하게, 각각의 센서(310) (즉, 광학 복귀 신호)로부터의 신호 펄스는 결합 비율이 Cr인 커플러(314)를 지나 복귀 버스(312) 상으로 커플링된다. 복귀 버스(312) 상에 있던 신호는 커플러에 도달하고, 그들의 전력 중 일부 (1-Cr)은 이득 Gr을 가지는 후속 증폭기로 전송된다. 재차, 각각의 증폭기는 증폭기들 간의 손실을 정확하게 보상하며, 복귀 버스(312)를 따라 검출기(도시되지 않음)로의 신호의 유니티 전송(unity trasmission)을 제공한다. 각각의 센서는 크고 일정한 양의 신호 전력을 출력 신호로서 검출기에 복귀시켜, 모든 센서들이 동일한 SNR 및 동일한 감도를 가지게 한다. 신호 펄스폭 및 커플러들 간의 거리를 적절하게 선택하면, 복귀 버스(300) 상의 어떠한 두 복귀 신호도 중첩되지 않는다. (예를 들어, J.L.Brooks, B.Moslehi, B.Y.Kim 및 H.J.Shaw, "Time Domain Addressing of Remote Fiber Optic Inteferometric Sensor Array," Journal of Lightwave Technology, Volume LT-5, July 1987, pp. 1014-1023 참조) 제1 센서로부터 복귀한 신호 펄스가 제일 먼저 도착하고, 최종 센서로부터 복귀한 신호 펄스가 가장 나중에 도착한다. 순차적인 신호 펄스들은 순차적인 신호 펄스에 의해 생성된 출력 신호들이 선행하여 출발한 신호 펄스에 의해 생성된 출력 신호와 중첩되지 않도록 발진되어, 각각의 펄스들이 일시적으로 분해되는 것을 허용한다. 신호 펄스는, 버스(300 및 312)를 따라 이동하면서 각각의 단계에서 전력을 얻거나 손실하지만, 전면 이득 또는 손실은 겪지 않는다. 신호를 주기적으로 재생성함으로써, 수동 어레이의 기본적인 한계는 극복된다.
모든 증폭기들은 하나 (또는 그 이상)의 펌프 레이저로부터의 신호를 펌핑함으로써 어레이(320)의 전단으로부터 원격으로 펌핑된다. 커플러들은 펌프가 버스(300 및 312)를 따라서만 전파하고, 렁(310)에는 커플링되지 않도록 설계된 파장 분할 다중화(WDM)이다. 제1 증폭기(302)에서의 펌프 전력은 증폭기의 펌프 임계보다 훨씬 크다. 그러므로, 제1 증폭기는 높은 펌프 포화 상태에 있다. 그것은 입사하는 펌프 전력의 작은 부분을 흡수하고 나머지 큰 잔여 전력은 높은 펌프 포화 영역에서 동작하는 하위 증폭기들로 전송한다. 펌프 전력 조건은 충분한 펌프 전력이 각각의 버스 내로 발진되어 최종 증폭기에서의 전력도 적절하게 동작할 수 있을 만큼 충분히 높아야 한다는 것이다. 보통량의 펌프 전력(1480㎚에서 약 1W)을 이용하여 멀리 떨어진 위치로부터의 저이득 증폭기의 수십배를 펌핑하는 것이 가능하다는 것이 최종 결과이다.
어레이(320)에 대한 모듈러 설계를 유지하기 위해, 분산 버스(300) 상의 모든 커플러(304)는 동일한 것이 바람직하며 (결합 비율 Cr가 동일), 모든 증폭기들은 동일한 길이 (동일한 이득 Gd)를 가지는 것이 바람직하다. 유사하게, 복귀 버스(312) 상의 커플러(314)(결합 비율 Cr) 및 증폭기(316)(게인 Gr)는 동일한 것이 바람직하며, Cd와 Cr은 상이할 수 있고, 또한 Gd 및 Gr도 상이할 수 있다. 각각의 버스 상의 제1 증폭기(즉, 각각의 펌프 소스에 가장 인접한 증폭기)는 최종 증폭기보다 큰 펌프 전력을 수신하고 흡수하며, 따라서 제1 증폭기의 이득은 최종 증폭기의 이득보다 크다. 그러나, 이러한 이득의 차이는 높은 펌프 전력에 비해서는 작으므로 무시될 수 있다. 따라서, 모든 센서들은 거의 동일한 양의 신호 전력을 반환한다. 다양한 구성들을 비교하기 위해, 다음과 같이 정의되는 시스템 잡음 지수 NF가 사용된다.
각각의 증폭기가 낮은 이득을 제공하기 때문에, 각각의 증폭기는 계속적으로 소량의 잡음만을 증폭된 자발 방출(amplified spontaneous emission, ASE)의 형태로 추가한다. 또한, 전술한 바와 같이, 각각의 센서는 동일한 신호 전력을 복귀시키고, cw ASE에 의해 동일한 영향을 받으며, 모든 센서에 대해 SNR이 동일한 것이 바람직하다.
도 10의 구성은 렁 당 하나씩 총 N 개의 센서를 가지며, 따라서 센서 당 한 쌍의 증폭기, 즉 어레이에 대해 총 2N 개의 증폭기를 가지게 된다. 도 10의 구성은 적절한 잡음 지수를 생성하지만, 다수의 증폭기(센서 당 2 개)를 필요로 하므로, 큰 펌프 전력 경비가 필요하게 된다. 증폭기의 수를 감소시키기 위해, 분산 버스(344), 복귀 버스(346) 및 복수의 렁(334)을 가지는 도 11의 어레이(331)에 도시된 바와 같이, 스타 커플러(star coupler)(330)를 이용하여 복수의 센서가 배치될 수 있다. 각각의 렁 내에 j 센서(332)를 배치하는 데 1×j의 스타 커플러(330)를 사용하면, 분산 버스 증폭기(336)의 수 및 복귀 버스 증폭기(337)의 수는 계수 j만큼 감소한다. 이것은 더 낮은 펌프 전력 및 복귀 신호에 대해 잡음 지수가 상이해지게 한다. 2가지의 상반되는 효과는 이 잡음 지수에 영향을 미친다. 첫번째 효과는 증폭기(336, 337)의 수가 감소함에 따라, 검출기(도시되지 않음)로 복귀하는 ASE는 떨어지고, 잡음 지수는 향상된다는 것이다. 두번째 효과는 j가 증가함에 따라 스타 머플러(330)의 스플리팅 손실이 증가하여, 각각의 센서로부터 복귀하는 신호 전력은 계수 j2 만큼(렁 당 두 개의 커플러) 감소하고, 잡음 지수는 악화된다는 것이다.
잡음 지수에 미치는 또 다른 영향은 분산 버스(344) 및 복귀 버스(346) 상에 배치된 커플러(340 및 342)의 결합 비율이다. 각각의 분산 및 복귀 버스 증폭기(336 및 337)의 이득은, 수학식(12a 및 12b)에 의해 나타나는 바와 같이 하나의 증폭기로부터 다음 증폭기로의 분산 버스 전송 Td 및 복귀 버스 전송 Tr이 유니티라는 조건에 의해, 이러한 결합 비율과 직접적으로 관련된다.
여기에서, Lx는 접속 및 커플러로 인한 증폭기들 간의 초과 손실이다. 이러한 유니티 전송 조건은 각각의 센서가 동일한 양의 신호 전력을 반환하는 데 필요하다. 결합 비율이 증가함에 따라, 더 많은 신호 전력이 각각의 렁으로 운반되고 검출기로 복귀하며, SNR도 향상된다. 결합 비율의 증가는 각각의 렁 상의 신호 손실 Lrung = Ls ·Lj 2을 부분적으로 보상하며, 여기에서 Ls는 단일 센서의 전송 손실이며, Lj는 1×j 스타 커플러의 스플리팅 손실을 나타낸다. 센서(332)를 통한 분산 버스(344)에서 렁(334) 상으로희 전송 및 복귀 버스(346) 상으로의 전송은 다음은 수학식 12를 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
예를 들어 Cd > 50% 및 Cr > 50%일 때 만족되는 Cd > (1-Cd) 및 Cr > (1- Cr)인 경우에, 전송은 Lrung보다 크다. 결합 비율을 이렇게 선택하면, 신호는 렁에 들어올 때 및 나갈 때 전면 이득을 겪게 되며, 이는 Lrung을 보상하는 경향이 있다. 또한, 이러한 선택은 검출기로 복귀하는 신호 전력을 증가시키고, 잡음 지수를 중가시키는 경향이 있다. 그러나, 결합 비율 및 증폭기 이득을 증가시키는 것은 펌프 전력 경비도 증가시킨다. 따라서, 잡음 지수와 펌프 전력 경비 상에 소정의 절충이 있어야만 한다.
도 11에 도시된 신규한 토폴로지의 잡음 성능을 분석하기 위해, 적절한 신호 및 펌프 전력을 이용하는 동시에, 주어진 총 N 개의 센서에 대해 최저의 잡음 지수를 가지는 구성 (j 및 n의 값과 Cd 및 Cr의 값)을 결정할 필요가 있다.
도 11에서 어레이(331)에 대한 잡음 지수의 세 가지 주요 기여 사항은 (1)신호 감쇠, (2) 분산 버스 증폭기에 의해 생성되고, 검출기에 도달하여 신호-ASE 비트 잡음을 야기하는 집적된 ASE, 및 (3) 복귀 버스 증폭기에 의해 생성되고, 검출기에 도달하여 신호-ASE 비트 잡음을 야기하는 집적된 ASE이다. 집적된 ASE는 ASE-ASE 비트 잡음 및 ASE 산탄 잡음도 생성하지만, 신호 전력이 ASE 전력보다 크기 때문에, 이러한 잡음항들은 무시될 수 있을만큼 작다. 본 발명에서 ASE는, 모든 센서를 통한 개별의 경로가 있고 많은 ASE 기여가 복귀 버스 상에서 통합되기 때문에, 전형적인 포인트-포인트 통신 시스템에서와는 상이하게 집적한다. 예를 들어, 도 11의 분산 버스(344) 상의 제1 증폭기(306)에 의해 생성되는 ASE만을 생각하면, ASE의 일부분은 제1 센서로 커플링되고, 나머지는 분산 버스(344)를 따라 이동한다. 분산 버스(344)를 따른 유니티 전송으로 인해, ASE의 동일한 부분이 각각의 센서 모두에 커플링된다. 제1 분산 버스 증폭기(336)에서만 기원하는 검출기에서 집중되는 ASE는 어레이(331) 내의 렁 수에 따라 증가한다. 복귀 버스 증폭기(337)는 또한 복귀 버스(346) 상에 비간섭적으로 가산되는 ASE 신호를 생성한다. 전술한 바와 같이, 이러한 다양한 기여 사항은 검출기에서의 총 ASE 전력을 얻기 위해 가산될 수 있으며, 그로부터 잡음 지수가 계산될 수 있다. 계수 Cd가 모든 분산 버스 커플러에 대해 동일하다고 가정하고, 또한 이와 유사하게 계수 Cr이 모든 복귀 버스 커플러에 대해 동일하다고 가정하면, 이득 Gd는 모든 분산 버스 증폭기에 대해 동일하고, 이득 Gr은 모든 복귀 버스에 대해 동일하게 되며, 수학식 12가 만족된다고 가정하면, 수학식 8에 나타난 NF는 모든 센서에 대해 동일하며, 다음과 같이 표현된다.
<수학식 8>
여기에서, N = j·n은 어레이 당 센서의 총 수이고, j는 렁 당 센서의 개수이며, n은 어레이 당 렁의 개수이고, nsp는 펌프 전력이 증가함에 따라 위로부터 1에 접근하는 증폭기 반전 파라미터이다. 세 개의 NF 항들은 신호 산탄 잡음, 분산 버스 증폭기로부터 기원하는 ASE에 대한 신호-ASE 비트 잡음, 및 복귀 버스 증폭기로부터 기원하는 ASE에 대한 신호-ASE 비트 잡음으로 인한 것이다. ASE-ASE 비트 잡음, ASE 산탄 잡음, 검출기 전자 잡음, 신호 레이저 상대 세기 잡음, 센서 불균형을 통해 진폭 잡음으로 변환되는 위상 잡음 등의 다른 잡음항들은 전형적으로 훨씬 작으며, 포함되지 않는다.
필요한 센서의 총 수에 대해, 수학식 8은 렁 당 센서 수와 렁 수에 대한 최적의 조합을 선택하는 데 사용되어, 잡음 지수를 최소화한다. 이를 위해, 필요한 N과 동일하거나 또는 인접한 곱을 가지는 정수 j 및 n인 수학식 8에 대입되어, 각각의 조합에 대한 잡음 지수를 계산한다. 최저의 잡음 지수를 행성하는 {j, n} 조합이 최적의 구성으로 선택된다. 도 12는 Cd = 80%, Cr = 50%, Ls = 5㏈, 및 Lx = 0.4㏈로 가정하고, 센서의 총 수 N은 상이한 어레이들에 대하여, NF 대 렁 당 센서 수를 나타낸다. 이러한 결합 비율의 값은 적절한 전력 경비를 유지하는 동시에 잡음 지수를 최적화한다. Ls = 5㏈은, 최대 감도에 대해 구적에서 바이어스되는 간섭 센서 및 직경 3㎝ 이하의 축에 감긴 수백 미터의 섬유에 의해 3㏈로부터 상승한다. Lx는 버스 커플러의 초과 손실(전형적으로 0.3㏈) 및 Er-도핑된 섬유와 표준 싱글 모드 섬유 간의 두 접속의 삽입 손실 (전형적으로 각각 0.05㏈)을 포함한다. 도 12는 렁 당 고정된 수의 센서에 대해, 어레이 당 센서의 수가 증가함에 따라 잡음 지수도 증가함을 나타낸다. 각각의 곡선은 일정한 최적의 렁 당 센서 수에서 최소값을 나타낸다. 각각의 곡선에 대한 최소값은 수학식 8에서 두 개의 싱글-ASE 비트 잡음항(제2 및 제3 항)이 동일할 경우에 발생한다. 최소값의 좌측으로, 분산 버스(제2항) 상에 기원하는 ASE가 수신기에서의 우세 잡음항을 생성한다. 최소값의 우측으로, 우세 잡음항은 복귀 버스(제3항) 상으로부터 기원하는 ASE에 의해 생성된다. 수학식 8을 고려하면, 제2항은 N·(n+1)로 감소하는 j·n·(n+1)에 비례하고, 제3항은 N·j로 감소하는 j2·n에 비례한다. 최소값의 좌측에는, 검출기로 복귀할 충분한 신호가 있지만, 지나치게 많은 증폭기기 있다. 검출기에서, 분산 버스 증폭기로부터의 ASE의 집적은 n·(n+1)에 비례한다. 증폭기의 수 N의 감소는 반환되는 ASE를 상당히 감소시킨다. 최소값의 우측에서, j가 증가함에 따라 렁의 감쇠 Lrung은 증가하며, 이는 분산 버스로부터의 신호 및 ASE를 상당히 감쇠시킨다. 이러한 경우에서, 복귀 신호는 충분하지 않으며, 복귀 버스 증폭기에 의해 생성되는 ASE는 잡음 지수를 초월하는 신호-ASE 비트 잡음을 생성한다. 최소값의 위치는 수학식 8의 j에 대해 미분을 취함으로써 계산될 수 있다(값이 작은 제1항은 무시함).
60 센서의 어레이(도 12의 최하위 곡선) 및 렁 당 하나의 센서와 버스 당 60 증폭기를 포함하는 구성에 대해, 상대적으로 큰 NF(35.7㏈)이 예측된다. 렁 당 센서의 수가 2로 증가되는 경우(즉, 버스 당 30 증폭기), NF는 33.1㏈로 향상된다. n=60에 대해, 31.3㏈의 최소 NF가 j=렁 당 5 센서를 이용하여 성취된다. j가 다시 10으로 배가되고 증폭기의 수가 6으로 반감되면(N은 여전히 60으로 유지됨), NF는 (32.1㏈로) 악화된다.
도 12의 각각의 곡선에 대한 최소값은 상당히 광범위하며, 이는 실질적으로 펌프 전력 경비와 같은 다른 파라미터를 최적화하는 데 폭넓은 설계 유연성을 허용한다. 320개의 센서를 가지는 어레이에 대해(도 12의 최상위 곡선), 약 버스 당 27 증폭기이다. 대신에, 렁 당 18개의 센서, 버스 당 320/1818 증폭기로 구성된 어레이의 경우, 잡음 지수는 0.25㏈ 정도 약간 악화된다. 반면에, 증폭기의 수가 27에서 18로 감소되기 때문에, 펌프 전력 조건은 상당히 감소된다. 그러므로, 펌프 전력 조건은, 렁 수를 감소시키고 렁 당 센서의 수를 증가시킴으로써, 잡음 지수를 약간만 악화시키면서 최적의 구성을 위한 펌프 전력 조건보다 감소될 수 있다.
어레이 당 센서의 총 수(엔)에 대한 렁 당 최적의 센서 수(j) 및 버스 당 증폭기의 최적의 수(n)가 도 13에 도시되어 있다. 도 13에서 두 개의 곡선은 도 12의 최소값의 자취로부터 도출된다. 더 아래의 곡선은 상위 곡선의 여집합이다. 즉, 도 13의 가로축의 임의의 값 n에 대하여, 두 곡선의 세로축 값의 곱은 n과 동일하다. 이러한 곡선은 최소 잡음 지수를 가지는 어레이를 구성하기 위해 j 및 n에 대한 최소값을 제공한다. 예를 들어, 200 센서의 어레이가 필요한 경우, 렁 당 10 센서(상위 곡선) 및 20 렁(하위 곡선)으로 구성된다. 이러한 곡선은 Cd, Cr, L s 및 Lx에 대해 선택된 특정값의 함수이다. 대부분의 경우에 대한 도 13에서, 최적값은 정수값이 아니라는 점에 유의한다. 따라서, 렁 당 센서의 수는 최적값에 가까운 정수로 선택되며, 증폭기의 수(즉, 렁의 수)는 원하는 수만큼의 센서를 제공하도록 선택된다.
잡음 지수를 최적화하는 데 고려되는 제2 집합의 파라미터는 버그 커플러의 결합 비율(Cd 및 Cr)과 증폭기의 대응하는 이득(Gd 및 Gr)이다. 최소 잡음 지수 및 펌프 조건을 위한 최적의 결합 비율을 구하기 위해, 200 센서의 어레이에 대해, 도 14에 도시된 분산 버스 결합 비율(Cd) 및 복귀 버스 결합 비율(Cr)에 대한 시스템 잡음 지수의 의존도를 생각한다. Cd(연속선)에 대한 NF의 의존도를 계산하기 위해, Cr을 50%로 설정되고, 렁 당 센서의 수 j는 각각의 Cd에 대해 잡음 지수를 최소화하도록 선택되었다. 최적의 렁 당 센서 수가 도 14의 하부에 도시된다. Cr에 대한 NF의 의존도를 계산하기 위해(점선), Cd는 80%, j는 10으로 설정되었으며, 이는 도 14의 하부로부터 이 Cd값에 대해 최적의 렁 당 센서수이다. 잡음 지수는 Cd가 증가함에 따라 상당히 향상되므로, 가능한 한 큰 Gd를 가지는 분산 버스 증폭기가 바람직하다. 30% 미만의 Cd에 대해, 렁 당 하나 또는 두 개 이상의 센서를 지원하는 데 불충분한 신호 전력이 렁으로 커플링된다(최하위의 연속 곡선). 렁 당 수 개의 센서만으로, 어레이 내에는 다수의 증폭기가 존재하고, NF는 높다. Cd를 증가시킴으로써, 더 맣은 수의 신호 전력이 각각의 렁 내에 커플링되므로, 더 많은 수의 센서가 각각의 렁에서 지원될 수 있고(하위 곡선 증가), NF는 향상된다(상위 곡선 감소). 총 펌프 전력 조건은 Cd 80%, 증폭기 이득 Gd 7.4㏈로 선택함으로써 감소될 수 있다. 단일의 원격 펌프 소스는 보다 큰 이득의 증폭기 수십 개에 대해 충분한 전력을 제공할 수 없기 때문에, 훨씬 큰 이득을 가지는 증폭기는 여기에 논의되는 원격 펌핑 체계와 호환되지 않는다. 반면에, 잡음 지수는 Cr > 40% 인 경우, Cr에 대해 상수이다. 이 보드 상수 영역은 펌프 파워 버짓(budget)에 대한 고려가 최적 Cr 값을 선택시에 포함되도록 한다. Cr 가 증가됨에 따라, Gr 이 따라서 증가하고, 그러므로 펌프 파워 필요 조건을 증가시킨다. 그러므로, Cr 은 양호하게는 NF에 강한 영향을 주지않고 가능한 작으며, 이는 Cr =50%을 이 지점까지 선택하는 이유이다. 대신에 Cr이 25%이어서 펌프 파워 필요 조건을 더욱 감소하는 경우, NF는 0.4dB만큼만 악화된다. Cd =80% 및 Cr =50%를 선택함으로써, NF를 최소화하기 위한 N=200의 최적 구성은 각 j=10 센서에 대해 n=20렁(rung)이다.
이러한 효과들 모두는 도 15에 반영되는데, 잡음 값 대 총 센서의 수의 비가 증폭된 어레이(실선 곡선)에 대해 도시된다. 주어진 총 N 센서에 대해, 렁 당 최적 센서 수 및 어레이(j, n) 당 렁이 도 13에 도시된 것처럼 최소 NF를 산출하도록 선택되며, Cd=80% 및 Gr=50%의 고정 결합비가 이용된다. 전형적인 수동 래더(ladder)형 어레이(대쉬 곡선)에 대한 잡음값이 비교를 위해 도시된다. 적당한 입력 신호 전력(5mW)로 120dB의 SNR을 1Hz 대역내로 유지하기 위해서, 시스템 잡음값은 도 15의 점선 수평선이하(NF < 45dB)여야만 한다. 이러한 최적 구성으로, 단일 섬유쌍에 300 센서 이상을 지원할 수 있고, 수동 어레이는 약 20 센서만을 지원할 수 있다.
도 15의 곡선이 120dB SNR 선을 교차하지 않으며, 2가지 이유로 전체 약 300을 넘는 더 이상의 센서를 지원하는 것은 점차 어려워진다. 제1 이유는 센서가 샘플링되는 실무율이 너무 작아진다는 것이다. 총 300 센서에 대해, 실무율은 약 1/300이고, 이는 입력 신호에 강한 영향을 준다. 이러한 실무율로 5mW의 평균 입력 신호 전력은 1.5W의 최고 신호 입력 전력을 요한다. 신호 전력은 임의 라만 산란 및 임의 브릴로우인 산란과 같은 섬유 비선형 효과에 의해 이 레벨에 근사한 값으로 제한된다. 제2 이유로는 어레이에 따른 SNR의 작은 차에 대한 여유가 고려되어야 한다는 점이다. 근사화가 수행되므로, 펌프 전력이 어레이를 따라 소비되더라도 모든 증폭기는 동일한 이득을 가진다는 전제하에, 센서의 SNR의 수 dB 차이가 예측될 수 있다. 전체 센서에 대한 평균 SNR이 도 15에 도시된다. 평균 SNR은 양호하게는 120dB를 약간 넘어서 "최악의" 센서는 여전히 120dB 이상이다.
실제 어레이를 구성하는 경우, 커플러는 그 공칭값 주위의 결합비의 고유 분산을 가질 것이다. 특정 렁에서 결합비 Cd 및 Cr은 그 각 공칭값 C0 d 및 C0 r로부터 소량 상이할 것으로 예측된다. 이러한 불일치는 2가지 효과를 가지는데, 첫째는 각 버스 상의 신호의 전송에 대한 것이고, 둘째는 렁을 통한 분산 버스로부터 복귀 버스 까지의 신호 전송에 대한 것이다.
제1 효과는 단위 이득 조건(수학식 12a 및 12b)이 여전히 만족되도록 대응 증폭기의 이득을 조절함에 의해 간단히 방지될 수 있다. 분산 버스에 있어서, 개별 커플러가 공칭 결합비로부터 인수(1+δd)만큼 상이한 경우, 즉 C0 d(1+δ d)과 같은 경우, 인접 증폭기의 이득은 버스를 따라 단위 전송을 유지하도록 공칭 이득 G0 d으로부터 인수(1+εd)만큼 조절되어야 한다. 유사하게, 복귀 버스에 대해, 커플러가 공칭값 즉, C0 r(1+δr)으로부터 (1+δr)만큼 상이한 경우, 인접 증폭기의 이득은 이득 G0 d으로부터 인수(1+εr)만큼 조절되어야 한다. 그러므로, 분산 및 복귀 버스 전송(수학식 12a 및 12b)은
T'd = [G0d(1+εd)]Lx[1-C0d(1+δd)] = 1
T'r = [G0r(1+εr)]Lx[1-C0r(1+δr)] = 1
수학식 15a 및 15b를 ε를 δ에 대해서 풀면 아래와 같고,
εr에 대해서도 유사한 수학식이 나온다. δ 및 ε는 동일한 부호를 갖는점에 유의하자. 커플러가 렁으로 소량의 부가 신호를 결합시킨다면, 대응 증폭기는 이를 보상하기 위해 약간 큰 이득을 가질 필요가 있다.
제2 효과는 렁을 통한 분산 버스로부터 복귀 버스까지의 전송(수학식 13)이 아래와 같아진다.
T'd-r = G0r(1+εd)LxC0d(1+δd)LrungG0r(1+εr)LxC0r(1+δr)
δ 및 ε가 동일한 부호를 가지므로, T' d-r은 2배만큼 영향을 받는다. 이는 커플러의 결합비가 약간 높다면 그 대응하는 증폭기가 약간 높은 이득을 가지고 이들 2 효과는 상승한다. 그러나, 그들의 공칭값에서 부호가 다른 커플러 Cd 및 Cr 쌍을 선택함에 의해, 실제 전송(수학식 17)은 공칭 전송(수학식 13)과 동일하게 될 수 있다. 이 등식을 만족하기 위해 필요한 조건은 아래와 같다.
[G0d(1+εd)LxC0d(1+δd)Lrung[G0r(1+εr)LxC0r(1+δr)] = G0dLxC0dLrungG0rC0r
δd에 대한 δr의 근사 해는
δd 및 δr는 반대 부호이다. 수학식 19가 만족되는 경우, 분산 버스로부터 렁까지의 전송의 차이는 렁으로부터 복귀 버스까지의 전송의 차이를 오프셋한다. 모든 쌍의 커플러가 수학식 19를 만족시키는 경우, 모든 센서는 동일양의 신호 전력으로 복귀하고 동일한 SNR을 갖는다.
그러나, 증폭기가 너무 긴 경우, 각 버스를 따라서 작은 총 이득을 제공하고, 신호 전력은 약간 상승하며, 그러므로 증폭기의 이득을 약간 압축한다. 반면에, 증폭기가 너무 짧은 경우, 각 버스를 따라 작은 총 손실을 초래하고, 신호 레벨은 따라서 버스를 따라 떨어질 것이다. 낮은 신호 레벨로, 증폭기는 조금 더 이상의 이득을 제공하려는 경향이 있고, 신호 레벨은 신속히 떨어지지는 않을 것이다. 그러므로 시스템은 자체 조절이 가능하고 신호 전력은 자유롭게 상승하지는 않을 것이다.
아래는 버스 당 증폭기의 수, 렁 당 센서의 수, 및 증폭기 당 이득에 따른 에르븀-도핑된 섬유 증폭기 원격 측정법(telemetry)을 이용하는 대규모 섬유 센서 어레이에 필요한 펌프 전력을 최소화하는 방법을 설명한다. 대규모 어레이에 있어서, 펌프 전력 필요 조건은 어레이를 따른 수동 성분 손실에 의해 좌우된다. 신호 대 잡음 비의 감소의 영향을 최소화하면서 전력 필요 조건을 최소화할 수 있는 수개의 방법(별도 어레이 토폴로지 포함)이 아래에 설명된다. 한 쌍의 섬유 버스는 버스 당 1W 미만의 1480nm 펌프 전력을 갖는 300 고 감도(1μrad/) 센서를 지원할 수 있고, 이 필요 조건은 레이저 다이오드에서 합리적으로 수용될 수 있다.
섬유 수중청음기(hydrophone)에 널리 응용함으로써 효율적인 다중화 구조가 필요하다. 대규모 다중화을 가능하게 하기 위해서, 래더 구조의 섬유 센서에 광학 증폭기를 추가하는 것은 센서 어레이 성능을 극적으로 개선하며 어레이 크기를 섬유 쌍 당 센서 수의 수백배로 증가한다는 사실이 상술되었다. 이러한 접근법은 다수의 센서를 다중화하기 위한 실제 해법임이 설명되었다. 상술한 것처럼, 어레이는 최적화되어 섬유 쌍 당 센서의 수를 증가시키면서 우수한 신호 대 잡음비(SNR)를 제공한다. 나머지 논의는 증폭된 어레이의 펌프 전력 필요 조건에 관한 것이다. 제1 목적은 어레이의 펌프 전력 소비가 커플러 및 섬유의 수동 손실에 의해 좌우되는 것을 근거로 수백개의 센서를 포함하는 실제 어레이의 전력 필요 조건을 이론적으로 계산하는 것으로, 큰 어레이에 있어서 이러한 필요 조건은 가용 레이저 다이오드에 대해 합리적이며 수용가능하다. 제2 목적은 펌프 전력과 센서로부터 복귀되는 신호의 신호 대 잡음비(SNR) 사이의 절충을 요하는 전력 필요 조건을 감소하는 것이다. 논의된 별도 어레이 토폴로지를 포함하는 수개의 방법은 SNR의 감소의 영향을 최소화하면서 전력 필요 조건을 감소하는 것이다. 이러한 접근법 및 현재의 섬유 복합 기술로는, 한 쌍의 섬유 버스는 버스 당 1W 미만의 1480nm 펌프 전력을 갖는 300개의 고 감도(1μrad/) 센서를 지원한다.
이러한 시간 영역 다중화(TDM) 어레이의 동작의 완전 설명이 도 16에 도시된 것처럼 상술되었다. 또한, 예를 들면, J.L. Brooks, B. Moslehi, B.Y. Kim, 및 H.J. Shaw의 1987년 7월의 광파 기술 학술지 LT-5호의 1014-1023페이지의 "원격 광섬유 간섭계 센서 어레이의 시간 영역 어드레싱"을 참조하면, 모든 센서를 샘플링하기 위해, 신호 펄스(즉, 광학적 입력 신호)는 어레이(402)의 분산 버스(400)로 런치(launch)되고, 신호 펄스의 큰 부분(일반적으로 > 50%)이 섬유 커플러(406)를 이용하여 래더의 각 렁(404)으로 주기적으로 결합된다. 각각의 렁(404)은 하나 또는 수개의 센서(408)를 지원한다. 각각의 센서(408)는 자신의 시간 창내에서 신호(즉, 광 복귀 신호) 펄스를 복귀하고, 모든 펄스는 복귀 버스(420) 상에 수집되고 출력 신호로서 수신기(도시 없음)로 전송된다. 광학 증폭기(422 및 424)는 분산 및 복귀 버스(400 및 420)를 따라 분산되어 커플러(406)의 분할 손실에 대해 보상하고 임의의 소모된 손실을 보상한다. 그러므로, 증폭기(422 및 424)는 각각의 버스를 따라 단위 전송을 제공하고, 모든 센서(408)로 동일한 양의 신호 전력을 공급하고, 어레이(402)는 모든 센서로부터 수신기로 동일한 양의 신호 전력을 복귀시킨다. 어레이(402)는 양호하게는 1550nm 영역내의 신호 파장으로 동작하고 에르븀-도핑된 섬유 증폭기(EDFAs)를 이용한다. 증폭기 단 당의 손실이 작으므로(3-8 dB), 낮은 이득 증폭으로 충분하고, 증폭기(422 및 424)는 단지 버스(400 및 420)로 접합(splice)되는 에르븀-도핑된 섬유(EDF)의 짧은 세그먼트이다. 각 증폭기(422, 424)의 이득은 EDF의 길이에 의해 설정된다. 각 버스 상의 모든 증폭기는 펌프 신호에 의해 레이저와 같은 단일 원격 소스로부터 펌핑된다. 커플러(406 및 426)는 양호하게는 펌프가 결합되지 않고 버스(400 및 420) 상에만 남아있되, 분산 버스(400)를 따르는 신호는 렁(404)에 부분적으로 결합되고 나머지는 다음 렁으로 전송되도록 설계된 파장 분할 다중화(WDM) 퓨즈된 섬유 커플러가다. 증폭기(422 및 424) 모두는 펌프 포화 상태에 있어서, (1) 그 잡음값은 낮으며, (2) 한 증폭기에 의해 소비되지 않는 펌프 전력은 다음 증폭기로 전송된다. 펌프 전력 버짓은 연쇄된 최종 증폭기는 충분한 펌프 전력을 수신해야만한다는 필요 조건에 의해 설정된다. 단일, 큰 이득의 EDFA의 원격 펌핑이 배치된 통신 시스템내에서 설시되고 구현되었다(예를 들면 1997 OSA 연재 기술지, 서류 TuL1의 6호의 OFC 97에서 E.Brandon, A. Gladston, A., 및 J. -P. Blondel의 "카이만-자메이카 광섬유 시스템: 최장 2.5Gbit/s 반복기없는 잠수함식 링크 설치" 참조). 아래에 설명되는 것처럼, 적절한 펌프 전력을 갖는 수십개의 낮은 이득 증폭기로 구성된 어레이를 원격 펌핑하는데 동일하게 실용적이다.
어레이의 동작상의 중요 필요 조건은 설계 및 펌프 전력 요구 조건에 영향을 주는 모듈 형태(mudular)이어야 한다는 점이다. 선박 상에 어레이를 관리 유지하기 것과 같은 실제적인 이유로, 어레이는 양호하게는 경량의 세그먼트로 구분되어 연결되어 있어서, 세그먼트가 고장난 경우 전체 어레이를 교체하기 보다는 결함 세그먼트만을 교체하는 것이 가능하다. 그러므로, 증폭기를 포함하는 전체 세그먼트는 양호하게는 동일하여, 규격 세그먼트가 어레이를 따른 임의 위치에서도 대체될 수 있다. 그러나, 하향 증폭기가 적은 펌프 전력을 수신하므로 동일 길이를 갖는 증폭기는 정확하게 동일한 이득을 제공하지는 못한다. 그러므로, 상이한 양의 신호 전력이 다른 센서로부터 복귀되는 경향이 있고, 센서는 약간의 비균일 감도를 갖는다. 전체 센서의 감도를 균등하게 하기 위한 수개의 방법이 아래에 설명된다.
도 16에 도시된 어레이와 같은 전체 증폭된 어레이에 대한 펌프 전력 버짓을 계산하기 위해, 단일 증폭기 단의 전력 소비가 먼저 고려되어야 한다. 도 17은 렁(440), 분산 버스(450) 상의 분산 증폭기(442) 및 섬유 커플러(446), 및 복귀 버스(452) 상의 복귀 증폭기(444) 및 섬유 커플러(448)을 포함하는 전형적인 증폭된 어레이의 한 단을 도시한다. Lx는 에르븀-도핑된 섬유(EDF)와 단일 모드 섬유(SMF) 사이의 접합(splice)의 삽입 손실을 표시한다. Le는 EDF의 배경 손실을 표시한다. Lf는 SMF의 전송 손실을 표시한다. Lc는 커플러(446)의 삽입 손실을 표시한다. 모든 파라미터들은 펌프 파장에서 계산된다. 분산 버스(450) 상의 EDF의 길이는 다음 증폭기 이전의 순차적인 신호 손실을 정확하게 보상하는 이득 Gd, 즉 Gd = 1/[L'x 2L'c(1-Cd)L'f]을 제공하는데, 여기서 Cd는 분산 버스 결합비이고 주요 파라미터들은 신호 파장에서 계산된다. 유사한 관계가 커플러(448)는 상이한 결합비(Cr)를 가진다는 점만 제외하고는 이득 Gr의 복귀 버스 증폭기(444)에도 적용된다.
펌프 전력 상의 증폭기 이득의 의존성이 다양한 입력 신호 전력에 대해서 도 18에 도시된다. 이들 곡선은 통신 EDFA에서 일반적인 EDF를 이용한 단일 증폭기의 컴퓨터 시뮬레이션으로 수용된다. 시뮬레이트된 섬유의 중심 반경은 1.4㎛, 개구수(NA)는 0.28, Er2O3 농도는 50몰 ppm이고 길이는 3.5m이다. 1536nm의 신호 파장 및 1480nm의 펌프 파장이 이용된다. 도 18에 도시된 입력 신호 전력은 일괄적으로 이들 시스템에 유효한 범위내에 있다. 증폭기는 Pth p = 1.5mW(G=0dB)의 임계 입력 펌프 전력을 가지며, 큰 입력 펌프 전력에 대해 작은 신호 이득인 6.1dB를 제공한다. 펌프 전력에 대한 상한값(1W)은 펌프 레이저의 가격 및 수km의 다운리드(down lead) 및 버스에 비해 큰 전력을 전송하는 경우 접하게 되는 비선형성 효과를 포함하는 실제적 고려에 의해 설정되는 값이다. 다운리드 섬유는 일반적으로 길이가 1 내지 10km이고, 일반적으로 1480nm에서 0.3dB/km의 전송 손실을 가지며 980nm에서 1.5dB/km의 전송 손실을 갖는다. 그러므로 상당량의 펌프 전력이 실제적으로 증폭기에 도달하도록 원격 펌핑을 위해 1480nm의 펌프 소스를 이용하는 것이 중요하다.
동일 다운리드 섬유내에서 전파하는 1480nm에서의 높은 전력 펌프 및 1550nm 부근에서의 신호로, 신호는 라만 증폭을 경험할 것이다. 분산 버스로의 다운리드에서, 펌프 및 신호는 공동-전파(co-propagating)되고 이러한 증폭은 잡음이 매우 많다. 그러므로, 개별 다운리드 섬유가 바람직하게 사용된다. 반면에, 복귀 버스로의 다운리드 섬유에서, 펌프 및 신호는 반대-전파(counter-propagating)되며, 라만 증폭은 저잡음이다. 그러므로, 복귀 버스에 대한 다운리드에서는 단일 섬유가 이용될 수 있다.
어레이를 설계할 때, 각각의 버스에 대한 펌프 전력 버젯뿐만 각각의 버스 상의 평균 신호 전력을 결정해야 하고, 펌프 전력과 같은 모든 증폭기들에 걸리는 이득에서 수용가능한 변화가 어레이에서 소비된다. 후술되는 바와 같이, 렁(rung)당 대략 0.5dB의 펌프 손실이 적절한 예측치이다. 상술한 것과 같이, 대략 20개의 렁들로 된 어레이가 가장 적합하다. 따라서, 제1 예측치로서 10dB의 전체 펌프 손실 버젯이 적합하며, 예를 들어 펌프 전력은 어레이를 따라서 1W에서 100mW로 감소된다. 낮은 신호 전력(<1mW)에 대해서는, 증폭기의 이득이 이러한 펌프 전력 범위에 걸쳐서 0.5dB 이하 만큼 감소된다(도 18에 도시됨). 평균 신호 전력이 증가함에 따라, 이득차가 증가하여, 10mW의 신호의 경우 2dB에 도달한다. 입력 펌프 전력이 증가함에 따라서, 일정한 펌프 전력 버젯에 의해서 이득차는 감소된다. 도 18에 제공된 바와 같은 플롯(plot)에서는, 모든 증폭기에 걸리는 이득의 변화를 소정 한계 이하로 유지하는데 필요한 최소 입력 펌프 전력을 결정할 수 있다.
이제 단일 증폭기 스테이지에 대한 펌프 전력 버젯의 보다 정확하게 정의할 것이다. 도 17과 관련하여 설명된 펌프 파장으로 동작하는 손실 매카니즘은 증폭기의 에르븀 이온들에 의한 펌프 전력(Pabs)의 흡수, 커플러의 삽입 손실, 2개의 접합의 삽입 손실, EDF와 버스 섬유의 전송 손실을 포함한다. 강하게 포화된 안정 하상(regime)에서, 주어진 증폭기 스테이지(에 존재하는 펌프 전력의 양(Pout)은 이 스테이지에서 시작되는 펌프 전력(Pin)과 관련있다.
Pout = [(Pin·Lx·Lc)-Pabs]·Lx·Lc·Lf
이 출력 펌프 전력은 다음 증폭기에 대한 입력 펌프 전력으로 사용된다.
단일 스테이지에 의해서 분산된 펌프 전력(Pin - Pout)은 도 19에 도시되어 있다. 이러한 곡선은 상술한 바와 같이 동일한 증폭기의 컴퓨터 시뮬레이션에서 얻을 수 있다. 각각의 펌프 전력 손실 매카니즘은 단일 전력으로의 변환을 위한 증폭기에 의해서 흡수되는 전력을 개별적으로 구동한다고 생각할 수 있다. 평균 전력(Ps')을 갖는 입력 신호에 대해서, EDFA는 평균 전력을 (G-1)Ps'의 신호에 더하고, (λs/λP)(G-1)Ps와 동일한 펌프 전력의 양을 소비하는데, 여기서 λs는 단일 파장이고 λp는 펌프 파장이다. 이러한 변환은 입력 펌프 전력(PP)이 PP th 및 PS 모두 보다 크고, 흡수된 펌프 전력은 대략 100mW보다 큰 Pp로 일정하다(도 18에 도시됨). 각각의 증폭기는 또한 증폭된 자연 방출(ASE)을 일으키고 다른 증폭기에서 일어나는 ASE를 증폭한다. 신호에 대향되는 방향으로 전파되는 ASE를 제거하기 위한 아이솔레이터는, 12개의 증폭기일 때도 발생된 ASE 전력 레벨이 상당하고 또한 추가 비용이 들기 때문에 사용에는 적합하지 않다. 따라서, ASE는 전체 어레이를 통해서 양 방향으로 전파된다. 개개의 증폭기는 양 방향으로 새로운 2-3㎼의 ASE 전력을 입력 ASE에 더하고 이 전체 ASE를 증폭한다. 각각의 버스를 따라서, ASE 전력은 증폭기의 개수에 따라서 선형적으로 가속화되고, ASE 전력으로 변환된 펌프 전력은 증폭기의 개수의 제곱에 따라 증가된다. 펌프 전력 버젯에서는, 전형적으로 수 mW 이하의 펌프 전력만이 전체 어레이에서 ASE 전력으로 변환되므로 무시할 수 있다.
현재의 기술 (섬유 커플러에 접속된 1480/1550㎚ WDM용 Lc=0.3dB)에서, 펌프 전력에 대한 가장 큰 산란 손실은 도 19에 도시된 바와 같이, WDM 커플러 삽입 손실이다. 작은 커플러 손실은 PP가 매우 클 때는 Pabs가 PP와 무관하기 때문에 큰 EDF 흡수를 나타내고, Lc로 인하여 분산 전력은 PP에 비례한다. 커플러 손실은 2개의 다중화된 분리 파장의 분리에 대해서 역관계를 가지며, 펌프와 신호 파장들 사이의 비교적 작은 차는 LC를 상당히 감소시킨다. 그러나, 이것은 최고의 임계 항을 최소화한다. 이를 행하기 위한 한가지 방법으로는 각각의 버스 상에서 커플러의 개수를 감소시키는 방법, 즉 렁(j) 당 센서의 개수를 최대화하는 방법이 있다. 그러나, j가 증가함에 따라서, 각각의 렁에서 신호에 의해 발생되는 분할 손실(splitting loss)은 j2 의 팩터에 의해서 증가한다 (렁당 2개의 스타 커플러, 도 16에 도시됨). 따라서, 버스 상의 펌프에 대한 커플러 삽입 손실과 렁 상의 신호에 대한 분할 손실간의 절충안을 찾아야 한다.
제2의 최대의 펌프 손실은 EDF와 버스 섬유 사이의 2개의 접합으로부터 발생된다. 이러한 접합은 EDF와 SMF 사이의 모드 필드 직경의 비일치 때문에 SMF-투-SMF 접합보다 큰 삽입 손실을 갖게 되는 경향이 있다. 버스 섬유는 낮은 NA(전형적으로는, 0.12)와 큰 모드 면적을 갖는 표준 SMF이다. 이것은 낮은 전송 손실에 대해(우수한 SMF는 1550㎚에서 0.2dB/km보다 낮은 전송 손실을 실현함), 그리고 비선형 효과를 최소화하는데 바람직하다. 한편, EDF에 대해서는 (전형적으로 0.20보다 높게) NA가 높아짐에 따라 증폭기의 펌프 전력에 대한 요구가 저하되는 것이 바람직하다. 현재는, SMF-투-SMF에 접합의 0.02dB와 비교해서, 우수한 상업적 융해 접합기가 1550㎚에서 접합당 Lx = 0.05dB의 전형적인 삽입 손실을 가지는 EDF-투-SMF 접합기를 생성할 수 있다. (예를 들면, W, Zheng, O. Hulten, R 및 Rylander, "Erbium-Doped Fiber Splicing and Splice Loss Estimation", Journal of Lightwave Thechnology, Volume 12, 1994년 3월 430-435를 살펴보자.) (각각 0.05dB인) 두개의 EDF-투-SMF 접합기에 의해서 분할된 펌프 전력은 도 19에 도시된다.
제3의 펌프 전력 손실 매카니즘은 섬유 전송 손실이다. 후자는 섬유 NA에 대해 지수적으로 증가하는 경향이 있다. (예를 들면, L,B. Jeunhomme, Single-Mode Fiber Optics, 2nd, Marcel Dekker, New York, 1990, p.101를 살펴보자.) 따라서, km당 백그라운드 손실은 표준 SMF의 경우 보다 EDF일 경우 상당히 크다. 따라서, (0.30보다 큰) 높은 NA를 가진 EDF는, 전형적으로, (0.17 이하의) 낮은 NA를 갖는 EDF에 대한 0.5 dB/Km 이하 일 때와 비교할 때, 1550㎚에서 3.5dB/km보다 높은 백그라운드 손실을 갖는다. 증폭기들 간의 버스 섬유는 또한 전송 손실을 포함한다. 전형적으로 센서 어레이는 센서들 사이에 2 내지 4m를 갖고 렁당 8 내지 16 센서를 가지거나, Lf 0.01dB이다. 도 19에 도시된 하측 곡선은 Le 0.01dB(3dB/km의 손실 및 3.5m의 EDF) 및 Lf=0.01dB의 백그라운드 손실에 대해 도시되었다. 그러나, 전형적으로 1-10 km 길이를 갖는, 옥내 도입선이 사용되는 경우에는 옥내 도입선의 전송 손실이 포함되지 않아야 한다.
또한, 5mW의 일정한 평균 신호 전력이 확보될 수 있다. 도 20은 전체의 분산된 펌프 전력 상에서의 신호 전력의 효과를 나타낸다. 곡선들은 4개의 입력 신호 전력들 각각에 대해서 제공된다. 각각의 곡선은 신호 증폭기 스테이지에 대해서 소비된 전체 펌프 전력 대 입력 펌프 전력을 나타낸다. 비교해 보면, 점선으로 표시된 곡선은 커플러에 의해서만 소비된 펌프 전력을 나타낸다. 100mW 이상의 입력 펌프 전력은, 실선으로 된 곡선들이 유사하고, EDFA 전력 변환이 소정 레벨 이상으로 펌프 전력과 무관하게 행해지는 것을 나타내며, 이미 상술한 바와 같이 입력 신호 전력에 비례한다. 높은 평균 신호 전력(10mW)과 낮은 입력 펌프 전력(<300mW)에 대해서, 100mW 곡선과 0mW 곡선간의 비교는 증폭기들에 의한 펌프 전력 흡수가 모든 다른 손실 항들의 합보다도 크다는 것을 나타낸다. 펌프 전력 버젯을 보다 감소시키기 위해서는, 평균 신호 전력을 낮출 수 있지만, 이것은 SNR을 직접적으로 감소시킨다.
고려되야 할 마지막 손실 매카니즘은 커낵터로부터 발생하는 것이다. 상술한 바와 같이, 어레이는 세그먼트되어 연결되는 것이 바람직하며, 커넥터는 바람직하게는 전형적인 응용 형태의 엄격한 환경에서 (예를 들면, 해양에서) 강하다. 펌프 전력 버젯은 커넥터 내의 중요하고 다양한 손실들에 민감하다. 우수한 커넥터는 0.2dB보다 작은 삽입 손실을 가지며, 어레이는 최고 50개의 세그먼트로 구성될 수 있다. 이것은 손실에 어레이당 최고 10dB의 펌프 버젯을 더하고 최고 20dB까지 신호 손실 버젯을 증가시킨다(라운드-트립).
단일 증폭기에 대한 펌프 전력 버젯에 비추어 볼 때, 큰 증폭기 어레이용 버젯이 구성될 수 있고, 이들 모두는 프론트 앤드에서의 단일 소스로부터 펌프된다. 수학식 20에서 k번째 증폭기 상으로 입력된 펌프 전력(Pk)는 ((k-1)번째) 증폭기에 의해서 전송된 펌프 전력(Pk-1)과 관련있다.
Pk = [(Pk-1·Lx·Le)-Pabs]·Lx·Lc·Lf
Pabs는 k-번째 증폭기 상으로 입력되는 신호 전력의 함수이다. 이 입력 펌프 전력(PI)은 마지막 증폭기에 도달하는 펌프 전력 Pn이 소정의 최소값보다 커지기에 충분히 크다, 후자는 마지막 증폭기가 충분한 이득, 즉 PP th 및 PS 양측보다 큰 이득을 제공할 수 있도록 보장하고, 모든 증폭기들은 보다 큰 펌프 전력을 수신하며 모든 증폭기들에 걸리는 이득은 보다 균일해지므로(도 18에 도시됨), 복귀된 신호 전력은 어레이 전반에 걸쳐서 보다 균일해진다. 따라서, Pn은 모든 증폭기들 사이의 이득에서의 변동을 소정의 원하는 레벨 이하로 유지한다. 이어서, Pn 은 제1 증폭기(PI)로 공급되는 펌프 전력을 결정한다. 이러한 해석에서, Pn 은 증폭기 임계 전력이나 평균 신호 전력보다도 수배 큰, 100mW로 설정된다.
도 21은 수학식 21을 사용하는 13개의 증폭기의 어레이를 따라 각각이 증폭기로 입력되는 펌프 전력의 발생과 도 19에 상세히 나타나는 손실 버젯을 도시한다. 도 21에서 사용된 파라미터들은 5mW의 입력 신호 전력, 1536㎚의 단일 파장, 1480㎚의 펌프 파장, 렁당 15개의 센서, 센서당 5dB의 삽입 손실, 80%의 분포 버스 커플링 비(Cd) 및 50%의 복귀 버스 커플링 비(Cr)를 포함한다. 마지막 2개의 값은 상술한 바와 같이 노이즈 치수를 최소화하도록 선택된다. 양 곡선들은 커플러 삽입 손실이 우세하다. 필요한 입력 펌프 전력은 분포 버스에 대해 1100mW이고 복귀 버스에 대해서는 450mW이다(도 21에 도시됨). 이들 2개의 조건들의 차이점은, 이들 버스에서의 보다 큰 평균 신호 전력과 보다 큰 커플링 비 때문에. 분포 버스에서는 펌프 전력을 신호 전극으로 증폭 변환을 한다는 것이다. 필요한 조합 입력 펌프 전력은 약 1.5W인데, 이 값은 클레딩-펌프 캐스케이드-라만 섬유 레이저(cladding-pumped, cascade-Raman fiber lasers)로부터 용이하게 이용할 수 있는 적절한 값이다, (예를 들면, S.G.Grubb, T.Strasser, W.Y.Cheung, W.A.Reed, V.Mizrahi, T.Erdogan, P.J.Lemaire, A.M.Vengsarkar, D.J.DiGiovanni, D.W.Peckham, 및 B.H.Rockney, "High-Power 1.48㎛ Cascaded Raman Laser in Germanosilicate Fibers, Thechnical Digest Optical Amplifiers and Their Application pp.197-199를 살펴보자.)
도 22는 도 21에서 모델화된 어레이에 대한 SNR 대 센서수를 도시한다. 모든 센서들에 대한 SNR은 120dB 이상이다. 어레이의 양단에서 센서는 신호 전력의 최소량에 도달하고, 중간의 센서는 가장 큰 값에 도달한다. 따라서, 이들 양단에서 센서들은 가장 낮은 SNR을 가지며 중간의 센서들은 가장 높은 SNR을 가진다. 가장 적절히 이용할 수 있는, 가장 우수한 센서와 가장 불량한 센서 사이의 차는 4.3dB이다. 그러나, 어레이를 가로질러 SNR에서 가장 큰 균일성을 제공하는 수개의 방법들이 이하 설명된다.
크기가 큰 펌프 전력을 이용해서 어레이를 통한 게인의 변동을 최소화하는 것이 실용적이지 않은 경우에는 부가적인 방법을 사용해야 한다. 하나의 방법은 각각의 버스의 먼 단 부분에 펌프를 반사하도록 섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating) (도 23b 참조, 이하에 설명됨)를 부가하는 것이다. 이는 각각의 버스 상의 마지막 증폭기에 의해 소모되지 않는 어떠한 펌프 전력도 재활용하고, 마지막 몇 개의 증폭기 상에 입사하는 펌프 전력의 양을 증가시킬 것이다. 이는 효과적이고 경제적인 방법이나, 모든 센서의 SNR을 등화하는데는 단지 작은 향상을 가져온다.
두 번째 방법은, 연속하는 EDFA용 가늘고 긴 증폭기 길이를 사용하는 것이다. 각각의 증폭기의 길이는 예상할 수 있는 입사 펌프 전력에 따르는 정확한 게인을 부가하도록 조절된다. 이 방법은 어레이를 통한 펌프 전력에 관하여 게인의 변화가 가장 낮고, 어레이를 통한 센서 당 감도의 균질성이 가장 크나, 전체 모듈 방식이 파괴되는 손실이 있다.
세 번째 방법은 도 23a에 도시된 토폴로지(topology)에 관한 전송(feed)을 이용하는 것이다. (예를 들어, K.P.Jackson and H.J.Shaw, "Fiber-Optic Delay-Line Signal Processing" ,Optical Signal Processing, J.L.Honer, ed., Academic Press, San Diego, CA, 1987, pp.431-476과 A.D.Kersey, A.Dandridge, A.R.Davis, C.K.Kirdendall, M.J.Marrone, and D.G.Gross, "64-Element Time Division Multiplexed Interferometric Sensor Array with EDFA Telemetry", OFC'96, Volume 2, 1996 OSA Technical Digest Series, Paper ThP5. 를 살펴보자.) 도 16과의 근본적인 차이점은 광학 입력 신호가 분산 버스(460)의 배면 단에 발사되고, 분산 버스(460)와 복귀 버스(464) 모두 상에서, 어레이(462)의 정면을 향해 앞으로 전파되며, 이때 두개의 버스는 렁(468)에 의해 연결된다. 버스 당 n개의 증폭기(466)가 있으면, k개의 렁을 통과한 진행 신호는 분산 버스(460) 상의 k개의 증폭기와 복귀 버스(462) 상의 (n-k+1)개의 증폭기, 즉 총 (n-1)개의 증폭기를 통해 전파된다. 따라서, 모든 신호는 동일한 수의 증폭기를 통해 진행된다. 여기서는 후진 전송(도 16)으로 언급된 이전의 토폴로지에서, 마지막 렁 센서로부터의 신호가 양쪽 버스 상의 모든 증폭기 (즉, 2n개의 증폭기)를 통해 진행하는 동안, 제1 렁 센서로부터의 신호는 단지 2개의 증폭기를 통해서 진행된다. 양쪽의 어레이 토폴로지를 위해 ASE는 동일한 비율로 축적되므로 방정식 13은 토폴로지를 통한 전송도 보유한다. 양쪽의 토폴로지에서, 증폭기용 펌프 전력은 정면의 증폭기가 펌프 전력의 최대한의 양을 수신하고, 배면의 증폭기가 펌프 전력의 최소한의 양을 수신하도록 정면 단로부터 공급된다. 펌프 전력은 동일한 방법으로 각각의 버스를 따라서 소모되고, 각각의 증폭기에서의 게인은 동일한 방법으로 펌프 전력에 따라 변화한다. 그러나, 후진 전송의 경우에는, 증폭기 게인의 변화가 축적되는 경향이 있고, 각각의 센서로부터의 복귀 신호 전력이 동일하지 않다. 반면에, 전진 전송의 경우에는, 렁 당 어떤 작은 전송 게인이나 작은 전송 손실도 말소되는 경향이 있으므로, 광학 센서에서 어떠한 광학 경로를 위한 누적된 게인이나 손실도 크게 감소된다. 따라서, 모든 센서로부터 복귀된 전력은 어레이를 통해 더 균일해지는 경향이 있다.
전진 어레이로 전송하는 데는 두 가지 불편한 점이 있다. 첫 번째는, 어레이의 먼 단 어레이에서부터 신호를 가져오도록 부가적인 버스 섬유가 요구된다. 따라서, 어레이 당 세개의 버스가 있고, 각각의 접속기는 부가적인 섬유 접속기를 필요로 하며, 이는 크기, 무게, 및 비용을 증가시킨다. 두 번째 불편한 점은, 도 23a에 도시한 바와 같이, 지연 라인(470)이 하나의 버스에 부가되어야 한다는 것이다. 양쪽의 토폴로지에서, 하나의 센서를 검색하는데 이용할 수 있는 최대의 시간은, 근접한 센서에 대해 하나의 센서를 통해 신호가 진행하는 경로의 길이에서의 차이점과 동일하다. 후진 전송 토폴로지 도 16)에서, 센서의 간격은 고유 경로 차를 가져온다. 전진 전송 토폴로지 도 23a)에서는, 센서들 사이에 어떠한 간격도 없다. 따라서, 지연 섬유는 경로 길이 차가 생기고, 하나의 센서를 샘플링하는 시간 창 (도 23a의 복귀 버스 상에 도시되어 있음)을 공급하도록 하나의 버스 (단 하나의 버스)에 부가되어야 한다. 예를 들어, 14.6㎱의 시간 창이 요구되면, 3m의 부가적인 섬유가 추가되어야 한다. 불편한 점은 모두, Lf가 크며, 비선형 효과가 크도록 경로의 길이가 더 긴 신호에 따른 것이다.
도 23b는 도 23a와 어떤 점에서는 유사한, 모든 신호가 동일한 수의 증폭기를 통해 진행되는 배열 어레이를 도시한 것이다. 분산 버스(490)와 복귀 버스(492) 모두를 위한 펌프 전력뿐 아니라 입력 신호도 장치의 정면에서 들어간다. 게다가, 섬유 브래그 격자(480)는 각각의 버스(490, 492)의 단에 있는 사용하지 않은 전력을 반사하도록 포함된다.
도 24는 도 23a의 어레이를 위한 SNR 대 센서의 수를 도시하나, 이는 도 23b에 도시된 것과 같이 각각의 버스의 먼 단에 있는 90%의 펌프 반사기를 포함하고, 상당히 낮은 펌프 전력, 특히 Pp=700㎽ (분산 버스)와 Pp=300㎽ (복귀 버스)을 제외하고는 도 21과 도 22에서와 동일한 어레이 매개 변수를 사용한다. 모든 센서용 SNR은 120㏈보다 크다. 모든 센서는 신호 전력과 거의 동일한 양으로 복귀하므로, 거의 동일한 SNR을 제공한다. SNR에서의 가장 좋은 센서와 가장 나쁜 센서의 차이점은 단지 3.1㏈이고, 이는 도 22에서의 SNR의 차보다 작다.
어레이를 통한 증폭기 당 게인의 변동을 최소화하는 네 번째 방법은 양 방향 펌핑이고, 이는 도 25a에 전진 전송 토폴로지로 도시되어 있다. 어레이는 다수의 분산 버스 증폭기(492)를 갖는 분산 버스(490)와 다수의 복귀 버스 증폭기(493)를 갖는 복귀 버스(491)를 포함한다. 다수의 렁(492)은 두 개의 버스(490, 491) 사이에 배치된다. 유사한 양 방향의 펌핑 체계는 후진 전송 토폴로지와 함께 설치될 수 있다. 분산 버스(490)의 양쪽 단로부터 펌핑함으로써, 가깝고 먼 단에 있는 증폭기(492)는, 중간에 있는 증폭기가 가장 낮은 펌프 전력을 수신하는 동안, 가장 높은 펌프 전력을 수신한다. 게다가, 단와 중간 증폭기 사이의 펌프 전력의 차는 단일 방향으로의 펌프된 어레이(도 16과 도 23a)에서보다 훨씬 낮으므로, 단와 중간의 증폭기 사이에서 증폭기 당 게인의 차는 감소된다. 이 방법도 전 영역의 펌프 전력 경비를 감소하는 경향이 있다. 양방의 펌핑의 비용은 어레이의 먼 단로 펌프 전력을 전송하는 부가적인 버스 섬유와 양쪽의 버스로 펌프 전력을 분리시키는 3㏈의 커플러, 즉 후진 전송 을 위한 어레이 당 세개의 버스 섬유나 전진 전송을 위한 네개의 버스 섬유이다. 각각의 접속기에서는, 부가적인 섬유 접속기가 있고, 이는 다시 크기, 무게, 및 비용의 증가를 가져온다. 또한, 펌프가 긴 경로 길이를 가지므로 전송 손실과 펌프용 비선형 효과가 크다.
이들 어레이의 성능을 활용하도록, 모든 센서의 SNR을 극대화하는 동안 펌프 전력 조건을 간소화하는 것이 바람직하다. 전력 조건과 잡음 지수 모두를 제어하는 주 매개 변수는 결합 비율 Cd, Cr, 및 렁 당 센서의 수 j, 또는 이것의 보수이고, 이는 상술한 버스 당 증폭기의 수나 n개의 어레이 당 렁의 수이다. 도 26은 잡음 지수(NF)의 계산된 의존도와 Cd 상의 입력 펌프 전력 조건 (Pp)을 도시한다. 전체 센서의 수와 같은 네개의 쌍의 곡선 모델 변환 조합은 거의 상수 (N200)이다. 복귀 버스 결합 비율 Cr은 50%로 설정되었고, 이는 상술한 바와 같이 거의 NF를 간소화한다. Cd가 증가할수록, Pp가 증가하는 동안 NF는 서서히 감소한다. Cd가 크면 이 증가가 빨라진다. j=10이고 n=20인 경우, 이는 상술한 바와 같이 최적 구성과 동일하고, 잡음 지수가 더 나으나 다른 모든 경우에서보다 펌프 전력이 더 높다. 반대로, j=20이고 n=10인 경우에는, 잡음 지수는 높으나 펌프 전력이 다른 모든 경우보다 낮다. 따라서, 고정된 Cd에서는, 렁 당 센서의 수를 증가시키고 버스 당 증폭기의 수를 감소시킴으로써, 펌프 전력 조건은 잡음 지수가 낮아지는 대가로 향상된다. Cd를 약간 증가시킴으로써, 잡음 지수가 증가하도록 보정하는 것이 가능해지나 여전히 펌프 전력 조건이 감소한다.
도 26은 상술한 바(j=20, n=20)와 같이 최적 구성을 구비한 200-센서 어레이용으로, Cd=80%용 NF가 39㏈이나, 분산 버스 펌프 전력 조건은 2W 보다 큰 것을 도시한다. 반면에, j=15이고 n=13인 경우, NF는 1㏈씩 증가하나, 분산 버스 펌프 전력 조건은 950㎽로 떨어지고, 이는 적절한 양이고, 피복 펌프된 섬유 레이저를 이용할 수 있다. Cd가 85%로 증가되면, NF 검사가 제거되고, 게인 Gd가 1.25㏈로 증가하며, 펌프 전력 조건이 1.2W가 된다. 상술한 최적 상태(j=10, n=20)를 넘어서 렁j 당 센서의 수가 증가됨에 따라, 고정된 Cd를 위한 잡음 지수는 증가된다. j가 증가함에 따라, 고정된 Cd를 위한 펌프 전력 조건은 감소된다. 최소의 펌프 전력 조건은 버스 당 하나의 증폭기 (n=1, j=N)와 함께 발생하나, 잡음 지수는 받아들일 수 없을 정도로 크게 증가한다.
잡음 지수와 펌프 전력 조건 사이의 절충안을 비교하는데 더 도움이 되도록, 도 27은 NF 대 요구된 펌프 전력을 도시한다. 이 곡선은 도 26으로부터 직접적으로 유도된 것으로, 여기서 Cd는 각각의 곡선을 따라서 증가되고, 다양한 곡선은 위에서 상술된 j와 n의 동일한 조합을 위한 것이다. 이 곡선은 렁 당 센서의 수가 증가함에 따라 펌프 전력 조건이 감소하기 시작하는 것을 도시한다. 버스 당 증폭기의 수도 최소화된다. 또한, 잡음 지수는 Cd가 증가할수록 감소하기 시작하므로 (도 26 참조), 각각의 증폭기의 게인은 극대화되어야 한다. 그러나, 펌프 전력 조건은 더 많은 양의 펌프 전력이 신호 전력에 따라 변화하는 것과 같이, 큰 Cd에 대해 빠르게 증가한다. 따라서, 원격 펌핑 계획으로, Cd의 크기는 제한되어 있다. 원격 펌핑이 임계에 있지 않고 어레이에 대한 어떠한 전기적인 연결도 갖지 않는 연산 조건이 완화될 수 있는 경우, 각각의 증폭기는 스스로의 펌프 레이저 다이오드로 동력이 공급될 수 있다. 따라서, 각각의 증폭기는 원격 펌핑 계획에서 실용적인 것에 비해 더 큰 게인을 가질 수 있고, 낮은 NF를 얻을 수 있다.
도 28에 도시된 두 번째 곡선 세트에서, NF와 Pp는 Cr에 대해서 그려진다. 네 개의 곡선 쌍은, 도 26에 도시된 바와 같이 다시 N200을 갖고, n과 j의 동일한 구성을 모형화한다. Cr=50%일 때 모든 곡선에서 NF=40㏈이도록 각각의 커브에서 Cd값은 선택된다. (도 26에서부터) 분산 버스에서도 유사하게, Cr이 증가할수록 Pp도 증가한다. j=10이고 n=20인 경우, 펌프 전력은 도 26에서 정확한 것과 마찬가지로 다른 경우에 비해 악화된다. j=20이고 n=10인 경우, 펌프 전력은 도 26에서와 마찬가지로 다른 경우에 비해 낮다. j=15이고 n=13인 경우, 복귀 버스 펌프 전력 조건은 400㎽이고, 이는 매우 적절한 값이다.
도 26과 도 28은 펌프 전력 조건 행동을 위한 중요한 두 영역을 도시한 것이다. 제1 영역에서, 연결 비율이 낮을 때, 펌프 전력 조건은 완전한 상수이다. 펌프 파장에서의 수동 구성은 손실은 펌프 전력 경비를 좌우하고, 즉 에르븀 이온보다 낭비적인 손실은 상당히 많은 펌프 전력을 소모한다. 제2 영역에서, 연결 비율이 높은 곳에서는, 펌프 전력 조건이 빠르게 증가한다. 증폭기에 의한 펌프 전력의 소비는 커플러를 위해 보정하면서, 증폭기가 신호 전력으로 정확한 양의 펌프 전력으로 전환하는 것과 같이 펌프 경비를 좌우한다.
전력 조건을 감소시키기 위해서, 펌프 전력 경비와 신호-대-노이즈 비율 사이에 절충안이 만들어져야 한다. 초기에 상술된 (j=10, n=20) 최적 구성에서 대략 1/3정도 버스 당 증폭기의 수를 감소함으로써, 펌프 경비는 50% 이상 감소될 수 있고, 약간의 NF (1.5㏈)를 증가시키는 동안 실제 수준으로 낮출 수 있다. 그러나 분산 버스 연결 비율을 증가시킴으로써 렁에 공급된 신호 전력을 증가시키는 것은 NF의 증가를 완화시키고, 펌프 전력 조건을 약간 올린다. 따라서, 섬유 버스 한 쌍은 약 1W의 펌프 전력을 갖는 300 고감도(1μ㎭/) 센서를 유지할 수 있다.
본 발명은 이제 가장 일반적인 출원의 문맥에서 설명된다. 도 29는 증폭기(501, 502) 및 센서(503)를 갖는 원격 사용을 위한 유전성 센서 어레이(500)를 도시한다. 인접 단 (육상이나 선박 상의 부분)(504)은 광학원(505)과 수신기(506)를 포함한다. 원격 단 (수중에서)(507)는 센서(503)와 증폭기(502)를 포함한다. 다운리드(508)는 인접 단(504)와 원격 단(507)를 함께 연결한다.
도 30은 1000 센서(522)를 구비하고, 각각의 250 센서의 어레이(524)를 포함하는 수중 청음기 어레이(520)의 전체 스케일을 도시한다. 모든 1000 센서(522)는 8-섬유 케이블 상에 유지되고, 이는 지름이 3㎝ 이하일 수 있다. 8개의 펌프 레이저(526)와 4개의 신호 레이저(528)가 필요하다. 또 다른 방식으로, 4개의 센서 어레이(524) 중에서 하나의 신호 레이저를 공유하는 것이 가능하다. 4개의 수신기(530)가 사용되고, 이는 비용이 절약되고 수동 시스템에서 수백 개의 수신기에 비해 우수한 늑판 공간과 부피 (예를 들어, 선 내에 장치한)를 갖는다.
본 발명은 주정제와 특성으로부터 분리되지 않고 다른 특정한 형태로 실시될 수 있다. 설명된 실시예는 제한되지 않는 실례가 되는 모든 측면에서 고려되어야 한다. 본 발명의 측면은 앞서 상술한 설명보다 청구항에 의해 지시된다. 청구 범위와 대등한 의미 및 범주에 속하는 모든 변형들은 청구 범위의 범주 내에 속한다.

Claims (67)

  1. 광 센서 아키텍쳐에 있어서,
    입력 광 신호를 수신하고 교란 광 신호를 출력하는 다수의 센서,
    각각의 센서에 결합되어 상기 입력 광 신호를 각 센서에 분산하는 분산 버스,
    각 센서에 결합되어 복귀 신호의 일부로서 포함될 상기 교란 광 신호를 각 센서로부터 수신하는 복귀 버스,
    상기 입력 광 신호의 전력을 선택된 레벨로 유지하도록 상기 분산 버스의 길이를 따르는 선택된 위치들에 분산된 다수의 제1 광 증폭기, 및
    상기 복귀 신호내의 상기 교란 광 신호의 전력을 유지하도록 상기 복귀 버스의 길이를 따르는 선택된 위치들에 분산된 다수의 제2 광 증폭기
    를 포함하는 광 센서 아키텍쳐.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 증폭기 각각은 에르븀 도핑 광 섬유의 일부를 포함하는 광 센서 아키텍쳐.
  3. 제1항에 있어서, 각 센서로부터의 상기 교란 광 신호는 상기 복귀 신호 내에서 시분할 다중화되는 광 센서 아키텍쳐.
  4. 제1항에 있어서, 각 제1 광 증폭기는 상기 입력 광 신호가 각각의 해당 센서에 결합되기 바로 전에 각각의 해당 제1 광 증폭기가 상기 입력 광 신호를 증폭하도록 상기 분산 버스를 따라 배치되는 광 센서 아키텍쳐.
  5. 제4항에 있어서, 각 제1 광 증폭기의 이득은 상기 입력 광 신호에 의해 겪어진 손실을 실질적으로 보상하도록 선택되는 광 센서 아키텍쳐.
  6. 제1항에 있어서, 각 제1 광 증폭기는 상기 입력 광 신호의 일부가 각각의 해당 센서에 결합된 바로 직후 각각의 해당 제1 광 증폭기가 상기 입력 광 신호를 증폭하도록 상기 분산 버스를 따라 배치되는 광 센서 아키텍쳐.
  7. 제6항에 있어서, 각 제1 광 증폭기의 이득은 상기 입력 광 신호에 의해 겪어진 손실을 실질적으로 보상하도록 선택되는 광 센서 아키텍쳐.
  8. 제1항에 있어서, 각 제2 광 증폭기는 상기 교란 광 신호가 각 해당 센서로부터 상기 복귀 버스로 결합된 바로 직후 각 해당 제2 광 증폭기가 상기 복귀 신호를 증폭하도록 상기 복귀 버스를 따라 배치되는 광 센서 아키텍쳐.
  9. 제8항에 있어서, 상기 복귀 버스를 따르는 각 제2 광 증폭기의 이득은 상기 복귀 신호에 의해 겪어진 손실을 실질적으로 보상하도록 선택되는 광 센서 아키텍쳐.
  10. 제1항에 있어서, 각 제2 광 증폭기는 상기 교란 광 신호가 각 해당 센서로부터 상기 복귀 버스에 결합되기 바로 전에 이미 상기 복귀 버스 상에 있는 상기 복귀 신호를 각 제2 광 증폭기가 증폭하도록 상기 복귀 버스를 따라 배치되는 광 센서 아키텍쳐.
  11. 제10항에 있어서, 상기 복귀 버스를 따르는 각 제2 광 증폭기의 이득은 상기 복귀 신호에 의해 겪어진 손실을 실질적으로 보상하도록 선택되는 광 센서 아키텍쳐.
  12. 제1항에 있어서, 각 광 센서와 상기 분산 버스 간의 결합비는 약 0.2 내지 0.4인 광 센서 아키텍쳐.
  13. 제1항에 있어서, 파장 분할 멀티플렉서가 각 센서를 상기 분산 버스에 결합하는 데 사용되고 파장 분할 멀티플렉서가 각 센서를 상기 복귀 버스에 결합하는 데 사용되는 광 센서 아키텍쳐.
  14. 광 센서 아키텍쳐에 있어서,
    각 센서 그룹이 입력 광 신호를 수신하고 교란 광 신호를 출력하는 적어도 하나의 센서를 포함하는 다수의 센서 그룹,
    각 센서 그룹에 결합되어 상기 입력 광 신호를 각 센서 그룹에 분산하는 분산 버스,
    각 센서 그룹에 결합되어 각 센서 그룹으로부터 상기 교란 광 신호를 수신하는 복귀 버스,
    상기 입력 광 신호의 전력을 각 센서 그룹에 대해 적당한 레벨로 유지하도록 상기 분산 버스의 길이를 따르는 선택된 위치들에 분산되는 다수의 제1 광 증폭기, 및
    상기 복귀 버스 상의 상기 교란 광 신호의 전력을 유지하도록 상기 복귀 버스의 길이를 따르는 선택된 위치들에 분산되는 다수의 제2 광 증폭기
    를 포함하는 광 센서 아키텍쳐.
  15. 제14항에 있어서, 각 센서 그룹은 해당 센서 그룹을 포함하는 각 센서의 해당 제1 단부들을 결합시키고 상기 해당 센서 그룹을 포함하는 각 센서의 해당 제2 단부들을 결합시킴으로써 형성되고, 상기 제1 단부들은 상기 분산 버스에 결합되고, 상기 제2 단부들은 상기 복귀 버스에 결합되는 광 센서 아키텍쳐.
  16. 제15항에 있어서, 스타(star)형 섬유 커플러는 각 해당 센서 그룹의 각 센서의 상기 제1 단부를 결합시키고 스타형 섬유 커플러는 각 해당 센서 그룹의 각 센서의 상기 제2 단부를 결합시키는 광 센서 아키텍쳐.
  17. 제14항에 있어서, 단일 센서 그룹내의 각 센서를 통하여 상기 분산 버스로부터 상기 복귀 버스 까지의 섬유 경로의 길이는 각 해당 센서 그룹내의 각 센서에 대해 다른 광 센서 아키텍쳐.
  18. 제14항에 있어서, 각 광 센서 그룹은 적어도 2개의 광 센서를 포함하는 광 센서 아키텍쳐.
  19. 제14항에 있어서, 각 광 센서 그룹은 적어도 4개의 광 센서를 포함하는 광 센서 아키텍쳐.
  20. 제14항에 있어서, 각 센서 그룹의 상기 제1 단부와 상기 분산 버스 간의 결합비는 약 0.4 내지 0.95인 광 센서 아키텍쳐.
  21. 제14항에 있어서, 각 센서 그룹은 상기 분산 버스와 상기 복귀 버스 사이에 결합된 다수의 센서를 포함하고, 각 센서 그룹 내의 센서들의 수는 상기 교란 광 신호에 대해 최대 신호 대 잡음비를 제공하도록 선택되는 광 센서 아키텍쳐.
  22. 광 센서 아키텍쳐에 있어서,
    파라메터를 감지하기 위한 다수의 수단,
    상기 감지 수단의 각각에 제1 광 신호를 분산하기 위한 수단,
    상기 감지 수단의 각각으로부터 제2 광 신호를 복귀시키기 위한 수단,
    상기 분산 수단을 따라 간격진 상기 제1 광 신호를 증폭하기 위한 다수의 수단, 및
    상기 복귀 수단을 따라 간격진 상기 제2 광 신호를 증폭하기 위한 다수의 수단
    을 포함하는 광 센서 아키텍쳐.
  23. 제22항에 있어서, 상기 감지 수단 각각은 상기 분산 수단과 상기 복귀 수단 사이에 결합된 다수의 센서를 포함하고, 감지 수단 각각 내의 센서들의 수는 상기 제2 광 신호에 대해 최대 신호 대 잡음비를 제공하도록 선택되는 광 센서 아키텍쳐.
  24. 제22항에 있어서, 상기 파라메터는 음향 입력인 광 센서 아키텍쳐.
  25. 광 출력을 발생시키기 위해 센서 아키텍쳐로부터 복귀하는 신호내의 잡음 지수(figure) 레벨을 감소시키기 위한 방법에 있어서,
    다수의 센서를 사용하여 출력 신호들을 발생시키는 단계,
    각 센서에 결합된 분산 버스를 통해 입력 광 신호를 전송하는 단계.
    각 센서로부터의 상기 출력 신호를 각 센서에 결합된 복귀 버스를 통해 전송된 복귀 신호와 결합시키는 단계, 및
    상기 센서 아키텍쳐내의 신호 대 잡음비를 증가시키기 위해 상기 분산 버스와 상기 복귀 버스를 따르는 다중 스테이지에서 상기 입력 광 신호 및 상기 복귀 신호를 증폭하는 단계
    를 포함하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 다수의 센서는 상기 다중 스테이지 각각에서 상기 분산 버스와 상기 복귀 버스 사이에 결합된 서브 어레이들의 어레이로 배열되고, 상기 방법은 각 서브 어레이에 대해 센서들의 최적 수를 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 상기 신호 대 잡음비는 상기 각 센서와 상기 분산 버스 간의 결합비를 최적화함으로써 더욱 개선되는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 신호 대 잡음비는 상기 각 센서와 상기 복귀 버스 간의 결합비를 최적화함으로써 더욱 개선되는 방법.
  29. 제25항에 있어서, 상기 신호 대 잡음비는 상기 각 센서와 상기 복귀 버스 간의 결합비를 최적화함으로써 더욱 개선되는 방법.
  30. 광 센서들의 어레이를 최적화하기 위한 방법에 있어서,
    광원으로부터 입력 광 신호를 전달하는 분산 섬유와 교란 광 신호를 검출기에 복귀시키는 복귀 섬유 사이에 배치된 광 센서들의 어레이를 제공하는 단계-각 광 센서는 해당 입력 커플러에 의해 상기 분산 섬유에 결합되고 해당 출력 커플러에 의해 상기 복귀 섬유에 결합됨-,
    상기 입력 분산 섬유와 상기 복귀 섬유 상의 선택된 위치들에 다수의 증폭기를 삽입하는 단계-상기 증폭기는 상기 어레이내의 손실을 보상함-, 및
    시스템 잡음 지수를 최적화하도록 상기 커플러들의 결합비들 및 상기 증폭기들의 이득들을 선택하는 단계-상기 시스템 잡음 지수는 상기 입력 광 신호의 신호 대 잡음비 대 최저 신호 대 잡음비를 갖는 센서내의 광 신호의 신호 대 잡음비의 비율임-
    를 포함하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 어레이는 상기 분산 섬유와 상기 복귀 섬유 사이에 결합된 다수의 서브 어레이를 포함하고, 상기 방법은 각 서브 어레이에 대해 센서들의 최적 수를 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  32. 광 센서들의 어레이를 최적화하기 위한 방법에 있어서,
    다수의 커플러에 의해 광 섬유에 결합된 광 센서들의 어레이를 제공하는 단계,
    상기 어레이내의 손실을 보상하기 위해 다수의 증폭기에 의해 상기 광 섬유에서 전달되는 광 신호를 증폭하는 단계, 및
    시스템 잡음 지수를 최적화하도록 상기 커플러들의 결합비들 및 상기 증폭기들의 이득들을 선택하는 단계-상기 시스템 잡음 지수는 상기 입력 광 신호의 신호 대 잡음비 대 최저 신호 대 잡음비를 갖는 센서내의 광 신호의 신호 대 잡음비의 비율임-
    를 포함하는 방법.
  33. 광 센서 아키텍쳐에 있어서,
    입력 광 신호를 수신하고 감지된 파라메터에 응답하여 교란 광 신호들을 출력하는 다수의 센서,
    광 신호를 각 센서에 분산하고 각 센서로부터 교란 광 신호들을 복귀시키는 적어도 하나의 광 섬유, 및
    상기 분산된 광 신호와 복귀된 교란 광 신호들의 전력을 선택된 레벨들로 유지하도록 상기 적어도 하나의 광 섬유의 길이를 따르는 선택된 위치들에 분산된 다수의 광 증폭기
    를 포함하는 광 센서 아키텍쳐.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광 섬유는 상기 입력 광 신호를 상기 센서들에 전달하는 분산 섬유 및 상기 센서들로부터 상기 교란 광 신호들을 수신하는 복귀 섬유를 포함하고,
    상기 다수의 증폭기는 상기 분산 섬유내의 제1 셋트의 증폭기 및 상기 복귀 섬유내의 제2 셋트의 증폭기를 포함하는 광 센서 아키텍쳐.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광 섬유는 상기 입력 광 신호를 제1 방향으로 상기 센서들에 전달하고 상기 센서들로부터의 상기 교란 광 신호들을 상기 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 전달하고,
    상기 다수의 증폭기는 상기 적어도 하나의 광 섬유 내에 단일 셋트의 증폭기를 포함하고, 상기 다수의 증폭기는 상기 제1 방향으로 상기 적어도 하나의 광 섬유에서 전달되는 상기 입력 광 신호를 증폭하고 상기 제2 방향으로 상기 적어도 하나의 광 섬유에서 전달되는 상기 교란 광 신호들을 증폭하는 광 센서 아키텍쳐.
  36. 광 센서 어레이 아키텍쳐에 있어서,
    광 입력 신호를 수신하고 분산하며, 분산 버스 펌프 신호를 전달하는 분산 버스,
    다수의 광 복귀 신호를 수신하고 출력 신호들로서 상기 광 복귀 신호들을 제공하며, 복귀 버스 펌프 신호를 전달하는 복귀 버스,
    상기 분산 버스와 상기 복귀 버스 사이에 결합된 다수의 렁(rung)-상기 렁 각각은 상기 광 입력 신호의 해당 부분을 수신하고 상기 광 복귀 신호들 중 하나를 발생시키는 적어도 하나의 센서를 포함함-,
    상기 분산 버스 펌프 신호에 응답하는 상기 분산 버스 내의 다수의 입력 광 증폭기-상기 입력 광 증폭기들은 상기 광 입력 신호를 증폭하고 상기 렁 각각에 대해 선택된 신호 레벨로 상기 광 입력 신호를 유지하는 이득들을 가짐-, 및
    상기 복귀 버스 펌프 신호에 응답하는 상기 복귀 버스내의 다수의 출력 광 증폭기-상기 출력 광 증폭기들은 상기 렁들내의 상기 센서들에 의해 발생된 상기 복귀 신호들을 증폭하고 상기 광 복귀 신호들의 크기들과 실질적으로 동일한 이득들을 가짐-
    을 포함하는 광 센서 어레이 아키텍쳐.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 증폭기들의 이득들은 보다 큰 펌프 에너지에 의해 펌프될 때 더 크고,
    상기 분산 버스 펌프 신호 및 상기 복귀 버스 펌프 신호는 상기 분산 버스와 상기 복귀 버스의 해당 단부들에 들어가고, 상기 분산 펌프 신호는 상기 입력 광 증폭기들의 동일하지 않은 펌핑 및 상기 입력 광 증폭기들의 해당 이득들의 차이들을 발생시키고, 상기 복귀 버스 펌프 신호는 상기 출력 광 증폭기들의 동일하지 않은 펌핑 및 상기 출력 광 증폭기들의 해당 이득들의 차이들을 발생시키고, 상기 입력 광 증폭기들, 상기 출력 광 증폭기들 및 상기 렁들은 상기 아키텍쳐가 상기 입력 광 증폭기들과 해당 누적 이득들을 갖는 상기 출력 광 증폭기들의 서로 다른 조합을 포함하는 다수의 광 경로를 규정하도록 배치되고, 상기 입력 광 증폭기들 및 상기 출력 광 증폭기들은 상기 광 경로들 간의 상기 누적 이득들의 차이들이 감소되도록 선택되는 이득들을 가져, 상기 아키텍쳐의 잡음 지수를 감소시키는 광 센서 어레이 아키텍쳐.
  38. 제37항에 있어서, 상기 증폭기들은 상기 광 경로들이 동일한 수의 증폭기를 포함하도록 상기 버스들을 따라 배치되는 광 센서 어레이 아키텍처.
  39. 제38항에 있어서, 상기 광 입력 신호는 상기 분산 버스의 상기 해당 단부에 반대되는 단부에서 상기 분산 버스에 들어가고, 상기 광 복귀 신호들은 상기 복귀 버스의 상기 해당 단부에서 나가는 광 센서 어레이 아키텍쳐.
  40. 제38항에 있어서, 상기 광 입력 신호는 상기 분산 버스의 상기 해당 단부에 들어가고, 상기 광 복귀 신호들 및 상기 복귀 버스 펌프 신호는 상기 복귀 버스의 상기 해당 단부에 반대되는 단부에서 나가는 광 센서 어레이 아키텍쳐.
  41. 제37항에 있어서, 상기 증폭기들의 해당 이득들은 상기 버스들을 따라 1 부근의 전송(near unity transmission)을 유지하도록 상기 광 센서 아키텍쳐내의 손실을 보상하도록 조정되는 광 센서 어레이 아키텍쳐.
  42. 제37항에 있어서, 상기 분산 및 복귀 버스 펌프 신호들 중 적어도 하나는 한개 이상의 단부에서 그 해당 버스에 들어가는 광 센서 어레이 아키텍쳐.
  43. 제37항에 있어서, 다중 센서가 스타 커플러들을 사용하여 상기 렁들 상에 다중화되는 광 센서 어레이 아키텍쳐.
  44. 제37항에 있어서, 상기 광 복귀 신호 각각의 해상(resolution) 및 검출을 허용하도록 상기 버스들 중 적어도 하나를 따라 위치한 다수의 지연 라인을 더 포함하는 광 센서 어레이 아키텍쳐.
  45. 제37항에 있어서, 상기 버스들 중 적어도 하나는 임의의 사용되지 않는 전력을 반사하기 위해 하나의 단부에 섬유 브래그 격자를 더 포함하는 광 센서 어레이 아키텍쳐.
  46. 광 센서 아키텍쳐의 잡음 지수를 감소시키는 방법에 있어서,
    펌프 에너지가 이들을 통해 전달하게 되는 분산 및 복귀 버스를 제공하는 단계-상기 펌프 에너지는 상기 분산 및 복귀 버스를 따라 배치된 광 증폭기들에 이득을 제공함-,
    다수의 렁과 다수의 커플러를 제공하는 단계-상기 커플러들은 상기 렁 각각을 상기 분산 및 복귀 버스에 접속시키고, 상기 렁 각각은 상기 분산 버스로 발사된 광 입력 신호의 해당 부분을 수신하는 적어도 하나의 센서를 포함하고, 상기 센서들은 상기 복귀 버스로 들어가는 해당 광 복귀 신호들을 발생시킴-, 및
    전체 센서들의 원하는 수와 거의 동일한 상기 센서들의 전체 수를 제공하기 위해서 상기 렁들의 수와 각 렁내의 센서들의 수를 선택하는 단계-상기 렁들의 수와 상기 렁들 내의 상기 센서들의 수는 상기 광 센서 아키텍쳐의 잡음 지수를 감소시키도록 선택됨-
    를 포함하는 방법.
  47. 제46항에 있어서, 상기 렁들의 상기 수와 상기 렁들 내의 상기 센서들의 상기 수들은 잡음 지수를 감소시키되 최소화시키지 않도록 선택되어, 분산 및 복귀 펌프 전력 요구도 또한 감소되는 방법.
  48. 제46항에 있어서, 상기 분산 버스내의 상기 커플러들에 의해 상기 렁들과 결합된 상기 광 입력 신호의 비율은 광 입력 신호 및 분산 및 복귀 펌프 신호들의 소정의 레벨들에 대해 상기 광 센서 아키텍쳐의 잡음 지수를 감소시키도록 선택되는 방법.
  49. 제46항에 있어서, 상기 렁들 내의 상기 센서들의 수들은 각 렁에 대해 동일한 방법.
  50. 광 센서 아키텍쳐의 잡음 지수를 감소시키는 방법에 있어서,
    펌프 에너지가 이들을 통해 전달하게 되는 분산 및 복귀 버스를 제공하는 단계-상기 펌프 에너지는 상기 분산 및 복귀 버스를 따라 배치된 광 증폭기들에 이득을 제공함-,
    다수의 렁과 다수의 커플러를 제공하는 단계-상기 커플러들은 상기 렁 각각을 상기 분산 및 복귀 버스에 접속시키고, 상기 렁 각각은 상기 분산 버스로 발사된 광 입력 신호의 해당 부분을 수신하는 적어도 하나의 센서를 포함하고, 상기 센서들은 상기 복귀 버스로 들어가는 해당 광 복귀 신호들을 발생시킴-, 및
    전체 센서들의 원하는 수와 거의 동일한 상기 센서들의 전체 수에 대해 상기 광 센서 아키텍쳐의 잡음 지수를 감소시키기 위해 상기 분산 버스내의 상기 커플러들에 의해 상기 렁들과 결합된 상기 광 입력 신호의 해당 비율들과 상기 복귀 버스내의 상기 커플러들에 의해 상기 복귀 버스와 결합된 상기 광 복귀 신호들의 비율들을 선택하는 단계
    를 포함하는 방법.
  51. 제50항에 있어서, 상기 렁들의 상기 수와 각 렁 내의 상기 센서들의 상기 수는 상기 광 센서 아키텍쳐의 잡음 지수를 감소시키도록 선택되는 방법.
  52. 제51항에 있어서, 상기 렁들 내의 상기 센서들의 수들은 동일한 방법.
  53. 제51항에 있어서, 상기 렁들의 상기 수, 상기 렁들내의 상기 센서들의 상기 수들, 및 상기 결합 비율들은 잡음 지수를 감소시키되 최소화시키지 않게 선택되어, 분산 및 복귀 펌프 전력 요구도 또한 감소되는 방법.
  54. 제51항에 있어서, 상기 렁에 대한 상기 분산 버스 결합 비율들은 모두 실질적으로 동일한 방법.
  55. 제51항에 있어서, 상기 복귀 버스 결합 비율들은 모두 실질적으로 동일한 방법.
  56. 제51항에 있어서, 상기 선택 단계는 입력 광 신호의 원하는 레벨 및 분산 펌프 신호 및 복귀 펌프 신호의 원하는 레벨들을 선택하는 단계를 포함하는 방법.
  57. 광 센서 아키텍쳐에 있어서,
    둘다 펌프 에너지를 전달하는 분산 버스 및 복귀 버스-상기 펌프 에너지는 상기 분산 및 복귀 버스를 따라 배치된 광 증폭기들에 이득을 제공함-, 및
    다수의 렁과 다수의 커플러-상기 커플러들은 상기 렁 각각을 상기 분산 및 복귀 버스에 결합시키고, 상기 렁 각각은 상기 분산 버스에 발사된 광 입력 신호의 해당 부분을 수신하는 적어도 하나의 센서를 포함하고, 상기 센서는 상기 복귀 버스에 들어오는 해당 광 복귀 신호들을 발생시킴-를 포함하고,
    상기 렁들의 수와 각 렁내의 센서들의 수는 전체 센서들의 원하는 수와 거의 동일한 상기 센서들의 전체 수를 제공하고, 상기 렁들의 수와 상기 렁들내의 상기 센서들의 상기 수들은 상기 광 센서 아키텍쳐의 잡음 지수를 감소시키도록 선택되는 광 센서 아키텍쳐.
  58. 제57항에 있어서, 상기 렁들의 상기 수와 상기 렁들 내의 상기 센서들의 상기 수들은 잡음 지수를 감소시키되 최소화시키지 않게 선택되어, 분산 및 복귀 펌프 전력 요구를 감소시키는 광 센서 아키텍쳐.
  59. 제57항에 있어서, 상기 분산 버스내의 상기 커플러에 의해 상기 렁과 결합된 상기 광 입력 신호의 비율은 광 입력 신호 및 분산 및 복귀 펌프 신호의 소정의 레벨에 대해 상기 광 센서 아키텍쳐의 잡음 지수를 감소시키도록 선택되는 광 센서 아키텍쳐.
  60. 제57항에 있어서, 상기 렁 내의 상기 센서의 수는 각 렁에 대해 동일한 광 센서 아키텍쳐.
  61. 광 센서 아키텍쳐에 있어서,
    둘다 펌프 에너지를 전달하는 분산 버스 및 복귀 버스-상기 펌프 에너지는 상기 분산 및 복귀 버스를 따라 배치된 광 증폭기들에 이득을 제공함-, 및
    다수의 렁과 다수의 커플러-상기 커플러들은 상기 렁 각각을 상기 분산 및 복귀 버스에 결합시키고, 상기 렁 각각은 상기 분산 버스에 발사된 광 입력 신호의 해당 부분을 수신하는 적어도 하나의 센서를 포함하고, 상기 센서들은 상기 복귀 버스에 들어오는 해당 광 복귀 신호들을 발생시킴-를 포함하고,
    상기 분산 버스내의 상기 커플러들에 의해 상기 렁들과 결합된 상기 광 입력 신호의 해당 비율들과 상기 복귀 버스내의 상기 커플러들에 의해 상기 복귀 버스와 결합된 상기 광 복귀 신호들의 해당 비율들은 전체 센서들의 원하는 수와 거의 동일한 상기 센서들의 전체 수에 대해 상기 광 센서 아키텍쳐의 잡음 지수를 감소시키도록 선택되는 광 센서 아키텍쳐.
  62. 제61항에 있어서, 상기 렁들의 상기 수와 각 렁 내의 상기 센서들의 상기 수는 상기 광 센서 아키텍쳐의 잡음 지수를 감소시키도록 선택되는 광 센서 아키텍쳐.
  63. 제62항에 있어서, 상기 렁들 내의 상기 센서들의 수들은 동일한 광 센서 아키텍쳐.
  64. 제62항에 있어서, 상기 렁들의 상기 수, 상기 렁들내의 상기 센서들의 상기 수들, 및 상기 결합 비율들은 잡음 지수를 감소화시키되 최소화시키지 않게 선택되어, 분산 및 복귀 펌프 전력 요구도 또한 감소되는 광 센서 아키텍쳐.
  65. 제62항에 있어서, 상기 분산 결합 비율들은 동일한 광 센서 아키텍쳐.
  66. 제62항에 있어서, 상기 렁들에 대한 상기 복귀 버스 결합 비율들은 동일한 광 센서 아키텍쳐.
  67. 광 센서 어레이 아키텍쳐에 있어서,
    광 입력 신호를 수신하고 분산하며, 분산 버스 펌프 신호를 전달하는 분산 버스,
    다수의 광 복귀 신호를 수신하고 출력 신호들로서 상기 광 복귀 신호들을 제공하며, 복귀 버스 펌프 신호를 전달하는 복귀 버스,
    상기 분산 버스와 상기 복귀 버스 사이에 결합된 다수의 렁-상기 렁 각각은 상기 광 입력 신호의 해당 부분을 수신하고 상기 광 복귀 신호들 중 하나를 발생시킴-,
    상기 분산 버스 펌프 신호에 응답하는 상기 분산 버스내의 다수의 입력 광 증폭기-상기 입력 광 증폭기들은 상기 입력 광 신호를 증폭하고 상기 렁 각각에 대해 선택된 신호 레벨로 상기 광 입력 신호를 유지하는 이득들을 가짐-, 및
    상기 복귀 버스 펌프 신호에 응답하는 상기 복귀 버스내의 다수의 출력 광 증폭기-상기 출력 광 증폭기들은 상기 렁들내의 상기 센서들에 의해 발생된 상기 복귀 신호들을 증폭하고 상기 광 복귀 신호들의 크기들과 실질적으로 동일한 이득들을 가짐,
    를 포함하고,
    적어도 하나의 섬유 브래그 격자가 상기 버스들 중 상기 적어도 하나의 버스에서 임의의 사용되지 않은 전력을 반사시키기 위해 상기 버스들 중 적어도 하나의 단부에 배치된 광 센서 어레이 아키텍쳐.
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